06 第六章 生物氧化

1、第六章 生物氧化,(Biological Oxidation),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。,ADP+Pi,第一節(jié) 概 述,(Outline),一、生物氧化的方式與特點(diǎn),(一)生物氧化的方式,生物氧化與物質(zhì)在體外的氧化方式在化學(xué)本質(zhì)上是相同的，生物氧化的方式有加氧、脫氫和失電子反應(yīng)。,2.脫氫反應(yīng),乳酸 丙酮酸,CH3CH(OH)COOH CH3COCOOH+2H,3.失電子反應(yīng),Fe2+ Fe3+ + e,1.加氧反應(yīng),RCHO+1/2O2 RCOOH,醛 酸,(二)生物氧化的特點(diǎn),為細(xì)胞內(nèi)恒定條件下酶

2、促反應(yīng)逐步進(jìn)行，能量逐步釋放，生成ATP。 加水脫氫反應(yīng)使物質(zhì)間接獲得氧，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,為不恒定條件下非酶促反應(yīng)，能量以熱能形式突然釋放。 產(chǎn)生的CO2、H2O由物質(zhì)中的碳和氫直接與氧結(jié)合生成。,氧化方式均為加氧、脫氫、失電子。,耗氧、釋放能量、終產(chǎn)物（CO2，H2O）均相同。,不 同 點(diǎn),相 同 點(diǎn),二、生物氧化的酶類,(一) 氧化酶類,細(xì)胞色素氧化酶、抗壞血酸氧化酶等屬于此類酶，該類酶的亞基常含有鐵、銅等金屬離子。,(二) 需氧脫氫酶類,(三) 不需氧脫氫酶類,乳酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶等 。,L-氨基酸氧化酶、黃嘌呤氧化酶等屬于此類

3、酶。,三、生物氧化過程中CO2的生成 人體內(nèi)CO2的生成來源于有機(jī)酸的脫羧反應(yīng)。 根據(jù)脫去的羧基在有機(jī)酸分子中的位置不同，分為-脫羧和-脫羧兩種；又根據(jù)脫羧是否伴有氧化，可分為單純脫羧和氧化脫羧兩種類型。,(一)-單純脫羧,胺,-氨基酸,2,CO,+,2,R-CH,NH,2,氨基酸脫羧酶,(二)-氧化脫羧,(三)-單純脫羧,(四)-氧化脫羧,丙酮酸,草酰乙酸,丙酮酸羧化酶,第二節(jié) 呼吸鏈與氧化磷酸化,代謝物脫下的成對氫原子（2H）通過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)合生成水，這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈(respiratory chain)又稱電子傳遞鏈(electron tra

4、nsfer chain)。,一、什么是呼吸鏈,(respiratory chain and oxidative phosphorylation ),四種具有傳遞氫和電子功能的酶復(fù)合體。,呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置,Q,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。,(一) 復(fù)合體 : NADH-泛醌還原酶,(1)NAD+和NADP+,1.復(fù)合體的組成,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 。,(2)FMN (FAD),鐵硫蛋白鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其中鐵原子可進(jìn)行Fe2+ Fe3+e 反應(yīng)傳遞電子。, 表示

5、無機(jī)硫,(3)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。,(4)輔酶Q,2.復(fù)合體的功能,(二) 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。,(三) 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c的結(jié)構(gòu),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。,1.細(xì)胞色素的結(jié)構(gòu),(四) 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Cu B形成的活性部位將電子交給O2。,細(xì)胞色素a的結(jié)構(gòu)

6、, 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,2. NADH氧化呼吸鏈 NADH 復(fù)合體Q 復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體O2 3. 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O2,1.排列順序確定的實(shí)驗(yàn)依據(jù),(五) 呼吸鏈成分的排列順序,4.兩條呼吸鏈的排列順序,NADH氧化呼吸鏈,FADH2氧化呼吸鏈,二、氧化磷酸化,(一)氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 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。,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。,(三)底物

7、水平磷酸化 (substrate level phosphorylation),(二)P/O 比值 氧化磷酸化過程中，每消耗1摩爾無機(jī)磷原子數(shù)與所消耗的氧原子摩爾數(shù)之比即P/O比值。,(四)氧化磷酸化偶聯(lián)部位,1.氧化磷酸化偶聯(lián)部位 復(fù)合體、。,2.偶聯(lián)部位的確定 根據(jù)P/O比值和自由能變 化（G=-nFE）。,化學(xué)滲透假說簡單示意圖,1. 化學(xué)滲透假說(chemiosmotic hypothesis) 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)梯度儲存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動ADP與Pi生成ATP。,(五) 氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理,胞液

8、側(cè),基質(zhì)側(cè),+ + + + + + + + + +,- - - - - - - - -,化學(xué)滲透假說詳細(xì)示意圖,2. 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,基質(zhì)側(cè),胞液側(cè),線粒體,內(nèi)膜,當(dāng)H+回流時(shí)，亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個(gè)亞基的構(gòu)象改變，釋放能量，使ADP生成ATP。,(一) 胞漿中NADH的氧化,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。,三、線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn),1. -磷酸甘油穿梭機(jī)制,FADH2,NADH+H+,NAD+,FAD,胞 漿,線粒體 外膜,線粒體 內(nèi)膜,線粒體 基質(zhì),膜間隙,磷酸

9、二羥丙酮,-磷酸甘油,電子傳遞鏈,2. 蘋果酸-天冬氨酸穿梭機(jī)制,蘋果酸脫氫酶 谷草轉(zhuǎn)氨酶 -酮戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 酸性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,(二) ADP進(jìn)入與ATP移出,腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與ADP與ATP反向轉(zhuǎn)運(yùn)。,ATP、ADP、Pi的轉(zhuǎn)運(yùn),四、影響氧化磷酸化的因素,1. 呼吸鏈抑制劑 阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞。如魚藤酮、氰化物、CO等。 2. 解偶聯(lián)劑 使氧化與磷酸化偶聯(lián)過程脫離。如解偶聯(lián)蛋白、2，4-二硝基酚。 3. ATP合酶抑制劑 對電子傳遞及ATP合酶均有抑制作用。如寡霉素。,(一)抑制劑,氧化磷酸化系統(tǒng)及抑制劑的影響,(二)甲狀腺激素 使ATP分解加速，Na+,K+ATP酶和解偶聯(lián)蛋

10、白基因表達(dá)均增加。 (三)ADP/ATP比值的調(diào)節(jié) 1.比值增大，氧化加快，ATP生成增加；比值減小氧化減慢，ATP生成減少。 2.呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR) 指離體線粒體實(shí)驗(yàn)中，底物量很大時(shí)，加入ADP后的耗氧速率與加入前的耗氧速率之比。,五、高能化合物的儲存和利用,2.高能化合物：含有高能鍵的化合物，如ATP、輔酶A、磷酸肌酸等。,(一)高能化合物,1.高能鍵 能釋放大于 21 KJ/mol 能量的化學(xué)鍵，如高能硫酯鍵和高能磷酸鍵，以 “”表示。,磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種儲存形式。,幾種常見的高能化合物,通 式,舉 例,釋放能量

11、pH7.0，25 KJ/mol(kcal/mol),磷酸肌酸,磷酸烯醇式丙酮酸,乙酰磷酸,乙酰CoA,ATP,GTP,UTP,CTP,-43.9(-10.5),-61.9(-14.8),-41.8(-10.1),-31.4(-7.5),-30.5(-7.3),(二)ATP的生成和利用,ATP,ADP,氧化磷酸化 底物水平磷酸化,P,機(jī)械能(肌肉收縮) 滲透能(物質(zhì)主動轉(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)能量的儲存和利用都以ATP為中心。,(一)加單氧酶(monoxygenase),又稱混合功能氧化酶(mixed-function oxidase) 或羥化酶(h

12、ydroxylase)。催化的反應(yīng)：,上述反應(yīng)需要細(xì)胞色素P450 (Cyt P450)參與。,一、微粒體中的氧化酶類,第三節(jié) 其他氧化酶系 (The Others Oxidation Enzyme Systems),除生成ATP的線粒體氧化體系外，還有微粒體、過氧化物酶體等氧化體系。,(二)加雙氧酶,此酶催化氧分子中的2個(gè)氧原子加到底物中帶雙鍵的2個(gè)碳原子上。例如：,OH,(一)反應(yīng)活性氧類(reactive oxygen species, ROS) 包括氧自由基及其活性衍生物。 1.氧自由基主要有超氧陰離子（O2）、羥自由基（ HO）、烷自由基（脂質(zhì)自由基，L ）、烷氧自由基（脂氧自由基，LO ）和烷過氧自由基（脂過氧自由基，LOO ）等。 2. 氧自由基衍生物，如過氧化氫（H2O2）、單線態(tài)氧（1O2）、脂質(zhì)過氧化物（LOOH）等。 3. ROS可使脂肪酸氧化成過氧化脂質(zhì)，損傷生物膜，形成脂褐素即老年斑。,二、抗氧化酶體系與反應(yīng)活性氧類的清除,1.過氧化物酶體中的酶類,(1)過氧化氫酶(catalase) 又稱觸酶，其輔基含4個(gè)血紅素。,(2)過氧化物酶(perioxidase) 以血紅素為輔基，催