《生物化学》教学课件：第08章 生物氧化

1、生 物 氧 化 Biological Oxidation,第 八 章,营养物质在生物体内进行氧化分解，最终生成CO2 和 H2O，并释放能量的过程。,* 生物氧化的概念,（第11章 生物转化：非营养物质在体内的代谢转变）,生物氧化与体外氧化,遵循氧化还原反应的一般规律。 耗氧量、最终产物、释放能量均相同。,相同点,不同点,反应条件温和（37、pH近中性、水溶液） 反应由酶催化 逐步放能（利于ATP的生成） CO2由有机酸脱羧生成。,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,生物氧化的一般过程,第一节 生成ATP的氧化体系The Oxidation System o

2、f ATP Producing,线粒体基质,内膜侧,外膜,内膜,ATP合成部位,定义 线粒体内膜上多种酶和辅酶按一定顺序排列组成的递氢和递电子的反应链，又称电子传递链。 组成 递氢体和电子传递体,一、呼吸链,递氢体同时有传递电子的作用,（2H 2H+ + 2e）,（一）呼吸链的组成,人线粒体呼吸链复合体,泛醌和细胞色素C不包含在上述4种复合体中,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,琥珀酸,4H+,4H+,2H+,NADH+H+,以传递2个H原子为例,NADH FMN CoQ Cyt bCyt c1 Cyt c Cyt aa3 O2,(Fe-S),FAD (Fe-S),琥珀酸,FADH2氧化呼吸

3、链,NADH氧化呼吸链,1 ATP,1 ATP,0.5 ATP,(Fe-S),(Cu),p181,1、复合体,复合体又称NADH-泛醌还原酶。,复合体有质子泵功能,NAD+和NADP+的结构,NAD+：R为 H,NADP+：R为,尼克酰胺,N,+,O,C,H,2,O,P,O,O,H,O,O,H,O,O,P,O,H,O,H,N,N,N,N,N,H,2,O,C,H,2,O,O,H,CONH,2,R,NAD+（NADP+）的递氢机制,（氧化型）,（还原型）, 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 D

4、inucleotide) 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）。, FMN （属于复合体）,异咯嗪,核醇,FAD （属于复合体）,FMN和FAD递氢机制,（氧化型）,（还原型）, 铁硫蛋白(Fe-S),又叫铁硫中心或铁硫簇 含有等量铁原子和无机硫原子 Fe2+ Fe3+e 反应传递电子，单电子传递体。, 泛醌 (ubiquinone, UQ),即辅酶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。 递氢体,又称NADH-泛醌还原酶。 有H+泵的功能 电子传递：N

5、ADHFMNFe-S CoQ,复合体,即琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸-泛醌还原酶。 电子传递：琥珀酸FADFe-S CoQ 仅复合体没有H+泵的功能。,2、复合体,3、复合体,复合体又叫泛醌-细胞色素C还原酶 电子传递：CoQH2Cyt b Cyt c1Cyt c, 分类：(根据吸收光谱), 呼吸链中的细胞色素： Cyt b, c1, c, a, a3, Cyt c：水溶性，易分离 不在复合体中,Cyt aa3: 不能分开,一类以铁卟啉 为辅基的催化电子 传递的有色酶类。,铁卟啉的基本结构,细胞色素类（Cytochrome, Cyt）,单电子传递体,复合体的电子传递通过“Q循环”实现,复合体每传递

6、2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+ 复合体也有质子泵作用,Cyt c是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，故不包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体。,复合体又称细胞色素C氧化酶 电子传递：,4、复合体,Cyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。 每2个电子传递过程使2个H+向膜间腔转移。,复合体也有质子泵作用,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）呼吸链成分的排列顺序,特异抑制剂阻断,鱼藤酮,抗霉素A,CN-、CO,1. NADH氧化呼吸链,2. 琥珀酸氧化呼吸链,NADH FMN CoQ Cyt bCyt c1 Cyt c Cyt a

7、a3 O2,(Fe-S),FAD (Fe-S),琥珀酸,FADH2氧化呼吸链,NADH氧化呼吸链,1 ATP,1 ATP,0.5 ATP,Cyt c氧化酶,(Fe-S),(Cu),第二节 氧化磷酸化,体内ATP生成的方式： 氧化-磷酸化 ：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：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。（不经电子传递）,（不生成高能中间产物）,一、偶联部位（ATP的形成部位）,1. P/O比值（确定部位）,概念：每消耗1mol氧原子，所消耗无机磷的mol数， 即生成ATP的摩尔数。,P/O,2)

8、实验条件,O2,底物,线粒体,H3PO4,ADP,3）结果,2. 自由能变化( G0)：生成1摩尔ATP所需最低能量：30.5kJ G0nFE0,n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/molV),NADH FMN CoQ Cyt bCyt c1 Cyt c Cyt aa3 O2,(Fe-S),FAD (Fe-S),琥珀酸,1 ATP,1 ATP,0.5 ATP,(Fe-S),(Cu),化学渗透学说 1961年，Peter Mitchell提出：电子传递H+梯度驱动ATP合成,二、氧化磷酸化的偶联机制,化学偶联学说 1953年，Edward Slater提出：基于底物水平磷酸化的机制，但

9、问题是呼吸链上并未生成高能中间产物,构象偶联学说 1965年，Paul Boyer提出：蛋白质构象变化使ATP被合成,三种学说,化学渗透假说,Peter Mitchell,Nobel Prize,1978,8,氧化磷酸化,质子梯度 能量,e e,1/2O2,H+,H+,H+,H+,H+,Pi+ ADP,NAD,H +H+,H+,H+,H+,H+ H+,ATP,H+,H+,-质子泵机制,OSCP,寡霉素敏感蛋白（OSCP）,F1：亲水部分 亚基催化ATP生成 与亚基结合才有活性,F0：疏水部分 质子通道,三、ATP合酶,基质,膜间隙,Paul D. Boyer,John E. Walker,fo

10、r their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate (ATP),Nobel Prize in Chemistry, 1997,ATP合成的结合变构机制,ATP4-,ADP3-,H2PO4-,每分子ATP4-和ADP3-反向转运时，向内膜外净转移1个负电荷 ，相当于多1个H+转入线粒体基质。,（二）ATP-ADP转运（P192）,四、ATP,高能磷酸键 水解时释放的能量大于21KJ/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

11、。,ATP是人体内能量的直接供体。,一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能,ATP： UTP： CTP： GTP：,能量直接供体,糖原合成,磷脂合成,蛋白质合成,肌酸激酶的作用,磷酸肌酸作为肌肉和脑中高能键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。,ATP的生成、储存和利用,ATP生成的化学渗透模式,NADH FMN CoQ Cyt bCyt c1 Cyt c Cyt aa3 O2,(Fe-S),FAD (Fe-S),琥珀酸,FADH2氧化呼吸链,NADH

12、氧化呼吸链,1 ATP,1 ATP,0.5 ATP,Cyt c氧化酶,(Fe-S),(Cu),第三节 影响氧化磷酸化的因素,1. 呼吸链抑制剂 ： 阻断呼吸链电子传递。(CN-、CO) 2. 解偶联剂： 使电子传递与磷酸化偶联过程脱离。 如：解偶联蛋白 、DNP 3. 氧化磷酸化抑制剂： 既阻断电子传递，又解偶联 如：寡霉素,一、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,CN-、 CO、 N3-及H2S,1、各种呼吸链抑制剂的阻断位点,NADH FMN CoQ Cyt bCyt c1 Cyt c Cyt aa3 O2,(Fe-S),FAD (Fe-S),琥珀酸,(Fe-S)

13、,Q,胞液侧,基质侧,解偶联 蛋白,2、解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）,质子载体或质子通道，破坏H+梯度,DNP(二硝基苯酚),OSCP,寡霉素,膜两侧 电化学梯度升高,影响 质子泵功能,抑制 电子传递,可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成,寡霉素,3、氧化磷酸化抑制剂,1. 呼吸链抑制剂 ： 阻断呼吸链电子传递。 (CN-、CO抑制复合体) 2. 解偶联剂： 使电子传递与磷酸化偶联过程脱离。 如：解偶联蛋白 、DNP 3. 氧化磷酸化抑制剂： 既阻断电子传递，又解偶联 如：寡霉素,一、抑制剂,二、ADP的调节作用 是主要调节因素 ADP，氧化磷酸化 三、甲状腺激素 Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加 四、线粒体DNA突变 与线粒体DNA病及衰老有关,五、通过线粒体内膜的物质转运,线粒体外膜通透性高，但线粒体内膜对物质的通过具有选择性，主要依赖于中不同转运蛋白对各种物质的转运。,线粒体内膜的某些转运蛋白对