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目录第6章生物氧化BiologicalOxidation目录物质在生物体内进行氧化称生物氧化(biologicaloxidation),主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量,最终生成CO2和H2O的过程。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能生物氧化的概念目录生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化各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。生物氧化各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。目录反应环境温和,酶促反应逐步进行,能量逐步释放,能量容易捕获,ATP生成效率高。通过加水脱氢反应使物质能间接获得氧,并增加脱氢的机会(还原当量);脱下的氢与氧结合产生H2O,有机酸脱羧产生CO2。生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化体外氧化能量突然释放。物质中的碳和氢直接氧结合生成CO2和H2O。目录糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2生物氧化的一般过程目录第一节生成ATP的氧化磷酸化体系TheOxidativePhosphorylationSystemwithATPProducing目录营养物质代谢脱下的成对氢原子以还原当量的形式存在(NADH+H+,FADH2),再通过多种酶和辅酶催化的氧化还原连锁反应逐步传递,最终与氧结合生成水。逐步释放的能量可驱动ATP生成。由于该过程与细胞呼吸有关,这一包含多种氧化还原组分的传递链称为氧化呼吸链(oxidativerespiratorychain)。一、呼吸链定义递氢体和电子传递体(2H2H++2e)组成目录人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称质量(kD)多肽链数功能辅基含结合位点复合体ⅠNADH-泛醌还原酶85039FMN,Fe-SNADH(基质侧)CoQ(脂质核心)复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶1404FAD,Fe-S琥珀酸(基质侧)CoQ(脂质核心)复合体Ⅲ泛醌-细胞色素C还原酶25011血红素bL,bH,c1,Fe-SCytc(膜间隙侧)细胞色素c131血红素cCytc1,Cyta复合体Ⅳ细胞色素C氧化酶16213血红素a,a3,CuA,CuBCytc(膜间隙侧)泛醌和细胞色素c不包含在上述四种复合体中。目录ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-目录NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链目录NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+目录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。目录FMN结构发挥功能的部位是异咯嗪环。目录铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子,其中一个铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。属于单电子传递体。Ⓢ表示无机硫目录泛醌(辅酶Q,CoQ,Q)目录细胞色素(cytochrome,Cyt)细胞色素是一类以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。目录复合体Ⅰ又称NADH-泛醌还原酶。复合体Ⅰ电子传递:NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQ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Ⅰ有质子泵功能。1、复合体Ⅰ作用是将NADH+H+中的电子传递给泛醌(ubiquinone)目录复合体Ⅰ的功能NADH+H+NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2目录复合体Ⅱ是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶,又称琥珀酸-泛醌还原酶。电子传递:琥珀酸→FAD→几种Fe-S→CoQ复合体Ⅱ没有H+泵的功能。2、复合体Ⅱ功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。目录目录3、复合体Ⅲ功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c。复合体Ⅲ又叫泛醌-细胞色素C还原酶。泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体Ⅲ。电子传递过程:CoQH2→(CytbL→CytbH)→Fe-S→Cytc1→Cytc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Ⅲ有质子泵功能。目录复合体Ⅳ又称细胞色素C氧化酶(cytochromecoxidase)。电子传递:Cytc→CuA→Cyta→Cyta3–CuB→O2Cyta3–CuB形成活性双核中心,将电子传递给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。4、复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧目录复合体Ⅳ的电子传递过程目录ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-目录标准氧化还原电位拆开和重组特异抑制剂阻断还原状态呼吸链缓慢给氧(二)氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列由以下实验确定:目录呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位氧化还原对E0‘(V)氧化还原对E0‘(V)NAD+/NADH+H+-0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2-0.219CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2-0.219CytaFe3+/Fe2+0.29CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyta3Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.816目录1、NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22、琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2目录NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链目录二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化生成ATP偶联氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化,生成ATP,又称为偶联磷酸化。底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)与脱氢反应偶联,生成底物分子的高能键,使ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的过程。不经电子传递。ATP生成方式目录(一)氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内根据P/O比值自由能变化:⊿Gº'=-nF⊿Eº'氧化磷酸化偶联部位:复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ目录线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值底物呼吸链的组成P/O比值可能生成的ATP数β-羟丁酸NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ2.52.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ1.51.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O20.881细胞色素c(Fe2+)复合体Ⅳ→O20.61-0.6811、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)。目录电子传递链自由能变化区段电位变化(⊿Eº′)自由能变化⊿Gº′=-nF⊿Eº′能否生成ATP(⊿Gº′是否大于30.5KJ)Cytaa3~O20.53V102.3KJ/mol能NAD+~CoQ0.36V69.5KJ/mol能CoQ~Cytc0.21V40.5KJ/mol能目录ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2目录(二)氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度1、化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)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。目录线粒体基质线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液侧基质侧++++++++++---------电子传递过程复合体Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有质子泵功能。目录化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响目录当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时,γ亚基发生旋转,3个β亚基的构象发生改变。ATP合酶的工作机制ATP合成的结合变构机制(bindingchangemechanism)目录案例分析患者:女性,53岁,因神志不清入院。患者1小时前被发现,疑煤气中毒。体格检查:体温37度,脉搏94次/分,呼吸22次/分。辅助检查:1.碳氧血红蛋白测定:HbCO50%2.动脉血气分析:动脉血氧分压、氧饱和度和二氧化碳分压都处于较低水平3.脑电波显示广泛异常改变问:煤气中毒的生化机制是什么?NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2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萎锈灵×目录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)如:二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP);解偶联蛋白(uncouplingprotein,UCP1)。目录解偶联蛋白作用机制(棕色脂肪组织线粒体)ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP目录目录寡霉素(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。目录Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。(二)ADP是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素。(三)甲状腺激素刺激机体耗氧量和产热同时增加。(四)线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸化功能。目录电子传递链及氧化磷酸化系统概貌ΔμH+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+目录四、ATP在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用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P。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物目录化合物△E0′kJ/mol(kcal/mol)磷酸烯醇式丙酮酸-61.9(-14.8)氨基甲酰磷酸-51.4(-12.3)1,3-二磷酸甘油酸-49.3(-11.8)磷酸肌酸-43.1(-10.3)ATP→ADP+Pi-30.5(-7.3)乙酰辅酶A-31.5(-7.5)ADP→AMP+Pi-27.6(-6.6)焦磷酸-27.6(-6.6)1-磷酸葡萄糖-20.9(-5.0)一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能目录核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶的作用ADP+ADPATP+AMP目录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。目录ATP的生成和利用ATPADP肌酸磷酸肌酸氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P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。目录内膜可透过物质:ATP、AMP、Pi、丙酮酸、琥珀酸、苹果、α-酮戊二酸等。内膜不可透过的物质:H+、NADPH、NADH、草酰乙酸等。目录转运蛋白进入线粒体出线粒体ATP-ADP转位酶ADP3-ATP4-磷酸盐转运蛋白H2PO4-+H+二羧酸转运蛋白HPO42-苹果酸α-酮戊二酸转运蛋白苹果酸α-酮戊二酸天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白谷氨酸天冬氨酸单羧酸转运蛋白丙酮酸OH-三羧酸转运蛋白苹果酸柠檬酸碱性氨基酸转运蛋白鸟氨酸瓜氨酸肉碱转运蛋白脂酰肉碱肉碱线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运目录(一)胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸
本文标题:第06章生物氧化(1)
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