05 第五章生物氧化.ppt

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1、第第第第 五五五五 章章章章生生 物物 氧氧 化化Biological Oxidation第一节第一节 概述概述Introduction生生物物氧氧化化(biological oxidation)：主主要要指指糖糖、脂脂肪肪、蛋蛋白白质质等等在在体体内内分分解解时时逐逐步步释释放放能能量量，最最终终生生成成CO2 和和 H2O的的过过程程。此此过过程程需需耗耗氧氧、排排出出CO2，又又在在活活细细胞胞内内进进行行，故故又又称称细细胞胞呼吸呼吸(cellular respiration)。糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2+H2O+能量能量O2ADP+PiATP生物氧化的一般过程生物氧化的一般

2、过程物质代谢物质代谢 能量代谢能量代谢 一、生物氧化的特点一、生物氧化的特点v生物氧化发生于比较温和的反应条件。v生物氧化过程由酶催化，能量可以逐步释放。v生物氧化过程中产生得CO2来自有机酸脱羧反应，而H2O则由底物脱下的氢经电子传递过程最后与氧结合而生成。v生物氧化的速率可受到体内外环境中各种因素的调控。二、体内物质氧化的方式及催化的酶类二、体内物质氧化的方式及催化的酶类v生物氧化是物质氧化还原的过程。v体内氧化最常见的方式是脱电子及脱氢，如：乳酸脱氢成丙酮酸；失电子反应如Fe2+脱电子成Fe3+。v参与生物体内氧化反应的酶类有氧化酶类、需氧脱氢酶、不需氧脱氢酶、加氧酶和过氧化物酶体系等。

3、第二节第二节 ATP与能量代谢与能量代谢 ATP and Energy metabolism一、一、ATPvATP是由腺嘌呤、核糖和三个磷酸组成的游离的单核苷酸。u高能磷酸键高能磷酸键水解时释放的能量大于水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯的磷酸酯键，常表示为键，常表示为 P。u高能磷酸化合物高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物含有高能磷酸键的化合物高能磷酸键与高能磷酸化合物高能磷酸键与高能磷酸化合物二、二、ATP的生成方式的生成方式v底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)是代谢中间物氧化时将能量直接交给ADP磷酸化生成ATP的过

4、程。v氧化磷酸化氧化磷酸化(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 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利生物体内能量的储存和利用都以用都以ATP为中心。为中心。ATP循环循环 三、高能键的转移和储存三、高能键的转移和储存vUTP、CTP、GTP的生成v 核苷二

5、磷酸激酶催化v vADP的转化v 腺苷酸激酶催化v磷酸肌酸的生成v 肌酸激酶催化 核苷二磷酸激酶的作用核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDP ADP+UTPATP+CDP ADP+CTPATP+GDP ADP+GTP腺苷酸激酶的作用腺苷酸激酶的作用 ADP+ADP ATP+AMP肌酸激酶的作用肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种储存形式。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种储存形式。第三节第三节氧化磷酸化氧化磷酸化Oxidative Phosphorylation 呼吸链定义呼吸链定义代代谢谢物物脱脱下下的的成成对对氢氢原原子子（2H）通通过过多多种种酶酶和和辅辅酶酶所所催催化化的的

6、连连锁锁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)又又称称电电子子传传递递链链(electron transfer chain)。呼吸链呼吸链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、呼吸链一、呼吸链的组成的组成四种具有传递电子功能的酶复合体四种具有传递电子功能的酶复合体(complex)*泛醌泛醌 和和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中均不包含在上述四种复合体中人线粒体呼吸链复合体人线粒体呼吸链复合体呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各复合体

7、在线粒体内膜中的位置 Cytc Q NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-1.复合体复合体:NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶u 功能功能:将电子从将电子从NADH传递给泛醌传递给泛醌(ubiquinone)复合体复合体NADH CoQ FMN;Fe-SNAD+和和NADP+的结构的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+NAD+（NADP+）和和NADH（NADPH）相互转变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。氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。FMN结

8、结构构中中含含核核黄黄素素，发发挥挥功功能能的的部部位位是是异异咯咯嗪嗪环环，氧氧化化还还原原反反应应时时不不稳稳定定中中间间产产物物是是FMN。铁铁硫硫蛋蛋白白中中辅辅基基铁铁硫硫簇簇(Fe-S)含含有有等等量量铁铁原原子子和和硫硫原原子子，其其中中铁铁原原子子可可进进行行Fe2+Fe3+e 反应传递电子。反应传递电子。表示无机硫表示无机硫；Pr表示蛋白质；表示蛋白质；Cys表示半胱氨酸残基表示半胱氨酸残基 泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊烯连接形由多个异戊烯连接形成较长的疏水侧链（人成较长的疏水侧链（人CoQ10），），脂溶性脂溶性,在膜中在膜中可流动。可流动。不固定于复合体

9、，呈游离状态。不固定于复合体，呈游离状态。氧化还氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。2.复合体复合体:琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶u 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 复合体复合体琥珀酸琥珀酸 CoQFAD;Fe-S;b560细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子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。传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。细 胞 色 素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 u 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 复

10、合体复合体QH2 Cyt c b562;b566;Fe-S;c14.复合体复合体:细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶u 功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧 复合体复合体还原型还原型Cyt c O2Cyt aa3 由以下实验确定由以下实验确定 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 拆开和重组拆开和重组 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧二、两条呼吸链中电子传递体的排列顺序二、两条呼吸链中电子传递体的排列顺序呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位 氧化还原对E0（V）氧化还原对E0（V）NADNA

11、DHH+-0.32Cyt c1 Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2-0.30Cyt c Fe3+/Fe2+0.25FAD/FADH2-0.06Cyt a Fe3+/Fe2+0.29Cyt b Fe3+/Fe2+0.04(或0.10)Cyt a3 Fe3+/Fe2+0.55Q10/Q10H20.071/2O2/H2O0.821.NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O22.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸

12、链三、胞液中三、胞液中NADH的氧化的氧化v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进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。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)-磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制 脑、骨骼肌脑、骨骼肌苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭机制机制肝、心肌肝、心肌四、氧化磷酸化的偶联四、氧化磷酸化的偶联v氧化磷酸化是体内生成氧化磷酸化是体内生成ATPATP最主要的方式。最

13、主要的方式。v代谢物氧化脱下的氢经呼吸链传递给氧代谢物氧化脱下的氢经呼吸链传递给氧生成水的过程中，释放的能量大部分被生成水的过程中，释放的能量大部分被用来使用来使ADPADP磷酸化产生磷酸化产生ATPATP，即，即呼吸链电呼吸链电子传递过程与子传递过程与ADPADP磷酸化相偶联磷酸化相偶联。氧化磷酸化偶联部位：氧化磷酸化偶联部位：复合体复合体、根据自由能变化和根据自由能变化和P/O比值比值G=-nFE（一）氧化磷酸化偶联部位（一）氧化磷酸化偶联部位vP/O比值是指每消耗比值是指每消耗1mol氧原子所消耗的无氧原子所消耗的无机磷的机磷的mol数。数。v1mol氧原子氧化生成氧原子氧化生成1mol

14、水的氧化磷酸化水的氧化磷酸化过程中，过程中，ADP磷酸化产生磷酸化产生ATP时消耗无机磷时消耗无机磷酸，无机磷的消耗量可反映酸，无机磷的消耗量可反映ATP的生成数。的生成数。P/O比值比值注：近年的实验确定，注：近年的实验确定，NADH呼吸链呼吸链P/O比值大约为比值大约为2.5；琥珀酸呼吸链琥珀酸呼吸链P/O比值约为比值约为1.5。ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位（二）氧化磷酸化的偶联机制（二）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)电电子子经经呼呼吸吸链链传传递递时时，可可将将质质子子（H+）从从线线粒粒

15、体体内内膜膜的的基基质质侧侧泵泵到到内内膜膜胞胞浆浆侧侧，产产生生膜膜内内外外质质子子电电化化学学梯梯度度储储存存能能量量。当当质质子子顺顺浓浓度度梯度回流时驱动梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。化学渗透假说简单示意图化学渗透假说简单示意图vATP合酶由嵌入内膜中疏水的合酶由嵌入内膜中疏水的F0部分和突出于线部分和突出于线粒体基质中亲水的粒体基质中亲水的F1部分组成，因此又称为部分组成，因此又称为F0F1复合体。复合体。vF0由由a1b2c912多个亚基组成，其中多个亚基组成，其中c亚基形成环状亚基形成环状结构镶嵌在内膜中，构成结构镶嵌在内膜中，构成H通道。通道。vF1主要由主要由3

16、3亚基构成，其功能是催化亚基构成，其功能是催化ATP生生成成。v催化部位在催化部位在亚基中，但亚基中，但亚基必须与亚基必须与亚基结合亚基结合才有活性。才有活性。2.ATP合酶合酶（ATP synthase）ATP合酶合酶ATP合酶结构模式图合酶结构模式图 F1:(33 亚基亚基)F0:(a1b2c912亚基亚基)vBoyerBoyer提出了结合变化机制提出了结合变化机制v 亚基亚基 变构：变构：亚基由于亚基由于 亚基的转动而改变构象，从而改变对亚基的转动而改变构象，从而改变对ADPADP及及ATPATP的亲和力的亲和力v 在获得能量时：在获得能量时：合成合成ATPATP，释放释放ATPATPv

17、 能量：能量：H H+顺梯度流向基质时释放顺梯度流向基质时释放ATP合成的机制合成的机制当当H+顺顺浓浓度度递递度度经经F0中中a亚亚基基和和c亚亚基基之之间间回回流流时时，亚亚基基发发生生旋旋转转，3个个亚亚基基的的构构象象发发生生改变。改变。ATP合酶的工作机制合酶的工作机制vADP的调节作用的调节作用v甲状腺激素甲状腺激素v抑制剂抑制剂v线粒体线粒体DNA突变突变（三）影响氧化磷酸化的因素（三）影响氧化磷酸化的因素 1.ADP的调节作用的调节作用v 呼吸链电子传递和呼吸链电子传递和ATPATP生成的偶联关系是相互生成的偶联关系是相互依赖的。依赖的。v 呼吸控制率呼吸控制率(respira

18、tory control ratio,(respiratory control ratio,RCR):RCR):加入加入ADPADP后的耗氧速率与仅有底物时耗氧速后的耗氧速率与仅有底物时耗氧速率之比。率之比。2.甲状腺激素的调节作用甲状腺激素的调节作用v促进促进MitMit的的氧化磷酸化，氧化磷酸化，ATPATP生成生成 v甲状腺激素诱导甲状腺激素诱导NaNa+-K-K+ATPATP酶和解偶联蛋酶和解偶联蛋 白基因表达均增加，白基因表达均增加，使使ATPATPADP+PiADP+Pi v总效应：总效应：ATPATP合成合成，ATPATP分解也分解也，表现为氧耗表现为氧耗，产热，产热 v甲亢：易

19、热，易喘，情绪激动甲亢：易热，易喘，情绪激动v电子传递抑制剂电子传递抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电阻断呼吸链中某些部位电 子传递。子传递。v氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 对电子传递及对电子传递及ADP磷酸磷酸 化均有抑制作用。化均有抑制作用。如：寡霉素如：寡霉素v 解偶联剂解偶联剂 使氧化与磷酸化偶联过程脱离。使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：二硝基苯酚如：二硝基苯酚 3.抑制剂抑制剂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 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 线粒体线粒体DNA(mitochondial DNA)氧自由基氧自由基 氧化磷酸化氧化磷酸化 突变突变 ATP 呼吸链及线粒呼吸链及线粒 体蛋白质合成体蛋白质合成 mtDNA病病v线粒体线粒体DNA病与衰老有关。病与衰老有关。线粒体线粒体DNA突变突变 谢谢 谢！谢！