页数:85页文件大小:2.15 MB来源: 生物化学与分子生物学ppt课件
本课件围绕生物氧化展开,依次讲解氧化呼吸链的组成与电子传递、氧化磷酸化偶联与ATP生成、氧化磷酸化的影响因素与抗氧化体系等主要内容,配合结构图示与要点归纳,帮助理清知识脉络与核心考点。
第八章生物氧化Biological Oxidation
酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存在形式,所含各组分具体完成电子传递过程。电子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒体内膜,转变为跨内膜H+梯度的能量,再用于ATP的生物合成。
一、氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成
ⅣCytcoxNADH+H+NAD+1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜ⅠQH2QⅡ延胡索酸琥珀酸QH2Q4H+4H+Ⅲ4H+4H+CytcoxCytcredCytcred4H+4H+电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置
ⅣCytcoxNADH+H+NAD+1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜ⅠQH2QⅡ延胡索酸琥珀酸4H+4H+Ⅲ4H+4H+CytcoxCytcredCytcred4H+4H+电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置
NAD+和NADP+的结构R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+
NAD+(NADP+)和NADH(NADPH)相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。
FMN结构中含核黄素,发挥功能的部位是异咯嗪环,氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN·。在可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态,属于单、双电子传递体。
铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子,其中一个铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。属于单电子传递体。
Ⓢ表示无机硫
铁硫蛋白SS无机硫半胱氨酸硫
泛醌(辅酶Q,CoQ,Q)由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链(人CoQ10),氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。
内膜中可移动电子载体,在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。
复合体Ⅰ的功能NADH+H+NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2
(三)复合体Ⅲ将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c
细胞色素(cytochrome, Cyt)细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类,根据它们吸收光谱不同而分类。
复合体Ⅳ的电子传递过程
细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水的过程,有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合,不会引起细胞损伤。
1、NADH氧化呼吸链NADH →复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ→Cyt c→复合体Ⅳ→O22、琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸→复合体Ⅱ →CoQ→复合体Ⅲ→Cyt c→复合体Ⅳ→O2二、NADH和FADH2是氧化呼吸链的电子供体根据电子供体及其传递过程,目前认为,氧化呼吸链有两条途径:
NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt b→Cyt c→Cyt cCyt aa3O2NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链
标准氧化还原电位
呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位E0‘(V)氧化还原对E0‘(V)氧化还原对0.22Cyt c1 Fe3+/Fe2+-0.32NAD+/NADN+H+0.254Cyt c Fe3+/Fe2+-0.219FMN /FMNH20.29Cyt a Fe3+/Fe2+-0.219FAD /FADH20.35Cyt a3 Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+0.8161/2O2/H2O0.06Q10/Q10H2
第二节氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化偶联生成ATP
一、氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内
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比值可能生成的ATP数β-羟丁酸NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ2.52.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ1.5 1.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O20.881细胞色素c (Fe2+)复合体Ⅳ→O20.61-0.68 1(一)P/O比值指氧化磷酸化过程中,每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数(或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数)。
(二)自由能变化根据热力学公式,pH7.0时标准自由能变化(△G0′)与还原电位变化(△E0′)之间有以下关系:n为传递电子数;
F为法拉第常数(96.5kJ/mol·V)△G0′ =-nF△E0′
电子传递链自由能变化
ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt b→Cyt c→Cyt cCyt aa3O2
二、氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)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。
氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜;
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
ⅢⅠⅡⅣF0F1Cyt cQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液侧基质侧+ + + + + + + + + +---------电子传递过程复合体Ⅰ (4H+)、Ⅲ (4 H+)和Ⅳ(2H+)有质子泵功能。
化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响
ATP合酶组成可旋转的发动机样结构
四、ATP在能量代谢中起核心作用
△E0′化合物(kcal/mol)kJ/mol(-14.8)-61.9磷酸烯醇式丙酮酸(-12.3)-51.4氨基甲酰磷酸(-11.8)-49.31,3-二磷酸甘油酸(-10.3)-43.1磷酸肌酸(-7.3)-30.5ATP →ADP+Pi(-7.5)-31.5乙酰辅酶A(-6.6)-27.6ADP →AMP+Pi(-6.6)-27.6焦磷酸(-5.0)-20.9葡糖-1-磷酸一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能
(一)ATP是体内能量捕获和释放利用的重要分子
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 + ADP ATP + AMP(二)ATP是体内能量转移和磷酸核苷化合物相互转变的核心
(三)ATP通过转移自身基团提供能量
磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。(四)磷酸肌酸是高能键能量的储存形式
ATP的生成、储存和利用ATPADP肌酸磷酸肌酸氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。
第三节氧化磷酸化的影响因素
一、体内能量状态可调节氧化磷酸化速率
NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt b→Cyt c→Cyt cCyt aa3O2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
(二)解偶联剂阻断ADP的磷酸化过程解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联相互分离,基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度,使电化学梯度储存的能量以热能形式释放,ATP的生成受到抑制。
如:二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP);解偶联蛋白(uncouplingprotein,UCP1)。
解偶联蛋白作用机制(棕色脂肪组织线粒体)ⅢⅠⅡF0F1ⅣCyt cQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP
(三)ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin)可结合F0单位,二环己基碳二亚胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCCP)共价结合F0的c亚基谷氨酸残基,阻断质子从F0质子半通道回流,抑制ATP合酶活性。
由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能,继而抑制电子传递。
寡霉素(oligomycin)寡霉素ATP合酶结构模式图可阻止质子从F0质子通道回流,抑制ATP生成。
电子传递链及氧化磷酸化系统概貌ΔμH+跨膜质子电化学梯度;H+m内膜基质侧H+;H+c内膜胞液侧H+
Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。三、甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热
四、线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸化功能。线粒体DNA(mtDNA)呈裸露的环状双螺旋结构,缺乏蛋白质保护和损伤修复系统,容易受到损伤而发生突变,其突变率远高于核内的基因组DNA。
五、线粒体的内膜选择性协调转运氧化磷酸化相关代谢物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。
出线粒体进入线粒体转运蛋白ATP4-ADP3-ATP-ADP转位酶H2PO4-+ H+磷酸盐转运蛋白苹果酸HPO42-二羧酸转运蛋白α-酮戊二酸苹果酸α-酮戊二酸转运蛋白天冬氨酸谷氨酸天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白OH-丙酮酸单羧酸转运蛋白柠檬酸苹果酸三羧酸转运蛋白瓜氨酸鸟氨酸碱性氨基酸转运蛋白肉碱脂酰肉碱肉碱转运蛋白线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运
1. α-磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中
NADH+H+FADH2NAD+FAD线粒体内膜线粒体外膜膜间隙线粒体基质α-磷酸甘油脱氢酶呼吸链磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油
2.苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中
NADH+H+NAD+NADH+H+NAD+谷氨酸-天冬氨酸转运体苹果酸-α-酮戊二酸转运体苹果酸草酰乙酸α-酮戊二酸谷氨酸苹果酸脱氢酶谷草转氨酶胞液线粒体内膜基质呼吸链天冬氨酸
(二)ATP-ADP转位酶协调转运ADP进入和ATP移出线粒体
ATP4-F0F1胞液侧基质侧腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白ADP3-H2PO4-ATP4-H+H+H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-每分子ATP4-和ADP3-反向转运时,向内膜外净转移1个负电荷,相当于多1个H+转入线粒体基质。
第四节其他氧化与抗氧化体系
反应活性氧类(reactive oxygen species, ROS)O2e-O·-2e-+2H+H2O2e-+H+OH·H2Oe-+H+H2O反应活性氧类一、线粒体氧化呼吸链也可产生活性氧
ROS主要来源
需氧脱氢酶和氧化酶二、抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的功能
抗氧化酶体系1.过氧化氢酶(catalase)又称触酶,其辅基含4个血红素2H2O22H2O+O2过氧化氢酶
可去除细胞生长和代谢产生的H2O2和过氧化物(R-O-OH),是体内防止活性氧类损伤主要的酶。2.谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GPx)H2O2+ 2GSH → 2 H2O +GS-SG2GSH + R-O-OH → GS-SG + H2O + R-OH
3.超氧化物歧化酶2O2﹣+ 2H+SODH2O2+ O2H2O+O2过氧化氢酶SOD:超氧化物歧化酶(superoxide dismutase)
细胞色素P450单加氧酶作用机制
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