1、生物化学,第六章 生物氧化,Biological Oxidation,生成ATP的氧化磷酸化体系,其他不生成ATP的氧化体系,概述,（一）掌握氧化磷酸化的概念及偶联部位。熟悉氧化磷酸偶联部位确定的实验及数据，P/O比值的定义及意义。了解氧化磷酸化的偶联机制。熟悉ATP合酶组成及作用 （二）熟悉抑制剂、ADP、甲状腺素对氧化磷酸化的影响。了解线粒体DNA突变对氧化磷酸化的影响。 （三）掌握体内能量的储存和利用形式，ATP的生成和利用。熟悉高能键与高能化合物的概念，常见的高能化合物。 （四）掌握胞液中NADH转运进入线粒体氧化的机制。了解腺苷酸载体及线粒体蛋白的跨膜转运。 （五）了解其他氧化体系。
2、,目的要求,物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,一、生物氧化（Biological Oxidation）的概念,此过程需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称细胞呼吸。,乙酰CoA,电子传递,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,生物氧化的一般过程,2H,TAC,（1）物质氧化方式：加氧、脱氢、失电子 （2）物质氧化时消耗的氧量、得到的产物和能量相同。,1、相同点,二. 生物氧化的特点,2、不同点,体内氧化 体外氧化,（1）反应条件： 温和 剧烈 （2
3、）反应过程： 分步反应 一步反应能量逐步释放 能量突然释放 （3）产物生成： 间接生成 直接生成 （4）能量形式： 热能、ATP 热能、光能,Section 1 The Oxidation System of Producing ATP,第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系,电子如 何传递？ 水如何生成？,呼 吸 链,一 氧化呼吸链是一系列有电子传递功能的氧化还原组分,真核生物生物氧化发生的场所线粒体,原核生物生物氧化发生的场所细胞质膜,部 位,营养物质代谢脱下的成对氢原子（2H）以还原当量形式存在，再通过多种酶和辅酶催化的氧化还原连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，逐步释放的能量可驱动ATP
4、生成。这包含多种氧化还原组分的传递链称为氧化呼吸链(oxidative respiratory chain)又称电子传递链(electron transfer chain)。,呼吸链中参与传递H的辅酶或辅基。,呼吸链中参与传递电子的辅酶或辅基。,（2H 2H+ + 2e）,（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成,呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。电子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒体内膜，转变为跨内膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物合成。,组 成,四种酶复合体：复合体I IV 两个可灵活移动的成分：泛醌（Q）和 细胞色素C,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,* 泛醌
5、和 Cyt c 不包含在上述四种复合体中。,人线粒体呼吸链复合体,复合体又称NADH-泛醌还原酶。 复合体电子传递：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体有质子泵功能。,1、复合体作用是将NADH+H+中的电子传递给泛醌(ubiquinone),黄素蛋白，辅基为FMN或FAD; 铁硫蛋白，辅基为Fe-S。,（1）NAD+和NADP+的结构,R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+,（2） 尼克酰胺核苷酸的作用原理,2H,双电子传递体,FMN称为黄素单核苷酸，是黄素蛋白(酶)的辅基，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应
6、时不稳定中间产物是FMNH 。,FMNH,复合体成分1 FMN ：递氢体,铁硫簇(Fe-S)是铁硫蛋白(酶)中辅基，含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行 Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。,复合体成分2 Fe-S：单电子传递体,铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。属于单电子传递体。, 表示无机硫,泛醌（ubiquinone ,Q）亦称辅酶Q（Coenzyme Q ,CoQ） 人体中：CoQ10 （1）结构 1)含有很多异戊二烯侧链的醌类化合物2)脂溶性3)是电子传递体中唯一可游离存在的电子载体（无蛋白）,（2）
7、作用：电子和质子的传递体在各复合体间募集并穿梭传递还原 当量和电子。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。,（3）泛醌的作用机理,复合体电子传递： NADHFMNFe-SCoQFe-SCoQ,M,MH2,M,4H+,2e,2e,2e,2e,代谢物,2. 复合体: 琥珀酸-泛醌还原酶,功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌,复合体没有H+泵的功能。,递氢体,（1）黄素核苷酸的作用原理,琥珀酸 FADH2 Fe-S CoQ,3. 复合体: 泛醌-细胞色素c还原酶,功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c,b562、 b566是吸收波长不同的两个细胞色素， b562电位较高，又称 bH ; b566 电位较
8、低，又称bL 。,细胞色素b-c1复合体,细胞色素体系（cytochrome,Cyt）,（1） Cyt的本质,细胞色素 = 酶蛋白 + 血红素,细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类。,（2） Cyt的功能,（3） Cyt的分类,30多种,a类：a、a1、a2、 a3 ,b类：b、b17、P450 ,c类：c、c1、c2、 c3 ,各种还原型细胞色素的主要光吸收峰,Cyt c是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，与线粒体内膜外表面疏松结合，不包含在复合体中,将获得的电子传递到复合体。,电子传递过程： CoQH2(Cytb566 Cyt b562)FeSCytc1 Cytc,Q循环,复合体每传递
9、2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体也有质子泵作用。,4H+,4. 复合体: 细胞色素c氧化酶,功能：将电子从细胞色素c传递给氧,其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。,电子传递： CytcCuACyt aCyt a3CuBO2,细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水的过程，有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合，不会引起细胞损伤。,2H+,2H2O,(3) 利用光谱变化确定各组分的氧化还原状态,(1) 测各组分氧化还原电位（E0）递增,研究方法,(2) 呼吸链复合物重组,(4)利用呼吸链抑制剂,（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列,电子流动
10、方向：总是由电负性较强的氧化还原对向具有更强电正性的氧化还原对流动。,1. NADH氧化呼吸链 NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 2. 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2,两条重要的呼吸链成分的排列顺序,NADH,FMN (Fe-S),CoQ,Cytb Cytc1,Cytc,Cytaa3,O2,琥珀酸,FAD (Fe-S),NADH氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,*呼吸链传递顺序,细胞色素的传递方向,笔洗一洗AA散b、c1、c、aa3,洗一洗,两种呼吸链的比较,相同: 1. 将H传递给O2生成水； 2. H和O2消耗，其它可反复使用； 3. CoQ
11、是两种呼吸链的汇合点。,不同点: NADH呼吸链 琥珀酸呼吸链 普遍程度 较普遍 次要 起始物 NADH FADH2 ATP 2.5 1.5,ATP是如何生成？,二、氧化磷酸化,* 定义 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。,底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 直接将代谢分子中的能量转移至ADP（或GDP），生成ATP（或GTP）的过程。,*底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：,糖酵解途径中（2个）,三羧酸循环中（1个）,1,3-二磷酸甘油酸,3
12、-磷酸甘油酸,磷酸甘油酸激酶,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,丙酮酸激酶,49,概念:每消耗1mol 氧原子，所消耗的无机磷摩尔数,一对电子通过呼吸链,P/O比值：一对电子通过呼吸链时生成ATP的个数,生成ATP的个数,1. 根据P/O比值推测生成ATP的偶联部位,（一）氧化磷酸化偶联部位,是在复合体、,P/O比值=ATP数,50,利用P/O比值推测氧化磷酸化偶联部位：,因此，NADHQ 存在偶联部位。,抗坏血酸：P/O 1 2e从Cytc到O2生成1个ATP,因此，Cytaa3O2 存在偶联部位。,Q Cyt c 存在偶联部位。,51,52,标准自由能：G=-nFE,2.根据自由能变化推测偶联部位
13、,合成1molATP时，需提供的能量至少为G0=-30.5kJ/mol。,电子传递链自由能变化,53,氧化磷酸化偶联部位,结论,54,（二） 氧化磷酸化的偶联机理,1. 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时，其能量驱动ADP与Pi生成ATP。,了解,55,因提出氧化磷酸化偶联机制：化学渗透学说而在1978年获诺贝尔化学奖的Peter D Mitchell,氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜； 线粒体内膜对H+、OH、K、Cl离子是不通透的
14、； 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； 增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP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度，结果电子虽可以传递，但ATP生成减少。,化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。,化学渗透假说简单示意图,胞液侧,基质侧,电子传递过程复合体 (4H+) 、 (4 H+)和 (2H+)有质子泵功能。,1. ATP合酶,ATP合酶结构模式图,催化亚基,（三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催化ATP合成,F1:亲水部分 组成：33,OSCP, IF1亚基 功能：催化ATP生成。F0:疏水部分 组成：a, b2, c912亚基 功能：构成质
15、子通道，将质子梯度产生的能量导向F1。,ATP合酶组成可旋转的发动机样结构,F0的2个b亚基的一端锚定F1的亚基，另一端通过和33稳固结合，使a、b2和33、亚基组成稳定的定子部分。 部分和亚基共同形成穿过33间中轴，还与1个亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的c亚基环紧密结合。c亚基环、和亚基组成转子部分。 质子顺梯度向基质回流时，转子部分相对定子部分旋转，使ATP合酶利用释放的能量合成ATP。,寡霉素,柄部: 存有其他亚基，其中一个称为寡霉素敏感蛋白（OSCP)，在寡霉素存在时使ATP合酶不能合成ATP。,当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，亚基发生旋转，3个亚基的构象发生改变
16、。,ATP合酶的工作机制,（2）ATP合成的结合变构机制(binding change mechanism),L结合ADP和Pi；T合成ATP；O释放ATP。,三、氧化磷酸化作用可受某些内外源因素影响,（一）有3类氧化磷酸化抑制剂,1、呼吸链抑制剂,复合体抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidin A)及异戊巴比妥(amobarbital)等阻断传递电子到泛醌 。 复合体的抑制剂：萎锈灵(carboxin)。,复合体抑制剂：抗霉素A(antimycin A)阻断Cyt bH传递电子到泛醌(QN) ；粘噻唑菌醇则作用QP位点。 复合体 抑制剂：CN、N3紧密结合中氧化型
17、Cyt a3，阻断电子由Cyt a到CuB- Cyt a3间传递。CO与还原型Cyt a3结合，阻断电子传递给O2。,作用：阻断电子传递,鱼藤酮 粉蝶霉素A 异戊巴比妥,抗霉素A 二巯基丙醇,CO、CN-、 N3-及H2S,各种呼吸链抑制剂的阻断位点,呼吸链正常,2、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度,作用：使氧化过程与磷酸化过程脱节 举例：2，4-二硝基苯酚、解偶联蛋白。,解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）,Q,胞液侧,基质侧,解偶联 蛋白,硬肿症,寡霉素,可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。,作用：抑制电子传递及氧化磷酸化过程举例：寡霉素,3、ATP合酶抑制剂,不
18、同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响,电子传递链及氧化磷酸化系统概貌,H+ 跨膜质子电化学梯度；H+m内膜基质侧H+；H+c 内膜胞液侧H+,化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响,ADP/ATP： 抑制氧化磷酸化，ATP生成 ADP/ATP： 促进氧化磷酸化，ATP生成,H2O + NAD+,ADP+Pi,ATP,氧化磷酸化,（二）ADP 是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素。,（三）甲状腺激素刺激机体耗氧量和产热同时增加。,Na+，K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。,（四）线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸化功能。,四、ATP在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用,高能磷酸:
19、水解时释放的能量大于21kJ/mol的磷酸酯键，常表示为P。 高能磷酸化合物:含有高能磷酸键的化合物。,1、ATP分子中的高能磷酸基的来源（1） 氧化磷酸化：主要来源（2） 底物水平磷酸化,一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能,2.多磷酸核苷间的能量转移,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贮存形式。,3.ATP的生 成和利用,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。,线粒体外NADH2的氧化,1.-磷酸甘油穿梭,2.苹果酸-天冬氨酸穿梭,（二）两种穿梭系统
20、的比较,五、线粒体内膜对各种物质进行选择性转运,（一）胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链,1.-磷酸甘油穿梭 （1）特点： 线粒体内外的-磷酸甘油脱氢酶的辅酶不同 胞液-NAD+线粒体-FAD FADH2经琥珀酸氧化呼吸链 1.5ATP 主要存在于骨骼肌、脑,NADH+H+,FADH2,NAD+,FAD,线粒体 内膜,线粒体 外膜,膜间隙,线粒体 基质,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,（2）过程,2.苹果酸-天冬氨酸穿梭系统（1）特点： 苹果酸脱氢酶的辅酶是NAD+ 通过NADH氧化呼吸链 2.5ATP 主要存在于肝、心肌组织中。,NADH +H+,NAD+,谷氨酸- 天冬氨酸 转运体,
21、苹果酸-酮戊二酸转运体,苹果酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,谷氨酸,胞液,线 粒 体 内 膜,基质,天冬氨酸,（2）过程,氧化磷酸化,呼吸链,（二）两种穿梭系统的比较,-磷酸甘油穿梭,苹果酸-天冬氨酸穿梭,穿梭 物质,-磷酸甘油 磷酸二羟丙酮,苹果酸、 谷氨酸 天冬aa、-酮戊二酸,进入线粒 体后转变 成的物质,FADH2,NADH+ H+,进入 呼吸链,琥珀酸 氧化呼吸链,NADH 氧化呼吸链,生成ATP数,1.5,2.5,存在组织,骨骼肌、 神经组织,肝脏和心肌组织,相同点,将胞浆中NADH的还原当量转运到线粒体内,（二）ATP-ADP转位酶促进ADP进入和ATP移出紧密偶联,ATP4-,ADP
22、3-,H2PO4-,（二）ATP-ADP转位酶促进ADP进入和ATP移出紧密偶联,第二节其他不生成ATP的氧化体系,The Others Oxidative Enzyme Systems without ATP Producing,一、抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的功能,反应活性氧类(reactive oxygen species, ROS),ROS主要来源,线粒体：超氧阴离子O-2，是体内O-2的主要来源； O-2在线粒体中再生成H2O2和OH。 过氧化酶体：FAD将从脂肪酸等底物获得的电子交给O2生成H2O2和羟自由基OH。 胞浆需氧脱氢酶（如黄嘌呤氧化酶等）也可催化生成O-2。 细菌感
23、染、组织缺氧等病理过程，环境、药物等外源因素也可导致细胞产生活性氧类。,需氧脱氢酶和氧化酶,抗氧化酶体系,1、过氧化氢酶(catalase) 又称触酶，其辅基含4个血红素,可去除细胞生长和代谢产生的H2O2和过氧化物(R-O-OH)，是体内防止活性氧类损伤主要的酶。,2、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx),H2O2 + 2GSH 2 H2O +GS-SG2GSH + R-O-OH GS-SG + H2O + R-OH,谷胱甘肽过氧化物酶,H2O2 (ROOH),H2O (ROH+H2O),2G SH,GSS G,NADP+,NADPH+H+,此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤。,谷胱甘肽还原酶,含硒的谷胱甘肽过氧化物酶,3、超氧化物歧化酶,2O2+ 2H+,SOD,H2O2 + O2,H2O + O2,过氧化氢酶,SOD：超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase),二、微粒体细胞色素P450单加氧酶催化底物分子羟基化,上述反应需要细胞色素P450 (Cyt P450)参与。,细胞色素P450单加氧酶(cytochrome P450 monooxygenase)，又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase)或羟化酶(hydroxylase),细胞色素P450单加氧酶作用机制,
