06.第六章 生物氧化.ppt

1、第六章 生物氧化,(Biological Oxidation),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。,ADP+Pi,第一节 概 述,(Outline),一、生物氧化的方式与特点,(一)生物氧化的方式,生物氧化与物质在体外的氧化方式在化学本质上是相同的，生物氧化的方式有加氧、脱氢和失电子反应。,2.脱氢反应,乳酸 丙酮酸,CH3CH(OH)COOH CH3COCOOH+2H,3.失电子反应,Fe2+ Fe3+ + e,1.加氧反应,RCHO+1/2O2 RCOOH,醛 酸,(二)生物氧化的特点,为细胞内恒定条件下酶

2、促反应逐步进行，能量逐步释放，生成ATP。 加水脱氢反应使物质间接获得氧，脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。,生物氧化,体外氧化,为不恒定条件下非酶促反应，能量以热能形式突然释放。 产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。,氧化方式均为加氧、脱氢、失电子。,耗氧、释放能量、终产物（CO2，H2O）均相同。,不 同 点,相 同 点,二、生物氧化的酶类,(一) 氧化酶类,细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶等属于此类酶，该类酶的亚基常含有铁、铜等金属离子。,(二) 需氧脱氢酶类,(三) 不需氧脱氢酶类,乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶等 。,L-氨基酸氧化酶、黄嘌呤氧化酶等属于此类

3、酶。,三、生物氧化过程中CO2的生成 人体内CO2的生成来源于有机酸的脱羧反应。 根据脱去的羧基在有机酸分子中的位置不同，分为-脱羧和-脱羧两种；又根据脱羧是否伴有氧化，可分为单纯脱羧和氧化脱羧两种类型。,(一)-单纯脱羧,胺,-氨基酸,2,CO,+,2,R-CH,NH,2,氨基酸脱羧酶,(二)-氧化脱羧,(三)-单纯脱羧,(四)-氧化脱羧,丙酮酸,草酰乙酸,丙酮酸羧化酶,第二节 呼吸链与氧化磷酸化,代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratory chain)又称电子传递链(electron tra

4、nsfer chain)。,一、什么是呼吸链,(respiratory chain and oxidative phosphorylation ),四种具有传递氢和电子功能的酶复合体。,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,Q,氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。,(一) 复合体 : NADH-泛醌还原酶,(1)NAD+和NADP+,1.复合体的组成,FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN 。,(2)FMN (FAD),铁硫蛋白铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。, 表示

5、无机硫,(3)铁硫蛋白,泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。,(4)辅酶Q,2.复合体的功能,(二) 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。,(三) 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。,细胞色素c的结构,细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。,1.细胞色素的结构,(四) 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，其中Cyt a3 和Cu B形成的活性部位将电子交给O2。,细胞色素a的结构

6、, 标准氧化还原电位 拆开和重组 特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧,2. NADH氧化呼吸链 NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 3. 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2,1.排列顺序确定的实验依据,(五) 呼吸链成分的排列顺序,4.两条呼吸链的排列顺序,NADH氧化呼吸链,FADH2氧化呼吸链,二、氧化磷酸化,(一)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。,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的过程。,(三)底物

7、水平磷酸化 (substrate level phosphorylation),(二)P/O 比值 氧化磷酸化过程中，每消耗1摩尔无机磷原子数与所消耗的氧原子摩尔数之比即P/O比值。,(四)氧化磷酸化偶联部位,1.氧化磷酸化偶联部位 复合体、。,2.偶联部位的确定 根据P/O比值和自由能变 化（G=-nFE）。,化学渗透假说简单示意图,1. 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。,(五) 氧化磷酸化的偶联机理,胞液

8、侧,基质侧,+ + + + + + + + + +,- - - - - - - - -,化学渗透假说详细示意图,2. ATP合酶,由亲水部分 F1(33亚基)和疏水部分 F0(a1b2c912亚基)组成。,ATP合酶结构模式图,基质侧,胞液侧,线粒体,内膜,当H+回流时，亚基发生旋转，3个亚基的构象改变，释放能量，使ADP生成ATP。,(一) 胞浆中NADH的氧化,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。,三、线粒体内膜的物质转运,1. -磷酸甘油穿梭机制,FADH2,NADH+H+,NAD+,FAD,胞 浆,线粒体 外膜,线粒体 内膜,线粒体 基质,膜间隙,磷酸

9、二羟丙酮,-磷酸甘油,电子传递链,2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制,苹果酸脱氢酶谷草转氨酶 -酮戊二酸转运蛋白 酸性氨基酸转运蛋白,(二) ADP进入与ATP移出,腺苷酸转运蛋白参与ADP与ATP反向转运。,ATP、ADP、Pi的转运,四、影响氧化磷酸化的因素,1. 呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。如鱼藤酮、氰化物、CO等。 2. 解偶联剂 使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如解偶联蛋白、2，4-二硝基酚。 3. ATP合酶抑制剂 对电子传递及ATP合酶均有抑制作用。如寡霉素。,(一)抑制剂,氧化磷酸化系统及抑制剂的影响,(二)甲状腺激素 使ATP分解加速，Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白

10、基因表达均增加。 (三)ADP/ATP比值的调节 1.比值增大，氧化加快，ATP生成增加；比值减小氧化减慢，ATP生成减少。 2.呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR) 指离体线粒体实验中，底物量很大时，加入ADP后的耗氧速率与加入前的耗氧速率之比。,五、高能化合物的储存和利用,2.高能化合物：含有高能键的化合物，如ATP、辅酶A、磷酸肌酸等。,(一)高能化合物,1.高能键 能释放大于 21 KJ/mol 能量的化学键，如高能硫酯键和高能磷酸键，以 “”表示。,磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种储存形式。,几种常见的高能化合物,通 式,举 例,释放能量 p

11、H7.0，25 KJ/mol(kcal/mol),磷酸肌酸,磷酸烯醇式丙酮酸,乙酰磷酸,乙酰CoA,ATP,GTP,UTP,CTP,-43.9(-10.5),-61.9(-14.8),-41.8(-10.1),-31.4(-7.5),-30.5(-7.3),(二)ATP的生成和利用,ATP,ADP,氧化磷酸化 底物水平磷酸化,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),生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。,(一)加单氧酶(monoxygenase),又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase) 或羟化酶(hy

12、droxylase)。催化的反应：,上述反应需要细胞色素P450 (Cyt P450)参与。,一、微粒体中的氧化酶类,第三节 其他氧化酶系 (The Others Oxidation Enzyme Systems),除生成ATP的线粒体氧化体系外，还有微粒体、过氧化物酶体等氧化体系。,(二)加双氧酶,此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底物中带双键的2个碳原子上。例如：,OH,(一)反应活性氧类(reactive oxygen species, ROS) 包括氧自由基及其活性衍生物。 1.氧自由基主要有超氧阴离子（O2）、羟自由基（ HO）、烷自由基（脂质自由基，L ）、烷氧自由基（脂氧自由基，LO ）和烷过氧自由基（脂过氧自由基，LOO ）等。 2. 氧自由基衍生物，如过氧化氢（H2O2）、单线态氧（1O2）、脂质过氧化物（LOOH）等。 3. ROS可使脂肪酸氧化成过氧化脂质，损伤生物膜，形成脂褐素即老年斑。,二、抗氧化酶体系与反应活性氧类的清除,1.过氧化物酶体中的酶类,(1)过氧化氢酶(catalase) 又称触酶，其辅基含4个血红素。,(2)过氧化物酶(perioxidase) 以血红素为辅基，催