生物氧化--經(jīng)典醫(yī)學(xué)課件

1、目目 錄錄生 物 氧 化Biological Oxidation甘肅中醫(yī)藥大學(xué)目目 錄錄物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行氧化稱生物氧化，主物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行氧化稱生物氧化，主要要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時(shí)逐步等在體內(nèi)分解時(shí)逐步釋釋放能量放能量，最終，最終生成生成CO2 和和 H2O的過(guò)程。的過(guò)程。糖糖 脂肪脂肪 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP熱能熱能* * 生物氧化的概念生物氧化的概念 目目 錄錄* * 生物氧化與體外氧化之相同點(diǎn)生物氧化與體外氧化之相同點(diǎn)w 生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、加氧、脫氫、失電子失電子，遵循

2、氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。w 物質(zhì)在體內(nèi)外氧化時(shí)所消耗的物質(zhì)在體內(nèi)外氧化時(shí)所消耗的氧量氧量、最終產(chǎn)、最終產(chǎn)物（物（CO2，H2O）和釋放）和釋放能量能量均相同。均相同。目目 錄錄w是在細(xì)胞內(nèi)是在細(xì)胞內(nèi)溫和溫和的環(huán)境中（體的環(huán)境中（體溫，溫，pH接近中性），在一系列接近中性），在一系列酶促反應(yīng)逐步進(jìn)行，能量酶促反應(yīng)逐步進(jìn)行，能量逐步逐步釋放釋放有利于有利于機(jī)體捕獲能有利于有利于機(jī)體捕獲能量，提高量，提高ATP生成的效率。生成的效率。w進(jìn)行廣泛的加水進(jìn)行廣泛的加水脫氫脫氫反應(yīng)使物反應(yīng)使物質(zhì)能間接獲得氧，并增加脫氫質(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)的機(jī)會(huì)

3、；脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生生H2O，有機(jī)酸脫羧有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生產(chǎn)生CO2。* * 生物氧化與體外氧化之不同點(diǎn)生物氧化與體外氧化之不同點(diǎn)生物氧化生物氧化體外氧化體外氧化w能量是突然釋放的。能量是突然釋放的。 w產(chǎn)生的產(chǎn)生的CO2、H2O由物質(zhì)由物質(zhì)中的碳和氫直接與氧結(jié)中的碳和氫直接與氧結(jié)合生成。合生成。目目 錄錄糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸鏈呼吸鏈 ADP+Pi ATP * * 生物氧化的一般過(guò)程生物氧化的一般過(guò)程目目 錄錄第一節(jié)第一節(jié) 呼吸鏈呼吸鏈respiratory chainrespiratory chain

4、目目 錄錄定義定義存在于存在于線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜上的功能單位，代謝物上的功能單位，代謝物脫下的成對(duì)脫下的成對(duì)氫氫原子（原子（2H）通過(guò)多種酶和輔酶所）通過(guò)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，這一系列水，這一系列酶和輔酶酶和輔酶稱為稱為呼吸鏈呼吸鏈(respiratory chain)又稱又稱電子傳遞鏈電子傳遞鏈(electron transfer chain)。組成組成遞氫體和電子傳遞體（遞氫體和電子傳遞體（2H 2H+ + 2e） 一、呼吸鏈一、呼吸鏈目目 錄錄（一）呼吸鏈的組成（一）呼吸鏈的組成四種具有傳遞電子功能的酶復(fù)合體四

5、種具有傳遞電子功能的酶復(fù)合體(complex) * * 泛醌泛醌 和和 Cyt c 均不包含在上述四種復(fù)合體中。均不包含在上述四種復(fù)合體中。人線粒體呼吸鏈復(fù)合體人線粒體呼吸鏈復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體酶名稱酶名稱復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體NADH-泛醌還原酶泛醌還原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌還原酶泛醌還原酶泛醌泛醌-細(xì)胞色素細(xì)胞色素C還原酶還原酶細(xì)胞色素細(xì)胞色素c氧化酶氧化酶輔基輔基FMN，F(xiàn)e-S FAD，F(xiàn)e-S 鐵卟啉，鐵卟啉，F(xiàn)e-S 鐵卟啉，鐵卟啉，Cu 多肽鏈數(shù)多肽鏈數(shù)394 1013 復(fù)合體復(fù)合體酶名稱酶名稱復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體NADH-泛醌還

6、原酶泛醌還原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌還原酶泛醌還原酶泛醌泛醌-細(xì)胞色素細(xì)胞色素C還原酶還原酶細(xì)胞色素細(xì)胞色素c氧化酶氧化酶輔基輔基FMN，F(xiàn)e-S FAD，F(xiàn)e-S 鐵卟啉，鐵卟啉，F(xiàn)e-S 鐵卟啉，鐵卟啉，Cu 多肽鏈數(shù)多肽鏈數(shù)394 1013 目目 錄錄 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液側(cè)胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè) 線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜 e-e-e-e-e-目目 錄錄NAD+和和NADP+的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+目目 錄錄NAD+（NADP+）和）和NADH（NADPH）相互轉(zhuǎn)變）相互轉(zhuǎn)變氧化

7、還原反應(yīng)時(shí)變化發(fā)生在五價(jià)氮和三價(jià)氮之間。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。目目 錄錄FMN結(jié)構(gòu)中含核黃素，發(fā)揮功能的部位是結(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 。目目 錄錄鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇(Fe-S)含有等量鐵原含有等量鐵原子和硫原子，其中鐵原子可進(jìn)行子和硫原子，其中鐵原子可進(jìn)行Fe2+ Fe3+e 反應(yīng)傳遞電子。反應(yīng)傳遞電子。 表示無(wú)機(jī)硫表示無(wú)機(jī)硫 目目 錄錄 鐵硫蛋白鐵硫蛋白 無(wú)機(jī)硫無(wú)機(jī)硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫目目 錄錄泛醌（輔酶泛醌（輔酶Q, CoQ, Q）由多個(gè)異戊二烯連接

8、）由多個(gè)異戊二烯連接形成較長(zhǎng)的疏水側(cè)鏈（人形成較長(zhǎng)的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反應(yīng)），氧化還原反應(yīng)時(shí)可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。時(shí)可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。目目 錄錄細(xì)胞色素是一類以鐵鐵卟啉為輔基的催化電細(xì)胞色素是一類以鐵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。子傳遞的酶類，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。目目 錄錄目目 錄錄1. 復(fù)合體復(fù)合體: NADH-泛醌還原酶泛醌還原酶u 功能功能: 將電子從將電子從NADH傳遞給泛醌傳遞給泛醌 (ubiquinone) 復(fù)合體復(fù)合體NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-S

9、N-2 目目 錄錄復(fù)合體復(fù)合體的功能的功能 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2還原型還原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2目目 錄錄2. 復(fù)合體復(fù)合體: : 琥珀酸琥珀酸- -泛醌還原酶泛醌還原酶u 功能功能 將電子從琥珀酸傳遞給泛醌將電子從琥珀酸傳遞給泛醌 復(fù)合體復(fù)合體琥珀酸琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 目目 錄錄目目 錄錄3. 復(fù)合體復(fù)合體: 泛醌泛醌-細(xì)胞色素細(xì)胞色素c還原酶還原酶 u 功能：功能：將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素c 復(fù)合體復(fù)合體QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c

10、1目目 錄錄目目 錄錄4. 復(fù)合體復(fù)合體: 細(xì)胞色素細(xì)胞色素c氧化酶氧化酶u 功能：功能：將電子從細(xì)胞色素將電子從細(xì)胞色素c傳遞給氧傳遞給氧 復(fù)合體復(fù)合體還原型還原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB形成的活性部位將電子交給形成的活性部位將電子交給O2。目目 錄錄目目 錄錄 由以下實(shí)驗(yàn)確定由以下實(shí)驗(yàn)確定 標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位 拆開(kāi)和重組拆開(kāi)和重組 特異抑制劑阻斷特異抑制劑阻斷 還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧（三）呼吸鏈成分的排列順序（三）呼吸鏈成分的排列順序目目 錄錄氧氧化化還還原原對(duì)對(duì)E (V)NAD+/NADH+H+-0.32FM

11、N/ FMNH2-0.30FAD/ FADH2-0.06Cyt b Fe3+/Fe2+0.04（或或0.10）Q10/Q10H20.07Cyt c1 Fe3+/ Fe2+0.22Cyt c Fe3+/Fe2+0.25Cyt a Fe3+ / Fe2+0.29Cyt a3 Fe3+ / Fe2+ 0.551/2 O2/ H2O 0.82呼呼吸吸鏈鏈中中各各種種氧氧化化還還原原對(duì)對(duì)的的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)氧氧化化還還原原電電位位目目 錄錄1. NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈NADH 復(fù)合體復(fù)合體Q 復(fù)合體復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體復(fù)合體O22. 琥珀酸氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈 琥珀酸琥珀酸 復(fù)合體復(fù)合體 Q 復(fù)

12、合體復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體復(fù)合體O2目目 錄錄NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈 FADH2氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈目目 錄錄電子傳遞鏈電子傳遞鏈目目 錄錄二二 胞漿中胞漿中NADH的氧化的氧化胞漿中胞漿中NADH必須經(jīng)一定必須經(jīng)一定轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)入線粒體，進(jìn)入線粒體，再經(jīng)呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。再經(jīng)呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制主要有主要有-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)蘋果酸蘋果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)目目 錄錄1. - -磷酸甘油穿梭機(jī)制磷酸甘油穿梭機(jī)制 目目 錄錄 NADH+H+

13、FADH2 NAD+ FAD 線粒體線粒體 內(nèi)膜內(nèi)膜 線粒體線粒體 外膜外膜膜間隙膜間隙 線粒體線粒體 基質(zhì)基質(zhì)-磷酸甘油磷酸甘油 脫氫酶脫氫酶 呼吸鏈呼吸鏈 磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O-磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH目目 錄錄2. 蘋果酸蘋果酸- -天冬氨酸穿梭機(jī)制天冬氨酸穿梭機(jī)制目目 錄錄NADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH +H+ NAD+ 谷氨酸谷氨酸-天冬氨酸天冬氨酸 轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)體蘋果酸蘋果酸-酮酮

14、 戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)體戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)體 -OOC-CH2-C-COO-OHH蘋果酸蘋果酸 -OOC-CH2-C-COO-O草酰乙酸草酰乙酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-酮戊二酸酮戊二酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H谷氨酸谷氨酸 蘋果酸蘋果酸 脫氫酶脫氫酶 谷草轉(zhuǎn)谷草轉(zhuǎn) 氨酶氨酶 胞液胞液 線線粒粒體體內(nèi)內(nèi)膜膜 基質(zhì)基質(zhì) 呼吸鏈呼吸鏈 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H天冬氨酸天冬氨酸 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H目目 錄錄第二節(jié)第二節(jié) 生物氧化與能量代謝生物氧化與能量

15、代謝目目 錄錄 一、一、ATP得生成方式得生成方式* 定義定義氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中偶聯(lián)是指在呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中偶聯(lián)ADP磷酸磷酸化，生成化，生成ATP，又稱為，又稱為偶聯(lián)磷酸化偶聯(lián)磷酸化。 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是底物分子內(nèi)部能量重新分是底物分子內(nèi)部能量重新分布，生成高能鍵，使布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的的過(guò)程。過(guò)程。目目 錄錄（一）氧化磷酸化偶聯(lián)部位（一）氧化磷酸化偶聯(lián)部位氧化磷酸化偶聯(lián)部位：氧化磷酸化偶聯(lián)部位

16、：復(fù)合體復(fù)合體、根據(jù)自由能變化和根據(jù)自由能變化和P/O比值比值G=-nFE 目目 錄錄線線粒粒體體離離體體實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)測(cè)測(cè)得得的的一一些些底底物物的的P/O比比值值底底 物物呼呼吸吸鏈鏈的的組組成成P/O比比值值可可能能生生成成的的 ATP數(shù)數(shù) -羥羥丁丁酸酸NAD+復(fù)復(fù)合合體體CoQ復(fù)復(fù)合合體體2.42.8 3Cyt c復(fù)復(fù)合合體體O2琥琥珀珀酸酸復(fù)復(fù)合合體體CoQ復(fù)復(fù)合合體體1.7 2Cyt c復(fù)復(fù)合合體體O2抗抗壞壞血血酸酸Cyt c復(fù)復(fù)合合體體O20.88 1細(xì)細(xì)胞胞色色素素c (Fe2+) 復(fù)復(fù)合合體體O20.61-0.68 1目目 錄錄ATPATP ATP 氧化磷酸化偶聯(lián)部位氧化磷酸化

17、偶聯(lián)部位電子傳遞鏈自由能變化電子傳遞鏈自由能變化區(qū)段區(qū)段電位變化電位變化(E)自由能變化自由能變化G=-nFE能否生成能否生成ATP(G是否大于是否大于30.5KJ) Cyt aa3O2 0.53V 102.3KJ/mol 能能NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/mol 能能CoQCyt c 0.21V 40.5KJ/mol 能能目目 錄錄（二）（二） 氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理1. 化學(xué)滲透假說(shuō)化學(xué)滲透假說(shuō)(chemiosmotic hypothesis) 電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將質(zhì)子（電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將質(zhì)子（H+）從線粒）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)

18、外質(zhì)子電體內(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)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與與Pi生成生成ATP。 目目 錄錄線粒體基質(zhì)線粒體基質(zhì) 線粒體膜線粒體膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化學(xué)滲透假說(shuō)簡(jiǎn)單示意圖化學(xué)滲透假說(shuō)簡(jiǎn)單示意圖化學(xué)滲透假說(shuō)化學(xué)滲透假說(shuō)目目 錄錄目目 錄錄 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ 胞液側(cè)胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè) + + + +

19、 + + + + + + - - - - - - - - - 化學(xué)滲透假說(shuō)詳細(xì)示意圖化學(xué)滲透假說(shuō)詳細(xì)示意圖目目 錄錄2. ATP合酶合酶由親水部分由親水部分 F1（33亞基亞基 ）和 疏 水 部 分和 疏 水 部 分 F0（a1b2c912亞基）亞基）組成。組成。ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖合酶結(jié)構(gòu)模式圖目目 錄錄當(dāng)當(dāng)H+順濃度遞度經(jīng)順濃度遞度經(jīng)F0中中a亞基和亞基和c亞基之間亞基之間回流時(shí)，回流時(shí)，亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個(gè)個(gè)亞基的構(gòu)象發(fā)生亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。改變。ATP合酶的工作機(jī)制合酶的工作機(jī)制目目 錄錄二、影響氧化磷酸化的因素二、影響氧化磷酸化的因素1. 呼吸鏈抑制劑呼吸鏈抑制劑 阻斷呼

20、吸鏈中某些部位電子傳遞。阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞。2. 解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑使氧化與磷酸化偶聯(lián)過(guò)程脫離。使氧化與磷酸化偶聯(lián)過(guò)程脫離。如：解偶聯(lián)蛋白如：解偶聯(lián)蛋白 3. 氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑 對(duì)電子傳遞及對(duì)電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素如：寡霉素 （一）抑制劑（一）抑制劑目目 錄錄魚(yú)藤酮魚(yú)藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A異戊巴比妥異戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巰基丙醇二巰基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn)各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn)目目 錄錄不同底物和抑制劑對(duì)線粒體氧耗的影響不同底物和抑制劑對(duì)線粒體氧耗的影響目目 錄錄解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體）解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體）Cyt cQ胞液側(cè)胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè) 解偶聯(lián)解偶聯(lián) 蛋白蛋白熱能熱能 ADP+Pi ATP 目目 錄錄 寡霉素寡霉素(oligomycin) 可阻止質(zhì)子從可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成生成ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖合酶結(jié)構(gòu)模式圖目目 錄錄（二）（二）ADP的調(diào)節(jié)作用的調(diào)節(jié)作用呼吸控制率呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR)（三）甲狀腺激素（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。酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)均增加