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1、putianUniversity,12级临本,1,第08章,生物氧化,Biological Oxidation,putianUniversity,12级临本,2,生物氧化(biological oxidation)：指物质在生物体内被氧化的过程。主要是指糖、脂肪及蛋白质等营养物质在体内氧化分解并逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程(即与能量生成有关的线粒体氧化体系)。,生物氧化的概念,物质在生物体内氧化的方式：加氧、脱氢、失电子。,线粒体氧化体系是指营养物质脱下成对的氢以还原 当量NADH+H+或FADH2的形式进入线粒体内膜的 呼吸链进行氧化，并生成H2O和释放能量的过程。,putia
2、nUniversity,12级临本,3,乙酰CoA,三羧酸循环,2H,呼吸链,H2O,CO2,生物氧化分解的一般过程,生物氧化分解的意义,生理意义：供给机体能量，进行正常生理生化活 动和转化有害废物。,putianUniversity,12级临本,4,Composition of Respiratory chain,第一节 氧化呼吸链的组成,putianUniversity,12级临本,5,指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具有电子传递功能的酶复合体，可通过链锁的氧化还原将代谢物脱下的电子最终传递给氧生成水。这一系列酶和辅酶称为电子传递链(electron transfer chain) 又
3、称呼吸链(respiratory chain) 。,定义,呼吸链概念,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。 （2H 2H+ + 2e）,putianUniversity,12级临本,6,一、呼吸链的主要组成及电子传递过程,呼吸链组成：,蛋白质复合体(4种)、辅酶Q、细胞色素C,电子在呼吸链中的传递过程,复合体、和具有质子泵功能。,代谢物脱氢,putianUniversity,12级临本,7,NADH+H+,NAD+,(一)、复合体,又称NADH- 泛醌还原酶，含辅基FMN，Fe-S，负责将电子从NADH传递给泛醌。同时将4个H+泵到膜外。,FMN Fe-S,底物脱氢,
4、putianUniversity,12级临本,8,NAD+和NADP+的结构与功能,【功能】 作为多种脱氢酶的辅酶，连接代谢物与呼吸链的重要环节，接受代谢物脱下的2H,然后传递给黄素蛋白。,NAD+（NADP+）的递H功能,putianUniversity,12级临本,9,FMN和FAD是维生素B2的活性形式，是黄素蛋白及一些脱氢酶（如琥珀酸脱氢酶）的辅基，其功能部位异咯嗪环可进行可逆的加氢和脱氢反应，可直接将代谢物脱下的氢传递进入呼吸链。,FMN与FAD的结构与功能,putianUniversity,12级临本,10,铁硫蛋白（iron-sulfur protein,Fe-S）,铁硫蛋白(i
5、ron-sulfur proteins，Fe-S)又称铁硫中心， 其特点是含铁原子和硫原子，铁与无机硫原子或与蛋 白质肽链上半胱氨酸残基的硫相结合。是一种与电子 传递有关的蛋白质，与黄素蛋白、细胞色素结合在一 起，以复合物形式存在：FMN(Fe-S)、FAD(Fe-S)。,通过Fe3+ Fe2+ 变化将FMN或FAD中的电子传递给泛醌。属于单电子传递体。,【作用】,putianUniversity,12级临本,11,泛醌（CoQ）,泛醌(辅酶Q, CoQ)是游离存在于线粒体内膜中的脂溶性有机化合物，在各复合体间募集并穿梭传递质子和电子。在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。,putianUn
6、iversity,12级临本,12,（二）、复合体,又称琥珀酸-泛醌还原酶，位于线粒体内膜基质侧，含辅基FAD，Fe-S，负责将电子从琥珀酸传递给泛醌。没有质子泵功能。,FAD Fe-S,putianUniversity,12级临本,13,3、复合体,又称泛醌-细胞色素C还原酶，含辅基为细胞色素b, c1, Fe-S ，负责将电子从泛醌传递给Cytc 。同时将4个H+泵到膜外。,b, c1 Fe-S,4、复合体,又称细胞色素C氧化酶，含辅基为细胞色素a，a3， Cu，负责将电子从Cytc传递给O2。同时将2个H+泵到膜外。,a，a3 Cu,putianUniversity,12级临本,14,细
7、胞色素体系,简写为cyt，是一种含铁卟啉辅基的电子传递体，可分 为三大类。线粒体呼吸链中含有细胞色素为b, c，c1， a，a3等。其中b与c1存在于复合体，a与a3存在于复 合体；c水溶性，游离存在。主要通过Fe3+Fe2+的 互变起传递电子的作用的。传递电子顺序是： bc1caa3O2,putianUniversity,12级临本,15,* 泛醌 和 Cyt c 不包含在上述四种复合体中。,总结：4种蛋白质复合体组成及作用,putianUniversity,12级临本,16,呼吸链的各种组分及其功能小结,其中只有cyta3可将电子传递给O2,putianUniversity,12级临本,1
8、7,二、主要的氧化呼吸链,（1）NADH氧化呼吸链：,由复合体, ，构成，顺序为：,NADH复合体Q复合体Cytc复合体O2,（2）琥珀酸（FADH2）氧化呼吸链：,由复合体，构成，顺序为：,琥珀酸复合体Q复合体Cytc复合体O2,线粒体内主要氧化呼吸链有两条：即NADH氧化呼吸链和FADH2（琥珀酸）氧化呼吸链。,putianUniversity,12级临本,18,标准氧化还原电位(氧化还原电位由低到高排列),呼吸链各组分的排列顺序由以下实验确定：,呼吸链各组分在线粒体内膜的排列顺序：复合体(或复合体)CoQ 复合体 CytC 复合体 O2,拆开和重组,特异抑制剂阻断,还原状态呼吸链缓慢给养
9、,putianUniversity,12级临本,19,第二节 氧化磷酸化,Oxidative Phosphorylation,putianUniversity,12级临本,20,氧化磷酸化：在线粒体中，底物分子脱下的氢原子经呼吸链传递给氧，在此过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP，这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化。,底物水平磷酸化：在分解代谢过程中，由于底物脱氢或脱H2O而引起代谢物分子内部能量的重新分布而形成高能键，然后转移给ADP使之磷酸化生成 ATP的过程。,底物水平磷酸化：,氧化磷酸化：,氧化磷酸化是生物体内ATP生成的主要方式,putianUniversity,12级临本,21,
10、推测氧化与磷酸化的偶联部位的依据是：,根据P/O比值,P/O比值：是指物质氧化时（如：H氧化生成H2O）， 每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数称为。,自由能变化: G=-nFE,一、氧化与磷酸化偶联部位,氧化与磷酸化偶联是指代谢物脱下的氢经呼吸链传递与O2结合氧化的过程中所释放的能量使ADP磷酸化生成ATP之间的偶联。,（一）P/O比值,putianUniversity,12级临本,22,线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值,NADH Q,氧化磷酸化偶联部位在复合体、内,Q CytC,Cytaa3O2,putianUniversity,12级临本,23,（二）自由能变化,pH7.0时
11、标准自由能变化G0与还原电位变化E0之间的关系： G0= -nFE0， n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/molV),ADP 磷酸化为ATP时 需要的能量为：30.5kJ/mol,putianUniversity,12级临本,24,1、化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)（已经得到广泛的实验支持）,二、氧化磷酸化的作用机制(了解),即电子传递过程产生跨线粒体内膜的质子梯度,putianUniversity,12级临本,25,三、ATP合酶,ATP合酶：嵌于线粒体内膜上，其头部呈颗粒状，突出于线粒体内膜的基质侧。是ATP合成的场所。由亲水部分 F1(33亚基
12、)和疏水部分F0(a1b2c912亚基)组成。,ATP合酶利用质子顺梯度回流释放能量合成ATP,F0：疏水部分镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道 。,F1：亲水部分 ，线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，具酶活性，催化ATP合成。亚基有催化部位，但必须与亚基结合才有活性。,putianUniversity,12级临本,26,有ATP结合部位,控制质子通道,酶的调节部位,连接F1与膜,putianUniversity,12级临本,27,高能磷酸化合物：含有高能磷酸键的化合物：如各种多磷酸核苷类化合物（ADP，ATP，GDP，GTP，CDP，CTP，GDP，GTP及PPi），水解后可释放出30.5k
13、J/mol的自由能。,四、ATP与能量代谢（自学）,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。,putianUniversity,12级临本,28,磷酸肌酸,磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用，必 须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理活动之需。反应过程由磷酸肌酸激酶催化完成。,磷酸肌酸是肌肉和脑组织中能量的贮存形式。,putianUniversity,12级临本,29,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。,ATP的生成和利用（ATP循环）
14、,putianUniversity,12级临本,30,第三节 影响氧化磷酸化的因素,Factors affecting oxidative phosphorylation,putianUniversity,12级临本,31,ADP的浓度、甲状腺素、呼吸链抑制剂、解偶联剂、氧化磷酸化抑制剂以及线粒体DNA突变等。,正常生理条件下，ADP是氧化磷酸化的主要调节者， ADP则氧化磷酸化。,影响氧化磷酸化的因素有：,鱼藤酮、粉蝶酶素A、异戊巴比妥与复合体中的Fe-S结合，抑制电子传递；抗霉素A、二巯丙醇抑制复合体；CO、CN-、H2S抑制复合体。,二、抑制剂的阻断作用,一、ADP浓度的影响,（一）、电
15、子传递抑制剂,putianUniversity,12级临本,32,（二）、解偶联剂,二硝基苯酚和解偶联蛋白(存在于棕色脂肪组织、骨骼肌等组织线粒体内膜上) 可使氧化与磷酸化偶联分离， 使ATP的生成受到抑制。,寡霉素与ATP合酶的F0部位结合， 阻断质子从F0质子通道回流，抑制磷酸化并间接抑制电子呼吸链传递。,（三）ATP合酶抑制剂,putianUniversity,12级临本,33,棕色脂肪组织线粒体中解偶联蛋白作用机制,Q,胞液侧,基质侧,解偶联 蛋白,putianUniversity,12级临本,34,呼吸链中的部分蛋白质由线粒体DNA编码，线粒体DNA因缺乏蛋白质保护和损伤修复系统易发
16、生突变，影响氧化磷酸化。,甲状腺诱导Na+,K+-ATP酶的生成使ATP分解为ADP,因ADP导致氧化。它还使解偶联蛋白基因表达和耗氧，产热。,三、甲状腺素的影响,四、线粒体DNA突变,putianUniversity,12级临本,35,各种抑制剂对电子传递链的影响,putianUniversity,12级临本,36,五、线粒体内膜对各种物质进行选择性转运,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。,putianUniversity,12级临本,37,胞浆中产生NADH要经呼吸链氧化必须进入线粒体，但NADH本身不能通过线粒体内膜，所以必须经一定转运机制才能进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。,1、存在于脑和骨骼肌中的-磷酸甘油穿梭(-glycer
