(7.1.1)--生物氧化生物化学.pdf

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1、生生 物物 氧氧 化化Biological Oxidation糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 COCO2 2和和H H2 2O O O O2 2能量能量ADP+PiADP+PiATPATP热能热能概述概述*生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程2HCO2A TP A D P +P iO2H2O乙 酰 C oA C oA SH葡 萄 糖 甘 油、脂 肪 酸 氨 基 酸糖 原 脂 肪 蛋 白 质三 羧 酸 循 环第 一阶 段第 二阶 段第 三阶 段氧 化 磷 酸 化丙 酮 酸2H胞 液线 粒 体线粒体氧化体系线粒体氧化体系The Oxidation System of ATP ProducingThe

2、 Oxidation System of ATP Producing一、呼吸链的主要组分(oxidative respiratory chain)oxidative respiratory chain)oxidative respiratory chain(electron transport chain)http:/www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/metabolism/mido%20e%20transport.swf呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置四种复合体的排列关系四种复合体的排列关系NADHsucc

3、inate FMN（Fe-S）FAD（Fe-S）Cyt b,（Fe-S）CoQ Cyt aa3O2Cyt ccompex Icompex IIcompex IIIcompex IVc1一、复合体NADH泛醌还原酶将电子从还原型NADH传递给泛醌NADH FMN,Fe-SN1abFe-SN-4Fe-SN3Fe-SN2 CoQ21.1.烟酰胺核苷酸烟酰胺核苷酸 NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide Adenine Dinucleotide)，又叫又叫Co，主要作为呼吸链的一个组分，起递氢体作用；，主要作为呼吸链的一个组分，起递氢体作用；NADP+：烟酰胺腺

4、嘌呤二核苷酸磷酸：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate)，又叫，又叫Co，主要在还原性生物合成中作为供，主要在还原性生物合成中作为供氢体。氢体。二者的递氢部位是二者的递氢部位是烟酰胺烟酰胺部分，为部分，为Vit PP。R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+NAD+和和NADP+的结构的结构NAD+（NADP+）的递氢机制）的递氢机制（氧化型）（氧化型）NHC O N H2R+H +H+eNHC O N H2RH+H+N A D+/N A D P+N A D H/N A D PH（还原型）（还原型）2.2.黄素蛋白

5、黄素蛋白FMN：黄素单核苷酸：黄素单核苷酸(Flavin Mononucleotide)FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸：黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleotide)FMN和和FAD中中异咯嗪环异咯嗪环起起递氢体递氢体作用。作用。异咯嗪及核醇部分为异咯嗪及核醇部分为Vit B2（核黄素）。（核黄素）。FMN FMN结构结构C H2O HOPO HOCCHO HCHO HHO HCHHN HNNNOOH3CH3C1458910异咯嗪异咯嗪核醇核醇 C H2OOO HO HHHHC H2HOPO HONNNNN H2OPO HOCCHO HCHO HHO HCHHN HN

6、NNOOH3CH3C1458910FAD结构结构FMNFMN和和FADFAD递氢机制递氢机制 RN HNNNOOH3CH3CF M N/F A D1458910RN HNHHNNOOH3CH3C1458910+2HF M N H2/F A D H2（氧化型）（氧化型）（还原型）（还原型）3.3.铁硫蛋白铁硫蛋白(Iron-sulfur protein,(Iron-sulfur protein,Fe-S)Fe-S)又叫铁硫中心或铁硫簇。又叫铁硫中心或铁硫簇。含有等量铁原子和硫原子。含有等量铁原子和硫原子。铁除与硫连接外，还与肽链中铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的巯基连接。残基的巯基连接。铁

7、原子可进行铁原子可进行Fe2+Fe3+e 反应传递电子，反应传递电子，为为单电子传递体单电子传递体。F eF eSSSF eF eSSSSSC ysC ysC ysC ysSF eSF eSSSSC ysC ysC ysC ys 泛醌泛醌 (ubiquinone,UQ)(ubiquinone,UQ)即辅酶即辅酶Q（Coenzyme Q，CoQ），属于脂溶性醌类化合物，带有），属于脂溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链。多个异戊二烯侧链。因其为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜中分离出来，因此不因其为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜中分离出来，因此不包含在四种复合体中。包含在四种复合体中。分子

8、中的苯醌结构能可逆地结合分子中的苯醌结构能可逆地结合2个个H，为，为递氢体递氢体。isoprene H2CCCC H2C H3HOOH3C OH3C OC H3(C H2CHCC H3C H2)nHC oQ OOCH3OCH3CH3ORO HO HCH3OCH3CH3OR+2H 泛泛 醌醌（氧氧 化化 型型）二二 氢氢 泛泛 醌醌（还还 原原 型型）NADH+H+NAD+FMN FMNH22Fe2+-S 2Fe3+-S CoQCoQH2 复合体复合体NADH CoQ FMN;Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3;Fe-SN-2 结合结合NADH,并将其氧化为并将其氧化为NAD+

9、;将电子传递给泛醌将电子传递给泛醌,使使4H+释放入内外膜释放入内外膜间隙间隙.二.复合体II：琥珀酸泛醌还原酶功能：将电子从琥珀酸传递给泛醌琥珀酸 FAD FeS1 CoQ FeS2 FeS3组成：组成：u 以以FADFAD为辅基的黄素蛋白，为辅基的黄素蛋白，u 2 2个铁硫蛋白个铁硫蛋白作用：作用：催化电子从琥珀酸转至辅酶催化电子从琥珀酸转至辅酶Q Q，但不转移质子。但不转移质子。电子传递的方向为：琥珀酸电子传递的方向为：琥珀酸FADFe-SQFADFe-SQ。复合体复合体琥珀酸 CoQFe-S1;FAD;Fe-S2;Fe-S3 琥珀酸 延胡索酸 FAD FADH22Fe2+-S 2Fe3

10、+-S QQH2u包含细胞色素包含细胞色素b b（b b562562、b b566566）、）、细胞色素细胞色素c c1 1和一个铁硫蛋白。和一个铁硫蛋白。u催化电子从辅酶催化电子从辅酶Q Q传给细胞色传给细胞色素素c c，铁铁-原卟啉原卟啉IX，与血红素相同，与血红素相同甲酰基取代甲酰基取代聚异戊二烯链聚异戊二烯链 细胞色素类（细胞色素类（Cytochrome,CytCytochrome,Cyt）是一类含血红素样辅基的电子传递蛋白。是一类含血红素样辅基的电子传递蛋白。根据吸收光谱和最大吸收波长不同，呼吸链中的细胞色素分为根据吸收光谱和最大吸收波长不同，呼吸链中的细胞色素分为a、b、c、三类。

11、结构差别在于铁卟啉的侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接、三类。结构差别在于铁卟啉的侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接的方式不同。的方式不同。Cyt b的铁卟啉与血红素相同的铁卟啉与血红素相同,称为血红素称为血红素b；Cyt c与与Cyt a的铁卟啉为血红素的铁卟啉为血红素a。分子中的分子中的铁铁通过氧化还原而传递电子，为通过氧化还原而传递电子，为单电子传递体单电子传递体。u质子泵功能质子泵功能:每转移一对电子，同时每转移一对电子，同时将将4 4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。个质子由线粒体基质泵至膜间隙。电子传递过程：Q循环：循环：每每2分子分子QH2通过循环生成通过循环生成1分子分子QH2，将，将2个电子

12、传给个电子传给Cyt c1,并向膜间隙释放并向膜间隙释放4个个H+每个单体由至少每个单体由至少1313个亚基，其中个亚基，其中I-IIII-III由线粒体基因编码：由线粒体基因编码：亚基亚基I I包含包含CytaCyta、CytaCyta3 3）和）和 一个铜蛋白一个铜蛋白(Cu(CuB B)亚基亚基包含两个铜离子包含两个铜离子,称称CuCuA A 亚基亚基 位于位于I I另一侧，功能尚不了解。另一侧，功能尚不了解。I-III含所有必需的离子位点，其他10个亚基起调节作用。VI复合体电子传递过程：CuB和Cyta3的Fe定位接近，且共结合同一配体，形成称为双核中心的功能单元。CuCuA A a

13、 a CuCuB B a a3 3Cyt cCyt cO O2 2双核中心双核中心 VI复合体的质子泵功能：每2个电子传递过程使2个H+跨 内膜向胞质侧转移。NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链1.NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 两条氧两条氧化呼吸链化呼吸链2.FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链 CoQC y t b c1 ca a3O2 F A D（F e-S）琥 珀 酸复合体复合体II线粒体内重要代谢物氧化的途径线粒体内重要代谢物氧化的途径NADHFMN（F e-S）c1 caa3O2 F A D（F e-S）琥 珀 酸-磷 酸 甘 油CoQC yt b苹 果 酸-羟 脂

14、 酰 C oA-羟 丁 酸异 柠 檬 酸谷 氨 酸FAD硫 辛 酸 丙 酮 酸-酮 戊 二 酸FAD 脂 酰 C oAATP的生成、利用与储存的生成、利用与储存（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。核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDP ADP+UTPATP+CDP ADP+CTPATP+GDP ADP+GTP腺苷酸激酶的作用 ADP+ADP ATP+AMPATP是体内能量转移和磷酸核苷化合物相互转变的核心 ATP

15、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。ATP的生成、储存和利用的生成、储存和利用ATP ADP 肌酸 磷酸肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 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。（二）（二）ATPATP的生成的生成 氧化磷酸化氧化磷酸化体内体内ATP生成的方式：生成的方式：氧化磷酸

16、化氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指由代谢物脱是指由代谢物脱下氢，经氧化下氢，经氧化呼吸链电子传递释放能量，偶联驱动呼吸链电子传递释放能量，偶联驱动ADP磷酸化，磷酸化，生成生成ATP，又称为，又称为偶联磷酸化偶联磷酸化。底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substrate level phos-phorylation)ATP的生成与脱氢反应偶联，直接将高能代谢产物分子中的能量转的生成与脱氢反应偶联，直接将高能代谢产物分子中的能量转移至移至ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程。的过程。1.1.氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位即即ATP生成的部位。生成的部位。

17、P/O比值比值：是指物质氧化时，每消耗：是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数，即生成摩尔数，即生成ATP的摩尔数。的摩尔数。线粒体离体实验线粒体离体实验测得的一些底物的测得的一些底物的P/O比值比值底底 物物呼吸链的组成呼吸链的组成P/O比值比值生成生成ATP数数-羟丁酸羟丁酸NAD+O22.42.83琥珀酸琥珀酸FAD O21.72抗坏血酸抗坏血酸Cyt cO20.881细胞色素细胞色素CCyt aa3O20.610.681 NADH氧化呼吸链存在氧化呼吸链存在3个个偶联部位，偶联部位，P/O比值等于比值等于2.5，即产生，即产生2.5molAT

18、P。琥珀酸氧化呼吸链存在琥珀酸氧化呼吸链存在2个个偶联部位，偶联部位，P/O比值等于比值等于1.5，即产生，即产生1.5molATP。三个偶联部位：三个偶联部位：NADH与CoQ之间；CoQ与Cyt c之间；Cyt aa3与氧之间。ATPATP ATP 2.自由能变化自由能变化(G0)：大于大于30.5kJ即可生成即可生成1摩尔摩尔ATP。G0nFE0NADHFMN（F e-S）CoQC yt bC yt c1C yt cC yt aa3O2 F A D（F e-S）琥 珀 酸能 量A D P +P iATP能 量A D P +P iATP能 量A D P +P iATP-0.32-0.22+

19、0.04+0.08+0.23+0.25+0.29+0.820.36V0.21V0.53V69.5kJ/mol40.5kJ/mol102.3kJ/mol生成每摩尔ATP需能约30.5kJ,以上三处足够提供生成ATP所需能量。69.540.5 102.3 2.2.氧化磷酸化的偶联机制氧化磷酸化的偶联机制1.化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)Peter Mitchell提出，1978年获诺贝尔化学奖电子经呼吸链传递时，可将质子（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）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

20、子顺浓度梯到内膜胞浆侧，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度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜+-H+O2 H2O H+e-ADP+Pi ATP 化学渗透假说简单示意图化学渗透假说简单示意图复合体复合体、均有质子泵作用均有质子泵作用4 H+4 H+4 H+4 H+2 H+2 H+内膜表面基质NADHHNAD琥珀酸延胡索酸O22H+H2O ATP合酶合酶即复合体即复合体。位于线粒体内膜的基质侧。位于线粒体内膜的基质侧。ATPATP合酶合酶 F0：为疏水蛋白质，是镶嵌在线粒体内膜中的质子通道，由：为疏水蛋白质，是镶嵌在线粒体内膜

21、中的质子通道，由a1b2c9-12亚基构成。亚基构成。F1：为亲水蛋白质，由：为亲水蛋白质，由 3 3等亚基组成，催化生成等亚基组成，催化生成ATP。OSCP：寡霉素敏感相关蛋白，位于：寡霉素敏感相关蛋白，位于F0与与F1之间，使之间，使ATP合酶在寡霉素合酶在寡霉素存在时不能生成存在时不能生成ATP。ATP合酶结构模式图合酶结构模式图当氢顺浓度梯度经当氢顺浓度梯度经F0回流时，亚基发生旋转，亚基构象发生改回流时，亚基发生旋转，亚基构象发生改变变,T型变成型变成O型。释放型。释放ATP。化学计算估计每生成化学计算估计每生成1分子分子ATP需需3个个H从线粒体内膜外侧回流从线粒体内膜外侧回流进入

22、基质中。进入基质中。ATP合酶的工作机制合酶的工作机制ATP4-F0 F1 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 腺苷酸腺苷酸转运蛋白转运蛋白磷酸磷酸转运蛋白转运蛋白 ADP3-H2PO4-ATP4-3H+3H+H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-每分子每分子ATP在线粒体中生成并转运到胞浆需在线粒体中生成并转运到胞浆需4个个H回流进入线回流进入线粒体基质中粒体基质中 NADH氧化呼吸链每传递氧化呼吸链每传递2H仅生成仅生成 2.5分子分子ATP到线粒体到线粒体外被利用。外被利用。FADH2氧化呼吸链每传递氧化呼吸链每传递2H仅生成仅生成 1.5分子分子ATP到线粒到线粒体外被利用。体外

23、被利用。影响氧化磷酸化的因素影响氧化磷酸化的因素1）.呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。阻断呼吸链中某些部位电子传递。复合体复合体 抑制剂抑制剂 复合体复合体I（Fe-S）鱼藤酮、粉蝶霉素、异戊巴比妥鱼藤酮、粉蝶霉素、异戊巴比妥复合体复合体III（Cytb、Cytc1）抗霉素、二巯基丙醇抗霉素、二巯基丙醇 yt氧化酶氧化酶（CytC）、此类抑制剂使此类抑制剂使细胞内呼吸停止，细胞内呼吸停止，引起机体迅速死亡。引起机体迅速死亡。抑制剂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-及及H2S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抑制剂

24、抑制剂2）.解偶联剂 使氧化与磷酸化偶联过程脱离。二硝基苯酚，基质侧释出H+，胞质侧结合H+解偶联蛋白，可形成质子通道，H+通过释放热能3）.ATP合酶抑制剂 对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素结合F0，阻断质子回流 解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能 ADP+Pi ATP 寡霉素寡霉素(oligomycin)可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回流，抑制质子通道回流，抑制ATP生成生成寡霉素五、细胞质中五、细胞质中NADHNADH的转运与氧化的转运与氧化线粒体外膜

25、通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要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依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。对各种物质的转运。胞浆中胞浆中NADHNADH的氧化的氧化胞浆中胞浆中NADH必须经一定必须经一定转运机制转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。氧化磷酸化。转运机制转运机制主要有主要有-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭(malate-asparate shuttle)-磷酸甘油穿梭1.5ATP苹果酸穿梭2.5ATP1.-1.-磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中2.苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭机制机制（肝和心肌）肝和心肌）2.5ATP2.5ATP糖的生理功能糖的生理功能1）最主要的能量来源，）最主要的能量来源，70-80%的能量来源是糖的代谢的能量来源是糖的代谢2）碳碳的的主要主要来源来源3）组成糖蛋白、糖脂及细胞外基质等行使生理功能）组成糖蛋白、糖脂及细胞外基质等行使生理功能谢谢谢谢