1、第八章生物氧化,Biological Oxidation,生物氧化,營養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)進行的氧化稱為生物氧化(biological oxidation) ，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時逐步釋放能量，最終生成CO2 和H2O的過程。,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,熱能,水如何生成? CO2如何生成? 能量如何生成?,生物氧化與體外氧化的相同點,生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應的一般規(guī)律。 物質(zhì)在體內(nèi)外氧化時所消耗的氧量、最終產(chǎn)物（CO2，H2O）和釋放能量均相同。,反應條件 溫 和 劇 烈 (體溫、pH近中性) (高溫、高壓) 反應過程

2、逐步進行的酶促反應 一步完成 能量釋放 逐步進行 瞬間釋放 （化學能、熱能） （熱能） CO2生成方式 有機酸脫羧 物質(zhì)中的碳與氧結(jié)合 H2O的生成 底物脫氫與氧結(jié)合 物質(zhì)中的氫與氧結(jié)合 速率 受體內(nèi)多種因素調(diào)節(jié),生物氧化與體外氧化的不同點,生物氧化的一般過程,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸鏈,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,第一節(jié) 氧化呼吸鏈是由具有電子傳遞功能的復合體組成,定義 代謝物脫下的成對氫原子（2H）通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈(respiratory chain)又稱電子傳遞鏈(electron transfer

3、chain)。 組成 遞氫體和電子傳遞體（2H 2H+ + 2e）,什么是呼吸鏈？,酶復合體是線粒體內(nèi)膜氧化呼吸鏈的天然存在形式，所含各組分具體完成電子傳遞過程。電子傳遞過程釋放的能量驅(qū)動H+移出線粒體內(nèi)膜，轉(zhuǎn)變?yōu)榭鐑?nèi)膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物合成。,一、氧化呼吸鏈由4種具有傳遞電子能力的復合體組成,泛醌 和 Cyt c 均不包含在上述四種復合體中。,人線粒體呼吸鏈復合體,四種具有傳遞電子功能的酶復合體(complex),線粒體的結(jié)構(gòu),呼吸鏈,呼吸鏈各復合體在線粒體內(nèi)膜中的位置,胞液側(cè),基質(zhì)側(cè),Cytc,Q,胞液側(cè),基質(zhì)側(cè),線粒體內(nèi)膜,復合體又稱NADH-泛醌還原酶。 復合體電子傳遞

4、：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 每傳遞2個電子可將4個H+從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè)，復合體有質(zhì)子泵功能。,（一）復合體將NADH+H+中的電子傳遞給泛醌,NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu),R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+,NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互轉(zhuǎn)變,氧化還原反應時變化發(fā)生在五價氮和三價氮之間。,FMN結(jié)構(gòu)中含核黃素，發(fā)揮功能的部位是異咯嗪環(huán)，氧化還原反應時不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN。在可逆的氧化還原反應中顯示3種分子狀態(tài)，屬于單、雙電子傳遞體。,鐵硫蛋白中輔基鐵硫中心(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其中一個鐵原子可進行Fe2+ Fe3+

5、e 反應傳遞電子。屬于單電子傳遞體。, 表示無機硫,鐵硫蛋白,泛醌（輔酶Q, CoQ, Q）由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反應時可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。內(nèi)膜中可移動電子載體，在各復合體間募集并穿梭傳遞還原當量和電子。在電子傳遞和質(zhì)子移動的偶聯(lián)中起著核心作用。,復合體的功能,復合體是三羧酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶，又稱琥珀酸-泛醌還原酶。 電子傳遞：琥珀酸FAD幾種Fe-S CoQ 復合體沒有H+泵的功能。,（二）復合體將電子從琥珀酸傳遞到泛醌,（三）復合體將電子從還原型泛醌傳遞給細胞色素c,復合體又叫泛醌-細胞色素C還原酶，細胞色素b-c1復合體，含有細胞色素b(

6、b562, b566)、細胞色素c1和一種可移動的鐵硫蛋白(Rieske protein)。 泛醌從復合體、募集還原當量和電子并穿梭傳遞到復合體。 電子傳遞過程：CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc,細胞色素(cytochrome, Cyt),細胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。,復合體的電子傳遞通過“Q循環(huán)”實現(xiàn)。 復合體每傳遞2個電子向內(nèi)膜胞漿側(cè)釋放4個H+，復合體也有質(zhì)子泵作用。 Cyt c是呼吸鏈唯一水溶性球狀蛋白，不包含在復合體中。將獲得的電子傳遞到復合體。,復合體又稱細胞色素C氧化酶(cytochrome c

7、 oxidase)。 電子傳遞：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2 Cyt a3CuB形成活性雙核中心，將電子傳遞給O2。每2個電子傳遞過程使2個H+跨內(nèi)膜向胞漿側(cè)轉(zhuǎn)移 。,（四）復合體將電子從細胞色素C傳遞給氧,復合體的電子傳遞過程,細胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2還原成水的過程，有強氧化性中間物始終和雙核中心緊密結(jié)合，不會引起細胞損傷。,標準氧化還原電位 拆開和重組 特異抑制劑阻斷 還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧,二、NADH和FADH2是氧化呼吸鏈的電子供體,由以下實驗確定:,呼吸鏈中各種氧化還原對的標準氧化還原電位,1. NADH氧化呼吸鏈 NADH 復合體 CoQ

8、復合體Cyt c 復合體 O2 2. 琥珀酸氧化呼吸鏈 琥珀酸 復合體 CoQ 復合體Cyt c 復合體 O2,體內(nèi)重要的兩條呼吸鏈,第二節(jié)氧化磷酸化將氧化呼吸鏈釋能與ADP磷酸化偶聯(lián)生成ATP,氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化。 底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)與脫氫反應偶聯(lián)，生成底物分子的高能鍵，使ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的過程。不經(jīng)電子傳遞。,ATP生成方式,一、氧化磷酸化偶聯(lián)部位在復合體、內(nèi),根據(jù)P/O比值 自由能變

9、化: G=-nFE,氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復合體、,從P/O值可了解物質(zhì)氧化時每消耗1摩爾原子氧所產(chǎn)生的ATP的摩爾數(shù)。,指氧化磷酸化過程中，每消耗1/2摩爾O2所生成ATP的摩爾數(shù)（或一對電子通過氧化呼吸鏈傳遞給氧所生成ATP分子數(shù)）。,（一）P/O 比值,離體線粒體實驗中測得一些底物的P/O值,比較1、2，第一個偶聯(lián)部位 NAD+ CoQ 之間,比較2、3，第二個偶聯(lián)部位 CoQ Cytc 之間,比較3、4，第三個偶聯(lián)部位 Cytaa3 O2 之間,（二）自由能變化,根據(jù)熱力學公式，pH7.0時標準自由能變化(G0)與還原電位變化(E0)之間有以下關(guān)系：,n為傳遞電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)(96

10、.5kJ/molV),G0 = -nFE0,電子傳遞鏈自由能變化,氧化磷酸化偶聯(lián)部位,二、氧化磷酸化偶聯(lián)機制是產(chǎn)生跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度,1、化學滲透假說(chemiosmotic hypothesis),電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時，可將質(zhì)子(H+)從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學梯度儲存能量。當質(zhì)子順濃度梯度回流時驅(qū)動ADP與Pi生成ATP。,氧化磷酸化依賴于完整封閉的線粒體內(nèi)膜； 線粒體內(nèi)膜對H+、OH、K、Cl離子是不通透的； 電子傳遞鏈可驅(qū)動質(zhì)子移出線粒體，形成可測定的跨內(nèi)膜電化學梯度； 增加線粒體內(nèi)膜外側(cè)酸性可導致ATP合成，而線粒體內(nèi)膜加入使質(zhì)子通過物質(zhì)可減少內(nèi)膜質(zhì)

11、子梯度，結(jié)果電子雖可以傳遞，但ATP生成減少。,化學滲透假說已經(jīng)得到廣泛的實驗支持。,化學滲透假說簡單示意圖,胞液側(cè),基質(zhì)側(cè),復合體 、 (4 H+)和 (2H+)有質(zhì)子泵功能,化學滲透示意圖及各種抑制劑對電子傳遞鏈的影響,三、質(zhì)子順梯度回流釋放能量被ATP合酶利用催化ATP合成,F1：親水部分 （動物：33亞基復合體，OSCP、IF1 亞基），線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)顆粒狀突起，催化ATP合成。 F0：疏水部分（ab2c912亞基，動物還有其他輔助亞基），鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，形成跨內(nèi)膜質(zhì)子通道 。,ATP合酶結(jié)構(gòu)組成,ATP合酶組成可旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機樣結(jié)構(gòu),F0的2個b亞基的一端錨定F1的亞基，另一端

12、通過和33穩(wěn)固結(jié)合，使a、b2和33、亞基組成穩(wěn)定的定子部分。 部分和亞基共同形成穿過33間中軸，還與1個亞基疏松結(jié)合作用，下端與嵌入內(nèi)膜的c亞基環(huán)緊密結(jié)合。c亞基環(huán)、和亞基組成轉(zhuǎn)子部分。 質(zhì)子順梯度向基質(zhì)回流時，轉(zhuǎn)子部分相對定子部分旋轉(zhuǎn)，使ATP合酶利用釋放的能量合成ATP。,當H+順濃度遞度經(jīng)F0中a亞基和c亞基之間回流時，亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。,ATP合酶的工作機制,ATP合成的結(jié)合變構(gòu)機制,第三節(jié)氧化磷酸化的影響因素,一、體內(nèi)能量狀態(tài)可調(diào)節(jié)氧化磷酸化速率,ADP 是調(diào)節(jié)正常人體氧化磷酸化速率的主要因素。,二、抑制劑可阻斷氧化磷酸化過程,（一）呼吸鏈抑制劑阻斷電子傳遞過程

13、,復合體抑制劑：魚藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidin A)及異戊巴比妥(amobarbital)等阻斷傳遞電子到泛醌 。 復合體的抑制劑：萎銹靈(carboxin)。,復合體抑制劑：抗霉素A(antimycin A)阻斷Cyt bH傳遞電子到泛醌(QN) ；粘噻唑菌醇則作用QP位點。 復合體 抑制劑：CN、N3緊密結(jié)合中氧化型Cyt a3，阻斷電子由Cyt a到CuB- Cyt a3間傳遞。CO與還原型Cyt a3結(jié)合，阻斷電子傳遞給O2。,魚藤酮 粉蝶霉素A 異戊巴比妥,抗霉素A 二巰基丙醇,CO、CN-、 N3-及H2S,各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點,不同底物和抑制劑

14、對線粒體氧耗的影響,（二）解偶聯(lián)劑阻斷ADP的磷酸化過程,解偶聯(lián)劑(uncoupler)可使氧化與磷酸化的偶聯(lián)相互分離，基本作用機制是破壞電子傳遞過程建立的跨內(nèi)膜的質(zhì)子電化學梯度，使電化學梯度儲存的能量以熱能形式釋放，ATP的生成受到抑制。 如：二硝基苯酚(dinitrophenol, DNP) ；解偶聯(lián)蛋白(uncoupling protein，UCP1)。,解偶聯(lián)蛋白作用機制（棕色脂肪組織線粒體）,Q,胞液側(cè),基質(zhì)側(cè),解偶聯(lián) 蛋白,（三）ATP合酶抑制劑同時抑制電子傳遞和ATP的生成,這類抑制劑對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin)可結(jié)合F0單位，二環(huán)己基

15、碳二亞胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCCP)共價結(jié)合F0的c亞基谷氨酸殘基，阻斷質(zhì)子從F0質(zhì)子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于線粒體內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子電化學梯度增高影響呼吸鏈質(zhì)子泵的功能，繼而抑制電子傳遞。,寡霉素(oligomycin),寡霉素,ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖,可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成。,Na+，K+ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達均增加。,三、甲狀腺激素刺激機體耗氧量和產(chǎn)熱同時增加,甲狀腺素,Na+，K+ATP酶 （鈉甲泵）,ATP分解,進入線粒體,ADP,氧化磷酸化,ATP合成,產(chǎn)熱量,例：甲狀腺機能亢進（甲亢）,四、線粒體DNA突變可影

16、響機體氧化磷酸化功能,線粒體DNA編碼的線粒體蛋白是復合體、和ATP合酶的組成成分。,mtDNA突變率高，從而影響氧化磷酸化，使ATP合酶不足而致病，耗能較多的器官更容易發(fā)生功能障礙，如聾、盲、癡呆、肌無力和糖尿病等。,電子傳遞鏈及氧化磷酸化系統(tǒng)概貌,H+ 跨膜質(zhì)子電化學梯度；H+m內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)H+；H+c 內(nèi)膜胞液側(cè)H+,五、線粒體內(nèi)膜選擇性協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)運氧化磷酸化相關(guān)代謝物,線粒體外膜通透性高，線粒體對物質(zhì)通過的選擇性主要依賴于內(nèi)膜中不同轉(zhuǎn)運蛋白(transporter)對各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運。,線粒體內(nèi)膜的某些轉(zhuǎn)運蛋白對代謝物的轉(zhuǎn)運,（一）胞漿中NADH通過穿梭機制進入線粒體氧化呼吸鏈,胞漿中NADH

17、必須經(jīng)一定轉(zhuǎn)運機制進入線粒體，再經(jīng)呼吸鏈進行氧化磷酸化。,-磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle) 蘋果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle),轉(zhuǎn)運機制：,NADH+H+,FADH2,NAD+,FAD,線粒體 內(nèi)膜,線粒體 外膜,膜間隙,線粒體 基質(zhì),磷酸二羥丙酮,-磷酸甘油,1.-磷酸甘油穿梭機制,(腦、骨骼肌，生成 ),1.5ATP,NADH +H+,NAD+,谷氨酸- 天冬氨酸 轉(zhuǎn)運體,蘋果酸-酮 戊二酸轉(zhuǎn)運體,蘋果酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,谷氨酸,胞液,線 粒 體 內(nèi) 膜,基質(zhì),天冬氨酸,2.蘋果酸-天冬氨酸穿梭系統(tǒng),(心肌、肝

18、臟，生成 ),2.5ATP,兩種穿梭系統(tǒng)的比較,（二）ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶促進ADP進入和ATP移出緊密偶聯(lián),ATP4-,ADP3-,H2PO4-,每分子ATP4-和ADP3-反向轉(zhuǎn)運時，向內(nèi)膜外凈轉(zhuǎn)移1個負電荷 ，相當于多1個H+轉(zhuǎn)入線粒體基質(zhì)。,重點：3個“2”,2條重要的呼吸鏈 NADH氧化呼吸鏈 琥珀酸（FADH2）氧化呼吸鏈 2個ATP生成方式 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 2個穿梭方式 -磷酸甘油穿梭 蘋果酸-天冬氨酸穿梭,水如何生成? CO2如何生成? 能量如何生成?, 呼吸鏈 脫羧 ATP的生成,第四節(jié) 其他氧化體系,The Others Oxidative Enzyme Sys

19、tems,一、線粒體氧化呼吸鏈也可產(chǎn)生活性氧,反應活性氧類(reactive oxygen species, ROS),ROS主要來源,線粒體：超氧陰離子O-2，是體內(nèi)O-2的主要來源； O-2在線粒體中再生成H2O2和OH。 過氧化酶體：FAD將從脂肪酸等底物獲得的電子交給O2生成H2O2和羥自由基OH。 胞漿需氧脫氫酶（如黃嘌呤氧化酶等）也可催化生成O-2。 細菌感染、組織缺氧等病理過程，環(huán)境、藥物等外源因素也可導致細胞產(chǎn)生活性氧類。,需氧脫氫酶和氧化酶,二、抗氧化酶體系有清除反應活性氧的功能,1、過氧化氫酶(catalase) 又稱觸酶，其輔基含4個血紅素,可去除細胞生長和代謝產(chǎn)生的H2

20、O2和過氧化物(R-O-OH)，是體內(nèi)防止活性氧類損傷主要的酶。,2、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx),H2O2 + 2GSH 2 H2O +GS-SG 2GSH + R-O-OH GS-SG + H2O + R-OH,谷胱甘肽過氧化物酶,H2O2 (ROOH),H2O (ROH+H2O),2G SH,G S S G,NADP+,NADPH+H+,此類酶可保護生物膜及血紅蛋白免遭損傷。,谷胱甘肽還原酶,含硒的谷胱甘肽過氧化物酶,3、超氧化物歧化酶,2O2+ 2H+,SOD,H2O2 + O2,H2O + O2,過氧化氫酶,SOD：超氧化物歧化酶 (su

21、peroxide dismutase),三、微粒體細胞色素P450單加氧酶催化底物分子羥基化,上述反應需要細胞色素P450 (Cyt P450)參與。,細胞色素P450單加氧酶(cytochrome P450 monooxygenase)，又稱混合功能氧化酶(mixed-function oxidase)或羥化酶(hydroxylase),細胞色素P450單加氧酶作用機制,1.CO中毒的機理是 A抑制Cyt aa3，使電子不能傳給氧 B抑制CoQ-Cytc還原酶，使電子不能傳給氧 C與鐵硫蛋白結(jié)合，阻斷電子傳遞 D抑制琥珀酸-CoQ還原酶，阻斷電子傳遞 E抑制NADH-CoQ還原酶，阻斷電子傳遞,2.各種細胞色素在呼吸鏈中傳遞電子的順序是 Aaa3bc1c1/2O2 Bbaa3c1c1/2O2 Cc1cbaa31/2O2 Dcc1aa3b1/2O2 Ebc1caa31/2O2 3.二硝基苯酚能直接抑制下列細胞功能的是 A丙酮酸循環(huán) B肝糖異生 C氧化磷酸化 D檸檬酸循環(huán) E糖酵解,4.關(guān)于-磷酸甘油穿梭，正確的敘述是 A轉(zhuǎn)運胞漿中的NADH所攜帶的氫進入線粒體 B此穿梭會產(chǎn)生3分子ATP C轉(zhuǎn)運胞漿的甘油進入線粒體徹底氧化 D轉(zhuǎn)運胞漿中的FADH2所攜帶的氫進入線粒體 E需轉(zhuǎn)氨酶參與,5.下列反應中屬于