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1、第六章,生物氧化Biological Oxidation,主讲教师：王爱红延大医学院生物化学教研室,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,氧化方式：加氧、脱氢、失去电子,氧化结果：耗氧量、最终产物（CO2和H2O）和释放总能量均相同。,体外：C6H12O6+6O26CO2+6H2O+2876kJ/mol,体内：C6H12O6+6O2+32ADP+32Pi 6CO2+6H2O+32ATP+1900kJ
2、/mol,生物氧化与体外氧化之相同点,生物氧化特点:,1.条件温和(体温、pH近中性的体液环境中)2.逐步释放能量(化学能、热能)不会导致高热 3.H2O参与4.H2O、CO2的生成不同于体外,生物氧化与体外氧化之不同点,生物氧化中CO2的生成:有机酸的脱羧基作用,单纯脱羧:,氧化脱羧:,R-CH-COOH NH2,R-CH2-NH2+CO2,CH3-CO-COOH+HSCoA+NAD+,CH3-COSCoA+CO2+NADH+H+,生物氧化的一般过程（三个阶段）：,糖原 脂肪 蛋白质 葡萄糖 脂肪酸+甘油 氨基酸,乙酰辅酶A,三羧酸循环,2H+2eO2,辅酶A,ADP+Pi,ATP,CO2,
3、第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系,一、氧化呼吸链,代谢物脱下的成对氢原子通过线粒体内膜上按一定顺序排列的酶和辅酶的逐步传递（氧化还原反应），最终与氧结合生成水，此传递链称氧化呼吸链（电子传递链）。,组成：递氢体（2H2H+2e）、递电子体,递氢体：传递氢的酶或辅酶称为递氢体。,递电子体：传递电子的酶或辅酶称为递电子体。,线粒体内膜,超声波,胆酸、脱氧胆酸,复合体,复合体,复合体,复合体,与Q连接,Cytc连接,呼吸链各组分在线粒体内膜上的位置,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成,呼吸链的组成：,泛醌不包含在上述四种复合体中。,复合体又
4、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+、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。,NAD+为双电子传递体,FMN中发挥功能的部位是核黄素的异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMNH。,异咯嗪环,H,FMN为单、双电子传递体,铁硫蛋白,铁硫蛋白的结构（铁硫中心）：
5、,Fe2+Fe3+e,Fe2S2、Fe4S4 单电子传递体,是复合体、的辅基,蛋白质,Q不仅接受NADH脱氢酶的H，还接受线粒体其他脱氢酶的H，如琥珀酸脱氢酶，脂酰CoA脱氢酶及其他黄素脱氢酶脱下的H，在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。,泛醌（辅酶Q）为醌类化合物。侧链长（异戊二烯），呈脂溶性。但整个分子较小，在线粒体内膜流动性大，可穿梭于呼吸链不同组分之间。,Q10 递氢体(递电子体),Q10H2,泵2H+至线粒体内膜胞液侧,递2e给细胞色素b,复合体的功能,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。
6、脂酰CoA脱氢酶、-磷酸甘油脱氢酶、胆碱脱氢酶,2、复合体功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。,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，细胞色素b-c1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。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。,Fe2+Fe3+e,Cytc呈水溶性，与线粒体内膜外表面结合不紧密
7、，极易与线粒体内膜分离，故不包含在上述复合体中。,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。,复合体又称细胞色素C氧化酶。电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2Cyt 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,Cu+,Cu2+e,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。,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
8、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,1.NADH氧化呼吸链,2.琥珀酸氧化呼吸链(FADH2氧化呼吸链),NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2,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,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)是代谢物脱下的氢经呼吸链传递给氧生成水的同时伴ADP磷酸化成ATP的作用，也叫偶联磷酸化。(线粒体)底物水平磷酸化(substrate level phosphorylatio
9、n)与脱氢反应偶联，将高能代谢物分子中能量转移至ADP(GDP)，生成ATP(GTP)的过程。(线粒体、胞液),ATP生成方式,底物2H1/2 O2H2O,2H+,呼吸链,氧化,磷酸化,偶联,高能磷酸键的形成及转移,自由能(供机体生理活动需要),释放,ADP+H3PO4 ATP,能量,（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,氧化磷酸化偶联部位：复合体、,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）。,线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值,2、自由能变化,根据热力学公
10、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,电位差 G(kJ/mol)从NAD+到CoQ 0.36V 69.5CoQ到Cytc 0.21V 40.5Cytaa3到O2 0.53V 102.3,生成每摩尔ATP需能约30.5kJ。,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,1、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
11、储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。,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：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合酶的工作机制,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。,氧化磷酸化机制,电子传递
12、,胞浆侧 线粒体内膜 线粒体基质,+,-,高的H+,低的H+,H+,H+,ATP合酶,ADP+Pi,ATP,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、粉蝶霉素A及异戊巴比妥等阻断传递电子到泛醌。复合体的抑制剂：萎锈灵。复合体抑制剂：抗霉素A阻断Cyt bH传递电子到泛醌(QN)。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。,各种呼吸链抑制剂的阻断位点,鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥,抗霉素A
13、二巯基丙醇,CO、CN-、N3-及H2S,萎秀灵三氟丙酮,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(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,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。,3、A
14、TP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成,ADPATP升高，氧化磷酸化速率加快。ADPATP降低，氧化磷酸化速率减慢。,（二）ADP 是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素,诱导Na+-K+ATP酶合成，ADP,氧化磷酸化加快，耗氧量增加。促进解偶联蛋白基因表达，产热增加。,(三)甲状腺素：,线粒体DNA是裸露的环状双螺旋结构，突变率高(10-20倍)。,(四)线粒体DNA突变：,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,ATP
15、的作用,NDP+ATP,NTP+ADP,1.提供物质代谢中所需能量。,2.补充其他核苷三磷酸。,两个高能磷酸键，末端磷酸酯键水解最重要,UTP-糖原合成CTP-磷脂合成GTP-蛋白质合成,NTP,核苷二磷酸激酶,NH2 C=NH N-CH3 CH2 COOH 肌酸,ATP,ADP,H2PO3 NH2 C=NH N-CH3 CH2 COOH 磷酸肌酸,CK,心、脑、骨骼肌,磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。,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。,五、线粒
16、体内膜对各种物质进行选择性转运,线粒体外膜通透性高，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(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：,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,1、-磷酸
17、甘油穿梭（脑和骨骼肌）,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,2、苹果酸-天冬氨酸穿梭（肝和心肌）,胞浆侧,H2PO4-,H2PO4-,H+,H+,ADP3-,ADP3-,ATP4-,ATP4-,基质侧,内膜,H2O,（二）ATP-ADP转位酶促进ADP进入和ATP移出紧密偶联,磷酸盐转运蛋白,腺苷酸转运蛋白,第二节 其他不生成ATP的氧化体系,一、抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的功能,反应活性氧类(reactive oxygen species,ROS),ROS主要来源,线粒体：超
18、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。,不需氧脱氢酶、需氧脱氢酶、氧化酶,受氢体 辅酶（辅基）产物不需氧脱氢酶 辅酶 NAD+或NADP+FMN或FAD 需氧脱氢酶 O2 FMN或FAD H2O2氧化酶 O2 含Cu H2O,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,H2O2作用,杀菌,2I-I2酪氨酸碘化T3,
19、H2O2毒性,氧化-SH酶、-SH蛋白,氧化PL中不饱和FA脂质过氧化膜损伤,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
20、,H2O2+O2,H2O+O2,过氧化氢酶,SOD：超氧化物歧化酶(superoxide dismutase),SOD已被提取用于临床延缓人体衰老、慢性多发性关节炎、放射治疗后的炎症等，是很好的治疗酶制剂。含有SOD的化妆护肤品,对抗衰老及去除面部雀斑等也有显著作用。,反应氧族（O2、H2O2、OH）：氧化PL中不饱和FA过氧化脂质与蛋白质形成脂褐素,.,.,二、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-func
21、tion oxidase)或羟化酶(hydroxylase),细胞色素P450单加氧酶作用机制,加双氧酶：催化氧分子中的两个氧原子分别加在底物带双键的两个碳原子上.例如，-胡萝卜素加双氧酶催化-胡萝卜素变成视黄醛的反应如下：,C10H12-CHO,2,加双氧酶,C10H12-CH=HCC10H12,复习题,名词解释：生物氧化、呼吸链、氧化磷酸化、P/O比值、ATP合酶、解偶联剂、苹果酸-天冬氨酸穿梭、加单氧酶 论述题：1.物质在体内外氧化有哪些主要异同点？2.如何理解体内能量代谢是以ATP为中心的？,3、底物充足时，在呼吸链反应系统中加入抗霉素A，组分辅酶和Cyta的氧化还原状态如何？4、呼吸链组成是什么？5、两个穿梭系统是什么？6、简要小结细胞色素类的主要特点。7、需氧脱氢酶和不需氧脱氢酶有何异同点？8、氧化磷酸化偶联的部位是什么？,
