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第六章,生物氧化,Biological Oxidation,生物氧化的概念、方式、特点 ATP,第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系,第二节 不生成ATP的氧化体系,氧化呼吸链 氧化磷酸化 氧化磷酸化的影响因素 线粒体内膜的物质转运,生物氧化概述,生物氧化概述Introduction to Biological oxidation,Catalase 过氧化氢酶Cytochrome 细胞色素Electron transfer chain 电子传递链Flavoprotein 黄素蛋白Glycerophosphate shuttle 磷酸甘油穿梭Iron-sulfur protein 铁硫蛋白Malate-aspartate shuttle 苹果酸天冬氨酸穿梭Monooxygenase 加单氧酶Oxidative phosphorylation 氧化磷酸化Perioxidase 过氧化物酶Superoxide dismutase 超氧化物歧化酶Ubiquinone 泛醌,Chapter Biologic Oxidation 第 章 生物氧化,营养物质在生物体内进行的氧化称生物氧化，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)。,一、生物氧化（biological oxidation）的概念,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,*生物氧化的一般过程,脱氢 COOH COOH HO CH C=O+2H CH3 CH3(2H+2e),加氧 RCHO+1/2 O2 RCOOH,生物氧化中物质氧化方式,脱电子 Fe2+Fe3+e,生物氧化中的CO2的生成,绝大部分有机物生物氧化中的CO2生成是经？中的脱羧作用产生的。答案：三羧酸循环其他一些CO2产生途径如：糖异生 草酰乙酸+GTP PEP+GDP+CO2氨基酸脱羧,脱羧酶,-单纯脱羧：-氧化脱羧：,生物氧化中CO2生成方式,-单纯脱羧：-氧化脱羧：,生物氧化中CO2生成方式,氧化酶,2e,H2O,1/2 O2,电子传递体,递氢体,脱氢辅酶-2H,MH2,真核生物线粒体内膜上的电子传递链作用下产生,生物氧化中H2O的生成,CO2、H2O、能量的产生位置 线粒体,真核细胞,线粒体,主要功能：氧化营养物，生成ATP。结构：外膜：通透性较高内膜：对物质的通过有 严格选择性内膜高度折叠形成嵴膜间腔基质,线粒体结构模式图,线粒体结构,线粒体嵴的分子组成,二、ATP,高能磷酸键与高能磷酸化合物,高能磷酸键水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，常表示为 P。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物,一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能,磷酸肌酸,磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。,Q：下列哪些化合物属于高能磷酸键化合物？A：1,6-二磷酸果糖 B：三磷酸肌醇 C：磷酸烯醇式丙酮酸 D：磷酸肌酸 E：UTP(CDE),ATP的生成和利用,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。,第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系,The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing,一、氧化呼吸链（电子传递链）,概念,组成,电子传递体的排列顺序,呼吸链顺序的实验依据,概念 在线粒体内膜上具有氧化还原功能的酶和辅酶按一定顺序排列组成，能传递氢和电子的链式反应体系称为电子传递链（electron transfer chain）。由于电子传递过程与细胞呼吸有关，又称呼吸链（respiratory chain）。组成 递氢体和电子传递体（2H 2H+2e）,氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成,人线粒体呼吸链复合体,泛 醌 不包含在上述四种复合体中。,（一）呼吸链的组成,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,1.复合体:NADH-泛醌还原酶,功能:将电子从NADH传递给泛醌组成：黄素蛋白、铁硫蛋白电子传递：NADFMN Fe-S CoQ,还原型Fe-S,氧化型Fe-S,Q,QH2,NAD+和NADP+的结构,R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+,辅酶I，Co I 辅酶II，Co II,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。,结构：含核黄素（维生素B2）；功能部位：异咯嗪环上N1和N5功能：FMN+2H FMNH2,FMNH,FMN,结构：铁硫中心(Fe-S)，含有等量铁原子和硫原子作用：参与复合体I、II、III的组成 传递单电子：Fe2+Fe3+e,表示无机硫,铁硫蛋白,铁硫中心,化学本质：脂溶性醌类化合物，辅酶Q,CoQ,Q结构：由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链作用：传递双电子，CoQ+2H CoQH2,泛 醌,电子传递次序：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 具有质子泵功能：每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧,复合体的功能,功能:将电子从琥珀酸传递给泛醌 组成：黄素蛋白、铁硫蛋白电子传递:琥珀酸FAD Fe-S CoQ,还原型Fe-S,氧化型Fe-S,Q,QH2,2.复合体:琥珀酸-泛醌还原酶,复合体没有H+泵的功能,3.复合体:泛醌-细胞色素c还原酶,又称细胞色素b-c1复合体：细胞色素b(b562,b566)细胞色素c1 一种可移动的铁硫蛋白(Rieske protein)。,562,566,泛醌-细胞色素C 还原酶同二聚体结构,bH：b562,C1,bL：b566,Fe-S,是一类催化电子传递的酶类，辅基：血红素分类：根据吸收光谱 Cyt a Cyt b Cyt c,作用：传递单电子 Fe3+e Fe2+,细 胞 色 素（Cytochrome，Cyt）,各种细胞色素的差别在于卟啉环的取代基团及铁卟啉与蛋白部分连接的方式,血红素b,血红素a,血红素c,血红素b,区别卟啉环上基团种类及与铁连接的氨基酸种类,共性以卟啉铁为辅基,细胞色素,复合体的功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 电子传递过程：CoQH2(Cyt bLCyt bH)Fe-S Cyt c1Cyt c具有质子泵作用：每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+,电子传递过程：“Q循环”具有质子泵作用：每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+Cyt c：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。,复合体传递电子的过程:Q循环(Q cycle),（1）第一分子QH2氧化过程,（2）第二分子QH2氧化过程,QH2,QH2,Fe2S2,2H+,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,Q：半醌阴离子,复合体又称细胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase)组成：CuA、Cyt a、Cyt a3、CuB 4个氧化还原中心电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2Cyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。（Fe3+和Cu2+）,4.复合体:细胞色素c氧化酶,复合体的电子传递过程,2H+,2H2O,细胞色素c氧化酶CuB-Cyt a3中心使O2还原成水的过程,复合体的功能,功能：将电子从细胞色素c传递给氧,Cyt a3 和CuB形成活性双核中心将电子交给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。,人线粒体呼吸链复合体,泛 醌:不包含在上述四种复合体中。,Q:同时传递电子和质子（H+）的辅酶有：A:辅酶Q B:铁硫蛋白 C：FMN D:细胞色素aa3,AC,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,呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位,电子传递方向：(还原电位)低 高,1.NADH氧化呼吸链NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O22.琥珀酸氧化呼吸链 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,I,III,IV,Q,C,II,Q,III,C,IV,Cyt bLCyt bHFe-S Cyt c1,CuAaa3-CuB,BYE-BYE!,二、氧化磷酸化,*定义氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指在代谢物脱下的氢经电子传递链传递给氧生成H2O时，释放出的能量使ADP磷酸化生成ATP的过程。,*实质：氢的氧化 ADP的磷酸化,偶 联,底物水平磷酸化,合酶,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。,（一）氧化磷酸化偶联部位,氧化磷酸化偶联部位：三个 复合体、,（1）自由能变化 G=-n FE,2.确定氧化磷酸化偶联部位的方法,（2）P/O比值,概念：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）。测定方法：离体+不同 羟丁酸 线粒体 底物 琥珀酸 保温 维生素C ADP、Pi、Mg2+,测定,氧,磷,消耗量,离体线粒体的P/O比值,Q:线粒体外NADH经-磷酸甘油穿梭作用进到线粒体内完成氧化磷酸化，其P/O？,1.5,（二）氧化磷酸化的偶联机制,1.化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)-1978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。,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。,2.ATP合酶,疏水部分,亚基:a1b2c912,ATP合酶结构模式图,亲水部分,亚基:33,OSCP,IF1亚基),（1）结构,(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,半通道：亲水线粒体内膜：疏水,c环与 亚基紧密相连，当 c环旋转时会带动 亚基旋转。,胞浆半通道,基质半通道,H+,当H+顺浓度梯度经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,(3)亚基旋转使亚基构象改变导致ATP合成和释放,L：疏松型；T：紧密型；O：开放型,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。2.解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：解偶联蛋白 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,（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,CO、CN-、N3-及H2S,各种呼吸链抑制剂的阻断位点,Q：氰化物中毒是由于抑制了哪种细胞色素？,解偶联蛋白（UCP)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,熊冬眠,婴儿及初生的哺乳动物维持体温,棕色脂肪组织（含大量线粒体，内膜存在解偶联蛋白）,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,ATP合酶结构模式图,+,-,（二）ADP的调节作用主要因素：ADP氧化磷酸化（三）甲状腺激素诱导Na+,K+ATP酶ATP加速分解ADP解偶联蛋白基因表达产热（四）线粒体DNA(mtDNA)突变 与线粒体DNA病及衰老有关。,化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响,四、线粒体内膜的物质转运,线粒体外膜：通透性高 线粒体内膜：对物质通过的有严格的选择性 物质的转运主要依赖于中不同转运蛋白(transporter),（一）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(-glycerophosphate shuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparate shuttle),1.-磷酸甘油穿梭机制,NADH+H+,FADH2,NAD+,FAD,线粒体 内膜,线粒体 外膜,膜间隙,线粒体 基质,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,主要存在于脑和骨骼肌中。糖酵解途径中产生的NADH进入线粒体生成FADH2，进入琥珀酸氧化呼吸链，生成1.5ATP,-磷酸甘油穿梭,2.苹果酸-天冬氨酸穿梭机制,NADH+H+,NAD+,天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白,-酮戊二酸转运蛋白,苹果酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,谷氨酸,胞液,线粒体内膜,基质,天冬氨酸,主要存在于肝和心肌中。糖酵解途径中产生的NADH进入线粒体，重新 生成NADH，进入NADH氧化呼吸链，生成 2.5 ATP,苹果酸-天冬氨酸穿梭,（二）ADP与ATP反向转运,腺苷酸转位酶（adenine nucleotide translocase）又称腺苷酸转运蛋白。,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。,线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运,第三节 不生成ATP的氧化途径Oxidation Without ATP Generation,参与呼吸链以外的氧化过程；不伴随磷酸化，不生成能量；主要与代谢物、药物、毒物的生物转化有关,非线粒体氧化体系同线粒体氧化体系的区别,一、微粒体细胞色素P450单加氧酶 催化底物分子羟化,单加氧酶(monoxygenase),上述反应需要细胞色素P450(Cyt P450)参与。,催化氧分子中一个氧原子加到底物分子中（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)。,二、生物氧化过程中产生反应活性氧类,反应活性氧类(reactive oxygen species,ROS),ROS主要来源,线粒体：，是体内O2-的主要来源；O2-在线粒体中再生成H2O2和OH。过氧化酶体：FAD将从脂肪酸等底物获得的电子交给O2生成H2O2和羟自由基OH。胞浆需氧脱氢酶（如黄嘌呤氧化酶等）也可催化生成O2-。细菌感染、组织缺氧等病理过程，环境、药物等外源因素也可导致细胞产生活性氧类。,需氧脱氢酶和氧化酶,抗氧化酶体系,1、过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含4个血红素,可去除细胞生长和代谢产生的H2O2和过氧化物(R-O-OH)，是体内防止活性氧类损伤主要的酶。,2、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx),H2O2+2GSH 2 H2O+GS-SG2GSH+R-O-OH GS-SG+H2O+R-OH,谷胱甘肽过氧化物酶,H2O2(ROOH),H2O(ROH+H2O),2G SH,G S S G,NADP+,NADPH+H+,此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤。,谷胱甘肽还原酶,含硒的谷胱甘肽过氧化物酶,3、超氧化物歧化酶,2O2+2H+,SOD,H2O2+O2,H2O+O2,过氧化氢酶,SOD：超氧化物歧化酶(superoxide dismutase),小结,【掌握】1生物氧化的概念及生理意义；2呼吸链的概念。线粒体的两条呼吸链NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链的组成成分和排列顺序；3氧化磷酸化的概念及氧化磷酸化的偶联部位；4高能磷酸化合物的类型。ATP的利用；5ATP合酶的结构及ATP合成的机制；6影响氧化磷酸化的因素；7胞液中NADH氧化的两种转运机制：-磷酸甘油穿梭及苹果酸天冬氨酸穿梭。,名词解释,生物氧化呼吸链氧化磷酸化底物水平磷酸化P/O比值-磷酸甘油穿梭作用苹果酸穿梭作用 解偶联剂混合功能氧化酶(单加氧酶),思 考 题,简述生物氧化与物质在体外氧化的联系与区别2.简述呼吸链的组成成分及排列顺序及ATP的生成部位 3.影响氧化磷酸化的因素有哪些？其作用机制是什么？4.线粒体外生成的NADH在有氧情况下,如何进入线粒体内彻底氧化?,诺贝尔医学奖向中国人招手?,屠呦呦获拉斯克奖”这个国际生物医学大奖被视为诺贝尔奖“风向标”获奖原因为“发现了治疗疟疾的药物青蒿素”“离诺贝尔奖最近的女人”,