生物化學(xué)及分子生物學(xué)(人衛(wèi)第九版)-06-01節(jié)生物氧化

1、 作者 : 苑輝卿單位 : 山東大學(xué)齊魯醫(yī)學(xué)院第六章 生物氧化Biological Oxidation目錄第一節(jié) 線粒體氧化體系與呼吸鏈第二節(jié) 氧化磷酸化與ATP的生成第三節(jié) 氧化磷酸化的影響因素第四節(jié) 其他氧化與抗氧化體系重點(diǎn)難點(diǎn)熟悉了解掌握1.生物氧化的概念2.線粒體呼吸鏈的組成及功能3.氧化磷酸化的概念、意義及其影響因素4.ATP在能量代謝中的作用1.化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)與ATP的生成機(jī)制2.呼吸鏈抑制劑的種類及作用特點(diǎn)3.ROS的種類及生成機(jī)制4.清除ROS的抗氧化酶微粒體的生物氧化線粒體氧化體系與呼吸鏈第一節(jié)Biological oxidation in mitochondria and t

2、he mitochondrial respiratory chain 物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行的氧化分解稱生物氧化(biological oxidation) 生物氧化發(fā)生的部位：細(xì)胞胞質(zhì)、線粒體、微粒體等 線粒體氧化體系：通過(guò)酶促反應(yīng)將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氧化分解為CO2 和 H2O，并釋放能量，產(chǎn)生ATP 微粒體氧化體系：利用氧化酶類對(duì)底物進(jìn)行加氧修飾，不產(chǎn)生ATP生物氧化 主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)氧化分解時(shí)逐步釋放能量，最終生成CO2 和 H2O的過(guò)程 特點(diǎn)：反應(yīng)溫和，需要酶的催化，氧化反應(yīng)逐步進(jìn)行，能量逐步釋放線粒體氧化體系 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氧化的一般過(guò)程線粒體氧化體系需要遞氫體和遞電子體 遞電子體遞氫體

3、電子直接傳遞： Fe2+ Fe3+ + e以氫原子的形式傳遞電子 2H 2H+ + 2e 水溶性輔酶或輔基： NAD+ /NADH, NADP+/NADPH為雙電子傳遞體線粒體氧化體系的遞氫體和遞電子體 功能基團(tuán)：芳環(huán)中五價(jià)氮和三價(jià)氮間的變化水溶性輔酶或輔基：FAD/FADH2, FMN/FMNH2為單雙電子傳遞體線粒體氧化體系的遞氫體和遞電子體 結(jié)構(gòu)中含核黃素 異咯嗪環(huán)為功能基團(tuán)脂溶性有機(jī)化合物：泛醌（ubiquinone，CoQ，Q）線粒體氧化體系的遞氫體和遞電子體 人體：CoQ10，含10個(gè)異戊二烯單位可在線粒體內(nèi)膜中自由擴(kuò)散傳遞質(zhì)子和電子QQHQH2鐵硫蛋白 (iron-sulfur

4、protein ) 輔基：鐵硫中心(Fe-S)含鐵離子和硫原子 通過(guò) Fe2+ Fe3+e- 反應(yīng)傳遞電子 單電子傳遞體線粒體氧化體系的遞氫體和遞電子體 Fe-SFe2S2Fe4S4 細(xì)胞色素蛋白 （cytochrome , Cyt）含血紅素樣輔基的蛋白質(zhì)分Cyt a、b、c 及不同的亞類線粒體氧化體系的遞氫體和遞電子體 細(xì)胞色素a，b，c 結(jié)合的血紅素輔基血紅素a血紅素b血紅素c通過(guò)血紅素輔基 Fe2+ Fe3+e- 反應(yīng)傳遞電子單電子傳遞體 具有傳遞電子能力的蛋白復(fù)合體組成線粒體呼吸鏈線粒體呼吸鏈： 生物體將NADH+H+和FADH2徹底氧化生成水和ATP的過(guò)程與細(xì)胞的呼吸有關(guān)，需要消耗氧

5、，參與氧化還原反應(yīng)的組分由含輔助因子的多種蛋白酶復(fù)合體組成，形成一個(gè)連續(xù)的傳遞鏈，因此稱為線粒體呼吸鏈（mitochodrial respiratory chain）。也稱電子傳遞鏈(electron transfer chain) 4個(gè)蛋白質(zhì)復(fù)合體，位于線粒體內(nèi)膜 含多種具有傳遞電子能力的輔基，如FMN、Fe-S、金屬離子等 蛋白復(fù)合體、泛醌以及細(xì)胞色素c協(xié)同完成電子傳遞到氧的過(guò)程 電子傳遞過(guò)程伴隨H+移至線粒體內(nèi)膜的胞質(zhì)側(cè)，形成跨內(nèi)膜H+梯度，釋放的能量用于生成ATP 一、呼吸鏈由4種具有傳遞電子能力的蛋白質(zhì)復(fù)合體組成線粒體內(nèi)膜的傳遞電子的復(fù)合體人線粒體呼吸鏈復(fù)合體的組成泛醌和細(xì)胞色素c不

6、包含在上述四種復(fù)合體中人人線線粒粒體體呼呼吸吸鏈鏈復(fù)復(fù)合合體體 復(fù)合體 酶名稱 質(zhì)量（kD） 多肽鏈數(shù) 功能輔基 含結(jié)合位點(diǎn) 復(fù)合體 I NADH-泛醌還原酶 850 43 FMN，F(xiàn)e-S NADH （基質(zhì)側(cè)）Q（脂質(zhì)核心） 復(fù)合體 II 琥珀酸-泛醌還原酶 140 4 FAD，F(xiàn)e-S 琥珀酸 （基質(zhì)側(cè)）Q（脂質(zhì)核心） 復(fù)合體 III 泛醌-細(xì)胞色素 c 還原酶 250 11 血紅素 bL，bH，c1，F(xiàn)e-S Cyt c（膜間隙側(cè)） 復(fù)合體 IV 細(xì)胞色素 c氧化酶 162 13 血紅素 a，血紅素 a3，CuA, CuB Cyt c（膜間隙側(cè)） 復(fù)合體：NADH-泛醌還原酶、NADH脫

7、氫酶 接受來(lái)自NADH+H+的電子并轉(zhuǎn)移給泛醌 復(fù)合體可催化兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程： 電子傳遞： NADHFMNFe-S Q 質(zhì)子的泵出：復(fù)合體有質(zhì)子泵功能，每傳遞2個(gè)電子可將4個(gè)H+從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè)（一） 復(fù)合體將NADH+H+中的電子傳遞給泛醌復(fù)合體介導(dǎo)的電子傳遞過(guò)程N(yùn)ADH+H+ NAD+ FMN FMNH2還原型Fe-S 氧化型Fe-S QQH2 復(fù)合體：琥珀酸-泛醌還原酶，即三羧酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶 電子傳遞：琥珀酸FAD幾種Fe-S Q 復(fù)合體：無(wú)H+泵的功能（二）復(fù)合體將電子從琥珀酸傳遞到泛醌（三）復(fù)合體將電子從還原型泛醌傳遞給細(xì)胞色素c 復(fù)合體：泛醌-細(xì)胞色素C還原酶 人復(fù)

8、合體含有 Cyt b(b562, b566)、Cyt c1和一種可移動(dòng)的鐵硫蛋白(Rieske protein) 泛醌從復(fù)合體、募集氫并穿梭傳遞到復(fù)合體 電子傳遞：QH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc 復(fù)合體的電子傳遞通過(guò)“Q循環(huán)”實(shí)現(xiàn) 復(fù)合體每傳遞2個(gè)電子向內(nèi)膜胞漿側(cè)釋放4個(gè)H+，復(fù)合體有質(zhì)子泵作用 Cyt c是呼吸鏈唯一水溶性球狀蛋白，不包含在復(fù)合體中 Cyt c將獲得的電子傳遞到復(fù)合體IV復(fù)合體的電子傳遞 復(fù)合體：細(xì)胞色素C氧化酶 電子傳遞：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2 CuA和Cyt a3CuB形成雙核中心，將電子傳遞給O2 質(zhì)子泵功能：

9、每傳遞2個(gè)電子使2個(gè)H+跨內(nèi)膜向膜間隙側(cè)轉(zhuǎn)移 （四）復(fù)合體將電子從細(xì)胞色素C傳遞給氧復(fù)合體IV的電子傳遞過(guò)程復(fù)合體IV的CuB-Cyta3將電子傳遞給O2、生成水1、NADH氧化呼吸鏈NADH 復(fù)合體CoQ 復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體O22、琥珀酸氧化呼吸鏈 琥珀酸 復(fù)合體 CoQ 復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體O2二、NADH和FADH2是呼吸鏈的電子供體NADH和FADH2是線粒體呼吸鏈的電子供體，形成兩條呼吸鏈標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位特異抑制劑阻斷還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧將呼吸鏈拆開(kāi)和重組 呼吸鏈各組分的排列順序的實(shí)驗(yàn)依據(jù)呼吸鏈中各種氧化還原對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位氧化還原對(duì)E0(V)氧化還原對(duì)E0(V)NA

10、D+ /NADN+H+0.32Cyt c1 Fe3+ /Fe2+0.22FMN /FMNH20.219Cyt c Fe3+ /Fe2+0.254FAD /FADH20.219Cyt a Fe3+ /Fe2+0.29Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyt a3 Fe3+ /Fe2+0.35Q10 /Q10H20.061/2O2 /H2O0.816 NADH氧化呼吸鏈 琥珀酸氧化呼吸鏈氧化磷酸化與ATP的生成第二節(jié)Oxidative phosphorylation and production of ATP 底物水平磷酸化(substrate level phospho

11、rylation): 與底物分子的高能鍵水解相偶聯(lián)，使ADP磷酸化生成ATP 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)：NADH和FADH2通過(guò)線粒體呼吸鏈被氧化生成水的過(guò)程伴隨著能量的釋放，驅(qū)動(dòng)ADP磷酸化生成ATP。即NADH和FADH2的氧化過(guò)程與ADP磷酸化過(guò)程相偶聯(lián)，釋放的能量用于生成ATPATP生成方式氧化過(guò)程如何偶聯(lián)ADP的磷酸化過(guò)程？每條呼吸鏈各產(chǎn)生多少ATP？一、氧化磷酸化偶聯(lián)部位在復(fù)合體、內(nèi) 根據(jù)P/O比值 自由能變化: G=-nFE 氧化與磷酸化的偶聯(lián)部位：復(fù)合體、（一）P/O 比值指氧化磷酸化過(guò)程中，每消耗1/2摩爾O2所生成ATP的摩爾數(shù)（或

12、一對(duì)電子通過(guò)呼吸鏈傳遞給氧所生成ATP分子數(shù)） 根據(jù)自由能變化確定偶聯(lián)部位G = -nF E偶聯(lián)部位電位變化(E0)自由能變化(G0)能否生成ATP(G0是否大于30.5KJ)NADHCoQ0.36V69.5KJ/mol能CoQCytc0.21V40.5KJ/mol能Cyta-a3O20.53V102.3KJ/mol能n：傳遞電子數(shù)；F：法拉第常數(shù) 合成1摩爾ATP 需能量約30.5kJ （二）自由能變化呼吸鏈產(chǎn)生的能量完全滿足合成ATP所需復(fù)合體 I復(fù)合體 III復(fù)合體 IV一對(duì)電子經(jīng)NADH氧化呼吸鏈氧化，偶聯(lián)生成2.5分子的ATP一對(duì)電子經(jīng)琥珀酸呼吸鏈氧化，偶聯(lián)產(chǎn)生1.5分子ATP二、氧

13、化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制是產(chǎn)生跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度化學(xué)滲透假說(shuō) (chemiosmotic hypothesis) 電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)釋放的能量，通過(guò)復(fù)合體的質(zhì)子泵功能，轉(zhuǎn)運(yùn)H+從線粒體基質(zhì)到內(nèi)膜的胞質(zhì)側(cè) 質(zhì)子不能自由穿過(guò)線粒體內(nèi)膜返回基質(zhì)，從而形成跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度（H+濃度梯度和跨膜電位差），儲(chǔ)存電子傳遞釋放的能量 質(zhì)子的電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子驅(qū)動(dòng)力，促使質(zhì)子從膜間隙側(cè)順濃度梯度回流至基質(zhì)、釋放儲(chǔ)存的勢(shì)能，用于驅(qū)動(dòng)ADP與Pi結(jié)合生成ATP化學(xué)滲透假說(shuō)示意圖質(zhì)子的跨內(nèi)膜梯度復(fù)合體I，III，IV都具有質(zhì)子泵功能呼吸鏈每傳遞2個(gè)電子使10個(gè)H+跨內(nèi)膜向胞漿側(cè)轉(zhuǎn)移線粒體胞漿側(cè)的質(zhì)子濃度、正電

14、荷遠(yuǎn)高于基質(zhì)形成跨內(nèi)膜的濃度和電位差（電化學(xué)梯度） 依賴于完整封閉的線粒體內(nèi)膜，對(duì)H+、K、Cl等離子的不通透性 呼吸鏈復(fù)合體可驅(qū)動(dòng)質(zhì)子移至線粒體膜間隙，形成可測(cè)定的跨膜電化學(xué)梯度 增加線粒體膜間隙側(cè)的酸性可促進(jìn)ATP合成，減少內(nèi)膜質(zhì)子梯度，電子雖可以傳遞，但ATP生成減少 化學(xué)滲透假說(shuō)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)三、質(zhì)子順濃度梯度回流釋放能量用于合成 ATPATP合酶：跨線粒體內(nèi)膜的通道蛋白功能：回流質(zhì)子至基質(zhì)時(shí)，結(jié)合ADP與Pi合成ATPATP合酶結(jié)構(gòu)組成F1（親水部分）（親水部分）亞基：功能：催化 ATP 合成Fo（疏水部分）（疏水部分）亞基：a1b2c9-12功能：質(zhì)子回流至基質(zhì)的通道DL. Nelson, MM. Cox Lehninger Principles of BiochemistryATP合酶：質(zhì)子回流通道 a亞基形成2個(gè)質(zhì)子半通道 半通道接受的質(zhì)子中和c亞基Asp61的負(fù)電荷后，c亞基環(huán)與內(nèi)膜接觸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)ATP 合酶的結(jié)合變構(gòu)模型：催化ATP合成質(zhì)子順濃度梯度經(jīng)Fo部分回流時(shí)，驅(qū)動(dòng)亞基轉(zhuǎn)動(dòng)，使3個(gè)亞基構(gòu)象周期性改變 依次結(jié)合底物、生成、釋出產(chǎn)物ATP 生成1個(gè)ATP，需3個(gè)H回流入線粒體基質(zhì)小結(jié)氧化磷酸化： 在線粒體完成氧化與磷酸化的偶聯(lián)過(guò)程 通過(guò)NADH呼吸鏈、琥