化學生物學生物氧化

化學生物學生物氧化第1頁/共79頁有機物質在生物體內的氧化作用，稱為生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又稱為呼吸作用。在整個生物氧化過程中，有機物質最終被氧化成CO2和水，并釋放出能量。而外源有機物（藥物、毒物等）進入機體后，在微粒體氧化酶系的作用下，將發(fā)生一系列化學變化并形成一些分解產物或衍生物，此種過程稱為生物轉化或代謝轉化。第2頁/共79頁第一節(jié)、生物氧化的特點1，生物氧化是在生物細胞內進行的酶促氧化過程，反應條件溫和（水溶液，pH7和常溫）。2，氧化進行過程中，必然伴隨生物還原反應的發(fā)生。3，水是許多生物氧化反應的氧供體。通過加水脫氫作用直接參予了氧化反應。4，在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進行的。氧化過程中脫下來的氫質子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水。第3頁/共79頁5，生物氧化是一個分步進行的過程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反應的產物都可以分離出來。這種逐步進行的反應模式有利于在溫和的條件下釋放能量，提高能量利用率。6，生物氧化釋放的能量，通過與ATP合成相偶聯(lián)，轉換成生物體能夠直接利用的生物能ATP。第4頁/共79頁第二節(jié)、生物能及其存在形式一、生物能和ATPATP是生物能存在的主要形式ATP是能夠被生物細胞直接利用的能量形式。第5頁/共79頁一般的能量形式，如光能（如太陽能）、熱能和化學能等，都不能為生物細胞直接利用。光能需要通過光合作用轉變成ATP(光合磷酸化)；化學能則需要通過生物氧化轉變成ATP（氧化磷酸化）。ATP是能夠被生物細胞直接利用的能量形式。第6頁/共79頁二、高能化合物磷酸酯類化合物在生物體的能量轉換過程中起者重要作用。許多磷酸酯類化合物在水解過程中都能夠釋放出自由能。一般將水解時能夠釋放21kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能（G’<-21kJ/mol）的化合物稱為高能化合物。ATP是生物細胞中最重要的高能磷酸酯類化合物。根據(jù)生物體內高能化合物鍵的特性可以把他們分成以下幾種類型。第7頁/共79頁1,高能磷酸化合物結構G千焦耳/摩爾G（千卡/摩爾）

磷酸烯醇式丙酮酸

-61.9

14.8

3-磷酸甘油酸磷酸

-49.3

11.8

磷酸肌酸

-43.1

10.3

乙酰基磷酸

-42.3

10.1

三磷酸腺苷

-30.5

7.3第8頁/共79頁2,氮磷鍵型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩爾7.7千卡/摩爾這兩種高能化合物在生物體內起儲存能量的作用。第9頁/共79頁3,硫酯鍵型3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基輔酶A第10頁/共79頁4,甲硫鍵型S-腺苷甲硫氨酸第11頁/共79頁第一節(jié)、線粒體呼吸鏈和ATP合成細胞內的線粒體是生物氧化的主要場所，主要功能是將代謝物脫下的氫通過多種酶及輔酶所組成的傳遞體系的傳遞，最終與氧結合生成水。由供氫體、傳遞體、受氫體以及相應的酶催化系統(tǒng)組成的這種代謝途徑一般稱為生物氧化還原鏈，當受氫體是氧時，稱為呼吸鏈。一、線粒體呼吸鏈的組成第12頁/共79頁線粒體的功能第13頁/共79頁第14頁/共79頁呼吸鏈各復合體在線粒體內膜中的位置第15頁/共79頁線粒體呼吸鏈第16頁/共79頁五.呼吸鏈的電子傳遞過程第17頁/共79頁第18頁/共79頁①NADHNADH是呼吸鏈組成的第一個成員，主要來自生物大分子代謝過程。第19頁/共79頁NADH泛醌還原酶簡寫為NADHQ還原酶,即復合物I，它的作用是催化NADH的氧化脫氫以及Q的還原。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。NADHQ還原酶最少含有16個多肽亞基。它的活性部分含有輔基FMN和鐵硫蛋白。FMN的作用是接受脫氫酶脫下來的電子和質子，形成還原型FMNH2。還原型FMNH2可以進一步將電子轉移給Q。

NADHQ還原酶

NADH+Q+H+=========NAD++QH2第20頁/共79頁復合體Ⅰ:NADH-泛醌還原酶第21頁/共79頁NADH泛醌還原酶第22頁/共79頁鐵硫簇Fe4S4結構示意圖

鐵硫蛋白的Fe-S中心也許象(a)一樣簡單,來自于半胱氨酸的四個硫原子環(huán)繞著鐵原子。其它中心包括無機和半胱氨酸的S原子,如同(b)2Fe-2S或(c)4Fe-4S中心.(d)的鐵氧還原蛋白有一個2Fe-2S中心;Fe紅色,無機S2黃色,半胱氨酸的S橙色.

第23頁/共79頁鐵硫蛋白鐵硫蛋白(簡寫為Fe-S)是一種與電子傳遞有關的蛋白質，它與NADHQ還原酶的其它蛋白質組分結合成復合物形式存在。第24頁/共79頁鐵硫蛋白鐵硫蛋白通過Fe3+

Fe2+

變化起傳遞電子的作用第25頁/共79頁

泛醌（簡寫為Q）或輔酶-Q（CoQ）：它是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為一種脂溶性醌類化合物。第26頁/共79頁輔酶-Q的功能Q(醌型結構)很容易接受電子和質子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出電子和質子，重新氧化成Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質子的傳遞體。第27頁/共79頁

泛醌細胞色素c還原酶簡寫為QH2-cyt.c還原酶,即復合物III,它是線粒體內膜上的一種跨膜蛋白復合物，其作用是催化還原型QH2的氧化和細胞色素c（cyt.c）的還原。

QH2-cyt.c還原酶QH2+2cyt.c(Fe3+)====Q+2cyt.c(Fe2+)+2H+QH2-cyt.c還原酶由9個多肽亞基組成?；钚圆糠种饕毎豣和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。第28頁/共79頁復合體II的結構第29頁/共79頁泛醌細胞色素c還原酶

第30頁/共79頁細胞色素（簡寫為cyt.）是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環(huán)的中心，構成血紅素。各種細胞色素的輔基結構略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有細胞色素a,b,c和c1等，組成它們的輔基分別為血紅素A、B和C。細胞色素a,b,c可以通過它們的紫外-可見吸收光譜來鑒別。細胞色素主要是通過Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用的。第31頁/共79頁細胞色素細胞色素根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。第32頁/共79頁

細胞色素c（cyt.c）它是電子傳遞鏈中一個獨立的蛋白質電子載體，位于線粒體內膜外表，屬于膜周蛋白，易溶于水。它與細胞色素c1含有相同的輔基，但是蛋白組成則有所不同。在電子傳遞過程中，cyt.c通過Fe3+

Fe2+

的互變起電子傳遞中間體作用。第33頁/共79頁由于QH2是一個雙電子載體，而參與上述反應過程的其它組分(如cyt.c)都是單電子傳遞體，所以，實際反應情況比較復雜。QH2所攜帶的一個高能電子通過鐵硫蛋白，傳遞給cyt.c，本身形成半醌自由基（QH）；另一個電子則傳遞給cyt.b。還原型cyt.b可以將QH

還原成QH2。其結果是通過一個循環(huán)，QH2將其中的一個電子傳遞給cyt.c。第34頁/共79頁

細胞色素c氧化酶簡寫為cyt.c氧化酶，即復合物IV，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復合物，由12個多肽亞基組成?；钚圆糠种饕╟yt.a和a3。第35頁/共79頁復合體IV的結構第36頁/共79頁cyt.a和a3組成一個復合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。cyt.aa3可以直接以O2為電子受體。在電子傳遞過程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+

Cu2+

的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2。第37頁/共79頁細胞色素c氧化酶第38頁/共79頁琥珀酸-Q還原酶琥珀酸是生物代謝過程（三羧酸循環(huán)）中產生的中間產物，它在琥珀酸-Q還原酶（復合物II）催化下，將兩個高能電子傳遞給Q。再通過QH2-cyt,c還原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶將電子傳遞到O2。第39頁/共79頁琥珀酸-Q還原酶也是存在于線粒體內膜上的蛋白復合物,它比NADH-Q還原酶的結構簡單，由4個不同的多肽亞基組成。其活性部分含有輔基FAD和鐵硫蛋白。琥珀酸-Q還原酶的作用是催化琥珀酸的脫氫氧化和Q的還原。第40頁/共79頁二、氧化-還原電勢與自由能的變化在生物氧化反應中，氧化與還原總是相互偶聯(lián)的。一個化合物（還原劑）失去電子，必然伴隨另一個化合物(氧化劑）接受電子。在線粒體呼吸鏈中，推動電子從NADH傳遞到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+

和1/2O2/H2O兩個半反應之間存在很大的電勢差。(a)?O2+2H++2e-

H2OE0’=+0.82V(b)NAD++H++2e-

NADHE0’=-0.322V將(a)減去(b)，即得(c)式：(c)?O2+NADH+2H+

H2O+NAD+E0’=+1.14VG’=-nFE0’=-2965001.14=-220kJ/mol第41頁/共79頁第42頁/共79頁三、電子傳遞和ATP的合成

NADH或琥珀酸所攜帶的高能電子通過線粒體呼吸鏈傳遞到O2的過程中，釋放出大量的能量。這種高能電子傳遞過程的釋能反應與ADP和磷酸合成ATP的需能反應相偶聯(lián)，是ATP形成的基本機制。第43頁/共79頁呼吸鏈

的

電子

傳遞第44頁/共79頁1,ATP酶復合體

線粒體內膜的表面有一層規(guī)則地間格排列著的球狀顆粒，稱為ATP酶復合體，是ATP合成的場所。第45頁/共79頁ATP合酶結構模式圖第46頁/共79頁ATPATPATP氧化磷酸化偶聯(lián)部位電子傳遞鏈自由能變化

第47頁/共79頁2，氧化磷酸化的偶聯(lián)機理化學滲透假說(chemiosmotichypothesis)

電子經呼吸鏈傳遞時，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。

第48頁/共79頁線粒體基質

線粒體膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化學滲透假說簡單示意圖第49頁/共79頁化學滲透假說第50頁/共79頁四、氧化磷酸化作用的抑制和解偶聯(lián)

能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子流的物質稱為電子傳遞抑制劑，利用某些特異性的抑制劑切斷某部位的電子流，再測定電子傳遞鏈中各組分的氧化-還原狀態(tài)，是研究電子傳遞順序的一種重要方法。已知的抑制劑有以下幾種：

第51頁/共79頁影響氧化磷酸化的因素1、抑制劑（1）呼吸鏈抑制劑阿米妥、異戊巴比妥魚藤酮、粉蝶霉素A

CO、H2SCN-、N3-

抗霉素A、二巰基丙醇（BAL）第52頁/共79頁第53頁/共79頁1,復合物I抑制劑

魚藤酮（rotenone）、安密妥（amytal）以及殺粉蝶菌素（piericidin），它們的作用是抑制NADH泛醌還原酶，從而阻斷電子由NADH向輔酶Q的傳遞。魚藤酮是一種極毒的植物物質，常用作殺蟲劑使用，安密妥用作麻醉藥就是根據(jù)這個原理。殺粉蝶菌素的結構類似輔酶Q，因此可以和輔酶Q相競爭。第54頁/共79頁第55頁/共79頁2,復合物III抑制劑

抗霉素A（antimycinA）是從鏈霉菌（streptomycesgriseus）中分離出的抗菌素，可以抑制電子從細胞色素b到細胞色素c1傳遞的作用。第56頁/共79頁氰化物、硫化氫、疊氮化物和一氧化碳等可以抑制細胞色素c氧化酶，從而阻斷電子由細胞色素aa3傳至氧的作用，這就是氰化物等中毒的原理。

3，復合物IV抑制劑

第57頁/共79頁4，氧化磷酸化作用的解偶聯(lián)劑

除了上述抑制劑外，還有一類抑制劑可以阻斷氧化磷酸化作用，這類物質稱為解偶聯(lián)劑。解偶聯(lián)劑可使正常緊密聯(lián)系著的氧化過程與磷酸化過程發(fā)生松解，甚至完全拆離，相應地使P／O比率下降或變?yōu)榱恪Ｓ捎谘趸俣仍黾佣姿峄饔孟陆?，結果產生過量的熱。在整體的動物過量產熱表現(xiàn)為發(fā)熱及導致由其他代謝紊亂而出現(xiàn)的臨床癥狀，因為ATP相對缺乏，阻滯了某些重要的細胞活動，例如離子的轉送，膜的通透性改變等。第58頁/共79頁解偶聯(lián)劑作用機制

H＋膜內外電化學梯度電子傳遞使H＋跨膜轉移H＋經ATP合酶的F0

單元回流ATP合成H＋經從其它途徑回流能量以熱能散失，不能合成ATP常見的解偶聯(lián)劑包括：2,4－二硝基苯酚，解偶聯(lián)蛋白。第59頁/共79頁常見的解偶聯(lián)劑有2,4—二硝基苯酚(曾用于降體重)、雙香豆素、某些水楊酸苯胺的取代物以至游離的水楊酸，即阿斯匹林的代謝物。從用量多少比較，水楊酸苯胺是目前已知的最強效解偶聯(lián)劑。天然解偶聯(lián)劑包括膽色素、膽紅素、游離脂肪酸，也許還有甲狀腺素。這些物質必須在線粒體內達到足夠高濃度才起解偶聯(lián)作用。某些病原微生物產生的可溶性毒素也有解偶聯(lián)作用，糧食生產以至家庭使用的某些殺蟲藥，過量時也有解偶聯(lián)作用。

第60頁/共79頁魚藤酮安密妥抗菌素A第61頁/共79頁5，解偶聯(lián)蛋白UCP

化學滲透假說指出，在電子傳遞鏈中，從線粒體基質泵出H+，產生H+跨膜電化學勢能，這種勢能又驅使H+通過ATP合成酶重新回到線粒體基質中，同時合成ATP。然而，線粒體在沒有ADP的情況下也可進行呼吸作用，即H+不通過ATP合成酶也可以從線粒體內膜滲漏到線粒體基質中，而不產生ATP。研究發(fā)現(xiàn)這種解偶聯(lián)作用是由線粒體內膜上的UCP所介導的。UCP在產熱?控制ROS、調控脂肪酸氧化以及肥胖和糖尿病中起重要作用。

第62頁/共79頁1，UCP的蛋白質結構

已知的UCP包括UCP1?UCP2?UCP3?UCP4?BMCP1以及植物中的UCP等。UCP1?UCP2和UCP3在結構上十分相似，均以二聚體形式存在于線粒體內膜?其單體分子含有三段約100個氨基酸的相似的結構域，每個結構域含兩個跨膜蛋白螺旋，由位于基質中的環(huán)連接起來，重復區(qū)N端和C端位于線粒體內膜內側，而且每個結構域含一段線粒體載體信號序列。

第63頁/共79頁AfoldingdiagramofUCP-1fromhamsterBAT

第64頁/共79頁2，UCP解偶聯(lián)機制

電子傳遞鏈產生H+跨線粒體內膜的勢能。在偶聯(lián)狀態(tài)下，勢能驅使H+通過ATP合成酶而重新回到線粒體基質中，同時將勢能轉化為ATP的化學能；而H+也可通過UCP回到線粒體基質，即質子滲漏，此途徑不與任何消耗能量的過程相偶聯(lián)，能量以熱能形勢釋放，減少了ATP合成。自由脂肪酸可促進UCP1介導的H+運輸，而嘌呤核苷酸可抑制UCP1活性。對于脂肪酸促進UCP1介導的H+運輸?shù)臋C制有兩種假說。

第65頁/共79頁UCP解偶聯(lián)機制

第66頁/共79頁第一種假說認為，UCP1運輸?shù)氖荋+，而脂肪酸為運輸H+提供羧基。第二種假說則認為，UCP1運輸?shù)氖亲杂芍舅岫皇荋+，通過脂肪酸循環(huán)來運輸H+。這一方面的機制還有待進一步研究?

第67頁/共79頁3，UCP的生物學功能

UCP1可產生熱能，減少ATP的合成，因此，UCP1在嚙齒類動物中有產生熱量以維持體溫的重要作用。此外，UCP1可控制ROS的產生，在肥胖和糖尿病中也有一定作用。對UCP2和UCP3的功能則存在較多爭議，目前認為雖然UCP2和UCP3也能像UCP1一樣有適應性產熱功能，它們更主要在控制ROS產生和控制脂肪酸氧化中起作用，并且與肥胖和糖尿病的產生有密切關系。第68頁/共79頁介導適應性產熱

適應性產熱可由食物或溫度變化誘導產生，其在控制能量穩(wěn)態(tài)和體重中有重要作用?ucp1基因剔除的小鼠在寒冷中無法維持體溫，所以UCP1也可介導任意食物誘導的產熱。UCP1所介導寒冷誘導的產熱可分為短期和長期兩種。短期反應一般在幾分鐘之內，而長期反應一般為幾小時或幾天。

第69頁/共79頁

HeatproductioninBATintheframeworkoftheoverallbodyweightcontrolsystem.

第70頁/共79頁調節(jié)脂肪酸氧化

UCP2和UCP3與脂肪酸代謝有密切關系。β氧化增強時，ucp2和ucp3的mRNA水平升高。新生小鼠的骨骼肌直到哺乳期才產生UCP3；新生鼠沒有內源性的脂肪儲備，如果不讓其哺乳，則不誘導UCP3產生，而如果此時喂養(yǎng)脂肪乳劑，則可顯著誘導UCP3產生。而UCP2和UCP3在脂肪酸代謝中可能起運輸脂肪酸的作用。例如UCP3可能運輸MTE1產生的脂肪酸，UCP2和UCP3也可能是防止脂肪過度代謝引起的毒性。

第71頁/共79頁UCP與肥胖

肥胖是指機體脂肪總量過多或局部含量過