生物化学 第六章 生物氧化课件

1、 生物氧化Biological oxidation 生 物 化 学BiochemistryCHAPTER 7 物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能 生物氧化的概念生物氧化的特点1，生物氧化和有机物质体外燃烧在化学本质上是相同的，遵循氧化还原反应的一般规律，所耗的氧量、最终产物（CO2和H2O）和释放的能量均相同。2，生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，pH7和常温）。3，能量逐步释放。一部分以热能形式散发，以维持体温，一部分以化学

2、能形式储存供生命活动能量之需（约40%）。4，生物氧化生成的H2O是代谢物脱下的氢与氧结合产生，H2O也直接参与生物氧化反应；CO2由有机酸脱羧产生,氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。5，生物氧化的速度由细胞自动调控。部位：在真核生物细胞内，生物氧化都是在线粒体内进行，原核生物则在细胞膜上进行。生物氧化的一般过程：NADH+H+ or FADH2 第一节 生成ATP的氧化体系线粒体氧化体系定义： 代谢物脱下的氢经一定顺序排列的氢递体或电子递体传递，与O2 结合生成H2O的完整体系，也称电子传递链（Electron transfer chain）。 组

3、 成： 递氢体、电子传递体 一、呼吸链（Respiratory chain）1. 呼吸链的组成四种酶复合体复合体酶名称复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素C氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu呼吸链各复合体位置示意图NAD+的结构和作用NAD+的结构和作用氧化还原反应时氮原子在五价和三价之间变换由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。FMN的递氢作用 铁硫蛋白空间构象FeFe2S2Fe4S4Fe2+ Fe3+ + e 泛醌的递氢作用复合体的功能2.

4、复合体-琥珀酸-泛醌还原酶功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌组成: 黄素蛋白，含FAD 铁硫蛋白3. 复合体-泛醌-细胞色素C还原酶功能：将电子从泛醌传递给细胞色素C组成：2种细胞色素b（Cytb562 , b566） 细胞色素C1 铁硫蛋白Cyta: Cyta、Cyta3 Cytb: Cytb562 、Cytb566Cytc: Cytc、 Cytc1各种细胞色素的结构：复合体 III（Complex III）细胞色素c是移动的电子载体4. 复合体-细胞色素C氧化酶功能：将电子从细胞色素C传递给氧组成：Cyta, Cyta3 (含2个铁卟啉辅基和2个铜原子)Cu+Cu2+ + e-功能：将电子从

5、细胞色素C传递给氧2. 呼吸链成分的排列顺序 呼吸链成分的排列顺序试验依据() 根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位 () 利用呼吸链特异的抑制剂阻断某一组分的电子传递，阻断部位前组分为还原态，后面组分为氧化态，根据吸收光谱改变进行检测还原态氧化态2、呼吸链类型NADH氧化呼吸链： 由复合体、组成。琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）：由复合体、组成。NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链二、 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)定义：代谢物脱下的氢经呼吸链传递，逐步释放能量使ADP磷酸化生成ATP的过程称氧化磷酸化。P/O 比值： 物质氧化时，每消耗1摩氧原子

6、所消耗的无机磷的摩尔数(或ADP摩尔数),即生成ATP的摩尔数。实验：-羟丁酸抗坏血酸细胞色素C(Fe2+)P/O=2.42.8生成2.5ATPP/O=1.7生成1.5ATPP/O=0.88生成1ATPP/O=0.610.68生成0.5ATP1.确定偶联部位的实验及数据区段 电位变化(E) 自由能变化G=-nFE 能否生成ATP(G是否大于30.5KJ)Cytaa3O2 0.53V 102.3KJ/mol 能 NAD+CoQ 0.36V 69.5KJ/mol 能CoQ Cytc 0.21V 40.5KJ/mol 能ATPATP ATP氧化磷酸化偶联部位2. 氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说(C

7、hemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，释放的能量可将质子(H+)从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧，产生膜内外质子电化学梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差）。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP 。 外 内 ATP合酶F1(亲水部分) 由3 3 组成 催化生成ATP F0(疏水部分) 由6个亚基组成质子通道旋转的分子马达ATP在F1结构域中合成催化位点位于亚基上ATP合酶的工作机制催化亚单位的三种构象： O 开放型 L 疏松型 T 紧密结合型三、影响氧化磷酸化的因素呼吸链抑制剂:阻断呼吸链中某些部位电子传递鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(pieric

8、idin A)、异戊巴比妥(amobarbital)等与复合体中的铁硫蛋白结合 抗霉素A(antimycin A)、二巯基丙醇(dimercapto-propanol)抑制复合体中Cytb与Cytc1间的电子传递CO、CN-、N3-及H2S抑制复合体1. 抑制剂鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥抗霉素A二巯基丙醇CO、CN-、N3-及H2S各种呼吸链抑制剂的阻断位点临床知识-氰化物中毒氢氰酸气体或氰化钾-目前，已知毒性最强最快的毒物。作用机理：抑制细胞色素C氧化酶传递电子至氧气，可与血红素a3的Fe3+结合，使线粒体呼吸和能量生成停止，细胞迅速死亡。细胞死于缺氧，最明显的器官是中枢神经系统。解毒方案：

9、 1、给予多种亚硝酸盐，使血红蛋白中的Fe2+氧化为Fe3+，从而将氧合血红蛋白转化为高铁血红蛋白，后者通过形成高铁血红蛋白-氰化物复合物而与细胞色素a3竞争氰化物。 2、摄入硫代硫酸盐能使氰化物与硫氰酸酶反应，生成无毒的硫氰酸盐。解偶联剂(Uncoupler) 使氧化与磷酸化偶链过程脱离 基本作用机制： 使呼吸链传递电子过程中泵出的H+，不经ATP合酶的F0质子通道回流，而通过线粒体内膜中其他途径返回线粒体基质，从而破坏了内膜两侧的电化学梯度，使ATP的生成受到抑制，由电化学梯度储存的能量以热能形式释放。举例: 二硝基苯酚（Dinitrophenol, DNP） 解偶联蛋白（Uncoupli

10、ng protein ） 位于棕色脂肪组织中的线粒体中,主要有UCP-1、2、3、4、5五种。解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）下丘脑感受冷刺激交感神经去甲肾上腺素三酰甘油目前，解偶联蛋白药物可用于治疗肥胖氧化磷酸化抑制剂： 对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用例：寡霉素(oligomycin) 结合ATP合酶F1与F0之间柄部的寡霉素敏感蛋白。 寡霉素2. ADP的调节作用 ADP浓度增高，氧化磷酸化速度加快； ADP不足，氧化磷酸化速度减慢。呼吸控制率(Respiratory control ratio , RCR) 用离体线粒体实验，当有过量底物存在时，加入ADP后的耗氧速率与仅有

11、底物时的耗氧速率之比。3. 甲状腺激素 诱导细胞膜上Na+, K+-ATP酶的生成，使ATP加速分解为ADP和Pi。ADP增多，促进氧化磷酸化。 mtDNA的特点：呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，易受氧化磷酸化产生的氧自由基的损伤而突变。 4. 线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA) mtDNA突变影响呼吸链氧化磷酸化复合体中多肽链的生物合成 氧自由基的产生与消除 线粒体缺陷（母系遗传居多）与衰老等退行性疾病有关，包括帕金森氏病和阿茨海默病等。超氧化物歧化酶与过氧化氢酶谷胱甘肽过氧化物酶与GSH还原酶四、能量货币ATPATP的结构ATP的功能 为

12、体内各种生理活动提供能量，形成磷酸酯类中间代谢物参与酶的共价修饰。高能磷酸键与高能磷酸化合物高能磷酸键：水解时释放的能量大于30.5KJ/mol的 磷酸酯键，常表示为 P。高能磷酸化合物：含有高能磷酸键的化合物(第二货币)各种高能磷酸化合物的生成：ADP + ADP AMP + ATP 腺苷酸激酶(adenylate kinase)二磷酸核苷酸激酶UDPATPUTPADPCDPATPCTPADPGDPATPGTPADP 磷酸肌酸激酶(Creatine phosphate,CP)肌酸磷酸肌酸ATPADPATP的生成和利用ATPADP肌酸磷酸肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化PP机械能(肌肉收缩)渗

13、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)五、通过线粒体内膜的物质转运 线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运载体对各种物质的转运。1. 胞液中NADH的氧化胞液中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(Glycerophosphate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭(Malate-asparate shuttle)-磷酸甘油穿梭苹果酸-天冬氨酸穿梭谷草转氨酶谷草转氨酶2. 腺苷酸载体(adenine nucleotide transporter)2.ATP-ADP载体(

14、ATP-ADP carrier)3. 线粒体蛋白的跨膜转运 线粒体外膜上的解折叠酶使蛋白质空间结构松散 外膜受体识别，再被转移到总插入蛋白 总插入蛋白使蛋白质前体从氨基端开始通过线粒体外膜与内膜之间的接触点转运至线粒体基质 基质中的加工肽酶切除蛋白质前体中含有导向信息的氨基端前导序列，生成成熟的基质蛋白质第二节 其 他 氧 化 酶 系一、需氧脱氢酶和氧化酶 氧化方式辅基产物氧化酶利用氧为受氢体催化底物氧化含铜离子有H2O需氧脱氢酶利用氧为受氢体催化底物脱氢含FMN或FAD有H2O2H2OSH2S2Cu2+2Cu+2H+ 2e氧化酶的氧化方式： (细胞色素C氧化酶、抗坏血酸氧化酶等采用此方式)F

15、MN(或FAD)FMNH2(或FADH2)SH2SO2H2O2需氧脱氢酶的氧化方式：O2 O22e二、过氧化物酶体中的氧化酶类过氧化氢酶(Catalase) 又称触酶，其辅基含4个血红素过氧化物酶(perioxidase) 以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物 2H2O22H2O + O2过氧化氢酶R + H2O2RO + H2ORH2+ H2O2R + 2H2O过氧化物酶过氧化物酶反应氧族 超氧离子（O2）、H2O2、羟自由基（OH）的统称。 损 害： 1、使磷脂分子中不饱和脂酸氧化生成过氧化脂质，损伤细胞膜； 2、过氧化脂质与蛋白质结合形成的复合物，积累成棕褐色的色素颗粒，称为脂褐素，与组织老化有关。三，超氧化物歧化酶 (Superoxide dismutase, SOD)2O2+2H+SODH2O2+O2SOD 催化的反应：H2O + O2过氧化氢酶分布：真核细胞胞液 Cu/ Zn-SOD 线粒体 Mn-SOD 谷胱甘肽过氧化物酶 H2O2(ROOH) H2O(ROH+H2O)2G SHG S S GNADP+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