第六章生物氧化

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识铎齐
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1 第二篇物质代谢及其调节 The biochemistry and molecular biology department of MU

3 第一阶段又称消化

4 第二阶段是生物化学主要研究的内容

5 第三阶段是三大营养素的共同通路

6 第六章生物氧化 The biochemistry and molecular biology department of MU

7 物质在生物体内进行氧化称为生物氧化, 主要是糖脂肪蛋白质等在体内分解时逐步释放能量, 最终生成二氧化碳和水的过程

8 第一节 ATP

9 三磷酸腺苷 ( ATP) NH 2 - γ P - β P - ester bond P α - H 2 H N H N N 9 N 1' H 2' H glycosidic bond H H adenine

10 ATP adenosine triphosphate adenine N NH 2 N N N - P P - - phosphoanhydride bonds (~) P - H 2 H H H H H H ribose

11 高能磷酸键 α 键 β 键 γ 键 G 0 =-14.3KJ G 0 =-32.2KJ G 0 =-30.5KJ >30KJ ( 7kcal )- 高能磷酸键

12 ATP 可以连续提供 2 个高能磷酸键 AMP~P~P AMP~P + P i (ATP ADP + P i ) AMP~P AMP + P i (ADP AMP + P i ) AMP~P~P AMP + P~P (ATP AMP + PP i ) P~P 2P i (PP i 2P i )

13 高能硫酯键 oenzyme A-SH + H R oenzyme A-S R + H 2

14 ATP 循环 ATP 氧化磷酸化底物水平磷酸化 P 肌酸磷酸肌酸 ADP P 机械能渗透能化学能电能热能

15 化合物 DG o ' ( kj/mol) 磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP) 磷酸肌酸焦磷酸 ATP ( 生成 ADP) 磷酸葡萄糖磷酸甘油 - 9.2

16 磷酸肌酸等可以补充 ATP P H N H 3 N H 2 NH 2 + phosphocreatine 肌酸激酶催化 : 磷酸肌酸 + ADP «ATP + 肌酸

17 腺苷激酶 ATP + AMP 2 ADP 核苷二磷酸激酶 ATP + GDP ADP + GTP ATP + UDP ADP + UTP

18 底物水平磷酸化将底物的高能磷酸基直接转移给 ADP 生成 ATP, 这种 ADP 或其他核苷二磷酸的磷酸化作用与底物的脱氢作用直接相偶联的反应过程称为底物水平磷酸化 (substrate-level phosphorylation)

19 氧化磷酸化在呼吸链电子传递过程中偶联 ADP 磷酸化, 生成 ATP, 因此又称偶联磷酸化是细胞内主要的 ATP 生成方式

20 第二节呼吸链

21 呼吸链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, 最终与氧结合成水由于此过程与细胞呼吸有关, 所有将此传递链称为呼吸链 (respiratory chain), 又称电子传递链 (ET)

22 2.1 呼吸链的组成呼吸链 = 递氢体 + 递电子体 NAD + Fe-S FMN 细胞色素 FAD oq

23 NAD +, 辅酶 Ⅰ 结构中含有维生素烟酰胺 NADP + /NADPH, 辅酶 Ⅱ Nicotinamide Adenine Dinucleotide P H 2 H H H N NH 2 H H H N H NH2 + N nicotinamide P H 2 H H H N N H H H adenine esterified to P i in NADP +

24 NAD + /NADH H H H NH 2 NH 2 + N R NAD e + H + N R NADH NAD + + e - + H + NADH NAD + + 2e - + 2H + NADH + H +

25 FAD, 含有核黄素 ( 维生素 B2) dimethylisoalloxazine H 3 H N NH 2 e + 2 H + H 3 H H N NH H 3 H N H 2 N H 3 H N H 2 N H H H H H H H H FAD FADH 2 H Adenine H H H H Adenine H 2 P P Ribose H 2 P P Ribose FAD + 2 e H + FADH 2

26 NAD + 是辅酶 FAD 是辅基

27 FMN, 也含有核黄素 ( 维生素 B2) H 3 H N NH H 3 H H N NH H 3 H H N NH H 3 H N N H 2 H H H 3 H N H H 2 H N H 3 e + H + e + H + H N H H 2 H N H H H H H H H H H H H H H H 2 P - H 2 P - H 2 P FMN FMNH FMNH 2 -

28 辅酶 Q, 又称泛醌 H 3 H 3 H 3 H 3 H 2 H 2 H 3 (H 2 H H 2 ) n H coenzyme Q H isoprene 辅酶 Q 是一种脂溶性醌类化合物可在线粒体内膜中迅速扩散

29 H3 H3 H3 H H3 H3 H H3 H H3 H3 (H3 H H2)nH 泛醌 ( 醌型或氧化型 ) H3 R H 泛醌 H ( 半醌型 ) H3 R H 二氢泛醌 ( 氢醌型或还原型 )

30 细胞色素 (yt) 是一类以铁卟啉为辅基的电子传递酶类根据与铁卟啉连接的侧链和吸收光谱的不同, 可分为细胞色素 a b c 三类

31 细胞色素 a 辅基 H H 3 H H2 H 3 H 2 H N H 3 H 3 H3 H 3 N Fe N H 3 N H 2 H 2 - H H 2 H 2 -

32 细胞色素 b 辅基 H 3 H H2 H 2 H N H 3 N Fe N H 3 N H 2 H 2 - H 3 H 2 H 2 -

33 细胞色素 c 辅基 S-ys H 3 HH 3 ys-s H 3 H N H 3 N Fe N H 3 N H 2 H 2 - H 3 H 2 H 2 -

34 铁硫蛋白 (Fe-S) PDB file 5YT Fe e - Fe ++ Heme in cytochrome c

35 ys ys S S S Fe Fe S S Fe Fe S S ys ys S PDB file 1A70 ys S S S ys ys Fe Fe S S S Iron-Sulfur enters ys 2-Fe iron-sulfur center of ferredoxin

37 人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称多肽链数辅基复合体 Ⅰ NADH- 泛醌还原酶 (NADH 脱氢酶 ) 39 FMN, Fe-S 复合体 Ⅱ 琥珀酸 - 泛醌还原酶 ( 琥珀酸脱氢酶 ) 4 FAD, Fe-S 复合体 Ⅲ 泛醌 - 细胞色素还原酶 11 血红素, Fe- S 复合体 Ⅳ 细胞色素氧化酶 13 血红素, u

38 2.2 呼吸链的顺序

39 抑制剂法

40 标准氧化还原电位法氧化还原对 E 0' (V) 氧化还原对 E 0' (V) NAD + / NADH + + H yt c 1 Fe 3+ / Fe FMN / FMNH yt c Fe 3+ / Fe FAD / FADH yt a Fe 3+ / Fe Q 10 / Q 10 H ( 或 0.10) yt a 3 Fe 3+ / Fe yt b Fe 3+ / Fe /2 2 / H

42 1. NADH 呼吸链 NADH FMN (Fe-S) oq yt b c 1 c aa 琥珀酸呼吸链 FAD succinate oq yt b (Fe-S) c 1 c aa 3 2

43 第三节氧化磷酸化

44 3.1 氧化磷酸化偶联部位 P/ 比值是指物质氧化时, 每消耗 1 摩尔氧原子所消耗无机磷酸的摩尔数 ( 或 ADP 摩尔数 ), 即生成 ATP 的摩尔数

45 一些底物的 P/ 比值底物 β- 羟丁酸琥珀酸抗坏血酸 yt c (Fe 2+ ) 呼吸链的组成 NAD + 复合体 Ⅰ oq 复合体 Ⅲ yt c 复合体 Ⅳ 2 复合体 Ⅱ oq 复合体 Ⅲ yt c 复合体 Ⅳ 2 yt c 复合体 Ⅳ 2 复合体 Ⅳ 2 P/ 比值 2.4~ ~ 0.68

46 自由能变化 ΔG0' = -nfδe 0 从 NADH 到泛醌从泛醌到 yt c yt aa3 到 2 的电位差分别约为 0.36V 0.21V 0.27V 根据计算, 以上 3 处的 ΔG0' 分别为 kJ/mol, 可满足 ATP 生成的能量需要

47 3.2 氧化磷酸化偶联机制 Peter Mitchell 在 20 世纪 60 年代提出化学渗透假说, 并因此于 1978 年获诺贝尔化学奖

48 于 1948 年提出线粒体是真核生物进行氧化磷酸化的部位

50 线粒体内膜是半透膜 matrix cristae inner membrane intermembrane space mitochondrion outer membrane

52 基本要点电子经呼吸链传递时, 可将 H + 从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧, 产生膜内外 H + 浓度梯度和跨膜电位差, 以此储存能量当 H + 顺电化学梯度回流时, 驱动 ADP 的磷酸化生成 ATP

54 复合体 I Matrix H + + NADH NAD + + 2H + 2H + + ½ 2 H 2 2 e I Q III IV 4H + 4H + cyt c 2H + Intermembrane Space + + 4H + 从线粒体基质侧泵到胞浆侧

56 复合体 III Matrix H + + NADH NAD + + 2H + 2H + + ½ 2 H 2 2 e I Q III IV 4H + 4H + cyt c 2H + Intermembrane Space + + 4H+ 从线粒体基质侧泵到胞浆侧

57 Q 循环

58 复合体 IV Matrix H + + NADH NAD + + 2H + 2H + + ½ 2 H 2 2 e I Q III IV 4H + 4H + cyt c 2H + Intermembrane Space + + 2H+ 从线粒体基质侧泵到胞浆侧

60 复合体 Ⅱ

62 复合体 Ⅴ(ATP 合酶 )

63 F 1 F o 是催化亚基, 包括 :α 3 β 3 γδε 是质子 (H + ) 通道

65 b a a g b b a

69 腺苷酸转运蛋白又称 ATP-ADP 载体, 介导 ATP 和 ADP 的反向转运, 同时消耗线粒体基质侧的 1 个 H +

70 胞浆侧线粒体内膜基质侧 ATP 4- ATP 4-1 ADP 3- ADP H 2 P - 4 H 2 P H + H H 2

71 3.3 影响氧化磷酸化的因素抑制剂 ADP 激素线粒体 DNA 突变

72 1 抑制剂呼吸链抑制剂解偶联剂氧化磷酸化抑制剂

73 (1) 呼吸链抑制剂

74 (2) 解偶联剂 H - N 2 N 2 + H + N 2 2,4- 二硝基苯酚 N 2

75 哺乳类动物体内的棕色脂肪组织线粒体内膜中存在解偶联蛋白, 可提供质子再进入线粒体基质的另一个通道, 使得质子电化学梯度储存的能量以热量的形式释放

76 (3) 氧化磷酸化抑制剂对电子传递及 ADP 的磷酸化均有抑制作用, 如寡霉素 (oligomycin)

77 2 ADP 正常机体氧化磷酸化的速率主要受 ADP 的调节 [ADP] 氧化磷酸化 [ADP] 氧化磷酸化

78 3 甲状腺激素甲状腺激素可使氧化磷酸化增强

79 4 线粒体 DNA 突变线粒体 DNA 的突变可影响氧化磷酸化的功能, 引起线粒体病

80 第四节胞浆中 NADH 的氧化

81 Ⅲ NADH + H + NAD + H 2 H H 2 ~ P 磷酸二羟丙酮 H 2 H HH H 2 ~ P Ⅰ H 2 H H 2 ~ H 2 H HH H 2 ~ P P Q FADH 2 FAD Ⅰ α- 磷酸甘油胞浆线粒体外膜膜间隙线粒体内膜线粒体基质 α- 磷酸甘油穿梭

82 胞浆侧线粒体内膜基质侧 NAD + NADH+H + 1 HHH H 2 H 苹果酸 H H 2 H 草酰乙酸 H 3 H (H 2 ) 2 H (H 2 ) 2 H α- 酮戊二酸 α- 酮戊二酸 HHH H 2 H 苹果酸 H H 2 H 草酰乙酸 1 NAD + NADH+H HNH 2 H HNH 2 H HNH 2 H HNH 2 H (H 2 ) 2 H 谷氨酸 H 2 H 天冬氨酸 4 H 2 H 天冬氨酸 (H 2 ) 2 H 谷氨酸苹果酸 - 天冬氨酸穿梭

83 经 α- 磷酸甘油穿梭途径, 生成 2 分子 ATP 经苹果酸 - 天冬氨酸穿梭途径, 生成 3 分子 ATP

84 本章重点概念 : 呼吸链氧化磷酸化底物水平磷酸化 P/ 比值呼吸链的组成及排列顺序抑制剂对氧化磷酸化的影响

生物氧化的概念物质在生物体内进行氧化称生物氧化 (biological oxidation), 主要指糖脂肪蛋白质等在体内分解时逐步释放能量, 最终生成 CO 2 和 H 2 O 的过程糖脂肪蛋白质 O 2 CO 2 和 H 2 O 能量 ADP+Pi ATP 热能

Gannan Medical University 第八章生物氧化 Biological Oxidation 生物化学与分子生物学教研室生物氧化的概念物质在生物体内进行氧化称生物氧化 (biological oxidation), 主要指糖脂肪蛋白质等在体内分解时逐步释放能量, 最终生成 CO 2 和 H 2 O 的过程糖脂肪蛋白质 O 2 CO 2 和 H 2 O 能量 ADP+Pi

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