1、第6章,生物氧化,Biological Oxidation,授課老師：陳秀芳,物質在生物體內進行氧化稱生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白質等在體內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,* 生物氧化的概念,細胞呼吸,生物氧化的特點： 1、反應條件溫和(在體溫37，pH近中性)的有水環(huán)境中進行。 2、反應由酶催化。 3、逐步放能，有利于ATP的生成。 4、H2O由代謝物脫下的氫和氧結合生成， CO2由有機酸脫羧生成。,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸鏈,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,生物氧化的一般過程,第一節(jié) 生成ATP的

2、氧化磷酸化體系,The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing,Mitochondrion,呼吸鏈(respiratory chain) 又稱電子傳遞鏈(electron transfer chain)。,一、呼吸鏈,定義,遞氫體和電子傳遞體（2H 2H+ + 2e）,組成,傳遞氫的酶或輔酶,傳遞電子的酶或輔酶,酶復合體是線粒體內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動H+移出線粒體內膜，轉變?yōu)榭鐑饶+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

3、體組成,人線粒體呼吸鏈復合體,泛醌、細胞色素c不包含在上述四種復合體中。,呼吸鏈各復合體在線粒體內膜中的位置,電子傳遞鏈各組份的排列順序,復合體又稱NADH-泛醌還原酶。 復合體電子傳遞：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ,1、復合體作用是將NADH+H+中的電子傳遞給泛醌(ubiquinone),NADH,每傳遞2個電子可將4個H+從內膜基質側泵到胞漿側，復合體有質子泵功能。,NAD+和NADP+的結構,R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+,NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互轉變,氧化還原反應時變化發(fā)生在五價氮和三價氮之間。,遞H+2e,FMN結構

4、中含核黃素，發(fā)揮功能的部位是異咯嗪環(huán)。,1,10,遞2H+2e,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+e 反應傳遞電子。屬于單電子傳遞體。, 表示無機硫,泛醌（輔酶Q, CoQ, Q）由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側鏈（人CoQ10）。內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。,遞2H+2e,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。,2、復合體功能是將電子從琥珀酸傳遞到泛醌。,3、復合體功能是將電子從還原型泛醌傳遞給細胞色素

5、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(b566, b562)、細胞色素c1和一種可移動的鐵硫蛋白。 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。,屬于單電子傳遞體,復合體的電子傳遞通過“Q循環(huán)”實現(xiàn)。,復合體每傳遞2個電子向內膜胞漿側釋放4個H+，復合體也有質子泵作用。 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

6、遞到復合體。,復合體又稱細胞色素C氧化酶(cytochrome c 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+跨內膜向胞漿側轉移 。,4、復合體將電子從細胞色素C傳遞給氧,復合體結構,復合體的電子傳遞過程,Cytc,Q,胞液側,基質側,線粒體內膜,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）氧化呼吸鏈組分按氧化還原電位由低到高的順序排列,由以下實驗確定:,1、NADH氧化呼吸鏈 NADH 復合體Q 復合體Cyt c 復合體O2 2、FADH2氧

7、化呼吸鏈（琥珀酸氧化呼吸鏈） 琥珀酸 復合體 Q 復合體Cyt c 復合體O2,琥珀酸脫氫酶、 脂酰CoA脫氫酶、 -磷酸甘油脫氫酶,二、氧化磷酸化將氧化呼吸鏈釋能與ADP磷酸化生成ATP偶聯(lián),氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)：代謝物脫下的氫，經(jīng)氧化呼吸鏈電子傳遞釋放能量，偶聯(lián)驅動ADP磷酸化生成ATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化。,ATP生成方式,底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)與脫氫反應偶聯(lián)，直接將高能代謝物分子中的能量轉移給ADP(或GDP)，生成ATP(或GTP)的過程。不經(jīng)電子傳遞。,（一）氧化磷酸化偶聯(lián)部位在復

8、合體、內,根據(jù)P/O比值 自由能變化: G=-nFE,氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復合體、,1、P/O 比值,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)）。,2、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)之間有以下關系：,n為傳遞電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)(96.5kJ/molV),G0 = -nFE0,電子傳遞鏈自由能變化,氧化磷酸化偶聯(lián)部位,近代實驗和電化學計算結果： 平均每泵出4個H+才合成并轉運1分子ATP NADH氧化呼吸鏈泵出10個H+：10/4=2.5（分子ATP） FADH2氧化

9、呼吸鏈泵出6個H+：6/4=1.5（分子ATP）,(二)氧化磷酸化偶聯(lián)機制是產(chǎn)生跨線粒體內膜的質子梯度,1、化學滲透假說(chemiosmotic hypothesis),電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時，可將質子(H+)從線粒體內膜的基質側泵到內膜胞漿側，產(chǎn)生膜內外質子電化學梯度儲存能量。當質子順濃度梯度回流時驅動ADP與Pi生成ATP。,氧化磷酸化,質子梯度 能量,for his contribution to the understanding of biological energy transfer through the formulation of the chemiosmotic theor

10、y,Peter Mitchell Nobel Prize in Chemistry, 1978,It isnt a theory, its a fact.,胞液側,基質側,電子傳遞過程復合體 (4H+) 、 (4 H+)和 (2H+)有質子泵功能。,（三）質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），線粒體內膜的基質側顆粒狀突起，催化ATP合成。 F0：疏水部分（ab2c912亞基），鑲嵌在線粒體內膜中，形成跨內膜質子通道 。,ATP合酶結構組成,電鏡下：頭部+柄部+基底部 生化技術：F0 + F1,F1 由五種親水性亞基組成（33）

11、， 其中33相間排布成有中央孔隙的六面體頭部。深入頭部的中央孔隙中并可在其中轉動。連接與 F0。,F0： 脂溶性，鑲嵌于內膜中，由三種疏水性亞基組成（ab2c912）。,亞基c是由2個-螺旋形成發(fā)夾樣構象的單肽鏈亞基，第2個螺旋中央第61位為天冬氨酸， 912個c亞基裝配成對稱的c環(huán)，跨越內膜。,a亞基固定在c環(huán)外部，具有兩個互不相通的質子半通道，兩個半通道正好分別與C環(huán)中相鄰的兩個C亞基相通。,兩個b亞基連接a亞基和F1的亞基，以固定頭部與a亞基皆不轉動。,1989年Paul Boyer提出“結合變構”機制 亞基是ATP合酶催化部位，通過亞基構象的轉變，不斷從基質中結合ADP+Pi后催化二者

12、合成ATP，并把ATP釋入基質。 原理：由于亞基在頭部中央孔隙逆時針方向轉動，使頭部的亞基發(fā)生LTOL規(guī)律性構象變化使ATP不斷合成 。,質子回流如何驅動ATP合成？,1、L型構象捕捉ADP和Pi； 2、與亞基結合后變構為T型構象使結合的ADPPi合成ATP； 3、亞基離開后變構為O型構象，釋出ATP；之后，又自動恢復為L構象。,ATP合酶經(jīng)“結合變構”機制合成ATP,Paul D. Boyer,John E. Walker,for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosin

13、e triphosphate (ATP),Nobel Prize in Chemistry, 1997,什么力量驅使-亞基不斷逆時針方向轉動？,c環(huán)中的c亞基接觸內膜時，其中的Asp61為質子化的電中性的氨基酸（-羧基不解離），以便與雙脂層內膜結合。 C環(huán)中兩個被a亞基包圍的c亞基不直接與雙脂層結合。a亞基的兩個親水性半通道分別與這兩個相鄰的c亞基相通。與a亞基結合的兩個c亞基中的Asp61處于帶負電的解離狀態(tài)，這時c環(huán)不轉動。,Howard Berg 和George Oster提出：,基質側半通道,膜間隙側半通道,質子進入a亞基膜間隙半通道，使對應的1個c亞基Asp61負電荷被H+中和， c

14、亞基與疏水內膜相互接觸而發(fā)生轉動(逆時針轉動一個c亞基的位置),當c亞基轉動到基質側半通道，H+進入基質。,反復進行， 質子不斷從膜間隙進入基質,C環(huán)轉動經(jīng)亞基帶動亞基在頭部中央孔隙中不斷逆時針轉動,導致頭部的亞基不斷進行LTOL循環(huán)式變構，不斷合成ATP。,質子不斷地進入膜間隙半通道， c亞基不斷轉動,三、影響氧化磷酸化的因素,（一）抑制劑,1.呼吸鏈抑制劑,2.解偶聯(lián)劑,3.氧化磷酸化抑制劑,（二） ADP的調節(jié)作用,氧化磷酸化,（ATP利用）,ADP,（三）甲狀腺素,（四）線粒體DNA突變,13,四、ATP在能量的生成、利用、轉移和儲存中起核心作用,高能磷酸鍵 水解時釋放的能量大于21k

15、J/mol的磷酸酯鍵，常表示為P。 高能磷酸化合物 含有高能磷酸鍵的化合物,一些重要有機磷酸化合物水解釋放的標準自由能,ATP是人體內能量的直接供給者。,ATP：生物體內能量直接供體 UTP：糖原合成 CTP：磷脂合成 GTP：蛋白質生物合成,肌酸激酶的作用,磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。,ATP的生成和利用,ATP,ADP,機械能(肌肉收縮) 滲透能(物質主動轉運) 化學能(合成代謝) 電能(生物電) 熱能(維持體溫),生物體內能量的儲存和利用都以ATP為中心。,五、線粒體內膜對各種物質進行選擇性轉運,線粒體外膜通透性高，線粒體對物質通過的選擇性主要依賴于內膜中不同轉運蛋白(

16、transporter)對各種物質的轉運。,線粒體內膜的某些轉運蛋白對代謝物的轉運,（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必須經(jīng)一定轉運機制進入線粒體，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),轉運機制：,NADH+H+,FADH2,NAD+,FAD,線粒體 內膜,線粒體 外膜,膜間隙,線粒體 基質,磷酸二羥丙酮,-磷酸甘油,1、-磷酸甘油穿梭主要存在于腦和骨骼肌中,腦、骨骼肌中，1分子葡萄糖徹底氧化生成30分子ATP,NADH +H+

17、,NAD+,谷氨酸- 天冬氨酸 轉運體,蘋果酸-酮 戊二酸轉運體,蘋果酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,谷氨酸,胞液,線 粒 體 內 膜,基質,天冬氨酸,2、蘋果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中,肝、心肌中，1分子葡萄糖徹底氧化生成32分子ATP。,（二）ATP-ADP轉位酶促進ADP進入和ATP移出緊密偶聯(lián),ATP4-,ADP3-,H2PO4-,每分子ATP在線粒體中生成并轉運到胞漿需4個H回流進入線粒體基質中,第二節(jié) 其他不生成ATP的氧化體系,The Others Oxidative Enzyme Systems without ATP Producing,一、抗氧化酶體系有清除反應活性氧類

18、的功能,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,抗氧化酶體系,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H2O2和過氧化物(R-O-OH)，是體內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+,