学生-第九章生物氧化-ppt课件

1、Chapter 9 Biological oxidation 生物氧化生物氧化 1 Overview意义意义用于生命活动用于生命活动用于维持体温用于维持体温1. The concept & significance of biological oxidationH2O+CO2+能量能量生物体生物体 营养物营养物 （糖、脂、蛋白质）（糖、脂、蛋白质）O 生物氧化 体外燃烧温和环境37C近中性） 条件剧烈，高温、高压需酶催化 不需酶催化CO2是有机酸脱羧生成的 碳和氧直接化合生成CO2有机物脱下的氢,经呼吸链生成H2O 氢和氧直接反应形成H2O逐步释放能量并形成ATP 能量以光和热形式骤然

2、放出氧化体系氧化体系:线粒体氧化体系线粒体氧化体系非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系利用利用O2释放释放CO2，生成，生成ATP微粒体氧化体系微粒体氧化体系 过氧化物氧化体系过氧化物氧化体系与与ATP生成无关生成无关3. Biological oxidation ways1) To generate CO2 (体内体内CO2是有机酸在酶的催化下脱羧产是有机酸在酶的催化下脱羧产生的生的)COOHR-CH-NH2R-CH2-NH2 + CO2氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶-氨基酸氨基酸胺胺 - direct decarboxylation -单纯脱羧单纯脱羧H3C-C-COOH + HSCoAO=H3C-

3、C-SCoA + CO2O=NAD+NADH + H+丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoA -oxidative decarboxylation 氧化脱羧氧化脱羧HOOCCH2-C-COOHO=H3C-C-COOH + CO2O=丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸草酰乙酸丙酮酸丙酮酸 direct decarboxylation 单纯脱羧单纯脱羧 oxidative decarboxylation 氧化脱羧氧化脱羧HOOCCH2-CH-COOHH3C-C-COOH + CO2O= OH苹果酸酶苹果酸酶NADP+NADPH + H+苹果酸苹果酸丙酮酸丙

4、酮酸 单纯脱羧基作用单纯脱羧基作用-单纯脱羧基作用单纯脱羧基作用-单纯脱羧基作用单纯脱羧基作用 氧化脱羧基作用氧化脱羧基作用-氧化脱羧基作用氧化脱羧基作用-氧化脱羧基作用氧化脱羧基作用 2） To generate H2O 代谢物代谢物AH2） 2H (酶与辅酶) 一系列中间传递体 O2H2O2 Oxidation System in Mitochondria 是定位在线粒体内膜上的是定位在线粒体内膜上的一组排列有序的递氢体和递电一组排列有序的递氢体和递电子体子体(酶与辅酶酶与辅酶)构成的链状传构成的链状传递体系递体系, 也称电子传递链。也称电子传递链。1. respiratory chain

5、线粒体内膜和脊上有许多球状小体突出：线粒体内膜和脊上有许多球状小体突出： ATP合成酶系合成酶系呼吸链呼吸链 (一) 呼吸链主要成员及其作用 烟酰胺脱氢酶类及其辅酶烟酰胺脱氢酶类及其辅酶NAD+、NADP+） 黄素蛋白类及其辅基黄素蛋白类及其辅基 （FMN、FAD） 铁硫蛋白铁硫蛋白Fe-S） 泛醌泛醌Q，CoQ） 细胞色素类细胞色素类Cyt.） 烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类 (nicotinamide dehydrogenase) NAD+(COI)烟酰胺腺嘌呤二核烟酰胺腺嘌呤二核苷酸苷酸 辅酶辅酶 NADP+(COII)烟酰胺腺嘌呤烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸二核苷酸磷酸 作用作用: 递氢体递

6、氢体 (3) 递氢机理递氢机理 （ 递氢部位：递氢部位： 吡啶环）吡啶环） 2H + NAD+ NADH + H+ 传递给传递给 FMN呼吸链呼吸链 NADPH+H+ : 一般不参与呼吸链。一般不参与呼吸链。 黄素蛋白酶类黄素蛋白酶类 (Flavoprotein, FP) FMN-黄素单核苷酸黄素单核苷酸 在呼吸链中在呼吸链中, FMN作为作为NADH脱氢酶的辅基脱氢酶的辅基; (1) 辅基辅基 FAD-黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸 作为琥珀酸脱氢酶作为琥珀酸脱氢酶的辅基的辅基; 作用作用: 递氢体递氢体（FP1）(FP2)（3递氢机理递氢机理 （功能部位（功能部位 ：异咯嗪环的：异咯

7、嗪环的N1和和N10） 在呼吸链中：在呼吸链中： NADH + H+ FMNH2 均可传递给均可传递给CoQ 琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢 FADH2（Fe-S）110CH2-SFeSFeSFeSFeSCH2-SS-CH2S-CH2常见铁硫簇常见铁硫簇:Fe4-S4 或或 Fe2-S2铁硫中心：铁硫中心：3. 3. 铁硫蛋白类铁硫蛋白类 (Fe-S, iron-sulfur (Fe-S, iron-sulfur proteins)proteins) FMN (Fe-S) 存在形式存在形式 FAD (Fe-S).b(2) 作用作用: 递电子体递电子体 递电子机理递电子机理 Fe3+ Fe2+ and C

8、yt.b. C1 (Fe-S)等复合物形式等复合物形式e e在呼吸链中：在呼吸链中：4. 泛醌（泛醌（ Ubiquinone, Q10 ， CoQ10 ） 构造构造 醌类化合物醌类化合物 作用作用: 递氢体递氢体 (3) 递氢机理递氢机理2e2H+ 传递给其后的传递给其后的一系列一系列 递电子体递电子体 在呼吸链中：在呼吸链中： FMNH2 CoQ2H（Fe-S） FADH2 （Fe-S）（2H 2H+ + 2e） 5. 细胞色素类细胞色素类 (Cytochromes, Cyt.)Cyt. 主要类型主要类型: 根据吸收光谱不同，根据吸收光谱不同，Cyt.类分为类分为a、b和和c三三大类大类,

9、每一大类又有几种亚类。每一大类又有几种亚类。 Cyt.b5和和Cyt.p450 主要存在于肝细胞微粒主要存在于肝细胞微粒体，参与生物转化。体，参与生物转化。Cyt.b、c1、c、a和和a3 存在于线粒体内膜存在于线粒体内膜, 作为呼吸链成员；作为呼吸链成员； 蛋白质蛋白质 由两大部分构成由两大部分构成 铁卟啉铁卟啉 （1） 基本结构基本结构（ 以细胞色素以细胞色素C为例）为例）(2) 作用作用 递电子体递电子体 (3) 递电子机理递电子机理 Fe3+ Fe2+ee(4) 递电子顺序递电子顺序 Cyt.b c1 c a a3 O2 通过与氧结合，可将电子直接传递给氧，通过与氧结合，可将电子直接传

10、递给氧， Cyt aa3 被称为细胞色素氧化酶被称为细胞色素氧化酶 当当Cyt a3 与与CO或或CN-结合时，可致呼吸链中断。结合时，可致呼吸链中断。不能与不能与O2 或或CO、CN-等结合等结合可与可与O2 、也可、也可与与CO和和CN-结合结合Cyt b、 c1、 cCyt a3a在呼吸链中细胞色素类递电子顺序在呼吸链中细胞色素类递电子顺序2Fe2+2Fe3+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+ O2O2-2e2e2e2e2ebc1 ca.a3CoQ2H 2H+2e2H+H2O 呼吸链各成分在线粒体内膜上的分布与定位 复合体复合体NADH泛醌泛醌还原酶还原酶(NA

11、DH脱氢酶）脱氢酶） 复合体复合体 琥珀酸泛醌琥珀酸泛醌还原酶还原酶（琥珀酸脱氢（琥珀酸脱氢酶）酶） 复合体复合体泛醌泛醌CytC还还原酶原酶 复合体复合体细胞色素氧细胞色素氧化酶化酶FMN (Fe-S)a.a3Cyt. b. (Fe-S).c1FAD (Fe - S)复合体酶名称辅基主要作用复合体复合体NADH-NADH-泛醌还原泛醌还原酶酶FMNFMN、Fe-Fe-S S将将NADHNADH的的H H传递给传递给CoQCoQ1010复合体复合体琥珀酸琥珀酸- -泛醌还泛醌还原酶原酶FADFAD、Fe-Fe-S S将琥珀酸等底物的将琥珀酸等底物的H H传递传递给给CoQCoQ1010复合体复

12、合体泛醌泛醌- Cyt- Cyt c c还还原酶原酶铁卟啉，铁卟啉，Fe-SFe-S将电子从泛醌传递给将电子从泛醌传递给CytCyt c c复合体复合体CytCyt c c氧化酶氧化酶铁卟啉，铁卟啉，CuCu将电子从将电子从CytCyt c c传递给传递给O O2 2人线粒体呼吸链四大复合体组成及作用人线粒体呼吸链四大复合体组成及作用 2. Arrangement sequences of respiratory chains NADH+H+NADH+H+氧化呼吸链氧化呼吸链 2. FADH22. FADH2氧化或称琥珀酸氧化呼吸链氧化或称琥珀酸氧化呼吸链 1、NADH+H+氧化呼吸链氧化呼吸

13、链NADH FMN CoQ Cyt.bc1 c a.a3 O2 +H+ (Fe-S) (Fe-S) (Cu2+) 组成成员组成成员 排列顺序排列顺序 产生产生ATP: 2.5分子分子2、 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链 FAD H2 CoQ Cyt.bc1 c a.a3 O2 (Fe-S) (Fe-S) (Cu2+) 组成成员组成成员 排列顺序排列顺序 产生产生ATP： 1.5分子分子NADH FMN Q10 Cytb Cytc1 Cytc aa3 (Fe-S) (Fe-S) FAD.H2 (Fe-S)琥珀酸琥珀酸2H2H2H2H2H+2e2e2e2eO2122eO2-H2O 体内两条重要呼吸

14、链的相互联系体内两条重要呼吸链的相互联系 NADH FMN Q10 Cytb Cytc1 Cytc aa3 + H+ (Fe-S) (Fe-S) O2 FAD H2 (Fe-S)IIIIIIIV琥珀酸琥珀酸NADH-Q 还原酶还原酶琥珀酸琥珀酸-Q -Q 还原酶还原酶Q-CytQ-Cyt还原酶还原酶细胞色素氧细胞色素氧化酶化酶CH2OHC=OCH2O- P 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮CH2OHCHOHCH2O- P甘油甘油-3-磷酸磷酸NADH+H+NAD+QH2Q1/2O2H2O2PFADFe-S线线粒粒体体内内膜膜 基质基质胞质胞质甘油甘油-3-磷磷 酸脱氢酶酸脱氢酶 甘油-3-磷酸穿梭 3

15、. The oxidation of NADHH+ in the cytoplasma 苹果酸天冬氨酸穿梭苹果酸天冬氨酸穿梭苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶天冬氨酸氨天冬氨酸氨基转移酶基转移酶天冬氨酸氨天冬氨酸氨基转移酶基转移酶 Summary胞质中胞质中NADHH+的氧化）的氧化）1. 甘油甘油-3-磷酸穿梭作用磷酸穿梭作用 （肌肉、神经组织）（肌肉、神经组织）（心肌、肝组织）（心肌、肝组织） 呼吸链呼吸链胞液胞液NADH+H+ NADH+H+ 线粒体线粒体NADH+H+ NADH+H+ 产生产生2.52.5分子分子ATPATP2.2.苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭作用天冬氨

16、酸穿梭作用 呼吸链呼吸链胞液胞液NADH+H+ NADH+H+ 线粒体线粒体FADH2 FADH2 产生产生1.51.5分子分子ATPATP3 Biological Oxidation &Energy Metabolism 糖糖 脂类脂类 蛋白质蛋白质 o能量能量约约60%60%以热能形式散失以热能形式散失 维持体温；维持体温；约约40%40%以化学能形式形成以化学能形式形成高能化合物高能化合物ATP)ATP)，以驱动各种生命活动。以驱动各种生命活动。水解时释出能量大于水解时释出能量大于21kJ/mol21kJ/mol的含高能磷酸酯键或的含高能磷酸酯键或硫酯键的化合物硫酯键的化合物 1

17、. The types of high-energy compounds 通式通式 举例举例 释放能量释放能量pH7.0, 25） ( kJ/mol (kcal/mol ) 高能键符号：高能键符号： “ ” 2. Production of ATP1) substrate level phosphorylation 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 在分解代谢过程中，底物因脱氢、脱水等作用而使能在分解代谢过程中，底物因脱氢、脱水等作用而使能量在分子内重新分布，形成高能磷酸化合物，然后将高能量在分子内重新分布，形成高能磷酸化合物，然后将高能磷酸基团转移给磷酸基团转移给ADPADP形成形成ATPATP

18、的过程的过程1. 1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸ADPATP3-磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶2. 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸ADPATP丙酮酸丙酮酸 丙酮酸激酶丙酮酸激酶GTP3. 琥珀酰琥珀酰CoA 琥珀酸琥珀酸 + CoASHGDP H3PO4ADP ATP 糖的氧化分解过程中三次底物水平磷酸化糖的氧化分解过程中三次底物水平磷酸化2) oxidative phosphorylation2) oxidative phosphorylation氧化磷酸化氧化磷酸化 1. 1. 氧化磷酸化及其偶联氧化磷酸化及其偶联 在生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经呼吸链氧在生

19、物氧化过程中，代谢物脱下的氢经呼吸链氧化生成水时，所释放的能量偶联化生成水时，所释放的能量偶联ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP2. 氧化磷酸化的偶联部位氧化磷酸化的偶联部位（1 1） P/O Ratio P/O Ratio 磷氧比值磷氧比值 每消耗每消耗1 1摩尔氧原子所消耗的无机磷摩尔氧原子所消耗的无机磷摩尔数，摩尔数， 即合成即合成ATPATP的摩尔数。的摩尔数。 通过加入不同底物，分别测定通过加入不同底物，分别测定P/O比值，比值，推测推测ATP生成数偶联部位）。生成数偶联部位）。呼吸链形成呼吸链形成ATP的偶联部位的偶联部位NADH氧化呼吸链：氧化呼吸链： P/O 2.5， 有有3个偶

20、联部位，个偶联部位， 生成生成2.5分子分子ATP；FADH2氧化呼吸链：氧化呼吸链： P/O 1.5， 有有2个偶联部位，个偶联部位， 生成生成1.5分子分子ATP。 苹果酸抗坏血酸抗坏血酸NADH FMN CoQ Cytb c1c aa3 O2 (Fe-S) FADH2 (Fe-S) 69.5 kj/mol 36.7 kj/mol 112 kj/mol （2 2自由能变化自由能变化呼吸链偶联部位：呼吸链偶联部位： NAD+ CoQ ; Cyt.b c ; Cyta.a3O23. The influence factors of oxidative phosphorylation Inhib

21、itor ADP thyroid hormone mitochondrial DNA1) Inhibitor (1) The inhibitors in the respiratory chain FADH2 (Fe-S) (-)(-)(-)antimycin抗霉素抗霉素A CN- CORotenone 鱼藤酮鱼藤酮Amytal 阿米妥阿米妥NADH FMN CoQ Cyt.b C1 C aa3 O2 (Fe-S)(2) Uncoupler 解偶联剂解偶联剂DNP 解除氧化与磷酸化的偶联作用解除氧化与磷酸化的偶联作用 耗耗O2量量、 耗耗Pi 量量 P/O 比值比值 ATP生成生成 解偶联解偶

22、联使氧化与磷酸化之间的偶联过程脱离使氧化与磷酸化之间的偶联过程脱离二硝基苯酚二硝基苯酚DNP）2) ADP regulation1） 运动时：运动时：ADP/ATP 氧化磷酸化氧化磷酸化2休息时：休息时：ADP/ATP 氧化磷酸化氧化磷酸化3) thyroid hormone regulation T3 / T4 Na+-K+-ATPase 氧化磷酸化氧化磷酸化 耗耗O2 量量ATP生成生成 ADP + Pi + 产热量产热量 ATP(+)(+)4) mitochondrial DNA mutation mt DNA编码呼吸链复合编码呼吸链复合体的部分多肽链及蛋白质体的部分多肽链及蛋白质mtD

23、NA突变突变影响氧化磷酸化影响氧化磷酸化 ATP生成减少生成减少 发生多种疾病发生多种疾病 4. Utilize, transfer, and store ATPATP + H2O ADP + Pi + 30.5 kJ（一）（一） ATP的利用的利用（二（二ATP分子中高能键的转移分子中高能键的转移ATP + UDPCDPGDPADP + UTP参与糖原合成）参与糖原合成）CTP参与磷脂合成）参与磷脂合成）GTP参与蛋白质合成）参与蛋白质合成） （三磷酸肌酸是能量储存形式 H2N+ C-NH2 H3C-N CH2 COO- H2N+ H O C-NP-O- H3C-N O- CH2 COO-A

24、TP ADP肌酸激酶肌酸激酶肌酸肌酸磷酸肌酸磷酸肌酸CP） （肌肉、脑组织储能形式）creatine phosphate creatine 代谢物代谢物分分解解氧氧化化CO2 H2O能能热能分发）热能分发）化学能化学能（储能）（储能）ATPADP PiCCP+能能机械能肌肉收缩）机械能肌肉收缩）化学能合成代谢）化学能合成代谢）渗透能吸收分泌）渗透能吸收分泌）电能神经传导生物电）电能神经传导生物电）热能维持体温等热能维持体温等 ATP为直接供能者为直接供能者铁卟啉铁卟啉 4 Oxidation System outside MitochondriaRH + O2 + NADPH + H+RH +

25、 O2 + NADPH + H+ROH + NADP+ + H2OROH + NADP+ + H2O 羟化酶加单氧酶系）羟化酶加单氧酶系）1.microsomal oxidizing enzyme system微粒体氧化酶系微粒体氧化酶系 CytP450（混合功能氧化酶）（药物）（药物）2. Peroxisome oxidizing enzyme过氧化物酶体氧化酶类过氧化物酶体氧化酶类（一过氧化氢酶（一过氧化氢酶catalase, CAT，又称触酶），又称触酶）2H2O2 2H2O + O2（二过氧化物酶（二过氧化物酶peroxidase, POD） Ar-OH R-HO + H2O2 R-COOH + 2H2O + NH3 R-NH2 谷胱甘肽过氧化物酶谷胱甘肽过氧化物酶GSH-Px） （催化的反应）（催化的反应）H2O2 +2GSH GSSG