生化第五章生物氧化

1、G + 6O2 6CO2 + 6H2O + 能量糖類的分解代謝EMPG2ATP2乙酰CoA4CO22丙酮酸2NADH2NADH 2CO26NADH 、2FADH22GTPTCA 第五章 (P171) 生物氧化與氧化磷酸化 (Biological oxidation) 電子傳遞與氧化磷酸化第一節(jié) 生物氧化概述 第二節(jié) 電子傳遞鏈（ 呼吸鏈）第三節(jié) 氧化磷酸化第四節(jié)其它末端氧化酶系統(tǒng)（自學(xué)） 一、生物氧化 生物氧化(biological oxidation)：有機(jī)物在生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行氧化分解而生成CO2和H2O并釋放能量形成ATP的過(guò)程。 生物氧化又稱細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸第一節(jié) 生物氧化概述 生物氧化

2、與體外氧化燃燒 相同點(diǎn)： 化學(xué)本質(zhì)：物質(zhì)分解為CO2和H2O 產(chǎn)能總量相等 不同點(diǎn)：條件(常溫、常壓、酶促反應(yīng)） 過(guò)程（分步進(jìn)行） 放能（緩和）1、生物氧化的特點(diǎn) （1）脫氫反應(yīng) 琥珀酸 + FAD 琥珀酸脫氫酶 延胡索酸 + FADH2 （2）加氧反應(yīng) AA + O2 + H2O AA氧化酶 -酮酸 + NH3 + H2O2 （3）失電子反應(yīng)：如細(xì)胞色素氧化酶 Fe2+ Fe3+ + e- 2、生物體中氧化反應(yīng)的類型 3、H2O的生成脫氫酶-2H電子傳遞體氧化酶 在脫氫酶、傳遞體、氧化酶組成的體系催化下生成。AH2氫傳遞體1/2O2H2O2e-2H+O2-二、生化反應(yīng)中自由能的變化，反應(yīng)體系

3、不平衡，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行（放能），反應(yīng)體系平衡，體系不平衡，不能自發(fā)進(jìn)行，需供給能量才能進(jìn)行（吸能）氧化還原電位與自由能的關(guān)系-nFE0n為轉(zhuǎn)移電子的摩爾數(shù)F為法拉利常數(shù) 高能化合物：在生化反應(yīng)中，在水解或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量的自由能的化合物。 大量的自由能20.92 KJ.mol-1 (5 Kcal. mol-1) - 高能鍵（ high-energy bond）不穩(wěn)定鍵 三、高能化合物1、高能磷酸化合物（p177)根據(jù)其鍵型有磷氧型和磷氮型 （1）磷氧鍵型 （一）高能化合物的類型 O O A、?；姿峄衔?HOCHCO POH O CH2O P OH CO P 1,3DPGA12.3

4、Kcal. mol-1 C、焦磷酸化合物 O O O PO P 腺苷OPOPOPO OH OH OH ATP7.3 Kcal. mol-1B、烯醇式磷酸化合物 COOH C=CO P CO P CH2 PEP14.8 Kcal. mol-1（2）磷氮鍵型 O HNPOH OH C = HN NCH3 CH2COOH 磷酸肌酸10.3 Kcal. mol-1 A、硫酯鍵化合物 O O CS CH3CSCoA 乙酰輔酶A 7.5 Kcal. mol-1 B、 甲硫鍵化合物 CH3S+ CH3S+CH2CHCOOH 腺苷 NH2 S-腺苷甲硫氨酸 10.0Kcal. mol-12、高能非磷酸化合物（

5、硫碳鍵型）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(dòng)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(chǔ)存和利用都以ATP為中心。（二）ATP的結(jié)構(gòu)與功能 1、ATP是生物體內(nèi)的“能量貨幣” （1）ATP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其易于水解放能（2）ATP的分解與合成與能量偶聯(lián) 、ATP是磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移載體 、ATP與其它NTP的相互轉(zhuǎn)變其它NTP，如GTP（蛋白質(zhì)的合成）,CTP（磷脂的合成）的合成需由ATP供能一些磷酸化合物水解的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化化合物 G0 磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢(shì)能 （kcal/mol) （kcal/mol)

6、 PEP -14.8 14.81,3-DPGA -12.3 12.3磷酸肌酸 -10.3 10.3ATP -7.3 7.3G-6-P -3.3 3.3G-3-P -2.2 2.2磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢(shì)能/kcal.mol-1246810121416ATP作為磷酸基團(tuán)傳遞體示意圖 磷酸肌酸 （磷酸基團(tuán)儲(chǔ)備物）1,3-DPGAATPG-6-PG-3-PPPPPP 能荷是細(xì)胞能量狀態(tài)的一種度量。由Atkinson于1968年提出。 能荷：是指生物體中ATPADPAMP體系中高能磷酸鍵的可獲性量度。 ATP + 0.5ADP 能荷 = ATP + ADP + AMP 四、能荷 1、一般情況下細(xì)胞內(nèi)能荷為0.8

7、-0.9 2、能荷高時(shí)，促進(jìn)合成代謝抑制分解代謝 3、能荷低時(shí)，促進(jìn)分解代謝抑制合成代謝 4、能荷的調(diào)節(jié)是靠ATP、ADP、AMP對(duì)代謝中酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的回首頁(yè)意義： 第二節(jié) 電子傳遞鏈（ 呼吸鏈） (Electron Transport System, ETS) ETS：存在于線粒體內(nèi)膜上的一系列能接受氫或電子的中間傳遞體組成的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)體系。 根據(jù)呼吸底物上氫的初始受體的不同，線粒體內(nèi)呼吸鏈可分為：NADH呼吸鏈FADH2呼吸鏈一、概念煙酰胺脫氫酶以NAD+ 和NADP+為輔酶的脫氫酶以NAD+ 為輔酶的脫氫酶主要參與線粒體底物到分子氧的傳遞過(guò)程以NADP+ 為輔酶的脫氫酶主要參與生物合成

8、中電子傳遞過(guò)程，如脂肪酸的合成二、電子傳遞鏈的組成 、黃素蛋白類（FP） 包括NADH脫氫酶和琥珀酸脫氫酶，分別以 FMN、FAD為輔基 NADH + H+ + FMN NADH脫氫酶 NAD+ + FMNH2 琥珀酸 + FAD 琥珀酸脫氫酶延胡索酸 + FADH2 作用：傳遞電子和質(zhì)子、鐵硫蛋白（Fe-S）它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有兩個(gè)活潑的無(wú)機(jī)硫和兩個(gè)鐵原子。作用：通過(guò)鐵的價(jià)態(tài)變化而傳遞電子 ETS上唯一的非蛋白組分，是脂溶性小分子醌類化合物。 、輔酶Q（又稱泛醌，CoQ）作用：傳遞質(zhì)子和電子 以鐵卟啉為輔基的色素蛋白 作用：通過(guò)輔基

9、中鐵的價(jià)態(tài)變化而傳遞電子 Cytb、Cytc1 、Cytc Cyta、Cyta3 輔基:血紅素 輔基:血紅素A， 還含有兩個(gè)必 需的銅離子 、細(xì)胞色素類（Cyt）典型的細(xì)胞色素傳遞順序是：b c1 c aa3 o2 Cyta類中的血紅素ACytb 、c類中的血紅素卟啉環(huán)共 同1234567817個(gè)碳的碳?xì)滏滊娮觽鬟f中的功能復(fù)合體 參與線粒體電子傳遞的組分以功能復(fù)合體的形式位于線粒體內(nèi)膜上進(jìn)行電子和質(zhì)子的傳遞與跨膜轉(zhuǎn)移 1、復(fù)合物：NADH-CoQ還原酶 組成：FMN+鐵硫蛋白，功能為電子傳遞和質(zhì)子的跨膜轉(zhuǎn)移2、復(fù)合物：琥珀酸-CoQ還原酶 組成：FAD+鐵硫蛋白，功能為電子傳遞323、復(fù)合物：

10、 細(xì)胞色素C還原E 組成：Cytb+Fe-S+ Cytc1，功能為電子傳遞及質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)移 組成：Cyta+ Cyta3+含銅蛋白4、復(fù)合物：細(xì)胞色素氧化E三、電子傳遞鏈的順序Fe-S FAD琥珀酸NADH+H+FMN Fe-SCoQCytbFe-SCytc1 Cytc Cytaa3 O2細(xì)胞色素氧化酶NADH-Q還原酶細(xì)胞色素還原酶琥珀酸-Q 還原酶NADH呼吸鏈FADH2呼吸鏈為什么是這樣一個(gè)順序呢？(3) 利用光譜變化確定各組分的氧化還原狀態(tài)(1) 測(cè)各組分氧化還原電位（E0）研究方法(2) 呼吸鏈復(fù)合物重組(4)利用呼吸鏈抑制劑四、 電子傳遞抑制劑 電子傳遞抑制劑：指阻斷呼吸鏈中某部位電

11、子傳遞的物質(zhì)電子傳遞鏈的順序回首頁(yè)電子傳遞 抑制劑魚藤酮、安密妥 抗霉素A 氰化物、CO窒息劑（劇毒）第三節(jié) 氧化磷酸化 2H+NADH + H+（或FADH2） H2O 2H 呼吸鏈 2e- 氧化 （放能） NAD+（或FAD） 1/2O2 能量 偶聯(lián) ADP + Pi ATP + H2O 磷酸化 （吸能）概念：利用生物氧化過(guò)程中釋放的自由能使ADP形成ATP的過(guò)程。（1）底物水平磷酸化：同高能化合物的放能水解作用相偶聯(lián)的ATP合成作用。（2）氧化磷酸化：電子從NADH或FADH2經(jīng)ETS傳遞到O2生成水時(shí)，同時(shí)偶聯(lián)ADP磷酸化生成ATP的過(guò)程。(3) 光合磷酸化：光合作用 一、ATP的生成

12、類型1、根據(jù)氧化還原電位差判斷: G, =-nFE, E, 0.16V G, -30.5KJ/mol NADH (-0.32) 電位 FMN (-0.30) Fe-S CoQ Cytb Fe-S ( 0.04) (-0.02) ( 0.10) ( 0.00) (0.22) Cytc1 Cytc (0.25) Cyta (0.29)能量 Cyta3 (0.55) O2 (0.82)二、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位 P/O ：每消耗一個(gè)氧原子（或每對(duì)電子通過(guò)呼吸鏈傳遞至氧）所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。 實(shí)驗(yàn)證明：線粒體中的NADH經(jīng)ETS氧化，P/O=2.5，F(xiàn)ADH2經(jīng)ETS氧化，P/O=1.5 3、偶聯(lián)部位

13、： NADH CoQ 復(fù)合物 Cytb Cytc1 復(fù)合物 Cytaa3 O2 復(fù)合物 2、根據(jù)P/O判斷1、化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)：電子的傳遞過(guò)程中形成高能中間物，釋放能量，使ADP生成ATP。 2、化學(xué)滲透假說(shuō)：1961年由P.Mitchell提出，此假說(shuō)得到多數(shù)人支持。（1978年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）（一）相關(guān)假說(shuō)三、氧化磷酸化的機(jī)制 （1）遞H體和遞電子體交替排列 （2）復(fù)合物、 和中的遞H體利用電子傳遞反應(yīng)能量將H+泵出內(nèi)膜 （3）完整的線粒體內(nèi)膜具有選擇透性，對(duì)H+不通透，造成跨膜H+梯度(質(zhì)子濃度梯度和電位梯度，合稱為質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)) （4） H+通過(guò)ATP合酶回流時(shí)，釋放能量，生成ATP化學(xué)滲透

14、假說(shuō)要點(diǎn)： （1）氧化磷酸化的進(jìn)行要求線粒體內(nèi)膜完整 （2）將線粒體懸浮于無(wú)O2緩沖液，當(dāng)通入O2 時(shí)介質(zhì)很快酸化 （3）內(nèi)膜對(duì)H+、OH-、K+和Cl-等離子不通透 （4）人為地造成跨膜的質(zhì)子電子電化學(xué)梯度，同時(shí)加入ADP和Pi，發(fā)現(xiàn)合成了ATP化學(xué)滲透假說(shuō)的證據(jù)：基質(zhì)膜空間3、構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō)：電子的傳遞過(guò)程中形成高能構(gòu)象，釋放能量，使ADP生成ATP。Boyer 1964提出1)ATP合酶復(fù)合體 F1：球形頭部，伸入到線粒體基質(zhì)中，由五種9個(gè)亞基組成 功能：合成ATP的催化部位 寡霉素敏感性蛋白（OSCP）：參與調(diào)控F1-F0的功能 F0：橫貫線粒體內(nèi)膜 功能：質(zhì)子通道ATP合酶亞基有三種狀

15、態(tài)：“O”狀態(tài)：開放形式，對(duì)底物親和力極低“L”狀態(tài)：松弛形式，對(duì)底物結(jié)合較松弛， 對(duì)底物無(wú)催化能力“T”狀態(tài)：與底物結(jié)合緊密，并有催化活性 Boyer的構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō)：ATP合成機(jī)制（旋轉(zhuǎn)催化假說(shuō)，Walker&Boyer,1997年諾貝爾獎(jiǎng)）（二）ATP合成機(jī)制 1、解偶聯(lián)劑：不阻斷電子傳遞 不生成ATP 電子傳遞抑制劑：阻斷電子傳遞 不生成ATP 作用：使氧化（電子傳遞）和磷酸化（形成ATP）兩個(gè)偶聯(lián)的過(guò)程脫節(jié)，只抑制ATP的形成過(guò)程，而不抑制電子傳遞過(guò)程，使電子傳遞所產(chǎn)生的自由能以熱能表達(dá)。四、氧化磷酸化的抑制解偶聯(lián)劑DNP（2,4-二硝基苯酚）的抑制原理: 破壞跨膜H+梯度 在正常生理

16、條件下DNP是解離形式，不能透過(guò)線粒體內(nèi)膜，在酸性環(huán)境下DNP接受質(zhì)子成為脂溶性物質(zhì)，透過(guò)內(nèi)膜，同時(shí)將質(zhì)子H+帶入內(nèi)膜，破壞了跨膜H+梯度而引起解偶聯(lián)現(xiàn)象。呼吸鏈可與磷酸化脫離，能量全部轉(zhuǎn)化為熱。 作用：直接作用于ATPase復(fù)合體而抑制ATP的合成；間接抑制了電子傳遞和分子氧的消耗。 這類抑制劑有短桿菌肽、纈氨霉素、蕓香霉素和寡霉素。 寡酶素抑制原理：與Fo-F1-ATPase復(fù)合體柄部（Fo）的一個(gè)亞基結(jié)合“堵塞”了其內(nèi)的質(zhì)子通道,阻止膜外的H+回流到基質(zhì)內(nèi)。 2、 氧化磷酸化的抑制（一）外NADH脫氫酶(真菌和高等植物) 外NADH脫氫酶分布在內(nèi)膜的外側(cè)朝向膜空間，以FAD為輔基的黃素蛋

17、白，接受來(lái)自于胞液的NADH的氫原子，傳遞給CoQ。 P/O=1.5 線粒體內(nèi)NADH脫氫酶分布在內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)朝向襯質(zhì)，以FMN為輔基的黃素蛋白，接受來(lái)自于線粒體襯質(zhì)的NADH的氫原子，傳遞給CoQ。P/O=2.5五、線粒體外NADH的氧化磷酸化 動(dòng)物體內(nèi)的NADH必須通過(guò)線粒體穿梭系統(tǒng)。 線粒體穿梭：生物氧化和氧化磷酸化主要在線粒體內(nèi)進(jìn)行，NAD+、NADH不能自由進(jìn)入線粒體，因此胞液中生成的NADH必須通過(guò)特殊的穿梭機(jī)制進(jìn)入線粒體。（二）線粒體穿梭 1、磷酸甘油穿梭系統(tǒng) 動(dòng)物肌細(xì)胞、腦細(xì)胞NADH 磷酸二羥丙酮 磷酸二羥丙酮 FADH2+H+ 甘油磷酸 甘油磷酸 線粒體 脫氫酶 脫氫酶 內(nèi)膜

18、 線粒體 外膜 NAD+ 甘油磷酸 甘油磷酸 FAD 胞液 P/O=1.5 甘油-3-磷酸穿梭機(jī)制 2、蘋果酸穿梭系統(tǒng)動(dòng)物的肝、腎、心臟細(xì)胞 線粒體 胞液 外膜 內(nèi)膜 襯質(zhì) NAD+ 蘋果酸 蘋果酸 NAD+ NADH+H+ OAA OAA NADH+H+ -酮戊二酸 -酮戊二酸 Glu Glu Asp Asp P/O =2.5 ：蘋果酸-酮戊二酸反向交換載體 II ：AapGlu反向交換載體蘋果酸穿梭機(jī)制六、G徹底氧化的總結(jié)算 根據(jù)當(dāng)前最新測(cè)定，H+經(jīng)NADH-Q還原酶、細(xì)胞色素還原酶和細(xì)胞色素氧化酶從線粒體基質(zhì)泵出至膜空間時(shí)，一對(duì)電子泵出的質(zhì)子數(shù)依次為4、2和4。 合成一個(gè)ATP分子是由3個(gè)H+通過(guò)ATP合酶所驅(qū)動(dòng)。完成ADP和ATP從線粒體基質(zhì)到線粒體膜外細(xì)胞質(zhì)的交換需要消耗一個(gè)H+。 2e-經(jīng)NADH呼吸鏈，產(chǎn)生的ATP分子數(shù)是2.5個(gè)； 2e-從FADH2呼吸鏈，產(chǎn)生的ATP分子數(shù)是1.5個(gè)。 1molG經(jīng)EMP-TCA-ETS徹底氧化生成32mol ATP（或30） 3230.5 貯能效率： 100% = 33.9% 2876.5氧化磷酸化的貯能效率八、氧的不完全還原O2 + e- O2 -