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第八章 生物氧化

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第八章 生物氧化. biological oxidation. 导 学. 掌握生物氧化的概念与特点;体内重要的呼吸链的组成、排列顺序及其作用; ATP 的生成方式。 熟悉影响氧化磷酸化的因素; ATP 的利用与贮存。 了解确定呼吸链排列顺序的实验依据;非线粒体氧化体系。. 教学内容. 第一节 概述 第二节 线粒体氧化体系 第三节 生物氧化与能量代谢 第四节 非线粒体氧化体系. 第一节 概述. 一、生物氧化的概念. [ O]. 营养物 (糖、脂、蛋白质). H 2 O + CO 2 + 能量. 生物体.

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第八章 生物氧化

biological oxidation

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导 学
  • 掌握生物氧化的概念与特点;体内重要的呼吸链的组成、排列顺序及其作用;ATP的生成方式。
  • 熟悉影响氧化磷酸化的因素;ATP的利用与贮存。
  • 了解确定呼吸链排列顺序的实验依据;非线粒体氧化体系。

第九章 生物氧化

slide3
教学内容

第一节 概述

第二节 线粒体氧化体系

第三节 生物氧化与能量代谢

第四节 非线粒体氧化体系

第九章 生物氧化

slide4
第一节 概述

第九章 生物氧化

slide5
一、生物氧化的概念

[O]

营养物

(糖、脂、蛋白质)

H2O + CO2 + 能量

生物体

又称细胞呼吸或组织呼吸

第九章 生物氧化

slide6
一、生物氧化的概念
  • 线粒体内氧化:有ATP生成
  • 非线粒体氧化:无ATP生成,与生物转化有关

第九章 生物氧化

slide7
二、生物氧化特点
  • 条件温和(37C°,近中性)
  • 酶催化
  • 逐步释放能量
  • 有机酸脱羧生成 CO2
  • 有机物脱氢经呼吸链生成 H2O

第九章 生物氧化

slide8

COOH

OH

O=

O=

丙酮酸脱氢酶系

苹果酸酶

R-CH2-NH2 + CO2

O=

R-CH-NH2

O=

HOOCCH2-CH-COOH

H3C-C-COOH + CO2

草酰乙酸脱羧酶

O=

H3C-C-SCoA + CO2

氨基酸脱羧酶

H3C-C-COOH + HSCoA

H3C-C-COOH + CO2

HOOCCH2-C-COOH

α-氨基酸

丙酮酸

苹果酸

乙酰CoA

丙酮酸

丙酮酸羧化酶

NADP+

NADPH + H+

NAD+

NADH + H+

丙酮酸

草酰乙酸

三、生物氧化的方式

(一)CO2的生成——有机酸脱羧

α-单纯脱羧

※ 单纯脱羧

β-单纯脱羧

α-氧化脱羧

※ 氧化脱羧

β-氧化脱羧

第九章 生物氧化

slide9
三、生物氧化的方式

(二)H2O的生成

O2

代谢物(AH2) 2H

酶与辅酶

H2O

第九章 生物氧化

slide10
三、生物氧化的方式

(三)氧化的本质

加氧、脱氢、加水脱氢、脱电子

第九章 生物氧化

slide11
第二节 线粒体氧化体系

第九章 生物氧化

respiratory chain
一、 呼吸链 (respiratory chain)

概念:

定位于线粒体内膜上的一组排列有序的递氢体和递电子体(酶与辅酶)构成的链状传递体系,

也称电子传递链。(electron transport chain)

第九章 生物氧化

slide13
线粒体内膜上的酶与辅酶组成的复合体

复合体Ⅰ

NADH-泛醌还原酶

复合体Ⅱ

琥珀酸-泛醌还原酶

复合体Ⅲ

泛醌-CytC还原酶

复合体Ⅳ

细胞色素氧化酶

第九章 生物氧化

slide14
(一)呼吸链主要成分和作用

(递氢体 或 递电子体)

  • 烟酰胺脱氢酶 (NAD+、NADP+)
  • 黄素蛋白 (FMN、FAD)
  • 铁硫蛋白 (Fe-S)
  • 泛醌 (CoQ)
  • 细胞色素类 (Cyt)

第九章 生物氧化

slide15
1、 烟酰胺脱氢酶类

NAD+

NADP+

辅酶

作用:递氢体

第九章 生物氧化

slide16

递氢机制

呼吸链

2H + NAD+ NADH + H+传递给 FMN

第九章 生物氧化

slide17
2、 黄素蛋白酶类

FMN——NADH脱氢酶的辅基

辅基

FAD——琥珀酸脱氢酶的辅基

作用:递氢体

第九章 生物氧化

slide18

递氢机制

1

10

NADH + H+ FMNH2

均可传递给CoQ

琥珀酸脱氢 FADH2

(Fe-S)

呼吸链

第九章 生物氧化

slide19

3、 铁硫蛋白 (Fe-S)

作用——递电子体

递电子机制

Fe2+

Fe3+ + e-

第九章 生物氧化

4 coq10
4、 泛醌(人体内: CoQ10)

作用——递氢体

递氢机制

第九章 生物氧化

slide21

在呼吸链中:

FADH2

(Fe-S)

(Fe-S)

FMNH2

传递给一系列

Cyt类进一步传递

CoQ2H

2e

2H+

第九章 生物氧化

slide22

2e

Cyta3 1/2O2 O2-

5、细胞色素类( Cytochromes, Cyt. )

根据吸收光谱特征,Cyt.类分为a、b和c三大类:

组成呼吸链的细胞色素:

Cytb、 Cytc1、 Cytc、 Cytaa3

细胞色素氧化酶

第九章 生物氧化

cyt c
Cyt C的结构

Fe3+ + e-

递电子体:

Fe2+

第九章 生物氧化

slide25

细胞色素氧化酶

2e

Cyta3 1/2O2 O2-

与CO,CN-结合,失去传递电子能力

第九章 生物氧化

slide26
线粒体呼吸链四大复合体

FMN,Fe-S

复合体Ⅰ

Cytb,

Fe-S,Cytc1

复合体Ⅲ

Cytaa3,Cu

复合体Ⅳ

FAD,Fe-S

复合体Ⅱ

第九章 生物氧化

slide28
二、体内重要呼吸链的排列顺序

体内的两条呼吸链:

  • NADH氧化呼吸链
  • 琥珀酸氧化呼吸链(FADH2氧化呼吸链)

第九章 生物氧化

slide29
体内两条重要的呼吸链

第九章 生物氧化

1 nadh

2H

H2O

NADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→1/2O2

CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→1/2O2

(Fe-S)

(Fe-S)

(Fe-S)

FAD

(Fe-S)

琥珀酸

1、NADH氧化呼吸链

2H+

↑→ 2e

O2-

2、琥珀酸氧化呼吸链

第九章 生物氧化

slide31
三、胞液中的NADH的氧化
  • 胞液中生成的NADH不能自由通透线粒体内膜,必须经过转运机制进入线粒体

1. 甘油-3-磷酸穿梭作用(神经组织和骨骼肌)

2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭作用(肝和心肌)

第九章 生物氧化

slide32

2ATP

甘油-3-磷酸穿梭机制示意图

FADH2

NADH+H+

2ATP

3-磷酸甘油穿梭

神经组织和骨骼肌

第九章 生物氧化

slide33

3ATP

苹果酸—天冬氨酸穿梭

NADH+H+

NADH+H+

3ATP

苹果酸-天冬氨酸穿梭

肝和心肌

第九章 生物氧化

slide34
第三节 生物氧化与能量代谢

约60%以热能形式散失, 维持体温;

脂类

蛋白质

约40%以化学能形式形成高能化合物

(如,ATP),以驱动各种生命活动。

第九章 生物氧化

slide35

TCA

1/2O2

2H

H2O

ADP

Pi

ATP

营养物质的氧化分解过程

糖原 脂肪 蛋白质

葡萄糖 脂肪酸 氨基酸

甘油

乙酰辅酶A

第九章 生物氧化

slide36

COOH

C-O~P

ATP ADP

  • 高能硫酯化合物

CH3CO~SCoA

=

CH2

一、高能化合物的种类
  • 水解时释放的自由能 > 30 KJ/mol 的含有磷酸键

或硫酯键的化合物

  • 高能磷酸化合物

第九章 生物氧化

slide37
二、ATP的生成

第九章 生物氧化

substrate level phosphrylation
(一)底物水平磷酸化(substrate level phosphrylation)
  • 在分解代谢过程中,底物因脱氢、脱水等作用而使能量在分子内部重新分布,形成高能化合物,然后将高能键转移给ADP(GDP)形成ATP(GTP)的过程。

第九章 生物氧化

slide39
底物水平磷酸化1

第九章 生物氧化

slide40
底物水平磷酸化2

第九章 生物氧化

slide41
底物水平磷酸化3

第九章 生物氧化

slide42

(二) 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)

  • 生物氧化过程中,代谢物脱下的氢经呼吸链氧化生成水时,所释放的能量能够偶联ADP磷酸化生成ATP的过程。

第九章 生物氧化

slide43

底物 · 2H H2O 底物氧化

偶联

能量

ADP+H3PO4 ATP ADP磷酸化

释放

自由能

1、氧化磷酸化及其偶联

第九章 生物氧化

slide44

每消耗1mol原子氧时ADP磷酸化摄取无机磷酸的摩尔数(即合成的ATP的摩尔数)

2、氧化磷酸化偶联部位

氧化磷酸化偶联部位即ATP生成部位

  • 计算各阶段释放的自由能
  • P/O比值的测定

推测偶联部位

第九章 生物氧化

slide45

推测呼吸链偶联部位:

NADH→Q ,Q→Cytc , Cytaa3→O2

第九章 生物氧化

slide46
呼吸链各部位释放的自由能

(kj/mol) 52.1 40.5 102.3

NADH:3ATP FADH2:2ATP

第九章 生物氧化

slide47
3、氧化磷酸化作用机理

线粒体(mitochondrion)结构:

线粒体内膜和脊上有许多球状小体突出: ATP合成酶系

第九章 生物氧化

slide48
三、影响氧化磷酸化的因素
  • 抑制剂(inhibitor)
  • ADP的调节
  • 甲状腺素(thyroxine)的调节
  • 线粒体(mitochondrial)DNA突变(mutation)

第九章 生物氧化

slide49
1、抑制剂——呼吸链抑制

机理:阻断氢与电子的传递

第九章 生物氧化

slide50
1、抑制剂——解偶联剂

解除偶联

2,4-二硝基

苯酚(DNP)

作用机理:

破坏内膜两侧的电化学梯度而使氧化磷酸化偶联脱离。氧化照常进行,ATP不能生成。

第九章 生物氧化

2 adp
2、ADP的调节
  • ADP/ATP↑—— 氧化磷酸化↑
  • ADP/ATP↓—— 氧化磷酸化↓

第九章 生物氧化

slide52
3、甲状腺激素的调节

(thyroxine)

甲状腺激素

(+)

ATP水解↑

Na+-K+-ATP酶

氧化磷酸化↑

耗氧量和产热量↑

ATP合成↑

第九章 生物氧化

4 dna
4、线粒体DNA突变

(mitochondrial DNA)

mtDNA编码呼吸链复合体蛋白的部分多肽链

影响氧化磷酸化

mtDNA突变

ATP生成减少

mtDNA病

多种疾病

第九章 生物氧化

slide54
四、 ATP的利用、转移与贮存

ATP + H2O ADP + Pi +30.5 Kj

第九章 生物氧化

slide55
ATP的生成和利用

第九章 生物氧化

slide56
高能键的转移

UTP(糖原合成)

CTP(磷脂合成)

GTP(蛋白质合成)

UDP

CDP

GDP

ATP +

ADP +

第九章 生物氧化

slide57
能量的储存(磷酸肌酸的生成)

肌肉和脑组织中能量的贮存形式

第九章 生物氧化

slide58
第五节 非线粒体氧化体系

一、微粒体氧化体系

加单氧酶系, monooxygenases, MOA

加单氧酶系

RH + O2 + NADPH + H+

ROH + NADP+ + H2O

Cytp450

(羟化酶)

第九章 生物氧化

slide59
二、过氧化物酶体氧化体系

(一)过氧化氢酶(catalase, CAT)

2H2O2 2H2O + O2

第九章 生物氧化

slide60
二、过氧化物酶体氧化体系

(二)过氧化物酶(peroxidase, POD)

Ar-OH

R-HO + H2O2R-COOH + 2H2O + NH3

R-NH2

第九章 生物氧化

slide61

某些组织细胞内:

谷胱甘肽过氧化物酶

(glutathion-peroxidase, GSH-Px)

H2O2 +2GSH GSSG + 2H2O

ROOH + GSH ROH + H2O +GSSG

第九章 生物氧化

superoxide dismutase sod
三、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)

SOD类型:

胞液 Cu.Zn-SOD; 线粒体 Mn-SOD

SOD

2 O2-· + 2HH2O2 + O2

CAT

2H2O + O2

第九章 生物氧化