中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化課件

1、中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,第 6 章,生 物 氧 化 Biological Oxidation,The biochemistry and molecular biology department of CMU,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,營養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)經(jīng)氧化分解，最終生成CO2 和 H2O，并釋放能量的過程稱生物氧化。,* 生物氧化的概念,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,* 生物氧化與體外氧化的相同點(diǎn),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(yīng)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。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物

2、氧化,是在細(xì)胞內(nèi)溫和的環(huán)境中由酶催化進(jìn)行的，能量是逐步釋放的，并儲存于ATP中。 代謝物脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生H2O，有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生CO2。,* 生物氧化與體外氧化的不同點(diǎn),生物氧化,體外氧化,能量是突然釋放的。 CO2、H2O由物質(zhì)中的碳和氫直接與氧結(jié)合生成。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,* 生物氧化的一般過程,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,第一節(jié) 生成ATP的氧化體系The Oxidation System of ATP Producing,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,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(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，這一系列酶和輔酶

3、稱為呼吸鏈(respiratory chain)又稱電子傳遞鏈(electron transfer chain)。 組成 遞氫體和電子傳遞體（2H 2H+ + 2e）,一、呼吸鏈,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,（一）呼吸鏈的組成,人線粒體呼吸鏈復(fù)合體,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,四種復(fù)合體的排列關(guān)系,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,1. 煙酰胺核苷酸,NAD+：煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide Adenine Dinucleotide) ，又叫Co，主要作為呼吸鏈的一個組分，起遞氫體作用； NADP+：煙酰

4、胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotin-amide Adenine Dinucleotide Phosphate) ，又叫Co，主要在還原性生物合成中作為供氫體。 二者的遞氫部位是煙酰胺部分，為Vit PP。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+,NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu),中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,NAD+（NADP+）的遞氫機(jī)制,（氧化型）,（還原型）,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,2. 黃素輔基,FMN：黃素單核苷酸(Flavin Mononucleotide) FAD：黃素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleot

5、ide) FMN和FAD中異咯嗪環(huán)起遞氫體作用。 異咯嗪及核醇部分為Vit B2（核黃素）。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,FMN結(jié)構(gòu),異咯嗪,核醇,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,FAD結(jié)構(gòu),中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,FMN和FAD遞氫機(jī)制,（氧化型）,（還原型）,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,3. 鐵硫蛋白(Iron-sulfur protein, Fe-S),又叫鐵硫中心或鐵硫簇。 含有等量鐵原子和硫原子。 鐵除與硫連接外，還與肽鏈中Cys殘基的巰基連接。 鐵原子可進(jìn)行Fe2+ Fe3+e 反應(yīng)傳遞電子，為單電子傳遞體。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生

6、物氧化,4. 泛醌 (ubiquinone, UQ),即輔酶Q（ Coenzyme Q， CoQ），屬于脂溶性醌類化合物，帶有多個異戊二烯側(cè)鏈。 因其為脂溶性，游動性大，極易從線粒體內(nèi)膜中分離出來，因此不包含在四種復(fù)合體中。 分子中的苯醌結(jié)構(gòu)能可逆地結(jié)合2個H，為遞氫體。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,5. 細(xì)胞色素類（Cytochrome, Cyt）,是一類以鐵卟啉為輔基的電子傳遞蛋白。 呼吸鏈中主要有a、b、c、三類。差別在于鐵卟啉的側(cè)鏈以及鐵卟啉與蛋白部分連接的方式不同。 Cyt b、c的鐵卟啉與血紅素相同； Cyt a的

7、鐵卟啉為血紅素A。 分子中的鐵通過氧化還原而傳遞電子，為單電子傳遞體。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,由以下實(shí)驗(yàn)確定 標(biāo)準(zhǔn)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）呼吸鏈成分的排列順序,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,抑制劑,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,1. NADH氧化呼吸鏈,2. 琥珀酸氧化呼吸鏈,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,NA

8、DH氧化呼吸鏈,FADH2氧化呼吸鏈,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,線粒體內(nèi)重要代謝物氧化的途徑,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,二、氧化磷酸化,體內(nèi)ATP生成的方式： 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 phos-phorylation) 是底物分子內(nèi)部能量重新分布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成ATP的過程。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,（一）氧化磷酸化偶聯(lián)部位,即ATP生成的部位。 P/O比值：是指物質(zhì)氧化時，每消耗1摩爾氧原子

9、所消耗的無機(jī)磷的摩爾數(shù)，即生成ATP的摩爾數(shù)。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,線粒體離體實(shí)驗(yàn)測得的一些底物的P/O比值,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,三個偶聯(lián)部位：,NADH與CoQ之間； CoQ與Cyt c之間； Cyt aa3與氧之間。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,2. 自由能變化( G0)：大于30.5kJ即可生成1摩爾ATP。G0nFE0,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,NADH氧化呼吸鏈存在3個偶聯(lián)部位， P/O比值等于3，即產(chǎn)生3molATP。 琥珀酸氧化呼吸鏈存在2個偶聯(lián)部位， P/O比值等于2，即產(chǎn)生2molATP。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,（二） 氧化磷酸化的

10、偶聯(lián)機(jī)制,1. 化學(xué)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(xué)梯度儲存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時驅(qū)動ADP與Pi生成ATP。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,化學(xué)滲透假說簡單示意圖,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,化學(xué)滲透假說,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,復(fù)合體、均有質(zhì)子泵作用,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,Q循環(huán),中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,Q循環(huán),中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧

11、化,復(fù)合體 ,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,2. ATP合酶,即復(fù)合體。位于線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,ATP合酶,F0：為疏水蛋白質(zhì)，是鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中的質(zhì)子通道。 F1：為親水蛋白質(zhì)，由33亞基組成，催化生成ATP。 OSCP：寡霉素敏感相關(guān)蛋白，位于F0與F1之間，使ATP合酶在寡霉素存在時不能生成ATP。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,化學(xué)計算估計每生成1分子ATP需3個H從線粒體內(nèi)膜外側(cè)回流進(jìn)入基質(zhì)中。,ATP合酶的工作機(jī)制,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,ATP4-,ADP3-,H2PO4-,每分

12、子ATP在線粒體中生成并轉(zhuǎn)運(yùn)到胞漿需4個H回流進(jìn)入線粒體基質(zhì)中,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,NADH氧化呼吸鏈每傳遞2H僅生成 2.5分子ATP到線粒體外被利用。 FADH2氧化呼吸鏈每傳遞2H僅生成 1.5分子ATP到線粒體外被利用。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,三、影響氧化磷酸化的因素,1. 呼吸鏈抑制劑 阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞。 2. 解偶聯(lián)劑 使氧化與磷酸化偶聯(lián)過程脫離。 如：解偶聯(lián)蛋白 3. 氧化磷酸化抑制劑 對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。 如：寡霉素,（一）抑制劑,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,魚藤酮 粉蝶霉素A 異戊巴比妥,抗霉素A 二巰基丙醇,CO、CN

13、-、 N3-及H2S,各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn),中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,不同底物和抑制劑對線粒體氧耗的影響,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)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,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,寡霉素(oligomycin) 可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成,寡霉素,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,（二）ADP的調(diào)節(jié)作用 是主要調(diào)節(jié)因素。 ADP，氧化磷酸化。 （三）甲狀腺激素 Na+,K+ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)均增加。 （四）線粒體DNA突變 與線粒體DNA病及衰老有關(guān)。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,四、A

14、TP,高能磷酸鍵 水解時釋放的能量大于21KJ/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。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,ATP是人體內(nèi)能量的直接供給者。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,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。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,ATP的生成和利用,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧化,五、通過線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn),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(yùn)蛋白(transporter)對各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。,中國醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)-生物氧