生物化學(xué)第九章生物氧化

1、物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行氧化稱物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行氧化稱生物氧化生物氧化，主，主 要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時(shí)逐步釋要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時(shí)逐步釋 放能量，最終生成放能量，最終生成CO2 和和 H2O的過程。的過程。 糖糖 脂肪脂肪 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) CO2和和H2O O2 能量能量 ADP+Pi ATP 熱能熱能 第一節(jié)第一節(jié) 生物氧化的概念生物氧化的概念 生物氧化和有機(jī)物在體外氧化（燃燒）的實(shí)質(zhì)相 同，都是脫氫、失電子或與氧結(jié)合，消耗氧氣， 都生成CO2和H2O，所釋放的能量也相同。但二者 進(jìn)行的方式和歷程卻不同： 生物氧化 體外燃燒 1、細(xì)胞內(nèi)溫和條件 高溫或高壓、干燥 條（常溫、常

2、壓、中性pH、水溶液） 2、一系列酶促反應(yīng) 無機(jī)催化劑 逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆發(fā)釋放 3、釋放的能量轉(zhuǎn)化成ATP被利用 轉(zhuǎn)換為光和熱，散失 二、生物氧化的特點(diǎn) 糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸鏈呼吸鏈 ADP+Pi ATP * * 生物氧化的一般過程生物氧化的一般過程 第二節(jié) CO2的生成 第三節(jié) 生物氧化中水的生成 一、呼吸鏈（電子傳遞鏈）的概念 1.概念： 在生物氧化過程中，代謝物上脫下的氫經(jīng) 過一系列的按一定順序排列的氫傳遞體和電子傳遞 體的傳遞，最后傳遞給分子氧并生成水，這種氫和 電子的傳遞體

3、系稱為電子傳遞鏈。又稱呼吸鏈。 2、呼吸鏈（電子傳遞鏈）分布 原核細(xì)胞存在于質(zhì)膜上 真核細(xì)胞存在于線粒體的內(nèi)膜上 線粒體呼吸鏈線粒體呼吸鏈 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液側(cè)胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè) 線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜 e- e- e- e- e- 二、呼吸鏈的組成成分和作用二、呼吸鏈的組成成分和作用 （一）（一） NADNAD+ +和和NADPNADP+ +為輔酶的脫氫酶為輔酶的脫氫酶 【組成成分組成成分】 酶蛋白、尼克酰胺（酶蛋白、尼克酰胺（V Vpppp） 核糖、磷酸與核糖、磷酸與AMPAMP。 【作用作用】輔酶接受代

4、謝物脫下的輔酶接受代謝物脫下的2 2H H，傳遞，傳遞 給黃素蛋白。給黃素蛋白。 NADH 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。 煙酰胺脫氫酶類 以NAD,NADP為輔酶 氧化還原反應(yīng)發(fā)生時(shí)，變化發(fā)生在五價(jià)氮和三價(jià)氮之間 （二）、黃素酶（二）、黃素酶- -黃素蛋白（黃素蛋白（FlavoproteinFlavoprotein） 【組成成分組成成分】酶蛋白、黃素單核苷酸（酶蛋白、黃素單核苷酸（FMNFMN） 黃素腺嘌呤二核苷酸（黃素腺嘌呤二核苷酸（FADFAD），它們由核黃素），它們由核黃素 （Vit BVit B2 2）、磷酸、

5、）、磷酸、AMPAMP組成。組成。 【作用作用】進(jìn)行可逆的脫氫加氫反應(yīng)。進(jìn)行可逆的脫氫加氫反應(yīng)。 【傳遞機(jī)制傳遞機(jī)制】異咯嗪的第異咯嗪的第1 1、1010位位N N上可加氫上可加氫 【主要形式主要形式】琥珀酸脫氫酶以琥珀酸脫氫酶以FADFAD為輔酶，將為輔酶，將 代謝物脫下的代謝物脫下的H H傳入呼吸鏈。傳入呼吸鏈。 FMN結(jié)構(gòu)中含核黃素，發(fā)揮功能的部位是異咯嗪， 氧化還原反應(yīng)時(shí)不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN。 （三）、鐵硫蛋白（三）、鐵硫蛋白（iron-sulfur iron-sulfur protein,Fe-Sprotein,Fe-S） n 鐵硫蛋白與黃素蛋白形成復(fù)合物存在。鐵硫蛋白與黃素蛋白形

6、成復(fù)合物存在。 【組成成分組成成分】含等量的鐵原子和硫原子含等量的鐵原子和硫原子 （ FeFe2 2 S S2 2，F(xiàn)eFe4 4S S4 4）鐵原子與鐵硫蛋白的半胱）鐵原子與鐵硫蛋白的半胱 氨酸相連氨酸相連 【作用作用】將將FMNFMN或或FADFAD中的電子傳遞給泛醌。中的電子傳遞給泛醌。 【傳遞機(jī)制傳遞機(jī)制】單電子傳遞單電子傳遞 Fe2+ Fe3+e 鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇（FeS）含有等量鐵原 子和硫原子，基中鐵原子可進(jìn)行Fe2+ Fe3+e反 應(yīng)傳遞電子 表示無機(jī)硫原子 鐵硫聚簇有幾種不同的類型，有的只含有一個(gè)鐵原 子FeS，有的只含有兩個(gè)鐵原子2Fe-2S，有的 含有4個(gè)鐵原子4Fe

7、-4S 鐵硫蛋白類 （四）輔酶Q（CoQ） 輔酶Q（CoQ）又稱泛醌，有時(shí)簡稱Q。是脂溶性 輔酶。在線粒體內(nèi)膜中是一種均一的流動(dòng)庫，可以 結(jié)合到膜上，也可以游離狀態(tài)存在。 CoQ和FMN都是NADH-Q還原酶的輔酶。 CoQ和 FMN一樣，都能夠接受或給出一個(gè)或兩個(gè)電子，因 為它們都有穩(wěn)定的半醌形式。 復(fù)合體復(fù)合體: NADH-泛醌還原酶泛醌還原酶 u 功能功能: 將電子從將電子從NADH傳遞給泛醌傳遞給泛醌 (ubiquinone) 復(fù)合體復(fù)合體 NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 復(fù)合體復(fù)合體的功能的功能 NADH+H+

8、NAD+ FMN FMNH2 還原型還原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S Q QH2 復(fù)合體復(fù)合體: : 琥珀酸琥珀酸- -泛醌還原酶泛醌還原酶 u 功能功能 將電子從琥珀酸傳遞給泛醌將電子從琥珀酸傳遞給泛醌 復(fù)合體復(fù)合體 琥珀酸琥珀酸 CoQ Fe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 （五）細(xì)（五）細(xì) 胞胞 色色 素素 類類 細(xì)胞色素是一類以鐵鐵卟啉為輔基的催化細(xì)胞色素是一類以鐵鐵卟啉為輔基的催化電電 子傳遞的酶類子傳遞的酶類，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。 細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c（cyt.ccyt.c） n它是電子傳遞鏈中一個(gè)它是電子傳遞鏈

9、中一個(gè) 獨(dú)立的蛋白質(zhì)電子載體，獨(dú)立的蛋白質(zhì)電子載體， 位于線粒體內(nèi)膜外表，位于線粒體內(nèi)膜外表， 屬于膜周蛋白，易溶于屬于膜周蛋白，易溶于 水。它與細(xì)胞色素水。它與細(xì)胞色素c c1 1含含 有相同的輔基，但是蛋有相同的輔基，但是蛋 白組成則有所不同。在白組成則有所不同。在 電子傳遞過程中，電子傳遞過程中，cyt. cyt. c c通過通過FeFe3+ 3+ Fe Fe2+ 2+ 的 的 互變起互變起電子傳遞中間體電子傳遞中間體 作用。作用。 細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c氧化酶氧化酶 n簡寫為簡寫為cyt. c cyt. c 氧氧 化酶，它是位于線化酶，它是位于線 粒體呼吸鏈末端的粒體呼吸鏈末端的 蛋白

10、復(fù)合物，由蛋白復(fù)合物，由1212 個(gè)多肽亞基組成。個(gè)多肽亞基組成。 活性部分主要活性部分主要包括包括 cyt acyt a和和a a3 3。 ncyt acyt a和和a a3 3組成一個(gè)復(fù)合體，除了含有鐵卟組成一個(gè)復(fù)合體，除了含有鐵卟 啉外，還含有銅原子。啉外，還含有銅原子。cyt aacyt aa3 3可以直接以可以直接以 O O2 2為電子受體。為電子受體。 n在電子傳遞過程中，分子中的銅離子可以在電子傳遞過程中，分子中的銅離子可以 發(fā)生發(fā)生CuCu+ + Cu Cu2+ 2+ 的互變，將 的互變，將cyt.ccyt.c所攜帶所攜帶 的電子傳遞給的電子傳遞給O O2 2。 細(xì)胞色素細(xì)胞色

11、素c c氧化酶氧化酶 復(fù)合體復(fù)合體: 泛醌泛醌-細(xì)胞色素細(xì)胞色素c還原酶還原酶 u 功能：將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素功能：將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素c 復(fù)合體復(fù)合體 QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1 復(fù)合體: 細(xì)胞色素c氧化酶 u 功能：將電子從細(xì)胞色素功能：將電子從細(xì)胞色素c傳遞給氧傳遞給氧 復(fù)合體復(fù)合體 還原型還原型Cyt c O2 CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB形成的活性部位將電子交給形成的活性部位將電子交給O2。 由以下實(shí)驗(yàn)確定由以下實(shí)驗(yàn)確定 標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位 拆開和重組拆開和重組 特異抑制劑阻斷特異抑制劑阻斷 （二）呼

12、吸鏈成分的排列順序（二）呼吸鏈成分的排列順序 體內(nèi)主要呼吸鏈體內(nèi)主要呼吸鏈 1 1、NADHNADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈 【組成與作用組成與作用】脫氫酶（脫氫酶（CoICoI）、黃素蛋白、）、黃素蛋白、 鐵硫蛋白、鐵硫蛋白、CoQCoQ和細(xì)胞色素。和細(xì)胞色素。 2 2、FADHFADH氧化呼吸鏈（氧化呼吸鏈（琥珀酸琥珀酸氧化呼吸鏈）氧化呼吸鏈） 【組成和作用組成和作用】脫氫酶（脫氫酶（FADFAD）、）、CoQCoQ、細(xì)胞、細(xì)胞 色素色素 【差異差異】脫下的脫下的2H2H不經(jīng)過不經(jīng)過NADNAD+ +傳遞傳遞, ,其余過程其余過程 與與NADHNADH呼吸鏈相同呼吸鏈相同. . 電子在呼吸鏈中

13、的傳遞方式電子在呼吸鏈中的傳遞方式 (I) (II) (III)(IV) 電子傳遞鏈 第四節(jié)第四節(jié) 生物氧化和能量代謝生物氧化和能量代謝 一、高能磷酸鍵與高能磷酸化合物一、高能磷酸鍵與高能磷酸化合物 u高能磷酸鍵高能磷酸鍵 水解時(shí)釋放的能量大于水解時(shí)釋放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯鍵，的磷酸酯鍵， 常表示為常表示為 P。 u高能磷酸化合物高能磷酸化合物 含有高能磷酸鍵的化合物含有高能磷酸鍵的化合物 ATP的生成和利用的生成和利用 ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸 肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 機(jī)械能機(jī)械能( (肌肉收縮肌肉收縮) ) 滲透能滲透能( (物

14、質(zhì)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)) ) 化學(xué)能化學(xué)能( (合成代謝合成代謝) ) 電能電能( (生物電生物電) ) 熱能熱能( (維持體溫維持體溫) ) 生物體內(nèi)能量的儲存和利生物體內(nèi)能量的儲存和利 用都以用都以ATP為中心。為中心。 核苷二磷酸激酶的作用核苷二磷酸激酶的作用 ATP + UDP ADP + UTP ATP + CDP ADP + CTP ATP + GDP ADP + GTP 腺苷酸激酶的作用腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP 肌酸激酶的作用肌酸激酶的作用 磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。 二、二、ATP

15、的形成的形成 （一）底物水平磷酸化（一）底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是底物分子脫氫、脫水，引是底物分子脫氫、脫水，引 起分子內(nèi)部能量重新分布，生成高能鍵，使起分子內(nèi)部能量重新分布，生成高能鍵，使 ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的過程。的過程。 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 ATP的形成的兩種方式：的形成的兩種方式： OH O- O C CH CH2OPO OH OH 1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 (1,3- diphosphoglycerate) 3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 (glyceraldehy

16、de 3-phosphate)(glyceraldehyde 3-phosphate) OH H O C CH CH2OPO OH OH 3-磷酸甘油醛脫氫酶磷酸甘油醛脫氫酶 + NADH+H+NAD+ HPO4 2- OPO 3 2- 3-磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶 H OH O O C CH CH2OPO OH OH 3-3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 (3-phosphoglycerate) OH O- O C CH CH2OPO OH OH 1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 (1,3- diphosphoglycerate) OPO 3 2- ADPATP Mg2+ （二）氧化磷酸

17、化（二）氧化磷酸化 n*1、 定義定義 q氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在氧化反應(yīng)和是指在氧化反應(yīng)和 磷酸化反應(yīng)的偶聯(lián)，呼吸鏈電子傳遞磷酸化反應(yīng)的偶聯(lián)，呼吸鏈電子傳遞 過程中釋放能量使過程中釋放能量使ADP磷酸化，生成磷酸化，生成 ATP。 2、氧化磷酸化的作用機(jī)制 (1)ATP產(chǎn)生的數(shù)量 研究氧化磷酸化最常用的方法是測定線粒體或其制 劑的P/O比值和電化學(xué)實(shí)驗(yàn)。 P/O比值:是指每消耗一摩爾氧所消耗無機(jī)磷酸的摩 爾數(shù)。根據(jù)所消耗的無機(jī)磷酸摩爾數(shù)，可間接測出 ATP生成量。又可以看作是當(dāng)一對電子通過呼吸鏈傳 至O2所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。 實(shí)驗(yàn)表

18、明：NADH呼吸鏈的P/O值是3，即每消耗一 摩爾氧原子就可形成3摩爾ATP，F(xiàn)ADH2呼吸鏈的P/O 值是2，即消耗一摩爾氧原子可形成2摩爾ATP。 (2)ATP產(chǎn)生的部位 ATP產(chǎn)生的部位都是有大的電位差變化的地方， 例如，NADH呼吸鏈生成ATP的三個(gè)部位是：E0值 在此三個(gè)部位有大的“跳動(dòng)”，都在0.2伏以上。 五、氧化磷酸化的抑制 常用的幾種電子傳遞抑制劑及其作用部位 （1）魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素：其作用是阻斷 電子在NADHQ還原酶內(nèi)的傳遞，所以阻斷了電子 由NADH向CoQ的傳遞。 （2）抗霉素A：它是由鏈酶素分離出的抗生素，有 干擾細(xì)胞色素還原酶中電子從細(xì)胞色素b 向cyt

19、C1的 傳遞作用。 （3）氰化物（CN-）、疊氮化物（N3-）、一氧化碳 （CO）等：其作用是阻斷電子在細(xì)胞色素氧化酶中 傳遞，即阻斷了電子由cytaa3向分子氧的傳遞。 魚藤酮 安密妥 殺粉蝶菌素 抗霉素A 氰化物 一氧化碳 硫化氫 疊氮化合物 六、六、 氧化磷酸化的作用機(jī)理氧化磷酸化的作用機(jī)理 一、線粒體的結(jié)構(gòu)一、線粒體的結(jié)構(gòu) 線粒體是生物氧化和能量轉(zhuǎn)換的主要場所。線粒體是生物氧化和能量轉(zhuǎn)換的主要場所。 1 1、ATPATP酶復(fù)合體酶復(fù)合體 n 線粒體內(nèi)膜的表面有一層規(guī)則地間線粒體內(nèi)膜的表面有一層規(guī)則地間 格排列著的球狀顆粒，稱為格排列著的球狀顆粒，稱為ATPATP酶復(fù)酶復(fù) 合體，是合體，

20、是ATPATP合成的場所。合成的場所。 nATPATP酶，含有酶，含有5 5種不種不 同的亞基（按同的亞基（按3 3 、 3 3 、1 1 、1 1 和和1 1 的的 比例結(jié)合）。比例結(jié)合）。 nOSCPOSCP為一個(gè)蛋白，為一個(gè)蛋白， 是能量轉(zhuǎn)換的通道。是能量轉(zhuǎn)換的通道。 nF F0 0為一個(gè)疏水蛋白，為一個(gè)疏水蛋白， 是與線粒體電子傳是與線粒體電子傳 遞系統(tǒng)連接的部位。遞系統(tǒng)連接的部位。 當(dāng)當(dāng)H+順濃度遞度經(jīng)順濃度遞度經(jīng)F0中中a亞基和亞基和c亞基之間亞基之間 回流時(shí)，回流時(shí)，亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個(gè)個(gè)亞基的構(gòu)象發(fā)生亞基的構(gòu)象發(fā)生 改變。改變。 ATP合酶的工作機(jī)制合酶的工作機(jī)制

21、氧化與磷酸化作用如何偶聯(lián)尚不夠清楚， 目前主要有三個(gè)學(xué)說： 化學(xué)耦聯(lián)學(xué)說 結(jié)構(gòu)耦聯(lián)學(xué)說 化學(xué)滲透學(xué)說 二二 氧化磷酸化的作用機(jī)理氧化磷酸化的作用機(jī)理 1.化學(xué)偶聯(lián)假說（1953） 認(rèn)為電子傳遞過程產(chǎn)生一種活潑的高能 共價(jià)中間物。它隨后的裂解驅(qū)動(dòng)氧化磷酸 化作用。 2.構(gòu)象偶聯(lián)假說（1964） 認(rèn)為電子沿電子傳遞傳遞使線粒體內(nèi)膜 蛋白質(zhì)組分發(fā)生了構(gòu)象變化，形成一種高 能形式。這種高能形式通過ATP的合成而 恢復(fù)其原來的構(gòu)象。 3.化學(xué)滲透學(xué)說（1961） 認(rèn)為電子傳遞釋放出的自由能和ATP合成是與一 種跨線粒體的質(zhì)子梯度相偶聯(lián)的。 呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜之上，當(dāng)氧化進(jìn)行時(shí)， 呼吸鏈起質(zhì)子泵作用，質(zhì)子被泵出線粒體內(nèi)膜之外 側(cè)，造成了膜內(nèi)外兩側(cè)間跨膜的化學(xué)電位差，后者 被膜上ATP合成酶所利用，使ADP與Pi合成ATP。 1.遞H體與遞e體交替排列 2. 遞H體有H泵作用，將2H+泵出內(nèi)膜，2e傳給 遞電子體，整個(gè)過程共泵出3對H+ 3.線粒體膜對H+不通透，造成H+跨膜梯度 4.H+通過ATP酶回流，生成ATP 質(zhì)子的流向 電子的流向 線粒體基質(zhì)線粒體基質(zhì) 線粒體