第七章 生物氧化.ppt

1、第七章生 物 氧 化,溫州醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)教研室 李春洋,生物氧化是指營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行氧化分解的過(guò)程；狹義的生物氧化主要是指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)徹底氧化分解生成CO2和H2O，并釋放大量能量的過(guò)程。 生物氧化主要在線粒體中進(jìn)行，所釋放的能量用于合成ATP和維持體溫（線粒體氧化體系）；線粒體外也可以進(jìn)行氧化，但氧化釋放的能量主要供非營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化（非線粒體氧化體系）。,生物氧化的特點(diǎn)：,生物氧化是細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的酶促反應(yīng)過(guò)程，反應(yīng)條件溫和（37、pH近中性）； 生物氧化代謝終產(chǎn)物CO2來(lái)自于有機(jī)酸脫羧，H2O則是由底物分子脫下的氫與氧結(jié)合而生成的； 生物氧化產(chǎn)生的能量是逐步釋放的，有利于

2、機(jī)體捕獲能量，增加ATP生成的效率。,第一節(jié)生物氧化的酶類(lèi),一、參與線粒體氧化體系的酶類(lèi),氧化酶類(lèi)主要存在于線粒體，如細(xì)胞色素氧化酶； 需氧脫氫酶類(lèi)亦稱(chēng)為“結(jié)合酶”，主要存在于過(guò)氧化酶體，如黃嘌呤氧化酶、單胺氧化酶等； 不需氧脫氫酶類(lèi)是生物氧化最主要的酶類(lèi)，如以乳酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶等。,二、非線粒體氧化體系的酶類(lèi),第二節(jié)CO2 的 生 成,一、直接脫羧作用,催化此類(lèi)反應(yīng)的多為脫羧酶，根據(jù)脫羧基位置的不同雙分為-直接脫羧作用和-直接脫羧作用。,CO2,氨基酸脫羧酶,CO2,丙酮酸羧化酶,二、氧化脫羧作用,根據(jù)脫羧基位置的不同雙分為-氧化脫羧作用和-氧化脫羧作用。,+ HSCoA,NAD+,C

3、O2,丙酮酸脫氫酶復(fù)合體,NADH+H+,CH3COSCoA,NADP+,CO2,蘋(píng)果酸酶,NADPH+H+,第三節(jié)線粒體氧化體系,糖原,葡萄糖,甘油三酯,脂肪酸 + 甘油,蛋白質(zhì),氨基酸,乙酰CoA,CO2,2H,ADP+Pi,ATP,H2O,呼吸鏈,TAC,第一階段,第二階段,第三階段,一、呼吸鏈,（一）呼吸鏈的概念 線粒體內(nèi)膜上存在著一系列按次序排列的有氧化還原活性的酶和輔酶，它們將代謝物脫下的氫通過(guò)連鎖的遞氫和遞電子反應(yīng)最終與O2結(jié)合生成H2O，稱(chēng)為電子傳遞鏈；由于這條鏈與細(xì)胞呼吸攝氧有關(guān)，所以也稱(chēng)為呼吸鏈。,線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)用膽酸等去污劑處理及離子交換層析分離，可純化出內(nèi)膜的呼吸鏈成

4、分，得到4種仍具有傳遞電子功能的蛋白質(zhì)-酶復(fù)合體，各含不同的組分。,1. NAD+或NADP+ NAD+或NADP+為體內(nèi)多種不需氧脫氫酶的輔酶，能可逆地進(jìn)行加氫和脫氫反應(yīng)。,（二）呼吸鏈的組成,2. 黃素蛋白,黃素蛋白種類(lèi)較多，其輔基是FAD或FMN（與酶蛋白結(jié)合牢固，不能作為底物或產(chǎn)物）,3. 鐵硫蛋白類(lèi),鐵硫蛋白又稱(chēng)鐵硫中心，其特點(diǎn)是含有等量的非血紅素鐵原子和硫原子，通過(guò)其中的鐵原子與鐵硫蛋白中蛋白部分的半胱氨酸殘基的硫相連接。,4. 泛醌,泛醌又稱(chēng)為輔酶Q（CoQ），是一類(lèi)脂溶性醌類(lèi)化合物，廣泛分布于生物界。,細(xì)胞色素是一類(lèi)廣泛分布于生物體內(nèi)含有鐵卟啉輔基的電子傳遞蛋白的總稱(chēng)。細(xì)胞色素

5、按吸收光譜可分為a、b、c三類(lèi)。,5. 細(xì)胞色素類(lèi),細(xì)胞色素c（Cytc）為位于線粒體內(nèi)膜的外側(cè)，是唯一能溶于水的細(xì)胞色素。 細(xì)胞色素a和a3不易分開(kāi)，所以 它們合稱(chēng)為為細(xì)胞色素aa3；由 于其可將電子直接傳遞給氧， 又稱(chēng)為細(xì)胞色素氧化酶。,（三）呼吸鏈上電子傳遞體的排列與呼吸鏈類(lèi)型,1.電子傳遞體的排列 各組分的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位 在有氧條件下氧化反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)各傳遞體的還原程度 用呼吸鏈特異的抑制劑 在體外將呼吸鏈拆開(kāi)和重組,2.呼吸鏈類(lèi)型,（1）NADH氧化呼吸鏈 （2）琥珀酸氧化呼吸鏈（FADH2氧化呼吸鏈）,二、氧化磷酸化,由代謝物脫下的氫，經(jīng)線粒體電子傳遞鏈傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，

6、同時(shí)釋放出大量能量，這些能量中的大部分可驅(qū)動(dòng)ADP磷酸化生成ATP，供生命活動(dòng)的需要，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為氧化磷酸化（又稱(chēng)偶聯(lián)磷酸化）。 不與脫氫反應(yīng)偶聯(lián)，直接將高能代謝物分子中的能量轉(zhuǎn)移至ADP生成ATP的過(guò)程，稱(chēng)為底物水平磷酸化。,（一） P/O比值,氧化呼吸中，每消耗1摩爾氧原子所消耗無(wú)機(jī)磷酸的摩爾數(shù)（或ADP的摩爾數(shù)）稱(chēng)為P/O比值； P/O比值實(shí)質(zhì)上指的是呼吸過(guò)程中磷酸化的效率（即生成ATP的摩爾數(shù)）。,（二）氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制,1953年，E.Slater提出了“化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說(shuō)”； 1961年，Peter Mitchell提出了“化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)”（1978年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）。 1964年，

7、P.Boyer提出了“構(gòu)象變化偶聯(lián)學(xué)說(shuō)”。,1.化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)的基本觀點(diǎn),線粒體內(nèi)膜中電子傳遞與 H+ 釋放相偶聯(lián)； H+ 不能自由透過(guò)線粒體內(nèi)膜，結(jié)果使得線粒體內(nèi)膜外側(cè) H+濃度增高，基質(zhì)內(nèi) H+ 濃度降低，形成電化學(xué)濃度梯度； 線粒體外的 H+ 可以通過(guò)線粒體內(nèi)膜上特異的質(zhì)子通道順 H+ 濃度梯度進(jìn)入線粒體基質(zhì)中，在此過(guò)程中所釋放的自由能用于ATP的合成； 解偶聯(lián)劑的作用是促進(jìn)H+ 被動(dòng)擴(kuò)散。,2.ATP合酶（復(fù)合體）,ATP合酶是線粒體內(nèi)膜蛋白復(fù)合體，包含2個(gè)結(jié)構(gòu)域：F0和F1。 F1由五種親水性的亞基組成，其功能是催化生成ATP； F0又稱(chēng)為基底部，鑲嵌于內(nèi)膜中，由三種疏水的亞基組成。,

8、3.ATP的生成機(jī)制,1989年P(guān)aul Boyer提出“結(jié)合變構(gòu)機(jī)制”，認(rèn)為亞基是ATP合酶催化部位，通過(guò)亞基構(gòu)象的轉(zhuǎn)變，不斷從基質(zhì)中結(jié)合ADP +Pi，催化其合成ATP，并釋放入基質(zhì)。,（三）影響氧化磷酸化的因素,1.抑制劑 （1）電子傳遞抑制劑，如：魚(yú)藤酮、二疏基丙醇、粉喋霉素A等。 （2）解偶聯(lián)劑，如：二硝基苯酚、雙香豆素、纈氨霉素等。 （3）氧化磷酸化抑制劑，如：寡霉素、櫟皮素等。 （4）離子載體抑制劑，如：纈氨霉素、短桿菌肽等。,2. ADP的調(diào)節(jié) 3. 甲狀腺激素 4. 線粒體DNA突變的影響,三、細(xì)胞液中NADH的氧化作用,線粒體內(nèi)生成的NADH可直接進(jìn)入呼吸鏈的氧化磷酸化過(guò)程

9、，但在胞液中產(chǎn)生的NADH不能自由透過(guò)線粒體內(nèi)膜。 胞液中NADH通過(guò)-磷酸甘油穿梭（腦、骨骼?。┖吞O(píng)果酸-天冬氨酸穿梭（肝、心?。┻M(jìn)入線粒體。,第四節(jié)ATP與能量代謝,ATP幾乎是高等生物細(xì)胞能夠直接利用的唯一能源形式。 糖、脂肪及蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氧化過(guò)程中產(chǎn)生的能量大約40%以化學(xué)能形式儲(chǔ)存起來(lái)，其中大部分被ADP磷酸化利用生成ATP而儲(chǔ)存起來(lái)，ATP是體內(nèi)能量?jī)?chǔ)存和利用中心； 磷酸酯水解時(shí)釋放大于21kJ/mol的能量，通常稱(chēng)為高能化學(xué)鍵，主要包括高能磷酸鍵和高能硫酯鍵等。,一、ATP的生成,底物水平磷酸化高能化合物將能量直接轉(zhuǎn)移給ADP（或GDP），使其磷酸化生成ATP（或GTP）的過(guò)

10、程稱(chēng)為底物水平磷酸化。 氧化磷酸化代謝物脫下的氫經(jīng)電子傳遞鏈交給氧生成水的同時(shí)釋放出大量能量，并偶聯(lián)ADP磷酸化生成ATP的過(guò)程稱(chēng)為氧化磷酸化。,二、ATP能量的轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)存,NDP + ATP,NTP + ADP,核苷二磷酸激酶,ATP + AMP,腺苷酸激酶,肌酸激酶,+ ADP,2ADP,三、ATP循環(huán),第五節(jié)非線粒體氧化體系,一、微粒體氧化體系,1.加單氧酶系 加單氧酶系催化向氧分子中的一個(gè)氧原子加到底物分子上（羥化），另一個(gè)氧原子與NADPH+H+中的氫結(jié)合生成水，故又將單加氧酶稱(chēng)為混合功能氧化酶或羥化酶。 加單氧酶主要分布于肝臟、腎上腺的微粒體中，主要功能是參與類(lèi)固醇激素的合成、維生素D3的羥化，膽汁酸和膽色素的生物合成及生物轉(zhuǎn)化作用等過(guò)程。,2.加雙氧酶,+ O2,色氨酸吡咯酶,色氨酸,甲酰犬尿酸原,二、過(guò)氧化體氧化酶系,存在于粒細(xì)胞和吞噬細(xì)胞中的H2O2可殺死被吞噬的有害細(xì)菌；在甲狀腺上皮細(xì)胞的H2O2可使