生物化學(xué)與分子生物學(xué)：第8章 生物氧化

1、第八章生物氧化Biological Oxidation物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行氧化稱生物氧化(biological oxidation)，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時逐步釋放能量，最終生成CO2 和 H2O的過程。糖 脂肪 蛋白質(zhì) CO2和H2O O2能量ADP+PiATP熱能生物氧化的概念 糖原 三酯酰甘油 蛋白質(zhì) 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA TAC 2H 呼吸鏈 H2O ADP+Pi ATP CO2 生物氧化的一般過程第一節(jié) 氧化呼吸鏈?zhǔn)怯删哂须娮觽鬟f功能的復(fù)合體組成生物體將NADH+H+和FADH2徹底氧化生成水和ATP的過程與細(xì)胞的呼吸有關(guān)，需要消耗氧，參與氧化還原反應(yīng)的

2、組分由含輔助因子的多種蛋白酶復(fù)合體組成，形成一個連續(xù)的傳遞鏈，因此稱為氧化呼吸鏈（oxidative respiratory chain）。也稱電子傳遞鏈(electron transfer chain)。氧化呼吸鏈的定義組成遞氫體和電子傳遞體（2H = 2H+ + 2e） 一、氧化呼吸鏈由4種具有傳遞電子能力的復(fù)合體組成人線粒體呼吸鏈復(fù)合體復(fù)合體酶名稱質(zhì)量(kD)多肽鏈數(shù)功能輔基含結(jié)合位點(diǎn)復(fù)合體NADH-泛醌還原酶85039FMN，F(xiàn)e-SNADH（基質(zhì)側(cè)）CoQ（脂質(zhì)核心）復(fù)合體琥珀酸-泛醌還原酶1404FAD，F(xiàn)e-S琥珀酸（基質(zhì)側(cè)）CoQ（脂質(zhì)核心）復(fù)合體泛醌-細(xì)胞色素C還原酶2501

3、1血紅素bL, bH, c1,Fe-SCyt c（膜間隙側(cè)）細(xì)胞色素c131血紅素cCyt c1， Cyt a復(fù)合體細(xì)胞色素C氧化酶16213血紅素a，a3，CuA, CuBCyt c（膜間隙側(cè)） 泛醌、細(xì)胞色素C不包含在上述四種復(fù)合體中。呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置復(fù)合體又稱NADH-泛醌還原酶或NADH脫氫酶，接受來自NADH+H+的電子并轉(zhuǎn)移給泛醌（ubiquinone）。復(fù)合體可催化兩個同時進(jìn)行的過程： 電子傳遞： NADHFMNFe-S CoQ 質(zhì)子的泵出：復(fù)合體有質(zhì)子泵功能，每傳遞2個電子可將4個H+從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè)。（一） 復(fù)合體將NADH+H+中的電子傳遞給泛醌NA

4、D+和NADP+的結(jié)構(gòu)R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+ NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互轉(zhuǎn)變氧化還原反應(yīng)時變化發(fā)生在五價氮和三價氮之間。FMN結(jié)構(gòu)中含核黃素，發(fā)揮功能的部位是異咯嗪環(huán)，氧化還原反應(yīng)時不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN。在可逆的氧化還原反應(yīng)中顯示3種分子狀態(tài)，屬于單、雙電子傳遞體。 鐵硫蛋白中輔基鐵硫中心(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其中一個鐵原子可進(jìn)行Fe2+ Fe3+e 反應(yīng)傳遞電子。屬于單電子傳遞體。 表示無機(jī)硫泛醌（輔酶Q, CoQ, Q）由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反應(yīng)時可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。內(nèi)膜中可移

5、動電子載體，在各復(fù)合體間募集并穿梭傳遞還原當(dāng)量和電子。在電子傳遞和質(zhì)子移動的偶聯(lián)中起著核心作用。 復(fù)合體是三羧酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶，又稱琥珀酸-泛醌還原酶。電子傳遞：琥珀酸FAD幾種Fe-S CoQ復(fù)合體沒有H+泵的功能。（二）復(fù)合體將電子從琥珀酸傳遞到泛醌（三）復(fù)合體將電子從還原型泛醌傳遞給細(xì)胞色素c復(fù)合體又叫泛醌-細(xì)胞色素C還原酶。人復(fù)合體含有細(xì)胞色素b(b562, b566)、細(xì)胞色素c1和一種可移動的鐵硫蛋白(Rieske protein)。泛醌從復(fù)合體、募集還原當(dāng)量和電子并穿梭傳遞到復(fù)合體。電子傳遞過程：CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc細(xì)胞色素(

6、cytochrome, Cyt) 細(xì)胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。復(fù)合體也有質(zhì)子泵作用。Cyt c是呼吸鏈唯一水溶性球狀蛋白，不包含在復(fù)合體中。將獲得的電子傳遞到復(fù)合體。 F0 F1 Cyt c Q 人復(fù)合體又稱細(xì)胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase)。電子傳遞：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2Cyt a3CuB形成活性雙核中心，將電子傳遞給O2。復(fù)合體也有質(zhì)子泵功能，每傳遞2個電子使2個H+跨內(nèi)膜向胞漿側(cè)轉(zhuǎn)移 。（四）復(fù)合體將電子從細(xì)胞色素C傳遞給氧復(fù)合體的電子傳遞過程1、NADH氧化呼吸鏈NADH 復(fù)合體Co

7、Q 復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體O22、琥珀酸氧化呼吸鏈 琥珀酸 復(fù)合體 CoQ 復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體O2二、NADH和FADH2是氧化呼吸鏈的電子供體根據(jù)電子供體及其傳遞過程，目前認(rèn)為，氧化呼吸鏈有兩條途徑：NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2NADH氧化呼吸鏈 FADH2氧化呼吸鏈第二節(jié) 氧化磷酸化將氧化呼吸鏈釋能與ADP磷酸化偶聯(lián)生成ATP底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)與脫氫反應(yīng)偶聯(lián)，生成底物分子的高能鍵，使ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的過程。不經(jīng)電子傳遞。

8、氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化。ATP生成方式一、氧化磷酸化偶聯(lián)部位在復(fù)合體、內(nèi)根據(jù)P/O比值自由能變化: G=-nFE 氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復(fù)合體、線粒體離體實(shí)驗(yàn)測得的一些底物的P/O比值底物呼吸鏈的組成P/O比值可能生成的ATP數(shù)-羥丁酸NAD+復(fù)合體CoQ復(fù)合體2.5 2.5Cytc復(fù)合體O2琥珀酸復(fù)合體CoQ復(fù)合體1.5 1.5Cytc復(fù)合體O2抗壞血酸Cytc復(fù)合體O20.88 1細(xì)胞色素c (Fe2+) 復(fù)合體O20.61-0.68 1（一）P/O 比值指氧化磷酸化過程中，每

9、消耗1/2摩爾O2所生成ATP的摩爾數(shù)（或一對電子通過氧化呼吸鏈傳遞給氧所生成ATP分子數(shù)）。 ATPATP ATP氧化磷酸化偶聯(lián)部位NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2二、氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制是產(chǎn)生跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度化學(xué)滲透假說(chemiosmotic hypothesis)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時，可將質(zhì)子(H+)從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時驅(qū)動ADP與Pi生成ATP。線粒體基質(zhì) 線粒體膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+P

10、i ATP 化學(xué)滲透假說簡單示意圖氧化磷酸化依賴于完整封閉的線粒體內(nèi)膜；線粒體內(nèi)膜對H+、OH、K、Cl離子是不通透的；電子傳遞鏈可驅(qū)動質(zhì)子移出線粒體，形成可測定的跨內(nèi)膜電化學(xué)梯度；增加線粒體內(nèi)膜外側(cè)酸性可導(dǎo)致ATP合成，而線粒體內(nèi)膜加入使質(zhì)子通過物質(zhì)可減少內(nèi)膜質(zhì)子梯度，結(jié)果電子雖可以傳遞，但ATP生成減少。 化學(xué)滲透假說已經(jīng)得到廣泛的實(shí)驗(yàn)支持。 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 4H+ 2H+ 4H+ 胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè) + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 電子傳

11、遞過程復(fù)合體 (4H+) 、 (4 H+)和 (2H+)有質(zhì)子泵功能。 三、質(zhì)子順濃度梯度回流釋放能量用于合成 ATPF1：親水部分 （動物：33亞基復(fù)合體，OSCP、IF1 亞基），線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)顆粒狀突起，催化ATP合成。 F0：疏水部分（ab2c912亞基，動物還有其他輔助亞基），鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，形成跨內(nèi)膜質(zhì)子通道 。ATP合酶結(jié)構(gòu)組成ATP生成方式氧化磷酸化 2.52.5ATP生成方式底物水平磷酸化底物脫氫或脫水反應(yīng)，生成底物分子的高能鍵， 底物的高能磷酸鍵直接轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP使 ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的過程。 不經(jīng)呼吸鏈傳遞ADP ATP 磷酸甘油酸

12、激酶 1,3-二磷酸 甘油酸3-磷酸甘油酸 四、ATP在能量代謝中起核心作用細(xì)胞內(nèi)代謝反應(yīng)都是依序進(jìn)行、能量逐步得失。ATP稱之為高能磷酸化合物，可直接為細(xì)胞的各種生理活動提供能量，同時也有利于細(xì)胞對能量代謝進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)控。生物體能量代謝有其明顯的特點(diǎn)。高能磷酸鍵水解時釋放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯鍵，常表示為P。高能磷酸化合物含有高能磷酸鍵的化合物化合物E0kJ/mol(kcal/mol)磷酸烯醇式丙酮酸61.9(14.8)氨基甲酰磷酸51.4(12.3)1，3-二磷酸甘油酸49.3(11.8)磷酸肌酸43.1(10.3)ATP ADPPi30.5(7.3)乙酰輔酶A31.5(7.5)

13、ADP AMPPi27.6(6.6)焦磷酸27.6(6.6)葡糖-1-磷酸20.9(5.0)一些重要有機(jī)磷酸化合物水解釋放的標(biāo)準(zhǔn)自由能 （一）ATP是體內(nèi)能量捕獲和釋放利用的重要分子ATP是體內(nèi)最重要的高能磷酸化合物，是細(xì)胞可直接利用的能量形式。 ATP在生物能學(xué)上最重要的意義在于，通過其水解反應(yīng)釋放大量自由能和需要供能的反應(yīng)偶聯(lián)，使這些反應(yīng)在生理?xiàng)l件下完成。 核苷二磷酸激酶的作用ATP + UDP ADP + UTPATP + CDP ADP + CTPATP + GDP ADP + GTP腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP（二）ATP是體內(nèi)能量轉(zhuǎn)移和磷酸核苷化合物相互

14、轉(zhuǎn)變的核心 （三）ATP通過轉(zhuǎn)移自身基團(tuán)提供能量很多酶促反應(yīng)由ATP通過共價鍵與底物或酶分子相連，將ATP分子中的Pi、PPi或者AMP基團(tuán)轉(zhuǎn)移到底物或酶蛋白上而形成中間產(chǎn)物，經(jīng)過化學(xué)轉(zhuǎn)變后再將這些基團(tuán)水解而形成終產(chǎn)物。磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。（四）磷酸肌酸是高能鍵能量的儲存形式 ATP的生成、儲存和利用ATP ADP 肌酸 磷酸肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 P P 機(jī)械能(肌肉收縮)滲透能(物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運(yùn)) 化學(xué)能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)生物體內(nèi)能量的儲存和利用都以ATP為中心。第三節(jié) 氧化磷酸化的影響因素 一、體內(nèi)能量狀態(tài)可調(diào)節(jié)氧化磷酸化速率 氧化

15、磷酸化是機(jī)體合成能量載體ATP的最主要的途徑，因此機(jī)體根據(jù)能量需求調(diào)節(jié)氧化磷酸化速率，從而調(diào)節(jié)ATP的生成量。 * ADP 是調(diào)節(jié)正常人體氧化磷酸化速率的主要因素。 ADP/ATP：氧化磷酸化 ADP/ATP：氧化磷酸化二、抑制劑可阻斷氧化磷酸化過程（一）呼吸鏈抑制劑阻斷電子傳遞過程復(fù)合體抑制劑：魚藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidin A)及異戊巴比妥(amobarbital)等阻斷傳遞電子到泛醌 。復(fù)合體的抑制劑：萎銹靈(carboxin)。復(fù)合體抑制劑：抗霉素A(antimycin A)阻斷Cyt bH傳遞電子到泛醌(QN) ；粘噻唑菌醇則作用QP位點(diǎn)。復(fù)合體 抑制劑

16、：CN、N3緊密結(jié)合中氧化型Cyt a3，阻斷電子由Cyt a到CuB- Cyt a3間傳遞。CO與還原型Cyt a3結(jié)合，阻斷電子傳遞給O2。 NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥 抗霉素A二巰基丙醇 CO、CN-、N3-及H2S各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn)（二）解偶聯(lián)劑阻斷ADP的磷酸化過程 解偶聯(lián)劑(uncoupler)可使氧化與磷酸化的偶聯(lián)相互分離，基本作用機(jī)制是破壞電子傳遞過程建立的跨內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度，使電化學(xué)梯度儲存的能量以熱能形式釋放，ATP的生成受到抑制。 如：二硝基苯酚(dinit

17、rophenol, DNP) ；解偶聯(lián)蛋白(uncoupling protein，UCP1)。解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體） F0 F1 Cyt cQ胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè) 解偶聯(lián) 蛋白熱能 H+ H+ ADP+Pi ATP 新生兒硬腫癥 (新生兒寒冷損傷綜合癥 )（三）ATP合酶抑制劑同時抑制電子傳遞和ATP的生成這類抑制劑對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin)可結(jié)合F0單位，二環(huán)己基碳二亞胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCCP)共價結(jié)合F0的c亞基谷氨酸殘基，阻斷質(zhì)子從F0質(zhì)子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于線粒體內(nèi)膜兩側(cè)

18、質(zhì)子電化學(xué)梯度增高影響呼吸鏈質(zhì)子泵的功能，繼而抑制電子傳遞。 寡霉素(oligomycin) 寡霉素ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成。Na+，K+ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)均增加。三、甲狀腺激素可促進(jìn)氧化磷酸化和產(chǎn)熱Na+-K+-ATP酶生成ATP水解氧化磷酸化ATP合成耗氧量和產(chǎn)熱量甲狀腺素Na+，K+ATP酶,解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)增加三、甲狀腺激素可促進(jìn)氧化磷酸化和產(chǎn)熱四、線粒體DNA突變可影響機(jī)體氧化磷酸化功能。裸露的環(huán)狀雙螺旋結(jié)構(gòu)，缺乏蛋白質(zhì)保護(hù)和損傷修復(fù)系統(tǒng)，容易受到損傷而發(fā)生突變，其突變率遠(yuǎn)高于核內(nèi)的基因組DNA。聾、盲、癡呆、肌無力mtDNA病mtDNA突變五、線粒體的內(nèi)膜選擇性協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)氧化磷酸化相關(guān)代謝物線粒體外膜通透性高，線粒體對物質(zhì)通過的選擇性主要依賴于內(nèi)膜中不同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(transporter)對各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入線粒體出線粒體ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶ADP3-ATP4-磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白H2PO4- + H+二羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白HPO42-蘋果酸-酮戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白蘋果酸-酮戊二酸天冬氨酸-谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白谷氨酸天冬氨酸單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白丙酮酸OH-三羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白蘋果酸檸檬酸堿性氨基酸轉(zhuǎn)