生物化学课件第八章_生物氧化v0.3

生物氧化生物氧化第八章第八章第八章第八章Biological oxidation陈舌 研究员枫林校区西7号楼336室（54237223）一般将一般将G 大于大于ATP（包括（包括ATP），），或或G 大于大于21 kJ/mol的磷酸化合物称的磷酸化合物称为高能磷酸化合物。为高能磷酸化合物。用符号用符号P表示高能磷酸键。表示高能磷酸键。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的磷酰基水解时释放出大量自由能高能磷酸化合物高能磷酸化合物:一些生物学重要的有机磷酸化合物水解时释放的标准自由能一些生物学重要的有机磷酸化合物水解时释放的标准自由能化合物化合物G kJ/mol（kcal/mol）磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸-61.9(-14.8)氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸-51.4(-12.3)1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸-49.3(-11.8)磷酸肌酸磷酸肌酸-43.1(-10.3)ATPADP+Pi-30.5(-7.3)ADPAMP+Pi-27.6(-6.6)焦磷酸焦磷酸-27.6(-6.6)1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖-20.9(-5.0)6-磷酸果糖磷酸果糖-15.9(-3.8)AMP-14.2(-3.4)6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖-13.8(-3.3)3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛-9.2(-2.2)ATP是最重要的高能磷酸化合物是最重要的高能磷酸化合物 体内许多代谢物的体内许多代谢物的“活化活化”反应（吸反应（吸能）大多直接或间接地与能）大多直接或间接地与ATP酸酐键的水解酸酐键的水解放能反应相偶联，使放能反应相偶联，使“活化活化”反应能顺利进反应能顺利进行。行。OCH2HOHOHOHHOHHOHHH葡萄糖葡萄糖ATPADPMg2+己糖激酶己糖激酶(hexokinase)OHOHOHHOHHOHHOCH2H6-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖PPATP是生物能转换、储存和利用的核心是生物能转换、储存和利用的核心 ATP+AMP 2ADP腺苷激酶腺苷激酶ATP+UDPADP+UTP ATP+CDPADP+CTP ATP+GDPADP+GTP核苷二磷酸激酶催化核苷二磷酸激酶催化UTP、CTP、GTP生成生成磷酸肌酸作为肌和脑中能量的一种储存形式磷酸肌酸作为肌和脑中能量的一种储存形式氧化磷酸化氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指是指在呼吸链电子传递过程中偶联在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸磷酸化，生成化，生成ATP，又称为，又称为偶联磷酸化偶联磷酸化。底底 物物 水水 平平 磷磷 酸酸 化化 (substrate level phosphorylation)是是底底物物分分子子内内部部能能量量重重新新分分布布，生生成成高高能能键键，使使ADP磷磷酸酸化化生生成成ATP的过程。的过程。ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 P P P P 机械能机械能(肌肉收缩肌肉收缩)渗透能渗透能(物质主动转运物质主动转运)化学能化学能(合成代谢合成代谢)电能电能(生物电生物电)热能热能(维持体温维持体温)生物体内能量的储存和利用都以生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心为中心细胞细胞线粒体线粒体如何评价线粒体氧化还原功能（一）线粒体呼吸功能（一）线粒体呼吸功能（二）内膜电位水平（二）内膜电位水平（三）（三）ATP合酶亚基的表达合酶亚基的表达w在一定条件下，加入线粒体后，依次定量加入在一定条件下，加入线粒体后，依次定量加入反应底物反应底物(苹果酸钠苹果酸钠/L谷氨酸钠谷氨酸钠)、ADP，用，用Clark氧电极法等记录氧耗曲线，观察线粒体呼氧电极法等记录氧耗曲线，观察线粒体呼吸态的变化。吸态的变化。w3态呼吸（态呼吸（ST3）：）：ADP加入后相应氧耗速率。加入后相应氧耗速率。w4态呼吸（态呼吸（ST4）：）：ADP耗尽后相应氧耗速率。耗尽后相应氧耗速率。w呼吸控制率呼吸控制率(respiratory control rate,RCR)：线粒体呼吸活性以单位线粒体蛋白耗氧表示线粒体呼吸活性以单位线粒体蛋白耗氧表示(nmol/min mg)，其，其3、4态耗氧之比态耗氧之比(ST3/ST4)表示表示RCR。线粒体呼吸功能测定线粒体呼吸功能测定1.ST3：显示有呼吸底物时：显示有呼吸底物时ADP对氧化磷酸化刺对氧化磷酸化刺激效应，与电子传递链、激效应，与电子传递链、ATP合酶活性相关。合酶活性相关。2.ST4：四态呼吸时，无：四态呼吸时，无ATP的合成，显示质子的合成，显示质子漏状况。漏状况。3.RCR反映氧化和磷酸化偶联程度。反映氧化和磷酸化偶联程度。*ST3、ST4和和RCR的意义的意义 测定方法及原理：测定方法及原理：正常的亲脂性的阳离子化合物能结合正常的亲脂性的阳离子化合物能结合到线粒体内膜。到线粒体内膜。1.罗丹明罗丹明123(Rhodamine123)：可被活细胞线粒体特异摄取，可被活细胞线粒体特异摄取，且摄取率与膜电位成正比。且摄取率与膜电位成正比。2.染色剂染色剂JC-1：内膜电位依赖性荧光染料特性，当内膜电位内膜电位依赖性荧光染料特性，当内膜电位小于小于100 mV时，时，JC-1以单体存在，以单体存在，490nm激发光下形成绿色激发光下形成绿色荧光；内膜电位升高时，荧光；内膜电位升高时，JC-1在内膜聚集形成橙色荧光。在内膜聚集形成橙色荧光。内膜电位水平与线粒体正常功能内膜电位水平与线粒体正常功能跨内膜电位（质子电化学梯度）跨内膜电位（质子电化学梯度）是反映线粒体呼吸链是反映线粒体呼吸链及合成及合成ATP功能的重要指标，被广泛应用。功能的重要指标，被广泛应用。蛋白复合物活性反映呼吸链电子传递功能蛋白复合物活性反映呼吸链电子传递功能基本方法：基本方法：反应体系中含有待测复合体相应底物、反应体系中含有待测复合体相应底物、电子受体和下游复合体抑制剂，加定量线粒体蛋电子受体和下游复合体抑制剂，加定量线粒体蛋白温育。加底物启动反应后，在线性范围内以特白温育。加底物启动反应后，在线性范围内以特定波长，检测底物定波长，检测底物/产物的氧化产物的氧化/还原水平改变。还原水平改变。（一）呼吸链蛋白复合体活性检测显示电子（一）呼吸链蛋白复合体活性检测显示电子 传递速率传递速率（二）蛋白印渍技术测定呼吸链复合体蛋白（二）蛋白印渍技术测定呼吸链复合体蛋白 表达表达氧化磷酸化氧化磷酸化 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+1/2O2+2H+H2O ADP+Pi ATP 4H+2H+4H+胞液侧胞液侧 基质侧基质侧+-线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜+-H+O2 H2O H+e-ADP+Pi ATP 化学渗透假说化学渗透假说化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响泛指在生物体内发生的任何氧化还原反应，也包括营养物和生物分子在生物体（细胞）内进行的氧化还原作用。营养物和生物分子经历氧化还原反应被彻底分解，产生H2O、CO2，并伴有ATP的生成，或转化为其它分子,此过程需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称细胞呼吸(cellular respiration)。*生物氧化生物氧化（biological oxidation）糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能*生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程*生物氧化特点：生物分子在体内的反应条件温和，逐步反应，逐步释能，常伴有分解释能反应与需能反应偶联，或能量形式的转换。氧化还原酶类促进的氧化反应，包括失电氧化还原酶类促进的氧化反应，包括失电子、脱氢和加氧不同反应方式，参与产生子、脱氢和加氧不同反应方式，参与产生能量或催化物质代谢变化。能量或催化物质代谢变化。加水脱氢是重要的脱氢反应，酶催化向底加水脱氢是重要的脱氢反应，酶催化向底物加入水分子同时脱去一对氢，相当于底物加入水分子同时脱去一对氢，相当于底物加入一个氧原子。物加入一个氧原子。*生物体内的氧化还原反应类型生物体内的氧化还原反应类型生物氧化特点生物氧化特点 Biological Oxidationburningtemperature37highconditionneutraldrycatalystenzymenoVelocity of energy releaseslowfastForm of energy releaseATPheatheatWay producing CO2and H2Oorganic acid decarboxylation produce CO2wide addition of water and dehydrogenation the hydrogen combine with oxygen at an indirect way.Oxygen directly combine with carbon(hydrogen),produce CO2(H2O).Amino acidsFattyacidsGlucose Acetyl-CoAGlycolysisPyruvatePyruvate dehydogenase complexCO2CO2CO2 NADH FADH2(reduced e-carriers)e-e-e-e-e-e-e-e-Citricacid cycle Respiratory chainADP+PiATP2H+1/2O2H2Oe-Stage 1Acetyl-CoA productionStage 2Acetyl-CoA oxidationStage 3Electron transferand oxidative phosphorylation生物氧化的过程生物氧化的过程氧化 失电子 脱氢 加氧还原 得电子 加氢 脱氧OR+e+H-H-e+O氧化还原氧化还原+Oe.g.NADH-NAD+,and FADH2-FADe.g.NAD+2H+2e-NADH+H+举例：电子从化合物举例：电子从化合物A A流到化合物流到化合物B B第一节第一节氧化呼吸链（氧化呼吸链（oxidative respiratory chain）是由具有电）是由具有电子传递功能的复合体组成子传递功能的复合体组成电子传递电子传递呼吸链的定义在线粒体内膜中，由一系列具有氢和/或电子传递功能的酶复合体按一定顺序排列，组成的 氧 化 还 原 体 系 称 为 呼 吸 链（respiratory chain）。因为传递氢相当于传递质子和电子（2H 2H+2e-），所以呼吸链又称电子传递链(electron transport chain)。组成电子传递体 电电子子传传递递体体：就就是是组组成成呼呼吸吸链链的的几几种种酶酶复复合合体体的的辅辅酶酶或或辅辅基基，有有的的直直接接传传递递氢氢，有有的的传传递递电电子子。由由于于辅辅酶酶/辅辅基基分分子子不不同同，受受不不同同蛋蛋白白质质内内部部环环境境影影响响不不同同，电电子子传传递递体体具具有有不不同同的的氧氧化化还还原原电电位位（redox potential），决决定定了了它它们们在在呼呼吸吸链链中中的的排排列次序。列次序。1.某些电子传递体直接传递氢某些电子传递体直接传递氢 包括包括NAD+、FMN、FAD和泛醌。和泛醌。2.铁硫蛋白和细胞色素传递电子铁硫蛋白和细胞色素传递电子 Fe2+Fe3+e-NAD+和 NADP+R=H:NAD+，;R=H2PO3:NADP+NAD NADHNAD NADHFAD/FADH2FADFADH2FMN泛醌泛醌（Coenzyme 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。泛醌的加氢和脱氢反应 铁硫蛋白(iron-sulfur protein )S SS S无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫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