生物氧化(20121028)

1、第六章 生 物 氧 化 Biological OxidationEmail:Email:QQ:978099159QQ:978099159糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+ +甘油甘油 乙酰乙酰CoA 蛋白质蛋白质 氨基酸氨基酸 呼 吸 链呼 吸 链 ADP+Pi ATP Course Content1.The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing Oxidation respiratory chainNADH transporter -glycerophosphate shuttle malate-aspa

2、rate shuttle2.The Others Oxidation Enzyme Systems without ATP Producing糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2 和和 H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能l生物氧化生物氧化的概念：的概念：第一节第一节 生成生成ATP的氧化磷酸化体系的氧化磷酸化体系 The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing（ Oxidation respiratory chain） F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+ 1/2O

3、2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 4H+ 2H+ 4H+ 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - （一）呼吸链的组成（一）呼吸链的组成:NAD+和和NADP+的结构的结构R = H: NAD+; R = H2PO3: NADP+u铁硫蛋白分子中含有铁硫蛋白分子中含有由半胱氨酸残基硫原由半胱氨酸残基硫原子与铁离子形成的铁子与铁离子形成的铁硫中心，一次可传递硫中心，一次可传递一个电子一个电子uFe4S4SSSSFeFeFeFeFe3+Fe2+-e+eOOCH3OCH3OCH3(CH2CH C CH2)nHCH3n=6-10NA

4、DH+H+ NAD+ FMN氧化型氧化型Fe-S FMNH2还原型还原型Fe-SQQH22 2复合体复合体（琥珀酸（琥珀酸- -泛醌还原酶）：泛醌还原酶）： 琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 + 2FAD（Fe-S）+2（Cyt b560）Cytochromeu以以铁卟啉铁卟啉为辅基的蛋白质为辅基的蛋白质-单电子传递体单电子传递体u可存在于线粒体内膜，也可存在于微粒体可存在于线粒体内膜，也可存在于微粒体: : 存在于线粒体内膜的细胞色素有存在于线粒体内膜的细胞色素有Cytaa3， Cytb（b560，b562，b566），），Cytc，Cytc1；而存而存 在于微粒体的细胞色素有在于微粒体的细胞色素有

5、CytP450和和Cytb5 琥珀酸琥珀酸CoQCytochrome C2Cytb + Cytc1 +（Fe-S） CoQ Cyt b Fe-S Cyt C1 Cyt C确定呼吸链排列顺序的实验确定呼吸链排列顺序的实验 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 拆开和重组拆开和重组 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧（二）氧化呼吸链成分的排列顺序：（二）氧化呼吸链成分的排列顺序： 1 1NADH氧化呼吸链：氧化呼吸链： NADH氧化呼吸链：氧化呼吸链：二、氧化磷酸化二、氧化磷酸化ADPATPGDP + PiGTP（一）氧化磷酸化的偶联部位（一）氧化磷酸化的偶联部

6、位u每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数称为尔数称为P/O比值比值。 在氧化磷酸化过程中，氧的消耗与在氧化磷酸化过程中，氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系，反映底物无机磷酸消耗之间的比例关系，反映底物脱氢氧化与脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系。生成之间的比例关系。 uG=-nFE 合成合成1molATP时，需要提供的能量时，需要提供的能量至少为至少为G0=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原相当于氧化还原电位差电位差E0=0.2V。根据自由能变化和根据自由能变化和P/O比值确定比值确定 实验证明，以实验证明，以NADH作为电子供作为电子供体时，测得

7、的体时，测得的P/O比值大于比值大于2；以琥；以琥珀酸作为电子供体时，侧得的珀酸作为电子供体时，侧得的P/O比比值大于值大于1。 -羟丁酸经过羟丁酸经过NADH途径的途径的P/O比值为比值为2.42.6，产生的，产生的ATP数目为数目为2.5；而琥珀酸经过；而琥珀酸经过FADH2的的P/O比值比值为为1.7，产生的，产生的ATP数目为数目为1.5。 FMN(Fe-S)CoQb C1 C O2aa3FAD(Fe-S)ATPATPATP（二）氧化磷酸化的偶联机制u英 国 生 物 化 学 家英 国 生 物 化 学 家Peter D Mitchell在在1961年提出化学渗年提出化学渗透假说，并且透假

8、说，并且Peter Mitchell因提出该假因提出该假说而获得了说而获得了1978年年的诺贝尔化学奖。的诺贝尔化学奖。NADH+H+NAD+胞液胞液线粒体内膜线粒体内膜线粒体线粒体基质基质FeSFeS2eFMNH2QH2QH2FeSC1Caa3CuCu1/2O2+2H+H2O2H+2H+2H+b566b5622e2H+2H+化化 学学 渗渗 透透 假假 说说4H+4H+ F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 4H+ 2H+ 4H+ 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 + + + + + + + +

9、 + + - - - - - - - - - （三）（三）ATP合酶合酶(ATP synthase)当质子从膜间当质子从膜间腔返回基质中腔返回基质中时，这种时，这种“势势能能”可被位于可被位于线粒体内膜上线粒体内膜上的的ATP合酶合酶利利用以合成用以合成ATP。 当当H H+ +顺浓度递度经顺浓度递度经F F0 0中回流时，中回流时，亚基发生旋转，亚基发生旋转，3 3个个亚基的构象亚基的构象发生改变。发生改变。ATP合酶的工作机制合酶的工作机制抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或毒抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或毒 物称为物称为呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂。抑制复合体抑制复合体的有的有异戊巴比妥、

10、粉蝶霉素异戊巴比妥、粉蝶霉素A、 鱼藤酮等；鱼藤酮等；抑制复合体抑制复合体的有的有抗霉素抗霉素A和二巯基丙醇；和二巯基丙醇；抑制复合体抑制复合体的有的有CO、H2S和和CN-、N3-。 其中，其中，CN-和和N3-主要抑制氧化型主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+， 而而CO和和H2S主要抑制还原型主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。 三、氧化磷酸化的影响因素三、氧化磷酸化的影响因素鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A异戊巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S各种呼吸链抑制剂的阻断位点各种呼吸链抑制剂的阻断位点不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，不

11、抑制呼吸链的递氢或递电子过程，但能使氧化产生的能量不能用于但能使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化的药物或毒物称为磷酸化的药物或毒物称为解偶联剂解偶联剂。主要的解偶联剂有主要的解偶联剂有2,4- -二硝基酚二硝基酚。 对电子传递和对电子传递和ATP生成均有抑制作用生成均有抑制作用的药物和毒物称为的药物和毒物称为氧化磷酸化的抑制氧化磷酸化的抑制剂剂，如，如寡霉素寡霉素。 二硝基苯酚二硝基苯酚 抗霉素抗霉素A二巯基丙醇二巯基丙醇CN-COH2S寡寡 霉霉 素素鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A异戊巴比妥异戊巴比妥蒌锈灵蒌锈灵 呼吸控制率呼吸控制率 (respiratory control ratio,

12、 RCR)ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的比值是调节氧化磷酸化速度的 重要因素。重要因素。ATP/ADP氧化磷酸化氧化磷酸化ATP/ADP氧化磷酸化氧化磷酸化( NADH/NAD+ ? ) 甲状腺激素可间接影响氧甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的速度；化磷酸化的速度； Na+,K+ATP酶和解偶联蛋酶和解偶联蛋白基因表达均增加。白基因表达均增加。与线粒体与线粒体DNA病变及衰老有关。病变及衰老有关。四、四、ATP-高能磷酸键的储存与释放高能磷酸键的储存与释放生物化学中常将水解时释放的能量生物化学中常将水解时释放的能量 20kJ/mol的磷酸键称为高能磷酸键。的磷酸键称为高能磷酸键。生物体

13、内的高能磷酸键主要类型：生物体内的高能磷酸键主要类型：1 1磷酸酐键：磷酸酐键：如如NDP，NTP及及PPi等等（30.5kJ/mol） 2 2混合酐键：混合酐键：由磷酸与羧酸脱水后形成的酐由磷酸与羧酸脱水后形成的酐 键，如键，如1,3- -二磷酸甘油酸等。二磷酸甘油酸等。3 3烯醇磷酸键：烯醇磷酸键：磷酸烯醇式丙酮酸。磷酸烯醇式丙酮酸。4 4磷酸胍键：磷酸胍键：磷酸肌酸。磷酸肌酸。 磷酸肌酸磷酸肌酸（CP）是是肌肉和脑肌肉和脑组织中组织中能量的能量的贮存形式贮存形式。但磷酸肌酸中的高能磷酸键不。但磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用，而必须先将其高能磷酸键能被直接利用，而必须先将其高能磷酸键

14、转移给转移给ATP，才能供生理活动之需。这一反，才能供生理活动之需。这一反应过程由肌酸磷酸激酶应过程由肌酸磷酸激酶（CPK）催化完成。催化完成。ATP是生物界普遍使用的供能物质。是生物界普遍使用的供能物质。ATP分子分子中含有两个高能磷酸酐键，均可以水解供能。中含有两个高能磷酸酐键，均可以水解供能。ATP水解为水解为ADP并供出能量之后，又可通过氧并供出能量之后，又可通过氧化磷酸化重新合成，从而形成化磷酸化重新合成，从而形成ATP循环循环。 ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 机械能机械能( (肌肉收缩肌肉收缩) )渗透能渗透能( (

15、物质主动转运物质主动转运) ) 化学能化学能( (合成代谢合成代谢) )电能电能( (生物电生物电) )热能热能( (维持体温维持体温) )（三）多磷酸核苷间的能量转移：（三）多磷酸核苷间的能量转移： 在生物体内，除了可直接使用在生物体内，除了可直接使用ATP供能供能外，还使用其他形式的高能磷酸键供能外，还使用其他形式的高能磷酸键供能. .如如UTP用于用于糖原的合成，糖原的合成，CTP用于用于磷脂磷脂的合成，的合成，GTP用于用于蛋白质的合成等蛋白质的合成等。核苷单磷酸激酶核苷单磷酸激酶NDP + ADPNMP + ATP核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶NTP + ADPNDP + ATP胞浆中

16、胞浆中NADH必须经一定必须经一定转运机制转运机制进入进入 线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。转运机制转运机制主要有主要有 -磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle) 苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)2.2.苹果酸穿梭系统：苹果酸穿梭系统：肝脏、心肌肝脏、心肌胞液中胞液中NADH+H+的一对氢原子经此穿梭系的一对氢原子经此穿梭系统可生成统可生成 2.5分子分子ATP 1.1.磷酸甘油穿梭系统：磷酸甘油穿梭系统：脑、骨骼肌脑、骨骼肌NADH通过此穿梭系统带一对氢原

17、子进入线通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，只产生粒体，只产生1.5分子分子ATP磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮CH2OHC=OCH2O-PCH2OH CHOHCH2O-P-磷酸甘油磷酸甘油CH2OH CHOHCH2O-P-磷酸甘油磷酸甘油FADFADH2磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮C=OCH2O-PCH2OHO2呼吸链呼吸链胞液胞液线粒体线粒体 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间隙膜间隙 线粒体线粒体 基质基质-磷酸甘油磷酸甘油 脱氢酶脱氢酶 呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH

18、 C=O-磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH脑、骨骼肌脑、骨骼肌线粒体内膜线粒体内膜胞液胞液线粒体线粒体2.5ATP心肌、肝心肌、肝ATP4- F0 F1 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 腺苷酸腺苷酸转运蛋白转运蛋白磷酸磷酸转运蛋白转运蛋白 ADP3- H2PO4- ATP4- H+ H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADP3- ADP3- (adenine nucleotide transporter)参与参与ADP与与ATP反向转运反向转运The Others Oxidation Enzyme Systems without AT

19、P Producing一、抗氧化酶体系一、抗氧化酶体系-清除反应活性氧类清除反应活性氧类反应活性氧类反应活性氧类 (reactive oxygen species, ROS)O2e-O2-e-+2H+H2O2e-+H+OHH2Oe-+H+H2O反应活性氧类反应活性氧类1 1、过氧化氢酶、过氧化氢酶(catalase) 又称触酶，其辅基含又称触酶，其辅基含4 4个血红素个血红素2H2O2 2H2O + O2 过氧化氢酶过氧化氢酶 2 2、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽过氧化物酶 (glutathione peroxidase，GPx) 可去除细胞生长和代谢产生的可去除细胞生长和代谢产生的H2O2和过氧化物和过氧化物(R-O-OH)，是体内防止活性是体内防止活性氧类损伤主要的酶，保护生物膜及血红氧类损伤主要的酶，保护生物膜及血红蛋白免遭损伤。蛋白免遭损伤。3 3、超氧化物歧化酶、超氧化物歧化酶2O2+ 2H+ SODH2O2 + O2 H2O + O2 过氧化氢酶过氧化氢酶SOD：超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase) 防御内外环境中超氧离子的损伤，防御内外环境中超氧离子的损伤， 保护生物膜及血红蛋白保护生物膜及血红蛋白 二、微粒体细胞色素二、微粒体细胞色素P450单加氧酶单加氧酶催化底物分子羟基化催化底物分子羟基化RH + NADPH + H+