5茶叶生物化学.ppt

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1、5 生物氧化Chapter 5 Biological Oxidation,本章重点及难点重点：掌握什么是生物氧化，高能磷酸化合物的概念及ATP的作用；掌握呼吸链电子传递体的组成及排列方式，以及受抑制的部位；掌握氧化磷酸化的部位，氧化磷酸化的作用机理，了解其他末端氧化酶系统。难点：与能量代谢有关的一些概念；呼吸链的组成成分、排列顺序；氧化磷酸化的机理。,第一节 概 述Introduction,物质在生物体内进行的氧化称为生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等有机物质在生物体内氧化分解并逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。亦称“组织氧化”、“组织呼吸”或“细胞氧化”。,CO2和H2O,O2

2、,能量,ADP+Pi,ATP,热能,一、生物氧化的概念,*生物氧化与体外氧化之相同点,生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。,二、生物氧化的特点,是在细胞内温和的有水环境中（体温，pH接近中性），经一系列酶促反应逐步缓慢进行，能量逐步释放，以ATP形式储存和转运，有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。物质的氧化方式是脱氢反应，脱下的氢在酶、辅酶和电子传递系统参与下经一系列传递与水结合生成H2O；二氧化碳（CO2）是由于糖、脂类和蛋白质转变成含羧基的化合物（有机酸）直接脱羧或氧化脱

3、羧产生。,*生物氧化与体外氧化之不同点,生物氧化,体外氧化,在高温、高压以及干燥的条件下进行，是剧烈的自由基反应，能量是突发式释放的。产生的能量以光与热的形式散发在环境中。产生的CO2、H2O是由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。,场所：真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行。,生物氧化中CO2生成的方式 1.-单纯脱羧:NH2 RCHCOOH RCH2NH2+CO2 氨基酸脱羧酶,2.-氧化脱羧:,3.-氧化脱羧:,乙酰CoA,TCA,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,*生物氧化的一般过程,三、生物氧化中自由能变化及氧化还原电位,1、自由能（Gibbs，G）的概念：是指在

4、一个反应体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够用以作功的那一部分能量。即生物体中进行生物氧化所提供的能。恒温恒压条件下自由能变化公式为G=H T S意义：1)用其判断一个反应是否能发生；2)生物体用以作功的能为体内生化反应放出的自由能；3）生物氧化所提供的能是机体可利用的自由能。,G与反应途径、反应机理无关。任何反应，当：G0 反应可自发进行，为放能反应；G 0 反应不能自发进行，为吸能反应；G 0 体系处于平衡状态，反应可逆。,自由能和化学反应的关系,生物氧化过程包括一系列的氧化还原反应，参与氧化还原反应的每种物质都有氧化态和还原态，称为氧还对；而参与反应的每一氧还对转移电子的势能（即氧化还原

5、体系中失去或获得电子的趋势的高低）叫做氧化还原电位，标准氧化还原电位以E0表示。E0值越小，供出电子的倾向越强，即还原能力越强；E0值越大，接受电子的倾向越强。在生物体内氧化还原过程中，电子总是从E0值较小的物质移向E0值较大的物质，即从还原剂（电子供体）移向氧化剂（电子受体）。后者的E0值减去前者的E0值，叫做生化标准氧化还原电位差，用 E0值表示。,2、自由能变化与氧化还原电位差的关系,GnF E0 n=转移电子差；F:法拉第常数（99.496kJ/V.mol)标准自由能变化G0：标准状况下，产物自由能与反应物自由能之差。单位：kJ/mol G G0 RTlnB/A G0：pH=7时，标准

6、自由能的变化。每一化学反应有其特定的G0 G0的大小依赖于反应的平衡常数K：当G0 0时，G RTlnB/A=-2.303RT lgK,由此,1）可从产物和反应物或反应平衡常数，计算 出标准自由能变化。这在生物化学中有较大意义。2）自由能变化的可加性：如反应序列：ABCD 则：反应AD自由能变化为：G0 A-D=G0 A-B+G0 B-C+G0 C-D 只要G0总和0，则该途径可自发进行。一个热力学上不能进行的反应可由与此偶联的容易进行的反应驱动。,第二节 ATP,一、ATP的形成与作用,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,机械能-运动,化学能-合成,渗透能-分泌吸收,电能-生物电,热能-体温,光能

7、-生物发光,ATP是生物系统能量交换的中心,荧火虫,ATP的特殊作用,二、生物能学,一般情况下，ATP将磷酸基团转移给肌酸生成磷酸肌酸将能量贮存起来。,磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。,磷酸肌酸与ATP的转换,磷酸肌酸、磷酸精氨酸（无脊椎动物肌肉中）贮能作用,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,ATP的生成和利用,ATP,ADP,机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温),生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。,体内有些合成反应不直接利用ATP供能，而是由ATP将高能磷酸键转给UDP、CDP和GDP，生成UTP、CTP、GTP，作为能量的直接来

8、源参与合成反应。如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂合成，GTP用于蛋白质合成等。,高能化合物的共同特点是含有容易断裂的“活泼键”，水解时可释放大于21KJ/mol的能量，常用符号表示。,二、高能化合物,生物体内的放能反应与吸能反应偶联，最基本的形式是通过高能化合物实现的。1、高能化合物的概念：指含有高能键，在标准条件下（pH=7,250C,1mol/L)发生水解时可释放大量自由能的化合物。,2、高能化合物的类型：根据分子中是否含有磷酸可分为磷酸类高能化合物和非磷酸类高能化合物。必须注意：并非所有的磷酸化合物都是高能化合物。,高能磷酸键水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，常表示为

9、 P。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物,1）磷氧键型：如ATP、磷酸烯醇式丙酮酸等2）磷氮键型：如磷酸肌酸等3）硫酯键型：如脂酰CoA等4）甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸,也可根据分子结构的特点和所含高能键的特征进行分类。,磷氧键型（OP),(1)酰基磷酸化合物,1,3-磷酸甘油酸,乙酰磷酸,10.1千卡/摩尔,11.8千卡/摩尔,酰基磷酸化合物,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰基腺苷酸,（2）焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,7.3千卡/摩尔,（3）烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,14.8千卡/摩尔,磷氮键型,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,10.3千卡/摩尔,7.7千卡/摩尔,这两种高能化

10、合物在生物体内起储存能量的作用。,硫酯键型,3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸,酰基辅酶A,甲硫键型,S-腺苷甲硫氨酸,第三节 呼吸链与氧化磷酸化The Oxidation System of ATP Producing,定义在生物氧化过程中，从代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶组成的连锁传递体系称为呼吸链(respiratory chain)又称电子传递链(electron transfer chain)。呼吸链是代谢物上氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列电子传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的过程。组成：递氢体和电子传

11、递体（2H 2H+2e），存在于线粒体内膜上,一、呼吸链的定义,线粒体的结构,嵴,二、呼吸链的组成,呼吸链共包括四种具有传递电子功能的酶复合体(complex，由相应酶和传递体共同组成)和两种单独成分。,*Q(泛醌)和 细胞色素C(Cytc)均不包含在上述四种复合体中。,线粒体呼吸链复合体,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,烟酰胺核苷酸类：,主要作为一类不需氧脱氢酶的的辅酶。有NAD+和NADP+，大多脱氢酶以NAD+为辅酶。电子和氢离子一起被接受，还原型Co将氢移到NADH（黄素）脱氢酶上。,呼吸链中包括5类电子载体：,NAD+和NADP+的结构,

12、R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+,NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变,氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。,黄素脱氢酶类,黄素脱氢酶（NADH脱氢酶）是黄素蛋白，其辅基FMN（FAD）接受2个氢原子成还原型的黄素单核苷酸。,FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN。,铁硫蛋白类,NADH脱氢酶还有几个非血红素铁原子与酸不稳定的硫原子结合，组合成铁-硫中心（iron-sulfur center)。借铁的变价（Fe 3+Fe 2+）接受电子并转给辅酶Q。铁-硫中心：存在于微生物、动物组织中，在NADH呼吸链中有多个

13、不同的铁-硫中心。NADH脱氢酶复合物包括两个电子传递系统（酶，FMN，铁-硫中心）。,铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+Fe3+e 反应传递电子。,表示无机硫,铁硫蛋白,辅酶Q类,又称泛醌（ubiquinone，CoQ)，是脂溶性化合物，可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇（CoQH2）。所以处在呼吸链的中心地位。它与蛋白质结合不紧，可在黄素脱氢酶类与细胞色素类之间起载体作用。泛醇将电子传给细胞色素bc1复合体，H+释出。,泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。

14、,细胞色素类（cytochromes),是一类以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质。广泛分布于生物细胞，由于呈现颜色，故称细胞色素。其作用靠铁的变价传递电子由CoQ传到氧。a、cytbc1复合体：含ctyb、ctyc1及铁-硫蛋白。b、cyt氧化酶：含ctya和ctya3。除含铁还含铜（Cu 2+Cu+）c、cytc：在ctybc1复合体和cty氧化酶间传递电子。,细 胞 色 素,细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。,传递体 作用 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）递氢体尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）递氢体 黄素蛋白（辅基为 FAD和 FMN）

15、递氢体 铁硫蛋白（Fe-S）单电子传递体辅酶Q 递氢体细胞色素类 单电子传递体,复合体:NADH-Q（泛醌）还原酶,功能:将电子从NADH传递给泛醌(ubiquinone),由以上五种电子传递体组成4个复合体和2个单独成分。,复合体的功能,复合体:琥珀酸-Q（泛醌）还原酶,功能:将电子从琥珀酸传递给泛醌,复合体:QH2（泛醌）-细胞色素c还原酶,功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c,复合体:细胞色素c氧化酶,功能：将电子从细胞色素c传递给氧,其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。,三、呼吸链中传递体的排列顺序,实验依据：1）根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序，氧化还原电位逐渐

16、增加，该值越大，说明越易构成氧化剂处于呼吸链的末端，越小，说明越易构成还原剂处于呼吸链的始端。2）电子亲和力增加的顺序排列；3）吸收光谱变化，氧化程度逐渐增高；4）利用电子传递抑制剂选择性阻断；5）拆开和重组6）还原状态呼吸链缓慢给氧，根据各组分氧化还原状态确定顺序,呼吸链（电子传递链）,电子亲和力递增的顺序,ATP,FADH2,ATP,ATP,1.NADH氧化呼吸链NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2糖、脂、蛋白质等有机物在氧化分解过程中脱下的氢，大部分经此呼吸链氧化为水。例如丙酮酸、异柠檬酸、乳酸、酮戊二酸、苹果酸、谷氨酸等。2.琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cy

17、t c 复合体O2一般情况下琥珀酸、a-磷酸甘油氧化脱氢生成FADH2作为这条呼吸链的最初供体。,四、体内两条重要的呼吸链,NADH氧化呼吸链,FADH2氧化呼吸链,电子传递链,区别：从琥珀酸分子中脱下的氢原子不经NAD+，而直接传递给黄素酶,五、胞液中NADH的氧化,胞液中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。转运机制主要有-磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparate shuttle),1.-磷酸甘油穿梭机制,NADH+H+,FADH2,NAD+,FAD,线粒体 内膜,线粒体 外膜,膜间隙,

18、线粒体 基质,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,M-磷酸甘油 脱氢酶,-磷酸甘油穿梭系统,说明：1）S-磷酸甘油 脱氢酶 和M-磷酸甘油脱氢酶是同工酶，前者的辅酶是NAD+，后者的辅基是FAD，因此一对氢经该穿梭作用进入呼吸链彻底氧化可产生2个ATP。2）该穿梭作用存在于骨骼肌、脑和神经组织中。,2.苹果酸-天冬氨酸穿梭机制,NADH+H+,NAD+,谷氨酸-天冬氨酸 转运体,苹果酸-酮 戊二酸转运体,苹果酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,谷氨酸,胞液,线粒体内膜,基质,天冬氨酸,M-苹果酸 脱氢酶,苹果酸穿梭系统,说明：1）S-苹果酸脱氢酶和M-苹果酸脱氢酶是同工酶，均以NAD+作为辅酶。2）一对氢经该穿梭

19、作用进入呼吸链彻底氧化可产生3个ATP。3）该穿梭作用存在于肝脏心肌和肾脏中。,六、能量的生成和利用,ATP的生成：主要由：ADP+pi+能量ATP 少数情况：AMP+ppi+能量ATP,ATP是生命活动的直接供能物质，体内能量的生成就是ADP经磷酸化生成ATP的过程。能量贮存在ATP的高能磷酸键中。体内磷酸化主要有两种方式：底物磷酸化和氧化磷酸化。,1、底物水平磷酸化,定义：底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)是指代谢物在氧化分解过程中通过脱氢、脱水等作用使分子内部能量重新分配，能量集中产生高能键，然后使ADP磷酸化生成ATP的过程。底物被氧化时形

20、成高能磷酸化合物的中间物，通过酶的作用使ADP生成ATP。底物磷酸化形成高能磷酸化合物的能量来自伴随底物脱氢，分子内部能量的重新分布。如：糖酵解过程产生ATP,2、氧化磷酸化：,1）定义：在生物氧化过程中，底物脱氢产生NADH 和FMNH2经呼吸链传递氧化生成水的同时，所释放的自由能用于偶联ADP磷酸化生成ATP，这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)，又称为偶联磷酸化。氧化磷酸化是NADH 和FMNH2通过氧化呼吸链的电子传递相联系的合成ATP的作用。即电子传递与ATP形成的偶联机制。,2)氧化磷酸化偶联部位,氧化磷酸化偶联部位：复合

21、体、主要根据自由能变化和P/O比值确定G=-nFE,ATP形成以电子传递为前提，而呼吸链只有生成ATP才能推动电子的传递，此为偶联。呼吸链上磷酸化位点：NADCoQ；CytbCytc；CytaO2,氧化磷酸化的大小用P/O表示磷氧比（P/O)是指每消耗1mol原子氧时有多少摩尔原子的无机磷被酯化为有机磷，即产生多少摩尔的ATP。可间接测ATP生成量：NADH呼吸链：P/O=3 FADH呼吸链：P/O=2,氧化磷酸化偶联部位,电子传递链自由能变化,氧化磷酸化偶联部位,3）氧化磷酸化的偶联机理,化学偶联假说 1953年E.C.Slater提出构象偶联假说 1964年P.D.Boyer提出化学渗透假

22、说(chemiosmotic hypothesis)由P.Mitchell 1961年提出: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胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。,化学渗透假说简单示意图,化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis):电子传递释出的能量用于形成跨膜的质子（H+）梯度，此梯度用以驱动ATP的合成。在电子传递和磷酸化之间起偶联作用的是H+电化学梯度。,化学渗透假说,胞液侧,基质侧,化学渗透假说详细示意图,证据:,1）线粒体膜上的ATP合酶（ATP synthase)是受质子动力推

23、动的酶。可催化ATP水解放能；又可从质子动力获能，合成ATP。,ATP合成酶,ATP合酶,由亲水部分 F1（33亚基）和疏水部分 F0（a1b2c912亚基）组成。,ATP合酶结构模式图,当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，亚基发生旋转，3个亚基的构象发生改变。,ATP合酶的工作机制,2）H+泵分布在膜上：,NADH脱氢酶 细胞色素bc1复合体 细胞色素氧化酶 在与这三个复合体有关的自由能变化足以将H+泵出,从而形成膜基质与膜间隙的H+梯度。,3、影响氧化磷酸化的因素,1.呼吸链电子传递抑制剂 是能够专一阻断呼吸链中某些部位电子传递的物质和化学药品。它的特点是可抑制呼吸链的某一环

24、节，使呼吸链中断。因底物的氧化作用受阻，偶联的磷酸化作用无法进行，ATP的生成随之减少。这类物质和化学药品大多对人类或哺乳动物乃至需氧生物具有极强的毒性。根据在呼吸链上的作用部位，可分为三类：,（一）生物氧化抑制剂,能够抑制第一位点的有阿米妥（异戊巴比妥）、粉蝶霉素A、鱼藤酮等；能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇；能够抑制第三位点的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。,鱼藤酮杀粉蝶菌素（粉蝶霉素A）阿米妥（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

25、剂的阻断位点,不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响,2.解偶联剂不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，而是抑制由ADP+Pi生成ATP的磷酸化作用，使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化。即使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：解偶联蛋白、双香豆素、2,4-二硝基苯酚、缬氨霉素、短杆菌肽等。3.氧化磷酸化抑制剂 直接作用于ATP合成酶复合体，对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素,解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）,Q,胞液侧,基质侧,解偶联 蛋白,寡霉素(oligomycin)可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成,寡霉素,ATP合酶结构模式图,（二）ADP、Pi与ATP的调节作用负反

26、馈调节。当ATP高时，ADP、AMP下降，氧化磷酸化速度减慢，NADH堆积，TCA循环速度减慢，ATP合成降低；当ATP低时，ADP、AMP升高，氧化磷酸化速度加快，TCA循环速度加快，ATP合成增加。ADP/ATP是限制氧化磷酸化速度的因素。通过ATP浓度对氧化磷酸化速率进行调控的现象称为呼吸控制。（三）甲状腺激素（激素的调节）激活Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加；也可增强氧化磷酸化，使ATP合成增加。（四）线粒体DNA突变 与线粒体DNA病及衰老有关。,电子传递链及氧化 磷酸化系统概貌,H+跨膜质子电化学梯度；H+m内膜基质侧H+；H+c 内膜胞液侧H+,目 录,第四节 其他

27、生物氧化体系The Others Oxidation Enzyme Systems,一、需氧脱氢酶和氧化酶,二、过氧化物酶体中的酶类,（一）过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含4个血红素,（二）过氧化物酶(perioxidase)以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物,反应氧族超氧离子(O2)、H2O2、羟自由基(OH)的统称。,三、超氧化物歧化酶,2O2+2H+,SOD,H2O2+O2,H2O+O2,过氧化氢酶,SOD：超氧化物歧化酶(superoxide dismutase),谷胱甘肽过氧化物酶,H2O2(ROOH),H2O(ROH+H2O),2G SH,G S S G,NADP+,NADPH+H+,*此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤,谷胱甘肽还原酶,含硒的谷胱甘肽过氧化物酶,四、微粒体中的酶类,（一）加单氧酶(monoxygenase),*催化的反应：,RH+NADPH+H+O2,ROH+NADP+H2O,故又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase)或羟化酶(hydroxylase)。,上述反应需要细胞色素P450(Cyt P450)参与。,目 录,（二）加双氧酶,此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底物中带双键的2个碳原子上。,例 如：,