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第 七 章,生 物 氧 化 Biological Oxidation,第一節(jié) 概述,物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行氧化稱生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時(shí)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,是在細(xì)胞內(nèi)溫和的環(huán)境中（體溫，pH接近中性），在一系列酶催化下逐步進(jìn)行，能量逐步釋放有利于機(jī)體捕獲能量，提高ATP生成的效率。 進(jìn)行廣泛的加水脫氫反應(yīng)使物質(zhì)能間接獲得氧，并增加脫氫的機(jī)會(huì)；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,體外氧化,能量是突然釋放的。 產(chǎn)生的CO2、H2O由物質(zhì)中的碳和氫直接與氧結(jié)合生成。,一、生物氧化的特點(diǎn),物質(zhì)在體內(nèi)外氧化時(shí)所消耗的氧量、最終產(chǎn)物（CO2，H2O）和釋放能量均相同。,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸鏈,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,二、生物氧化的過程,三、二氧化碳生成方式,四、代謝物氧化方式,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。,第二節(jié) 呼吸鏈,定義 指線粒體內(nèi)膜中按一定順序排列的一系列具有電子傳遞功能的酶復(fù)合體，可通過鏈鎖的氧化還原將代謝物脫下的電子最終傳遞給氧生成水。這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈(respiratory chain)又稱電子傳遞鏈(electron transfer chain)。 組成 遞氫體和電子傳遞體（2H 2H+ + 2e）,The discovery in 1948 by Eugene Kennedy and Albert Lehninger that mitochondria are the site of oxidative phosphorylation in eukaryotes marked the beginning of the modern phase of studies of biological energy transductions,人線粒體呼吸鏈復(fù)合體,泛醌不包含在上述四種復(fù)合體中。,一、呼吸鏈的組成,呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置,Cytc,Q,胞液側(cè),基質(zhì)側(cè),線粒體內(nèi)膜,1. 復(fù)合體: NADH-泛醌還原酶,功能: 將電子從NADH傳遞給泛醌 (ubiquinone),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(yīng)時(shí)變化發(fā)生在五價(jià)氮和三價(jià)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(yīng)時(shí)不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN 。,鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇(Fe-S)含有鐵原子和硫原子，其中鐵原子可進(jìn)行Fe2+ Fe3+e 反應(yīng)傳遞電子。, 表示無機(jī)硫,鐵硫蛋白,泛醌（輔酶Q, CoQ, Q）由多個(gè)異戊二烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反應(yīng)時(shí)可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。,2. 復(fù)合體: 琥珀酸-泛醌還原酶,功能: 將電子從琥珀酸傳遞給泛醌,3. 復(fù)合體: 泛醌-細(xì)胞色素c還原酶,功能：將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素c,細(xì) 胞 色 素,細(xì)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。,Fe-S,4. 復(fù)合體: 細(xì)胞色素c氧化酶,功能：將電子從細(xì)胞色素c傳遞給氧,其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位將電子交給O2。,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,1. NADH氧化呼吸鏈 NADH 復(fù)合體Q 復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體O2 2. 琥珀酸氧化呼吸鏈 琥珀酸 復(fù)合體 Q 復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體O2,order,NADH,FMN Fe-S,CoQ,FAD Fe-S,琥珀酸,Cytb Fe-S Cytc1,CytC,Cytaa3,O2,NADH氧化呼吸鏈,FADH2氧化呼吸鏈,第三節(jié) 生物氧化與能量代謝,一、高能化合物的種類,高能磷酸鍵 水解時(shí)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,一些重要有機(jī)磷酸化合物水解釋放的標(biāo)準(zhǔn)自由能,二、ATP的合成,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。,1、底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation),1,3-二磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變成3-磷酸甘油酸,1,3-二磷酸 甘油酸,3-磷酸甘油酸,磷酸甘油酸激酶(phosphoglycerate kinase),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。,2、氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation),1、氧化磷酸化偶聯(lián)部位,氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復(fù)合體、 根據(jù)自由能變化和P/O比值 G=-nFE,三、氧化磷酸化機(jī)制,電子傳遞鏈自由能變化,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(duì)電子通過氧化呼吸鏈傳遞給氧所生成ATP分子數(shù)）。,NADH,FMN Fe-S,CoQ,FAD Fe-S,琥珀酸,Cytb Fe-S Cytc1,CytC,Cytaa3,O2,NADH氧化呼吸鏈,FADH2氧化呼吸鏈,2、化學(xué)滲透假說,電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，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(chǔ)存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ADP與Pi生成ATP。,In the early 1960s Peter Mitchell suggested chemiosmotic hypothesis,化學(xué)滲透假說簡單示意圖,胞液側(cè),基質(zhì)側(cè),化學(xué)滲透假說詳細(xì)示意圖,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(duì)H+、OH、K、Cl離子是不通透的； 電子傳遞鏈可驅(qū)動(dòng)質(zhì)子移出線粒體，形成可測定的跨內(nèi)膜電化學(xué)梯度； 增加線粒體內(nèi)膜外側(cè)酸性可導(dǎo)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)子梯度，結(jié)果電子雖可以傳遞，但ATP生成減少。,化學(xué)滲透假說已經(jīng)得到廣泛的實(shí)驗(yàn)支持。,3、 ATP合酶,由親水部分 F1（33亞基 ）和疏水部分 F0（a1b2c912亞基）組成。,ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖,ATP合酶組成可旋轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)樣結(jié)構(gòu),當(dāng)H+順濃度遞度經(jīng)F0中a亞基和c亞基之間回流時(shí)，亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個(gè)亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。,ATP合酶的工作機(jī)制,Na+，K+ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)均增加。,1、ADP,呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR),2、甲狀腺激素,四、氧化磷酸化的影響因素,3、呼吸鏈抑制劑,復(fù)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(fù)合體的抑制劑：萎銹靈(carboxin)。,復(fù)合體抑制劑：抗霉素A(antimycin A)阻斷Cyt bH傳遞電子到泛醌(QN) 。 復(fù)合體 抑制劑：CN、N3、CO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(diǎn),NADH,FMN Fe-S,CoQ,FAD Fe-S,琥珀酸,Cytb Fe-S Cytc1,CytC,Cytaa3,O2,萎銹靈,4、解偶聯(lián)劑,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(jī)制是破壞電子傳遞過程建立的跨內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度，使電化學(xué)梯度儲(chǔ)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(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,5、ATP合酶抑制劑,這類抑制劑對(duì)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)己基碳二亞胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCCP)共價(jià)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(xué)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) 可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成,寡霉素,ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖,6、線粒體DNA突變,五、ATP的利用,ATP,ADP,機(jī)械能(肌肉收縮) 滲透能(物質(zhì)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)) 化學(xué)能(合成代謝) 電能(生物電) 熱能(維持體溫),生物體內(nèi)能量的儲(chǔ)存和利用都以ATP為中心。,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。,第四節(jié) 細(xì)胞質(zhì)NADH的氧化,線粒體內(nèi)膜對(duì)各種物質(zhì)進(jìn)行選擇性轉(zhuǎn)運(yùn),線粒體外膜通透性高，線粒體對(duì)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(duì)各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。,線粒體內(nèi)膜的某些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)代謝物的轉(zhuǎn)運(yùn),胞漿中NADH必須經(jīng)一定轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)入線粒體，再經(jīng)呼吸鏈進(jìn)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(yùn)機(jī)制：,1. 3-磷酸甘油穿梭機(jī)制,主要發(fā)生在腦和骨骼肌中。,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,2. 蘋果酸-天冬氨酸穿梭機(jī)制,主要發(fā)生在肝臟和心肌中。,NADH +H+,NAD+,谷氨酸- 天冬氨酸 轉(zhuǎn)運(yùn)體,蘋果酸-酮 戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)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,第五節(jié) 非線粒體氧化體系,一、抗氧化酶體系有清除反應(yīng)活性氧類的功能,Main players in the chemistry of life: unpaired electrons,反應(yīng)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(xì)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(dǎo)致細(xì)胞產(chǎn)生活性氧類。,抗氧化酶體系,1、過氧化氫酶(catalase) 又稱觸酶，其輔基含4個(gè)血紅素,可去除細(xì)胞生長和代謝產(chǎn)生的H2O2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(hù)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 (superoxide di