生物氧化课件PPT

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1、生物化学与分子生物学 第八章 生物氧化 BiologicalOxidation 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 CO2和H2O O2 能量 ADP Pi ATP 热能 生物氧化的概念 乙酰CoA TAC 2H 呼吸链 H2O ADP Pi ATP CO2 生物氧化的一般过程 第一节氧化呼吸链是由具有电子传递功能的复合体组成 生物体将NADH H 和FADH2彻底氧化生成水和ATP的过程与细胞的呼吸有关 需要消耗氧 参与氧化还原反应的组分由含辅助因子的多种蛋白酶复合体组成 形

2、成一个连续的传递链 因此称为氧化呼吸链 oxidativerespiratorychain 也称电子传递链 electrontransferchain 氧化呼吸链的定义 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 一 氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成 人线粒体呼吸链复合体 泛醌不包含在上述四种复合体中 复合体 又称NADH 泛醌还原酶或NADH脱氢酶 接受来自NADH H 的电子并转移给泛醌 ubiquinone 复合体 可催化两个同时进行的过程 电子

3、传递 NADH FMN Fe S CoQ质子的泵出 复合体 有质子泵功能 每传递2个电子可将4个H 从内膜基质侧泵到胞浆侧 一 复合体 将NADH H 中的电子传递给泛醌 NAD 和NADP 的结构 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 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 在可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态 属于单 双电子传递体 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

4、单电子传递体 表示无机硫 铁硫蛋白 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 内膜中可移动电子载体 在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子 在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用 复合体 的功能 复合体 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 没有H 泵的功能 二 复合体 将电子从琥珀酸传递到泛醌 三 复合体 将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c 复合体 又叫泛醌 细胞色素C还原酶 人复合体 含有细胞色素b b562 b566 细胞色素c1和一种可移

5、动的铁硫蛋白 Rieskeprotein 泛醌从复合体 募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体 电子传递过程 CoQH2 CytbL CytbH Fe S Cytc1 Cytc 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 复合体 的电子传递通过 Q循环 实现 复合体 每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H 复合体 也有质子泵作用 Cytc是呼吸链唯一水溶性球状蛋白 不包含在复合体中 将获得的电子传递到复合体 人复合体 又称细胞色素C氧化酶 cytochromecoxidase 电子传递 Cytc CuA Cyta Cyta3

6、 CuB O2Cyta3 CuB形成活性双核中心 将电子传递给O2 复合体 也有质子泵功能 每传递2个电子使2个H 跨内膜向胞浆侧转移 四 复合体 将电子从细胞色素C传递给氧 复合体 的电子传递过程 细胞色素c氧化酶CuB Cyta3中心使O2还原成水的过程 有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合 不会引起细胞损伤 1 NADH氧化呼吸链NADH 复合体 CoQ 复合体 Cytc 复合体 O22 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸 复合体 CoQ 复合体 Cytc 复合体 O2 二 NADH和FADH2是氧化呼吸链的电子供体 根据电子供体及其传递过程 目前认为 氧化呼吸链有两条途径 标准氧化还原电位特异抑

7、制剂阻断还原状态呼吸链缓慢给氧将呼吸链拆开和重组 氧化呼吸链各组分的顺序排列是由以下实验确定的 呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位 第二节氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化偶联生成ATP 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 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 ATP生成方式 一 氧化磷酸化偶联部位在复合体 内 根据P O比值自由能变化 G n

8、F E 氧化磷酸化偶联部位 复合体 一 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 二 自由能变化 根据热力学公式 pH7 0时标准自由能变化 G0 与还原电位变化 E0 之间有以下关系 n为传递电子数 F为法拉第常数 96 5kJ mol V G0 nF E0 电子传递链自由能变化 氧化磷酸化偶联部位 二 氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度 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

9、量 当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP 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 离子是不通透的 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子梯度 结果电子虽可以传递 但ATP生成减少 化学渗透假说已经得到广泛的实验支持 化学渗透假说简单示意图 胞液侧 基质侧 电子传递过程复合体 4H 4H 和 2H 有质子泵功能 化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响 三 质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成ATP F1 亲水部分 动物 3 3 亚基复合体 OS

10、CP IF1亚基 线粒体内膜的基质侧颗粒状突起 催化ATP合成 F0 疏水部分 ab2c9 12亚基 动物还有其他辅助亚基 镶嵌在线粒体内膜中 形成跨内膜质子通道 ATP合酶结构组成 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 3 3稳固结合 使a b2和 3 3 亚基组成稳定的定子部分 部分 和 亚基共同形成穿过 3 3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 当H 顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基

11、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 ATP合成的结合变构机制 bindingchangemechanism 四 ATP在能量代谢中起核心作用 细胞内代谢反应都是依序进行 能量逐步得失 ATP称之为高能磷酸化合物 可直接为细胞的各种生理活动提供能量 同时也有利于细胞对能量代谢进行严格调控 生物体能量代谢有其明显的特点 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 一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能 一 ATP是体内能量捕获和释放利用的重要分子 ATP是体内最重要的高能磷酸化合物 是细胞可

12、直接利用的能量形式 ATP在生物能学上最重要的意义在于 通过其水解反应释放大量自由能和需要供能的反应偶联 使这些反应在生理条件下完成 二 ATP是体内能量转移和磷酸核苷化合物相互转变的核心 三 ATP通过转移自身基团提供能量 因为ATP分子中的高能磷酸键水解释放能量多 易释放Pi PPi基团 很多酶促反应由ATP通过共价键与底物或酶分子相连 将ATP分子中的Pi PPi或者AMP基团转移到底物或酶蛋白上而形成中间产物 经过化学转变后再将这些基团水解而形成终产物 磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式 四 磷酸肌酸是高能键能量的储存形式 ATP的生成 储存和利用 ATP ADP 机械能 肌

13、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 第三节氧化磷酸化的影响因素 一 体内能量状态可调节氧化磷酸化速率 氧化磷酸化是机体合成能量载体ATP的最主要的途径 因此机体根据能量需求调节氧化磷酸化速率 从而调节ATP的生成量 二 抑制剂可阻断氧化磷酸化过程 一 呼吸链抑制剂阻断电子传递过程 复合体 抑制剂 鱼藤酮 rotenone 粉蝶霉素A piericidinA 及异戊巴比妥 amobarbital 等阻断传递电子到泛醌 复合体 的抑制剂 萎锈灵 carboxin 复合体 抑制剂 抗霉素A antimycinA 阻断

14、CytbH传递电子到泛醌 QN 粘噻唑菌醇则作用QP位点 复合体 抑制剂 CN N3 紧密结合中氧化型Cyta3 阻断电子由Cyta到CuB Cyta3间传递 CO与还原型Cyta3结合 阻断电子传递给O2 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 不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响 二 解偶联剂阻断ADP的磷酸化过程 解偶联剂 uncoupler 可使氧化与磷酸化的偶联相互分离 基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度 使电化学梯度储存的能量以热能形式释放 ATP的生成受到抑制 如 二硝基苯酚 dinitroph

15、enol DNP 解偶联蛋白 uncouplingprotein UCP1 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 三 ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成 这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用 例如寡霉素 oligomycin 可结合F0单位 二环己基碳二亚胺 dicyclohexylcarbodiimide 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 由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能 继而抑制电子传递 寡霉素 oligomycin 寡霉素 ATP合酶结构模式图 可阻

16、止质子从F0质子通道回流 抑制ATP生成 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 Na K ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加 三 甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热 四 线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸化功能 线粒体DNA mtDNA 呈裸露的环状双螺旋结构 缺乏蛋白质保护和损伤修复系统 容易受到损伤而发生突变 其突变率远高于核内的基因组DNA 五 线粒体的内膜选择性协调转运氧化磷酸化相关代谢物 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 线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运 一 胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链 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 磷酸甘油穿梭 glycerophosphateshuttle 苹果酸 天冬氨酸穿梭 malate asparateshuttle 转运机制 1 磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中 NADH H FADH2 NAD FAD 线粒体内膜 线粒体外膜 膜间隙 线粒体基质