null第 六 章第 六 章生 物 氧 化
Biological Oxidation* 生物氧化的概念 * 生物氧化的概念 物质在生物体内进行氧化称生物氧化(biological oxidation),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。1. 生物氧化的定义null2. 生物氧化的特点环境条件:37℃恒温,近中性,甚至有水参与。
反应方式: 酶促,反应逐步进行(加氧、脱氢、失电子);
CO2的生成:有机酸脱羧;
水的生成:O2接受电子后与H+结合;
能量散发: 逐步释放,部分以化学能方式储存,部分以
热能释放分解代谢的一般途径分解代谢的一般途径乙酰 CoA 2H 呼吸链 H2O ADP+Pi ATP CO2 ½O2 氧化磷酸化TCA cyclenull
三羧酸循环脂肪酸β-氧化葡萄糖乙酰 CoA糖酵解丙酮酸丙酮酸
脱氢酶系乙酰CoAoverview第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系
Section 1 the Oxidative Phosphorylation System of ATP Production第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系
Section 1 the Oxidative Phosphorylation System of ATP Production1、呼吸链
掌握定义、部位、组分及其功能,组分的排列顺序
2、氧化磷酸化
掌握定义、P/O比值、偶联部位
熟悉偶联机制、影响因素
3、ATP
掌握ATP在能量生成和利用中的地位和作用
4、NADH的穿梭
掌握α-磷酸甘油穿梭和苹果酸-天冬氨酸穿梭的过程一、呼吸链一、呼吸链定义
呼吸链/电子传递链
代谢物脱下的成对氢原子(2H)通过多种酶和辅酶所催化的氧化还原连锁反应逐步传递,最终与氧结合生成水。这一包含多种氧化还原组分的传递链称为呼吸链,又称电子传递链。
respiratory chain / electron transfer chain:
a series of electron carriers responsible for the transport of electrons from NADH or FADH2 to molecular oxygen, with the net results of trapping energy for use in ATP synthesis, and reducing oxygen to water.nullnull递氢体:传递氢的酶或辅酶,例如:
NAD+ + 2H NADH + H+
FMN + 2H FMNH2
FAD + 2H FADH2
CoQ + 2H CoQH2
因为 2H 2H+ + 2e
所以 递氢体也起传递电子的作用递电子体:传递电子的酶或辅酶,例如:
Cyt b –Fe3+ + e Cyt b –Fe2+
Cyt c1 –Fe3+ + e Cyt c1 –Fe2+
Cyt c –Fe3+ + e Cyt c –Fe2+
Cyt aa3 –Fe3+ + e Cyt aa3 –Fe2+nulla. NADH氧化呼吸链:
b. 琥珀酸氧化呼吸链:
总式:体内的两条主要呼吸链null呼吸链/电子传递链的定位与运行条件
细胞内定位 线粒体内膜
运行的必要条件 有氧null(一)呼吸链的组成(毛地黄皂苷)null复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体Ⅳ呼吸链中的递氢体和电子传递体null电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置nullnullNAD+和NADP+的结构R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+ NAD+: nicotinamide adenine dinucleotide尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸
(Co Ⅰ,辅酶Ⅰ)
NADP+: nicotinamide adenine dinucleotide phosphate
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸
(Co Ⅱ,辅酶 Ⅱ)nullNAD+(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。null四种具有传递电子功能的酶复合体(complex) * 泛醌 和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体1. 复合体Ⅰ: NADH-泛醌还原酶1. 复合体Ⅰ: NADH-泛醌还原酶 功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone, CoQ),
同时具有质子泵作用 组成:
黄素蛋白 / FMN / 2Fe-S
铁硫蛋白 / 3Fe-S
疏水蛋白 / Fe-SnullFMN为黄素蛋白辅基,结构中含核黄素,发挥功能的部位是异咯嗪环。充当递氢体。FMN: flavin mononucleotide(黄素单核苷酸)双或单电子传递体null铁硫蛋白中辅基铁硫簇含有等量铁原子和硫原子,其中铁原子可进行Fe2+ Fe3++e 反应来传递电子(是递电子体)。Fe-S: iron-sulfur center(铁硫中心,铁硫簇)Fe2S2Fe4S4null单电子传递体2. 复合体Ⅱ: 琥珀酸-泛醌还原酶2. 复合体Ⅱ: 琥珀酸-泛醌还原酶 功能: 将电子从琥珀酸传递给
泛醌,无质子泵作用 大肠杆菌复合体Ⅱ的结构与电子传递nullFAD: flavin adenine dinucleotide
(黄素腺嘌呤二核苷酸)双或单电子传递体FAD黄素蛋白的辅基,是递氢体nullnull泛醌由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链(人CoQ10),是递氢体。3. 泛醌( ubiquitone, CoQ, Q)nullCoQ募集来自复合体Ⅰ与复合体Ⅱ的电子null 功能:将电子从泛醌传递给细胞色素c,
具有质子泵作用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(递电子体),根据它们吸收光谱不同而分类。
Cyt a: a, a1, a2, a3;
Cyt b: b(b562, b566), b1~7, P450;
Cyt c: c, c1~5 .4. 复合体Ⅲ(泛醌-细胞色素c还原酶)细胞色素(cytochrome, Cyt)nullnullnull复合体Ⅲ的结构nullnull复合体Ⅲ将电子从泛醌传递给细胞色素 c5. 复合体Ⅳ: 细胞色素c氧化酶5. 复合体Ⅳ: 细胞色素c氧化酶 功能:将电子从细胞色素c传递给氧,
具有质子泵作用null(其中Cyt a3 和CuB形成的双核中心将电子交给O2)null电子在呼吸链中的传递(二)呼吸链成分的排列顺序 由以下实验确定
①
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
氧化还原电位
② 拆开和重组
③ 特异抑制剂阻断
④ 还原状态呼吸链缓慢给氧(二)呼吸链成分的排列顺序null标准氧化还原电位的测定pH7.0, T25℃nullnulla. NADH氧化呼吸链:
b. 琥珀酸氧化呼吸链:
体内的两条主要呼吸链null1. NADH氧化呼吸链
NADH →复合体Ⅰ→CoQ →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2
2. 琥珀酸氧化呼吸链
琥珀酸 →复合体Ⅱ →CoQ →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2nullNADH氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链 二、氧化磷酸化 二、氧化磷酸化* 定义
氧化磷酸化 由代谢物脱下的氢,经呼吸链的电子传递释放能量,偶联驱动ADP磷酸化生成ATP的过程,又称为偶联磷酸化。
oxidative phosphorylation: the process in which the phosphorylation of ADP to yield ATP is coupled to the electron transport through respiratory chain. (一)氧化磷酸化偶联部位 (ATP生成部位)(一)氧化磷酸化偶联部位 (ATP生成部位)1. P/O比值
P/O比值:物质氧化时,每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷的摩尔数(或ADP摩尔数),即生成ATP的摩尔数。
P/O ratio: the number of inorganic phosphate molecules consumed in ATP formation for each oxygen atom reduced to H2O. nullnull氧化磷酸化偶联部位一对氢原子经呼吸链氧化后可产生ATP的数目:null2. 自由能的变化
∵ 1molADP + 1molPi + 30.5 kJ/mol→ 1mol ATP
而 ⊿GӨ=-nF⊿EӨ, 其中n=2, F=96.5kJ/mol·V,
要求 |⊿GӨ | = |-nF⊿EӨ | > 30.5kJ/mol
∴ |⊿EӨ| = |⊿GӨ/(-nF) | > 30.5/(2×96.5 )=0.16V≈0.2Vnull氧化磷酸化偶联部位(二) 氧化磷酸化的偶联机理(二) 氧化磷酸化的偶联机理1. 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。 nullIn 1961, P.Mitchell proposed the revolutionary hypothesis of
Chemiosmotic Hypothesis
and was awarded
the Nobel Prize in Chemistry 1978 null化学渗透假说简单示意图null胞液侧 基质侧 化学渗透假说详细示意图nullnullF1: α3β3γδε
ATPase activity
hydrophilic
F0: a1b2c9~12
proton channel
hydrophobicATP合酶
ATP synthasenull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nullIntermembrane space matrix overview 有实验表明:每合成1分子ATP需要回流3个质子,
另加1个质子回流以提供底物(ADP、Pi)和产物(ATP)的
跨膜转运。因此,每合成1分子ATP需要回流4个质子。
所以 NADH+H+ → ½ O2可合成2.5分子ATP
琥珀酸 → ½ O2可合成1.5分子ATP三、影响氧化磷酸化的因素三、影响氧化磷酸化的因素1. 呼吸链抑制剂
阻断呼吸链中某些部位电子传递。如鱼藤酮、抗霉素A、氰化物等
2. 解偶联剂
使氧化与磷酸化偶联过程脱离。
如:二硝基苯酚(DNP), 解偶联蛋白
3. 氧化磷酸化抑制剂
对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。
如:寡霉素 (一)抑制剂null鱼藤酮
粉蝶霉素A
异戊巴比妥 ×抗霉素A
粘噻唑菌醇 ×CO
CN-
N3-
H2S×各种呼吸链抑制剂的阻断位点null解偶联蛋白作用机制(棕色脂肪组织线粒体)Ⅲ Q胞液侧 基质侧 解偶联
蛋白null 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nullATP合酶null(二)ADP的调节作用
ADP促进氧化磷酸化不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响 null不同底物和抑制剂对
线粒体氧耗的影响 杀黑星菌素nullnull(四)mtDNA突变
影响氧化磷酸化,使ATP生成减少而致病,主要呈母系遗传。 null1、Leber 遗传性视神经病 (Leber hereditary optic neuropathy,LHON)
临床表现:病初发时为急性或亚急性眼球的神经炎,引发严重双侧视神经萎缩和大片
中心暗点,使视力突然丧失并伴有色觉障碍。在急性发作之后,视觉进一
步衰退,但常可维持0.02~0.5的视力。色觉障碍等。
此症发病高峰年龄是20~25岁,但任何年龄段都可能发病。 基因突变:ND1:LHON 4160T→C,亮→脯;
ND1:LHON 3460G→A,丙→丝;
ND1:LHON 3394T→C,酪→组
2、线粒体脑肌病、乳酸酸中毒及卒中样发作综合征
(mitochondrial encephalomyopathy, lacticacidosis,and stroke-like episodes,MELAS) 临床表现:虚弱、乳酸酸中毒、感觉神经性听觉丧失、痴呆、反复发生卒中样发作、
头痛、呕吐 基因突变:线粒体tRNA Leu:MELAS 3243 T →C 或 A →G ND4:MELAS 11084 A →G mtDNA突变疾病举例 四、ATP四、ATP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(一)高能磷酸键与高能磷酸化合物 nullnull2. 腺苷酸激酶的作用1. 核苷二磷酸激酶的作用(二)高能磷酸化合物的互变与能量储存null3. 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。 (三) ATP的生成和利用 (三) 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。五、通过线粒体内膜的物质转运五、通过线粒体内膜的物质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。null 线粒体内膜的主要转运蛋白 (一) 胞浆中NADH的氧化(一) 胞浆中NADH的氧化胞浆中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。
转运机制主要有
α-磷酸甘油穿梭
(α-glycerophosphate shuttle)
苹果酸-天冬氨酸穿梭
(malate-asparate shuttle)null NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 线粒体
内膜 线粒体
外膜膜间隙 线粒体
基质α-磷酸甘油
脱氢酶1. α-磷酸甘油穿梭机制(脑、骨骼肌) α-磷酸甘油 磷酸二羟丙酮 nullNADH
+H+ NAD+ 谷氨酸-
天冬氨酸
转运体苹果酸-α-酮
戊二酸转运体 胞液 线
粒
体
内
膜 基质 2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制(心、肝、肾)苹果酸苹果酸
脱氢酶草酰乙酸天冬氨酸α-酮戊二酸谷草转氨酶谷氨酸 (二) 腺苷酸与磷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白, 又称ATP-ADP转位酶。
作用:催化ADP经内膜进入线粒体与ATP经内膜移出
线粒体。
磷酸盐转运蛋白
作用:参与H2PO4−与H+同向转运到线粒体内。 (二) 腺苷酸与磷酸转运蛋白nullnullATP4- ADP3- H2PO4- null第二节 其他不生成ATP的氧化体系
Section 2 Other Oxidative Enzyme Systems null反应活性氧类(reactive oxygen species, ROS)一、抗氧化酶体系 反应活性氧类化学性质活泼,可引起蛋白质、DNA,膜脂质等。nullROS主要来源线粒体:线粒体超氧阴离子·O2-,是体内·O2-的主要来源;null过氧化酶体:FAD将从脂肪酸等底物获得的电子交给O2生成H2O2和羟自由基·OH。
胞浆需氧脱氢酶(如黄嘌呤氧化酶等)也可催化生成·O2-。
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。 机体可通过抗氧化酶体系及时清除活性氧,以防止其累积造成有害影响。null(一)过氧化氢酶(catalase)
又称触酶,其辅基含4个血红素,主要存在于过氧化酶体中。抗氧化酶体系H2O2在吞噬细胞中可氧化杀死入侵的细菌,在甲状腺中可使2I-转化为I2,
进而使酪氨酸碘化生成甲状腺素。 谷胱甘肽过氧化物酶 (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。 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 (三)超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase,SOD)(三)超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase,SOD) SOD的三种同工酶: 细胞外、细胞质:Cu/Zn-SOD;
线粒体: Mn-SOD
SOD是人体防御内、外环境中超氧离子损伤的重要酶。(四)其他小分子自由基清除剂:(四)其他小分子自由基清除剂:维生素 C
维生素 E
β-胡萝卜素
泛醌null(一)加单氧酶 (monoxygenase)* 催化的反应:RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O 又称混合功能氧化酶或羟化酶。细胞色素P450 (Cyt P450):Cyt b 类细胞色素,因还原型Cyt P450与CO
结合后在450nm处有最大吸收峰而得名,主
要分布于肝、肾上腺微粒体中,参与类固醇
激素、胆汁酸及胆色素的生成及药物的生物
转化。二、微粒体细胞色素P450加单氧酶系 加单氧酶
Cyt P450null细胞色素P450加单氧酶作用机制null(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: null练习
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
一、名词解释
1、respiratory chain
2、oxidative phosphorylation
3、P/O ratio二、问答题
1、写出NADH氧化呼吸链的组成成分及其排列顺序,并指出ATP的偶联部位。
2、脑或骨骼肌细胞液中的NADH+H+是如何进入呼吸链的?肝或心肌细胞液
中的NADH+H+又是如何进入呼吸链的?
3、氧化磷酸化的抑制剂有哪些?它们是怎样影响氧化磷酸化反应的?