第六章-長沙醫(yī)學(xué)院

1、第六章,生物氧化 Biological Oxidation,臨床生物化學(xué)教研室 羅潔講師,物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行氧化稱生物氧化(biological oxidation)，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時(shí)逐步釋放能量，最終生成CO2 和 H2O的過程。,CO2和H2O,,O2,能量,,ADP+Pi,ATP,熱能,生物氧化的概念,生物氧化與體外氧化之相同點(diǎn),生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反

2、應(yīng)的一般規(guī)律。質(zhì)在體內(nèi)外氧化時(shí)所消耗的氧量、最終產(chǎn)物(CO2，H2O)和釋放能量均相同。,反應(yīng)環(huán)境溫和，酶促反應(yīng)逐步進(jìn)行，能量逐步釋放，能量容易捕獲，ATP生成效率高。通過加水脫氫反應(yīng)使物質(zhì)能間接獲得氧，并增加脫氫的機(jī)會；脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生H2O，有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生CO2。,生物氧化與體外氧化之不同點(diǎn),生物氧化,體外氧化,能量突然釋放。 物質(zhì)中的碳和氫直接氧結(jié)合生成CO2和H2O 。,乙酰CoA,TAC,,2H,,呼吸鏈,H2O

3、,ADP+Pi,ATP,,,,CO2,生物氧化的一般過程,第一節(jié) 生成ATP的氧化磷酸化體系,,The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing,指線粒體內(nèi)膜中按一定順序排列的一系列具有電子傳遞功能的酶復(fù)合體，可通過鏈鎖的氧化還原將代謝物脫下的電子最終傳遞給氧生成水。這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈(respiratory chain)又稱電子傳遞鏈(electron tran

4、sfer chain)。,一、呼吸鏈,定義,遞氫體和電子傳遞體（2H ? 2H+ + 2e）,組成,酶復(fù)合體是線粒體內(nèi)膜氧化呼吸鏈的天然存在形式，所含各組分具體完成電子傳遞過程。電子傳遞過程釋放的能量驅(qū)動H+移出線粒體內(nèi)膜，轉(zhuǎn)變?yōu)榭鐑?nèi)膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物合成。,（一）氧化呼吸鏈由4種具有傳遞電子能力的復(fù)合體組成,人線粒體呼吸鏈復(fù)合體,泛醌不包含在上述四種復(fù)合體中。,復(fù)合體Ⅰ又稱NADH-泛醌還原酶。復(fù)合體Ⅰ電子傳遞：N

5、ADH→FMN→Fe-S→ CoQ→ Fe-S→ CoQ 每傳遞2個(gè)電子可將4個(gè)H+從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè)，復(fù)合體Ⅰ有質(zhì)子泵功能。,1、復(fù)合體Ⅰ作用是將NADH+H+中的電子傳遞給泛醌(ubiquinone),NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu),R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+,NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互轉(zhuǎn)變,氧化還原反應(yīng)時(shí)變化發(fā)生在五價(jià)氮和三價(jià)氮之間。,FMN結(jié)構(gòu)中含核黃素，發(fā)揮功能的部位

6、是異咯嗪環(huán)，氧化還原反應(yīng)時(shí)不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN·。在可逆的氧化還原反應(yīng)中顯示3種分子狀態(tài)，屬于單、雙電子傳遞體。,,鐵硫蛋白中輔基鐵硫中心(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其中一個(gè)鐵原子可進(jìn)行Fe2+ ? Fe3++e 反應(yīng)傳遞電子。屬于單電子傳遞體。,? 表示無機(jī)硫,鐵硫蛋白,泛醌（輔酶Q, CoQ, Q）由多個(gè)異戊二烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反應(yīng)時(shí)可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。內(nèi)膜中可移動電子載體，

7、在各復(fù)合體間募集并穿梭傳遞還原當(dāng)量和電子。在電子傳遞和質(zhì)子移動的偶聯(lián)中起著核心作用。,復(fù)合體Ⅰ的功能,復(fù)合體Ⅱ是三羧酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶，又稱琥珀酸-泛醌還原酶。電子傳遞：琥珀酸→FAD→幾種Fe-S →CoQ復(fù)合體Ⅱ沒有H+泵的功能。,2、復(fù)合體Ⅱ功能是將電子從琥珀酸傳遞到泛醌。,3、復(fù)合體Ⅲ功能是將電子從還原型泛醌傳遞給細(xì)胞色素c。,復(fù)合體Ⅲ又叫泛醌-細(xì)胞色素C還原酶，細(xì)胞色素b-c1復(fù)合體，含有細(xì)胞色素b(b562, b56

8、6)、細(xì)胞色素c1和一種可移動的鐵硫蛋白(Rieske protein)。泛醌從復(fù)合體Ⅰ、Ⅱ募集還原當(dāng)量和電子并穿梭傳遞到復(fù)合體Ⅲ。電子傳遞過程：CoQH2→(Cyt bL→Cyt bH) →Fe-S →Cytc1→Cytc,細(xì)胞色素(cytochrome, Cyt),細(xì)胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。,復(fù)合體Ⅲ的電子傳遞通過“Q循環(huán)”實(shí)現(xiàn)。復(fù)合體Ⅲ每傳遞2個(gè)電子向內(nèi)膜胞漿側(cè)釋放4個(gè)H+

9、，復(fù)合體Ⅲ也有質(zhì)子泵作用。Cyt c是呼吸鏈唯一水溶性球狀蛋白，不包含在復(fù)合體中。將獲得的電子傳遞到復(fù)合體Ⅳ。,復(fù)合體Ⅳ又稱細(xì)胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase)。電子傳遞：Cyt c→CuA→Cyt a→Cyt a3–CuB→O2Cyt a3–CuB形成活性雙核中心，將電子傳遞給O2。每2個(gè)電子傳遞過程使2個(gè)H+跨內(nèi)膜向胞漿側(cè)轉(zhuǎn)移 。,4、復(fù)合體Ⅳ將電子從細(xì)胞色素C傳遞給氧,復(fù)合體Ⅳ的電子傳遞過程,細(xì)胞色素

10、c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2還原成水的過程，有強(qiáng)氧化性中間物始終和雙核中心緊密結(jié)合，不會引起細(xì)胞損傷。,標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位拆開和重組特異抑制劑阻斷還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧,（二）氧化呼吸鏈組分按氧化還原電位由低到高的順序排列,由以下實(shí)驗(yàn)確定:,呼吸鏈中各種氧化還原對的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位,,1、NADH氧化呼吸鏈NADH →復(fù)合體Ⅰ→Q →復(fù)合體Ⅲ→Cyt c →復(fù)合體Ⅳ→O22、琥珀酸氧化呼吸鏈 琥珀酸 →復(fù)合體Ⅱ →Q

11、→復(fù)合體Ⅲ→Cyt c →復(fù)合體Ⅳ→O2,二、氧化磷酸化將氧化呼吸鏈釋能與ADP磷酸化生成ATP偶聯(lián),氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化。底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)與脫氫反應(yīng)偶聯(lián)，生成底物分子的高能鍵，使ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的過程。不經(jīng)電子傳遞。,ATP生成

12、方式,（一）氧化磷酸化偶聯(lián)部位在復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ內(nèi),根據(jù)P/O比值自由能變化: ⊿Gº'=-nF⊿Eº',氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ,1、P/O 比值,指氧化磷酸化過程中，每消耗1/2摩爾O2所生成ATP的摩爾數(shù)（或一對電子通過氧化呼吸鏈傳遞給氧所生成ATP分子數(shù)）。,2、自由能變化,根據(jù)熱力學(xué)公式，pH7.0時(shí)標(biāo)準(zhǔn)自由能變化(△G0′)與還原電位變化(△E0′)之間有以下關(guān)系：,n為傳遞

13、電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)(96.5kJ/mol·V),△G0′ = -nF△E0′,電子傳遞鏈自由能變化,氧化磷酸化偶聯(lián)部位,(二)氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制是產(chǎn)生跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度,1、化學(xué)滲透假說(chemiosmotic hypothesis),,電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將質(zhì)子(H+)從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動ADP與Pi生成ATP。,氧化磷酸化依賴于完整封閉

14、的線粒體內(nèi)膜；線粒體內(nèi)膜對H+、OH－、K＋、Cl－離子是不通透的；電子傳遞鏈可驅(qū)動質(zhì)子移出線粒體，形成可測定的跨內(nèi)膜電化學(xué)梯度；增加線粒體內(nèi)膜外側(cè)酸性可導(dǎo)致ATP合成，而線粒體內(nèi)膜加入使質(zhì)子通過物質(zhì)可減少內(nèi)膜質(zhì)子梯度，結(jié)果電子雖可以傳遞，但ATP生成減少。,化學(xué)滲透假說已經(jīng)得到廣泛的實(shí)驗(yàn)支持。,化學(xué)滲透假說簡單示意圖,胞液側(cè),基質(zhì)側(cè),電子傳遞過程復(fù)合體Ⅰ (4H+) 、Ⅲ (4 H+)和Ⅳ (2H+)有質(zhì)子泵功能。,化學(xué)滲透示意

15、圖及各種抑制劑對電子傳遞鏈的影響,（三）質(zhì)子順梯度回流釋放能量被ATP合酶利用催化ATP合成,F1：親水部分 （動物：α3β3γδε亞基復(fù)合體，OSCP、IF1 亞基），線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)顆粒狀突起，催化ATP合成。 F0：疏水部分（ab2c9~12亞基，動物還有其他輔助亞基），鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，形成跨內(nèi)膜質(zhì)子通道 。,ATP合酶結(jié)構(gòu)組成,ATP合酶組成可旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)樣結(jié)構(gòu),F0的2個(gè)b亞基的一端錨定F1的α亞基，另一端通過δ和α3

16、β3穩(wěn)固結(jié)合，使a、b2和α3β3、δ亞基組成穩(wěn)定的定子部分。部分γ和ε亞基共同形成穿過α3β3間中軸，γ還與1個(gè)β亞基疏松結(jié)合作用，下端與嵌入內(nèi)膜的c亞基環(huán)緊密結(jié)合。c亞基環(huán)、γ和ε亞基組成轉(zhuǎn)子部分。 質(zhì)子順梯度向基質(zhì)回流時(shí)，轉(zhuǎn)子部分相對定子部分旋轉(zhuǎn)，使ATP合酶利用釋放的能量合成ATP。,當(dāng)H+順濃度遞度經(jīng)F0中a亞基和c亞基之間回流時(shí)，γ亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個(gè)β亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。,ATP合酶的工作機(jī)制,ATP合成的結(jié)合變構(gòu)機(jī)制(

17、binding change mechanism),三、氧化磷酸化作用可受某些內(nèi)外源因素影響,（一）有3類氧化磷酸化抑制劑,1、呼吸鏈抑制劑阻斷氧化磷酸化的電子傳遞過程,復(fù)合體Ⅰ抑制劑：魚藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidin A)及異戊巴比妥(amobarbital)等阻斷傳遞電子到泛醌 。復(fù)合體Ⅱ的抑制劑：萎銹靈(carboxin)。,復(fù)合體Ⅲ抑制劑：抗霉素A(antimycin A)阻斷Cyt bH傳遞電子到

18、泛醌(QN) ；粘噻唑菌醇則作用QP位點(diǎn)。復(fù)合體Ⅳ 抑制劑：CN－、N3－緊密結(jié)合中氧化型Cyt a3，阻斷電子由Cyt a到CuB- Cyt a3間傳遞。CO與還原型Cyt a3結(jié)合，阻斷電子傳遞給O2。,魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥,,×,抗霉素A二巰基丙醇,,×,CO、CN-、N3-及H2S,,×,各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn),不同底物和抑制劑對線粒體氧耗的影響,2、解偶聯(lián)劑破壞電子傳遞建立的跨

19、膜質(zhì)子電化學(xué)梯度,解偶聯(lián)劑(uncoupler)可使氧化與磷酸化的偶聯(lián)相互分離，基本作用機(jī)制是破壞電子傳遞過程建立的跨內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度，使電化學(xué)梯度儲存的能量以熱能形式釋放，ATP的生成受到抑制。 如：二硝基苯酚(dinitrophenol, DNP) ；解偶聯(lián)蛋白(uncoupling protein，UCP1)。,解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體）,Ⅲ,Q,胞液側(cè),基質(zhì)側(cè),解偶聯(lián) 蛋白,3、ATP合酶抑制劑同時(shí)抑制電

20、子傳遞和ATP的生成,這類抑制劑對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin)可結(jié)合F0單位，二環(huán)己基碳二亞胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCCP)共價(jià)結(jié)合F0的c亞基谷氨酸殘基，阻斷質(zhì)子從F0質(zhì)子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于線粒體內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子電化學(xué)梯度增高影響呼吸鏈質(zhì)子泵的功能，繼而抑制電子傳遞。,寡霉素(oligomycin),寡霉素,ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖,可阻止質(zhì)子從F

21、0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成。,Na+，K+–ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)均增加。,（二）ADP 是調(diào)節(jié)正常人體氧化磷酸化速率的主要因素。,呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR),（三）甲狀腺激素刺激機(jī)體耗氧量和產(chǎn)熱同時(shí)增加。,（四）線粒體DNA突變可影響機(jī)體氧化磷酸化功能。,電子傳遞鏈及氧化磷酸化系統(tǒng)概貌,ΔμH+ 跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度；H+m內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)H+；H+c 內(nèi)膜胞液側(cè)H+,四、ATP在能量

22、的生成、利用、轉(zhuǎn)移和儲存中起核心作用,,高能磷酸鍵水解時(shí)釋放的能量大于21kJ/mol的磷酸酯鍵，常表示為?P。高能磷酸化合物含有高能磷酸鍵的化合物,,一些重要有機(jī)磷酸化合物水解釋放的標(biāo)準(zhǔn)自由能,肌酸激酶的作用,磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。,ATP的生成和利用,ATP,ADP,機(jī)械能(肌肉收縮)滲透能(物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運(yùn)) 化學(xué)能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫),生物體內(nèi)能量的儲存和利用都以ATP為

23、中心。,五、線粒體內(nèi)膜對各種物質(zhì)進(jìn)行選擇性轉(zhuǎn)運(yùn),線粒體外膜通透性高，線粒體對物質(zhì)通過的選擇性主要依賴于內(nèi)膜中不同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(transporter)對各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。,線粒體內(nèi)膜的某些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對代謝物的轉(zhuǎn)運(yùn),（一）胞漿中NADH通過穿梭機(jī)制進(jìn)入線粒體氧化呼吸鏈,,胞漿中NADH必須經(jīng)一定轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)入線粒體，再經(jīng)呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。,α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphate shuttle)蘋果酸-天冬氨酸穿梭 (mal

24、ate-asparate shuttle),轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制：,1、α-磷酸甘油穿梭主要存在于腦和骨骼肌中,NADH+H+,FADH2,NAD+,FAD,線粒體 內(nèi)膜,線粒體 外膜,膜間隙,線粒體 基質(zhì),,,磷酸二羥丙酮,α-磷酸甘油,2、蘋果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中,NADH +H+,NAD+,,,,,谷氨酸-天冬氨酸 轉(zhuǎn)運(yùn)體,蘋果酸-α-酮 戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)體,蘋果酸,草酰乙酸,α-酮戊二酸,谷氨酸,胞液,線粒體

25、內(nèi)膜,基質(zhì),天冬氨酸,（二）ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶促進(jìn)ADP進(jìn)入和ATP移出緊密偶聯(lián),ATP4-,ADP3-,H2PO4-,每分子ATP4-和ADP3-反向轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，向內(nèi)膜外凈轉(zhuǎn)移1個(gè)負(fù)電荷 ，相當(dāng)于多1個(gè)H+轉(zhuǎn)入線粒體基質(zhì)。,第二節(jié) 其他不生成ATP的氧化體系,The Others Oxidative Enzyme Systems without ATP Producing,一、抗氧化酶體系有清除反應(yīng)活性氧類的功能,反應(yīng)活性氧類

26、(reactive oxygen species, ROS),ROS主要來源,線粒體：超氧陰離子O·-2，是體內(nèi)O·-2的主要來源； O·-2在線粒體中再生成H2O2和·OH。過氧化酶體：FAD將從脂肪酸等底物獲得的電子交給O2生成H2O2和羥自由基·OH。胞漿需氧脫氫酶（如黃嘌呤氧化酶等）也可催化生成O·-2。細(xì)菌感染、組織缺氧等病理過程，環(huán)境、藥物等外源因素也可導(dǎo)致細(xì)

27、胞產(chǎn)生活性氧類。,需氧脫氫酶和氧化酶,抗氧化酶體系,1、過氧化氫酶(catalase)又稱觸酶，其輔基含4個(gè)血紅素,可去除細(xì)胞生長和代謝產(chǎn)生的H2O2和過氧化物(R-O-OH)，是體內(nèi)防止活性氧類損傷主要的酶。,2、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx),H2O2 + 2GSH → 2 H2O +GS-SG2GSH + R-O-OH → GS-SG + H2O + R-OH,谷胱甘肽過氧化物酶,

28、H2O2(ROOH),H2O(ROH+H2O),2G –SH,G –S – S – G,NADP+,NADPH+H+,,,,,此類酶可保護(hù)生物膜及血紅蛋白免遭損傷。,谷胱甘肽還原酶,含硒的谷胱甘肽過氧化物酶,,3、超氧化物歧化酶,2O2﹣+ 2H+,,SOD,H2O2 + O2,H2O + O2,過氧化氫酶,SOD：超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase),,二、微粒體細(xì)胞色素P450單加氧酶催化底物分子羥基化