药学本科《生物化学》6生物氧化.ppt

生生 物物 氧氧 化化Biological Oxidation概概 述述生物氧化与体外氧化之相同点：生物氧化与体外氧化之相同点：物物质质在在体体内内外外氧氧化化时时所所消消耗耗的的氧氧量量、最最终终产产物（物（CO2，H2O）和释放能量均相同）和释放能量均相同生生物物氧氧化化中中物物质质的的氧氧化化方方式式有有加加氧氧、脱脱氢氢、失电子失电子，遵循氧化还原反应的一般规律，遵循氧化还原反应的一般规律生物氧化中物质的氧化方式：生物氧化中物质的氧化方式：（一）（一）加氧加氧（二）（二）脱氢脱氢(最主要最主要)（三）（三）失电子失电子Cu+O2 CuO12COOHC=O +2H CH3 （2H+2e）COOH HOCH CH3Fe 2+Fe 3+e生物氧化与体外氧化的不同点生物氧化与体外氧化的不同点反应条件反应条件 温温 和和 剧剧 烈烈反应过程反应过程 逐步进行的酶促反应逐步进行的酶促反应 一步完成一步完成能量释放能量释放 逐步进行逐步进行 瞬间释放瞬间释放CO2生成方式生成方式 有机酸脱羧有机酸脱羧 碳和氧结合碳和氧结合 生物氧化生物氧化 体外氧化体外氧化糖原糖原 三酰甘油三酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA TACTAC 2H 2H 呼呼吸吸链链 HH2 2O O ADP+Pi ATP COCO2 2 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程生物氧化这一章主要解决的问题生物氧化这一章主要解决的问题水如何生成水如何生成?能量如何生成能量如何生成?CO2如何生成如何生成?-呼吸链呼吸链-ATP的生成的生成-有机酸脱羧有机酸脱羧 代代谢谢物物脱脱下下的的成成对对氢氢原原子子，经经线线粒粒体体内内膜膜中中按按次次序序排排列列的的多多种种酶酶和和辅辅酶酶所所催催化化的的连连锁锁递递氢氢和和递递电电子子反反应应逐逐步步传传递递，最最终终与与氧氧结结合合生生成成水水，这这一一系系列列酶酶和和辅辅酶酶称称为为呼呼吸吸链链(respiratory chain)，或或电子传递链电子传递链(electron transfer chain)组成组成递氢体和电子传递体（递氢体和电子传递体（2H 2H+2e）一一、呼吸链呼吸链R=H:NAD+;（辅辅酶酶I，CO I）R=H2PO3:NADP+；（辅酶（辅酶II，CO II）1.烟酰胺辅酶烟酰胺辅酶(一一)呼吸链的组成呼吸链的组成烟酰胺辅酶的作用原理烟酰胺辅酶的作用原理烟酰胺辅酶的作用原理烟酰胺辅酶的作用原理+H H+e e+H H+H H+2H2HH HH He eH H+H H NAD(P)+NAD(P)H+H+2H+2H-2H-2HNAD(P)+NAD(P)H2H2HVit B2FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸）AMPFMN（黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）2.黄素蛋白黄素蛋白黄素辅基的作用原理黄素辅基的作用原理黄素辅基的作用原理黄素辅基的作用原理+H+HNNOOCH3CH3NRNHHHNNOOCH3CH3NRNHH+H+HFAD/FMN FADH2/FMNH2+2H-2H-H-H-H-H蛋白质蛋白质Fe 2+Fe 3+-e+e4.泛醌（泛醌（CoQ,UQ,Q）Q QH22H+2e2H+2e人线粒体呼吸链复合体人线粒体呼吸链复合体复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体II复合体复合体III复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数394 1113 复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数4 13(二二)呼吸链成分的排列顺序呼吸链成分的排列顺序复合体复合体、和和完全镶嵌在线粒体内膜中完全镶嵌在线粒体内膜中复合体复合体镶嵌在内膜的内侧镶嵌在内膜的内侧 Cytc Q 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 1.复合体复合体:NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶 将电子从将电子从NADH传递给泛醌传递给泛醌(ubiquinone)NADH CoQ FMN;Fe-S复合体复合体I 注意！注意！复合体复合体I不包含泛醌不包含泛醌u每传递一对电子，由基质泵出每传递一对电子，由基质泵出4H+到胞质到胞质NADH+H+NAD+FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2底物底物脱氢脱氢2.复合体复合体:琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶 功能功能 将电子从琥珀酸传递给泛醌将电子从琥珀酸传递给泛醌 琥珀酸琥珀酸 CoQFAD;Fe-S;b560复合体复合体IIu每传递一对电子，由基质到胞质无每传递一对电子，由基质到胞质无H+泵出泵出3.复合体复合体:泛醌泛醌-细胞色素细胞色素c还原酶还原酶 功能功能 将电子从泛醌传递给细胞色素将电子从泛醌传递给细胞色素c复合体复合体QH2 Cyt c b562;b566;c1注意！注意！复合体复合体III不包含不包含Cyt cu每传递一对电子，由基质泵出每传递一对电子，由基质泵出4H+到胞质到胞质CoQH2CoQH24.复合体复合体:细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶 功能：功能：将电子从细胞色素将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧其中其中Cyt a3 和和CuB形成的活性部位将电子交给形成的活性部位将电子交给O2复合体复合体还原型还原型Cyt c O2CuAaa3CuB u每传递一对电子，由基质泵出每传递一对电子，由基质泵出2H+到胞质到胞质细胞色素的传递方向细胞色素的传递方向 笔洗一洗笔洗一洗AA散散 b、c1、c、aa3洗一洗洗一洗丙丙 酮酮 酸酸-酮戊二酸酮戊二酸 硫辛酸硫辛酸 FAD 2e 异柠檬酸异柠檬酸 苹苹 果果 酸酸 谷氨酸谷氨酸 NAD+FMN(Fe-S)CoQb(Fe-S)c1caa3 -羟丁酸羟丁酸 2H 1/2O2-羟脂酰羟脂酰CoA 复合体复合体I I 2H+H2O 复合体复合体III III 复合体复合体IV IV (三三)主要的主要的呼吸链呼吸链2.琥珀酸氧化呼吸琥珀酸氧化呼吸链 (又称又称FADH2氧化呼吸氧化呼吸链)(FAD)琥珀酸琥珀酸 脂酰脂酰CoACoA-磷酸甘油磷酸甘油(Fe-S)CoQb(Fe-S)c1caa31/2O2 复合体复合体III III 复合体复合体IV IV 复合体复合体II II NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 笔洗一洗笔洗一洗AA散散 b、c1、c、aa3两种呼吸链的比较两种呼吸链的比较:相同点相同点:1.将将2H传递给传递给 O2生成生成H2O 2.2H和和 O2消耗，其它可反复使用消耗，其它可反复使用 3.CoQ是两种呼吸链的汇合点是两种呼吸链的汇合点 不同点不同点:NADH呼吸链呼吸链 FADH2呼吸链呼吸链 普遍程度普遍程度 较普遍较普遍 次要次要起始物起始物 NADH FADH2ATP 2.5 1.5Why?OOCH2OHOHPOOHOOOHOPOOHHOP高能键高能键高能磷酸键高能磷酸键高能硫酯键高能硫酯键水解时释放的能量水解时释放的能量 21kJ/mol的键的键含有高能键的化合物称为含有高能键的化合物称为高能化合物高能化合物高能磷酸化合物：高能磷酸化合物：ATP、GTP GTP、磷酸肌酸等、磷酸肌酸等、磷酸肌酸等、磷酸肌酸等高能硫酯化合物：高能硫酯化合物：乙酰辅酶乙酰辅酶A、琥珀酰辅酶、琥珀酰辅酶、琥珀酰辅酶、琥珀酰辅酶A A等等等等 磷酸肌酸（磷酸肌酸（CP）是肌肉和是肌肉和脑组织中能量的中能量的贮存形式。但磷酸肌酸中的高能磷酸存形式。但磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直不能被直接利用，而必接利用，而必须先将其高能磷酸先将其高能磷酸键转移移给ATP，才能供生理活才能供生理活动之需。之需。这一反一反应过程由肌酸激程由肌酸激酶（CPK）催化完成）催化完成 CP +ADP C +ATPCPK(二二)ATP生成和利用生成和利用ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 P P P P 机械能机械能(肌肉收缩肌肉收缩)渗透能渗透能(物质主动转运物质主动转运)化学能化学能(合成代谢合成代谢)电能电能(生物电生物电)热能热能(维持体温维持体温)生物体内能量的储存和生物体内能量的储存和利用都以利用都以ATP为中心为中心(三三)ATP的生成方式的生成方式 1.底物水平磷酸化底物水平磷酸化 把底物分子中高能磷酸键（或高能硫酯把底物分子中高能磷酸键（或高能硫酯键）的能量转交给键）的能量转交给ADP（或（或GDP）而生成）而生成ATP（或（或GTP）的过程）的过程 主要存在于三个反应步骤主要存在于三个反应步骤磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶丙酮酸激酶丙酮酸激酶琥珀酰琥珀酰CoA合成酶合成酶底物水平磷酸化仅见于下列底物水平磷酸化仅见于下列三个反应三个反应：氧化磷酸化氧化磷酸化是指在物质代谢过程中脱下的是指在物质代谢过程中脱下的氢，经氢，经呼吸链呼吸链递氢递电子释放能量，伴有递氢递电子释放能量，伴有ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程，又称为的过程，又称为偶联磷酸化偶联磷酸化 2.氧化磷酸化氧化磷酸化呼呼吸吸链链AH2 2H(2H+2e)A能量能量ADP+PiATPO212氧化氧化磷酸化磷酸化偶偶联联H2O 在呼吸链电子传递过程中偶联在呼吸链电子传递过程中偶联ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP的过程称为氧化磷酸化的过程称为氧化磷酸化三三、ATP的偶联生成的偶联生成(氧化磷酸化氧化磷酸化)P/O值是指物质氧化时值是指物质氧化时,每消耗每消耗1mol1mol氧原子氧原子所消耗的所消耗的无机磷无机磷的的molmol数数,即生成即生成ATPATP的的molmol数数ADP+H3PO4 ATP 实质：每消耗实质：每消耗1mol1mol氧原子所产生的氧原子所产生的ATPATP的的molmol数数P/OP/O值值=消耗消耗P Pmolmol数数消耗消耗Omolmol数数 消耗消耗ADPADPmolmol数数 消耗消耗Omolmol数数生成生成ATPATPmolmol数数消耗消耗Omolmol数数=(一一)氧化磷酸化的偶联部位氧化磷酸化的偶联部位(1)测定测定P/O值值线粒体离体实验测得的一些底物的线粒体离体实验测得的一些底物的P/OP/O比值比值底物底物 呼吸链的组成呼吸链的组成 P/O P/O值值 生成生成ATPATP数数1.-羟丁酸羟丁酸 NADNAD+FMNCoQCytcOFMNCoQCytcO2 2 2.42.8 2.5琥珀酸琥珀酸 FADCoQCytcO2 1.7 1.5抗坏血酸抗坏血酸 CytcCytaa3O2 0.88 0.5Cytc(Fe2+)Cytaa3O2 0.610.68 0.52.3.4.比较比较1、2，第一个偶联部位，第一个偶联部位 NADHNADH CoQ CoQ 之间之间比较比较2、3，第二个偶联部位，第二个偶联部位 CoQCoQ Cytc Cytc 之间之间比较比较3、4，第三个偶联部位，第三个偶联部位 CytaaCytaa3 3 O O2 2 之间之间(2)(2)计算自由能变化计算自由能变化ADP+Pi ATP GG00=30.5 kJ/mol=30.5 kJ/molGG00=-n F=-n FEE0 0GG000 0 0 吸能吸能GG00=0 =0 无能变化无能变化 呼吸链电子传递时呼吸链电子传递时GG00的变化的变化部位部位 E E0 0 GG0 0(kJ/mol)(kJ/mol)NAD+-CoQ 0.36V -69.5 能能CoQ-Cyt c 0.31V -40.5 能能Cyt aa3-O2 0.58V -102.3 能能能否生成能否生成ATPATP氧化磷酸化偶联部位：氧化磷酸化偶联部位：ATPATP ATP u合成合成1ATP，需要消耗，需要消耗4H+的跨膜势能的跨膜势能uNADH氧化呼吸链每传递一对电子，氧化呼吸链每传递一对电子，共泵出共泵出10H+，可生成可生成2.5ATPu琥珀酸氧化呼吸链每传递一对电子，琥珀酸氧化呼吸链每传递一对电子，共泵出共泵出6H+，可生成可生成1.5ATP化学渗透假说化学渗透假说 F0 F1 Cyt c CoQ NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+1/2O2+2H+H2O ADP+Pi ATP H+H+H+内膜外侧内膜外侧 基质侧基质侧+-化学渗透学说详细示意图：化学渗透学说详细示意图：ATP合酶：合酶：ATP合酶结构模式图合酶结构模式图具酶活的具酶活的F133亚基亚基质子通道质子通道 F0a1b2c912亚基亚基当当H+顺顺浓浓度度递递度度经经F0中中a亚亚基基和和c亚亚基基之之间间的的通通道道回回流流时时，回回流流能能量量驱驱动动亚亚基基发发生生旋旋转转，3个个亚基的构象发生周期性改变亚基的构象发生周期性改变ATP合酶的工作机制合酶的工作机制（一）（一）ADP（二）甲状腺激素（二）甲状腺激素（三）抑制剂（三）抑制剂（一）（一）ADPADP/ATPADP/ATP：抑制氧化磷酸化，抑制氧化磷酸化，ATPATP生成生成ADP/ATPADP/ATP：促进氧化磷酸化，促进氧化磷酸化，ATPATP生成生成H2O+NAD+NADH+H+O212ADP+PiATP氧化磷酸化氧化磷酸化鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A异戊巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 COCO、CNCN-及及H H2 2S S 各种呼吸链抑制剂的阻断位点：各种呼吸链抑制剂的阻断位点：F0 F1 Cyt c CoQ NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+1/2O2+2H+H2O ADP+Pi ATP H+H+H+内膜外侧内膜外侧 基质侧基质侧 线粒体内线粒体内2H的氧化磷酸化：的氧化磷酸化：CoQ 胞浆中胞浆中NADH必须经一定转运机制进入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线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化转运机制：转运机制：1.-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭2.苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 五、通过线粒体内膜的物质转运五、通过线粒体内膜的物质转运 NADH+H+FADH2 NAD+FAD 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间隙膜间隙 线粒体线粒体 基质基质-磷酸甘油磷酸甘油 脱脱氢氢酶酶 呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 -磷酸甘油磷酸甘油 -磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制(1.5ATP)NADH+H+NAD+NADH+H+NAD+谷氨酸谷氨酸-天冬氨酸天冬氨酸 转运体转运体苹果酸苹果酸-酮酮 戊二酸戊二酸转转运体运体 苹果酸苹果酸 草酰乙酸草酰乙酸-酮酮戊二酸戊二酸 谷氨酸谷氨酸 苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 谷草转谷草转 氨酶氨酶 胞液胞液 线线粒粒体体内内膜膜 基质基质 呼吸链呼吸链 天冬氨酸天冬氨酸 苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭机制天冬氨酸穿梭机制(2.5ATP)两种穿梭系统的比较两种穿梭系统的比较-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭穿梭穿梭物质物质-磷酸甘油磷酸甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮苹果酸、苹果酸、谷氨酸谷氨酸天冬天冬aa、-酮戊二酸酮戊二酸进入线粒进入线粒体后转变体后转变成的物质成的物质FADH2NADH+H+进入进入呼吸链呼吸链 琥珀酸琥珀酸氧化呼吸链氧化呼吸链NADH氧化呼吸链氧化呼吸链生成生成ATP数数1.52.5存在组织存在组织脑、骨骼肌脑、骨骼肌肝脏和心肌组织肝脏和心肌组织相同点相同点将胞液中将胞液中NADH的的2H转送到线粒体内转送到线粒体内 参与体内正常物质代谢，如羟化、合成等参与体内正常物质代谢，如羟化、合成等 参与体内生理活性物质的灭活、药物或毒参与体内生理活性物质的灭活、药物或毒 物的解毒转化和代谢清除反应，保护机体物的解毒转化和代谢清除反应，保护机体1.加单氧酶（混合功能氧化酶、羟化酶）加单氧酶（混合功能氧化酶、羟化酶）RH+NADPH+H+O2 单加氧酶单加氧酶ROH+NADP+H2O一、微粒一、微粒体中的体中的氧化酶类氧化酶类上述反应需要上述反应需要细胞色素细胞色素P450(Cyt P450)参与参与2.加双氧酶加双氧酶O2色氨酸吡咯酶色氨酸吡咯酶色氨酸色氨酸甲酰犬尿氨酸甲酰犬尿氨酸 1 1、过氧化氢酶、过氧化氢酶2 2、过氧化物酶、过氧化物酶 RH2 +H2O2 R+2H2O 过氧化物酶过氧化物酶 2 H2O2 2 H2O+O2 过氧化氢酶过氧化氢酶二、二、过氧化物酶体中的过氧化物酶体中的氧化酶类氧化酶类学习要求学习要求一、掌握电子传递链的概念，组分，两条主要电一、掌握电子传递链的概念，组分，两条主要电子传递链的排列顺序子传递链的排列顺序二、掌握底物水平磷酸化与氧化磷酸化的概念，二、掌握底物水平磷酸化与氧化磷酸化的概念，掌握掌握ATP合成的偶联部位。熟悉合成的偶联部位。熟悉ATP合酶结构，合酶结构，ATP合成的偶联机理。熟悉影响氧化磷酸化的因素合成的偶联机理。熟悉影响氧化磷酸化的因素三、熟悉三、熟悉ATP循环，高能磷酸键类型，贮存和转循环，高能磷酸键类型，贮存和转移移四、掌握四、掌握NADH转运的两种穿梭机制。熟悉转运的两种穿梭机制。熟悉ATP/ADP转运转运五、熟悉过氧化物酶、五、熟悉过氧化物酶、SOD和加单氧酶。了解其和加单氧酶。了解其它氧化体系酶类它氧化体系酶类