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第八章 生 物 氧 化 ( Biological oxidation)

第八章 生 物 氧 化 ( Biological oxidation). 主 要 内 容. 概述 生物氧化方式 线粒体氧化体系 生物氧化与能量代谢 非线粒体氧化体系. 第一节 生物氧化概述. 一、概念. [ O]. 营养物 （糖、脂、蛋白质）. 能量 + H 2 O + CO 2. 生物体. 意义： 提供各种生命活动所需的能量 , 维持体温. 二、生物氧化特点： 生物氧化 体外燃烧 温和环境（37 C° 近 中性） 条件剧烈，高温、高压

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第八章 生 物 氧 化 ( Biological oxidation)

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Presentation Transcript

  1. 第八章 生 物 氧 化 ( Biological oxidation)

  2. 主 要 内 容 概述 生物氧化方式 线粒体氧化体系 生物氧化与能量代谢 非线粒体氧化体系

  3. 第一节 生物氧化概述 一、概念 [O] 营养物 （糖、脂、蛋白质） 能量 + H2O + CO2 生物体 意义： 提供各种生命活动所需的能量 , 维持体温.

  4. 二、生物氧化特点： 生物氧化 体外燃烧 温和环境（37C°近中性） 条件剧烈，高温、高压 需酶催化，使有机物氧化分解 不需酶催化 CO2是有机酸脱羧生成的 碳和氧直接化合生成CO2 有机物脱下的氢,经呼吸链生成H2O H2O为灭火剂 逐步释放能量并形成ATP 能量以光和热形式骤然放出

  5. COOH R-CH2-NH2 + CO2 R-CH-NH2 氨基酸脱羧酶 胺 α-氨基酸 第二节 生物氧化方式 一、生物氧化中CO2的生成方式 (有机酸在酶的催化下脱羧产生CO2) 1. α-单纯脱羧

  6. O= 丙酮酸脱氢酶系 O= H3C-C-SCoA + CO2 H3C-C-COOH + HSCoA 乙酰CoA 丙酮酸 NAD+ NADH + H+ 2. －氧化脱羧

  7. O= 草酰乙酸脱羧酶 O= H3C-C-COOH + CO2 HOOCCH2-C-COOH 丙酮酸羧化酶 丙酮酸 草酰乙酸 3. －单纯脱羧

  8. OH O= 苹果酸酶 HOOCCH2-CH-COOH H3C-C-COOH + CO2 丙酮酸 苹果酸 NADP+ NADPH + H+ 4. －氧化脱羧

  9. 物质脱氢（－2H）、脱电子（－2e）、加氧（＋O2）物质脱氢（－2H）、脱电子（－2e）、加氧（＋O2） • ——均称为氧化反应。 • 生物体内物质氧化特殊性： • 常见氧化方式为：加水脱氢反应 • 脱氢过程包括电子转移： H H+ + e- • 3. 氧化还原反应偶联进行。 二、生物氧化中物质的氧化方式

  10. EO值小 H2O ½ O2 AH2 A CH2 C B BH2 D DH2 EO值大 1) 氧化还原偶联进行； 2) 氧化还原能力的大小用EO值表示； 3) EO值越小，表示还原性越强，越易提供2H或2e

  11. 第三节 线粒体氧化体系 • 呼吸链 • （respiratory chain） 是定位在线粒体内膜上的一组排列有序的递氢体和递电子体(酶与辅酶)构成的链状传递体系, 也称电子传递链(electron transfer chain)。

  12. (一) 呼吸链主要成员及其作用 • 烟酰胺脱氢酶类 • 黄素蛋白类 • 铁硫蛋白（Fe-S） • 泛醌（CoQ） • 细胞色素类（Cyt）

  13. 烟酰胺脱氢酶类（nicotinamide dehydrogenases） • NAD+(COI) • 辅酶 • NADP+(COII) • 作用:递氢体 • 功能部位：吡啶环

  14. (3) 递氢机理 呼吸链 2H + NAD+ NADH + H+传递给 FMN

  15. 黄素蛋白酶类(flavin proteinases) • FMN----呼吸链中, FMN作为NADH脱氢酶的辅基; • (1) 辅基 • FAD----作为琥珀酸脱氢酶的辅基; • 作用:递氢体 • 功能部位：异咯嗪环的N1和N10 （FP1） (FP2)

  16. （3）递氢机理 1 10 NADH + H+ FMNH2 均可传递给COQ 琥珀酸脱氢 FADH2 （Fe-S） 呼吸链

  17. 3. 铁硫蛋白类( iron-sulfur proteins,Fe-S ) S Fe —S-CH2 S CH2-S— Fe S Fe CH2-S— S Fe —S-CH2

  18. 铁硫蛋白类 常见铁硫族:Fe4-S4或 Fe2-S2

  19. 在呼吸链中： • FMN • (Fe-S) • 存在形式 • FAD • (Fe-S).b • (2) 作用:递电子体 • 递电子机理 • Fe3+ Fe2+ Cyt.b. C1 (Fe-S) and 等复合物形式 e e

  20. 4. 泛醌（ubiquinone, CoQ10 , Q10） • 结构 • 醌类化合物 • 作用: • 递氢体

  21. (3) 递氢机理 FADH2 在呼吸链中 （Fe-S） （Fe-S） FMNH2 COQ2H 2e 传递给一系列 Cyt类进一步传递 2H+

  22. 5. 细胞色素类( Cytochromes,Cyt.) 根据吸收光谱特征，Cyt.类分为a、b和c三大类： ***Cyt.b、c1、c、a和a3—— 存在于线粒体内膜, 作为呼吸链成员； Cyt.b5和Cyt.p450 ——主要存在于肝细胞微粒体， 参与生物转化。

  23. 多肽链 (1) Cyt.类基本结构 Cys S Cys S H3C- CH 蛋白质部分 细胞色素 CH3 H3C- -CH - CH3 N N Fe3+ 铁卟啉 N N H3C- -CH3 CH2 CH2 COO- CH2 CH2 COO-

  24. Cyt b、 c1、 c 、 a 、 Cyt a3 不能与O2 和 可与O2也可与 CO、CN-等结合， CO和CN-结合 Cyt a3 : 通过与氧结合，可将电子直接传递给氧， Cyt a3被称为细胞色素氧化酶 Cyt a3： 当与CO或CN-结合，使呼吸链中断。

  25. (2) 作用 递电子体 (3) 递电子机理 Fe3+ Fe2+ e e (4) 递电子顺序 Cyt.b  c1  c  a  a3  ½ O2 e e e e e

  26. 在呼吸链中细胞色素类递电子的过程 2e 2e O2-H2O 2Fe2+ 2Fe3+ 2Fe2+ 2Fe3+ 2H+ 2b 2c1 2c 2 a.a3 1/2 O2 2Fe3+ 2Fe2+ 2Fe3+ 2Fe2+ 2e 2e 2e 2e COQ2H2H+- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

  27. 苹果酸等 NADH NADH-CoQ还原酶 O2 Cyt氧化酶 线粒体呼吸链四大复合体 复合体 I FMN (Fe-S) 复合体Ⅲ 复合物 Ⅳ 复合体Ⅳ Cytc CoQ a.a3. Cu2+ Cyt.b,C1 (Fe-S) 复合体Ⅱ CoQ-Cytc还原酶 FAD (Fe-S). b 琥珀酸-CoQ还原酶 琥珀酸等

  28. 呼吸链各组份排列顺序的依据 1、将测得各组分的还原电位(E0´)值由小 大排列; 2、测定各组分氧化态和还原态两种形式的吸收光谱的 变化; 3、使用特异抑制剂,分析抑制点前后各组份的氧化 还原态的变化; 4、分离并提取各组份,在体外重组成复合物,以重现递H和递e功能。

  29. (二) 体内重要呼吸链 • NADH+H+氧化呼吸链 • (1) 组成成员 (2) 排列顺序 (3)产生ATP数(3分子) NADH→ FMN → COQ → Cyt.b→c1 → c→ a.a3→ ½O2 +H+(Fe-S)(Fe-S)(Cu2+)

  30. 2. FADH2氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链） （1）组成成员 （2）排列顺序 （3）产生ATP数(2分子) FAD H2 → COQ → Cyt.b→c1 → c → a.a3 → ½O2 (Fe-S)(Fe-S)(Cu2+)

  31. CoQ ( Q )是两条重要呼吸链的交汇点 琥珀酸 FAD.H2 (Fe-S) II ½ O2 NADH FMN CoQ Cytb Cytc1 Cytc aa3 + H+(Fe-S)(Fe-S)( Cu2+) III IV I

  32. 呼吸链四个复合物的电子和质子流动总图

  33. 四、胞液中的NADH的氧化 CH2OH C=O CH2O- P NADH+H+ QH2 1/2O2 线粒体内膜 磷酸二羟 丙酮 3-磷酸甘油 脱氢酶 3－磷酸甘油脱氢酶（FAD） 2~P CH2OH CHOH CH2O- P Q H2O NAD+ 3-磷酸甘油 胞液 基质 磷酸甘油穿梭机制示意图

  34. 3 1 1 2 4 胞液侧 线粒体内膜 基质侧 苹果酸—天冬氨酸穿梭示意图

  35. 胞液中NADH的氧化（小结） 1、3-磷酸甘油穿梭作用（神经组织和骨骼肌） 胞液NADH + H+线粒体FADH2产生2分子ATP 2、苹果酸-天冬氨酸穿梭作用（肝和心肌） 胞液NADH + H+线粒体NADH+H+产生3分子ATP 呼吸链 呼吸链

  36. 第四节 生物氧化与能量代谢 糖 约60%以热能形式 脂类 散失，维持体温； 蛋白质 约40%以化学能形式形 成高能化合物(如，ATP)， 以驱动各种生命活动。 高能化合物： 是指水解时释出的能量≥30KJ/mol 的、 含有磷酸酯键或硫酯键的化合物。 [o] 能量

  37. 通式 举例 释放能量（PH7.0, 25℃） ( kJ/mol (kcal/mol ) 一. 高能化合物的种类 脂 脂 高能键符号： “ ”

  38. 二、 ATP的形成 （一）底物水平磷酸化(substrate level phosphrylation)

  39. 底物水平磷酸化 3-磷酸甘油酸激酶 1、1，3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 ADP ATP 丙酮酸激酶 丙酮酸 2、磷酸烯醇式丙酮酸 ATP ADP 琥珀酸硫激酶 3、琥珀酸酰CoA 琥珀酸 + CoASH GDP H3PO4 GTP ADP ATP

  40. （二） 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation) 1. 氧化磷酸化偶联 一系列递氢、递电子体 释放能量，驱动各种生命活动

  41. 2. 氧化磷酸化的偶联部位 （1） 磷氧比（P/O）值测定 每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷摩尔数， 即合成ATP的摩尔数。 通过加入不同底物，分别测定P/O比值， 推测ATP生成数（偶联部位）。

  42. 呼吸链形成ATP的偶联部位 苹果酸 抗坏血酸 NADH氧化呼吸链： P/O ≈ 3， 有3个偶联部位， 生成3分子ATP； FADH2氧化呼吸链： P/O ≈ 2， 有2个偶联部位， 生成2分子ATP。

  43. （2） 自由能变化 FADH2 (Fe-S) NADH FMN CoQ Cytb c1c aa3 O2 (Fe-S) 52.1 kj/mol 40.5 kj/mol 102.3 kj/mol NAD+ CoQ Cyt.b  c a.a3  O2 NADH氧化呼吸链 偶联部位

  44. 四、影响氧化磷酸化的因素 • 抑制剂 • ADP的调节 • 甲状腺激素的调节 • 线粒体DNA突变

  45. （一）抑制剂 1. 呼吸链抑制剂 CN- FAD.H2 CO (Fe-S) NADH → FMN → CoQ → Cyt.b → C1→ C → aa3→ O2 (Fe-S) 阿米妥 抗霉素A 鱼藤酮 - - -

  46. 2. 解偶联剂 一系列递氢、递电子体 解除偶联 解除偶联 二硝基苯酚（DNP） DNP → 解除氧化与磷酸化的偶联作用→ 耗O2量↑、 耗Pi 量↓ → P/O 比值 ↓ → ATP生成 ↓

  47. （二）ADP的调节 ( ADP＋Pi )↑ 氧化磷酸化↑ （三）甲状腺激素（ T3 / T4）的调节 ＋ ATP ADP + Pi＋产热量 ↑ 氧化磷酸化↑ Na+-K+-ATPase ATP生成↑（耗O2量↑）

  48. （四）线粒体DNA突变 mt DNA编码呼吸链复合体的部分多肽链及蛋白质 mtDNA突变 影响氧化磷酸化 能量代谢障碍 各种 疾病

  49. 五、 ATP利用 ATP + H2O ADP + Pi +30.5 Kj

  50. 1. ATP驱动各种生命活动 机械能（肌肉收缩） 化学能（合成代谢） 渗透能（吸收分泌） 电能（神经传导生物电） 热能（维持体温）等 代谢物 ATP 热能 （散发） 氧化分解 C 能 能 C~P 化学能 ADP + CO2 H2O Pi

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