第24章生物氧化

Biochemistry 生物化學(xué),碩士研究生入學(xué)考試 國家教育部指定考試科目 教材：王鏡巖主編（第三版） 高教出版社 主講:楊衛(wèi)民,Chapter24 生物氧化,Biological oxidation,生物能量轉(zhuǎn)換示意圖,前 言,1、生命活動(dòng)能量的來源,來自于體內(nèi)糖、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物的氧化，生物體內(nèi)的氧化和外界的燃燒在化學(xué)本質(zhì)上相同，方式不同。,2、什么是生物氧化？,有機(jī)分子在機(jī)體內(nèi)氧化分解成CO2和H2O并釋放出能量的過程，稱為生物氧化（細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸）。 生物氧化在形式上雖有加氧、脫氫和失電子的不同形式，但從氧化的基本概念來看，生物氧化與體外的化學(xué)氧化，實(shí)質(zhì)相同，即一種物質(zhì)丟失電子是氧化，得到電子是還原。,特點(diǎn)與意義：在近中性和約37C的水溶液中逐步進(jìn)行的一系列酶促反應(yīng)；逐步釋放的能量，一部分用于維持體溫，另一部分用來合成ATP供機(jī)體利用。,Chapter24 生物氧化,Chapter24 生物氧化,一、氧化還原電勢(shì),1、氧化還原反應(yīng)的概念,氧化還原反應(yīng)：凡在反應(yīng)過程中有電子從一物質(zhì)（還原劑）轉(zhuǎn)移到另一物質(zhì)（氧化劑）的化學(xué)反應(yīng)。 An+ + ne=A,2、氧化還原電勢(shì)的概念,電動(dòng)勢(shì)（）：=E（正極電極電勢(shì)） E（負(fù)極電極電勢(shì)）,3、生物體內(nèi)重要的氧化還原電勢(shì)（117頁）,在生物氧化反應(yīng)中，氧化與還原總是相互偶聯(lián)的。一個(gè)化合物（還原劑）失去電子，必然伴隨另一個(gè)化合物(氧化劑）接受電子。在線粒體呼吸鏈中，推動(dòng)電子從NADH傳遞到O2的力，是由于NAD+ / NADH + H+ 和1/2 O2 / H2O兩個(gè)半反應(yīng)之間存在很大的電勢(shì)差。 (a) O2 + 2 H+ + 2 e- H2O E0 = +0.82 V (b) NAD+ + H+ + 2 e- NADH E0 = -0.322 V 將 (a) 減去 (b)，即得 (c) 式： (c) O2 + NADH + 2H+ H2O + NAD+ E0 = +1.14 V 每形成1mol ATP需要約50kJ能量，每形成1mol NADPH便有2mol e-從0.82V(H2O/O2氧化還原電位)上升到0.32V(NADPH電位)。這一過程的自由能變化為 G =-nF E0 =-2 96500 1.14 = -220 kJ / mol,氧化-還原電勢(shì)與自由能的變化,二、電子傳遞過程和氧化呼吸鏈,（一）生物氧化的方式,生物氧化中物質(zhì)的氧化方式包括加氧、脫氫和失電子，與化學(xué)上氧化還原的概念是一致的，但需遞氫體和遞電子體。,（糖、脂肪、氨基酸等） 脫氫,脫氫酶的輔酶（氧化型）NAD+、FAD,還原型輔酶（NADH、FADH2）,氫以質(zhì)子形式脫下，進(jìn)入遞氫體,電子沿一系列的電子傳遞體轉(zhuǎn)移，最后轉(zhuǎn)移到分子氧，同時(shí)逐步釋放大量的自由能，ADP磷酸化形成ATP。,質(zhì)子和離子氧結(jié)合生成水,生物組織CO2的產(chǎn)生主要是有機(jī)酸在酶的催化下脫羧反應(yīng)完成的。,（二）電子傳遞過程,什么是電子傳遞過程？還原型輔酶通過電子傳遞再氧化，這個(gè)過程稱為電子傳遞過程。電子傳遞和ATP形成的偶聯(lián)機(jī)制稱為氧化磷酸化作用，該全過程又稱氧化呼吸鏈或呼吸代謝。（118頁）,電子傳遞鏈的部位：原核細(xì)胞存在于質(zhì)膜上，真 核細(xì)胞存在于線粒體內(nèi)膜上。,（三）呼吸鏈（電子傳遞鏈）概念的建立,它是指代謝物上脫下的氫經(jīng)一系列遞氫體或電子傳遞體的依次傳遞，最后傳給分子氧從而生成水的全部體系。 按照還原電勢(shì)大小排列，即電子親和力不斷增加的順序,待氧化底物,NAD+,E-FMN,FeS,CoQ,Cyt-b,Cyt-c,Cyt-a,O2,NADH,2H+,1/2O,H2O,呼吸鏈（電子傳遞鏈）各組成成分在線粒體內(nèi)膜上的定位 1、各組分不對(duì)稱分布；2、高能質(zhì)子泵出，形成H+ 電化學(xué)梯度,（四）呼吸鏈（電子傳遞鏈）各個(gè)成員, NADH：還原型輔酶,它是由NAD+接受多種代謝產(chǎn)物脫氫得到的產(chǎn)物。NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。,（四）呼吸鏈（電子傳遞鏈）各個(gè)成員,鐵硫蛋白,鐵硫蛋白(簡寫為Fe-S)是一種與電子傳遞有關(guān)的蛋白質(zhì)，它與NADHQ還原酶的其它蛋白質(zhì)組分結(jié)合成復(fù)合物形式存在。,它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有兩個(gè)活潑的無機(jī)硫和兩個(gè)鐵原子。鐵硫蛋白通過Fe3+ Fe2+ 變化起傳遞電子的作用,（四）呼吸鏈（電子傳遞鏈）各個(gè)成員, NADH泛醌還原酶,簡寫為NADHQ還原酶, 即復(fù)合物I，它的作用是催化NADH的氧化脫氫以及Q的還原。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。 NADHQ還原酶最少含有16個(gè)多肽亞基。它的活性部分含有輔基FMN和鐵硫蛋白。 FMN的作用是接受脫氫酶脫下來的電子和質(zhì)子，形成還原型FMNH2。還原型FMNH2可以進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)移給Q。 NADHQ還原酶 NADH + Q + H+ = NAD+ + QH2, NADH泛醌還原酶,（四）呼吸鏈（電子傳遞鏈）各個(gè)成員, 泛醌,（簡寫為Q）或輔酶-Q（CoQ）：它是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為一種脂溶性醌類化合物。,Q (醌型結(jié)構(gòu)) 很容易接受電子和質(zhì)子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出電子和質(zhì)子，重新氧化成Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。,（四）呼吸鏈（電子傳遞鏈）各個(gè)成員, 泛醌細(xì)胞色素c還原酶,簡寫為QH2-cyt. c還原酶, 即復(fù)合物III, 它是線粒體內(nèi)膜上的一種跨膜蛋白復(fù)合物，其作用是催化還原型QH2的氧化和細(xì)胞色素c（cyt. c）的還原。 QH2-cyt. c 還原酶 QH2 + 2 cyt. c (Fe3+) = Q + 2 cyt. c (Fe2+) + 2H+ QH2-cyt. c還原酶由9個(gè)多肽亞基組成。活性部分主要包括細(xì)胞色素b 和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。, 泛醌細(xì)胞色素c還原酶,（四）呼吸鏈（電子傳遞鏈）各個(gè)成員,細(xì)胞色素,（簡寫為cyt. ）是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環(huán)的中心，構(gòu)成血紅素。各種細(xì)胞色素的輔基結(jié)構(gòu)略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有細(xì)胞色素a, b, c 和c1等，組成它們的輔基分別為血紅素A、B和C。細(xì)胞色素a, b, c可以通過它們的紫外-可見吸收光譜來鑒別。 細(xì)胞色素主要是通過Fe3+ Fe2+ 的互變起傳遞電子的作用的。,（四）呼吸鏈（電子傳遞鏈）各個(gè)成員, 細(xì)胞色素c（cyt.c）,它是電子傳遞鏈中一個(gè)獨(dú)立的蛋白質(zhì)電子載體，位于線粒體內(nèi)膜外表，屬于膜周蛋白，易溶于水。它與細(xì)胞色素c1含有相同的輔基，但是蛋白組成則有所不同。在電子傳遞過程中，cyt. c通過Fe3+ Fe2+ 的互變起電子傳遞中間體作用。,（四）呼吸鏈（電子傳遞鏈）各個(gè)成員, 細(xì)胞色素c氧化酶,簡寫為cyt. c 氧化酶，即復(fù)合物IV，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復(fù)合物，由12個(gè)多肽亞基組成?；钚圆糠种饕╟yt. a和a3。,（四）呼吸鏈（電子傳遞鏈）各個(gè)成員, 細(xì)胞色素c氧化酶,cyt. a和a3組成一個(gè)復(fù)合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。cyt. a a3可以直接以O(shè)2為電子受體。 在電子傳遞過程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+ Cu2+ 的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2。,琥珀酸-Q還原酶,（四）呼吸鏈（電子傳遞鏈）各個(gè)成員,琥珀酸是生物代謝過程（三羧酸循環(huán)）中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，它在琥珀酸-Q還原酶（復(fù)合物II）催化下，將兩個(gè)高能電子傳遞給Q。再通過QH2-cyt, c還原酶、cyt. c和cyt. c氧化酶將電子傳遞到O2。,琥珀酸-Q還原酶也是存在于線粒體內(nèi)膜上的蛋白復(fù)合物, 它比NADH-Q還原酶的結(jié)構(gòu)簡單，由4個(gè)不同的多肽亞基組成。其活性部分含有輔基FAD和鐵硫蛋白。 琥珀酸-Q還原酶的作用是催化琥珀酸的脫氫氧化和Q的還原。,（五）生物氧化的兩種體系,依據(jù)細(xì)胞定位和功能的不同劃分為：,線粒體氧化體系：發(fā)生在細(xì)胞線粒體內(nèi)，以提供能量（產(chǎn)生ATP）為主要功能的生物氧化體系?！鞍l(fā)電站”,非線粒體氧化體系：發(fā)生在細(xì)胞線粒體外，行使特殊作用（如清除代謝有害物）為主要功能的生物氧化體系。,（四）參與生物氧化的酶類,氧化酶類：如細(xì)胞色素氧化酶類，易被CO、氰化物等抑制。,需氧脫氫酶類：該類酶都是以FMN或FAD為輔基作為遞氫體的結(jié)合酶類，不易被CO、氰化物等抑制。,不需氧脫氫酶類：該類酶都是以NAD+（或NADP+）為輔酶、以FMN（或FAD）為輔基作為遞氫體的結(jié)合酶類,（六）線粒體呼吸鏈的類型,呼吸鏈按其組成成分、排列順序和功能上的差異，目前普遍認(rèn)為生物體有兩條典型的呼吸鏈即NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈,NADH呼吸鏈：是人和動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)的主要呼吸鏈。因?yàn)镹AD+（又叫輔酶I）是生物體內(nèi)大多數(shù)脫氫酶的輔酶。每傳遞一對(duì)電子釋放的自由能可產(chǎn)生2.5分子ATP,FADH2呼吸鏈：以FADH2起始而得名。每傳遞一對(duì)電子釋放的自由能可產(chǎn)生1.5分子ATP。,呼吸鏈的作用：（1）代謝水的生成；（2）能量的生成。,NADH呼吸鏈，每傳遞一對(duì)電子釋放的自由能 可形成2.5分子ATP。,FADH2呼吸鏈，每傳遞一對(duì)電子釋放的自由能 可形成1.5分子ATP。,（七）電子傳遞的抑制劑（128頁）,概念：能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子傳遞的物質(zhì)稱為電子傳遞抑制劑。常見的有魚藤酮、抗霉素A、氰化物等等。,抑制劑的作用部位： 1、魚藤酮等：阻斷電子由DANH向CoQ的傳遞。 2、抗霉素A：抑制電子從還原型CoQ（QH2）到細(xì)胞色素的傳遞作用。 3、氰化物、CO等：阻斷電子在細(xì)胞色素氧化酶中的傳遞作用。,三、氧化磷酸化作用,（一）線粒體的結(jié)構(gòu)要點(diǎn)（130頁）,Chapter24 生物氧化,是需氧細(xì)胞生命活動(dòng)的能量 來源“發(fā)電站”。,兩層膜；內(nèi)膜有許多向內(nèi)折疊的嵴，形成內(nèi)膜球體結(jié)構(gòu)。,Chapter24 生物氧化,三、氧化磷酸化作用,（二）氧化磷酸化作用的概念,與生物氧化作用相伴而發(fā)生的電子沿呼吸鏈傳遞的氧化作用和釋放的自由能轉(zhuǎn)移給ADP，使ADP磷酸化生成高能ATP相偶聯(lián)的過程，叫氧化磷酸化作用。,氧化磷酸化的全過程用方程式表示如下：,NADH + H+ + 3ADP + 3Pi + O2 NAD+ + 4H2O + 3ATP,如：2-磷酸-甘油酸脫水所引起的內(nèi)部能量重新分布，能量與ADP作用產(chǎn)生一個(gè)ATP,Chapter24 生物氧化,三、氧化磷酸化作用,（三）氧化磷酸化作用的機(jī)制,1、P/O比值,定義：每消耗1 mol 原子氧時(shí)，ADP磷酸化攝取無機(jī)磷（酸）的mol 數(shù)（也即生成ATP的mol 數(shù)）,NADH P/O = 3 FADH2 P/O = 2,Chapter24 生物氧化,三、氧化磷酸化作用,2、ADP 形成ATP 的部位,部位I：NADH和輔酶Q之間 部位II：輔酶Q和cyt-c之間 部位III： cyt-a 和 O 之間,NADH FADH2 1分子ATP 無 1分子ATP 1分子ATP 1分子ATP 1分子ATP,代謝物脫出的氫，大多數(shù)通過呼吸鏈完成其氧化過程。ATP的形成也主要靠呼吸鏈的氧化磷酸化作用。,Chapter24 生物氧化,三、氧化磷酸化作用,3、氧化磷酸化作用機(jī)制的解釋,偶聯(lián)機(jī)制化學(xué)滲透學(xué)說,化學(xué)滲透假說的要點(diǎn)是： a. 線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€(gè)質(zhì)子泵； b. 在電子傳遞鏈中，電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時(shí)釋放出來的能量，用于驅(qū)動(dòng)膜內(nèi)側(cè)的H+遷移到膜外側(cè)（膜對(duì)H+是不通透的）。這樣，在膜的內(nèi)側(cè)與外側(cè)就產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度 (pH) 和電位梯度（）；,c. 在膜內(nèi)外勢(shì)能差（pH 和）的驅(qū)動(dòng)下，膜外高能質(zhì)子沿著一個(gè)特殊通道（ATP酶的組成部分），跨膜回到膜內(nèi)側(cè)。質(zhì)子跨膜過程中釋放的能量，直接驅(qū)動(dòng)ADP和磷酸合成ATP。,Chapter24 生物氧化,三、氧化磷酸化作用,3、氧化磷酸化作用機(jī)制的解釋,化學(xué)滲透學(xué)說,構(gòu)象學(xué)說,這一學(xué)說與上述化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說相似，是1964 PDBoyer提出的。其論點(diǎn)認(rèn)為呼吸作用放出的能被偶聯(lián)膜（即線粒體內(nèi)膜）的一種含蛋白質(zhì)的還原型電子遞體（Ared）吸收，吸收能量的Ared即變構(gòu)而成為激活態(tài)的氧化型構(gòu)象Aox，這種Aox即促進(jìn)ADP磷酸化而產(chǎn)生ATP。,Chapter24 生物氧化,三、氧化磷酸化作用,（四）氧化磷酸化作用與底物水平磷酸化作用的原則區(qū)別,底物水平磷酸化作用是指代謝物在分解代謝過程中由于脫氫或脫水等作用使能量在分子內(nèi)部重新分配，形成高能磷酸化合物，然后將高能磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到ADP形成ATP的過程。,區(qū)別：氧化磷酸化作用ATP的生成基于與呼吸鏈電子傳遞相偶聯(lián)的磷酸化作用；而底物水平磷酸化作用則基于酶的催化將高能磷酸基團(tuán)直接轉(zhuǎn)移生成ATP。,Chapter24 生物氧化,三、氧化磷酸化作用,（五）氧化磷酸化作用解偶聯(lián)和抑制,解偶聯(lián)劑：使電子傳遞和ATP形成兩個(gè)過程分離，特點(diǎn)是抑制ATP形成，但不抑制電子傳遞過程，結(jié)果造成過分地利用氧和燃