生物化学课件：06第八章 生物氧化

1、第八章 生物氧化 Biological Oxidation,生物氧化（biological oxidation） 营养物和生物分子在生物体内进行的氧化还原反应称生物氧化。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。,糖,脂肪,蛋白质,CO2和H2O,O2,能 量,ATP,热能,ADP+Pi,此过程在活细胞内进行，故又称细胞呼吸。,生物体内物质的氧化方式：加氧、脱氢、失电子,生物氧化与体外氧化的比较,在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性） 系列酶促反应逐步进行 能量逐步释放，利用率高 H2O由底物脱氢与氧结合产生 CO2由有机酸脱羧产生 氧化速率受生理

2、功能需要、 体内外环境变化的调控,氧化方式相同： 加氧 脱氢 失电子 加水脱氢 遵循氧化还原规律 总反应相同： 耗氧量 终产物 释放能量,体外燃烧,生物氧化,物质中的碳和氢 直接与氧结合生成CO2和H2O； 能量是骤然释放,营养物生物氧化的一般过程,4,糖原,甘油三酯,蛋白质,葡萄糖,脂酸+甘油,氨基酸,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,第一节 氧化呼吸链是由具有电子传递功能的复合体组成,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

3、，因此称为氧化呼吸链。,氧化呼吸链,（oxidative respiratory chain）,因为传递氢相当于传递质子和电子（2H = 2H+ + 2e-），所以氧化呼吸链也称电子传递链。,一、氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成,氧化呼吸链是由位于线粒体内膜上的4种蛋白酶复合体和两种游离成分 CoQ和Cyt c 组成； 每个酶复合体都由多种特定的酶蛋白和各自的辅助因子组成； 4种酶复合体按氧化还原电位从低向高排列。,复合体 ,CoQ（泛醌） Cyt c,多种酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜上，将代谢物脱下的氢（2H）或电子逐步传递，最终与氧结合生成水。 此传递链称为呼吸链。,呼吸

4、链,人线粒体呼吸链复合体,注：辅酶Q和细胞色素c不参与酶复合体组成。,呼吸链包含15种以上组分，主要由4种酶复合体和2种可移动电子载体构成。其中复合体、辅酶Q和细胞色素C的数量比为1：2：3：7：63：9。,复合体 又称NADH-泛醌还原酶或NADH脱氢酶; 黄素蛋白及黄素单核苷酸（FMN）辅基 铁硫蛋白及其Fe-S辅基 疏水蛋白 接受来自NADH+H+的电子和氢并转移给泛醌; 复合体可催化两个同时进行的过程： 电子传递： 质子泵：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,组成,1. NAD+和NADP+,NAD+和NADP+是维生素

5、PP在体内的活性型。 NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，又叫Co 大部分脱氢酶的辅酶，是双电子传递体； NADP+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，又叫Co 少数脱氢酶的辅酶，主要为合成代谢或羟化反应提供氢。 二者的加氢部位是烟酰胺部分。,NAD+和NADP+的结构,二者的结构区别,氧化还原的位置,NAD+的递氢机制,（氧化型）,（还原型）,NADH+ H+,递氢体 双电子传递体,2H+ + 2e-,NAD+,2. FMN和FAD,FMN和FAD 是Vit B2（核黄素）的活性形式。 FMN：黄素单核苷酸(Flavin Mononucleotide) FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Aden

6、ine Dinucleotide) FMN和FAD中异咯嗪环可接受质子和电子； 属于单、双电子传递体,核黄素、FMN、FAD,核黄素,OH,FMN,FAD,异咯嗪,FMN和FAD的形成过程,核黄素,FMN,FAD,FMN的加氢和FMNH2的脱氢反应,黄素单核苷酸（flavin mononucleotide，FMN） 黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD）,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 ,H,H,FMN,FMN,FMNH2,异咯嗪,3. 铁硫蛋白(Iron-sulfur protein, Fe-

7、S),铁离子可与无机硫（S）原子或（和）铁硫蛋白中Cys残基的S原子相连，形成铁硫中心; 铁硫中心的铁离子每次可传递一个电子，为单电子传递体。,Fe2+ Fe3+e-,FeS Fe2S2 Fe4S4,苯醌和多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10）。 小分子、脂溶。疏水性使其可在线粒体内膜中自由扩散，不包含在复合体中。 泛醌的苯醌结构在氧化还原反应时存在泛醌、半醌和二氢泛醌3种分子状态,异戊二烯侧链=-CH2-CH=C（CH3）-CH2nH,CH3,CH3CO,CH3CO,O,O,泛醌（醌型或氧化型）,+H+e,4. 泛醌 (ubiquinone, UQ),复合体是柠檬酸循环中的琥珀酸

8、脱氢酶，又称琥珀酸-泛醌还原酶; 由4个亚基组成： 电子传递：琥珀酸FADFe-S Q 复合体没有质子泵的功能。,（二）复合体将电子从琥珀酸传递到泛醌,A亚基：含底物琥珀酸结合位点和1个FAD辅基； B亚基： 含3个Fe-S辅基。 C、D亚基：小疏水亚基，将复合体锚定在线粒体内膜；,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至细胞色素c,复合体又称泛醌-细胞色素C还原酶； 组成：人复合体为二聚体，每个单体中有11个亚基，其功能区包括三部分： Cytb（b562、 b566) Cytc1 可移动的铁硫蛋白（Rieske iron protein） 电子传递过程： CoQH

9、2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc 质子泵： 每传递2个电子可将4个H+ 从内膜基质侧泵到胞浆侧。,细胞色素（Cytochrome, Cyt）,是一类含血红素样辅基的电子传递蛋白； 血红素样辅基中的铁离子通过Fe2+ Fe3+e- 反应传递电子，为单电子传递体; 分类：根据吸收光谱及最大吸收波长不同，分为 Cyta 、 Cytb 、 Cytc 呼吸链中的细胞色素：Cyt b, c1, c, a, a3 。,Q循环,“Q循环”:实现双电子传递体泛醌和单电子传递体Cyt之间的电子传递。 1次Q循环，有2分子QH2被氧化，生成2分子Q，随后1分子Q再被还原成QH2。 2个电

10、子传递给2分子Cyt c，向膜间质释放4个H+（2个H+来自线粒体基质并依赖Cyt b）,Q循环A,膜间腔侧（正电侧）,基质侧（负电侧）,Q-QH2 代谢池,QP位点,QN位点,Q-,Q,Q,Q-,Q,Q,e-,Cyt c,e-,Q循环B,膜间腔侧（正电侧）,基质侧（负电侧）,Q-QH2 代谢池,Q,QP位点,QN位点,Q-,Q,Q-,QH2,QH2,e-,Fe-S,Cyt c1,Cyt c,e-,Cyt bL,Cyt bH,Q,复合体的电子传递通过“Q循环”实现。 每2分子QH2通过Q循环，生成1分子QH2和1分子Q，并将2个电子传给2分子cytc1,同时复合体 向膜间隙释放4H+。 Cyt

11、 c是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中，将获得的电子传递到复合体。,组成： 蛋白结合的Cu可发生Cu+ Cu2+e-的可逆反应，属单电子传递体； 电子传递过程： 质子泵: 每传递2个电子使2个H+跨内膜向胞浆侧转移 。,（四）复合体将电子从细胞色素c传递给氧,包含13个亚基,亚基 ,其他10个亚基：调节作用,亚基：含Cyt a和Cyt a3及1个CuB； 亚基：含2个CuA； 亚基：质子泵出。,人复合体又称细胞色素C氧化酶；,细胞色素C氧化酶的两个双核中心,细胞色素C氧化酶CuA中心,细胞色素氧化酶a3-CuB中心,Cys,Cys,2个Cys结合2个CuA，形成类似Fe2-S2的结构

12、。,2个血红素辅基（ a和 a3）和1个CuB，形成类Fe-S中心。,复合体的电子传递过程,基质侧,膜间腔侧,CuA,正电（P侧）,负电（N侧）,呼吸链上的四种酶复合体示意图,内膜基质侧,膜间腔侧,Cytaa3Cu,二、NADH和FADH2是氧化呼吸链的电子供体,（一） 体内有两条重要的呼吸链,1、NADH氧化呼吸链 NADH 复合体CoQ 复合体Cyt c 复合体O2 2、FADH2氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链） 琥珀酸 复合体 CoQ 复合体Cyt c 复合体O2,营养物质的分解代谢过程大部分脱氢酶以NAD+、 NADP+ 、FMN、和FAD为辅酶接受底物脱下的成对氢，NADPH不作为呼吸

13、链电子供体。,目前认为氧化呼吸链有两条途径：,两条呼吸链中电子传递顺序示意图,线粒体内膜,内膜基质侧,内膜胞液侧,Cytc,CoQ,NADH,琥珀酸,O2,第一条链,第二条链,几种重要代谢物进入呼吸链的途径,苹果酸 -羟酰CoA -羟丁酸 谷氨酸 异柠檬酸,NAD+,CoQ,琥珀酸 磷酸甘油,FAD,硫辛酸,丙酮酸 酮戊二酸,FAD,脂肪酰CoA,ETP,ETP（电子传递黄素蛋白，辅基FAD）,多种物质氧化脱氢：,（二）氧化呼吸链各组分的顺序排列是由以下实验确定,呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位,标准氧化还原电位E0（V）：指的是在特定的条件下，参与氧化还原反应的各组分对电子亲和力的大

14、小。电位高的组分对电子亲和力强，易于接受电子。,-呼吸链中电子从电位低的组分向电位高的组分传递,第二节 氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化偶联生成ATP,氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 是指代谢物脱下的氢，经线粒体氧化呼吸链电子传递释放能量，此释能过程与驱动ADP磷酸化生成ATP的过程相偶联，又称为偶联磷酸化。,底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 与脱氢反应偶联，直接将高能代谢物分子中的能量转移给ADP（或GDP）, 生成ATP(或GTP)的过程。,体内ATP生成的方式,一、 氧化磷酸化偶联部位在 复合体

15、、 内,（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。,线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值,NADH与CoQ之间,NADH氧化呼吸链存在3个偶联部位， P/O比值约等于2.5，即产生2.5molATP。 琥珀酸氧化呼吸链存在2个偶联部位， P/O比值约等于1.5，即产生1.5molATP。,CoQ与Cyt c之间,Cyt c与氧之间,偶联部位并非是直接生成ATP的部位，而是指经过这些部位电子传递所释放的能量（势能储备）具备了合成ATP能力。,（二）自由能变化,(生成1mol ATP需 30.5kJ ),（满足条件）,电子的传递过程就是由低电势向高电势泳

16、动的过程，而电子传递所释放的电势能就转变为跨线粒体内膜的质子浓度梯度（氧化磷酸化偶联部位是形成质子泵部位），驱动ATP合成。,G=-nFE,第一次课结束,45,复 习,46,复合体 ,CoQ（泛醌） Cyt c,多种酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜上，将代谢物脱下的氢（2H）或电子逐步传递，最终与氧结合生成水。 此传递链称为呼吸链。,呼吸链,人线粒体呼吸链复合体,注：辅酶Q和细胞色素c不参与酶复合体组成。,49,两条重要的呼吸链,50,NADH氧化呼吸链,51,FADH2氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）,氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 是指代谢物脱下的氢，经

17、线粒体氧化呼吸链电子传递释放能量，此释能过程与驱动ADP磷酸化生成ATP的过程相偶联，又称为偶联磷酸化。,底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 与脱氢反应偶联，直接将高能代谢物分子中的能量转移给ADP（或GDP）, 生成ATP(或GTP)的过程。,体内ATP生成的方式,一、 氧化磷酸化偶联部位在 复合体、 内,（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。,线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值,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

18、),Peter Mitchell,Nobel Prize,1978,化学渗透假说简图,呼吸链,ATP合酶,通过电子传递（质子泵）产生内膜两侧电位差（外高内低）,质子通过ATP合酶的半通道回流释放的能量驱动ATP的合成,胞液侧,基质侧,电子传递过程复合体 (4H+) 、 (4 H+)和 (2H+)有质子泵功能。,当电子经氧化呼吸链传递时释放能量，通过复合体的质子泵功能，驱动H+从线粒体基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度，并储存电子传递所释放的能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。,ATP合酶,：即复合体，位于线粒体内膜的基质侧。,三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于合

19、成ATP,ATP合酶（复合体V),Fo：疏水部分 含3种亚基: a、b2、c（9-12） 质子通道,F1：亲水部分 33亚基复合体 催化ATP合成,转子： 、c 定子： 3 3 a b2,ATP合酶 Fo中a亚基和c亚基结构,膜 间 腔 半 通 道,基 质 半 通 道,a 亚 基,c 亚 基,Asp,1、质子梯度势能驱动膜间腔侧H+进入半通道，使对应的c亚基Asp61所带负电荷被H+中和； 2、c亚基与疏水内膜接触发生转动，转到对应基质侧半通道内口时，Asp61结合的H+被势能驱动释放进入基质。,a亚基： 紧靠c环，由5个跨膜的-螺旋形成2个半穿透内膜的、不连通的亲水性质子半通道； 开口分别位

20、于内膜基质侧和膜间腔侧； 两个半通道分别与1个c亚基相对应。,c亚基： 由短环连接的2个反向跨膜-螺旋组成； 9-12个c亚基围成环状结构；,自然界最小的旋转发动机 跨内膜质子电化学梯度势能是ATP合酶转动的驱动力,ATP合成的结合变构机制,亚基的构象：,L：疏松型，无活性，结合ADP+Pi T：紧密型，有活性，合成ATP O：开放型，无活性，释放ATP,转子循环一周：生成3分子ATP,随着亚基的旋转会影响它与3个亚基的不同结合，使3个亚基的构象发生循环改变。,亚基发生旋转，3个亚基的构象改变,胞液侧,基质侧,两条电子传递链ATP生成数目计算,合成1ATP需要4H+： -3 H+通过ATP合酶

21、穿过线粒体内膜回基质驱动ATP合成； -1 H+用于转运ADP+Pi和ATP。,四、ATP在能量代谢中起核心作用 -能量的生成、储存、转移、利用,高能磷酸键 水解时释放的标准自由能G大于25KJ/mol的磷酸酯键，常表示为 P。 高能磷酸化合物 水解时能释放较大自由能的含有磷酸基的化合物。,一些重要高能化合物水解释放的标准自由能,（一）ATP是体内能量捕获和释放利用的重要分子,ATP是体内最重要的高能磷酸化合物，是细胞可直接利用的能量形式； ATP在生物能学上最重要的意义在于: 通过其水解反应释放大量自由能和需要供能的反应偶联，使这些反应在生理条件下完成； a. 通过ATP使分解代谢与合成代谢

22、紧密相连; b. ATP水解为耗能的跨膜转运、骨骼肌收缩、蛋白构象改变 等重要生命活动提供能量。,（二）ATP是体内能量转移和磷酸核苷化合物相互转变的核心,核苷二磷酸激酶的作用,细胞中存在腺苷酸激酶催化ATP、ADP、AMP互变,UTP、CTP、GTP为糖原、磷脂、蛋白质合成提供能量,（三）ATP通过转移自身基团提供能量,脂酰CoA合成酶,ATP AMP,+CoA-SH,脂肪酸,+PPi,脂酰CoA,1、ATP通过共价键参与酶促反应并提供能量,2、ATP通过基团转移将能量转移给底物分子,磷酸肌酸(creatine phosphate,CP): 是骨骼肌、心肌和脑组织 中能量的一种贮存形式。,（

23、四）磷酸肌酸是高能键能量的储存形式,Creatine kinase,CK,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:,营养物质分解释放的能量40%用于合成ATP,第三节 氧化磷酸化的影响因素,一、体内能量状态可调节氧化磷酸化速率,细胞内ADP及 ATP/ADP的比值能够迅速感应机体能量状态的变化：,耗能代谢途径活跃时,ADP ATP/ADP,氧化磷酸化,b. ATP和ADP的相对浓度也同时调节柠檬酸循环、糖酵解代谢途径，以满足氧化磷酸化对还原当量的需求。,

24、（一） 呼吸链抑制剂 在特异部位阻断氧化呼吸链中的电子传递。 （二）解偶联剂 使氧化与磷酸化的偶联脱离，阻断ADP的磷酸化过程。 （三）ATP合酶抑制剂 同时抑制电子传递和ATP的生成。,二、抑制剂可阻断氧化磷酸化过程,鱼藤酮 粉蝶霉素A 异戊巴比妥,抗霉素A 粘噻唑菌醇,CO、CN-、 N3-及H2S,（一）各种呼吸链抑制剂的阻断位点,萎锈灵,各种呼吸链抑制剂的阻断位点,（二）解偶联剂阻断ADP 磷酸化过程 解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离; (呼吸链的氧化作用正常进行，但ADP不能磷酸化生成ATP) 作用机制： 使质子不经过ATP合酶回流至基质来驱动ATP的合成，破坏电子传递过程建立的跨

25、内膜的质子电化学梯度。 如：二硝基苯酚(dinitrophenol， DNP) ； 解偶联蛋白(uncoupling protein，UCP1)。,二硝基苯酚（DNP）,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 UCP1,UCP1在线粒体内膜上形成质子通道，H+可经此通道返回基质中，质子梯度储存的能量以热能形式释放。,寡霉素(oligomycin) 结合到ATP合酶的Fo单位上，从而阻止H+从Fo质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。,（三）ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成,线粒体内膜两侧电化学梯度升高,影响 质子泵功能,抑制 电子传递,三、 甲状腺

26、激素可促进氧化磷酸化和产热,1. 诱导,Na+,K+-ATP酶合成,2. T3 解偶联蛋白基因表达,氧化磷酸化,甲状腺功能亢进患者： 基础代谢率增高（耗氧量和 产热同时增加 ）,甲状腺激素,ADP,产热,氧自 由基,基因 突变,影响呼吸链 酶蛋白合成,线粒体内,氧化磷酸 化障碍,ATP生成,组织器官 功能障碍,四、线粒体DNA突变可影响氧化磷酸化功能,线粒体外膜通透性高、选择性低，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对各种物质的转运。,五、线粒体的内膜选择性协调转运氧化磷酸化相关代谢物,（一）胞质中的NADH通过穿梭机制进入线粒体的氧化呼吸链,-磷酸甘油穿梭( -glycero

27、phosphate shuttle) 主要存在于脑和骨骼肌中； 1分子的NADH经此穿梭能产生1.5分子ATP。 2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle) 主要存在于肝、肾及心肌细胞中； 1分子的NADH经此穿梭能产生2.5分子ATP。,腺苷酸 转运蛋白,磷酸盐 转运蛋白,ATP4-,H2O,ATP4-,ATP合酶,（二）ATP-ADP转位酶协调转运ADP进入和ATP移出线粒体,第四节 其他氧化与抗氧化体系,一、线粒体氧化呼吸链也可产生活性氧,反应活性氧类(reactive oxygen species，ROS) 主要指O2的单电子还原产物，是一类强氧化剂

28、 包括超氧阴离子（*O2-） 羟自由基（*OH）（氧化活性最强） 过氧化氢（H2O2）及其衍生的HO2和单线态氧（1O2 ）,反应活性氧（ROS）产生,线粒体：氧化呼吸链 过氧化酶体：长链FA氧化 胞液：需氧脱氢酶 病理：细菌感染、缺氧 外源：环境、药物,线粒体呼吸链是机体产生ROS的主要部位,线粒体是ROS产生的主要部位和主要攻击靶点。 线粒体内产生： *O2-主要在呼吸链酶复合体（20）和复合体（80）中生成。 线粒体膜间隙的氧还蛋白p66，外膜中的Cyt b5还原酶、单胺氧化酶、二氢乳清酸脱氢酶等也可产生ROS。 某些线粒体外的酶也可以催化产生*O2- 胞质中黄嘌呤氧化酶催化的反应 微粒体细胞色素P450氧化还原酶催化的反应 过氧化酶体重FAD将从脂酸获得的电子交给氧气生成H2O2和羟自由基*OH。 质膜的NADPH氧化酶、胞质需氧脱氢酶可催化生成*O2- 、H2O2； 巨噬细胞、中性粒细胞等受炎症刺激时可生成*O2-和H2O2，可杀菌,自由基,自由基（free radical） 是指任何带未成对电子的原子、分子或基团。 H2O2不是自由基，但在细胞内Fe2+或Cu+的存在下可通过芬顿（Fenton）或哈伯-韦斯（Haber-Weiss）反应转变成羟自由基。,活性氧作用及细胞危害,*O2-可迅速氧化NO产生过氧亚硝酸盐（ONO-）使脂质、蛋白质硝基