生物化学与分子生物学课件：生物氧化2-2016秋.pptx

1、biological oxidation内容提纲u概述概述uATP的生成的生成和储存利用和储存利用u氧化呼吸链氧化呼吸链l 呼吸链的组成及其作用呼吸链的组成及其作用l 体内重要的呼吸链体内重要的呼吸链u氧化磷酸化氧化磷酸化l概念、偶联部位及机制概念、偶联部位及机制l影响因素影响因素l线粒体内膜对物质的转运线粒体内膜对物质的转运u其他氧化和抗氧化体系其他氧化和抗氧化体系2第四节 氧化磷酸化The Oxidative Phosphorylation3u氧化磷酸化氧化磷酸化l概念概念l偶联部位偶联部位l偶联机制偶联机制l影响因素影响因素u线粒体内膜对物质的转运线粒体内膜对物质的转运4一、概念氧化磷酸

2、化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在是指在生物氧化过程中，代谢物脱下的生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经呼吸链氧化氢经呼吸链氧化生成水生成水的同时，所释放的的同时，所释放的能量能量驱动驱动ADP磷酸化生磷酸化生成成ATP，这，这氧化与磷酸化相偶联氧化与磷酸化相偶联的过程。又称为的过程。又称为电子传递水平磷酸化电子传递水平磷酸化、偶联磷酸化偶联磷酸化。氧化磷酸化是体内生成氧化磷酸化是体内生成ATP的最主要方式。的最主要方式。5两个过程的偶联：两个过程的偶联： 即即还原当量的氧化过程还原当量的氧化过程和和ADP磷酸化过程磷酸化过程二、氧化磷酸化偶联部位6 根据根

3、据P/O比值比值和和自由能变化自由能变化，可以大致确定氧化磷酸化的偶联部可以大致确定氧化磷酸化的偶联部位，即位，即ATP生成的部位。生成的部位。(一)P/O比值(P/O ratio) 指物质氧化时，每消耗指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消摩尔氧原子所消耗无机磷的摩尔数（或耗无机磷的摩尔数（或ADP摩尔数），即生摩尔数），即生成的成的ATP数。数。 ADP + Pi ATP2H OH2On nnn7 根据上述实验结果，推定根据上述实验结果，推定NADH与与Q之间之间（复合体（复合体I），Q与与Cyt c之间（复合体之间（复合体III）和和复合复合体体IV存在着偶联部位存在着偶联部位线粒体离体实

4、验测得的一些底物的P/OP/O比值8底物呼吸链的组成P/O比值生成ATP数-羟丁酸NAD+复合体IQ复合体III Cyt c 复合体IVO22.42.82.5琥珀酸复合体IIQ复合体III Cyt c 复合体IVO21.71.5抗坏血酸Cyt c复合体IVO20.881细胞色素C（Fe2+)复合体IVO20.610.681根据热力学公式，根据热力学公式，pH 7.0时标准自由能时标准自由能变化变化(G)与还原电位变化与还原电位变化(E)之间有之间有以下关系：以下关系： G=-nFEn为传递电子数；为传递电子数；F为法拉第常数为法拉第常数(96.5kJ/molV)(二) 自由能变化9电子传递链自

5、由能变化电子传递链自由能变化区段电位变化(E)自由能变化G=-nFE能否生成ATP(G是否大于是否大于30.5kJ)NAD+CoQ0.36V69.5 kJ/mol能CoQCyt c0.19V36.7 kJ/mol能Cyt aa3O20.58V112 kJ/mol能ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位10PNADH2FMN(Fe-S)CoQCytbCytc1CytcCytaa3 O2ADPATPFP(FAD)(Fe-S)PADPATPPADPATP11三、氧化磷酸化偶联机制12三种假说：u构象偶联假说：认为电子传递过程中使线粒体认为电子传递过程中使线粒体内膜蛋白质发生构象变

6、化，构象恢复时释放能量内膜蛋白质发生构象变化，构象恢复时释放能量用于合成用于合成ATPATP。u化学偶联假说：认为电子传递过程中产生一种认为电子传递过程中产生一种活泼的高能共价中间物。活泼的高能共价中间物。u化学渗透假说：【英英】Peter Mitchell 1961Peter Mitchell 1961年年提出，提出，19781978年获诺贝尔化学奖。年获诺贝尔化学奖。（一）化学渗透假说 13 基本要点是：呼吸链中复合体基本要点是：呼吸链中复合体、具有质子泵功能，电子经呼吸链传递时，可将质具有质子泵功能，电子经呼吸链传递时，可将质子（子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧，）从线粒体内膜

7、的基质侧泵到内膜外侧，由于内膜对质子的不通透特性，造成膜内、外质由于内膜对质子的不通透特性，造成膜内、外质子电化学梯度，以此储存能量。当质子顺梯度回子电化学梯度，以此储存能量。当质子顺梯度回流时驱动流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。 (chemiosmotic hypothesis) 氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜； 线粒体内膜对线粒体内膜对H+、OH、K、Cl离子是不通离子是不通透的；透的； 电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度；的跨内膜电化学梯度； 增加线粒体内膜外侧酸性可导致

8、增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而线合成，而线粒体内膜加入使质子通过的物质，可减少内膜质粒体内膜加入使质子通过的物质，可减少内膜质子梯度，结果电子虽可以传递，但子梯度，结果电子虽可以传递，但ATP生成减少。生成减少。 化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。14线粒体基质线粒体基质 线粒体内膜线粒体内膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化学渗透假说简单示意图151. ATP合酶的组成和功能u F1：亲水部分：亲水部分 （动物：（动物：33亚基复合体，亚基复合体，OSCP、IF1 亚基），线粒体内膜的基质

9、侧颗粒状亚基），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，突起，催化催化ATP合成合成。 u F0：疏水部分：疏水部分（ab2c912亚基，动物还有其他辅亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质跨内膜质子通道子通道（二）ATP合酶(ATP synthase)16 ATPATP合酶组成可旋转的发动机样结构合酶组成可旋转的发动机样结构 F0的的2个个b亚基的一端锚定亚基的一端锚定a亚基，另一端通过亚基，另一端通过F1的的和和33稳固结合，使稳固结合，使a、b2和和33、亚基组成稳亚基组成稳定的定的定子部分定子部分。 部分部分和和亚基共同形成穿过亚基共同形

10、成穿过33间中轴，间中轴，还与还与1个个亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的c亚基环亚基环紧密结合。紧密结合。c亚基环、亚基环、和和亚基组成亚基组成转子部分转子部分。 质子质子顺梯度向基质顺梯度向基质回流回流时，转子部分相对定子部时，转子部分相对定子部分旋转，使分旋转，使ATP合酶利用释放的能量合酶利用释放的能量合成合成ATP。 17ATP合酶（合酶（ATP synthase）结构模式图）结构模式图18胞质侧质子通过ATP合酶F0顺浓度梯度回流使F1亚基旋转19c环与、亚基紧密相连，当 c环旋转时会带动 亚基旋转。胞质半通道基质半通道H+发动机结构： 定子：a、

11、b2、33、 转子： c环与、亚基当当H+顺浓度递度经顺浓度递度经F0中中a亚基和亚基和c亚基亚基之间回流时，之间回流时，亚基发生旋转，亚基发生旋转，3个个亚基亚基的构象发生改变。的构象发生改变。ATPATP合酶的工作机制合酶的工作机制O:开放型开放型L:疏松型疏松型T:紧密型紧密型2. ATP合酶的工作机制201997年诺贝尔化学奖 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 H+ H+ H+ 胞质侧胞质侧基质侧基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - -

12、化学渗透假说详细示意图化学渗透假说详细示意图21三、影响氧化磷酸化的因素1. 氧化磷酸化的抑制剂 电子传递抑制剂：电子传递抑制剂：阻断呼吸链中某些部位电子传递阻断呼吸链中某些部位电子传递 解偶联剂：解偶联剂： 破坏内膜两侧的质子电化学梯度破坏内膜两侧的质子电化学梯度，从而使氧从而使氧化与磷酸化偶联过程脱离化与磷酸化偶联过程脱离 ATP合酶抑制剂合酶抑制剂：对电子传递及对电子传递及 ADP 磷酸化均有抑制作用磷酸化均有抑制作用22u复合体复合体抑制剂：抑制剂： 鱼藤酮、粉蝶霉素鱼藤酮、粉蝶霉素A及异戊巴比妥等及异戊巴比妥等阻断传阻断传递电子到泛醌递电子到泛醌 。u复合体复合体的抑制剂：萎锈灵。的

13、抑制剂：萎锈灵。u复合体复合体抑制剂：抑制剂： 抗霉素抗霉素A阻断阻断Cyt bH传递电子到泛醌传递电子到泛醌(QN) ；黏噻唑菌醇则黏噻唑菌醇则作用作用QP位点位点。u复合体复合体 抑制剂：抑制剂： CN、N3紧密结合氧化型紧密结合氧化型Cyt a3，阻断电阻断电子由子由Cyt a到到CuB- Cyt a3间传递间传递。CO与还原型与还原型Cyt a3结合，结合，阻断电子传递给阻断电子传递给O2。 电子传递抑制剂23各种呼吸链抑制剂的阻断位点各种呼吸链抑制剂的阻断位点NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt aa3O2鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶

14、霉素A A异戊巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A黏噻唑菌醇黏噻唑菌醇CO、CN-、N3-及及H2S萎锈灵萎锈灵24Cyt c常见的解偶联剂常见的解偶联剂包括：包括：二硝基苯酚（二硝基苯酚（DNPDNP），解偶联蛋），解偶联蛋白白。 作用机制：作用机制： H膜内外电化学梯度膜内外电化学梯度电子传递使电子传递使H跨膜转移跨膜转移H经经ATP合酶的合酶的F0单元回流单元回流ATP合成合成H经从其它途径回流经从其它途径回流能量以热能散失，不能合成能量以热能散失，不能合成ATP25 解偶联剂解偶联蛋白（解偶联蛋白（UCP）作用机制）作用机制（棕色脂肪组织线粒体）（棕色脂肪组织线粒体）胞质侧胞质侧基质侧

15、基质侧 26 F0 F1Cyt cQ解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能 ADP+Pi ATP 问题：问题：给实验大鼠注射给实验大鼠注射DNP（二硝基苯酚）后大（二硝基苯酚）后大鼠体温明显升高，其机制何在？鼠体温明显升高，其机制何在？注：注：DNP为脂溶性物质，可使线粒体内膜通透性增高为脂溶性物质，可使线粒体内膜通透性增高答案：答案：DNP为解偶联物质，破坏破坏内膜两侧为解偶联物质，破坏破坏内膜两侧的质子电化学梯度，从而使氧化与磷酸化偶的质子电化学梯度，从而使氧化与磷酸化偶联过程脱离，能量以热的形式释放。联过程脱离，能量以热的形式释放。27寡霉素寡霉素(oligomycin)和二环乙基碳二亚胺（和二

16、环乙基碳二亚胺（DCCD） 可阻止质子从可阻止质子从Fo质子通道回流，抑制质子通道回流，抑制ATP生成生成Cyt cQ胞质侧胞质侧 基质侧基质侧 ADP+Pi ATP 28 ATP合酶抑制剂不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响 292. ADP和ATP浓度的调节能量缺乏能量缺乏ADP/ATP氧化磷酸化氧化磷酸化3. 甲状腺激素Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。酶和解偶联蛋白基因表达均增加。4. 线粒体DNA突变的影响 可影响氧化磷酸化功能，与线粒体可影响氧化磷酸化功能，与线粒体DNA疾病及疾病及衰老有关。衰老有关。30四、线粒体内膜对物质的转运31线粒体外膜通透性高，线粒体外膜通透

17、性高，线粒体对物质通过的选择性线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运主要依赖于内膜中不同转运蛋白蛋白(transporter)(transporter)对各种对各种物质的转运。物质的转运。转运蛋白转运蛋白进入线粒体进入线粒体出线粒体出线粒体ATP-ADP转位酶转位酶ADP3-ATP4-磷酸盐转运蛋白磷酸盐转运蛋白H2PO4- + H+二羧酸转运蛋白二羧酸转运蛋白HPO42-苹果酸苹果酸-酮戊二酸转运蛋白酮戊二酸转运蛋白苹果酸苹果酸-酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白谷氨酸转运蛋白谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸单羧酸转运蛋白单羧酸转运蛋白丙酮酸丙酮酸OH-三羧酸转运蛋白三羧

18、酸转运蛋白苹果酸苹果酸柠檬酸柠檬酸碱性氨基酸转运蛋白碱性氨基酸转运蛋白鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸肉碱转运蛋白肉碱转运蛋白脂酰肉碱脂酰肉碱肉碱肉碱线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运 32（一）胞质中NADH的氧化33胞质中胞质中NADH必须经一定必须经一定转运机制转运机制进入线粒体，进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。再经呼吸链进行氧化磷酸化。 转运机制主要有：转运机制主要有： -磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle) 苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)1. -磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制 主

19、要存在于脑和骨骼肌中主要存在于脑和骨骼肌中34 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间腔膜间腔 线粒体线粒体 基质基质-磷酸甘油磷酸甘油 脱氢酶脱氢酶 呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O-磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH线粒体线粒体 -磷酸磷酸甘油脱氢酶甘油脱氢酶352. 苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭机制天冬氨酸穿梭机制主要存在于心肌和肝脏中主要存在于心肌和肝脏中36NADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-

20、COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH +H+ NAD+ 谷氨酸谷氨酸-天冬氨酸天冬氨酸 转运体转运体苹果酸苹果酸-酮酮 戊二酸转运体戊二酸转运体 -OOC-CH2-C-COO-OHH苹果酸苹果酸 -OOC-CH2-C-COO-O草酰乙酸草酰乙酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-酮戊二酸酮戊二酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H谷氨酸谷氨酸 苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 谷草转谷草转 氨酶氨酶 胞质侧胞质侧 线线粒粒体体内内膜膜 线粒体基质侧线粒体基质侧 呼吸链呼吸链 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H天冬氨

21、酸天冬氨酸 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H37（二）ADP和ATP的转运38线线粒粒体体内内膜膜 胞质侧胞质侧 线粒体基质侧线粒体基质侧 腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白（腺苷转位酶）（腺苷转位酶）磷酸盐转磷酸盐转运蛋白运蛋白H2PO4-H2PO4-H+H+ADP3-ATP4-ATP4-ADP3-H2O39第五节 其他氧化和抗氧化体系The Others Oxidative and Antioxidant system40u活性氧产生活性氧产生u抗氧化酶体系抗氧化酶体系l超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶l过氧化氢酶过氧化氢酶l谷胱甘肽过氧化物酶

22、谷胱甘肽过氧化物酶u微粒体细胞色素微粒体细胞色素P450单加氧酶单加氧酶41 体内生物氧化过程中可产生一系列氧化体内生物氧化过程中可产生一系列氧化功能很强的氧化物，如功能很强的氧化物，如 O2- 、H2O2、羟自由、羟自由基等（基等（OH），统称为活性氧类（），统称为活性氧类（reactive oxygen species，ROS）。）。O2 O2- H2O2 OH H2Oe-e-+2H+e-+H+e-+H+ H2O42一、活性氧产生一、活性氧产生ROSROS主要来源43u线粒体：线粒体：超氧阴离子超氧阴离子O2-，是体内，是体内O2-的主要来的主要来源；源； O2-在线粒体中再生成在线粒体中

23、再生成H2O2和和OH。u过氧化酶体：过氧化酶体：FAD将从脂肪酸等底物获得的电将从脂肪酸等底物获得的电子交给子交给O2生成生成H2O2和羟自由基和羟自由基OH。u胞质胞质需氧脱氢酶需氧脱氢酶（如黄嘌呤氧化酶等）也可催（如黄嘌呤氧化酶等）也可催化生成化生成O2-。u细菌感染、组织缺氧等细菌感染、组织缺氧等病理过程病理过程，环境、药物，环境、药物等等外源因素外源因素也可导致细胞产生活性氧类。也可导致细胞产生活性氧类。 活性氧类化学性质活泼，可引起蛋白质、活性氧类化学性质活泼，可引起蛋白质、核酸、磷脂等的氧化损伤，造成生物膜损伤，核酸、磷脂等的氧化损伤，造成生物膜损伤，甚至破坏细胞的正常结构和功能

24、，从而引起甚至破坏细胞的正常结构和功能，从而引起相应疾病。相应疾病。 机体可以通过抗氧化体系及时清除活性氧，机体可以通过抗氧化体系及时清除活性氧，防止其累积造成有害影响。防止其累积造成有害影响。4445二、抗氧化酶体系二、抗氧化酶体系1. 超氧化物歧化酶2. 过氧化氢酶3. 谷胱甘肽过氧化物酶1. 1. 超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase，SOD)2 O2 + 2H+ SODH2O2 + O2 46存在于所有重要的需氧组织中存在于所有重要的需氧组织中作用：消除超氧阴离子作用：消除超氧阴离子辅基：辅基：Cu2+, Zn2+ （胞外、胞质）（胞外、胞质） Mn

25、2+（真核细胞线粒体和原核细胞）（真核细胞线粒体和原核细胞） Fe2+（原核细胞）（原核细胞）其辅基含有其辅基含有4个血红素个血红素存在部位：过氧化酶体、胞质及微粒体中存在部位：过氧化酶体、胞质及微粒体中2. 过氧化氢酶（catalase）2H2O2 2H2O + O2 过氧化氢酶过氧化氢酶 47可去除可去除H2O2和过氧化物和过氧化物(R-O-OH)，是，是体内防止体内防止活性氧类损伤主要的酶活性氧类损伤主要的酶。主要存在于胞质、线粒体及过氧化酶体中。主要存在于胞质、线粒体及过氧化酶体中。H2O2 + 2GSH 2 H2O +GS-SG2GSH + R-O-OH GS-SG + H2O +

26、R-OH (glutathione peroxidase，GPx)3. 谷胱甘肽过氧化物酶48 谷胱甘肽过谷胱甘肽过氧化物酶氧化物酶 H2O2(ROOH) H2O(ROH+H2O) 2G SH G S S G NADP+ NADPH+H+ 此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤 谷胱甘肽谷胱甘肽还原酶还原酶 * * 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶含硒的谷胱甘肽过氧化物酶 49三、微粒体细胞色素三、微粒体细胞色素P450单加氧酶单加氧酶单加氧酶催化单加氧酶催化O2中的一个氧原子加到底物分子中的一个氧原子加到底物分子上（羟化），另一个氧原子被氢（来自上（羟化），另一个氧

27、原子被氢（来自NADPH+H+）还原形成还原形成H2O，故又称，故又称混合功能氧化酶混合功能氧化酶（mixed-function oxidase）或或羟化酶羟化酶(hydroxylase)。上述反应需要细胞色素上述反应需要细胞色素P P450450 (Cyt P (Cyt P450450) )参与参与50RH+ NADPH + H+ + O2 ROH+ NADP+ +H2OFe3+O22-51生物氧化、呼吸链、氧化磷酸化和底物生物氧化、呼吸链、氧化磷酸化和底物水平磷酸化的概念，呼吸链的组成和排水平磷酸化的概念，呼吸链的组成和排列顺序，影响氧化磷酸化的因素；列顺序，影响氧化磷酸化的因素；本章要求

28、【掌握】【熟悉】【了解】线粒体外线粒体外NADH的氧化方式；的氧化方式；化学渗透假说，机体其他氧化体系。化学渗透假说，机体其他氧化体系。 52生物氧化作业53电脑端：https:/ 手机微信扫描二维码：完成时间：一周内答题方式：通过电脑或手机完成名词解释l生物氧化l呼吸链l氧化磷酸化l底物水平磷酸化lP/O比值l-磷酸甘油穿梭作用l苹果酸穿梭作用54思 考 题1. 简述生物氧化与物质在体外氧化的联系与简述生物氧化与物质在体外氧化的联系与区别区别2. 简述呼吸链的组成成分及排列顺序及简述呼吸链的组成成分及排列顺序及ATP的生成部位的生成部位3. 影响氧化磷酸化的因素有哪些？其作用机影响氧化磷酸化的因素有哪些？其作用机制是什么？制是什么？4. 线粒体外生成的线粒体外生成的NADH在有氧情况下在有氧情况下,如何如何进入线粒体内彻底氧化进入线粒体内彻底氧化? 55