生物氧化06BioOxida.ppt
Chapter 6 Biological Oxidation,第六章 生 物 氧 化,物质在生物体内氧化分解并释放出能量的过程称为生物氧化(biological oxidation)。,Whats biological oxidation?,生物体内的生物氧化过程与体外燃烧不同的是：在37，近于中性的含水环境中，由酶催化进行；反应逐步释放出能量，相当一部分能量以高能磷酸酯键的形式储存起来。,乙酰CoA,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,生物氧化的一般过程,2H,TAC,Section 1 The Oxidation System of Producing ATP,第一节 生成ATP的氧化体系,在线粒体中，由若干递氢体或递电子体按一定顺序排列组成的，与细胞呼吸过程有关的链式反应体系称为呼吸链(respiratory chain)。,一、线粒体氧化呼吸链,Whats respiratory chain?,构成呼吸链的递氢体或递电子体通常以复合体的形式存在于线粒体内膜上。,（一）呼吸链的组成,1复合体（NADH-泛醌还原酶）：,NADH还原酶+4(Fe-S),NADH还原酶,NADH还原酶催化（NADH+H+）的脱氢反应，从而将2H传递给其辅基FMN，生成FMNH2。,铁硫蛋白,铁硫蛋白(Fe-S)共有9种同工蛋白；分子中含有由半胱氨酸残基硫原子及无机硫原子与铁离子形成的铁硫中心(铁硫簇)，一次可传递一个电子至CoQ。,铁硫中心的结构,泛醌（CoQ）,泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）是游离存在于线粒体内膜中的脂溶性有机化合物，由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可在醌型与氢醌型之间相互转变。,2复合体（琥珀酸-泛醌还原酶）：,琥珀酸脱氢酶+3(Fe-S)+Cyt b560,这是一类以铁卟啉为辅基的酶。在生物氧化反应中，其铁离子可为+2价亚铁离子，也可为+3价高铁离子，通过这种转变而传递电子。细胞色素为单电子传递体。细胞色素根据其铁卟啉辅基的结构以及吸收光谱的不同而分类。,细胞色素类,铁卟啉辅基的分子结构,细胞色素可存在于线粒体内膜，也可存在于微粒体。存在于线粒体内膜的细胞色素有Cyt aa3，Cyt b（b560，b562，b566），Cyt c，Cyt c1；存在于微粒体的细胞色素有Cyt P450和Cyt b5。,细胞色素b的分子结构,细胞色素c的分子结构,3复合体（泛醌-细胞色素c还原酶）：,2Cyt b+Cyt c1+(Fe-S),Cyt a+Cyt a3,4复合体（细胞色素c氧化酶）：,（二）呼吸链组分的排列顺序,通过四个方面的实验可确定呼吸链各组分的排列顺序：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,氧化呼吸链的组成,NADH氧化呼吸链NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2,氧化呼吸链的排列顺序,Q,Cytc,1NADH氧化呼吸链：,NAD+FMN(Fe-S)CoQb(Fe-S)c1caa3,2.琥珀酸氧化呼吸链：,两条电子传递链的关系,二、氧化磷酸化,1.底物水平磷酸化：直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子中的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)。,（一）生物体内ATP的生成方式,底物水平磷酸化见于下列三个反应：,2.氧化磷酸化：在线粒体中，底物分子脱下的氢原子经递氢体系传递给氧，在此过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP，这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)。,（二）氧化磷酸化的偶联部位,1.P/O比值：通过测定在氧化磷酸化过程中，氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系，可以反映底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系。每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷原子的摩尔数称为P/O比值。,线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值,合成1molATP时，需要提供的能量至少为G0=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差E0=0.2V。因此，在NADH氧化呼吸链中有三处可以生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可以生成ATP。,2.自由能变化与ATP的生成部位：,氧化磷酸化的偶联部位,（三）氧化磷酸化的偶联机制,1.化学渗透假说：目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年由Peter Mitchell提出的化学渗透学说(chemios-motic hypothesis)。,化学渗透假说的基本要点,该学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。当质子顺浓度梯度回流时，这种形式的“势能”可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP。,质子梯度的形成机制,质子的转移主要通过氧化呼吸链在递氢或递电子过程中所形成的氧化还原袢来完成。每传递两个氢原子，就可向膜间腔释放10个质子。,复合体的氧化还原袢,复合体的氧化还原袢,复合体的氧化还原袢,质子梯度的形成,ATP的合成,当质子从膜间腔返回基质中时，这种“势能”可被位于线粒体内膜上的ATP合酶利用以合成ATP。,嵌于线粒体内膜上，其头部呈颗粒状，突出于线粒体内膜的基质侧。,2.ATP合酶：,ATP合酶的分子结构,由亲水部分 F1(33亚基)和疏水部分F0(a1b2c912 亚基)组成。,ATP合酶F1段的结构,侧面图,正面图,ATP合成模式图,三、氧化磷酸化的影响因素,ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；反之，当ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢。,（一）ATP/ADP比值,甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的速度。其原因是甲状腺激素可以激活细胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，导致ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。,（二）甲状腺激素,（三）药物和毒物,1呼吸链抑制剂：能够抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或毒物称为呼吸链抑制剂。,能够抑制第一位点的有异戊巴比妥、粉蝶霉素A、鱼藤酮等；能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇；能够抑制第三位点的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。,2解偶联剂：不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，但能使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化的药物或毒物称为解偶联剂。解偶联剂通常引起线粒体内膜对质子的通透性增加，从而使线粒体内膜两侧的质子梯度不能形成。主要的解偶联剂有2,4-二硝基酚。,能抑制ATP合酶的质子回流，从而使线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高，对呼吸链的电子传递和ADP磷酸化均产生抑制作用的药物和毒物称为氧化磷酸化抑制剂，如寡霉素。,3氧化磷酸化抑制剂：,氧化磷酸化的抑制剂,四、高能磷酸键的储存与释放,生物化学中常将水解时释放的能量20kJ/mol的磷酸键称为高能磷酸键。主要有以下几种类型：1磷酸酐键：包括各种多磷酸核苷类化合物，如ADP，ATP，GDP，GTP，CDP，CTP，GDP，GTP及PPi等，水解后可释放出30.5kJ/mol的自由能。,（一）高能磷酸键的类型,2混合酐键：由磷酸与羧酸脱水后形成的酐键，主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。在标准条件下水解可释放出61.9kJ/mol的自由能。3烯醇磷酸键：见于磷酸烯醇式丙酮酸中，水解后可释放出61.9kJ/mol的自由能。4磷酸胍键：见于磷酸肌酸中，水解后可释放出43.9kJ/mol的自由能。,几种常见的高能化合物,磷酸肌酸（creatine phosphate,CP）是骨骼肌和脑组织中能量的贮存形式。磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用，必须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理活动之需。反应过程由磷酸肌酸激酶（CPK）催化完成。,磷酸肌酸激酶的作用,（二）ATP循环,ATP是生物界普遍使用的供能物质，有“通用货币”之称。ATP分子中含有两个高能磷酸酐键（A-PPP），均可以水解供能。ATP水解为ADP并供出能量之后，又可通过氧化磷酸化重新合成，从而形成ATP循环。,ATP循环,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),（三）多磷酸核苷间的能量转移,在生物体内，除了可直接使用ATP供能外，还使用其他形式的高能磷酸键供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白质的合成等。,五、线粒体外NADH的穿梭,胞液中的3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油或乳酸脱氢，均可产生NADH。这些NADH可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷酸化，产生H2O和ATP。,（一）磷酸甘油穿梭系统,主要存在于脑和骨骼肌中。NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，由于经琥珀酸氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故只能产生2分子ATP。,磷酸甘油穿梭系统,FADH2,NAD+,FAD,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,NADH+H+,-磷酸甘油脱氢酶,（二）苹果酸穿梭系统,主要存在于肝和心肌中。胞液中NADH+H+的一对氢原子经此穿梭系统带入一对氢原子，由于经NADH氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故可生成3分子ATP。,NADH+H+,NAD+,苹果酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,谷氨酸,天冬氨酸,苹果酸穿梭系统,六、二氧化碳的生成,在生物体内，CO2是通过有机酸的脱羧作用生成的。按照羧基所连接的位置不同，可将有机酸的脱羧作用分为-脱羧和-脱羧。按照脱羧时是否伴有氧化作用，可将有机酸的脱羧作用分为单纯脱羧和氧化脱羧。,1.单纯脱羧：见于氨基酸的脱羧作用。,2.单纯脱羧：见于草酰乙酸的脱羧作用。,3.-氧化脱羧：见于丙酮酸的脱氢与脱羧作用。,4.氧化脱羧：见于苹果酸的脱氢与脱羧作用。,第二节 其他氧化体系,Section 2 The Others Oxidation Enzyme Systems,一、需氧脱氢酶和氧化酶,只能以某些辅酶或辅基作为受氢体而不能以O2作为直接受氢体的脱氢酶称为不需氧脱氢酶。能以O2作为直接受氢体的酶称为需氧脱氢酶或氧化酶。氧化酶能直接利用O2为受氢体，产物为H2O；而需氧脱氢酶通常以FAD或FMN为辅基，但可催化底物脱氢并以氧为受氢体，产物为H2O2。,二、过氧化物酶体中的氧化酶类,过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基为血红素，可催化H2O2的分解反应：,（一）过氧化氢酶,过氧化物酶(perioxidase)也以血红素为辅基，可催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物：,（二）过氧化物酶,三、超氧物歧化酶,超氧物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）可催化一分子超氧离子氧化生成O2，而另一分子超氧离子还原生成H2O2：,在真核细胞中存在两种超氧物歧化酶同工酶。一种见于胞液中，以Cu2+、Zn2+作为辅基，称为CuZn-SOD；另一种见于线粒体中，以Mn2+作为辅基，称为Mn-SOD。,四、微粒体中的氧化酶类,加单氧酶(monooxygenase)，又称为混合功能氧化酶(mixed-function oxidase)，催化氧分子中的一个氧原子加到底物分子上（羟化），而另一个氧原子则被氢还原成水。此反应过程需Cyt P450参与。,（一）加单氧酶,混合功能氧化酶的催化机制,RHP450Fe2+,RHP450Fe3+O2-,RHP450Fe2+O22-,加双氧酶催化氧分子中的两个氧原子添加到底物中带双键的两个碳原子上，引起碳链或碳环的断裂，如色氨酸吡咯酶。,（二）加双氧酶,
