第八章生物氧化

1、第二篇 物質代謝與能量轉換王偉章王偉章 博士博士/ /講師講師生物化學與分子生物學系生物化學與分子生物學系Wei-Wei-第八章 生物氧化Biological Oxidation主要內容主要內容第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述第二節(jié)第二節(jié) 線粒體氧化體系線粒體氧化體系第三節(jié)第三節(jié) 非線粒體氧化體系非線粒體氧化體系一、生物氧化的基本概念生物氧化：生物氧化： 物質在物質在生物體內生物體內進行的進行的氧化分解氧化分解稱稱生物生物氧化氧化（biological oxidation），主要指糖、），主要指糖、脂肪、蛋白質等在體內分解時逐步釋放能量，脂肪、蛋白質等在體內分解時逐步釋放能量，最終生成最終生成CO2

2、和和 H2O的過程。的過程。生物氧化的一般過程糖原糖原 甘油三酯甘油三酯蛋白質蛋白質 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 氧化磷酸化氧化磷酸化二、生物氧化的特點1. 生物氧化與體外氧化之相同點生物氧化與體外氧化之相同點l生物氧化中物質的氧化方式有生物氧化中物質的氧化方式有加氧加氧、脫氫脫氫、失電子失電子，遵循氧化還原反應的一般規(guī)律。，遵循氧化還原反應的一般規(guī)律。l物質在物質在體內氧化體內氧化和和體外氧化體外氧化時所消耗的氧時所消耗的氧量、最終產物（量、最終產物（CO2，H2O）和釋放能量均）和釋放能量均相同相同。二、生物氧化的特點

3、2. 生物氧化與體外氧化的區(qū)別生物氧化與體外氧化的區(qū)別l反應條件溫和：體溫、反應條件溫和：體溫、pH近中性、常壓；近中性、常壓；l在酶催化下逐步進行，能量逐步釋放，有利于機在酶催化下逐步進行，能量逐步釋放，有利于機體捕獲能量生成體捕獲能量生成ATP；l生物氧化的加水脫氫反應使物質能間接獲得氧，生物氧化的加水脫氫反應使物質能間接獲得氧，并增加脫氫及產生更多還原當量的機會；并增加脫氫及產生更多還原當量的機會；l底物脫下的氫與氧結合生成底物脫下的氫與氧結合生成H2O ；CO2通過有機通過有機酸脫羧生成。酸脫羧生成。主要內容主要內容第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述第二節(jié)第二節(jié) 線粒體氧化體系線粒體氧化體系第三

4、節(jié)第三節(jié) 非線粒體氧化體系非線粒體氧化體系呼吸鏈的概念：呼吸鏈的概念： 代謝物分子中的代謝物分子中的氫氫先經脫氫酶激活而脫出，脫先經脫氫酶激活而脫出，脫下的氫再經一個或幾個中間下的氫再經一個或幾個中間傳遞體傳遞體按一定的順序傳按一定的順序傳遞，最終與分子氧結合成水。在生物氧化體系中，遞，最終與分子氧結合成水。在生物氧化體系中，傳遞氫的酶或輔酶稱為遞氫體，傳遞電子的酶或輔傳遞氫的酶或輔酶稱為遞氫體，傳遞電子的酶或輔酶稱為電子傳遞體，它們按一定的順序排列在線粒酶稱為電子傳遞體，它們按一定的順序排列在線粒體內膜上，組成遞氫或遞電子體系，統(tǒng)稱為體內膜上，組成遞氫或遞電子體系，統(tǒng)稱為電子傳電子傳遞鏈（遞

5、鏈（electron transfer chain）。該體系進行的。該體系進行的一系列連鎖反應是與細胞攝取氧的呼吸過程相關，一系列連鎖反應是與細胞攝取氧的呼吸過程相關，故又稱為故又稱為呼吸鏈（呼吸鏈（respiratory chain）。u 呼吸鏈的組成：呼吸鏈的組成： 遞氫體遞氫體和和遞電子體遞電子體（ 2H 2H+ + 2e- ）呼吸鏈的發(fā)現去污劑處理去污劑處理丟棄外膜碎片丟棄外膜碎片內膜碎片內膜碎片滲透破裂滲透破裂離子交換層析分離離子交換層析分離分離組分體外催化反應分離組分體外催化反應一、呼吸鏈的主要組分復合體復合體酶名稱酶名稱質量質量(kD)多肽多肽鏈數鏈數功能輔基功能輔基含結合位點含

6、結合位點復合體復合體NADH-泛醌泛醌還原酶還原酶85039FMN，Fe-SNADH（基質側）（基質側）CoQ（脂質核心）（脂質核心）復合體復合體II琥珀酸琥珀酸-泛醌泛醌還原酶還原酶1404FAD，Fe-S琥珀酸（基質側）琥珀酸（基質側）CoQ（脂質核心）（脂質核心）復合體復合體III泛醌泛醌-細胞色細胞色素素c還原酶還原酶25011血紅素血紅素bL, bH, c1,Fe-SCyt c（膜間隙側）（膜間隙側）細胞色素細胞色素c131血紅素血紅素cCyt c1，Cyt a復合體復合體IV細胞色素細胞色素c氧氧化酶化酶16213血紅素血紅素a，a3，CuA, CuBCyt c（膜間隙側）（膜間隙

7、側） 泛醌不包含在上述四種復合體中。泛醌不包含在上述四種復合體中。呼吸鏈的組成 Cytcox NADH+H+ NAD+ 1/2O2+2H+ H2O 膜間隙膜間隙基質基質 線粒體內膜線粒體內膜 QH2 Q 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 QH2 Q 4H+4H+4H+4H+Cytcox Cytcred Cytcred 4H+4H+電子傳遞鏈各復合體在線粒體內膜中的位置電子傳遞鏈各復合體在線粒體內膜中的位置一、呼吸鏈的主要組分（一）尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（一）尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）或稱輔酶或稱輔酶（Co）R=H: NAD+ R=H2PO3: NADP+尼克酰胺尼克酰胺（維生素（維生素P

8、PPP）腺苷腺苷RNAD+和NADP+的作用反應式：反應式：NAD+(NADP+) + 2H+ +2e- NADH(NADPH) + H+2H+HH+（NAD+或或NADP+）（NADH或或NADPH）一、呼吸鏈的主要組分（二）黃素蛋白（二）黃素蛋白-磷酸核糖磷酸核糖異咯嗪異咯嗪（黃素單核苷酸，（黃素單核苷酸，FMNFMN）腺苷腺苷（黃素腺嘌呤二核苷酸（黃素腺嘌呤二核苷酸,FAD,FAD）核黃素核黃素(Vit B(Vit B2 2) )（FMNFMN）H+e-H+. .H+e-HH-FMN和FAD的功能反應式：反應式：FMN（FAD） + 2H+ +2e- FMNH2（FADH2）（FMN或或

9、FAD）R一、呼吸鏈的主要組分（三）鐵硫蛋白（三）鐵硫蛋白FeFe2S2Fe4S4Fe2+ Fe3+ + e- Fe-S中心屬于單電子傳遞體中心屬于單電子傳遞體。一、呼吸鏈的主要組分（四）泛醌（四）泛醌泛醌泛醌（醌型或氧化型）（醌型或氧化型）泛醌泛醌HH（半醌型）（半醌型）二氫泛醌二氫泛醌（氫醌型或還原型）（氫醌型或還原型）泛醌（輔酶泛醌（輔酶Q, CoQ, QQ, CoQ, Q）由多個異戊二烯連接形）由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側鏈（人成較長的疏水側鏈（人CoQ10CoQ10），氧化還原反應），氧化還原反應時可生成中間產物時可生成中間產物半醌型泛醌半醌型泛醌。一、呼吸鏈的主要組分（五）細

10、胞色素體系（五）細胞色素體系 細胞色素細胞色素(cytochrome, Cyt)是一類以是一類以鐵卟鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的蛋白啉為輔基的催化電子傳遞的蛋白，根據它，根據它們吸收光譜不同們吸收光譜不同分為三大類，即細胞色素分為三大類，即細胞色素a、b、c（Cyt a、Cyt b、Cyt c）等）等。細胞色細胞色素體系各輔基中的鐵可以得失電子進行可素體系各輔基中的鐵可以得失電子進行可逆的氧化還原反應，因此起到傳遞電子的逆的氧化還原反應，因此起到傳遞電子的作用，為單電子遞體。作用，為單電子遞體。細胞色素血紅素血紅素a a輔基輔基血紅素血紅素b b輔基輔基血紅素血紅素c c輔基輔基二、呼吸鏈中傳

11、遞體的排列順序u 理論依據理論依據l標準氧化還原電位標準氧化還原電位u 實驗依據實驗依據l拆開和重組拆開和重組l特異抑制劑阻斷特異抑制劑阻斷l(xiāng)還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧NADH復合體復合體ICoQ復合體復合體IIICyt c復合體復合體IVO2琥珀酸琥珀酸復合體復合體II二、呼吸鏈中傳遞體的排列順序復合物復合物：FMN，Fe-SN-1a，b Fe-SN-4 Fe-SN-3 Fe-SN-2復合物復合物：FAD Fe-Ss-1 Fe-Ss-2 b560 Fe-Ss-3復合物復合物：b562，b566，Fe-S，C1復合物復合物：CuA a a3 CuBNADH+H+ NAD+ F

12、MN FMNH2還原型還原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2復合體的功能 膜間隙膜間隙基質基質線粒體內膜線粒體內膜核黃素核黃素/ /鐵硫蛋白鐵硫蛋白NADH+H+NAD+復合體II的功能膜間隙膜間隙基質基質線粒體內膜線粒體內膜琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸復合體III的組成鐵硫蛋白鐵硫蛋白膜間隙膜間隙基質基質線粒體內膜線粒體內膜復合體的電子傳遞過程膜間隙膜間隙基質基質線粒體內膜線粒體內膜（底物）（底物）（泵）（泵）三、主要的呼吸鏈 根據呼吸鏈四個復合體的傳遞順序，根據呼吸鏈四個復合體的傳遞順序，線粒體內主要的呼吸鏈有兩條線粒體內主要的呼吸鏈有兩條：uNADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈uFADH

13、2氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈三、主要的呼吸鏈（一）（一）NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈NADH氧化呼吸鏈是由氧化呼吸鏈是由NADH、黃素蛋白、黃素蛋白、鐵硫蛋白、鐵硫蛋白、UQ和細胞色素組成。和細胞色素組成。三、主要的呼吸鏈（二）（二）FADH2氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈由黃素蛋白（以氧化呼吸鏈由黃素蛋白（以FAD為為輔基）、輔基）、UQ和細胞色素組成。和細胞色素組成。四、ATP的生成、利用與儲存（一）高能化合物和高能磷酸化合物（一）高能化合物和高能磷酸化合物u高能磷酸鍵高能磷酸鍵：水解時釋放的能量大于：水解時釋放的能量大于21kJ/mol（ATP）的磷酸酯鍵，常表示為）的磷酸酯鍵，常表

14、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。u高能化合物高能化合物：化合物水解時釋放的能量：化合物水解時釋放的能量等于等于或大于或大于ATP水解生成水解生成ADP的標準自由能變化的標準自由能變化的化合物的化合物稱為高能化合物。稱為高能化合物。四、ATP的生成、利用與儲存（二）（二） ATP的生成的生成體內體內ATPATP的生成有兩種方式：的生成有兩種方式：u底物水平磷酸化底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation）u氧化磷酸化氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）四、ATP的生成、利用

15、與儲存（二）（二） ATP的生成的生成1.1.底物水平磷酸化底物水平磷酸化: :底物分子內部能量重新分底物分子內部能量重新分布形成高能磷酸鍵并伴有布形成高能磷酸鍵并伴有ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP的作用的作用。1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 + ADP3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 + ATP3-磷酸甘磷酸甘油酸激酶油酸激酶四、ATP的生成、利用與儲存（二）（二） ATP的生成的生成2.2.氧化磷酸化氧化磷酸化: :代謝物脫氫經呼吸鏈傳遞給氧生成代謝物脫氫經呼吸鏈傳遞給氧生成水的同時，釋放能量用以使水的同時，釋放能量用以使ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP。（1）氧化磷酸

16、化的耦聯部位：根據測定不同作用物）氧化磷酸化的耦聯部位：根據測定不同作用物經呼吸鏈氧化的經呼吸鏈氧化的P/O比值，可大致推導出耦聯部位。比值，可大致推導出耦聯部位。 P/O比值是指每消耗比值是指每消耗1mol氧原子所需消耗無機磷氧原子所需消耗無機磷的摩爾數的摩爾數。NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2b b-羥丁酸羥丁酸某些底物進行氧化磷酸化時的磷氧比值P/O=3P/O=2P/O=1Vit CNADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2氧化磷酸化的偶聯

17、部位ATPATP ATP四、ATP的生成、利用與儲存（二）（二） ATP的生成的生成2.2.氧化磷酸化氧化磷酸化（2）氧化磷酸化的機制：）氧化磷酸化的機制：Peter Mitchell于于1961年年創(chuàng)立的創(chuàng)立的化學滲透學說（化學滲透學說（chemiosmotic theory）。 要點：電子經呼吸鏈傳遞時，可將質子要點：電子經呼吸鏈傳遞時，可將質子(H+)從線從線粒體內膜的基質側泵到膜間隙，產生膜內外質子電粒體內膜的基質側泵到膜間隙，產生膜內外質子電化學梯度儲存能量。當質子順濃度梯度回流時驅動化學梯度儲存能量。當質子順濃度梯度回流時驅動ADP與與Pi生成生成ATP?；瘜W滲透假說簡單示意圖線粒

18、體基質線粒體基質 線粒體內膜線粒體內膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 膜間隙膜間隙 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 4H+ 2H+ 4H+ 膜間隙膜間隙 基質基質 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化學滲透假說電子傳遞過程電子傳遞過程復合體復合體 (4H+) 、 (4 H+)和和 (2H+)有質子泵功能有質子泵功能。電子傳遞與氧化磷酸化（動畫）電子傳遞與氧化磷酸化（動畫）ATP合酶的結構組成

19、F1：親水部分：親水部分 （動物：（動物：33亞基復合體，亞基復合體，OSCP、IF1 亞基），亞基），線粒體內膜的基質側顆線粒體內膜的基質側顆粒狀突起，粒狀突起，催化催化ATP合合成成。 F0：疏水部分：疏水部分（ab2c912亞基，動物還有其他輔亞基，動物還有其他輔助亞基），鑲嵌在線粒助亞基），鑲嵌在線粒體內膜中，形成體內膜中，形成跨內膜跨內膜質子通道質子通道 。四、ATP的生成、利用與儲存（二）（二） ATP的生成的生成2.2.氧化磷酸化氧化磷酸化（3）氧化磷酸化的調控：）氧化磷酸化的調控：ADP的含量：的含量：當機體利用當機體利用ATP增多，增多，ADP濃度升濃度升高，轉運入線粒體后使

20、氧化磷酸化的速度加快；反高，轉運入線粒體后使氧化磷酸化的速度加快；反之之ADP不足，氧化磷酸化的速度減慢。不足，氧化磷酸化的速度減慢。四、ATP的生成、利用與儲存（二）（二） ATP的生成的生成2.2.氧化磷酸化氧化磷酸化（3 3）氧化磷酸化的調控：）氧化磷酸化的調控：氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑l 呼吸鏈抑制劑呼吸鏈抑制劑l 解偶聯劑解偶聯劑 氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑呼吸鏈抑制劑作用位點NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2魚藤酮、粉蝶霉魚藤酮、粉蝶霉素素A A、異戊巴比妥、異戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二

21、巰基丙醇二巰基丙醇 COCO、CNCN- -、N N3 3- -及及H H2 2S S萎銹靈萎銹靈解偶聯蛋白作用機制（棕色脂肪組織線粒體）Cyt cQ膜間隙膜間隙 基質基質 解偶聯解偶聯 蛋白蛋白熱能熱能ADP+Pi ATP 寡霉素抑制ATP合酶示意圖 寡霉素可阻寡霉素可阻止質子從止質子從 F0 質質子通道回流，抑子通道回流，抑制制ATP生成。生成。寡霉素寡霉素化學滲透示意圖及各種抑制劑對電子傳遞鏈的影響化學滲透示意圖及各種抑制劑對電子傳遞鏈的影響寡霉素寡霉素DCCP解偶聯劑解偶聯劑2，4-二硝基酚二硝基酚魚藤酮魚藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A異戊巴比妥異戊巴比妥汞制劑汞制劑杜冷丁杜冷丁萎銹靈萎銹靈噻

22、吩甲酰噻吩甲酰三氟丙酮三氟丙酮抗霉素抗霉素ACN-N3-CO質子質子梯度梯度四、ATP的生成、利用與儲存（二）（二）ATP的生成的生成2.2.氧化磷酸化氧化磷酸化（3）氧化磷酸化的調控：）氧化磷酸化的調控：甲狀腺素：甲狀腺素：u 甲狀腺素誘導細胞膜甲狀腺素誘導細胞膜Na+,K+-ATP酶合成，使酶合成，使ATP加速分解為加速分解為ADP和和Pi。u 甲狀腺素誘導解偶聯蛋白基因表達，引起物質氧甲狀腺素誘導解偶聯蛋白基因表達，引起物質氧化釋能和產熱增加，化釋能和產熱增加，ATP合成減少。合成減少。四、ATP的生成、利用與儲存（二）（二）ATP的生成的生成2.2.氧化磷酸化氧化磷酸化（3）氧化磷酸化

23、的調控：）氧化磷酸化的調控：線粒體線粒體DNA突變：線粒體突變：線粒體DNA主要攜帶呼吸鏈主要攜帶呼吸鏈相關蛋白基因，但該相關蛋白基因，但該DNA缺乏蛋白質的保護和基缺乏蛋白質的保護和基因損傷修復機制。當線粒體因損傷修復機制。當線粒體DNA受損時會導致受損時會導致ATP合成減少而引起疾病。如帕金森癥、老年性合成減少而引起疾病。如帕金森癥、老年性癡呆等退行性疾病的發(fā)生就與線粒體癡呆等退行性疾病的發(fā)生就與線粒體DNA的損傷的損傷有關。有關。四、ATP的生成、利用與儲存（三）（三）ATP的利用和儲存的利用和儲存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

24、酸化 機械能機械能(肌肉收縮肌肉收縮)滲透能滲透能(物質主動轉運物質主動轉運) 化學能化學能(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)生物體內能量的儲存和生物體內能量的儲存和利用都以利用都以ATP為中心。為中心。+NDP核苷二磷核苷二磷酸激酶酸激酶NTP+ADP五、胞液中NADH的氧化 胞漿中胞漿中NADH必須經一定轉運機制進入必須經一定轉運機制進入線粒體，再經呼吸鏈進行氧化磷酸化。線粒體，再經呼吸鏈進行氧化磷酸化。轉運機制：轉運機制：l-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle) 主要存在于腦和骨骼肌中主要存在于腦和骨骼肌中l(wèi)

25、蘋果酸蘋果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle) 主要存在于肝和心肌中主要存在于肝和心肌中 FADH2 NAD+ FAD 線粒體線粒體 內膜內膜 線粒體線粒體 外膜外膜膜間隙膜間隙 線粒體線粒體 基質基質 NADH+H+ -磷酸甘油磷酸甘油 脫氫酶脫氫酶 呼吸鏈呼吸鏈 磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O-磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭NAD+ -OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNAD

26、H +H+ NAD+ 谷氨酸谷氨酸-天冬氨酸天冬氨酸 轉運體轉運體蘋果酸蘋果酸-酮酮 戊二酸轉運體戊二酸轉運體 -OOC-CH2-C-COO-OHH蘋果酸蘋果酸 -OOC-CH2-C-COO-O草酰乙酸草酰乙酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-酮戊二酸酮戊二酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H谷氨酸谷氨酸 NADH +H+ 蘋果酸蘋果酸 脫氫酶脫氫酶 谷草轉谷草轉 氨酶氨酶 線線粒粒體體內內膜膜 基質基質 呼吸鏈呼吸鏈 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H天冬氨酸天冬氨酸 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-C

27、H2-CH2-C-COO-H3N+H蘋果酸蘋果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 膜間隙膜間隙 主要內容主要內容第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述第二節(jié)第二節(jié) 線粒體氧化體系線粒體氧化體系第三節(jié)第三節(jié) 非線粒體氧化體系非線粒體氧化體系一、微粒體氧化體系（一）雙加氧酶（一）雙加氧酶 催化催化2個氧原子直接加到底物分子特定個氧原子直接加到底物分子特定的雙鍵上，使該底物分子分解成兩部分的雙鍵上，使該底物分子分解成兩部分。一、微粒體氧化體系（二）單加氧酶（二）單加氧酶 催化分子氧中催化分子氧中2個氧原子分別進行不同個氧原子分別進行不同的反應，其分子氧中的一個氧原子加到底的反應，其分子氧中的一個氧原子加到底物分子上，而另一個氧原子則與還原型輔物分子上，而另一個氧原子則與還原型輔酶酶II上的兩個質子作用生成水上的兩個質子作用生成水。RH + NADPH + H+ + O2 ROH