第六章 生物氧化 第一-二节

1、,作者 : 苑辉卿,单位 : 山东大学齐鲁医学院,第六章,生物氧化,Biological Oxidation,第一节 线粒体氧化体系与呼吸链,第二节 氧化磷酸化与ATP的生成,第三节 氧化磷酸化的影响因素,第四节 其他氧化与抗氧化体系,重点难点,生物氧化的概念 线粒体呼吸链的组成及功能 氧化磷酸化的概念、意义及其影响因素 ATP在能量代谢中的作用,化学渗透学说与ATP的生成机制 呼吸链抑制剂的种类及作用特点 ROS的种类及生成机制 清除ROS的抗氧化酶,微粒体的生物氧化,线粒体氧化体系与呼吸链,第一节,Biological oxidation in mitochondria and the m

2、itochondrial respiratory chain,物质在生物体内进行的氧化分解称生物氧化(biological oxidation) 生物氧化发生的部位：细胞胞质、线粒体、微粒体等 线粒体氧化体系：通过酶促反应将营养物质氧化分解为CO2 和 H2O，并释放能量，产生ATP 微粒体氧化体系：利用氧化酶类对底物进行加氧修饰，不产生ATP,生物氧化,主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内氧化分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程 特点：反应温和，需要酶的催化，氧化反应逐步进行，能量逐步释放,线粒体氧化体系,营养物质氧化的一般过程,线粒体氧化体系需要递氢体和递电子体,递电子体,递氢体

3、,水溶性辅酶或辅基： NAD+ /NADH, NADP+/NADPH 为双电子传递体,线粒体氧化体系的递氢体和递电子体,功能基团：芳环中五价氮和三价氮间的变化,水溶性辅酶或辅基：FAD/FADH2, FMN/FMNH2 为单双电子传递体,线粒体氧化体系的递氢体和递电子体,结构中含核黄素 异咯嗪环为功能基团,脂溶性有机化合物：泛醌（ubiquinone，CoQ，Q）,线粒体氧化体系的递氢体和递电子体,人体：CoQ10，含10个异戊二烯单位 可在线粒体内膜中自由扩散 传递质子和电子,铁硫蛋白 (iron-sulfur protein ) 辅基：铁硫中心(Fe-S)含铁离子和硫原子 通过 Fe2+

4、Fe3+e- 反应传递电子 单电子传递体,线粒体氧化体系的递氢体和递电子体,细胞色素蛋白 （cytochrome , Cyt） 含血红素样辅基的蛋白质 分Cyt a、b、c 及不同的亚类,线粒体氧化体系的递氢体和递电子体,细胞色素a，b，c 结合的血红素辅基,血红素a,血红素b,血红素c,通过血红素辅基 Fe2+ Fe3+e- 反应传递电子 单电子传递体,具有传递电子能力的蛋白复合体组成线粒体呼吸链,线粒体呼吸链： 生物体将NADH+H+和FADH2彻底氧化生成水和ATP的过程与细胞的呼吸有关，需要消耗氧，参与氧化还原反应的组分由含辅助因子的多种蛋白酶复合体组成，形成一个连续的传递链，因此称为

5、线粒体呼吸链（mitochodrial respiratory chain）。也称电子传递链(electron transfer chain),4个蛋白质复合体，位于线粒体内膜 含多种具有传递电子能力的辅基，如FMN、Fe-S、金属离子等 蛋白复合体、泛醌以及细胞色素c协同完成电子传递到氧的过程 电子传递过程伴随H+移至线粒体内膜的胞质侧，形成跨内膜H+梯度，释放的能量用于生成ATP,一、呼吸链由4种具有传递电子能力的蛋白质复合体组成,线粒体内膜的传递电子的复合体,人线粒体呼吸链复合体的组成,泛醌和细胞色素c不包含在上述四种复合体中,复合体：NADH-泛醌还原酶、NADH脱氢酶 接受来自NAD

6、H+H+的电子并转移给泛醌 复合体可催化两个同时进行的过程： 电子传递： NADHFMNFe-S Q 质子的泵出：复合体有质子泵功能，每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧,（一） 复合体将NADH+H+中的电子传递给泛醌,复合体介导的电子传递过程,复合体：琥珀酸-泛醌还原酶，即三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶 电子传递：琥珀酸FAD几种Fe-S Q 复合体：无H+泵的功能,（二）复合体将电子从琥珀酸传递到泛醌,（三）复合体将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c,复合体：泛醌-细胞色素C还原酶 人复合体含有 Cyt b(b562, b566)、Cyt c1和一种可移动的铁硫蛋白(Rieske

7、protein) 泛醌从复合体、募集氢并穿梭传递到复合体 电子传递：QH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc,复合体的电子传递通过“Q循环”实现 复合体每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体有质子泵作用 Cyt c是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中 Cyt c将获得的电子传递到复合体IV,复合体的电子传递,复合体：细胞色素C氧化酶 电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2 CuA和Cyt a3CuB形成双核中心，将电子传递给O2 质子泵功能：每传递2个电子使2个H+跨内膜向膜间隙侧转移,（四）复合体将电子从细胞色素C传递给氧,复合体I

8、V的电子传递过程,复合体IV的CuB-Cyta3将电子传递给O2、生成水,1、NADH氧化呼吸链 NADH 复合体CoQ 复合体Cyt c 复合体O2 2、琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 CoQ 复合体Cyt c 复合体O2,二、NADH和FADH2是呼吸链的电子供体,NADH和FADH2是线粒体呼吸链的电子供体，形成两条呼吸链,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 将呼吸链拆开和重组,呼吸链各组分的排列顺序的实验依据,呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位,NADH氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链,氧化磷酸化与ATP的生成,第二节,Oxidative phosphoryl

9、ation and production of ATP,底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation): 与底物分子的高能键水解相偶联，使ADP磷酸化生成ATP 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)：NADH和FADH2通过线粒体呼吸链被氧化生成水的过程伴随着能量的释放，驱动ADP磷酸化生成ATP。即NADH和FADH2的氧化过程与ADP磷酸化过程相偶联，释放的能量用于生成ATP,ATP生成方式,氧化过程如何偶联ADP的磷酸化过程？ 每条呼吸链各产生多少ATP？,一、氧化磷酸化偶联部位在复合体、内,根据P/O比值 自由能变化: G

10、=-nFE,氧化与磷酸化的偶联部位：复合体、,（一）P/O 比值,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（或一对电子通过呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）,根据自由能变化确定偶联部位,G = -nF E,n：传递电子数；F：法拉第常数,合成1摩尔ATP 需能量约30.5kJ,（二）自由能变化,呼吸链产生的能量完全满足合成ATP所需,一对电子经NADH氧化呼吸链氧化，偶联生成2.5分子的ATP 一对电子经琥珀酸呼吸链氧化，偶联产生1.5分子ATP,二、氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度,化学渗透假说 (chemiosmotic hypothesis),电子经呼吸

11、链传递时释放的能量，通过复合体的质子泵功能，转运H+从线粒体基质到内膜的胞质侧 质子不能自由穿过线粒体内膜返回基质，从而形成跨线粒体内膜的质子电化学梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差），储存电子传递释放的能量 质子的电化学梯度转变为质子驱动力，促使质子从膜间隙侧顺浓度梯度回流至基质、释放储存的势能，用于驱动ADP与Pi结合生成ATP,化学渗透假说示意图,质子的跨内膜梯度,复合体I，III，IV都具有质子泵功能 呼吸链每传递2个电子使10个H+跨内膜向胞浆侧转移 线粒体胞浆侧的质子浓度、正电荷远高于基质 形成跨内膜的浓度和电位差（电化学梯度）,依赖于完整封闭的线粒体内膜，对H+、K、Cl等离子的不通

12、透性 呼吸链复合体可驱动质子移至线粒体膜间隙，形成可测定的跨膜电化学梯度 增加线粒体膜间隙侧的酸性可促进ATP合成，减少内膜质子梯度，电子虽可以传递，但ATP生成减少,化学渗透假说的实验依据,三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成 ATP,ATP合酶：跨线粒体内膜的通道蛋白 功能：回流质子至基质时，结合ADP与Pi合成ATP,ATP合酶结构组成,F1（亲水部分） 亚基： 功能：催化 ATP 合成 Fo（疏水部分） 亚基：a1b2c9-12 功能：质子回流至基质的通道,DL. Nelson, MM. Cox Lehninger Principles of Biochemistry,ATP合酶：质子回流通道,a亚基形成2个质子半通道 半通道接受的质子中和c亚基Asp61的负电荷后，c亚基环与内膜接触发生转动,ATP 合酶的结合变构模型：催化ATP合成,质子顺浓度梯度经Fo部分回流时，驱动亚基转动，使3个亚基构象周期性改变 依次结合底物、生成、释出产物ATP 生成1个ATP，需3个H回流入线粒体基质,小结,氧化磷酸化： 在线粒体完成氧化与磷酸化的偶联过程 通过NADH呼吸链、琥珀酸呼吸链完成线粒体基质