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1、2005年9月 04级医本讲稿,第 八 章,生 物 氧 化 Biological Oxidation,2005年9月 04级医本讲稿,物质在生物体内进行氧化称生物氧化，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。,* 生物氧化的概念,第一节 概述,2005年9月 04级医本讲稿,* 生物氧化与体外氧化之相同点,生物氧化中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。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。,2005年9月 04级医本讲稿,是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应逐步
2、进行，能量逐步释放有利于有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。 进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；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,能量是突然释放的。 产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。,2005年9月 04级医本讲稿,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,* 生物氧化的一般过程,2005年9月 04级医本讲稿,第二节 线粒体氧化体系 The Oxidation System of ATP Producing,2005年9月 04级医本讲稿,
3、在生物氧化体系中，传递氢的酶或辅酶称为递氢体，传递电子的酶或辅酶称为电子传递体，它们按一定的顺序排列在线粒体内膜上，组成递氢或递电子体系，统称为电子传递链（electron transfer chain）。该体系进行的一系列连锁反应是与细胞摄取氧的呼吸过程相关，故又称为呼吸链（respiratory chain）。,2005年9月 04级医本讲稿,一、呼吸链的主要成分,2005年9月 04级医本讲稿,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,2005年9月 04级医本讲稿,1. 复合体: NADH-泛醌还原酶
4、,功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone),2005年9月 04级医本讲稿,NAD+和NADP+的结构,R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+,2005年9月 04级医本讲稿,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。,2005年9月 04级医本讲稿,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 。,2005年9月 04级医本讲稿,铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。, 表示无机硫,2005年9月
5、 04级医本讲稿,铁硫蛋白,2005年9月 04级医本讲稿,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。,2005年9月 04级医本讲稿,复合体的功能,2005年9月 04级医本讲稿,2. 复合体: 琥珀酸-泛醌还原酶,功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌,2005年9月 04级医本讲稿,细 胞 色 素,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，根据它们吸收光谱不同而分类。,2005年9月 04级医本讲稿,2005年9月 04级医本讲稿,2005年9月 04级医本讲稿,3. 复合体: 泛醌-细胞色素c还原酶,
6、功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c,2005年9月 04级医本讲稿,2005年9月 04级医本讲稿,4. 复合体: 细胞色素c氧化酶,功能：将电子从细胞色素c传递给氧,其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。,2005年9月 04级医本讲稿,2005年9月 04级医本讲稿,由以下实验确定 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、呼吸链成分的排列顺序,2005年9月 04级医本讲稿,2005年9月 04级医本讲稿,电子传递链,2005年9月 04级医本讲稿,1. NADH氧化呼吸链 NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 2. 琥珀酸氧
7、化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2,三、主要的呼吸链,2005年9月 04级医本讲稿,2005年9月 04级医本讲稿,NADH氧化呼吸链,FADH2氧化呼吸链,2005年9月 04级医本讲稿,四、ATP的生成、利用与储存,（一）高能磷酸键与高能磷酸化合物,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,2005年9月 04级医本讲稿,2005年9月 04级医本讲稿,2005年9月 04级医本讲稿,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。,2005年9月 04级医本讲稿,ATP的生成和
8、利用与储存,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。,2005年9月 04级医本讲稿,（二）ATP的生成,氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)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 (substrate level phosphorylation) 是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。,2005年9月 04级医本讲稿,（1）氧化磷酸化偶联部位,氧化磷酸化偶联部位：
9、复合体、 根据自由能变化和P/O比值 G=-nFE,2005年9月 04级医本讲稿,2005年9月 04级医本讲稿,氧化磷酸化偶联部位,电子传递链自由能变化,2005年9月 04级医本讲稿,（2） 氧化磷酸化的偶联机理,. 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。,2005年9月 04级医本讲稿,化学渗透假说简单示意图,化学渗透假说,2005年9月 04级医本讲稿,胞液侧,基质侧,化学渗透假说详细示意图,2005年9
10、月 04级医本讲稿,. ATP合酶,由亲水部分 F1（33亚基 ）和疏水部分 F0（a1b2c912亚基）组成。,ATP合酶结构模式图,2005年9月 04级医本讲稿,（3）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。 2). 解偶联剂 使氧化与磷酸化偶联过程脱离。 如：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,抑制剂,2005年9月 04级医本讲稿,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,2005年9月 04级医本讲稿,不同底物和抑制剂对线粒
11、体氧耗的影响,2005年9月 04级医本讲稿,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,2005年9月 04级医本讲稿,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,2005年9月 04级医本讲稿,ADP的调节作用 呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR) 甲状腺激素 Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。 线粒体DNA突变 与线粒体DNA病及衰老有关。,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
12、+,2005年9月 04级医本讲稿,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。,2005年9月 04级医本讲稿,线粒体内膜的主要转运蛋白,2005年9月 04级医本讲稿,六、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 -磷酸甘油穿梭 (-glycerophosphate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle),2005年9月 04级医本讲稿,1. -磷酸甘油穿梭机制,2005
13、年9月 04级医本讲稿,NADH+H+,FADH2,NAD+,FAD,线粒体 内膜,线粒体 外膜,膜间隙,线粒体 基质,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,2005年9月 04级医本讲稿,2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制,2005年9月 04级医本讲稿,NADH +H+,NAD+,谷氨酸- 天冬氨酸 转运体,苹果酸-酮戊二酸转运体,苹果酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,谷氨酸,胞液,线 粒 体 内 膜,基质,天冬氨酸,2005年9月 04级医本讲稿,第三节 非线粒体氧化酶系 The Others Oxidation Enzyme Systems,2005年9月 04级医本讲稿,一、需氧脱氢酶和氧化酶,2005年9
14、月 04级医本讲稿,二、过氧化物酶体中的酶类,（一）过氧化氢酶(catalase) 又称触酶，其辅基含4个血红素,2005年9月 04级医本讲稿,（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,2005年9月 04级医本讲稿,反应氧族 超氧离子(O2)、H2O2、羟自由基(OH)的统称。,三、超氧化物歧化酶,2O2+ 2H+,SOD,H2O2 + O2,H2O + O2,过氧化氢酶,SOD：超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase),2005年9月 04级医本讲稿,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,3. 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶,2005年9月 04级医本讲稿,四、微粒体中的酶类,（一）加单氧酶(monoxygenase),* 催化的反应：,RH + NADPH + H+ + O2,ROH + NADP+ + H2O,故又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase) 或羟化酶(hydroxylase)。,上述反应需要细胞色素P450 (Cyt P450)参与。,2005年9月 04级医本讲稿,（二）加双氧酶,
