生物化学--生物氧化

1、会计学1生物化学生物化学-生物氧化生物氧化 生物氧化的概念、方式、特点 ATP第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系第二节 不生成ATP的氧化体系 氧化呼吸链 氧化磷酸化 氧化磷酸化的影响因素 线粒体内膜的物质转运生物氧化概述Catalase 过氧化氢酶Cytochrome 细胞色素Electron transfer chain 电子传递链Flavoprotein 黄素蛋白Glycerophosphate shuttle 磷酸甘油穿梭Iron-sulfur protein 铁硫蛋白Malate-aspartate shuttle 苹果酸天冬氨酸穿梭Monooxygenase 加单氧酶Oxidati

2、ve phosphorylation 氧化磷酸化Perioxidase 过氧化物酶Superoxide dismutase 超氧化物歧化酶Ubiquinone 泛醌Chapter Biologic Oxidation 第 章 生物氧化营养物质在生物体内进行的氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。此过程需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称细胞呼吸(cellular respiration)。糖 脂肪 蛋白质 CO2和H2O O2能量ADP+PiATP热能糖原 三酯酰甘油 蛋白质 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA 呼吸链

3、ADP+Pi ATP 脱氢 COOH COOH HO CH C=O + 2H CH3 CH3 (2H+ + 2e) 加氧 RCHO + 1/2 O2 RCOOH生物氧化中物质氧化方式脱电子 Fe2+ Fe3+ + eRCNH2COOHHRCNH2HH+CO2脱羧酶-单纯脱羧： -氧化脱羧： 生物氧化中CO2生成方式氨基酸脱羧酶RCHCOOHNH2a-氨基酸RCH2NH2 + CO2胺CH3CCOOHOCH3COSCoA +CO2丙酮酸脱氢酶系HSCoA NAD+NADH+H+-单纯脱羧： -氧化脱羧： 生物氧化中CO2生成方式+ CO2CH2COOHCOCOOHCH2COCOOHP磷酸烯醇式丙

4、酮酸羧激酶GTPGDP+CO2异柠檬酸脱氢酶 NAD+NADH+H+CHOHCOOHCHCOOHCH2COOHCOCOOHCH2CH2COOH2H+ -2H生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化 (燃烧燃烧)反应性质反应性质相相 同（同（氧化还原反应）氧化还原反应）产产 物物 相相 同（同（ CO2、H2O ）耗氧量耗氧量 相相 同同 环环 境境细胞内细胞内体外体外条条 件件体温，需酶体温，需酶高温，不需酶高温，不需酶能量释放方式能量释放方式逐步释放逐步释放骤然释放骤然释放产物生成方式产物生成方式水由代谢物脱下的氢水由代谢物脱下的氢与氧结合产生，与氧结合产生，CO2由有机酸脱羧产生由有机酸脱羧产生水

5、和水和CO2由物质中由物质中的碳和氢直接与氧的碳和氢直接与氧结合产生结合产生真核细胞 基质嵴内膜外膜膜间腔F1-F0复合体线粒体结构模式图 内膜膜间腔F1亚基F0亚基外膜线粒体嵴的分子组成OOOPOOPOO-ATPADPAMPOOPNNNNNH2OOHOHCH2O高能磷酸键与高能磷酸化合物 化合物化合物E0kJ/mol(kcal/mol)磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸61.9(14.8)氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸51.4(12.3)1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸49.3(11.8)磷酸肌酸磷酸肌酸43.1(10.3)ATP ADPPi30.5(7.3)乙酰辅酶乙酰辅酶A31.5(7.5)AD

6、P AMPPi27.6(6.6)焦磷酸焦磷酸27.6(6.6)1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖20.9(5.0)一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能 核苷二磷酸激酶的作用ATP + UDP ADP + UTPATP + CDP ADP + CTPATP + GDP ADP + GTP腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP磷酸肌酸磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。Q：下列哪些化合物属于高能磷酸键化合物？A：1,6-二磷酸果糖 B： 三磷酸肌醇 C： 磷酸烯醇式丙酮酸 D：磷酸肌酸 E：UTP (CDE)ATP ADP 肌酸 磷酸肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 生物体

7、内能量的储存和利用都以ATP为中心。The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing一、氧化呼吸链（电子传递链） 概念 组成 电子传递体的排列顺序 呼吸链顺序的实验依据概念 在线粒体内膜上具有氧化还原功能的酶和辅酶按一定顺序排列组成，能传递氢和电子的链式反应体系称为电子传递链（electron transfer chain）。由于电子传递过程与细胞呼吸有关，又称呼吸链（respiratory chain） 。组成 递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e） Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 1/2O2+2H

8、+ H2O 胞液侧 基质侧 线粒体内膜 e-e-e-e-e-氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成人线粒体呼吸链复合体复合体复合体酶名称酶名称质量质量(kD)多肽多肽链数链数功能辅基功能辅基含结合位点含结合位点复合体复合体NADH-泛醌泛醌还原酶还原酶85039FMN，Fe-SNADH（基质侧）（基质侧）CoQ（脂质核心）（脂质核心）复合体复合体琥珀酸琥珀酸-泛醌泛醌还原酶还原酶1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧）琥珀酸（基质侧）CoQ（脂质核心）（脂质核心）复合体复合体泛醌泛醌-细胞色细胞色素素C还原酶还原酶25011血红素血红素bL, bH, c1,Fe-SCyt c（膜间隙侧）

9、（膜间隙侧）复合体复合体细胞色素细胞色素C氧氧化酶化酶16213血红素血红素a，a3，CuA, CuBCyt c（膜间隙侧）（膜间隙侧） 泛 醌 不包含在上述四种复合体中。（一）呼吸链的组成细胞色素细胞色素c131血红素血红素cCyt c1， Cyt au功能: 将电子从NADH传递给泛醌u组成：黄素蛋白、铁硫蛋白u电子传递：NADFMN Fe-S CoQ NADH+H+ FMN NAD+ FMNH2还原型Fe-S 氧化型Fe-S QQH2NAD+和NADP+的结构R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+辅酶I，Co I 辅酶II，Co IINAD+（NADP+）和NADH（NADPH

10、）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。结构：含核黄素（维生素B2）；功能部位：异咯嗪环上N1和N5功能： FMN + 2H FMNH2FMNFMN结构：铁硫中心(Fe-S)，含有等量铁原子和硫原子作用：参与复合体I 、II、 III的组成 传递单电子：Fe2+ Fe3+ + e 表示无机硫 铁硫蛋白 铁硫中心 无机硫半胱氨酸硫脂溶性醌类化合物，辅酶Q, CoQ, Q由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链传递双电子， CoQ +2H CoQH2 泛 醌 电子传递次序： NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 具有质子泵功能：每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧

11、复合体的功能 u 功能 将电子从琥珀酸传递给泛醌琥珀酸 FAD 延胡索酸 FADH2还原型Fe-S 氧化型Fe-S QQH2 复合体没有H+泵的功能 NNNNNH2OOHOHHHHCH2HOPOO-OPOO-OCH2CHOHCCHOHCH2HOHNHNNNH3CH3COOFMNAMPFAD 又称细胞色素b-c1复合体： 细胞色素b(b562, b566) 细胞色素c1 一种可移动的铁硫蛋白(Rieske protein)。562566泛醌-细胞色素C 还原酶同二聚体结构 b562b566Fe-S是一类催化电子传递的酶类，辅基：血红素分类：根据吸收光谱 Cyt a Cyt b Cyt c 作用：

12、传递单电子Fe3+ + e Fe2+各种细胞色素的差别在于及血红素中的铁原子可进行Fe2+ Fe3+e反应传递电子, 属单电子传递体。 l 区别卟啉环上基团种类及与铁连接的氨基酸种类复合体的功能： 将电子从泛醌传递给细胞色素c 电子传递过程： CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cyt c1Cyt c 具有质子泵作用： 每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+ 电子传递过程： “Q循环” 具有质子泵作用：每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+ Cyt c：呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体。（2）第二分子QH2氧化过程 QH2QH2Fe2S22H+

13、QQQc1bLbHQ0QiQH2QH2Fe2S22H+QQQc1bLbHQ0QiQH22H+QQQ醌阴离子 复合体又称细胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase) 组成：CuA、Cyt a、Cyt a3、CuB 4个氧化还原中心 电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2 Cyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。 （Fe3+和Cu2+）4. 复合体: 细胞色素c氧化酶复合体的电子传递过程2H+2H2O细胞色素c氧化酶CuB-Cyt a3中心使O2还原成水的过程 复合体还原型Cyt c O2CuAaa3-CuB Cyt a3 和CuB形成活性双核中心

14、将电子交给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移 。人线粒体呼吸链复合体复合体复合体酶名称酶名称质量质量(kD)多肽多肽链数链数功能辅基功能辅基含结合位点含结合位点复合体复合体NADH-泛醌泛醌还原酶还原酶85039FMN，Fe-SNADH（基质侧）（基质侧）CoQ（脂质核心）（脂质核心）复合体复合体琥珀酸琥珀酸-泛醌泛醌还原酶还原酶1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧）琥珀酸（基质侧）CoQ（脂质核心）（脂质核心）复合体复合体泛醌泛醌-细胞色细胞色素素C还原酶还原酶25011血红素血红素bL, bH, c1,Fe-SCyt c（膜间隙侧）（膜间隙侧）复合体复合体细胞色素细胞色

15、素C氧化酶氧化酶16213血红素血红素a，a3，CuA, CuBCyt c（膜间隙侧）（膜间隙侧）泛 醌:不包含在上述四种复合体中。细胞色素细胞色素c131血红素血红素cCyt c1， Cyt a Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧 基质侧 线粒体内膜 e-e-e-e-e-Q: 同时传递电子和质子（H+）的辅酶有 ： A: 辅酶Q B:铁硫蛋白 C： FMN D:细胞色素aa3AC 由以下实验确定: 标准氧化还原电位 特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧 拆开和重组（二）呼吸链成分的排列顺序呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位氧化

16、还原对氧化还原对E0(V)氧化还原对氧化还原对E0(V)NAD+ /NADN+H+0.32Cyt c1 Fe3+ /Fe2+0.22FMN /FMNH20.219Cyt c Fe3+ /Fe2+0.254FAD /FADH20.219Cyt a Fe3+ /Fe2+0.29Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyt a3 Fe3+ /Fe2+0.35Q10 /Q10H20.061/2O2 /H2O0.8161. NADH氧化呼吸链NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O22. 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2NADH氧化呼吸链FA

17、DH2氧化呼吸链IIIIIVQCIIQIIICIV NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链CuAaa3-CuB * 定义氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在代谢物脱下的氢经电子传递链传递给氧生成H2O时，释放出的能量使ADP磷酸化生成ATP的过程。 *实质： 氢的氧化 ADP的磷酸化偶 联AH2A2HNADH+H+(或 FADH2) NAD+(或 FAD)电子传递链H2O1/2 O2释放能量ADP + PiATP合成酶ATP氧化过程磷酸化过程氧化磷酸化

18、底物水平磷酸化合酶底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。不经电子传递。ATPATP ATP 区段区段电位变化电位变化(E)自由能变化自由能变化G=-nFE能否生成能否生成ATP(G是否大于是否大于30.5KJ) Cyt aa3O2 0.53V 102.3KJ/mol 能能NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/mol 能能CoQCyt c 0.21V 40.5KJ/mol 能能（2）P/O比值概念：指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。 离体 + 不同 羟丁酸 线粒体 底物 琥珀酸 保

19、温 维生素C ADP、Pi、Mg2+测定氧磷消耗量底底 物物电子传递链电子传递链P/O比比值值生成生成ATP数数羟丁酸羟丁酸NAD+ 复合体复合体I CoQ 复合体复合体III c 复合体复合体IV O2琥珀酸琥珀酸 复合体复合体II CoQ 复合体复合体III c 复合体复合体IV O2维生素维生素C c 复合体复合体IV O2 0.881细胞色素细胞色素c(Fe2+) 复合体复合体IV O20.61 0.681丙酮酸、 -酮戊二酸硫辛酸FAD-羟丁酸、 苹果酸、异柠檬酸、谷氨酸 、酯酰CoA、 -甘油磷酸抗坏血酸细胞色素c(Fe2+)ATPATP ATP (肝，心肌）(脑，骨骼肌）1.5线

20、粒体基质 线粒体膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 4H+ 2H+ 4H+ 胞液侧 基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 电子传递过程复合体 (4H+) 、 (4 H+)和 (2H+)有质子泵功能。2. ATP合酶疏水部分,亚基: a1b2c912ATP合酶结构模式图亲水部分, 亚基: (2) 质子通过ATP合酶Fo顺浓度梯度回流使F1亚基旋转 ATP合酶 Fo中a亚基和

21、c亚基结构示意 半通道：亲水线粒体内膜：疏水 c环与 亚基紧密相连，当 c环旋转时会带动 亚基旋转。胞浆半通道基质半通道当H+顺浓度梯度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，亚基发生旋转，3个亚基的构象发生改变。ATP合酶的工作机制(3)亚基旋转使亚基构象改变导致ATP合成和释放 1. 呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。2. 解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：解偶联蛋白 3. ATP合酶抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素 抗霉素A二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及H2S各种呼吸链抑制剂的阻断位点Q：氰化物中毒是由于抑制了哪种细胞色素？解偶联蛋白（UCP)作用机制

22、（棕色脂肪组织线粒体）Cyt cQ胞液侧 基质侧 解偶联 蛋白热能 ADP+Pi ATP l婴儿及初生的哺乳动物维持体温棕色脂肪组织（含大量线粒体，内膜存在解偶联蛋白）寡霉素ATP合酶结构模式图+ + + + + + + - - - - - - - 主要因素：ADP氧化磷酸化诱导Na+,K+ATP酶ATP加速分解ADP解偶联蛋白基因表达产热与线粒体DNA病及衰老有关。化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响 线粒体外膜：通透性高 线粒体内膜：对物质通过的有严格的选择性 物质的转运主要依赖于中不同转运蛋白(transporter)1. -磷酸甘油穿梭机制 NADH+H+ FADH2 NAD+

23、 FAD 线粒体 内膜 线粒体 外膜膜间隙 线粒体 基质-磷酸甘油 脱氢酶 呼吸链 磷酸二羟丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O-磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH主要存在于和中。糖酵解途径中产生的NADH进入线粒体生成FADH2，进入琥珀酸氧化呼吸链，生成-磷酸甘油穿梭 2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制NADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH +H+ NAD+ 天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白-酮戊二酸转运蛋白 -OOC-CH2-C-COO-OHH苹果酸 -OO

24、C-CH2-C-COO-O草酰乙酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-酮戊二酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H谷氨酸 苹果酸 脱氢酶 谷草转 氨酶 胞液 线粒体内膜 基质 呼吸链 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H天冬氨酸 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H主要存在于和中。糖酵解途径中产生的NADH进入线粒体，重新 生成NADH，进入NADH氧化呼吸链，生成 苹果酸-天冬氨酸穿梭腺苷酸转位酶（adenine nucleotide translocase）又称腺苷酸转运蛋

25、白。 ATP4- F0 F1 胞液侧 基质侧 腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白 ADP3- H2PO4- ATP4- H+ H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADP3- ADP3- 每分子ATP4-和ADP3-反向转运时，向内膜外净转移1个负电荷 ，相当于多1个H+转入线粒体基质。 转运蛋白转运蛋白进入线粒体进入线粒体出线粒体出线粒体ATP-ADP转位酶转位酶ADP3-ATP4-磷酸盐转运蛋白磷酸盐转运蛋白H2PO4- + H+二羧酸转运蛋白二羧酸转运蛋白HPO42-苹果酸苹果酸-酮戊二酸转运蛋白酮戊二酸转运蛋白苹果酸苹果酸-酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白谷氨酸转运蛋白

26、谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸单羧酸转运蛋白单羧酸转运蛋白丙酮酸丙酮酸OH-三羧酸转运蛋白三羧酸转运蛋白苹果酸苹果酸柠檬酸柠檬酸碱性氨基酸转运蛋白碱性氨基酸转运蛋白鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸肉碱转运蛋白肉碱转运蛋白脂酰肉碱脂酰肉碱肉碱肉碱线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运 参与呼吸链以外的氧化过程；不伴随磷酸化，不生成能量；主要与代谢物、药物、毒物的生物转化有关非线粒体氧化体系同线粒体氧化体系的区别单加氧酶(monoxygenase)RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O 上述反应需要细胞色素P450 (Cyt P450)参与。催化氧分子中一个氧原子加到底

27、物分子中（羟化），故也称(hydroxylase)；同时将另一个氧原子与NADPH+H+中的2H结合生成水，故又称mixed-function oxidase)。二、生物氧化过程中产生反应活性氧类n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nROS主要来源 线粒体：，是体内O2-的主要来源； O2-在线粒体中再生成H2O2和OH。 过氧化酶体：FAD将从脂肪酸等底物获得的电子交给O2生成H2O2和羟自由基OH。 胞浆需氧脱氢酶（如黄嘌呤氧化酶等）也可催化生成O2-。 细菌感染、组织

28、缺氧等病理过程，环境、药物等外源因素也可导致细胞产生活性氧类。 需氧脱氢酶和氧化酶受受氢氢体体辅辅酶酶（辅辅基基）产产物物不不需需氧氧脱脱氢氢酶酶辅辅酶酶需需氧氧脱脱氢氢酶酶O2 FMN或或FAD H2O2氧氧化化酶酶O2 含含Cu H2O受受氢氢体体辅辅酶酶（辅辅基基）产产物物不不需需氧氧脱脱氢氢酶酶辅辅酶酶需需氧氧脱脱氢氢酶酶O2 FMN或或FAD H2O2氧氧化化酶酶O2 含含Cu H2On抗氧化酶体系1、过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含4个血红素2H2O2 2H2O + O2 过氧化氢酶 可去除细胞生长和代谢产生的H2O2和过氧化物(R-O-OH)，是体内防止活性氧类损

29、伤主要的酶。2、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx)H2O2 + 2GSH 2 H2O +GS-SG2GSH + R-O-OH GS-SG + H2O + R-OH H2O2(ROOH) H2O(ROH+H2O) 2G SH G S S G NADP+ NADPH+H+ 此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤。 谷胱甘肽还原酶 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶 2O2+ 2H+ SODH2O2 + O2 H2O + O2 过氧化氢酶SOD：超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase)酸甘油穿梭及苹果酸天冬氨酸穿梭。酸甘油穿梭及苹果酸天冬氨酸穿梭。1. 简述生物氧化与物质在体外氧化的联系与区别2. 简述呼吸链的组成成分及排列顺序及ATP的