BioOxidation生物氧化

1、BioOxidation生物氧化生物氧化1. direct decarboxylation-direct decarboxylationH3CCCOOHO-酮酮酸酸脱脱羧羧酶酶Mg2+ TPPH3CCOH+ CO2-direct decarboxylationCH2CCOOHO丙丙酮酮酸酸脱脱羧羧酶酶H3CCOCOOH+ CO2HOOC草酰乙酸丙酮酸2. oxidative decarboxylation-oxidative decarboxylationH3CCCOOHO丙丙酮酮酸酸氧氧化化脱脱羧羧酶酶系系H3CCO+ CoASH + NAD+乙酰辅酶SCoA +NADH+H+CO2-oxi

2、dative decarboxylationCH2CHCOOHOH苹苹果果酸酸酶酶H3CCOCOOH+ CO2 + NADPH+H+HOOC苹果酸丙酮酸+ NADP+Section 2 Electron Transport and Oxidative PhosphorylationnElectron transport and oxidative phosphorylation re-oxidize NADH and FADH2 and trap the energy released as ATP.nIn eukaryotes, electron transport and oxidativ

3、e phosphorylation occur in the inner membrane of mitochondria whereas in prokaryotes the process occurs in the plasma membrane.ElectronsnDehydrogenase (脱氢酶); 使代谢物的氢活化、脱落，并将之传递给其他受氢体或传递体。nOxidase (氧化酶); 在生物氧化中，以氧直接为受氢体的氧化还原酶类称为氧化酶。nOxigendase (加氧酶); 催化加氧反应的酶。nCarrier (传递体). 生物氧化过程中起着中间传递氢或电子作用的物质，它们既

4、不能使代谢物脱氢，也不能使氢活化。Enzymes in biological oxidation1 需氧黄酶(aerobic flavoenzyme)需氧黄酶FMN or FADFMNH2 or FADH2代谢物2H已氧化代谢物2H2HO2H2O22 不需氧黄酶(anaerobic flavoenzyme)不需氧黄酶FMN or FADFMNH2 or FADH2代谢物2H已氧化代谢物2H2H传递体传递体2HH2O12O22HDehydrogenase(FMN co-enzyme)以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶NAD or NADP代谢物2H已氧化代谢物2H2H传递体传递体2HH2O12O22HN

5、ADH+H+orNADPH+H+脱氢酶Dehydrogenase(NAD co-enzyme)以烟酰胺核苷酸为辅基的脱氢酶2Cu2+or 2Fe2+代谢物2H或传递体2H已氧化代谢物或已氧化传递体2eO-2H2O12O22Cu3+or 2Fe3+2e2H+Oxidase (氧化酶)Respiratory Chain(由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶系统组成的这种代谢途径一般称为生物氧化还原链，如果受氢体是氧，则称为呼吸链呼吸链(Respiratory Chain)Biologcial oxidation system in mitochondria 至今发现构成呼吸链的组成成分有2020多

6、种，可分为5 5类：n以NAD或NADP为辅酶的脱氢酶；n以FMN或FAD为辅酶的黄素酶；n铁硫蛋白(iron-sulfur protein)：存在于线粒体内膜上与传递电子有关的蛋白质;n辅酶Q(CoQ)：它是呼吸链中的一种递氢体；n细胞色素(Cytochrome 简写为Cyt)：属于色蛋白的结合蛋白，其辅基是含铁卟啉的衍生物。Constituents of respiratory chainCysCysSFeSFeSCysCysSFeSFeS铁硫蛋白(Iron-sulfur protin)OCH3H3COH3COOR+ 2H-2HOHCH3H3COH3COOHR氧化型CoQ还原型CoQH2C

7、HCCCH2nHCH3 R=辅酶Q(CoQ)NNNCHCHNHCHCFe12346578细胞色素(Cytochrom)代谢物2H已氧化代谢物2H2HFMNH2(Fe-S)H2O12O22e-脱氢酶NAD氧化呼吸链NADH+H+NADFMN(Fe-S)2HCoQH2CoQ2Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+2e-O2-2H+细胞色素体系NADP在线粒体外生成,主要用于合成代谢，线粒体少量生成的NADP，它在转氢酶的作用下将氢先转给NAD。呼吸链中各组分的排列顺序2Cytb-Fe3+(Fe-S)2e-2e-2e-细胞色素b2Cytb-Fe2+(Fe-S)2Fe3+(Fe-S)c12Fe2+(Fe-

8、S)2e-2Fe2+c2Fe3+2Fe3+a2Fe2+2Cu+a12Cu2+细胞色素体系细胞色素体系琥珀酸延胡索酸2H2HH2O12O22e-CoQH2CoQ2Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+2e-O2-2H+细胞色素体系FAD(Fe-S)bFADH2(Fe-S)b琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链CoQ羟丁酸谷氨酸异柠檬酸苹果酸等NADFMN(Fe-S)baa3O2cc1琥珀酸脂酰CoAa -磷酸甘油FADFAD硫辛酸丙酮酸酮戊二酸线粒体中某些底物氧化的呼吸链Biological oxidation system outside Mitochondria微粒体或过氧化体中的氧化体系、高等植物

9、中的一些氧微粒体或过氧化体中的氧化体系、高等植物中的一些氧化体系属非线粒体氧化体系化体系属非线粒体氧化体系微粒体加氧氧化体系微粒体加氧氧化体系C10H12HCCHC10H12C10H12Dioxygenase1 加双氧酶类(Dioxygenase)催化氧分子直接加到底物上:COH2S+O2SO2胡萝卜素视黄醛P450-Fe3+RHP450-Fe3+-RH1/2(NADPH+H+)1/2FADH2H+P450-Fe2+-RHP450-Fe3+-ROH+H2OO2ROHP450-Fe2+-RHO22H+eb51/2(NADH+H+)or1/2(NADPH+H+)2 加单氧酶类加单氧酶类作用机制H+

10、RH+NADPH+H+O2ROH+NADP+H2OH2NCHCROHO氨基酸氧化酶O2, H2ORCCOOHO+NH3+H2O2氨基酸a-酮酸NNNHNOHHO黄嘌呤黄嘌呤氧化酶+ H2ONNNHHNOHHO黄嘌呤HOHO2NNNHHNOHHOO+H2O2尿酸NADH+H+O2NADH氧化酶NAD+H2O2NADPH+H+O2NADPH氧化酶NADP+H2O2过氧化体氧化体系过氧化体氧化体系O2+4e2O2-4H+2H2OO2+2e2H+O22-H2O22O2+2e2O2-2H+H2O2+O2超氧化物歧化酶呼吸链末端过氧化氢的生成呼吸链末端过氧化氢的生成2H2O+O2H2O2+H2O2过氧化氢

11、酶1. 过氧化氢酶2. 过氧化物酶R+2H2ORH2+H2O2过氧化物酶过氧化氢的处理和利用过氧化氢的处理和利用ATP是细胞中重要的高能化合物是细胞中重要的高能化合物n是产能反应和需能反应重要的能量介质;ATP+H20ADP+Pi G0ADP+H20AMP+Pi G0n作为磷酸基团供体参与磷酸化反应;葡萄糖+ATP -葡萄糖-6-磷酸+ADPnATP参加高能磷酸基团转移的反应.肌酸+ATP -磷酸肌酸(一种高能化合物)+ADP高能磷酸键的生成机制高能磷酸键的生成机制n氧化磷酸化作用：代谢物的氧化脱氢作用与ADP的磷酸化相偶联而生成ATP的过程。 根据是否需要氧分子参加，又可分为呼吸链磷酸化和底

12、物水平磷酸化。n非氧化磷酸化：这种磷酸化既没有氧参加反应，也没有脱氢。COOHCH2CHOPO3H2OH-H2OCOOHCCH2OPO3H2ADPATP COOHCCH3O2-磷酸甘油磷酸稀醇式丙酮酸呼吸链磷酸化呼吸链磷酸化标准电极电位NAD+/NADH+H+：E0FMN/FMNH2：E0 NADHFMN：G0=-nF E0=-(kJ/mol)CytbCytc： G0 =- (kJ/mol)Cytaa3O2： G0 =-(kJ/mol)NADFMNCoQbc1aa3O2cFADNADHaa3Cytc1CytbCoQFMNHO2ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP代代谢谢物物2

13、H氧化与磷酸化氧化与磷酸化的偶联部位的偶联部位CHHCCH2OPO3H2OH3-磷酸甘油醛O+ H3PO4NAD+NADH+H+CHCCH2OPO3H2OHOOPO3H2ADPATP1，3-二磷酸甘油酸CHCCH2OPO3H2OHOOH3-磷酸甘油酸底物磷酸化底物磷酸化H+H+H+H+-ADP+PiATPe-电电子子传传递递链链膜膜外外内内膜膜底底物物O2F0F1ATP酶化化学学渗渗透透假假说说示示意意图图氧化磷酸化的机制氧化磷酸化的机制FeSFMNCytbCoQCytaa32H2H2e-2e-2H2H2e-2e-2H2H2e-2e-Cytc1线线粒粒体体内内膜膜2 2H H+ +2 2H H

14、+ +2 2H H+ +S SH H2 2S S2 2H H+ +2 2H H+ +2 2H H+ +X XH HI IO OH HH H2 2O OX X- -+ +I IO O- -X X- -H HX XI IX XI IA AT TP P合合成成酶酶A AT TP PA AD DP PP Pi i1 1/ /2 2O O2 2O O2 2- -2 2H H+ +H H2 2O O外外侧侧内内侧侧三三分分子子体体NAD-Problem : Acidity During Electron Transport What cellular compartment becomes acidic

15、(high concentration of hydrogen ions) during mitochondrial electron transport? A. Mitochondrial stroma B. Cytoplasm C. Endoplasmic reticulum D. Space between inner and outer mitochondrial membranes E. Thylakoid membranes Problem: Dinitrophenol二硝基酚Dinitrophenol is an uncoupler, or has the ability to

16、separate the flow of electrons and the pumping of H+ ions for ATP synthesis. This means that the energy from electron transfer cannot be used for ATP synthesis. 50 yrs ago, DNP was given as a drug to help patients lose weight. Why does this work? Why would this be dangerous? A. Uncoupling the electr

17、on transport chain would inhibit fermentation and decrease ATP production, a potentially dangerous situation. B. If electron transport doesnt produce ATP, then much more sugar must be metabolized for energy needs. Very low production of ATP would be lethal. Problem :Effect of pH on Mitochondria If y

18、ou isolate mitochondria and place them in buffer with a low pH they begin to manufacture ATP. Why? A. Low pH increases the concentration of base causing mitochondria to pump out H+ to the inter membrane space leading to ATP production. B. The high external acid concentration causes an increase in H+

19、 in the inter membrane space leading to increased ATP production by ATP synthetase. C. Low pH increases the acid concentration in the mitochondrial matrix, a condition that normally causes ATP production. D. Low pH increases the OH- concentration in the matrix resulting in ATP production by ATP synt

20、hetase. AnswernB. The high external acid concentration causes an increase in H+ in the inter membrane space leading to increased ATP production by ATP synthetase. nMitochondrial production of ATP requires a concentration gradient of H+, with a high concentration at the inter membrane space and a low

21、 concentration in the matrix. The inner membrane is impermeable to H+, but the outer membrane of the mitochondria will allow H+ to pass through. Thus, placing mitochondria in a low pH buffer produces a H+ gradient that can generate ATP through ATP synthetase. NADPH+H+NADP+-酮戊二酸异柠檬酸a-酮戊二酸异柠檬酸NADH+H+N

22、AD+呼吸链(3A AT TP P)异柠檬酸脱氢酶(以NAD+为辅酶)胞液线粒体内膜基质异柠檬酸脱氢酶(以NADP+为辅酶)1 1 异异柠柠檬檬酸酸穿穿梭梭作作用用线粒体外的氧化磷酸化线粒体外的氧化磷酸化NADH+H+NAD+磷酸二羟丙酮-磷酸甘油FADH2FAD胞液线粒体内膜基质-磷酸甘油脱氢酶(以NAD+为辅酶)2 2 磷磷酸酸甘甘油油穿穿梭梭作作用用磷酸二羟丙酮-磷酸甘油-磷酸甘油脱氢酶(以FAD+为辅酶)CoQbc1caa3O2(2 2A AT TP P)线粒体外的氧化磷酸化线粒体外的氧化磷酸化NADH+H+NAD+-酮戊二酸门冬氨酸NADH+H+NAD+呼吸链(3A AT TP P)

23、苹果酸脱氢酶(以NAD+为辅酶)胞液线粒体内膜基质苹果酸脱氢酶(以NAD+为辅酶)3 3 苹苹果果酸酸穿穿梭梭作作用用谷氨酸草酰乙酸苹果酸-酮戊二酸门冬氨酸苹果酸谷氨酸草酰乙酸线粒体外的氧化磷酸化线粒体外的氧化磷酸化线粒体(呼吸链)与疾病 补充材料补充材料: :线粒体与肿瘤n肿瘤细胞线粒体氧化供能降低n呼吸链上，oQ含量下降原因：肿瘤细胞线粒体肿胀，内膜缺损等结构改变导致电子传递功能下降缺血性损伤n缺血时：细胞内ATP下降到（通常在一分钟内）结果：线粒体失去控制；分钟以上，内膜结构和功能发生变化，呼吸链破坏，导致细胞死亡线粒体DNA突变（mitochondira DNA, mt DNA)n线粒

24、体脑肌病mtDNA 3243 A-Gn肌阵挛性癫痫mtDNA 8344 A-G-线粒体蛋白质合成障碍，复合体I 和IV合成下降n线粒体肌病mtDNA 3260 A-G 肥厚性心肌病 复合体I 和缺损程度和mtDNA突变程度成正比n感觉性耳聋：氨基甙类抗生素导致的耳聋mtDNA 突变n药物毒物对呼吸链的影响一些生物制品的作用机制氯丙嗪，甲状腺素蛋白质合成增加生长素，胰岛素，催产素mt膨大氰化物，叠氮钠mt形态改变溴化乙锭抑制mtDNA 复制mtRNA 合成n生物氧化理论在药物治疗中的应用细胞色素C 应用范围：组织缺氧的急救药和辅助用药如：CO中毒，新生儿窒息，高山缺氧，肺功能不全，心肌炎，心绞痛

25、等辅酶Q: 肌肉萎缩,牙周病,高血压,肿瘤等 3. 辅酶I: 进行性肌肉萎缩和肝脏疾病线粒体疾病的总结和展望n补充疗法添加呼吸链上所需要的辅酶n选择疗法加药物排斥突变的线粒体n基因治疗n线粒体移植选择题练习选择题练习生物氧化生物氧化1. 1. 呼吸链存在于（呼吸链存在于（ ）A 细胞膜 B 线粒体外膜 C 线粒体内膜 D 微粒体E 过氧化物酶体2. 2. 下列哪种物质不是下列哪种物质不是NADHNADH氧化呼吸链的组分？氧化呼吸链的组分？A. FMN B. FAD C. 泛醌 D. 铁硫蛋白 E. 细胞色素c3. ATP3. ATP生成的主要方式是（生成的主要方式是（ ）A 肌酸磷酸化 B 氧

26、化磷酸化 C 糖的磷酸化 D 底物水平磷酸化E 高能化合物之间的转化4 4 由琥珀酸脱下的一对氢，经呼吸链氧化可产生由琥珀酸脱下的一对氢，经呼吸链氧化可产生（ ）分子）分子ATPATPA 1B 2C 3D 4E 05 5 下例关于高能磷酸键的叙述，正确的是（下例关于高能磷酸键的叙述，正确的是（ ）A 所有高能键都是磷酸键B 高能磷酸键只存在于ATPC 高能磷酸键仅在呼吸链中偶联D 有ATP参与的反应也可逆向进行E 所有的生化转变都需要ATP参与6. 6. 下列哪种酶以氧为受氢体催化底物氧化生成水？下列哪种酶以氧为受氢体催化底物氧化生成水？A 丙酮酸脱氢酶 B 琥珀酸脱氢酶 C 黄嘌呤氧化酶D 细胞色素c氧化酶E SOD7. 7. 关于线粒体内膜外关于线粒体内膜外H H+ +浓度叙述正确的是浓度叙述正确的是( )( )A 浓度高于线粒体内B 浓度低于线粒体内C 可自由进入线粒体D 进入线粒体需主动转运E 进入线粒体需载体转运8. 8. 参与呼吸链电子传递的金属离子是参与呼吸链电子传递的金属离子是( )( )A 铁离子B 钴离子C 镁离子D 锌离子E 以上都不是9. 9. 呼吸链中呼吸链中, ,不具有质子泵功能