生物氧化第八章生物化學(xué)

1、第八章 代謝與生物氧化,本 章 要 點,代謝總論：基本概念、原理、特點 生物氧化的特點、體系 電子傳遞鏈的定義、組成、特點及作用 氧化磷酸化的定義、偶聯(lián)機制及意義 教材：第19、20、24、39章,第一節(jié) 代謝總論,一、基本概念,新陳代謝(Metabolism) ：泛指生物與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的過程。 分解代謝/異化作用（catabolism）：指細(xì)胞從環(huán)境中攝取的或是本身所含有的各種復(fù)雜的大分子降解為小的簡單分子的過程，有化學(xué)能釋放。 合成代謝/同化作用（anabolism）：指從簡單的生物小分子合成細(xì)胞的組成成分，需要吸收能量。 物質(zhì)代謝：指糖類、脂類、蛋白質(zhì)、核酸等的合成和分解代

2、謝。 能量代謝：伴隨物質(zhì)代謝產(chǎn)生的機械能、化學(xué)能、熱能及光、電能的相互轉(zhuǎn)化,自養(yǎng)生物（autotroph):從環(huán)境中獲取CO2、H2O，利用太陽能合成有機物（糖類）的生物，如高等植物、光合細(xì)菌、藍(lán)綠藻等。 異養(yǎng)生物（heterotroph）：依賴自養(yǎng)生物所制造的有機物為碳源，利用復(fù)雜化合物分解釋放的化學(xué)能維持生命的生物，如高等動物、人和大多數(shù)微生物。 代謝途徑（metabolic pathway）：每一種物質(zhì)的分解合成代謝所經(jīng)歷的一系列酶促反應(yīng)的總過程。 中間代謝（intermediary metabolism）：指代謝途徑中的一系列酶促反應(yīng)。 代謝物（metabolite）：指代謝反應(yīng)中的任

3、一個反應(yīng)物，中間物或產(chǎn)物。 新陳代謝的研究方法（P15,二、代謝的特點 (P538第39章,反應(yīng)鏈的形式：線性反應(yīng)途徑、環(huán)狀反應(yīng)途徑、螺旋形反應(yīng)途徑,代謝途徑是由一系列酶促反應(yīng)構(gòu)成,分解代謝：蛋白質(zhì)、多糖、脂類等生物大分子降解為主要 構(gòu)件分子（階段1）。 如：多糖戊糖或己糖，脂肪甘油、脂肪酸 構(gòu)件分子降解為更小、更簡單的中間物（階段2）。 如：戊糖、己糖、甘油丙酮酸乙酰CoA 中間產(chǎn)物最終降解為CO2、H2O、NH3等（階段3）。 如：乙酰CoA 三羧酸循環(huán) CO2、H2O,合成代謝：利用各種小分子為原料合成中間物（階段1） 合成各種生物大分子的構(gòu)件單元（階段2）。 從構(gòu)件分子合成大分子化合物

4、（階段3）。 如：乙酰CoA 脂肪酸 脂類,代謝過程一般分為三階段進(jìn)行,ATP是代謝反應(yīng)中能量轉(zhuǎn)移的重要載體，稱為“能量通用貨幣,分解代謝與相應(yīng)的合成代謝途徑通常是不重合的，存在差別,NADPH以還原力形式攜帶能量,NADPH將能量供給還原性的生物合成需要，而NADH和FADH2 是作為生物氧化過程中氫和電子攜帶者，經(jīng)電子傳遞鏈，用于產(chǎn)生ATP,各種代謝途徑定位于細(xì)胞不同區(qū)域（區(qū)室化,表：主要代謝途徑（多酶體系）在細(xì)胞內(nèi)的分布,DNA及RNA合成 細(xì)胞核 糖酵解 胞液 蛋白質(zhì)合成 胞液，內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 磷酸戊糖途徑 胞液 糖原合成 胞液 糖異生 胞液，線粒體 脂肪酸合成 胞液 脂肪酸-氧化 線粒體 膽

5、固醇合成 胞液，內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 三羧酸循環(huán) 線粒體 磷脂合成 內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 氧化磷酸化 線粒體 血紅素合成 胞液，線粒體 尿素合成 胞液，線粒體,P552 圖3916,細(xì)胞代謝是一個經(jīng)濟(jì)的、精密的調(diào)節(jié)過程,表：某些重要代謝途徑的關(guān)鍵酶（限速酶,糖原降解 磷酸化酶 糖原合成 糖原合酶 糖酵解 己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶 糖有氧氧化 丙酮酸脫氫酶系、檸檬酸合酶、異檸檬酸脫氫酶 糖異生 丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸激酶、果糖1，6二磷酸酶 脂肪酸合成 乙酰輔酶A羧化酶 膽固醇合成 HMG輔酶A還原酶,1、熱力學(xué)第一定律：在一定狀態(tài)下系統(tǒng)中的能量可以從 一種形式轉(zhuǎn)變成另一種形式，但總能量保持不變。 UUf

6、 Ui = QW U：內(nèi)能變化 Uf ，Ui：狀態(tài)起始和終末的內(nèi)能 Q：體系從環(huán)境吸收的熱量 W：體系對環(huán)境所做的功 2、熱力學(xué)第二定律：任何一個自發(fā)進(jìn)行的過程總是趨向使其 無序程度（熵值）增加，直到平衡。 S總 S 系 S 環(huán) S總 0 一切自發(fā)過程總的熵變?yōu)檎?S總 0 非自發(fā)過程總的熵變?yōu)樨?fù)值 S總 0 平衡過程，可逆過程,三、熱力學(xué)原理是代謝研究的基礎(chǔ) （p23第20章,GHTS H：熱焓變化，代表總能量的變化 G0：反應(yīng)不可能自發(fā)進(jìn)行（ S 0） G0：反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行（ S0） G0：反應(yīng)處于平衡狀態(tài)（ HTS） （1） G是狀態(tài)函數(shù)，與變化途徑、反應(yīng)機理無關(guān)，僅決定于起始反應(yīng)物和終

7、產(chǎn)物濃度和性質(zhì)。 （2） G與反應(yīng)速度無關(guān),3、自由能：某一系統(tǒng)總能量中，能夠在恒定壓力和溫度下做功的能量。(p27,4、反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化與反應(yīng)的平衡常數(shù)的關(guān)系,標(biāo)準(zhǔn)自由能變化的應(yīng)用與意義 P31-33,An+ + ne- A B B n+ + ne- An+ + B A + B n+ 標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢（標(biāo)準(zhǔn)還原勢，EX+/X）：表示一種物質(zhì)得失電子能力，通過一定的化學(xué)原電池可以測定。 （P115,以標(biāo)準(zhǔn)氫電極為參比電極 （ E H+/H2= 0） E ：25，1大氣壓，pH =0， 氧化型=還原型=1M E ：pH =7 E 數(shù)值越負(fù)，失電子能力越強， 強還原劑。 E 數(shù)值越正，得電子能

8、力越強， 強氧化劑。 E正極 E負(fù)極 ：電動勢 E：電極勢,5、生物氧化中的自由能變化 （p114,P117,標(biāo)準(zhǔn)還原電勢與標(biāo)準(zhǔn)自由能變化的關(guān)系： GnFE n：轉(zhuǎn)移的電子數(shù) F：法拉第常數(shù)（96.48kJV1mol-1） E：氧化和還原的標(biāo)準(zhǔn)還原電勢差,例： NAD2H2e NADHH E0.32V 1/2O22H2e H2O E=0.82V 凈反應(yīng)方程式為： NADH1/2O2HNADH2O E1.14V 標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化： G（2）（96.48kJV1mol-1）（1.14V）220kJmol-1 由ADPPi生成ATP的自由能變化是30.5kJ mol-1，在生理條件下NADH氧化釋放

9、出的能量足可以驅(qū)動幾個ATP分子的形成,四、高能化合物,1、定義：指含有高能鍵的化合物，該鍵水解時釋放出大量的 自由能（20.92kJ），用表示。（P34） 2、類型： （1）磷氧鍵型（-OP）；（2）磷氮鍵型（-HNP）； （3）硫酯鍵型：如?；o酶A；（4）甲硫鍵型：如S-腺苷甲硫氨酸,ATP在細(xì)胞內(nèi)的功能： 作為磷酸基團(tuán)傳遞體 驅(qū)動合成反應(yīng) 細(xì)胞運動或肌肉收縮 跨膜逆濃度剃度主動轉(zhuǎn)運營養(yǎng)物質(zhì) DNA、RNA、蛋白質(zhì)生物合成過程中傳遞遺傳信息,3、ATP,其它高能化合物的能量可以與ATP的合成耦聯(lián)（p39圖20-2,動物肌肉細(xì)胞中的磷酸肌酸（脊椎動物）和磷酸精氨酸（無脊椎動物） ，在激酶催

10、化下磷?；鶊F(tuán)轉(zhuǎn)移到ADP上，形成ATP,第二節(jié) 生物氧化的方式和特點,一、生物氧化(Biological oxidation)基本概念,1、定義：又稱細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸，指生物體內(nèi)有機物進(jìn)行的氧化分解，生成CO2和H2O，并釋放能量的過程。 2、生物氧化過程： 糖類葡萄糖 脂類脂肪酸 乙酰CoA等中間物 蛋白質(zhì)氨基酸 乙酰CoA等 TCA Cycle 碳骨架 CO2 NADH、NADPH、FADH2 還原型輔酶進(jìn)入氧化呼吸鏈，將電子最終傳給氧，生成H2O，同時釋放能量,二、生物氧化的特點,1、有機分子發(fā)生的一系列化學(xué)變化是酶促反應(yīng)。是在常溫、常壓、中性pH和有水的環(huán)境中進(jìn)行。 2、采取分次逐步

11、釋放能量的方式，使能量得到充分貯存和利用。 3、能量絕大部分以ATP形式暫時貯存，電子從還原型輔酶O2過程釋放的能量占全部氧化產(chǎn)能的大部分。 4、碳的氧化和氫的氧化是非同步進(jìn)行的。氧化過程中脫下來的氫質(zhì)子和電子，通常由各種載體傳遞。 5、水的作用：提供環(huán)境、參與反應(yīng)過程、加水脫氫產(chǎn)生能量,三、生物氧化的方式,1脫氫氧化反應(yīng),1）直接脫氫 催化脫氫反應(yīng)的是各種類型的脫氫酶,例：烷基脂肪酸脫氫,琥珀酸脫氫酶,醛酮脫氫,乳酸脫氫酶,2）加水脫氫,例：醛氧化成酸,2氧直接參加的氧化反應(yīng),加氧酶能夠催化氧分子直接加入到有機分子中,氧化酶： 通過激活氧，從而催化代謝物的氫傳給活化氧生成水,O2 2O2-

12、對苯二酚 + 1/2O2 醌 + H2O,3脫電子,1）直接脫羧作用,脫羧,脫羧,2）氧化脫羧作用,在脫羧過程中伴隨著氧化（脫氫,四二氧化碳的生成,五、H2O的生成,代謝物脫下的氫經(jīng)生物氧化作用和吸入的氧結(jié)合生成水,MH2,M,遞氫體,遞氫體H2,NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ,還原型,氧化型,Cyt遞電子體 b, c1, c, aa3,2H,2e,O2,O2,H2O,脫氫酶,氧化酶,六、參與生物氧化的物質(zhì),1、脫氫酶：使代謝物一定部位的氫活化并脫落。 （1）以黃素核苷酸為輔基的脫氫酶（黃素酶/黃酶,FAD(黃素-腺嘌呤二核苷酸)和FMN(黃素單核苷酸)是核黃素(維生素B2)的衍

13、生物,根據(jù)受氫體不同，分為兩類： 需氧黃酶：激活代謝物分子中的氫，并以分子氧為直接受氫體，生成H2O2，與能量產(chǎn)生關(guān)系不大。如：胺氧化酶（FAD）、黃嘌呤氧化酶（FAD）、L-氨基酸氧化酶（FMN）。 不需氧黃酶：不以氧為直接受氫體，代謝物脫下的氫先傳給中間傳遞體，最后才傳給氧生成H2O，與能量生成有關(guān)。如：琥珀酸脫氫酶（FAD）、脂酰CoA脫氫酶（FAD）、NADH脫氫酶（FMN）、磷酸甘油脫氫酶（FAD,脫氫作用方式,2）以煙酰胺核苷酸為輔酶的脫氫酶（不需氧脫氫酶,NAD+ (煙酰胺-腺嘌呤二核苷酸，又稱為輔酶I) 和NADP+(煙酰胺-腺嘌呤磷酸二核苷酸,又稱為輔酶II )是維生素?zé)燉０?/p>

14、（VPP）的衍生物,如：異檸檬酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶、3-磷酸甘油醛脫氫酶、 脂酰CoA脫氫酶等,表 一些重要的煙酰胺核苷酸脫氫酶,是含銅或鐵的蛋白質(zhì)，通過激活分子氧，把代謝物的氫 傳給氧生成水。在無氧情況下不能發(fā)揮作用。 如：細(xì)胞色素氧化酶、酚氧化酶、抗壞血酸氧化酶。 特點：1）不能直接催化底物脫氫，而是接受中間體傳遞 的電子；2）以O(shè)2作為直接受氫體，生成H2O； 3）輔因子：含銅離子、鐵卟啉； 4）抑制劑：受呼吸抑制劑影響，CO、CN-、N3,3、加氧酶,2、氧化酶,是生物氧化中起中間傳遞氫或傳遞電子作用的物質(zhì)。（存在于 不需氧脫氫酶氧化體系,P121,黃素蛋白（FP）（又稱黃酶，即黃素

15、核苷酸脫氫酶） 以FMN或FAD為輔基，接受NADH + H+ 脫氫。 輔酶Q，又稱泛醌(P122) 是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白載體,4、傳遞體,1）遞氫體,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是一個雙電子載體，也容易給出電子和質(zhì)子，重新氧化成Q,細(xì)胞色素體系（含鐵卟啉的色蛋白） 種類：細(xì)胞色素a、a3、b、c、c1?？梢酝ㄟ^吸收光譜來鑒別。主要是通過Fe3+ Fe2+ 的互變傳遞電子，是單電子傳遞體。(p124表24-3） 細(xì)胞色素c是電子傳遞鏈中唯一能溶于水的細(xì)胞色素，是獨立的蛋白質(zhì)電子載體。 Cytaa3又稱細(xì)胞色素氧化酶，除鐵卟啉外，還含銅離子。在電子

16、傳遞過程中，可以發(fā)生Cu+ Cu2+ 的互變。直接以氧分子為電子受體生成O2,2）遞電子體,細(xì)胞色素C1的結(jié)構(gòu),鐵硫蛋白（Fe-S） P122 在線粒體內(nèi)膜上，常與黃酶、細(xì)胞色素結(jié)合成復(fù)合物，又稱鐵-硫中心，通過Fe3+ Fe2+ 變化傳遞電子,一、線粒體膜結(jié)構(gòu)的特點,1948年，Eugene Kennedy等發(fā)現(xiàn)：真核細(xì)胞線粒體內(nèi)膜上進(jìn)行 電子傳遞和氧化磷酸化，故線粒體內(nèi)膜是生物氧化呼吸的重要場所,第三節(jié) 氧化呼吸鏈與氧化磷酸化,1、外膜：平滑、富有彈性，允許各種離子、小分子通過，特有單胺氧化酶。 2、內(nèi)膜：嵴、內(nèi)膜球體、生物活性蛋白，Cytaa3是標(biāo)志酶。 3、基質(zhì)：內(nèi)膜內(nèi)部分隔中的液體，

17、膠狀，含50%蛋白質(zhì)。含TCA的酶和脂肪酸氧化的酶，蘋果酸脫氫酶、谷氨酸脫氫酶是標(biāo)志酶,二、生物氧化體系,1）呼吸鏈：是以氧作為最終受氫體的由一系列傳遞體以及相應(yīng)酶組成的并按一定順序排列的生物氧化還原鏈,又叫電子傳遞鏈。原核生物存在于質(zhì)膜，真核生物存在于線粒體內(nèi)膜,1、線粒體氧化體系,組成成分： 以NAD或NADP為輔酶的脫氫酶。 以FMN或FAD為輔基的黃素酶。 鐵硫蛋白：與傳遞電子有關(guān)。 輔酶Q：遞氫體 細(xì)胞色素：電子傳遞體,兩條呼吸鏈：NADH氧化呼吸鏈（主要） 琥珀酸氧化呼吸鏈（FADH2呼吸鏈,排列順序,2）呼吸鏈的組成及排列順序 P120,呼吸鏈中各傳遞體的順序是有專一性，不能顛倒

18、 由O2生成H20的反應(yīng)是不可逆的 輔酶Q和Cytc是呼吸鏈中不同復(fù)合物間可流動的氫或電子傳遞體 呼吸鏈的傳遞體復(fù)合物(P121圖24-3,說明,復(fù)合物I，NADH脫氫酶（NADHQ還原酶）, 催化NADH的氧化脫氫以及Q的還原，活性部分含有輔基FMN/FAD和鐵硫蛋白。是第一個質(zhì)子泵。 NADHQ還原酶 NADH + H+ + Q = NAD+ + QH2,NADH還原酶（FMN/FAD） + 2（Fe-S）+ CoQ,復(fù)合物III,泛醌-細(xì)胞色素C還原酶（QH2-cytc還原酶），催化還原型QH2的氧化和細(xì)胞色素c（cytc）的還原?；钚圆糠种饕?xì)胞色素b 和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe

19、-2S,QH2-cytc 還原酶 QH2 + 2 cytc (Fe3+) = Q + 2 cytc (Fe2+) + 2H,2Cytb + Cytc1 +（Fe-S,Q循環(huán)（p126,復(fù)合物IV，細(xì)胞色素氧化酶（cytc 氧化酶），活性部分主要包括cyta和a3，除了含有鐵卟啉外，還含有銅離子。將cytc所攜帶的電子傳遞給O2,細(xì)胞色素氧化酶 1/2O2 + 2 cytaa3 (Cu+) = O2- + 2 cytaa3 (Cu2,O2- + 2H+ = H2O,Cyta + Cyta3,復(fù)合物II，琥珀酸脫氫酶（又稱琥珀酸-Q還原酶），催化琥珀酸脫氫，并將兩個高能電子傳遞給Q。再通過QH2-

20、cytc還原酶、細(xì)胞色素氧化酶將電子傳遞到O2?；钚圆糠趾休o基FAD和鐵硫蛋白,琥珀酸Q還原酶 琥珀酸 + Q = 延胡索酸 + QH2,琥珀酸脫氫酶（FAD） + 2（Fe-S,NADH氧化呼吸鏈,琥珀酸氧化呼吸鏈,加氧體系（微粒體氧化體系，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)片段） 過氧化體氧化體系（微體中處理H2O2） 多酚氧化酶體系、抗壞血酸氧化酶體系、乙醇酸氧化酶體系（葉綠體,2、其他生物氧化體系,三、氧化磷酸化,定義：在線粒體中，底物分子脫下的氫經(jīng)電子傳遞鏈傳給氧，在此過程中釋放能量使ADP磷酸化生成ATP，這種氧化與磷酸化相偶聯(lián)的反應(yīng)稱為氧化磷酸化，是生物體合成ATP的主要方式。 電子傳遞與ATP形成耦聯(lián)

21、三個部位:NADHCoQ ；CoQCytc；Cytaa3O2,G0 = -nFE0 n:電子數(shù) ：96.5 KJ/molNADHCoQ E0 = 0.36V G0 = - 69.5kJ/molCoQCytc E0 = 0.19V G0 = -36.7 kJ/molCytaa3O2 E0 =0.53V G0 = - 102.3 kJ/molFADH2 CoQ E0 =0.01V G0 = -2kJ/molNADH鏈： 2.5ATP FADH2鏈：1.5ATP,計算各階段釋放的自由能,0.03,P/O：每消耗1mol原子氧時ADP磷酸化攝取無機磷酸的摩爾數(shù)(即合成ATP的摩爾數(shù),P/O比值測定,通

22、過測定氧化磷酸化過程中氧的消耗與無機磷酸消耗的比例關(guān)系，可以反映底物脫氫氧化與ATP生成之間的比例關(guān)系,丙酮酸乙酰輔酶A P：O=2.5， 蘋果酸草酰乙酸 P：O=2.5， -酮戊二酸琥珀酸 P：O=3.5 異檸檬酸-酮戊二酸 P：O=2.5,氧化呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上，當(dāng)氧化反應(yīng)進(jìn)行時，H+通過氫泵作用被排斥到線粒體內(nèi)膜外側(cè)（膜間腔），從而形成跨膜pH梯度和跨膜電位差。這種形式的“勢能”被存在于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基團(tuán)，并與ADP結(jié)合而合成ATP,質(zhì)子的轉(zhuǎn)移主要通過氧化呼吸鏈在遞氫或遞電子過程中所形成的氧化還原電勢來完成。 每傳遞一對電子，就可向膜間腔釋放10個質(zhì)子。

23、 復(fù)合物泵出4個質(zhì)子、復(fù)合物泵出4個質(zhì)子、復(fù)合物泵出2個質(zhì)子,1）質(zhì)子梯度的形成,3、氧化磷酸化的偶聯(lián)機制: 化學(xué)滲透學(xué)說(1961, Mitchell,2ATP的合成,當(dāng)質(zhì)子從膜間腔返回基質(zhì)中時，這種“勢能”可被位于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶（復(fù)合物）利用以合成ATP，合成1ATP需4H+（3H+用于生成ATP，H+用于運送底物。,ATP合酶的分子結(jié)構(gòu)（表244，P136,3、氧化磷酸化的影響因素,ATP/ADP比值是調(diào)節(jié)氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；反之，當(dāng)ATP/ADP比值升高時，則氧化磷酸化速度減慢。 甲狀腺激素可間接影響氧化磷酸化的速度,通過激活細(xì)胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。 藥物和毒物,1）呼吸鏈的抑制劑： 能夠抑制第一位點的有異戊巴比妥、粉蝶霉素A、魚藤酮等； 能夠抑制第二位點的有抗霉素A和二巰基丙醇； 能夠抑制第三位點的有CO、H2S和CN-、N3-。 （2）解偶聯(lián)劑