生物化学与分子生物学生物氧化.ppt

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1、生物化学与分子生物学,第八章,生物氧化,Biological Oxidation,物质在生物体内进行氧化称生物氧化(biological oxidation)，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,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 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

2、复合体组成，形成一个连续的传递链，因此称为氧化呼吸链（oxidative respiratory chain）。也称电子传递链(electron transfer chain)。,氧化呼吸链的定义,组成递氢体和电子传递体（2H=2H+2e）,一、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、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,复合体又称NADH-泛醌还原酶或NADH脱氢酶，接受来自NADH+H+的电子并转移给泛醌（ubiquinone）。复合体可催化两个同时进行的过程：电子传递：NADHFMNFe-S CoQ 质子的泵出：复合体

3、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。,（一）复合体将NADH+H+中的电子传递给泛醌,NAD+和NADP+的结构,R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+,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。,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，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,泛醌（辅酶Q,C

4、oQ,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。内膜中可移动电子载体，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。,复合体的功能,复合体I氢和电子的传递,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复合体没有H+泵的功能。,（二）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给细胞色素c,复合体又叫泛醌-细胞色素C还原酶。人复合体含有细胞色素b(b562,b566)、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白(Rieske pro

5、tein)。泛醌从复合体、募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体。电子传递过程：CoQH2(Cyt bLCyt bH)Fe-S Cytc1Cytc,细胞色素(cytochrome,Cyt),细胞色素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。,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。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。,人复合体又称细胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase)。电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2Cyt a3

6、CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。复合体也有质子泵功能，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,复合体的电子传递过程,细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水的过程，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。,1、NADH氧化呼吸链NADH 复合体CoQ 复合体Cyt c 复合体O22、琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 CoQ 复合体Cyt c 复合体O2,二、NADH和FADH2是氧化呼吸链的电子供体,根据电子供体及其传递过程，目前认为，氧化呼吸链有两条途径：,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

7、氧将呼吸链拆开和重组,氧化呼吸链各组分的顺序排列是由以下实验确定的,呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位,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,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。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。,ATP生成方式,一、氧化磷酸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

8、偶联部位：复合体、,（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（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。,（二）自由能变化,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：,n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/molV),G0=-nFE0,电子传递链自由能变化,氧化磷酸化偶联部位,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),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

9、能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。,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。,化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响,三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成 ATP,F1：亲水部分（动物：

10、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,ATP合酶组成可旋转的发动机样结构,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ATP合酶利用释放的能量合成ATP。,当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c

11、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),四、ATP在能量代谢中起核心作用,细胞内代谢反应都是依序进行、能量逐步得失。,ATP称之为高能磷酸化合物，可直接为细胞的各种生理活动提供能量，同时也有利于细胞对能量代谢进行严格调控。,生物体能量代谢有其明显的特点。,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,（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

12、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。,（二）ATP是体内能量转移和磷酸核苷化合物相互转变的核心,（三）ATP通过转移自身基团提供能量,因为ATP分子中的高能磷酸键水解释放能量多，易释放Pi、PPi基团，很多酶促反应由ATP通过共价键与底物或酶分子相连，将ATP分子中的Pi、PPi或者AMP基团转移到底物或酶蛋白上而形成中间产物，经过化学转变后再将这些基团水解而形成终产物。,磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。,（四）磷酸肌酸是高能键能量的储存形式,ATP的生成、储存和利

13、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,氧化磷酸化是机体合成能量载体ATP的最主要的途径，因此机体根据能量需求调节氧化磷酸化速率，从而调节ATP的生成量。,二、抑制剂可阻断氧化磷酸化过程,（一）呼吸链抑制剂阻断电子传递过程,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

14、制剂：抗霉素A(antimycin A)阻断Cyt 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,不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响,（二）解偶联剂阻断ADP的磷酸化过程,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

15、放，ATP的生成受到抑制。如：二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)；解偶联蛋白(uncoupling protein，UCP1)。,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,（三）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

16、制电子传递。,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。,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+,Na+，K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。,三、甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热,四、线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸化功能。,线粒体DNA（mtDNA）呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，容易受到损伤而发生突变，其突变率远高于核内的基因组DNA。,五、线粒体的内膜选择性协调转运氧化磷酸化相关代谢物,线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主

17、要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。,线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运,（一）胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链,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。,-磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparate shuttle),转运机制：,1.-磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中,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,2.苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中,

18、NADH+H+,NAD+,谷氨酸-天冬氨酸 转运体,苹果酸-酮 戊二酸转运体,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,（二）ATP-ADP转位酶协调转运ADP进入和ATP移出线粒体,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。,第四节 其他氧化与抗氧化体系,反应活性氧类(reactive oxygen species,ROS),一、线粒体氧化呼吸链也可产生活性氧,ROS主要来源,线粒体：超氧阴离子O-2，是体内O-2的主要来源；O-2在线粒体中再生成H2O2和OH。过氧化

19、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O-2。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,二、抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的功能,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+

20、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),三、微粒体细胞色素P450单加氧酶催化底物分子羟基化,上述反应需要细胞色素P450(Cyt P450)参与。,细胞色素P450单加氧酶(cytochrome P450 monooxygenase)，又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase)或羟化酶(hydroxylase),细胞色素P450单加氧酶作用机制,