生物氧化

第六章生物氧化BiologicalOxidationThebiochemistryandmolecularbiologydepartmentofCMU营养物质在生物体内经氧化分解，最终生成CO2和H2O，并释放能量的过程称生物氧化。*生物氧化的概念*生物氧化与体外氧化的相同点•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。•物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。是在细胞内温和的环境中由酶催化进行的，能量是逐步释放的，并储存于ATP中。代谢物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的不同点生物氧化体外氧化能量是突然释放的。CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。*生物氧化的一般过程2HCO2ATPADP+PiO2H2O乙酰CoACoASH葡萄糖甘油、脂肪酸氨基酸糖原脂肪蛋白质三羧酸循环第一阶段第二阶段第三阶段氧化磷酸化丙酮酸2H胞液线粒体第一节生成ATP的氧化体系TheOxidationSystemofATPProducing定义代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。组成递氢体和电子传递体（2H2H++2e）一、呼吸链（一）呼吸链的组成人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置四种复合体的排列关系NADHsuccinateFMN（Fe-S）FAD（Fe-S）Cytb,（Fe-S）CoQCytaa3O2CytccompexIcompexIIcompexIIIcompexIVc11.烟酰胺核苷酸•NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NicotinamideAdenineDinucleotide)，又叫CoⅠ，主要作为呼吸链的一个组分，起递氢体作用；•NADP+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotin-amideAdenineDinucleotidePhosphate)，又叫CoⅡ，主要在还原性生物合成中作为供氢体。•二者的递氢部位是烟酰胺部分，为VitPP。R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+NAD+和NADP+的结构NAD+（NADP+）的递氢机制（氧化型）NHCONH2R+H+H++eNHCONH2RH+H+NAD+/NADP+NADH/NADPH（还原型）2.黄素辅基•FMN：黄素单核苷酸(FlavinMononucleotide)•FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸(FlavinAdenineDinucleotide)•FMN和FAD中异咯嗪环起递氢体作用。•异咯嗪及核醇部分为VitB2（核黄素）。FMN结构CH2OHOPOHOCCHOHCHOHHOHCHHNHNNNOOH3CH3C1458910异咯嗪核醇CH2OOOHOHHHHCH2HOPOHONNNNNH2OPOHOCCHOHCHOHHOHCHHNHNNNOOH3CH3C1458910FAD结构FMN和FAD递氢机制RNHNNNOOH3CH3CFMN/FAD1458910RNHNHHNNOOH3CH3C1458910+2HFMNH2/FADH2（氧化型）（还原型）3.铁硫蛋白(Iron-sulfurprotein,Fe-S)•又叫铁硫中心或铁硫簇。•含有等量铁原子和硫原子。•铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的巯基连接。•铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子，为单电子传递体。FeFeSSSFeFeSSSSSCysCysCysCysSFeSFeSSSSCysCysCysCys4.泛醌(ubiquinone,UQ)•即辅酶Q（CoenzymeQ，CoQ），属于脂溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链。•因其为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜中分离出来，因此不包含在四种复合体中。•分子中的苯醌结构能可逆地结合2个H，为递氢体。OOH3COH3COCH3(CH2CHCCH3CH2)nHCoQisopreneH2CCCCH2CH3HOOCH3OCH3CH3OROHOHCH3OCH3CH3OR+2H　泛醌（氧化型）二氢泛醌（还原型）5.细胞色素类（Cytochrome,Cyt）•是一类以铁卟啉为辅基的电子传递蛋白。•呼吸链中主要有a、b、c、三类。差别在于铁卟啉的侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接的方式不同。Cytb、c的铁卟啉与血红素相同；Cyta的铁卟啉为血红素A。•分子中的铁通过氧化还原而传递电子，为单电子传递体。NADH+H+NAD+FMNFMNH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2复合体ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3;Fe-SN-2复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;b560;FAD;Fe-S2;Fe-S3琥珀酸延胡索酸FADFADH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB由以下实验确定①标准氧化还原电位②拆开和重组③特异抑制剂阻断④还原状态呼吸链缓慢给氧（二）呼吸链成分的排列顺序氧化还原对Eº'(V)NAD+/NADH+H+-0.32FMN/FMNH2-0.30FAD/FADH2-0.06CytbFe3+/Fe2+0.04（或0.10）Q10/Q10H20.07Cytc1Fe3+/Fe2+0.22CytcFe3+/Fe2+0.25CytaFe3+/Fe2+0.29Cyta3Fe3+/Fe2+0.551/2O2/H2O0.82呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位抑制剂1.NADH氧化呼吸链2.琥珀酸氧化呼吸链NADHFMN（Fe-S）CoQCytbc1caa3O2CoQCytbc1caa3O2FAD（Fe-S）琥珀酸NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链线粒体内重要代谢物氧化的途径NADHFMN（Fe-S）c1caa3O2FAD（Fe-S）琥珀酸α-磷酸甘油CoQCytb苹果酸β-羟脂酰CoAβ-羟丁酸异柠檬酸谷氨酸FAD硫辛酸丙酮酸α-酮戊二酸FAD脂酰CoA二、氧化磷酸化体内ATP生成的方式：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。底物水平磷酸化(substratelevelphos-phorylation)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。（一）氧化磷酸化偶联部位•即ATP生成的部位。•P/O比值：是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数。线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值底物呼吸链的组成P/O比值生成ATP数-羟丁酸NAD+→O22.4~2.83琥珀酸FAD→O21.72抗坏血酸Cytc→O20.881细胞色素CCytaa3→O20.61~0.681三个偶联部位：ATPATPATP①NADH与CoQ之间；②CoQ与Cytc之间；③Cytaa3与氧之间。2.自由能变化(△G0′)：大于30.5kJ即可生成1摩尔ATP。△G0′＝－nF△E0′NADHFMN（Fe-S）CoQCytbCytc1CytcCytaa3O2FAD（Fe-S）琥珀酸能量ADP+PiATP能量ADP+PiATP能量ADP+PiATP-0.32-0.22+0.04+0.08+0.23+0.25+0.29+0.820.36V0.21V0.53V69.5kJ/mol40.5kJ/mol102.3kJ/mol•NADH氧化呼吸链存在3个偶联部位，P/O比值等于3，即产生3molATP。•琥珀酸氧化呼吸链存在2个偶联部位，P/O比值等于2，即产生2molATP。（二）氧化磷酸化的偶联机制1.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量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。线粒体基质线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图化学渗透假说复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ均有质子泵作用4H+4H+4H+4H+2H+2H+内膜表面基质NADH＋H＋NAD＋琥珀酸延胡索酸½O2＋2H+H2OQ循环Q循环复合体Ⅱ2.ATP合酶即复合体Ⅴ。位于线粒体内膜的基质侧。ATP合酶•F0：为疏水蛋白质，是镶嵌在线粒体内膜中的质子通道。•F1：为亲水蛋白质，由33亚基组成，催化生成ATP。•OSCP：寡霉素敏感相关蛋白，位于F0与F1之间，使ATP合酶在寡霉素存在时不能生成ATP。ATP合酶结构模式图化学计算估计每生成1分子ATP需3个H＋从线粒体内膜外侧回流进入基质中。ATP合酶的工作机制ATP4-F0F1胞液侧基质侧腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白ADP3-H2PO4-ATP4-3H+3H+H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-每分子ATP在线粒体中生成并转运到胞浆需4个H＋回流进入线粒体基质中•NADH氧化呼吸链每传递2H仅生成2.5分子ATP到线粒体外被利用。•FADH2氧化呼吸链每传递2H仅生成1.5分子ATP到线粒体外被利用。三、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（一）抑制剂鱼藤酮粉蝶霉素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解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP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（二）ADP的调节作用是主要调节因素。［ADP］↑，氧化磷酸化↑。（三）甲状腺激素Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。（四）线粒体DNA突变与线粒体DNA病及衰老有关。四、ATP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。•ATP是人体内能量的直接供给者。NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-OOPOO-OPO--OOαβγ一磷酸腺苷（AMP）二磷酸腺苷（ADP）三磷酸腺苷（ATP）核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶的作用ADP+ADPATP+AMP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。磷酸肌酸+ADP肌酸+ATP肌酸激酶COOHCH2NCH3CNH2NHCOOHCH2NCH3CNNHHP~ATP的生成和利用磷酸肌酸肌酸ATPPADPP氧化磷酸化底物水平磷酸化机械能渗透能化学能电能热能五、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。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(-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭(