Chap.6 生物氧化(20111021).ppt

第六章生物氧化BiologicalOxidation CourseContent 1 TheOxidativePhosphorylationSystemwithATPProducingOxidationrespiratorychainoxidativephosphorylationNADHtransporter glycerophosphateshuttlemalate asparateshuttle2 TheOthersOxidationEnzymeSystemswithoutATPProducing CO2和H2O O2 能量 ADP Pi ATP 熱能 生物氧化的概念 營養(yǎng)物在生物體內(nèi)進行氧化稱生物氧化 主要指糖 脂肪 蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時逐步釋放能量 最終生成CO2和H2O的過程 生物氧化的一般過程 生物氧化的特點 37 近于中性水環(huán)境 酶催化 逐步釋放出能量 相當一部分能量以高能磷酸酯鍵的形式儲存起來 第一節(jié)生成ATP的氧化磷酸化體系TheOxidativePhosphorylationSystemwithATPProducing 一 氧化呼吸鏈 Oxidationrespiratorychain 在線粒體內(nèi)膜上 由若干遞氫體或遞電子體按一定順序排列組成的 與細胞呼吸過程有關(guān)的鏈式反應體系稱為呼吸鏈 respiratorychain 又稱電子傳遞鏈 electrontransferchain 胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè) 一 呼吸鏈的組成 復合體 1 復合體 NADH 泛醌還原酶 NAD 和NADP 的結(jié)構(gòu) R H NAD R H2PO3 NADP NADH還原酶 NAD NADH 黃素蛋白 FMN FAD FADH2 鐵硫蛋白的分子結(jié)構(gòu) 鐵硫蛋白分子中含有由半胱氨酸殘基硫原子與鐵離子形成的鐵硫中心 一次可傳遞一個電子Fe4S4 泛醌的分子結(jié)構(gòu) 2 復合體 琥珀酸 泛醌還原酶 琥珀酸脫氫酶 2FAD Fe S 2 Cytb560 細胞色素類 Cytochrome 以鐵卟啉為輔基的蛋白質(zhì) 單電子傳遞體可存在于線粒體內(nèi)膜 也可存在于微粒體 存在于線粒體內(nèi)膜的細胞色素有Cytaa3 Cytb b560 b562 b566 Cytc Cytc1 而存在于微粒體的細胞色素有CytP450和Cytb5 細胞色素C CytochromeC 3 復合體 泛醌 細胞色素c還原酶 2Cytb Cytc1 Fe S 4 復合體 細胞色素c氧化酶 Cytaa3Cyta Cyta3 銅離子 二 氧化呼吸鏈成分的排列順序 組成電子傳遞體的酶復合物的排列順序 1 NADH氧化呼吸鏈 2 琥珀酸氧化呼吸鏈 NADH氧化呼吸鏈 二 氧化磷酸化 在線粒體中 底物分子脫下的氫原子經(jīng)遞氫體系傳遞給氧 在此過程中釋放能量使ADP磷酸化生成ATP 這種能量的生成方式就稱為氧化磷酸化 oxidativephosphorylation 直接將底物分子中的高能鍵轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP分子中的末端高能磷酸鍵的過程稱為底物水平磷酸化 substratelevelphosphorylation 1 3 二磷酸甘油酸 底物水平磷酸化 3 磷酸甘油酸激酶 3 磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸激酶 烯醇式丙酮酸 琥珀酰CoA 琥珀酰硫激酶 琥珀酸 ADP ATP GDP Pi GTP 一 氧化磷酸化的偶聯(lián)部位 在氧化磷酸化過程中 氧的消耗與無機磷酸消耗之間的比例關(guān)系 反映底物脫氫氧化與ATP生成之間的比例關(guān)系 每消耗一摩爾氧原子所消耗的無機磷的摩爾數(shù)稱為P O比值 合成1molATP時 需要提供的能量至少為 G0 30 5kJ mol 相當于氧化還原電位差 E0 0 2V 故在NADH氧化呼吸鏈中有三處可生成ATP 2 5 而在琥珀酸氧化呼吸鏈中 只有兩處可生成ATP 1 5 近年來很多實驗結(jié)果都證明 以NADH作為電子供體時 測得的P O比值大于2 以琥珀酸作為電子供體時 側(cè)得的P O比值大于1 所以P O比值不一定是整數(shù) 例如 羥丁酸經(jīng)過NADH途徑的P O比值為2 4 2 6 產(chǎn)生的ATP數(shù)目為2 5 而琥珀酸經(jīng)過FADH2的P O比值為1 7 產(chǎn)生的ATP數(shù)目為1 5 氧化磷酸化的偶聯(lián)部位 二 氧化磷酸化的偶聯(lián)機制 英國生物化學家PeterDMitchell在1961年提出化學滲透假說 由于該假說提出后逐漸擁有越來越多的實驗證據(jù) 因而成為目前解釋氧化磷酸化偶聯(lián)機理最為公認的一種假說 并且PeterMitchell因提出該假說而獲得了1978年的諾貝爾化學獎 化學滲透假說 chemiosmotichypothesis 基本要點 氧化呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上 當氧化反應進行時 H 通過氫泵作用被泵到線粒體內(nèi)膜外側(cè) 從而形成跨膜pH梯度和跨膜電位差 這種形式的 勢能 可以被存在于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶 ATPsynthase 利用 生成高能磷酸基團 并與ADP結(jié)合而合成ATP NADH H NAD 胞液 線粒體內(nèi)膜 線粒體基質(zhì) 1 2O2 2H H2O 2H 化學滲透假說 胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè) 三 ATP合酶 ATPsynthase 當質(zhì)子從膜間腔返回基質(zhì)中時 這種 勢能 可被位于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶利用以合成ATP 當H 順濃度遞度經(jīng)F0中a亞基和c亞基之間回流時 亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn) 3個 亞基的構(gòu)象發(fā)生改變 L松弛型O開放型T緊密型 ATP合酶工作機制 1 呼吸鏈的抑制劑 阻斷劑 抑制呼吸鏈遞氫或遞電子過程的藥物或毒物稱為呼吸鏈抑制劑 抑制第一位點的有異戊巴比妥 粉蝶霉素A 魚藤酮等 抑制第二位點的有抗霉素A和二巰基丙醇 抑制第三位點的有CO H2S和CN N3 其中 CN 和N3 主要抑制氧化型Cytaa3 Fe3 而CO和H2S主要抑制還原型Cytaa3 Fe2 三 氧化磷酸化的影響因素 一 氧化磷酸化抑制劑 2 解偶聯(lián)劑 不抑制呼吸鏈的遞氫或遞電子過程 但能使氧化產(chǎn)生的能量不能用于ADP磷酸化的藥物或毒物稱為解偶聯(lián)劑 主要的解偶聯(lián)劑有2 4 二硝基酚 3 ATP合酶抑制劑 對電子傳遞和ATP生成均有抑制作用的藥物和毒物稱為氧化磷酸化的抑制劑 如寡霉素 二硝基苯酚 抗霉素A二巰基丙醇 CN COH2S 寡霉素 抑制劑作用部位 蔞銹靈 二 ATP ADP比值 呼吸控制率 respiratorycontrolratio RCR ATP ADP比值是調(diào)節(jié)氧化磷酸化速度的重要因素 ATP ADP 氧化磷酸化 ATP ADP 氧化磷酸化 NADH NAD 三 甲狀腺激素 四 線粒體DNA突變與線粒體DNA病變及衰老有關(guān) 甲狀腺激素可間接影響氧化磷酸化的速度 Na K ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達均增加 四 ATP 高能磷酸鍵的儲存與釋放 一 高能磷酸鍵的類型 生物化學中常將水解時釋放的能量 20kJ mol的磷酸鍵稱為高能磷酸鍵 生物體內(nèi)的高能磷酸鍵主要類型 1 磷酸酐鍵 如NDP NTP及PPi等 30 5kJ mol 2 混合酐鍵 由磷酸與羧酸脫水后形成的酐鍵 如1 3 二磷酸甘油酸等 3 烯醇磷酸鍵 磷酸烯醇式丙酮酸 4 磷酸胍鍵 磷酸肌酸 磷酸肌酸 C P 是肌肉和腦組織中能量的貯存形式 但磷酸肌酸中的高能磷酸鍵不能被直接利用 而必須先將其高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ATP 才能供生理活動之需 這一反應過程由肌酸磷酸激酶 CPK 催化完成 二 ATP循環(huán) 生成和利用 ATP是生物界普遍使用的供能物質(zhì) ATP分子中含有兩個高能磷酸酐鍵 均可以水解供能 ATP水解為ADP并供出能量之后 又可通過氧化磷酸化重新合成 從而形成ATP循環(huán) ATP ADP 機械能 肌肉收縮 滲透能 物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運 化學能 合成代謝 電能 生物電 熱能 維持體溫 三 多磷酸核苷間的能量轉(zhuǎn)移 在生物體內(nèi) 除了可直接使用ATP供能外 還用使用其他形式的高能磷酸鍵供能 如UTP用于糖原的合成 CTP用于磷脂的合成 GTP用于蛋白質(zhì)的合成等 胞液中的3 磷酸甘油醛或乳酸脫氫 均可產(chǎn)生NADH 這些NADH可經(jīng)穿梭系統(tǒng)而進入線粒體氧化磷酸化 產(chǎn)生H2O和ATP 五 線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運 一 胞液中NADH的氧化 胞漿中NADH必須經(jīng)一定轉(zhuǎn)運機制進入線粒體 再經(jīng)呼吸鏈進行氧化磷酸化 轉(zhuǎn)運機制主要有 磷酸甘油穿梭 glycerophosphateshuttle 蘋果酸 天冬氨酸穿梭 malate asparateshuttle FAD FADH2 1 磷酸甘油穿梭系統(tǒng) NADH通過此穿梭系統(tǒng)帶一對氫原子進入線粒體 只產(chǎn)生1 5分子ATP 腦 骨骼肌 胞液 線粒體 2 5ATP 2 蘋果酸穿梭系統(tǒng) 胞液中NADH H 的一對氫原子經(jīng)此穿梭系統(tǒng)可生成2 5分子ATP 肝臟 心肌 胞液 線粒體 ATP4 ADP3 H2PO4 二 腺苷酸轉(zhuǎn)運蛋白 adeninenucleotidetransporter 參與ADP與ATP反向轉(zhuǎn)運 ATP ADP轉(zhuǎn)位酶ATP ADP載體 第二節(jié)其他不生成ATP的氧化體系 TheOthersOxidationEnzymeSystemswithoutATPProducing 一 抗氧化酶體系 清除反應活性氧類 反應活性氧類 reactiveoxygenspecies ROS ROS主要來源 線粒體 超氧陰離子O2 是體內(nèi)O2 的主要來源 O2 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O2 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(nèi)防止活性氧類損傷主要的酶 2 谷胱甘肽過氧化物酶 glutathioneperoxidase GPx H2O2 2GSH 2H2O GS SG2GSH 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 superoxidedismutase 防御內(nèi)外環(huán)境中超氧離子的損傷 保護生物膜及血紅蛋白 二 微粒體細胞色素P450單加氧酶催化底物分子羥基化 上述反應需要細胞色素P450 CytP450 參與 細胞色素P450單加氧酶 cytochromeP450monooxygenase 又稱混合功能氧化酶 mixed functionoxidase 或羥化酶 hydroxylase 細胞色素P450單加氧酶作用機制 小結(jié) 物質(zhì)在生物體內(nèi)氧化稱為生物氧化 生物氧化主要指供能物質(zhì)在體內(nèi)分解時 逐步釋放能量 以維持生合活動 并最終生成CO2和H2O的過程 底物水平磷酸化 氧化磷酸化 呼吸鏈呼吸鏈分4種功能復合體 NADH 泛醌還原酶 復合體I