生物氧化-2.ppt

《生物氧化-2.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物氧化-2.ppt（45页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、Southern Medical Southern Medical UniversityUniversity基因工程研究所基因工程研究所生生 物物 氧氧 化化(biological oxidation)(biological oxidation)南方医科大学基因工程研究所南方医科大学基因工程研究所生物化学与分子生物学教研室生物化学与分子生物学教研室Southern Medical Southern Medical UniversityUniversity基因工程研究所基因工程研究所1.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.FADH2氧

2、化呼吸链氧化呼吸链 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O2（二）氧化呼吸链组分的排列顺序（二）氧化呼吸链组分的排列顺序 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（由低到高）（由低到高）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氧化还原对E0(V)氧化还原对氧化还原对E0(V)NAD+/NADN+H+0.32Cyt c1 Fe3+/Fe2+0.22FAD/FADH20.22Cyt a Fe3+/Fe

3、2+0.29FMN/FMNH20.30Cyt c Fe3+/Fe2+0.25Cyt bL(bH)Fe3+/Fe2+0.07(0.10)Cyt a3 Fe3+/Fe2+0.55Q/QH20.101/2O2/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.FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链 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O2 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 QH2 Q 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 QH2 Q NADH+H+NAD+4H+4H+4H+4

4、H+Cytcox Cytcox Cytcred Cytcred 2H+2H+氧化呼吸链各组分在线粒体内膜中的位置及排列顺序氧化呼吸链各组分在线粒体内膜中的位置及排列顺序FMN FMNH2QQH2NAD+SH2NADH+H+SCyt-Fe2+Cyt-Fe3+2e2H+(b-c1)Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+c2eCyt-Fe2+Cyt-Fe3+(a-a3)2e O2O2-H2O延胡索酸延胡索酸FADH2琥珀酸琥珀酸FADQH2Q2eNADH氧化呼吸链氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链或或 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链四、氧化磷酸化四、氧化磷酸化*定义定义氧化磷酸化氧化磷酸化(oxi

5、dative phosphorylation)是指在呼吸链电子传递过是指在呼吸链电子传递过程中偶联程中偶联ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP，又称为，又称为偶偶联磷酸化联磷酸化。两个过程的偶联：两个过程的偶联：即即还原当量的氧化过程还原当量的氧化过程和和ADP磷酸化过程磷酸化过程 氧化磷酸化是体内氧化磷酸化是体内ATP生成的主要方式生成的主要方式（一）氧化磷酸化偶联部位 根据根据P/O比值比值和和自由能变化自由能变化，可以大致确定氧化磷酸化的偶联部可以大致确定氧化磷酸化的偶联部位，即位，即ATP生成的部位。生成的部位。P/O比值比值 指物质氧化时，每消耗指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗摩尔

6、氧原子所消耗无机磷的摩尔数（或无机磷的摩尔数（或ADP摩尔数），即生成的摩尔数），即生成的ATP数。数。ADP+Pi ATP2H OH2On nnn 根据上述实验结果，推定根据上述实验结果，推定NADH与与CoQ之间之间（复合体（复合体I），CoQ与与Cyt c之间（复合体之间（复合体III）和和复复合体合体IV存在着偶联部位存在着偶联部位线线粒粒体体离离体体实实验验测测得得的的一一些些底底物物的的P/O比比值值底底 物物呼呼吸吸链链的的组组成成P/O比比值值可可能能生生成成的的 ATP数数 -羟羟丁丁酸酸NAD+复复合合体体CoQ复复合合体体2.5 2.5Cyt c复复合合体体O2琥琥珀珀酸

7、酸复复合合体体CoQ复复合合体体 1.5 1.5Cyt c复复合合体体O2抗抗坏坏血血酸酸Cyt c复复合合体体O20.88 1 细细胞胞色色素素c(Fe2+)复复合合体体O20.61 -0.68 1自由能变化自由能变化 根据热力学公式，根据热力学公式，pH 7.0时标准自由能变时标准自由能变化化(G0)与还原电位变化与还原电位变化(E0)之间有以下之间有以下关系：关系：G=-nFEn为传递电子数；为传递电子数；F为法拉第常数为法拉第常数(96.5kJ/molV)ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位电子传递链自由能变化电子传递链自由能变化 （二）氧化磷酸化偶联机制（二）氧

8、化磷酸化偶联机制 其基本要点是：呼吸链中复合体其基本要点是：呼吸链中复合体、具有质子泵功能，电子经呼吸链传递时，可将质具有质子泵功能，电子经呼吸链传递时，可将质子（子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到胞浆侧，由）从线粒体内膜的基质侧泵到胞浆侧，由于内膜对质子的不通透特性，造成膜内、外质子于内膜对质子的不通透特性，造成膜内、外质子电化学梯度，以此储存能量。当质子顺梯度回流电化学梯度，以此储存能量。当质子顺梯度回流时驱动时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；线粒体内膜对线粒体内膜对H+、OH、K、Cl离子是不通离子是不通透的；

9、透的；电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定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；的跨内膜电化学梯度；增加线粒体内膜外侧酸性可导致增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而线合成，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，但度，结果电子虽可以传递，但ATP生成减少。生成减少。化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。线粒体基质线粒体基质 线粒体内膜线粒体内膜+-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2.ATP合酶合

10、酶(ATP synthase)复合体复合体VATP合酶结构组成合酶结构组成n F1：亲水部分：亲水部分（动物：（动物：33亚基复合体，亚基复合体，OSCP、IF1 亚基），线粒体内膜的基质侧颗粒状亚基），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，突起，催化催化ATP合成合成。n FO：疏水部分：疏水部分（ab2c912亚基，动物还有其他辅亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质跨内膜质子通道子通道ATP合酶（合酶（ATP synthase）结）结构模式图构模式图当当H+顺顺浓浓度度递递度度经经Fo中中a亚亚基基和和c亚亚基基回回流流时时，亚亚基基发发

11、生生旋旋转转，3个个亚亚基基的的构构象发生改变。象发生改变。open:开放型开放型loose:疏松型疏松型tight:紧密型紧密型ATP合酶的工作机制 F0 F1 Cyt c Q 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+胞液侧胞液侧 基质侧基质侧+-化学渗透假说详细示意图化学渗透假说详细示意图五、影响氧化磷酸化的因素五、影响氧化磷酸化的因素（一）氧化磷酸化抑制剂（一）氧化磷酸化抑制剂（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（2）解偶联剂解偶联剂 破坏内膜两侧的质子电化学

12、梯度，从而使破坏内膜两侧的质子电化学梯度，从而使 氧化与氧化与磷酸化偶联过程脱离磷酸化偶联过程脱离（3）ATP合酶抑制剂合酶抑制剂 复合体复合体抑制剂：抑制剂：鱼藤酮鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素、粉蝶霉素A(piericidin A)及异戊巴比妥及异戊巴比妥(amobarbital)等等阻断传递电子到阻断传递电子到泛醌泛醌。复合体复合体的抑制剂：萎锈灵的抑制剂：萎锈灵(carboxin)。复合体复合体抑制剂：抑制剂：抗霉素抗霉素A(antimycin A)阻断阻断Cyt bH传递电子传递电子到泛醌到泛醌(QN)；粘噻唑菌醇则作用；粘噻唑菌醇则作用QP位点位点。复合体复合体 抑制剂：抑制

13、剂：CN、N3紧密结合氧化型紧密结合氧化型Cyt a3，阻断电阻断电子由子由Cyt a到到CuB-Cyt a3间传递间传递。CO与还原型与还原型Cyt a3结合，结合，阻断电子传递给阻断电子传递给O2。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NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2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 萎锈灵萎锈灵解偶联蛋白（解偶联蛋白（UCP1）作用机制）作用机制（棕色脂肪组织线粒体）（棕色脂肪组织线粒体

14、）F F0 0 F F1 1 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 H H+H H+ADP+Pi ATP 问题：问题：给实验大鼠注射给实验大鼠注射DNP（二硝基苯酚）后大鼠体温明显升（二硝基苯酚）后大鼠体温明显升高，其机制何在？高，其机制何在？注：注：DNP为脂溶性物质，可使线粒体内膜通透性增高为脂溶性物质，可使线粒体内膜通透性增高答案：答案：DNP为解偶联物质，破坏破坏内膜两侧的为解偶联物质，破坏破坏内膜两侧的 质子电化学梯度，从而使氧化与磷酸化质子电化学梯度，从而使氧化与磷酸化 偶联过程脱离，能量以热的形式释放。偶联过程脱离，能量以热的形式释放。寡霉素寡霉

15、素(oligomycin)可阻止质子从可阻止质子从Fo质子通道回流，抑制质子通道回流，抑制ATP生成生成 F F0 0 F F1 1 Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 H H+H H+ADP+Pi ATP（二）（二）ADP的调节作用的调节作用呼吸控制呼吸控制(respiratory control)（三）甲状腺激素（三）甲状腺激素Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。酶和解偶联蛋白基因表达均增加。（四）线粒体（四）线粒体DNA突变突变 与线粒体与线粒体DNA病及衰老有关。病及衰老有关。第三节第三节 氧化应激与疾病氧化应激与疾病Relationships between Oxid

16、ative Stress and Diseases 的产生与消除的产生与消除体内体内 的产生的产生 等对机体细胞的影响等对机体细胞的影响机体对机体对 等的清除等的清除细胞内活性氧代谢异常相关的疾病细胞内活性氧代谢异常相关的疾病肿瘤肿瘤心脑血管疾病心脑血管疾病糖尿病糖尿病神经退行性疾病神经退行性疾病O2O2O2O2 体内生物氧化过程中可产生一系列氧化功能很体内生物氧化过程中可产生一系列氧化功能很强的化合物，如活性氧强的化合物，如活性氧(reactive oxygen species，ROS)和活性氮和活性氮(reactive nitrogen species，RNS)。ROS包括包括 (超氧阴离

17、子自由基超氧阴离子自由基)、HO(羟自由羟自由基基)、H2O2等。等。NOS包括包括NO(一氧化氮自由基一氧化氮自由基)、NO2(二氧化二氧化氮自由基氮自由基)和和ONO (过氧化亚硝酸盐自由基过氧化亚硝酸盐自由基)等等O2O ROS和和RNS这些高活性分子化学性质活泼，这些高活性分子化学性质活泼，可引起蛋白质、可引起蛋白质、DNA等生物大分子的氧化损伤，等生物大分子的氧化损伤，甚至破坏细胞的正常结构和功能，从而引起相甚至破坏细胞的正常结构和功能，从而引起相应疾病。应疾病。机体可以通过抗氧化酶及时清除活性氧，防机体可以通过抗氧化酶及时清除活性氧，防止其累积造成有害影响。止其累积造成有害影响。一

18、、一、的产生与消除的产生与消除O2（一）体内（一）体内 的产生的产生O2O2 H2O2 HO H2Oe e+2H+e+H+e+H+H2OO21.微粒体、线粒体酶系催化生成微粒体、线粒体酶系催化生成加单氧酶加单氧酶QH和和 电子泄漏电子泄漏2.胞质酶系催化生成胞质酶系催化生成如黄嘌呤氧化酶如黄嘌呤氧化酶3.细菌感染诱发生成细菌感染诱发生成NADPH氧化酶氧化酶 QFe3+O22-细胞色素细胞色素P450循环循环（二）（二）等对细胞的影响等对细胞的影响O2 有利作用：有利作用：1.参与羟化反应，促进生物转化参与羟化反应，促进生物转化2.参与物质代谢参与物质代谢3.杀菌作用杀菌作用4.参与细胞信号传

19、递参与细胞信号传递 有害影响：有害影响：1.引起细胞膜磷脂的不饱和脂肪酸氧化或过氧引起细胞膜磷脂的不饱和脂肪酸氧化或过氧化，造成膜性损伤化，造成膜性损伤2.结合结合DNA，使，使DNA突变突变3.破坏细胞内含巯基的蛋白质破坏细胞内含巯基的蛋白质4.氧化载脂蛋白及磷脂，导致胆固醇转运障碍氧化载脂蛋白及磷脂，导致胆固醇转运障碍5.使吞噬细胞衰竭、死亡，加重炎症反应过程使吞噬细胞衰竭、死亡，加重炎症反应过程6.促进脂褐素生成促进脂褐素生成（三）机体对（三）机体对 等的清除等的清除O21.抗氧化酶的作用抗氧化酶的作用 超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、过

20、氧化氢酶及过氧化物酶可催化清除过氧化氢酶及过氧化物酶可催化清除O2 H2O+O2 过氧化氢酶过氧化氢酶 +2H+SODH2O2+O2 O22 谷胱甘肽谷胱甘肽过氧化物酶过氧化物酶 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此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤 谷胱甘肽谷胱甘肽还原酶还原酶 *含硒的谷胱甘肽过氧化物酶含硒的谷胱甘肽过氧化物酶 维生素维生素E、维生素、维生素C和泛醌等小分子和泛醌等小分子有机化合物也可清除有机化合物也可清除2.小分子抗氧化物的作用小分子抗氧化物的作用O2 这些化合物均具有还

21、原性，可提供电这些化合物均具有还原性，可提供电子给子给ROS，从而消除其强氧化性。，从而消除其强氧化性。二、细胞内活性氧代谢异常相关疾病二、细胞内活性氧代谢异常相关疾病（一）肿瘤（一）肿瘤（二）心脑血管疾病（二）心脑血管疾病（三）糖尿病（三）糖尿病（四）神经退行性疾病（四）神经退行性疾病1.生物氧化、呼吸链、氧化磷酸化和底物水平生物氧化、呼吸链、氧化磷酸化和底物水平磷酸化的概念磷酸化的概念2.呼吸链的组成和排列顺序呼吸链的组成和排列顺序3.影响氧化磷酸化的因素影响氧化磷酸化的因素【掌握掌握】1.线粒体内膜对物质的转运线粒体内膜对物质的转运2.生物氧化的酶类生物氧化的酶类【熟悉熟悉】1.化学渗透假说化学渗透假说2.氧化应激与疾病氧化应激与疾病【了解了解】小 结