七版生物化學(xué) 06章生物氧化

1、生物化學(xué)第六章 生物氧化Biological Oxidation主講人：王平濰坊醫(yī)學(xué)院生化教研室生成ATP的氧化磷酸化體系 其他不生成ATP的氧化體系目 錄概述物質(zhì)在生物體內(nèi)進行氧化稱生物氧化，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熱能一、生物氧化（Biological Oxidation）的概念 此過程需耗氧、排出CO2，又在活細(xì)胞內(nèi)進行，故又稱細(xì)胞呼吸。糖原 甘油三酯 蛋白質(zhì) 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA 電子傳遞 H2O ADP+Pi ATP CO2 生物氧化的一般過程2H

2、 TAC 1.ATP如何產(chǎn)生的？2.H2O如何生成？本章主要解決的問題是： 體內(nèi)氧化 體外氧化（1）物質(zhì)氧化方式：加氧、脫氫、失電子（2）物質(zhì)氧化時消耗的氧量、得到的產(chǎn)物和能量相同。 1、相同點二. 生物氧化的特點 2、不同點 體內(nèi)氧化 體外氧化（1）反應(yīng)條件： 溫和 劇烈（2）反應(yīng)過程： 分步反應(yīng) 一步反應(yīng) 能量逐步釋放 能量突然釋放（3）產(chǎn)物生成： 間接生成 直接生成（4）能量形式： 熱能、ATP 熱能、光能Section 1 The Oxidation System of Producing ATP 第一節(jié) 生成ATP的氧化磷酸化體系 呼吸鏈的種類及排列順序呼吸鏈的部位、概念及本質(zhì)呼吸鏈

3、的組成及特點呼 吸 鏈一 氧化呼吸鏈?zhǔn)且幌盗杏须娮觽鬟f功能的氧化還原組分真核生物生物氧化發(fā)生的場所線粒體原核生物生物氧化發(fā)生的場所細(xì)胞質(zhì)膜部 位基 本 概 念呼 吸 鏈 營養(yǎng)物質(zhì)代謝脫下的成對氫原子（2H）以還原當(dāng)量形式存在，再通過多種酶和輔酶催化的氧化還原連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，逐步釋放的能量可驅(qū)動ATP生成。這包含多種氧化還原組分的傳遞鏈稱為氧化呼吸鏈(oxidative respiratory chain)又稱電子傳遞鏈(electron transfer chain)。遞氫體遞電子體呼吸鏈中參與傳遞H的輔酶或輔基。呼吸鏈中參與傳遞電子的輔酶或輔基。 本質(zhì)：酶和輔酶。 功能

4、：傳遞氫和電子（2H 2H+ + 2e） 呼吸鏈基 本 概 念呼 吸 鏈呼吸鏈組成：遞氫體和電子傳遞體。H2O（一）氧化呼吸鏈由4種具有傳遞電子能力的復(fù)合體組成呼吸鏈由一系列的氫傳遞體和電子傳遞體組成。電子傳遞過程釋放的能量驅(qū)動H+移出線粒體內(nèi)膜，轉(zhuǎn)變?yōu)榭鐑?nèi)膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物合成。 組 成四種酶復(fù)合體：復(fù)合體I IV兩個可靈活移動的成分：泛醌（Q）和 細(xì)胞色素C 呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置* 泛醌 和 Cyt c 不包含在上述四種復(fù)合體中。人線粒體呼吸鏈復(fù)合體復(fù)合體酶名稱復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體NADH-泛醌還原酶琥珀酸-泛醌還原酶泛醌-細(xì)胞色素C還原酶細(xì)胞色素c氧化

5、酶輔基FMN，F(xiàn)e-S FAD，F(xiàn)e-S 鐵卟啉，F(xiàn)e-S 鐵卟啉，Cu 多肽鏈數(shù)394 1113 復(fù)合體酶名稱復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體NADH-泛醌還原酶琥珀酸-泛醌還原酶泛醌-細(xì)胞色素C還原酶細(xì)胞色素c氧化酶輔基FMN，F(xiàn)e-S FAD，F(xiàn)e-S 鐵卟啉，F(xiàn)e-S 鐵卟啉，Cu 多肽鏈數(shù)394 13 功能: 復(fù)合體NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 1、復(fù)合體（ NADH-泛醌還原酶） 是將NADH+H+中的電子傳遞給 泛醌，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)，有質(zhì)子泵功能。1.NADH2.FMN3.Fe-

6、S4.CoQ復(fù)合體組 成 黃素蛋白，輔基為FMN或FAD; 鐵硫蛋白，輔基為Fe-S。（1）NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu)R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+ （2） 尼克酰胺核苷酸的作用原理+ H+ e+ H+ H+2HHHeH+HNAD(P)+ NAD(P)H+H+2H-2H雙電子傳遞體FMN稱為黃素單核苷酸，是黃素蛋白(酶)的輔基，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FMNH,屬于單、雙電子傳遞體。FMNH復(fù)合體成分1 FMN ：遞氫體復(fù)合體成分2 Fe-S：單電子傳遞體 鐵硫簇(Fe-S)是鐵硫蛋白(酶)中輔基，含有等量鐵原子和硫原子，主要(2Fe-2S)

7、或 (4Fe-4S) 形式存在.其中鐵原子可進行Fe2+ Fe3+e 反應(yīng)傳遞電子。 泛醌（ubiquinone ,Q）亦稱輔酶Q（Coenzyme Q ,CoQ）人體中：CoQ10（1）結(jié)構(gòu) 1)含有很多異戊二烯側(cè)鏈的醌類化合物 2)脂溶性 3)是電子傳遞體中唯一可游離存在的電子載體（無蛋白）（2）作用：電子和質(zhì)子的傳遞體 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。 （3）泛醌的作用機理 復(fù)合體電子傳遞：NADHFMNFe-SCoQFe-SCoQ MNADH+H+ NAD+ FMN FMNH2還原型Fe-S 氧化型Fe-SQQH2MH2M4H+2

8、e2e2e2e代謝物2. 復(fù)合體: 琥珀酸-泛醌還原酶 功能: 將電子從琥珀酸傳遞給泛醌 復(fù)合體琥珀酸 CoQFAD; Fe-S1; Fe-S2 ; Fe-S3 復(fù)合體沒有H+泵的功能。結(jié)構(gòu)及組成 黃素蛋白，輔基為FAD; 鐵硫蛋白，輔基為Fe-S1234遞氫體（1）黃素核苷酸的作用原理琥珀酸 FADH2 Fe-S CoQ 電子傳遞 3. 復(fù)合體: 泛醌-細(xì)胞色素c還原酶 功能：將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素c 復(fù)合體QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1b562、 b566是吸收波長不同的兩個細(xì)胞色素， b562電位較高，又稱 bH ; b566 電位較低，又稱bL 。細(xì)胞

9、色素b-c1復(fù)合體細(xì)胞色素體系（cytochrome,Cyt）（1） Cyt的本質(zhì)細(xì)胞色素 = 酶蛋白 + 血紅素細(xì)胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類。血紅素中的鐵原子可進行Fe2+ Fe3+e反應(yīng)傳遞電子, 屬單電子傳遞體。 （2） Cyt的功能（3） Cyt的分類(根據(jù)吸收光譜和最大吸收峰的不同）30多種a類：a、a1、a2、 a3 b類：b、b17、P450 c類：c、c1、c2、 c3 各種還原型細(xì)胞色素的主要光吸收峰細(xì)胞色素波長（nm）a600439b562532429c550521415c1554524418Cyt c是呼吸鏈唯一水溶性球狀蛋白，與線粒體內(nèi)膜外表面疏松結(jié)

10、合，不包含在復(fù)合體中,將獲得的電子傳遞到復(fù)合體。 電子傳遞過程：CoQH2(Cytb566 Cyt b562)FeSCytc1 Cytc Q循環(huán)復(fù)合體每傳遞2個電子向內(nèi)膜胞漿側(cè)釋放4個H+，復(fù)合體也有質(zhì)子泵作用。4H+4. 復(fù)合體: 細(xì)胞色素c氧化酶 功能：將電子從細(xì)胞色素c傳遞給氧 復(fù)合體還原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位將電子交給O2。功 能將電子從細(xì)胞色素C傳遞給氧，遞電子體。電子傳遞：CytcCuACyt aCyt a3CuBO2細(xì)胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2還原成水的過程，有強氧化性中間物始終和雙核中心緊密結(jié)合，不會引起細(xì)

11、胞損傷。2H+2H2O(3) 利用光譜變化確定各組分的氧化還原狀態(tài)(1) 測各組分氧化還原電位（E0）遞增 研究方法(2) 呼吸鏈復(fù)合物重組(4)利用呼吸鏈抑制劑（二）氧化呼吸鏈組分按氧化還原電位由低到高的順序排列電子流動方向：總是由電負(fù)性較強的氧化還原對向具有更強電正性的氧化還原對流動。1. NADH氧化呼吸鏈NADH 復(fù)合體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 Q 復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體O2兩條重要的呼吸鏈成分的排列順序NADH FMN(Fe-S)CoQCytb Cytc1CytcCytaa3O2琥珀酸 FAD(Fe-S)NADH氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸

12、鏈*呼吸鏈傳遞順序細(xì)胞色素的傳遞方向 筆洗一洗AA散 b、c1、c、aa3洗一洗兩種呼吸鏈的比較相同:1. 將H傳遞給O2生成水；2. H和O2消耗，其它可反復(fù)使用；3. CoQ是兩種呼吸鏈的匯合點。不同點: NADH呼吸鏈 琥珀酸呼吸鏈 普遍程度 較普遍 次要起始物 NADH FADH2ATP 2.5 1.5 ATP是如何生成？ 目的要求（一）掌握生物氧化的概念。了解生物氧化的方 式及生物氧化的特點。（二）掌握呼吸鏈的概念、組成及特點，兩條重 要的氧化呼吸鏈排列順序。了解呼吸鏈排 列順序確定的實驗依據(jù)。 二、氧化磷酸化* 定義氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)

13、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。 底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 直接將代謝分子中的能量轉(zhuǎn)移至ADP（或GDP），生成ATP（或GTP）的過程。琥珀酸+CoA+GTP 琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酰CoA合成酶*底物水平磷酸化僅見于下列三個反應(yīng)：糖酵解途徑中（2個）三羧酸循環(huán)中（1個）概念:每消耗1mol 氧原子，所消耗的無機磷摩爾數(shù)一對電子通過呼吸鏈P/O比值：一對電子通過呼吸鏈時生成ATP的個數(shù) 1個氧原子2e+O O2-ADP+Pi ATP無機磷個數(shù)生成ATP的個數(shù)1. 根據(jù)P/O比值推

14、測生成ATP的偶聯(lián)部位（一）氧化磷酸化偶聯(lián)部位是在復(fù)合體、P/O比值=ATP數(shù) 利用P/O比值推測氧化磷酸化偶聯(lián)部位： 羥丁酸：P/O 3 2e從NADH到O2 生成3個ATP琥珀酸：P/O 2 2e從琥珀酸到O2 生成2個ATP 因此，NADHQ 存在偶聯(lián)部位。抗壞血酸：P/O 1 2e從Cytc到O2生成1個ATP 因此，Cytaa3O2 存在偶聯(lián)部位。 Q Cyt c 存在偶聯(lián)部位。標(biāo)準(zhǔn)自由能：G=-nFE2.根據(jù)自由能變化推測偶聯(lián)部位合成1molATP時，需提供的能量至少為G0=-30.5kJ/mol。電子傳遞鏈自由能變化 ATPATP ATP 氧化磷酸化偶聯(lián)部位結(jié)論（二） 氧化磷酸化

15、的偶聯(lián)機理1. 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，其能量驅(qū)動ADP與Pi生成ATP。 了解 因提出氧化磷酸化偶聯(lián)機制：化學(xué)滲透學(xué)說而在1978年獲諾貝爾化學(xué)獎的Peter D Mitchell線粒體基質(zhì) 線粒體膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化學(xué)滲透假說簡單示意圖電子傳遞給氧釋出的能量推動質(zhì)子泵將H+泵至內(nèi)膜胞液側(cè)，形成化學(xué)梯度（勢能）當(dāng)H+順梯度回到基質(zhì)面時，釋出的能量使ADP

16、磷酸化為ATP 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) + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 電子傳遞過程復(fù)合體 (4H+) 、 (4 H+)和 (2H+)有質(zhì)子泵功能。 1. ATP合酶ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖催化亞基（三）質(zhì)子順梯度回流釋放能量被ATP合酶利用催化ATP合成 F1:親水部分組成：33,OSCP, IF1亞基功能：催化ATP生成。F0:疏水部分組成：a, b2, c912亞基功能：構(gòu)成質(zhì)子通道，將 質(zhì)子梯度產(chǎn)生的能

17、量導(dǎo)向F1。寡霉素柄部: 存有其他亞基，其中一個稱為寡霉素敏感蛋白（OSCP)，在寡霉素存在時使ATP合酶不能合成ATP。當(dāng)H+順濃度遞度經(jīng)F0中a亞基和c亞基之間回流時，亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。ATP合酶的工作機制（2）ATP合成的結(jié)合變構(gòu)機制(binding change mechanism) L結(jié)合ADP和Pi；T合成ATP；O釋放ATP。三、氧化磷酸化作用可受某些內(nèi)外源因素影響（一）有3類氧化磷酸化抑制劑1、呼吸鏈抑制劑復(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

18、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。復(fù)合體 抑制劑：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。 作用：阻斷電子傳遞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H膜內(nèi)外電化學(xué)梯度電子傳遞使H跨膜轉(zhuǎn)移H經(jīng)ATP合酶的F0 單元回流

19、ATP合成H經(jīng)從其它途徑回流能量以熱能散失，不能合成ATP呼吸鏈正常2、解偶聯(lián)劑破壞電子傳遞建立的跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度作用：使氧化過程與磷酸化過程脫節(jié)舉例：2，4-二硝基苯酚、解偶聯(lián)蛋白。解偶聯(lián)蛋白作用機制（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 硬腫癥 給大白鼠注射DNP可能出現(xiàn)什么現(xiàn)象？ 寡霉素可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成。 作用：抑制電子傳遞及氧化磷酸化過程 舉例：寡霉素3、ATP合酶抑制劑不同底物和抑制劑對線粒體氧耗的影響 ADP/ATP： 抑制氧化磷酸化，ATP生成ADP/ATP： 促進氧化磷酸化

20、，ATP生成H2O + NAD+NADH + H+ + O212ADP+PiATP氧化磷酸化（二）ADP 是調(diào)節(jié)正常人體氧化磷酸化速率的主要因素。 ATP分解 產(chǎn)熱量ATP合成 耗氧量（三）甲狀腺激素刺激機體耗氧量和產(chǎn)熱同時增加。Na+，K+ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)均增加。（四）線粒體DNA突變可影響機體氧化磷酸化功能。四、ATP在能量的生成、利用、轉(zhuǎn)移和儲存中起核心作用高能磷酸: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。ATP 1、ATP分子中的高能磷酸基的來源 （1） 氧化磷酸化：主要來源 （2） 底物水平磷酸化 核苷二磷酸激酶

21、的作用ATP + UDP ADP + UTPATP + CDP ADP + CTPATP + GDP ADP + GTP腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP2.多磷酸核苷間的能量轉(zhuǎn)移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。 3.ATP的生 成和利用ATP ADP 肌酸 磷酸肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 P P 機械能(肌肉收縮)滲透能(物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運) 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。線粒體外NADH2的氧化1.-磷酸甘油穿梭2.蘋果酸-天冬氨酸穿梭（二）兩種穿梭系統(tǒng)的比較五、線粒體內(nèi)膜對各種物

22、質(zhì)進行選擇性轉(zhuǎn)運（一）胞漿中NADH通過穿梭機制進入線粒體氧化呼吸鏈1.-磷酸甘油穿梭（1）特點：線粒體內(nèi)外的-磷酸甘油脫氫酶的輔酶不同 胞液-NAD+ 線粒體-FADFADH2經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈 1.5ATP主要存在于骨骼肌、腦 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 線粒體 內(nèi)膜 線粒體 外膜膜間隙 線粒體 基質(zhì)-磷酸甘油 脫氫酶 呼吸鏈 磷酸二羥丙酮 -磷酸甘油 （2）過程 2.蘋果酸-天冬氨酸穿梭系統(tǒng) （1）特點： 蘋果酸脫氫酶的輔酶是NAD+通過NADH氧化呼吸鏈 2.5ATP主要存在于肝、心肌組織中。 NADH +H+ NAD+ NADH +H+ NAD+ 谷氨酸-天冬氨酸

23、轉(zhuǎn)運體蘋果酸-酮 戊二酸轉(zhuǎn)運體 蘋果酸 草酰乙酸 -酮戊二酸 谷氨酸 蘋果酸 脫氫酶 谷草轉(zhuǎn) 氨酶 胞液 線粒體內(nèi)膜 基質(zhì) 呼吸鏈 天冬氨酸 （2）過程AH2 A2HRCOOH CO2+RHE代謝物 氧化產(chǎn)物 2H-磷酸甘油穿梭蘋果酸穿梭 + O212H2O 能量ADP+H3PO4ATP+ H2O氧化磷酸化胞液線粒體呼吸鏈（二）兩種穿梭系統(tǒng)的比較-磷酸甘油穿梭蘋果酸-天冬氨酸穿梭穿梭物質(zhì)-磷酸甘油磷酸二羥丙酮蘋果酸、 谷氨酸天冬aa、-酮戊二酸進入線粒體后轉(zhuǎn)變成的物質(zhì)FADH2NADH+ H+進入呼吸鏈 琥珀酸氧化呼吸鏈NADH氧化呼吸鏈生成ATP數(shù)1.52.5存在組織骨骼肌、神經(jīng)組織肝臟和心

24、肌組織相同點將胞漿中NADH的還原當(dāng)量轉(zhuǎn)運到線粒體內(nèi)ATP4- F0 F1 胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè) 腺苷酸轉(zhuǎn)運蛋白磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白 ADP3- H2PO4- ATP4- H+ H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADP3- ADP3- （二）ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶促進ADP進入和ATP移出緊密偶聯(lián)（一）掌握氧化磷酸化的概念及偶聯(lián)部位。熟悉氧 化磷酸偶聯(lián)部位確定的實驗及數(shù)據(jù)，P/O比值的定義 及意義。了解氧化磷酸化的偶聯(lián)機制。熟悉ATP合酶 組成及作用（二）熟悉抑制劑、ADP、甲狀腺素對氧化磷酸化的影響。了解線粒體DNA突變對氧化磷酸化的影響。 目的要求第二節(jié) 其他不生成ATP的氧化體系The Others Oxidative Enzyme Systems without ATP Producing其他不生成ATP的氧化體系包括過氧化物酶體系：與ATP的生成無關(guān)，清除活 性氧。微粒體氧化體系：與ATP的生成無關(guān)，光滑內(nèi) 質(zhì)網(wǎng)上發(fā)生，機體對非營養(yǎng) 物質(zhì)發(fā)生的生物轉(zhuǎn)化，與機 體排毒及排出異物有關(guān)。一、抗氧化酶體系有清除反應(yīng)活性氧類的功能O2 + 4e2O2-O2 +2eH2O22H+O2 +3e3H+OH + H2OeO2 +O2.后三者統(tǒng)稱反應(yīng)活性氧類(ROS)，都有得到電子的趨勢，即具有氧化性。ROS主要來源線粒體：超氧陰離子O-2，