生物氧化生物化学.ppt
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1、第六章 生物氧化(Biological Oxidation),Biochemistry DepartmentDepartment of Basic Medical SciencesHangzhou Normal UniversityGuyisheng,生物化学Biochemistry,2023/3/6,2,生物氧化的概念,物质在生物体内进行的氧化(主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解,放出能量,生成CO2和H2O的过程)(又称:细胞呼吸、组织呼吸)能量的形式:热能,维持体温化学能,合成ATP,供生命活动需要,2023/3/6,3,生物氧化图解,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热
2、能,2023/3/6,4,生物氧化与体外氧化的相同点,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。,2023/3/6,5,生物氧化的特点,细胞内温和的条件下进行酶促反应能量逐步释放,并合成ATP反应以脱氢(脱电子)为主,并有广泛的加水脱氢反应CO2由有机酸脱羧生成H2O由脱下的氢与氧结合产生(经呼吸链),2023/3/6,6,第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系,线粒体生物氧化体系通过呼吸链(电子传递链)完成产物:H2O意义:生成ATP,供机体生命活动之需要ATP的生成方式:氧化磷酸化(为主)底物水平
3、磷酸化,2023/3/6,7,一、呼吸链(respiratory chain),概念:代谢物脱下的成对氢原子(2H),通过多种酶与辅酶所催化的连锁反应逐步传递,最终与氧结合生成水;由于此过程与细胞呼吸有关,故称呼吸链,又称电子传递链(electron transfer chain),递氢体与递电子体位置:线粒体内膜上,2023/3/6,8,(一)呼吸链的组成,四种酶复合体作用:催化递氢、递电子反应,最终传递给氧,生成水酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存在形式所含各组分具体完成电子传递过程电子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒体内膜,转变为跨内膜H+梯度的能量,再用于ATP的生物合成,呼吸链
4、位置,2023/3/6,9,表:人线粒体呼吸链复合体,泛醌不包含在上述四种复合体中。,2023/3/6,10,1、NADH-泛醌还原酶(复合体),位于呼吸链的起始,与大多数脱氢反应相联系(以NAD+为辅酶的脱氢酶类)作用:将电子(氢)从NADH传递给泛醌含:黄素蛋白(辅基为FMN)铁硫蛋白(辅基为Fe-S)辅酶(辅基)作为递氢体(递电子体)每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧,复合体有质子泵功能,辅酶结构,呼吸链概貌,呼吸链位置,2023/3/6,11,复合体的功能,2023/3/6,12,2、琥珀酸-泛醌还原酶(复合体),与代谢过程中以FAD为辅基的脱氢反应相联系(TAC中的琥珀
5、酸脱氢酶)作用:将电子(氢)从琥珀酸(或脂酰CoA等)传递到泛醌含:黄素蛋白(辅基为FAD)铁硫蛋白(辅基为Fe-S)复合体没有H+泵的功能,呼吸链概貌,呼吸链位置,2023/3/6,13,复合体与的功能,2023/3/6,14,3、泛醌-细胞色素C还原酶(复合体),又称:细胞色素b-c1复合体含:细胞色素b(Cyt b562,Cyt b566)细胞色素c1(Cyt c1)可移动的铁硫蛋白(Rieske protein)作用:将电子从泛醌传递到Cyt c(CoQH2Cyt bLCyt bH Fe-S Cytc1Cytc)Cyt c:呼吸链中唯一的水溶性物质,位于内膜外表面,易分离;不包含在复合
6、体中,呼吸链概貌,呼吸链位置,2023/3/6,15,细胞色素(Cytochrome,Cyt),一类以铁卟啉为辅基的酶类分Cyt a,Cyt b,Cyt c三大类(根据吸收光谱),再分若干亚类各类细胞色素的差别:铁卟啉辅基的侧链铁卟啉与酶蛋白的连接方式作用:传递电子,铁卟啉辅基,Q循环,2023/3/6,16,复合体的功能,2023/3/6,17,4、细胞色素C氧化酶(复合体),呼吸链概貌,作用:将电子从Cyt c传递给氧含Cyt a 和 Cyt a3,两者紧密结合,不易分离,故称 Cyt aa3Cyt aa3 中含铁卟啉辅基和铜与Fe类似,Cu也能传递电子,呼吸链位置,2023/3/6,18
7、,复合体的作用机制,呼吸链概貌,含4个氧化还原中心两个血红素辅基和两个Cu位点(CuA、CuB)Cyt a-CuA、Cyt a3 CuB两组功能单元Cyt a3 与CuB 形成双核活性中心电子传递:Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2每传递2个电子,使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。复合体有质子泵功能,呼吸链位置,电子传递,2023/3/6,19,复合体的功能,2023/3/6,20,(二)呼吸链成分的排列顺序,排列顺序确定的依据:多种实验的综合1、标准氧化还原电位2、特异的吸收光谱3、特异的抑制剂4、体外将呼吸链拆开和重组,呼吸链概貌,氧还电位,2023/3/6,21,重要的呼吸链,
8、1、两条呼吸链NADH氧化呼吸链(最主要)大多数脱氢酶以NAD+为辅酶琥珀酸氧化呼吸链(FADH2氧化呼吸链)某些脱氢酶以FAD为辅酶(辅基),呼吸链排列,代谢物传递,2、一些重要代谢物氧化时的电子传递如:苹果酸、丙酮酸、乳酸等 琥珀酸、脂酰CoA等,2023/3/6,22,二、氧化磷酸化(Oxidative phosphorylation),ATP的生成方式:氧化磷酸化(主要方式)底物水平磷酸化氧化磷酸化的概念:呼吸链电子传递过程中释放能量,偶联ADP磷酸化生成ATP,又称偶联磷酸化,2023/3/6,23,底物水平磷酸化(Substrate level phosphorylation),概
9、念:在代谢过程中,将代谢物分子中的能量直接转移至ADP(GDP),生成ATP(GTP)的过程体内有三处底物水平磷酸化1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸琥珀酸单酰CoA 琥珀酸,2023/3/6,24,(一)氧化磷酸化的偶联部位,偶联部位:复合体、1、P/O比值 物质氧化时,每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数(或ADP摩尔数),即代表生成ATP的摩尔数2、自由能变化 Go-nFEo n:电子数 F:法拉弟常数(96.5kJ/mol.v),P/O,自由能,2023/3/6,25,偶联部位图示,2023/3/6,26,(二)氧化磷酸化的偶联机制,化学渗透假说(chemio
10、smotic hypothesis)Peter Mitchell 于60年代提出,获78年诺贝尔化学奖化学渗透假说的基本要点:1.呼吸链递氢递电子时,将质子(H+)从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧,形成电化学梯度(H+浓度差、电位差),储存能量2.当H+顺电化学浓度梯度回流到线粒体内基质时,驱动ADP合成ATP,2023/3/6,27,化学渗透假说已经得到广泛的实验支持,氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜;线粒体内膜对H+、OH、K、Cl离子不通透;电子传递链可驱动质子移出线粒体,形成可测定的跨内膜电化学梯度;增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成,而线粒体内膜加入使质子通过物质可减少内膜质
11、子梯度,结果电子虽可以传递,但ATP生成减少。,2023/3/6,28,(三)ATP合酶(ATP synthase),复合体,位于线粒体内膜基质侧,具有质子回流的通道,能合成ATPATP合酶的结构电镜观察:基部 柄部 头部生化分离:F0 F1(脂溶性)(水溶性)寡霉素敏感蛋白、IF1亚基等(OSCP),线粒体,2023/3/6,29,ATP合酶的组成,F1:含33亚基复合体,OSCP、IF1 亚基等功能:合成ATP催化部位:亚基(结合才有活性)F0:由a、b2、c912亚基组成(动物细胞线粒体还有其他辅助亚基)镶嵌于线粒体内膜,是质子回流通道当H+经F0回流时,F1催化ADP生成ATP,ATP
12、合酶,工作机制,2023/3/6,30,ATP合酶组成可旋转的发动机样结构,F0的2个b亚基的一端锚定F1的亚基,另一端通过和33稳固结合,使a、b2和33、亚基组成稳定的定子部分。部分和亚基共同形成穿过33间中轴,还与1个亚基疏松结合作用,下端与嵌入内膜的c亚基环紧密结合。c亚基环、和亚基组成转子部分。质子顺梯度向基质回流时,转子部分相对定子部分旋转,使ATP合酶利用释放的能量合成ATP,结构模式,工作机制,2023/3/6,31,三、影响氧化磷酸化的因素,(一)ADP(ADP/ATP)的调节作用1、正常情况下的主要调节因素 ADP 氧化磷酸化2、意义:使ATP的生成速度适应机体生理需要,2
13、023/3/6,32,(二)甲状腺激素的影响,生理剂量:甲状腺激素 氧化磷酸化诱导Na、KATP酶生成,ATP ADP,ADP增多,促进氧化磷酸化,大剂量:甲状腺激素能促进解偶联蛋白的基因表达,耗氧量和产热量(但ATP生成并不增加)甲亢病人:基础代谢率,怕热、出汗、食欲增加、人体消瘦,等等,2023/3/6,33,(三)抑制剂的影响,1、呼吸链抑制剂(阻断电子传递)2、解偶联剂(氧化与磷酸化过程脱离)3、ATP合酶抑制剂(氧化磷酸化抑制剂)(抑制磷酸化、影响呼吸链),呼吸链概貌,2023/3/6,34,1、呼吸链抑制剂(阻断某部位的电子传递),复合体抑制剂:鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素
14、A(piericidin A)及异戊巴比妥(amobarbital)等,阻断传递电子到泛醌。(与复合体中的铁硫蛋白结合,阻断电子传递)复合体的抑制剂:萎锈灵(carboxin),呼吸链概貌,2023/3/6,35,复合体抑制剂:抗霉素A(antimycin A)阻断Cyt bH传递电子到泛醌(QN);粘噻唑菌醇则作用QP位点;二巯基丙醇(BAL)阻断Cyt b Cyt c1复合体 抑制剂:CN、N3紧密结合中氧化型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。,呼吸链概貌,2023/3/6,36,各种呼吸链抑制剂的阻断位点,鱼
15、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,萎锈灵,2023/3/6,37,2、解偶联剂(使氧化与磷酸化过程脱离),机制:电子传递过程泵出的H+不经过F0 质子通道回流,而通过内膜的其他途径返回线粒体基质,破坏内膜两侧的电化学梯度,妨碍ATP生成1)2,4-二硝基苯酚(DNP):脂溶性,在内膜中可自由移动,在内膜的胞液侧结合H+,移至基质侧释出H+,破坏电化学梯度2)解偶联蛋白(UCP1):32KD的二聚体,在线粒体内膜形成质子通道,可使H+返流,释放热能棕色脂肪组织的线粒体内膜含有解偶联蛋白(新生儿、哺乳动物等,以及心肌、骨骼肌)游离脂肪酸能促使H+经解偶联蛋
16、白返流,2023/3/6,38,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,2023/3/6,39,抑制ADP磷酸化生成ATP,抑制呼吸链的递氢递电子过程。(具有双重作用),寡霉素(oligomycin):与寡霉素敏感蛋白(OSCP)(ATP合酶的F0、F1之间)结合,阻止质子经F0的通道返流,抑制ATP合成 因H+返流阻断,内膜两侧的电化学梯度增高,影响呼吸链的质子泵功能,影响呼吸链传递,呼吸链概貌,抑制剂,3、ATP合酶抑制剂(氧化磷酸化抑制剂),二环己基碳二亚胺(DCCP):共价结合F0的c亚基谷氨酸残基,阻断质子从F0质子半通道回流,抑制ATP合酶活性,
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