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1、第 六 章生 物 氧 化Biological Oxidation第1页物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内氧化分解释放能量，并生成CO2 和 H2O过程。糖 脂肪 蛋白质 CO2和H2O O2能量ADP+PiATP热能* 生物氧化概念 生物氧化与体外氧化之相同与不一样点生物氧化普通过程（三个阶段）第2页* 生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化中物质氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵照氧化还原反应普通规律。物质在体内外氧化时所消耗氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。第3页是在细胞内温和环境中（体温，pH靠近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放有利于

2、有利于机体捕捉能量，提升ATP生成效率。进行广泛加水脱氢反应使物质能间接取得氧，并增加脱氢机会；脱下氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。* 生物氧化与体外氧化之不一样点生物氧化体外氧化能量是突然释放。 产生CO2、H2O由物质中碳和氢直接与氧结合生成。第4页糖原 三酯酰甘油 蛋白质 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA TAC 2H 呼吸链 H2O ADP+Pi ATP CO2 * 生物氧化普通过程第5页4. 生物体内氧化体系 线粒体氧化体系 与能量相关 微粒体氧化体系 与过氧化物、药品、 过氧物酶体氧化体系 毒物生物转化相关第6页 一、 呼吸链（respiratory chain)

3、 概念：代谢脱下成对氢原子（2H）经过线粒体内膜上各种酶和辅酶所催化连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水,此过程与细胞呼吸相关，此传递链称为呼吸链。递氢体、递电子体都起传递电子作用，又称电子传递链(electron transfer chain)。第一节 生成ATP氧化体系第7页（一）、呼吸链组成四个蛋白复合体：复合体I IV两个可灵活移动成份：泛醌（Q）和 细胞色素C 第8页四种含有传递电子功效酶复合体(complex) * 泛醌 和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体第9页 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液

4、侧 基质侧 线粒体内膜 e-e-e-e-e-呼吸链各成份功效：传递电子第10页1. 复合体: NADH-泛醌还原酶 功效: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone) 复合体NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 第11页R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+ NAD+和NADP+结构第12页NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还原反应时改变发生在五价氮和三价氮之间。NAD / NADPNADH / NADPH H 2H（2H 2e）第13页FMN含核黄素，功效部位是异咯嗪环FMN结构异咯

5、嗪环第1及第10位氮原子与活泼双键相连，可重复接收或放出氢，含有可逆氧化还原特征。第14页FMN/FAD FMNH /FADH FMNH 2/FADH 2氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN 。FMN和FMNH2相互转变第15页第16页复合体和中含各种Fe-S铁硫蛋白SS无机硫半胱氨酸硫Fe-S （铁硫簇、铁硫中心）铁硫蛋白经过Fe3+ Fe2+ 改变起传递电子作用第17页泛 醌 (辅酶Q, CoQ, Q)QQHQH 2（泛醌/氧化型）（半醌型）（氢醌/还原型）脂溶性，位于膜脂双层中。苯醌结构能进行可逆加氢反应电子传递链中唯一非蛋白递氢体。第18页复合体功效 NADH+H+ NAD+ FMN

6、FMNH2还原型Fe-S 氧化型Fe-S QQH2第19页2. 复合体: 琥珀酸-泛醌还原酶 功效: 将电子从琥珀酸传递给泛醌 催化琥珀酸脱氢氧化和Q还原。 复合体琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 第20页第21页3. 复合体: 泛醌-细胞色素c还原酶 功效：将电子从泛醌传递给细胞色素c 催化还原型QH2氧化和细胞色素c （cyt. c）还原 复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c19个多肽亚基组成第22页细 胞 色 素含铁结合蛋白递电子体（cyt.)血红素（heme）为辅基类别: Cyta: Cytaa3 Cytb: Cy

7、tb562 、Cytb566、 Cytb560 Cytc: Cytc 、 c1铁卟啉衍生物铁原子处于卟啉环中心传递电子机理：Fe3+ Fe2+-e+e第23页甲酰基多聚异戊二烯长链第24页细胞色素c（cyt.c）线粒体内膜外侧，水溶性。独立递电子体与细胞色素c1含有相同辅基，但蛋白组成不一样。第25页4. 复合体: 细胞色素c氧化酶 功效：将电子从细胞色素c传递给氧 复合体还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 呼吸链末端13个多肽亚基组成第26页cyt. a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt. a a3可直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中铜离子可发生C

8、u+ Cu2+ 互变，将cyt.c所携带电子传递给O2。Cyt a3 和CuB形成活性部位将电子交给O2第27页各成份排列次序由以下试验确定 测定标准氧化还原电位 （二）呼吸链成份排列次序第28页第29页 拆开和重组 特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链迟缓给氧第30页 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-第31页复合体复合体复合体琥珀酸氧化呼吸链NADH 复合体琥珀酸 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2NADH氧化呼吸链呼吸链成份排列次序第32页线粒体中一些主要底物氧化时呼吸链第33页 二、氧化磷

9、酸化* 定义氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。 底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是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过程。第34页（一）氧化磷酸化偶联部位:复合体、ATPATP ATP 第35页每消耗1mol 氧原子，所消耗无机磷摩尔数一对电子经过呼吸链P/O比值：一对电子经过呼吸链时生成ATP个数 1个氧原子2e+O O2-ADP+Pi ATP无机磷个数生成ATP个数1、依据P/O比值推测氧化磷酸化偶联部位氧

10、化磷酸化偶联部位确定第36页第37页电子传递链自由能改变 2、依据电子传递时自由能改变推测可能氧化磷酸化偶联部位G=-nFE第38页（二） 氧化磷酸化偶联机理是跨线粒体内膜质子电化学梯度1. 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜基质侧泵到内膜胞浆侧，产生跨线粒体内膜质子电化学梯度（质子浓度梯度和电位梯度）。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。所以跨线粒体内膜质子电化学梯度是ATP合成驱动力量。第39页化学渗透假说简单示意图第40页2. ATP合酶由亲水部分 F1(33亚基)和疏水部分 F0（a1b2c91

11、2亚基）组成。ATP合酶结构模式图第41页 第42页当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，亚基发生旋转，3个亚基构象发生改变。ATP合酶工作机制构像偶联假说结合改变机制旋转催化第43页三、影响氧化磷酸化原因1. 呼吸链抑制剂 2. 解偶联剂3. 氧化磷酸化抑制剂 （一）抑制剂第44页鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥 抗霉素A二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及H2S各种呼吸链抑制剂阻断位点（1）呼吸链抑制剂第45页不一样底物和抑制剂对线粒体氧耗影响 第46页（2）解偶联剂作用机制 H膜内外电化学梯度电子传递使H跨膜转移H经ATP合酶F0 单元回流ATP合成H经从其它路径回流能量以热能散失，

12、不能合成ATP常见解偶联剂包含：2,4二硝基苯酚，解偶联蛋白。使氧化与磷酸化偶联过程脱离第47页2,4-二硝基苯酚解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外低 pH高 pH不能形成质子梯度，使氧化与磷酸化偶联过程脱离。抑制ATP生成，不抑制电子传递，使电子传递产生自由能都变为热能散失。第48页解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体） F0 F1 Cyt cQ胞液侧 基质侧 解偶联 蛋白热能 H+ H+ ADP+Pi ATP 第49页 1.可阻止质子从FO质子通道回流，直接抑制ATP生成2.间接抑制电子传递,耗O2量寡霉素ATP合酶结构模式图

13、寡霉素(oligomycin)第50页（二）正常机体氧化磷酸化速率主要受ADP调整作用负反馈调整。当ATP高时，ADP、AMP下降，氧化磷酸化速度减慢，NADH堆积，TCA循环速度减慢，ATP合成降低；当ATP低时，ADP、AMP升高，氧化磷酸化速度加紧，TCA循环速度加紧，ATP合成增加。第51页（三）甲状腺激素间接影响氧化磷酸化速度。Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因表示均增加。ATP水解增加，ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加紧。（四）线粒体DNA突变 与线粒体DNA病及衰老相关。第52页ATP是能够被生物细胞直接利用能量形式。生物系统能量交换中心四、 ATP- “通用货币” 第

14、53页ATP ADP 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 P P 机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)肌酸 磷酸肌酸 体内能量储存和利用以ATP为中心 ATP生成、利用和储存第54页体内有些合成反应不直接利用ATP供能，而是由ATP将高能磷酸键转给UDP、CDP和GDP，生成UTP、CTP、GTP，作为能量直接起源参加合成反应。第55页 核苷二磷酸激酶作用ATP + UDP ADP + UTPATP + CDP ADP + CTPATP + GDP ADP + GTP腺苷酸激酶作用 ADP + ADP ATP + AMP多磷酸核苷间能量转移 NMP

15、 + ATP NDP + ADP核苷单磷酸激酶糖原合成磷脂合成蛋白质合成第56页肌酸激酶作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量一个贮存形式。ATP储存 第57页 特点 含有轻易断裂“活泼键”，水解时可释放大于21KJ/mol能量，惯用符号表示。高能化合物概念高能化合物 指含有高能键，在标准条件下（pH=7, 250C,1mol/L)发生水解时可释放大量自由能化合物。第58页（3）、高能化合物类型 依据分子中是否含有磷酸可分为磷酸类高能化合物和非磷酸类高能化合物。 必须注意：并非全部磷酸化合物都是高能化合物。高能磷酸键水解时释放能量大于21KJ/mol磷酸酯键，常表示为 P。高能磷酸化合物含有高能磷

16、酸键化合物第59页ATP分子中含有两个高能磷酸酐键，均能够水解供能。第60页1）磷氧键型：如ATP、磷酸烯醇式丙酮酸等2）磷氮键型：如磷酸肌酸等3）硫酯键型：如脂酰CoA等4）甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸依据分子结构特点和所含高能键特征进行分类第61页烯醇磷酸磷酸胍类混合酸酐磷酸酐第62页五、经过线粒体内膜物质转运线粒体外膜通透性高，线粒体对物质经过选择性主要依赖于内膜中不一样转运蛋白(transporter)对各种物质转运。第63页 线粒体内膜主要转运蛋白 第64页（一） 胞浆中NADH氧化胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。转运机制主要有-磷酸甘油穿梭(-g

17、lycerophosphate shuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)第65页 酶： -P-甘油脱氢酶 辅基： 胞液中为 NAD+ 线粒体中为FAD 器官： 主要是脑、骨骼肌 过程： -P-甘油 磷酸二羟丙酮脱氢加氢1. -磷酸甘油穿梭主要存在于骨骼肌和脑中 第66页第67页 NADH+H+ FADH2 NAD+ 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 -磷酸甘油 第68页 酶： 苹果酸脱氢酶 辅酶： 胞液中为NAD+ 线粒体中为NAD+ 器官： 主要是肝、心肌 过程：苹果酸 草酰乙酸脱氢

18、加氢2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于心肌和肝中第69页第70页NADH +H+ NAD+ NADH +H+ NAD+ 谷氨酸-天冬氨酸 转运体苹果酸-酮 戊二酸转运体 苹果酸 草酰乙酸 -酮戊二酸 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 天冬氨酸 第71页有氧下，线粒体外产生1分子NADH苹果酸天冬氨酸穿梭-磷酸甘油穿梭以NADH形式进入NADH呼吸链以FADH2形式进入琥珀酸呼吸链产生3分子ATP产生2分子ATP第72页 （二） 腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白(adenine nucleotide transporter) 参加ADP与ATP反向转运。第73页

19、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- 第74页第二节 其它氧化酶系The Others Oxidation Enzyme Systems第75页一、需氧脱氢酶和氧化酶 第76页二、过氧化物酶体中酶类 （一）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 第77页（二）过氧化物酶(perioxidase)以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物 R + H2O2 RO + H2O RH2+ H2O2 R + 2H2O 过氧化物酶 过氧化