生物化学第08章生物氧化

1、putianUniversity,12级临本,1,第08章,生物氧化,Biological Oxidation,putianUniversity,12级临本,2,生物氧化(biological oxidation)：指物质在生物体内被氧化的过程。主要是指糖、脂肪及蛋白质等营养物质在体内氧化分解并逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程(即与能量生成有关的线粒体氧化体系)。,生物氧化的概念,物质在生物体内氧化的方式：加氧、脱氢、失电子。,线粒体氧化体系是指营养物质脱下成对的氢以还原 当量NADH+H+或FADH2的形式进入线粒体内膜的 呼吸链进行氧化，并生成H2O和释放能量的过程。,putianUniversity,12级临本,3,乙酰CoA,三羧酸循环,2H,呼吸链,H2O,CO2,生物氧化分解的一般过程,生物氧化分解的意义,生理意义：供给机体能量，进行正常生理生化活 动和转化有害废物。,putianUniversity,12级临本,4,Composition of Respiratory chain,第一节 氧化呼吸链的组成,putianUniversity,12级临本,5,指线粒

2、体内膜中按一定顺序排列的一系列具有电子传递功能的酶复合体，可通过链锁的氧化还原将代谢物脱下的电子最终传递给氧生成水。这一系列酶和辅酶称为电子传递链(electron transfer chain) 又称呼吸链(respiratory chain) 。,定义,呼吸链概念,传递氢的酶或辅酶称为递氢体，传递电子的酶或辅酶称为电子传递体。 （2H 2H+ + 2e）,putianUniversity,12级临本,6,一、呼吸链的主要组成及电子传递过程,呼吸链组成：,蛋白质复合体(4种)、辅酶Q、细胞色素C,电子在呼吸链中的传递过程,复合体、和具有质子泵功能。,代谢物脱氢,putianUniversity,12级临本,7,NADH+H+,NAD+,(一)、复合体,又称NADH- 泛醌还原酶，含辅基FMN，Fe-S，负责将电子从NADH传递给泛醌。同时将4个H+泵到膜外。,FMN Fe-S,底物脱氢,putianUniversity,12级临本,8,NAD+和NADP+的结构与功能,【功能】 作为多种脱氢酶的辅酶，连接代谢物与呼吸链的重要环节，接受代谢物脱下的2H,然后传递给黄素蛋白。,NAD+（

3、NADP+）的递H功能,putianUniversity,12级临本,9,FMN和FAD是维生素B2的活性形式，是黄素蛋白及一些脱氢酶（如琥珀酸脱氢酶）的辅基，其功能部位异咯嗪环可进行可逆的加氢和脱氢反应，可直接将代谢物脱下的氢传递进入呼吸链。,FMN与FAD的结构与功能,putianUniversity,12级临本,10,铁硫蛋白（iron-sulfur protein,Fe-S）,铁硫蛋白(iron-sulfur proteins，Fe-S)又称铁硫中心， 其特点是含铁原子和硫原子，铁与无机硫原子或与蛋 白质肽链上半胱氨酸残基的硫相结合。是一种与电子 传递有关的蛋白质，与黄素蛋白、细胞色素结合在一 起，以复合物形式存在：FMN(Fe-S)、FAD(Fe-S)。,通过Fe3+ Fe2+ 变化将FMN或FAD中的电子传递给泛醌。属于单电子传递体。,【作用】,putianUniversity,12级临本,11,泛醌（CoQ）,泛醌(辅酶Q, CoQ)是游离存在于线粒体内膜中的脂溶性有机化合物，在各复合体间募集并穿梭传递质子和电子。在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。,putianUn

4、iversity,12级临本,12,（二）、复合体,又称琥珀酸-泛醌还原酶，位于线粒体内膜基质侧，含辅基FAD，Fe-S，负责将电子从琥珀酸传递给泛醌。没有质子泵功能。,FAD Fe-S,putianUniversity,12级临本,13,3、复合体,又称泛醌-细胞色素C还原酶，含辅基为细胞色素b, c1, Fe-S ，负责将电子从泛醌传递给Cytc 。同时将4个H+泵到膜外。,b, c1 Fe-S,4、复合体,又称细胞色素C氧化酶，含辅基为细胞色素a，a3， Cu，负责将电子从Cytc传递给O2。同时将2个H+泵到膜外。,a，a3 Cu,putianUniversity,12级临本,14,细胞色素体系,简写为cyt，是一种含铁卟啉辅基的电子传递体，可分 为三大类。线粒体呼吸链中含有细胞色素为b, c，c1， a，a3等。其中b与c1存在于复合体，a与a3存在于复 合体；c水溶性，游离存在。主要通过Fe3+Fe2+的 互变起传递电子的作用的。传递电子顺序是： bc1caa3O2,putianUniversity,12级临本,15,* 泛醌 和 Cyt c 不包含在上述四种复合体中。,总

5、结：4种蛋白质复合体组成及作用,putianUniversity,12级临本,16,呼吸链的各种组分及其功能小结,其中只有cyta3可将电子传递给O2,putianUniversity,12级临本,17,二、主要的氧化呼吸链,（1）NADH氧化呼吸链：,由复合体, ，构成，顺序为：,NADH复合体Q复合体Cytc复合体O2,（2）琥珀酸（FADH2）氧化呼吸链：,由复合体，构成，顺序为：,琥珀酸复合体Q复合体Cytc复合体O2,线粒体内主要氧化呼吸链有两条：即NADH氧化呼吸链和FADH2（琥珀酸）氧化呼吸链。,putianUniversity,12级临本,18,标准氧化还原电位(氧化还原电位由低到高排列),呼吸链各组分的排列顺序由以下实验确定：,呼吸链各组分在线粒体内膜的排列顺序：复合体(或复合体)CoQ 复合体 CytC 复合体 O2,拆开和重组,特异抑制剂阻断,还原状态呼吸链缓慢给养,putianUniversity,12级临本,19,第二节 氧化磷酸化,Oxidative Phosphorylation,putianUniversity,12级临本,20,氧化磷酸化：在线粒体中

6、，底物分子脱下的氢原子经呼吸链传递给氧，在此过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP，这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化。,底物水平磷酸化：在分解代谢过程中，由于底物脱氢或脱H2O而引起代谢物分子内部能量的重新分布而形成高能键，然后转移给ADP使之磷酸化生成 ATP的过程。,底物水平磷酸化：,氧化磷酸化：,氧化磷酸化是生物体内ATP生成的主要方式,putianUniversity,12级临本,21,推测氧化与磷酸化的偶联部位的依据是：,根据P/O比值,P/O比值：是指物质氧化时（如：H氧化生成H2O）， 每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数称为。,自由能变化: G=-nFE,一、氧化与磷酸化偶联部位,氧化与磷酸化偶联是指代谢物脱下的氢经呼吸链传递与O2结合氧化的过程中所释放的能量使ADP磷酸化生成ATP之间的偶联。,（一）P/O比值,putianUniversity,12级临本,22,线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值,NADH Q,氧化磷酸化偶联部位在复合体、内,Q CytC,Cytaa3O2,putianUniversity,12级临本,23,（二）自由能变化,pH7.0时

7、标准自由能变化G0与还原电位变化E0之间的关系： G0= -nFE0， n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/molV),ADP 磷酸化为ATP时 需要的能量为：30.5kJ/mol,putianUniversity,12级临本,24,1、化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)（已经得到广泛的实验支持）,二、氧化磷酸化的作用机制(了解),即电子传递过程产生跨线粒体内膜的质子梯度,putianUniversity,12级临本,25,三、ATP合酶,ATP合酶：嵌于线粒体内膜上，其头部呈颗粒状，突出于线粒体内膜的基质侧。是ATP合成的场所。由亲水部分 F1(33亚基)和疏水部分F0(a1b2c912亚基)组成。,ATP合酶利用质子顺梯度回流释放能量合成ATP,F0：疏水部分镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道 。,F1：亲水部分 ，线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，具酶活性，催化ATP合成。亚基有催化部位，但必须与亚基结合才有活性。,putianUniversity,12级临本,26,有ATP结合部位,控制质子通道,酶的调节部位,连接F1与膜,putianUn

8、iversity,12级临本,27,高能磷酸化合物：含有高能磷酸键的化合物：如各种多磷酸核苷类化合物（ADP，ATP，GDP，GTP，CDP，CTP，GDP，GTP及PPi），水解后可释放出30.5kJ/mol的自由能。,四、ATP与能量代谢（自学）,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。,putianUniversity,12级临本,28,磷酸肌酸,磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用，必 须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理活动之需。反应过程由磷酸肌酸激酶催化完成。,磷酸肌酸是肌肉和脑组织中能量的贮存形式。,putianUniversity,12级临本,29,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。,ATP的生成和利用（ATP循环）,putianUniversity,12级临本,30,第三节 影响氧化磷酸化的因素,Factors affecting oxidative phosphorylation,putianUniversi

9、ty,12级临本,31,ADP的浓度、甲状腺素、呼吸链抑制剂、解偶联剂、氧化磷酸化抑制剂以及线粒体DNA突变等。,正常生理条件下，ADP是氧化磷酸化的主要调节者， ADP则氧化磷酸化。,影响氧化磷酸化的因素有：,鱼藤酮、粉蝶酶素A、异戊巴比妥与复合体中的Fe-S结合，抑制电子传递；抗霉素A、二巯丙醇抑制复合体；CO、CN-、H2S抑制复合体。,二、抑制剂的阻断作用,一、ADP浓度的影响,（一）、电子传递抑制剂,putianUniversity,12级临本,32,（二）、解偶联剂,二硝基苯酚和解偶联蛋白(存在于棕色脂肪组织、骨骼肌等组织线粒体内膜上) 可使氧化与磷酸化偶联分离， 使ATP的生成受到抑制。,寡霉素与ATP合酶的F0部位结合， 阻断质子从F0质子通道回流，抑制磷酸化并间接抑制电子呼吸链传递。,（三）ATP合酶抑制剂,putianUniversity,12级临本,33,棕色脂肪组织线粒体中解偶联蛋白作用机制,Q,胞液侧,基质侧,解偶联 蛋白,putianUniversity,12级临本,34,呼吸链中的部分蛋白质由线粒体DNA编码，线粒体DNA因缺乏蛋白质保护和损伤修复系统易发生突变，影响氧化磷酸化。,甲状腺诱导Na+,K+-ATP酶的生成使ATP分解为ADP,因ADP导致氧化。它还使解偶联蛋白基因表达和耗氧，产热。,三、甲状腺素的影响,四、线粒体DNA突变,putianUniversity,12级临本,35,各种抑制剂对电子传递链的影响,putianUniversity,12级临本,36,五、线粒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。,putianUniversity,12级临本,37,胞浆中产生NADH要经呼吸链氧化必须进入线粒体，但NADH本身不能通过线粒体内膜，所以必须经一定转运机制才能进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。,1、存在于脑和骨骼肌中的-磷酸甘油穿梭(-glycer

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