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1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式Genetics & Molecular BiologyMeng Lie Su 孟列素Chapter 11 Biological oxidation 生物氧化的概念：物质质在生物体内进进行氧化称为为生物氧化，主要是指糖、脂肪、蛋白质质等在体内分解时时逐步释释放能量，最终终生成CO2和H2O的过过程。此过过程需耗氧，又在活细细胞中进进行，故又称细细胞呼吸。1. 糖、脂类和蛋白质分解为葡萄糖、脂肪酸、甘油及氨基酸2. 进一步分解为二碳化合物即乙酰 CoA3. 三羧酸循环生物氧化的方式：加氧、脱氢氢、失电电子生物氧化体系：A.生成ATP的氧化体系 E
2、.g.线粒体内，耗氧并产生二氧化碳，伴有ATP生成。B.不生成ATP的氧化体系 E.g.内质网微粒体，与代谢物,药物或毒物的生物转化有关。第一节生物能学的基本原理一.生物系统遵循热力学定律二.（一）热力学第一定律三.（二）热力学第二定律熵（entropy）表示一个系统的无序或随机程度。自由能G=H-TS；G=E-TSG:当反应物浓度为1mol/L，反应温度为25，压力为1大气压时，用G表示标准自由能变化。G：生物化学反应时，将pH定为7.0，这种状态下的标准自由能变化用G表示。二.体内吸能过程与放能过程偶联进行（一）代谢物释放的自由能提供另一代谢物的转变（二）一个热力学上不利的反应可被热力学有
3、利的反应驱动A + C B + D + 热能A B + CB DA D + C（三）放能反应时生成高能化合物提供吸能反应所需的自由能三.ATP在能量循环中的核心作用（一）高能磷酸化合物的磷酰基水解时释放出大量自由能高能磷酸化合物：G0ATP的磷酸化合物。水解时释放能量21kJ/mol的磷酸化合物。高能磷酸化合物E.g.ATP,ADP,CP,1,3-DPG,PEP,氨基甲酰磷酸等高能硫酯化合物E.g.乙酰CoA,琥珀酰CoA,脂肪酰CoA（二）ATP将热力学上不利的过程和有利的反应相偶联（三）腺苷酸激酶催化腺嘌呤核苷酸之间相互转变（四）核苷二磷酸激酶催化其它NTP生成ATPUDP(CDP,GDP
4、)二磷酸核苷激酶ADPUTP(CTP,GTP)ADPADP腺苷酸激酶ATPAMP（五）磷酸肌酸作为肌和脑中能量的一种储存方式ATP肌酸(C)肌酸激酶(CK)ADP磷酸肌酸(CP)第二节氧化磷酸化细胞内ATP形成的方式：氧化磷酸化（主要）oxidative phosphorylation底物水平磷酸化substrate-level phosphorylationsubstrate-levelphosphorylationADP或者其他核苷二磷酸的磷酸化作用与底物的脱氢作用直接偶联的反应过程。 oxidativephosphorylation 代谢谢物脱下的氢氢（2H+2e-)经经呼吸链传给链传给
5、 氧生成H2O的放能过过程，与ADP磷酸化生成ATP的吸能过过程相偶联联，称为为氧化磷酸化。 SH2H21/2O2H2O氧化S能量ADP+PiATP磷酸化一一.氧化呼吸链链 oxidative repiratory chain在线粒体内膜中由一系列具有电子传递功能的酶复合体按一定顺序排列成链锁性的氧化还原体系，又称电子传递链（electron transfer chain）。（一）呼吸链的组成4种酶复合体 用胆酸、脱氧胆酸处理线粒体内膜，可将呼吸链分离得到。复合物酶名称辅基NADH-泛醌还 原酶FMN, Fe-S琥珀酸-泛醌还 原酶FAD, Fe-S泛醌-细胞色素C还原酶 铁卟 啉, Fe-S
6、细胞色素C氧化酶铁卟 啉, Cu2+1.呼吸链的各种组分（1）NAD+或NADP+烟酰酰胺腺嘌呤二核苷酸nicotimamideadeninedinucleotide烟酰酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸nicotimamideadeninedinucleotidephosphate作用：递氢递氢2HNAD+NADH+H+NADP+NADPH+H+（2）黄素辅辅基（FMN或FAD） 黄素单单核苷酸 FMN,flavinmononucleotide黄素腺嘌呤二核苷酸FAD,flavinadeninedinucleotide作用：递氢递氢 2H FMN FMNH2 FAD FADH2（3）铁铁硫蛋白（FeS或
7、Fe-S） ironsulfurprotein含有非血红红素铁铁和对对酸不稳稳定的硫种类类：FeS4Fe2S2Fe4S4作用：递电递电 子（单电单电 子传递传递 体）eFe3+-SFe2+-S（4） 泛醌醌（ Ubiquinone）辅酶QCoenzymeQ，CoQ，Q 脂溶性醌类醌类 化合物人：CoQ10，Q10 作用：递氢递氢 2HCoQCoQH2（5）细细胞色素 cytochromes, Cyt以血红红素为辅为辅 基的结结合蛋白质质分类类：Cyta:a，a1，a2，a3Cytb:b，b1-7，P450Cytc:c，c1-5作用：递电递电 子（单电单电 子传递传递 体） eCyt-Fe3+C
8、yt-Fe2+传递顺传递顺 序：CoQH2CytbFeSCytc1CytcCytaa3O2 CoQ 2 Cty-Fe2+ 1/2O2 2e bFe-SC1Caa3 2 Cyt-Fe3+ O-2 2e 2H 2H+ CoQH2 H2O2.四种复合体（1）ComplexNADH-泛醌还原酶电子传递顺序：NADHFMN,Fe-SCoQ（2）Complex琥珀酸-泛醌还原酶 组成：4个亚基70kD，30kD，2个小的疏水亚基 功能70kD：与FAD相连30kD：含有3个铁硫中心疏水亚基：锚定复合体 传递顺序琥珀酸FAD,Fe-SCoQ（3）Complex泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素bc1电子传递顺序
9、：QH2Cytb,Fe-S,Cytc1Cytc（4）Complex细胞色素C氧化酶结构：二聚体，每个单体包括13个亚基，其主要作用的是亚基I,II,III。四个氧化还原中心:cyta;cyta3;CuB;CuA电子传递顺序：还原型CytcCytaa3O2FMN(Fe-S)FAD(Fe-S)Cytb,C1(Fe-S)Cytaa3Cu2+NADH琥珀酸CoQCytC O2 （二）呼吸链组分的排列顺序1.NADH氧化呼吸链 NADH复合体 CoQH2复合体Cytc复合体O22.琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸复合体CoQH2复合体Cytc复合体 O23.呼吸链组分排列顺序的确定标准氧化还原电位体外拆解和重组
10、阻断剂阻断传递链缓慢氧化，观察各组分氧化顺序琥珀酸FAD苹果酸(Fe-S)-羟脂酰CoA-羟丁酸NAD+FMNCoQbc1caa3O2谷氨酸(Fe-S)异柠檬酸FADFADFAD(Fe-S)硫辛酸丙酮酸-酮戊二酸-磷酸甘油脂肪酰CoA 线粒体内某些代谢物氧化时的呼吸链线粒体内某些代谢物氧化时的呼吸链二.氧化磷酸化oxidativephosphorylation代谢谢物脱下的氢氢（2H+2e-)经经呼吸链传给链传给 氧生成H2O的放能过过程，与ADP磷酸化生成ATP的吸能过过程相偶联联，称为为氧化磷酸化。SH2H21/2O2H2O氧化S能量ADP+PiATP磷酸化（一）氧化磷酸化偶联部位 偶联部
11、位指氧化过程（放能过程）与磷酸化过程（吸能过程）相关的部位，即ATP生成的部位。1.P/O比值P/O比值指物质氧化时，每消耗1mol原子O所消耗的无机磷的mol数，即生成ATP的mol数。FMN(Fe-S)FAD(Fe-S)Cytb,C1(Fe-S)Cytaa3Cu2+NADH琥珀酸CoQCytC O2 -羟丁酸抗坏血酸底物P/O比值可能生成的ATP-羟丁酸2.42.83琥珀酸1.72抗坏血酸0.881Cytc0.610.681实验验证2.自由能琥珀酸FADFe-SNADHFMNFeSCoQbc1caa3O2ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP部位1部位2部位32H经NADH
12、氧化呼吸链被氧化生成水时，产生2.5个ATP。2H经琥珀酸氧化呼吸链被氧化生成水时，产生1.5个ATP。（二）氧化磷酸化偶联机制化学偶联假说构象偶联假说化学渗透假说化学渗透假说H+不断出进线粒体内膜的循环式运动，将电子传递过程中的自由能转变为ATP分子中的化学能。证据：氧化磷酸化需要完整封闭的线粒体内膜线粒体内膜对H+,OH-,K+,Cl+不通透电子传递链驱动质子出线粒体，形成可测定的电化学梯度在线粒体内膜增加使质子通过的物质，ATP合成减少（二）ATP合酶催化生成ATP，由F1（亲水部分）和F0（疏水部分）组成。F1具ATP合成酶活性33OSCP（寡霉素敏感蛋白）IF1（调节亚基）F0质子通
13、道由a1b2c9-12组成动物线粒体F0还有d,e,f,g,A6L,F6亚基质子通过ATP合酶F0顺浓度梯度回流使F1亚基旋转亚基旋转使亚基构象改变导致ATP合成和释放三.影响氧化磷酸化的因素（一）抑制剂1.呼吸链抑制剂可阻断呼吸链中某些部位的电子传递。鱼鱼滕酮酮、安密妥、粉蝶霉素A等：复合体FeSCoQ萎锈锈灵，丙二酸等：复合体抗霉素A：复合体cytbHCoQ粘噻唑噻唑 菌醇，标桩标桩 霉素CoQFe2S2氰氰化物，叠氮化物cytaa3-CuBCO，H2Sa3O22.解偶联剂2,4-二硝基酚(DNP)，FCCP等解偶联联蛋白（UCP）缬缬氨霉素，短菌杆肽肽等3.氧化磷酸化抑制剂剂寡霉素，二环
14、己基碳二亚胺（二）ADP的调节作用ADP氧化磷酸化呼吸控制率respiratory control ratio, RCR当过量底物存在时，加入ADP后的耗氧速率与仅有底物时耗氧速率之比（三）甲状腺素诱导Na+,k+-ATP酶生成ADP氧化磷酸化使解偶联蛋白表达增加（四）线粒体DNA突变 线粒体DNA突变ATP疾病四.线粒体内膜对物质的转运线粒体外膜：线粒体孔蛋白线粒体内膜：转运蛋白线粒体内膜转运蛋白大多含有3个100个氨基酸残基为单位的重复结构。每个单位存在2个跨膜段，有利于形成跨膜转运通道。（一）胞液中NADH的氧化-磷酸甘油穿梭(-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天
15、冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)1.-磷酸甘油穿梭部位：脑、骨骼肌1分子NADH+H+通过该穿梭生成ATP分子1.5个。1分子G在脑和骨骼肌有氧氧化生成ATP分子30个。2.苹果酸-天冬氨酸穿梭部位：肝、心肌1分子NADH+H+通过该穿梭生成ATP分子2.5个。1分子G在肝和心肌有氧氧化生成ATP分子32个。（二）腺苷酸转运蛋白 又称ATP-ADP载体，反向转运ADP与ATP。（三）Ca2+通过线粒体内膜的机制（四）线粒体蛋白质的跨膜转运第三节其它氧化途径一.微粒体中的酶类1.加单氧酶（monooxygenase）催化氧分子中的1个氧原子加到底物分子上，另1个被氢还原
16、成水。需要CytP450。在肝和肾的微粒体中含量最多。参与类固醇激素、胆汁酸、胆色素等合成，VD3羟化，以及药物和毒物的生物转化。2.加双氧酶催化2个氧原子加到底物带双键的2个碳原子上。二.参与活性氧代谢的酶类 活性氧reactiveoxygenspecies,ROS:含氧且性质活泼的几种物质的总称。脂质过氧化物：ROOH激发态氧分子自由基：含有一个不成对电子的原子或原子团，又名游离基。（一）ROS的产生1. 呼吸链电子传递过程中产生。2. NADPH，黄嘌呤等氧化产生。3. 细菌感染时吞噬细胞通过磷酸戊糖途径生成NADPH，进一步生成ROS。（二）适量活性氧的理性作用：H2O2在白细胞中可杀死吞噬进来的细胞。甲状腺中H2O2参与甲状腺素的合成。最近发现，ROS具有信息分子的作用。使生物膜磷脂分子中的多烯脂肪酸氧化成过氧化脂质破坏生物膜的结构与功能。破坏核酸结构，导致细胞变异。（三）ROS的损伤作用使蛋白质交联，变性，引起脂褐素，与组织老化有关。氧化巯基酶和蛋白质，使之丧失活性。过氧化氢酶（catalase）H2O2+H2O22H2O+O2作用：分解H2O2保护机体不受其毒害（四）RO
