生物化学：生物氧化.ppt

第 六 章,生 物 氧 化Biological oxidation,二、氧化磷酸化(oxidative phosphorylation),定义：在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化 生成ATP的过程称氧化磷酸化（oxidative phosphorylation），又称偶联磷酸化。氧化磷酸化是体内生成ATP的主要方式,是维持生命活动所需能量的主要来源。,底物水平磷酸化 细胞内还有一种直接将代谢物分子中的能量转移至ADP(或GDP),生成ATP(或GTP)的过程,称为底物水平磷酸化。目前,有三种酶催化的是底物水平磷酸化反应,分别是磷酸甘油酸激酶、丙酮酸激酶、琥珀酰CoA合成酶。,ADP ATP（1）1，3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 胞液 ADP ATP（2）磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 GDP+Pi GTP 线（3）琥珀酸单酰COA 琥珀酸+HSCOA 粒 GTP+ADP GDP+ATP 体,底物水平磷酸化反应,（一）确定氧化磷酸化偶联部位的实验依据,根据P/O比值自由能变化:G=-nFE,氧化磷酸化偶联部位：复合体、,1、P/O 比值,指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。,2、自由能变化,根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化(G0)与还原电位变化(E0)之间有以下关系：,n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/molV),G0=-nFE0,电子传递链自由能变化,区段,电位变化(E),自由能变化G=-nFE,能否生成ATP(G是否大于30.5KJ),Cytaa3O2 0.53V 102.3KJ/mol 能,NAD+CoQ 0.36V 69.5KJ/mol 能,CoQCytc 0.21V 40.5KJ/mol 能,氧化磷酸化偶联部位,（二）氧化磷酸化的偶联机制,化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧，而线粒体内膜不允许质子自由回流，因此产生膜内外质子电化学梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差），以此储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。,化学渗透假说,要点：1、线粒体内膜上电子传递链中的递电子体和递氢体间隔排列，形成三个回路，回路有质子泵的作用，可将质子（H+）泵出线粒体基质。,2、递氢体从基质接受底物的氢原子，将电子交给下一个递电子体，而将H+留在基质外胞液中。,化学渗透假说,要点：3、整个过程中，仅有2个电子传递，并排出6个H+，H+不能自由出入内膜，导致了内膜两侧的H+浓度梯度和跨膜电位差，储存了一定的电化学势能。,4、当内膜外侧的H+通过ATP合酶,顺电化学梯度回流时，由ATP合酶底部进入线粒体基质时，将储存的势能释放出来，推动ATP合酶的F1亚基利用势能将ADP合成 ATP。,三、影响氧化磷酸化的因素,（一）有3类氧化磷酸化抑制剂,1、呼吸链抑制剂阻断氧化磷酸化的电子传递过程,复合体抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidin A)及异戊巴比妥(amobarbital)等阻断传递电子到泛醌。复合体的抑制剂：萎锈灵(carboxin)。,复合体抑制剂：抗霉素A(antimycin A)阻断Cyt bH传递电子到泛醌(QN)。复合体 抑制剂：CN、N3紧密结合氧化型Cyt a3，阻断电子由Cyt a到CuB-Cyt a3间传递。CO与还原型Cyt a3结合，阻断电子传递给O2。,化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响,鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥,抗霉素A二巯基丙醇,CO、CN-、N3-及H2S,各种呼吸链抑制剂的阻断位点,2、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度,解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制。如：二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)；解偶联蛋白(uncoupling protein，UCP1)。位于棕色脂肪组织中的线粒体中,3、ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成,这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin)、二环己基碳二亚胺(dicyclohexyl carbodiimide,DCCP)抑制ATP合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。,寡霉素(oligomycin),寡霉素,ATP合酶结构模式图,可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。,（二）ADP的调节作用 ADP浓度增高，氧化磷酸化速度加快；ADP不足，氧化磷酸化速度减慢。,（三）甲状腺激素 诱导细胞膜上Na+,K+-ATP酶的生成，使ATP 加速分解为ADP和Pi，ADP增多，促进氧化磷酸化。,mtDNA的特点：呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，易受本身氧化磷酸化产生的氧自由基的损伤而突变。,（四）线粒体DNA(mtDNA)突变 影响呼吸链氧化磷酸化复合体中多肽链的生物合成，使ATP生成减少而致病。,四、线粒体内膜对各种物质进行选择性转运,线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。,线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运,（一）胞浆中NADH通过穿梭机制进入 线粒体氧化呼吸链,胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。,-磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparate shuttle),转运机制：,（1）-磷酸甘油穿梭特点：线粒体内外的-磷酸甘油脱氢酶的 辅酶不同 胞液-NAD+线粒体-FADFADH2经琥珀酸氧化呼吸链 1.5 ATP主要存在于骨骼肌、神经细胞,1、-磷酸甘油穿梭,（2）苹果酸-天冬氨酸穿梭 特点：苹果酸脱氢酶的辅酶是NAD+线粒体内的草酰乙酸生成天冬氨酸 再穿过线粒体膜。通过NADH氧化呼吸链 2.5 ATP主要存在于肝、心肌组织中。,2、苹果酸-天冬氨酸穿梭,（二）ATP-ADP转位酶促进ADP进入和ATP移出紧密偶联,五、ATP,ATP的结构,ATP的功能,为体内各种生理活动提供能量，形成磷酸酯类中间代谢物参与酶的共价修饰。,高能磷酸键与高能磷酸化合物,高能磷酸键：磷酸化合物水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，常表示为P。高能磷酸化合物 含有高能磷酸键的化合物,一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能,各种高能磷酸化合物的生成,腺苷酸激酶(adenylate kinase),二磷酸核苷酸激酶,肌酸激酶的作用,磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。,第二节 其他不生成ATP的氧化体系,非线粒体氧化体系,场所：微粒体、过氧化物酶体、溶酶体等 特点：耗氧量小、不伴ATP生成 作用：主要参与机体内多种生理活性物质的生物转化。如：类固醇激素、胆汁酸的生成，药物、毒物在体内的灭活。,一、微粒体氧化体系主要为单加氧酶系,上述反应需要细胞色素P450(Cyt P450)参与。,细胞色素P450单加氧酶(cytochrome P450 monooxygenase)，又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase)或羟化酶(hydroxylase),上述反应体内许多重要活性物质的生成、灭活以及药物、毒物的生物转化密切关系。,二、过氧化物酶体氧化体系氧化过程产生活性氧,含有多种氧化酶，能氧化氨基酸、脂肪酸等多种底物，产生活性氧类(reactive oxygen species,ROS),（一）ROS包括 超氧阴离子、过氧化氢和羟基自由基,生物氧化过程中，氧分子接受4个电子才能完全还原，产生O-2，再与H结合生成水。如果电子供给不足，超氧阴离子O-2，是体内O-2的主要来源；O-2在线粒体中再生成H2O2和OH；细菌感染、组织缺氧等病理过程，环境、药物等外源因素也可导致细胞产生活性氧类。,（二）活性氧对机体有损伤作用,几乎对所有的生物大分子均有氧化作用；生物膜中磷脂的不饱和脂肪酸，加大膜的通透性，钙离子和其他离子流入细胞导致细胞肿胀。氧化蛋白的巯基，使机体免疫能力下降。氧化DNA引起点突变，修饰甚至断裂，破坏核酸结构，诱发多种疾病（肿瘤、动脉粥样化）,2O2+2H+,SOD,H2O2+O2,H2O+O2,过氧化氢酶,SOD：超氧化物歧化酶(superoxide dismutase),1.超氧化物歧化酶SOD,（三）机体有清除活性氧的能力,2.过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含4个血红素,可去除细胞生长和代谢产生的H2O2和过氧化物(R-O-OH)，是体内防止活性氧类损伤主要的酶。,3、过氧化物酶和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx),H2O2+2GSH 2 H2O+GS-SG2GSH+R-O-OH GS-SG+H2O+R-OH,总结：,线粒体外物质转运,生物氧化,氧化磷酸化,其他氧化体系,生成ATP体系,ATP合酶,电子传递链,氧化磷酸化偶联学说,氧化磷酸化影响因素,（胞液中NADH的氧化）,概述,ATP及其代谢,