中药第七章生物氧化

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• 。
目录
铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有铁原子和硫原
子，其中铁原子可进行Fe2+ Fe3++e 反应传递电子。
1
血红素c
复合体Ⅳ 细胞色素C氧 162 13 化酶
血红素a，a3， CuA, CuB
➢ 泛醌不包含在上述四种复合体中。
含结合位点
NADH（基质侧） CoQ（脂质核心） 琥珀酸（基质侧） CoQ（脂质核心） Cyt c（膜间隙侧）
Cyt c1， Cyt a Cyt c（膜间隙侧）
呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置
The discovery in 1948 by Eugene Kennedy and Albert Lehninger that mitochondria are the site of oxidative phosphorylation in eukaryotes marked the beginning of the modern phase of studies of biological energy transductions
目录
NADH氧化呼吸链
琥珀酸
FADH2氧化呼吸链
NADH
FMN Fe-S
ATP
FAD
Fe-S
CoQ
Cytb Fe-S Cytc1
ATP
CytC
Cytaa3
O2
பைடு நூலகம்ATP
2、化学渗透假说
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。
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(uncoupling protein，UCP1)。
解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）
热能
H+
胞液侧
第七章
生物氧化
Biological Oxidation
第一节
概述
目录
生物氧化的概念
物质在生物体内进行氧化称生物氧化，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
CO2 和 H2O的过程。
糖 脂肪 蛋白质
O2 CO2和H2O
能量
ADP+Pi
ATP
热能
一、生物氧化的特点
物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物 （CO2，H2O）和释放能量均相同。
In the early 1960s Peter Mitchell suggested chemiosmotic hypothesis
化学渗透假说简单示意图
线粒体膜
线粒体基质
ADP
H2O
ATP
+
e-
Pi
O2
----
++++
H+
H+
化学渗透假说详细示意图
胞液侧 H+
H+ H+ Cyt c
+
+++++ +
功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌
琥珀酸→
复合体Ⅱ FAD; Fe-S ;
→CoQ
3. 复合体Ⅲ: 泛醌-细胞色素c还原酶
功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c
复合体Ⅲ QH2→ b562; b566; Fe-S; c1 →Cyt c
细胞色素
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。
Cytc
胞液侧
Ⅰ
NADH+H+
NAD+
Q
Ⅱ
Ⅲ
延胡索酸
琥珀酸
Ⅳ
H2O 1/2O2+2H
线粒体内膜
基质侧
1. 复合体Ⅰ: NADH-泛醌还原酶
功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone)
NADH→
复合体Ⅰ FMN; Fe-S;
→CoQ
NAD+和NADP+的结构
R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+
Cyt c
解偶联 蛋白
Ⅰ
基质侧
Q Ⅱ
Ⅲ
F0 Ⅳ
F1
ADP+Pi ATP
H+
5、ATP合酶抑制剂
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
目录
线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运
转运蛋白 ATP-ADP转位酶 磷酸盐转运蛋白 二羧酸转运蛋白 α-酮戊二酸转运蛋白 天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白 单羧酸转运蛋白 三羧酸转运蛋白 碱性氨基酸转运蛋白
肉碱转运蛋白
进入线粒体 ADP3-
H2PO4- + H+ HPO42苹果酸 谷氨酸 丙酮酸 苹果酸 鸟氨酸 脂酰肉碱
ATP合酶组成可旋转的发动机样结构
当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流
时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。
ATP合酶的工作机制
目录
四、氧化磷酸化的影响因素
1、ADP
呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR)
2、甲状腺激素
Na+，K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。
出线粒体 ATP4-
是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化， 生成ATP，又称为偶联磷酸化。
目录
三、氧化磷酸化机制
1、氧化磷酸化偶联部位
氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ
根据自由能变化和P/O比值
⊿Gº'=-nF⊿Eº'
电子传递链自由能变化
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）。
生物氧化
体外氧化
是在细胞内温和的环境中（体温， 能量是突然释放的。 pH接近中性），在一系列酶催化下 逐步进行，能量逐步释放有利于机 体捕获能量，提高ATP生成的效率。
进行广泛的加水脱氢反应使物质能间 接获得氧，并增加脱氢的机会；脱下 的 氢 与 氧 结 合 产 生 H2O ， 有 机 酸 脱 羧 产生CO2。
Ⓢ 表示无机硫
铁硫蛋白
S 无机硫 S 半胱氨酸硫
目录
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。
NADH+H+ NAD+
FMN FMNH2
还原型Fe-S 氧化型Fe-S
Q QH2
2. 复合体Ⅱ: 琥珀酸-泛醌还原酶
目录
第二节
呼吸链
➢定义
指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具有电 子传递功能的酶复合体，可通过链锁的氧化还原将 代谢物脱下的电子最终传递给氧生成水。这一系列 酶和辅酶称为呼吸链(respiratory chain)又称电子传递链
(electron transfer chain)。
➢组成
递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e）
呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。
寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成
寡霉素
ATP合酶结构模式图
6、线粒体DNA突变
五、ATP的利用
ATP
肌酸
磷酸 肌酸
氧化磷酸化 底物水平磷酸化 ~P
ADP
生物体内能量的储存和利用 都以ATP为中心。
~P
机械能(肌肉收缩)
++
+
Q
F0
Ⅰ
-
-
NADH+H+
NAD+
Ⅱ
Ⅳ
- Ⅲ---
--
延胡索酸 琥珀酸
H2O 1/2O2+2H+
-
F1
基质侧
ADP+Pi ATP
H+
化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。
➢ 氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；
➢ 线粒体内膜对H+、OH－、K＋、Cl－离子是不通透的； ➢ 电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨
产 生 的 CO2 、 H2O 由 物 质 中
的碳和氢直接与氧结合生成。
二、生物氧化的过程
糖原
三酯酰甘油
葡萄糖
脂酸+甘油 乙酰CoA
蛋白质 氨基酸
TAC
CO2 2H
ADP+Pi ATP
呼吸链
H2O
三、二氧化碳生成方式 四、代谢物氧化方式
生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧 化还原反应的一般规律。
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)
肌酸激酶的作用
磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。
目录
目录
第四节 细胞质NADH的氧化
目录
线粒体内膜对各种物质进行选择性转运
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。
ATP →ADP＋Pi 乙酰辅酶A
ADP →AMP＋Pi 焦磷酸
1-磷酸葡萄糖
kJ/mol －61.9 －51.4 －49.3 －43.1 －30.5 －31.5 －27.6 －27.6 －20.9
△E0′
(kcal/mol) (－14.8) (－12.3) (－11.8) (－10.3) (－7.3) (－7.5) (－6.6) (－6.6) (－5.0)
核苷二磷酸激酶的作用
ATP + UDP ATP + CDP ATP + GDP
ADP + UTP ADP + CTP ADP + GTP
腺苷酸激酶的作用
ADP + ADP
ATP + AMP
目录
二、ATP的合成
1、底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation)
是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使 ADP磷酸化生成ATP的过程。
目录
一、呼吸链的组成
人线粒体呼吸链复合体
复合体
酶名称
复合体Ⅰ 复合体Ⅱ 复合体Ⅲ 细胞色素c
NADH-泛醌 还原酶
琥珀酸-泛醌 还原酶
泛醌-细胞色 素C还原酶
质量 (kD) 850
多肽 链数
39
功能辅基 FMN，Fe-S
140
4
FAD，Fe-S
250
11 血红素bL, bH, c1,
Fe-S
13
3、呼吸链抑制剂
➢ 复合体Ⅰ抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素 A(piericidin A)及异戊巴比妥(amobarbital)等阻
断传递电子到泛醌 。 ➢ 复合体Ⅱ的抑制剂：萎锈灵(carboxin)。
➢ 复合体Ⅲ抑制剂：抗霉素A(antimycin A)阻断Cyt bH
传递电子到泛醌(QN) 。 ➢ 复合体Ⅳ 抑制剂：CN－、N3－、CO阻断电子传递给
1. NADH氧化呼吸链
NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复 合体Ⅳ→O2
2. 琥珀酸氧化呼吸链
琥珀酸 →复合体Ⅱ →Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体 Ⅳ→O2
order
目录
NADH氧化呼吸链
琥珀酸
FADH2氧化呼吸链
NADH
FMN
Fe-S
FAD Fe-S
CoQ
Cytb Fe-S
O2。
各种呼吸链抑制剂的阻断位点
抗霉素A 二巯基丙醇
NADH
萎锈灵
琥珀酸
FAD
Fe-S
FMN
Fe-S
CoQ
×
×
Cytb Fe-S Cytc1
CytC
CO、CN-、
N3-及H2S ×
Cytaa3 O2
鱼藤酮 粉蝶霉素A 异戊巴 比妥
4、解偶联剂
解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联相互分
内膜电化学梯度；
➢ 增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而线粒体内膜 加入使质子通过物质可减少内膜质子梯度，结果电子虽可 以传递，但ATP生成减少。
目录
3、 ATP合酶
由亲水部分 F1（α3β3γδε亚基 ）
和 疏 水 部 分 F0
（ a1b2c9 ～ 12 亚 基 ）
组成。
ATP合酶结构模式图
Fe-S
4. 复合体Ⅳ: 细胞色素c氧化酶
功能：将电子从细胞色素c传递给氧
复合体Ⅳ 还原型Cyt c → CuA→a→a3→CuB → O2
其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。
二、呼吸链成分的排列顺序
由以下实验确定 ① 标准氧化还原电位 ② 拆开和重组 ③ 特异抑制剂阻断 ④ 还原状态呼吸链缓慢给氧
Cytc1
CytC
Cytaa3 O2
第三节
生物氧化与能量代谢
目录
一、高能化合物的种类
高能磷酸键
水解时释放的能量大于21kJ/mol的磷酸酯键，
常表示为P。
高能磷酸化合物
含有高能磷酸键的化合物
一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能
化合物
磷酸烯醇式丙酮酸 氨基甲酰磷酸
1，3-二磷酸甘油酸 磷酸肌酸
1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸
O=C O P ADP
ATP
C OH
CH2 O P 1,3-二磷酸
甘油酸
磷酸甘油酸激酶
COOH C OH
CH2 O P 3-磷酸甘油酸
磷酸甘油酸激酶(phosphoglycerate kinase)
2、氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)