6.第六章 生物氧化(09级临床医学).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。,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,* 生物氧化的概念,注 意,严格的说，机体内进行的脱氢，加氧等氧化反应总称为生物氧化。按照生理意义不同可分为两大类： 一类主要是将代谢物或药物和毒物等通过氧化反应进行生物转化，这类反应不伴有ATP的生成； 另一类是糖、脂肪和蛋白质等营养物质通过氧化反应进行分解，生成H2O和CO2，同时伴有ATP生物能的生成，这类反应进行过程中细胞要摄取O2，释放CO2

2、故又形象地称之为细胞呼吸(cellular respiration)。我们平常说的生物氧化就是指这一类。,生物氧化中二氧化碳和水的生成,二氧化碳的生成 生物氧化中CO2的生成是由于糖、脂类、蛋白质等有机物转变成含羧基的化合物进行脱羧反应所致。,水的生成,生物氧化作用主要是通过脱氢反应来实现的。 生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢，经生物氧化作用和吸入的氧结合而成的。 所以生物体主要以生物氧化体系(由脱氢酶、传递体及氧化酶组成)，促进水的生成。,生物氧化与体外氧化之相同点,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（CO

3、2，H2O）和释放能量均相同。,是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放有利于有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。 广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会与还原当量；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之不同点,生物氧化,体外氧化,能量是突然释放的。 产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。,生物氧化的一般过程,代谢物在体内的氧化可以分为三个阶段 1.糖、脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰辅酶A中的乙酰基； 2.乙酰辅酶A进入三羧酸循环脱氢，生成CO2并使NAD+和FAD还原成NAD

4、H+H+、FADH2； 3.NADH+H+和FADH2中的氢经呼吸链将电子传递给氧生成水，氧化过程中释放出来的能量用于ATP合成。 从广义来讲，上述三个阶段均为生物氧化，狭义地说只有第三个阶段才算是生物氧化，本章只讨论第三个阶段。,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,1. 生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，中性pH和常温）。 2. 氧化进行过程中，必然伴随还原反应的发生。同时，水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。 3. 在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，

5、通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。,生物氧化的特点,4. 生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。 5. 生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。,在无氧条件下，兼性生物或厌气生物能利用细胞中的氧化型物质作为电子受体，将燃料分子氧化分解，这称为无氧氧化。这些生物有的以有机物分子作为最终的氢受体(如厌氧发酵)，有的则以无机物分子作为氢受体(如微生物中的化能自养菌对NO3-、SO42-的利用)。,无氧氧化,有氧氧化 生物氧化在有氧

6、和无氧条件下都能进行。在有氧条件下，好气生物或兼性生物吸收空气中的氧作为电子受体，可将燃料分子完全氧化分解，这称为有氧氧化。因为有氧氧化燃烧完全，产能多，所以，只要有氧气存在，细胞都优先进行有氧氧化。,2010.10.13,第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系The Oxidation System of ATP Producing,概念 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又称电子传递链(electron transfer chain)。,一、氧化呼吸链是一系列有电子传递功能的 氧化还原组分,组成 递氢体和电子传

7、递体（相关的酶与辅助因子） 部位 在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上; 原核生物中，它位于细胞膜上。,注 意,糖类、脂肪、氨基酸等代谢物所含的氢，在一般情况下是不活泼的，必项通过相应的脱氢酶将之激活后才能脱落。 进人体内的氧也必须经过氧化酶激活后才能变为活性很高的氧化剂。 但激活的氧在一般情况下，尚不能直接氧化由脱氢酶激活而脱落的氢，两者之间尚需传递才能结合生成水。,1967年，美国格林(Green)等实验室成功地在线粒体内膜上分离到具有催化活性的四种酶复合物以及CoQ和Cytc。他们又将这四种复合物1：1：1：1的比例混合，加上CoQ和Cyt c重组呼吸链，基本上恢复了线粒体原有的生物氧化

8、能力。 目前，呼吸链各组分的排列顺序已基本明确，但仍有些不一致的看法，其中以CoQ至细胞色素C这一部分研究得还很不清楚，对于Fe-S和CoQ的定位和数量也有争议。,蛋白质-酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存在形式，所含各组分具体完成电子传递过程。复合体、镶嵌在内膜中；镶嵌在内膜的内侧。 电子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒体内膜，转变为跨内膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物合成。,（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的(酶)复合体组成,人线粒体呼吸链复合体,泛醌和细胞色素c不包含在上述四种复合体中。,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,复合体

9、又称NADH-泛醌还原酶。 复合体电子传递： NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体有质子泵功能。,1、复合体作用是将NADH+H+中的电子传递给泛醌(ubiquinone),NAD+和NADP+的结构,NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变,氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。可同时传递氢和电子,属于双电子传递体。 R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+,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。在可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态，可同时传递氢

10、和电子，属于单、双电子传递体。,铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+ Fe3+e -反应传递电子。属于单电子传递体。, 表示无机硫,注意：不能直接传递氢和质子。,复合体I中含7个铁硫中心共20-26个铁原子，最终将FMNH2的电子传给泛醌。,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。内膜中可自由扩散，是可移动电子载体，由于可同时传递氢和电子，所以在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。属于单、双电子传递体。,复

11、合体的功能,2010.10.18,复合体是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸-泛醌还原酶。 电子传递：琥珀酸FAD几种Fe-S CoQ,2、复合体功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌,复合体没有H+泵的功能。,3、复合体功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素C,复合体又叫泛醌-细胞色素C还原酶或细胞色素b-c1复合体(人)，含有细胞色素b(b562, b566)、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白(rieske protein)。 泛醌从复合体、接受还原当量和电子并穿梭传递到复合体。,电子传递过程：,CoQH2(Cyt b562Cyt b566) Fe-S Cytc1Cytc,概念：细胞色素（c

12、yt）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。 分类：各种细胞色素的辅基结构略有不同，据此分为细胞色素a, b, c 等，每类中又可分多个亚类。 功能：细胞色素主要是通过Fe3+ Fe2+ 的互变起传递电子的作用的,为单电子传递体。 有时还需铜离子的参与。 注意：1.均为线粒体呼吸链。 2.不能直接传递氢和质子。,细 胞 色 素,补充材料：,1926年Keilin首次使用分光镜观察昆虫飞翔肌振动时，发现有特殊的吸收光谱，因此把细胞内的吸光物质定名为细胞色素。 细胞色素是一类含有铁卟啉辅基的色蛋白，属于递电子体。线粒体内膜中有细胞色素b、c1、c、aa3，肝、肾等组

13、织的微粒体中有细胞色素P450。 细胞色素b、c1、c为红色细胞素，细胞色素aa3为绿色细胞素。 不同的细胞色素具有不同的吸收光谱，不但其酶蛋白结构不同，辅基的结构也有一些差异。,复合体的电子传递通过“Q循环”实现。 复合体每传递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。,补充材料 Q循环,复合物的电子传递比较复杂，和“Q循环”有关。 辅酶Q能在膜中自由扩散，在内膜C侧，还原型辅酶Q（氢醌） 将一个电子交给Fe-S细胞色素c1细胞色素c，被氧化为半醌，并将一个质子释放到膜间隙，半醌将电子交给细胞色素b566b562，释放另外一个质子到膜间隙。 细胞色素b566得到的电子为循环电子

14、，传递路线为：半醌b566b562辅酶Q。在内膜M侧，辅酶Q可被复合体（复合体）或细胞色素b562还原为氢醌。一对电子由辅酶Q到复合物的电子传递过程中，共有四个质子被转移到膜间隙，其中两个质子是辅酶Q转移的。 用简单的话说，Q是接受呼吸链传耒的电子，然后从基质里拿俩氢离子，传出去，再循环往复。,细胞色素c,细胞色素c为一外周蛋白，位于线粒体内膜的外侧。细胞色素C比较容易分离提纯，其结构已清楚。 Cyt 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。 哺乳动物的Cyt c由104个氨基酸残基组成，并从进化的角度作了许多研究。Cyt c的辅基血红素(亚铁原卟啉)通过共价

15、键(硫醚键)与酶蛋白相连，其余各种细胞色素中辅基与酶蛋白均通过非共价键结合。,复合体又称细胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase)。 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+跨内膜向胞浆侧转移 。,4、复合体将电子从细胞色素C传递给氧,电子传递：,Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2,其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。,复合体的电子传递过程,细胞色素a和a3,细胞色素a和a3不易分开，统称为细胞色素aa3。 细胞色素aa3可将电子直接传递给氧，因此又称为细胞色素氧化酶。,铁卟啉辅基可有Fe2+Fe3+

16、e的互变，因此起到传递电子的作用。 铁原子可以和酶蛋白及卟啉环形成6个配位键。细胞色素aa3和P450辅基中的铁原子只形成5个配位键，还能与氧再形成一个配位键，将电子直接传递给氧，也可与CO、氰化物、H2S或叠氮化合物形成一个配位键。细胞色素aa3与氰化物结合就阻断了整个呼吸链的电子传递，引起氰化物中毒。,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,（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列,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,可以这样认为：,质子或电子是按照氧化还原电位在一系列辅助因子中传递，最终激活氧生成水。而酶(酶蛋白)就是催化

17、质子或电子与辅助因子的结合或解离，即在不同辅助因子间的转移。 因此，狭义的呼吸链(电子传递链)的组成仅有这些辅助因子即可！,接受还原性辅酶上的氢原子对(2H+2e)，并将电子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧负离子(O2-)与质子对(2H+)结合，生成水。 电子对在传递过程中逐步氧化放能，所释放的能量驱动ADP和无机磷发生磷酸化反应，生成ATP。,呼吸链的作用,细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合，不会引起细胞损伤，并最终使O2还原成H2O。,2H,H2O,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

18、琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2,NADH氧化呼吸链,FADH2氧化呼吸链,注意：此呼吸链成分的排列顺序是以辅助因子为主。目前多 采用。,电子传递链与电子迁移方向,二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化生成ATP偶联,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)与脱氢反应偶联，生成底物分子的高能键，使ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的过程。不经电子传递。,ATP生成方式,（一）氧化磷酸

19、化偶联部位在复合体、 、内,根据P/O比值 自由能变化: G = -nFE,氧化磷酸化偶联部位：复合体、,线,粒,体,离,体,实,验,测,得,的,一,些,底,物,的,P/O,比,值,底,物,呼,吸,链,的,组,成,P/O,比,值,可,能,生,成,的,ATP,数,-,羟,丁,酸,NAD,+,复,合,体,CoQ,复,合,体,2.5,2.5,Cyt,c,复,合,体,O,2,琥,珀,酸,复,合,体,CoQ,复,合,体,1.5 1.5,Cyt,c,复,合,体,O,2,抗,坏,血,酸,Cyt,c,复,合,体,O,2,0.88,1,细,胞,色,素,c (Fe,2+,),复,合,体,O,2,0.61-0.68

20、,1,1、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（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。,2、自由能变化,n为传递电子数；F为法拉第常数 (96.5kJ/molV), G0= -nF E0,根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化 ( G0)与还原电位变化 ( E0)之间有以下关系：,电子传递链自由能变化,ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，NADH呼吸链E0值在三个部位有大的“跳动”，基本在0.2伏以上。,氧化磷酸化偶联部位,09.10.14,(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(chemios

21、motic 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。,历 史,英国生物化学家P.Mitchell 于1961年提出了化学渗透偶联假说（chemiosmotic coupling hypothesis）解释氧化磷酸化的偶联机理。该学说认为：在电子传递过程中， 伴随着质子从线粒体内膜的里层向外层转移， 形成跨膜的氢离子梯度，这种势能驱动了氧化磷酸化反应（提供了动力）， 合成了ATP.这一学说具有大量的实验支持，得到公认并获得了1978年诺贝尔奖。化学渗透学说可

22、以很好地说明线粒体内膜中电子传递、质子电化学梯度建立、ADP磷酸化的关系。,氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜； 线粒体内膜对H+、OH、K、Cl离子是不通透的； 电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度； 增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而线粒体内膜加入使质子通过物质可减少内膜质子梯度，结果电子虽可以传递，但ATP生成减少。,化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。,化学渗透假说简单示意图,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。,（三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催化ATP合成,F1：亲水部分 （动物：

23、33亚基复合体，OSCP、IF1 亚基），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。 F0：疏水部分（ab2c912亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道 。,ATP合酶结构组成,OSCP:寡霉素敏感蛋白,a、b2和33、亚基组成稳定的定子部分,c亚基环、和亚基组成转子部分,F0的2个b亚基的一端锚定F1的亚基，另一端通过和33稳固结合，使a、b2和33、亚基组成稳定的定子部分。 部分和亚基共同形成穿过33间中轴，还与1个亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的c亚基环紧密结合。c亚基环、和亚基组成转子部分。 质子顺梯度向基质回流时，转子部分相对定子部分旋转，使AT

24、P合酶利用释放的能量合成ATP。,F1-ATP合酶作用机理,F1是酶的膜外部分，3个亚基与3个亚基交替排列，形成一个对称的橘瓣状结构。 F0嵌在膜上，a亚基和b亚基二聚体排列在12个c亚基形成的环的外侧。 F0和F1主要由b和等几个小亚基组在一侧连接起来。 c亚基环、和亚基组成转子部分。 和亚基组成的位于酶的中央部位,类似于“轴”。 a、b和33、亚基组成稳定的定子部分。,简单说：,ab33组成了“定子（stator）” c组成“转子（rotor）” 当H+质子穿过a和c之间的通道时产生了力矩，从而推动了转子与定子间的相对转动，这样在F1中合成了ATP. ATP合酶组成可旋转的发动机样结构,结

25、合变构模型（binding-change model）,ATP合酶合成ATP的分子机理的研究一直是研究的热点， 为多数人接受的ATP合酶合成ATP的模型是“结合变构模型”。 该模型认为F1中的亚基作为C亚基旋转中心中固定的转动杆， 旋转时会引起复合物构型的改变。有三种不同的构型，对ATP和ADP具有不同的结合能力： O型几乎不与ATP、ADP和Pi结合； L型同ADP和Pi的结合较强； T型与ADP和Pi的结合很紧，能自动形成ATP，并能与ATP牢牢结合。当亚基旋转并将复合物转变成O型则会释放ATP（见图）。,美国Boyer（1989）提提出了结合变构模型来解释ATP合成过程，并因此于1997

26、年获得诺贝尔化学奖。,Paul D Boyer,当H+顺浓度递度经F0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,ATP合成的结合变构机制(binding change mechanism),三、氧化磷酸化作用可受某些内外源因素影响,（一）有3类氧化磷酸化抑制剂,1、呼吸链抑制剂阻断氧化磷酸化的电子传递过程,复合体抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidin A)及异戊巴比妥(amobarbital)等阻断传递电子到泛醌 。 复合体的抑制剂：萎锈灵(carboxin)。,复合体抑制剂：抗霉素A(antimycin A)阻断C

27、yt bH传递电子到泛醌(QN) ；粘噻唑菌醇则作用QP位点。 复合体 抑制剂：CN、N3紧密结合中氧化型Cyt a3，阻断电子由Cyt a到CuB- Cyt a3间传递。CO与还原型Cyt a3结合，阻断电子传递给O2。,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,2、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度,解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制。 如：二硝基苯酚(dinitr

28、ophenol, DNP) ；解偶联蛋白(uncoupling protein，UCP1)。,不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响,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,3、ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成,这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin)可结合F0单位，二环己基碳二亚胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCCP)共价结合F0的c亚基谷氨酸残基，阻断质子从F0质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。,

29、寡霉素(oligomycin),寡霉素,ATP合酶结构模式图,可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。,Na+，K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。,（二）ADP 是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素。,呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR),（三）甲状腺激素刺激机体耗氧量和产热同时增加。,（四）线粒体DNA(mtDNA)突变可影响机体氧化磷酸 化功能。,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+,四、ATP在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用,高能磷酸化合物 含有高能磷酸键的化合物。 高能磷酸键 水解时释放的能量大于21kJ/mol的磷酸酯键