第8章生物氧化.ppt

1、1,第 八 章,生 物 氧 化 Biological Oxidation,2,营养物质在生物体内经氧化分解，最终生成CO2 和 H2O，并释放能量的过程称生物氧化。,* 生物氧化的概念,3,* 生物氧化与体外氧化的相同点,生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。 物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。,4,是在细胞内温和的环境(37,pH中性)中由酶催化进行的 能量是逐步释放的，并储存于ATP中。 代谢物脱下的氢与氧结合产生H2O 有机酸脱羧产生CO2。,* 生物氧化与体外氧化的不同点,生物氧化,体外氧化,通常是干燥、高温

2、条件下进行 能量是突然释放的 CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。,5,* 生物氧化的一般过程,小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。,大分子降解成基本结构单位,6,第一节 生成ATP的氧化体系The Oxidation System of ATP Producing,一、呼吸链 二、氧化磷酸化 三、氧化磷酸化影响因素 四、通过线粒体内膜的物质转运,7,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

3、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 transfer chain)。 组成 递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e）,一、呼吸链,8,（一）呼吸链的组成,1. 烟酰胺脱氢酶类 2. 黄素脱氢酶类 3. 铁-硫蛋白类 （ironsulfur proteins) 4. 辅酶 （ubiquinone,亦写作CoQ） 5. 细胞色素类 （cytochromes）,NADH,辅 酶 Q（CoQ）,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀酸等,黄素蛋白（F AD）,黄素蛋白（FMN）,细胞色素类,铁硫蛋白（Fe

4、-S）,铁硫蛋白（Fe-S）,Fe-S,9,电子传递链中各中间体的顺序,NADH,FMN,CoQ,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,NADH-CoQ还原酶,CoQ-细胞色素c还原酶,细胞色素C氧化酶,琥珀酸-CoQ还原酶,Fe-S,10,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,11,1. 烟酰胺核苷酸,NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide Adenine Dinucleotide) ，又叫Co，主要作为呼吸链的一个组分，起递氢体作用； NADP+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotin

5、-amide Adenine Dinucleotide Phosphate) ，又叫Co，主要在还原性生物合成中作为供氢体。 二者的递氢部位是烟酰胺部分，为Vit PP。,12,R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+,NAD+和NADP+的结构,13,NAD+（NADP+）的递氢机制,（氧化型）,（还原型）,14,2. 黄素辅基,FMN：黄素单核苷酸(Flavin Mononucleotide) FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleotide) FMN和FAD中异咯嗪环起递氢体作用。 异咯嗪及核醇部分为Vit B2（核黄素）。,15,FMN结构,异

6、咯嗪,核醇,16,FAD结构,17,FMN和FAD递氢机制,（氧化型）,（还原型）,18,3. 铁硫蛋白(Iron-sulfur protein, Fe-S),又叫铁硫中心或铁硫簇。 含有等量铁原子和硫原子。 铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的巯基连接。 铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子，为单电子传递体。,19,20,21,4. 泛醌 (ubiquinone, UQ),即辅酶Q（ Coenzyme Q， CoQ），属于脂溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链。 因其为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜中分离出来，因此不包含在四种复合体中。 分子中的苯醌结构能可逆地结合2个H，为

7、递氢体。,22,23,24,5. 细胞色素类（Cytochrome, Cyt）,是一类以铁卟啉为辅基的电子传递蛋白。 呼吸链中主要有a、b、c、三类。差别在于铁卟啉的侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接的方式不同。 Cyt b、c的铁卟啉与血红素相同； Cyt a的铁卟啉为血红素A。 分子中的铁通过氧化还原而传递电子，为单电子传递体。,25,26,27,小结： 呼吸链的组成 呼吸链=递氢体+递电子体,NAD FMN FAD CoQ,Fe-S Cyt,28,由以下实验确定 标准氧化还原电位,由低到高排列。 用呼吸链的特异抑制剂阻断，抑制剂前的组分为还原态，抑制剂后的组分为氧化态。 还原状态呼吸链缓慢给氧

8、。 以无氧时的呼吸链为对照，缓慢给氧后观察各组分的氧化顺序。 将各组分在体外拆开和重组,（二）呼吸链成分的排列顺序,29,30,抑制剂,31,1. NADH氧化呼吸链：是体内主要的呼吸链,2. 琥珀酸氧化呼吸链（FAD氧化呼吸链）： 是体内次要的呼吸链,32,NADH氧化呼吸链,FADH2氧化呼吸链,2H+,33,线粒体内重要代谢物氧化的途径,34,二、氧化磷酸化,体内ATP生成的方式： 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 phos-pho

9、rylation) 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。,35,（一）氧化磷酸化偶联部位,即ATP生成的部位。 P/O比值：是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷酸的摩尔数，即生成ATP的摩尔数。,36,线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值,37,三个偶联部位：,NADH与CoQ之间； CoQ与Cyt c之间； Cyt aa3与氧之间。,38,2. 自由能变化( G0)：大于30.5kJ即可生成1摩尔ATP。G0nFE0,39,NADH氧化呼吸链存在3个偶联部位， P/O比值等于3，即产生3molATP。 琥珀酸氧化呼吸链存在2个偶联部位， P

10、/O比值等于2，即产生2molATP。,40,（二） 氧化磷酸化的偶联机制,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（H+ 浓度梯度和跨膜电位差），以此储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。,41,42,化学渗透假说简单示意图,化学渗透假说,1、递氢体和递电子体在膜上相间排列 2、递氢体有传递H+作用，可将H+通过半透膜泵入内膜和外膜之间的间隙中，内膜不能自由通过H+，由此导致电位差的形成，这是ATP生成的动力。 3、当H+沿内膜专一通道再次向内膜

11、穿入时，其电位差推动ADP转变成ATP。,44,2. ATP合酶,即复合体。位于线粒体内膜的基质侧。,45,ATP合酶,F0：为疏水蛋白质，是镶嵌在线粒体内膜中的质子通道。 F1：为亲水蛋白质，由33亚基组成，催化生成ATP。 OSCP：寡霉素敏感相关蛋白，位于F0与F1之间，使ATP合酶在寡霉素存在时不能生成ATP。,46,ATP合酶结构模式图,47,三、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，细胞呼吸停止。,（一）抑制剂,48,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,49,2. 解偶联

12、剂 使氧化与磷酸化偶联过程脱离。常见的解偶联剂为二硝基苯酚（DNP）。物质能氧化，但不能生成ATP。 如：解偶联蛋白 3. 氧化磷酸化抑制剂 对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。 如：寡霉素（与F0、F1中间寡霉素敏感蛋白结合）,50,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,DNP,51,寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成,寡霉素,52,不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响,53,（二）线粒体DNA突变 与线粒体DNA病及衰老有关。 线粒体的DNA是裸露的环状双螺旋，无蛋白质保护及修复系统，DNA易突变影响氧化磷酸化

13、ATP而致病中枢神经系统影响大，聋、盲、痴呆、肌无力、糖尿病、帕金森病等。 氧化磷酸化损伤随年龄增加而加重，促进衰老。,54,四、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蛋白(transporter)对各种物质的转运。,内膜高度选择性通透性： 可通过的物质：ATP、AMP、Pi、丙酮酸、琥珀酸、-酮戊二酸、苹果酸、柠檬酸、谷氨酸等 不可通过的物质：H+、NADPH、NADH、草酰乙酸等,55,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。 转运机制主要有 -磷酸甘油穿梭 ( -glyceroph

14、osphate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle),56,1. -磷酸甘油穿梭机制,（脑和骨骼肌）,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,糖酵解,57,2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制（肝和心肌）,苹果酸脱氢酶 转氨酶 转位酶,58,穿梭作用的意义,将胞液中的NADH转入线粒体，进入呼吸链氧化产生能量。 保证胞液中的NAD+的浓度，利于物质代谢的进行。,59,非线粒体氧化系统,通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、植物、微生物主要氧化途径，它与ATP的生成紧密相关。除此以外，生物体内还存在非线粒体氧化系统，其特点是从底物脱氢到H2O的生成是经过其它末端氧化酶完成的，与ATP的生成无关，但各自具有重要的生理功能。 生物体内主要的非线粒体氧化系统（过氧化体和微粒体）如下：,1、多酚氧化酶系统 2、抗坏血酸氧化酶系统 3、黄素蛋白氧化酶系统 4、超氧化物歧化酶氧化系统 5、植物抗氰氧化酶系统,60,生物氧化氧化磷酸化底物水平磷酸化呼吸链 磷氧比（P/O） 苹果酸-天门冬氨酸