生物能学原理及生物氧化.ppt

1、第十一章,生物能学原理及生物氧化,Principle of Bioenergetics and 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。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)。,* 生物氧化（biological oxidation）的概念,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,* 生物氧化的一般过程,营养物质分解氧化三阶段,大分子小分子 - ：分解 ：分解氧化 乙酰CoA TCA ：氧化磷酸化

2、 （主要产能步） H2O+ATP CO2,脂肪酸的-氧化、 丙酮酸氧化脱羧和 氨基酸的降解生成， 其实是活化了的乙酸。,ATP ：tricarboxylic acid cycle,物质代谢 代谢 生物氧化 能量代谢 体内代谢 体外燃烧 物质能量,转化,代谢与能量,产能 耗能,分解 合成,体内代谢与体外燃烧的区别：,1. 温度：体温，37度 高温 2. 反应温和：酶促,逐步氧化,逐步放能,可调节 反应剧烈：短时间内以光，热能形式放能 3. 效率：以高能键储存，4055% 不能储存，0% 4. CO2来源：有机羧酸脱羧而来 直接氧化而来,氧化,糖、脂肪、蛋白质 CO2+H2O 体内：酶促反应，生成

3、ATP 体外：燃烧，生成光和热 氧化过程：加氧、脱氢、失电子,第一节 生物能学的基本原理 Principles of Bioenergetics,一、生物系统遵循热力学定律,一个体系及其周围环境的总能量是一个常数 。 能量可以在系统内转移，或从一种形式转化为另一种形式。 有机化合物氧化时释放的能量等于该物质所具有的化学键能与其氧化产物所含化学键能之差。,（一）热力学第一定律能量守恒定律,熵（entropy）表示一个系统的无序或随机程度。 常用G(自由能的变化)衡量一个生物化学过程是否能够自发进行：,G0，反应为吸能反应（ G值越大，则系统 越稳定，发生反应的倾向越小。） G=0，反应系统处于平

4、衡状态,（二）热力学第二定律 自动发生的过程总熵增加,G: 当反应物浓度为1 mol/L，反应温度为25，压力为1大气压时，用G表示标准自由能变化。 G：生物化学反应时，将pH定为7.0，这种状态下的标准自由能变化用G表示。,G可根据平衡常数Keg进行计算： G= -2.303 RT log Keg R为气体常数R=8.3110-3kJ/molK，T为绝对温度。,（一）代谢物转变时释放的自由能提供另一种代谢物的转变,二、体内吸能过程与放能过程偶联进行,A + C B + D + 热能,（二）一个热力学上不利的反应可被热力学有利的反应驱动,（三）放能反应时生成高能化合物提供吸能反应所需的自由能,

5、A,C,B,D,E,E,E代表高能化合物，E为相应的低能化合物,三、ATP在能量捕获、转移、储存和利用过程中起核心作用,一般将G大于ATP（包括ATP），或G大于21 kJ/mol的磷酸化合物称为高能磷酸化合物。 用符号P表示高能磷酸键。,（一）高能磷酸化合物的磷酰基水解时释放出大量自由能,高能磷酸化合物:,一些生物学重要的有机磷酸化合物水解时释放的标准自由能,（二）ATP将热力学上不利的过程和有利的反应相偶联,体内许多代谢物的“活化” 反应（吸能）大多直接或间接地与ATP酸酐键的水解放能反应相偶联，使“活化”反应能顺利进行。,（三）腺苷酸激酶（adenylate kinase）催化腺嘌呤核苷

6、酸之间相互转变 ATP+AMP 2ADP,（四）核苷二磷酸激酶催化UTP、CTP、GTP生成,ATP+UDPADP+UTP ATP+CDPADP+CTP ATP+GDPADP+GTP,（五）磷酸肌酸作为肌和脑中能量的一种储存形式,ATP,ADP,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。,人体内ATP的来源和去路:,第二节 氧化磷酸化Oxidative Phosphorylation,定义 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

7、称为呼吸链(respiratory chain)又称电子传递链(electron transfer chain)。 组成 递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e）,一、氧化呼吸链又称电子传递链,（一）氧化呼吸链由4种复合体所组成,* 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,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,1. 复合体将NADH+H+中的两个电子传递给泛醌（ubiquinone）,NAD+和NADP+的结构,R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+,NAD+（NADP+） 的加氢和脱氢反应,氧化还原反应的变化发生在五价氮和三价氮之间。,FMN的加

8、氢和脱氢反应,FMN结构中含核黄素，功能部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN 。,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。, 表示无机硫,铁硫簇(iron-sulfur cluster )的结构,铁硫蛋白 (iron-sulfur protein ),泛醌（Coenzyme 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。,泛醌的加氢和脱氢反应,NADH FMN N1a （N3, N1b, N4） N2 QP-N Q,（Fe2S2） （Fe4S

9、4) (Fe2S2) (Fe4S4）（Fe4S4）,目前推测复合体中电子传递顺序如下：,2.复合体将电子从琥珀酸传递给泛醌,复合体中电子传递顺序:,一些含有FAD的脱氢酶也可将底物中的电子传递给泛醌。,细 胞 色 素（Cytochrome，Cyt）,细胞色素是一类以血红素（heme）为辅基的电子传递蛋白，根据它们吸收光谱不同而分类。,各种还原型细胞色素的主要光吸收峰,3. 复合体将电子从泛醌传递给细胞色素c,泛醌-细胞色素C 还原酶同二聚体结构,复合体传递电子的过程通过Q循环(Q cycle)来实现:,（1）第一分子QH2氧化过程,（2）第二分子QH2氧化过程,QH2,QH2,Fe2S2,2H

10、+,Q,Q,Q,e,c1,e,e,e,bL,bH,Q0,Qi,e,QH2,QH2,Fe2S2,2H+,Q,Q,Q,e,c1,e,e,e,bL,bH,Q0,Qi,e,QH2,2H+,Q,Q,4. 复合体将电子从细胞色素C传递给氧,其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。,细胞色素C氧化酶CuA中心,细胞色素氧化酶a3-CuB中心,Fe (),Fe (),CuB2+,CuB2+,CuB+,CuB+,HO-Y,HO-Y(Tyrosine 244),HO-Y,HO-Y,HO-Y,HO-Y,HO-Y,O2,Fe (III),Fe (IV),Fe (IV),Fe (IV),Fe (III)

11、+,Fe (III)+,Fe (III),e -,e -,H+,H2O,H+,CuB+,OH CuB+,CuB2+,O-Y,O=O,OH ,OH ,O ,O ,O ,O-O,OH CuB+,H+,H2O,e -,H+, e -,细胞色素C氧化酶a3-CuB中心使O2还原生成H2O的过程,目 录,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）氧化呼吸链组分按氧化还原电位从低到高排列,1. NADH氧化呼吸链 NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 2. 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2,氧化呼吸链可分为两

12、条途径:,NADH氧化呼吸链,FADH2氧化呼吸链,电子传递链,氧化呼吸链电子传递概貌,呼吸链的特点,1 随着各电子传递体的还原电位，对电 子亲和力，电子逐步传递到氧，每一 次传递都释放能量 2 各电子传递体以复合体形式存在，按 序整合，连续，高速 3 分布不对称（Mit内膜上） 贯穿：复合体 I、III、IV 偏外：C1，a 便于传递 偏内：a3,苹果酸脱氢酶,-酮戊二酸脱氢酶,异柠檬酸脱氢酶,丙酮酸脱氢酶,NADH,FMN,Fe-S,CoQ Cytb CytC1 CytC Cytaa3 O2,-羟丁酸脱氢酶,-羟脂酰CoA脱氢酶,ADP ATP,ADP ATP,ADP ATP,3-磷酸甘油

13、脱氢酶,琥珀酸脱氢酶,脂酰辅酶A脱氢酶,FAD,Fe-S,呼吸链全貌,二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化反应偶联,* 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的过程。,（一）复合体、和是氧化磷酸化偶联部位,1. 根据P/O比值推测氧化磷酸化偶联部位 P/O 定义：物质氧化时，每消耗1mol原子氧（1/2O2）所消耗的无机磷（P）的m

14、ol数，称为该物质的P/O值。 P/O1， (0.5) 合成1个ATP P/O1.5, 2, 合成 2个ATP P/O2.5, 合成 3个ATP,线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值,注：近年的实验确定，NADH呼吸链P/O比值大约为2.5； 琥珀酸呼吸链P/O比值约为1.5。,2.根据电子传递时自由能变化确定可能的偶联部位,G=-nFE,电子传递链自由能变化,氧化磷酸化偶联部位,自由能变化： ATP ADP +Pi ATP中 P ： G0 = 30.5KJ/mol G0 = nF E0= 296.5 E0 令上式= 30.5, 则E0 =0.158 NADH CoQ E0= 0.36 C

15、oQ Cyt C1 E0 =0.19 可合成ATP Cyt aa3 O2 E0 =0.58,氧化磷酸化偶联部位,（二） 氧化磷酸化偶联机制是跨线粒体内膜的质子电化学梯度,化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，驱动质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，从而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。,化学渗透假说简单示意图,氧化呼吸链质子跨膜转移的机制,F1:亲水部分(33亚基, OSCP, IF1亚基) F0:疏水部分(a, b2, c912亚基),（三） ATP合酶利用质子顺浓度梯度回流时释放的能

16、量合成ATP,1. ATP合酶（ATP synthase）由F1 和F0组成,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c亚基结构示意,通过C环的旋转，质子从内膜胞浆侧进入胞浆半通道，通过基质半通道释放进入线粒体基质。,c环与 亚基紧密相连，当 c环旋转时会带动 亚基旋转。,当H+顺浓度递度经Fo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,ATP合成的机制,第三步 第一步 第二步,Pi,ADP,ATP,ADP Pi,ATP,ATP,ATP合成的机制,X,X,反应

17、中心,反应中心,H+,ATP,F1中小亚基的转动模式,三、一些因素影响氧化磷酸化的进行,呼吸链抑制剂阻断氧化呼吸链的电子传递 如： 鱼藤酮（rotenone） 2. 解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离 如：解偶联蛋白（uncoupling protein, UCP） 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（oligomycin）,（一）氧化磷酸化抑制剂有3类,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,解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）,Q,胞液侧,基质侧,解偶联 蛋白,寡霉素(olig

18、omycin) 可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。,寡霉素,ATP合酶结构模式图,不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响,（二）正常机体氧化磷酸化速率主要受ADP调节,呼吸链电子传递和ATP生成的偶联关系是相互依赖的。 呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR),（三）甲状腺激素使机体耗氧和产热均增加,甲状腺素： 1. 促进Mit的氧化磷酸化，ATP生成 2甲状腺激素诱导Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达增加。 使ATPADP+Pi 总效应：ATP合成，ATP分解也 表现为氧耗，产热 甲亢：易热，易喘，情绪激动,（四）线粒体DNA突变使氧化磷酸化功

19、能降低,线粒体DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）病 衰老,电子传递链及氧化 磷酸化系统概貌,H+ 跨膜质子电化学梯度； H+m内膜基质侧H+； H+c 内膜胞液侧H+,目 录,四、线粒体内膜对物质的转运具有选择性,线粒体基质与胞浆之间有线粒体内、外膜相隔，外膜对物质通透的选择性不强，内膜依赖各种跨膜转运蛋白 (transporter)对各种物质的转运。,线粒体内膜中的一些转运蛋白对代谢物转运,（一） 胞浆中的NADH通过穿梭进入线粒体参加氧化磷酸化,转运机制主要有两条: -磷酸甘油穿梭 (-glycerophosphate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (ma

20、late-asparate shuttle),1. -磷酸甘油穿梭主要存在于骨骼肌和脑中,2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于心肌和肝中,（二）腺苷酸移位酶使ATP和ADP反向转运,腺苷酸移位酶（adenine nucleotide translocase）又称腺苷酸载体（adenine nucleotide carrier）或腺苷酸转运蛋白。,（三）Ca2+通过线粒体内膜中两种转运蛋白进出线粒体,线粒体是储存Ca2+的细胞器。由膜电位驱动，通过内膜中的钙单向转运蛋白（calcium uniporter）转运，使Ca2+进入线粒体。转运速度随胞浆中Ca2+浓度增加而增加。线粒体基质中的Ca2+

21、与胞浆中的Na+可通过Na+-Ca2+交换蛋白（ Na+-Ca2+ exchanger）对向转运。,（四）线粒体内膜转运蛋白中均存在3个前后重复的结构,线粒体内膜还存在其他与代谢物转运有关的转运蛋白，它们大多含有3个以100个氨基酸残基为单位的重复结构，空间结构分析，每个单位存在两个跨膜段，有利于形成跨膜转运通道。,第三节 不生成ATP的氧化途径 Oxidation Without ATP Generation,一、微粒体细胞色素P450单加氧酶系使底物分子羟化,单加氧酶(monoxygenase),上述反应需要细胞色素P450 (Cyt P450)参与。,它催化氧分子中一个氧原子加到底物分子

22、中(羟化)，故也称羟化酶(hydroxylase)；同时将另一个氧原子与NADPH+H+中的2H结合生成水，故又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase)。,Fe (),Fe (III),Fe (IV),Fe (III),Fe (III),Fe (III),e -,CuB+,O=O,O ,O-OH,H+,H2O,微粒体细胞色素P450基本反应机制,Fe (III),O-O,Fe (),AOH,e -,H+,H2O2,2H+,O2,AH,O2,+,目 录,目 录,二、生物氧化过程中产生超氧阴离子,（一）活性氧类包括超氧阴离子、过氧化氢和羟自由基,超氧阴离子（superoxide ani