生物化學(xué)幻燈片(10)生物氧化A

生物氧化第七章代謝總論與生物氧化第一節(jié)代謝總論代謝(metabolism)——活細胞中所有化學(xué)變化的總稱。每一變化均為酶催化物質(zhì)代謝

能量代謝中間代謝（代謝中的一系列的酶促反應(yīng)）代謝的研究方法——中間代謝的研究方法

同位素示蹤法（常用放射性同位素）第二節(jié)生物能學(xué)化學(xué)反應(yīng)自發(fā)進行的條件：在生物化學(xué)能量學(xué)中，標準狀況的pH值規(guī)定為7.0。G0′G<0一、生物能和ATP1、ATP是生物能存在的主要形式ATP是能夠被生物細胞直接利用的能量形式。2、磷酸肌酸（磷酸精氨酸—無脊椎動物）是能量的儲存形式。3、生物化學(xué)反應(yīng)的自由能變化生物化學(xué)反應(yīng)與普通的化學(xué)反應(yīng)一樣,也服從熱力學(xué)的規(guī)律。磷酸肌酸與ATP的轉(zhuǎn)換二、高能磷酸化合物高能化合物

生物化學(xué)中把水解時釋放5000卡/mol（21KJ/mol）以上自由能的化合物稱為高能化合物

p144表7-3高能鍵“~”根據(jù)生物體內(nèi)高能化合物鍵的特性可以把它們分成以下幾種類型。1,磷氧鍵型（—O～P)(1)酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸10.1千卡/摩爾11.8千卡/摩爾?；姿峄衔锇奔柞Ａ姿岚滨；佘账幔?）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩爾（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩爾2,氮磷鍵型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩爾7.7千卡/摩爾這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲存能量的作用。3,硫酯鍵型腺苷-5’-磷酸硫酸酰基輔酶A4,甲硫鍵型S-腺苷甲硫氨酸第三節(jié)生物氧化定義：有機物質(zhì)在生物體細胞內(nèi)的氧化作用，稱為生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又稱為呼吸作用。在整個生物氧化過程中，有機物質(zhì)最終被氧化成CO2和水，并釋放出能量。一、生物氧化的方式生物氧化是在一系列氧化-還原酶催化下分步進行的。每一步反應(yīng)，都由特定的酶催化。在生物氧化過程中，主要包括如下幾種氧化方式。1．脫氫氧化反應(yīng)（1）脫氫在生物氧化中，脫氫反應(yīng)占有重要地位。它是許多有機物質(zhì)生物氧化的重要步驟。催化脫氫反應(yīng)的是各種類型的脫氫酶。eg.琥珀酸脫氫酶eg.乳酸脫氫酶（2）加水脫氫

催化的醛氧化成酸的反應(yīng)即屬于這一類。2．氧直接參加的氧化反應(yīng)這類反應(yīng)包括：加氧酶催化的加氧反應(yīng)和氧化酶催化的生成水的反應(yīng)。加氧酶能夠催化氧分子直接加入到有機分子中。例如，甲烷單加氧酶

CH4+NADH+O2CH3-OH+NAD++H2O氧化酶主要催化以氧分子為電子受體的氧化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為水。在各種脫氫反應(yīng)中產(chǎn)生的氫質(zhì)子和電子，最后都是以這種形式進行氧化的。3．生成二氧化碳的氧化反應(yīng)（1）直接脫羧作用氧化代謝的中間產(chǎn)物羧酸在脫羧酶的催化下，直接從分子中脫去羧基。例如丙酮酸的脫羧。（2）氧化脫羧作用氧化代謝中產(chǎn)生的有機羧酸在氧化脫羧酶系的催化下，在脫羧的同時，也發(fā)生氧化（脫氫）作用。例如蘋果酸的氧化脫羧。二、生物氧化的特點1，生物氧化是在生物細胞內(nèi)進行的酶促氧化過程，反應(yīng)條件溫和（水溶液，pH7，常溫）。2，氧化進行過程中，必然伴隨生物還原反應(yīng)的發(fā)生。3，水是許多生物氧化反應(yīng)的氧供體。通過加水脫氫作用直接參予了氧化反應(yīng)。4，在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進行的。氧化過程中脫下來的氫質(zhì)子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水。5，生物氧化是一個分步進行的過程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反應(yīng)的產(chǎn)物都可以分離出來。這種逐步進行的反應(yīng)模式有利于在溫和的條件下釋放能量，提高能量利用率。6，生物氧化釋放的能量，通過與ATP合成相偶聯(lián)，轉(zhuǎn)換成生物體能夠直接利用的生物能ATP。第三節(jié)、線粒體呼吸鏈和ATP合成細胞內(nèi)的線粒體是生物氧化的主要場所，主要功能是將代謝物脫下的氫通過多種酶及輔酶所組成的傳遞體系的傳遞，最終與氧結(jié)合生成水。一、線粒體呼吸鏈的組成線粒體的結(jié)構(gòu)

由供氫體、傳遞體、受氫體以及相應(yīng)的酶催化系統(tǒng)組成的這種代謝途徑一般稱為生物氧化還原鏈，當(dāng)受氫體是氧時，稱為呼吸鏈。代謝物脫下的成對氫原子通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，此傳遞鏈稱為呼吸鏈，又稱為電子傳遞鏈。（一）兩條主要的氧化呼吸鏈

(1)NADH氧化呼吸鏈：NADH＋H+→FMN→Fe-S→Q→b→Fe-S→c1→c→a→a3→O2(2)琥珀酸氧化呼吸鏈（FADH2氧化呼吸鏈）：琥珀酸→FAD→Q→b→Fe-S→c1→c→a→a3→O2

傳遞體作用尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）遞氫體尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）遞氫體黃素蛋白（輔基為FAD和FMN）遞氫體鐵硫蛋白（Fe-S）單電子傳遞體輔酶Q遞氫體細胞色素類單電子傳遞體參與生物氧化的酶類脫氫酶——以FMN，F(xiàn)AD，NAD，NADP為輔酶的脫氫酶氧化酶——以氧為直接受氫體的氧化還原酶類

eg.細胞色素酶、抗壞血酸氧化酶加氧酶——催化加氧傳遞體——遞氫體（傳遞氫原子）

遞電子體（傳遞電子）NADH：還原型輔酶它是由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。FMN的作用是接受脫氫酶脫下來的電子和質(zhì)子，形成還原型FMNH2。還原型FMNH2可以進一步將電子轉(zhuǎn)移給Q?；|(zhì)鐵硫蛋白

鐵硫蛋白(簡寫為Fe-S)是一種與電子傳遞有關(guān)的蛋白質(zhì)，它與NADHQ還原酶的其它蛋白質(zhì)組分結(jié)合成復(fù)合物形式存在。它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有兩個活潑的無機硫和兩個鐵原子。鐵硫蛋白通過Fe3+Fe2+變化起傳遞電子的作用。NADH泛醌還原酶簡寫為NADHQ還原酶,即復(fù)合物I，它的作用是催化NADH的氧化脫氫以及Q的還原。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。

NADHQ還原酶NADH+Q+H+NAD++QH2NADHQ還原酶是線粒體內(nèi)膜上最大的一個蛋白質(zhì)復(fù)合物。最少含有16個多肽亞基。它的活性部分含有輔基FMN和鐵硫蛋白。泛醌（簡寫為Q）或輔酶-Q（CoQ）：它是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為一種脂溶性醌類化合物。復(fù)合物Ⅰ：將來自NADH的電子傳遞給Q③泛醌細胞色素c還原酶簡寫為QH2-cyt.c還原酶,即復(fù)合物III,它是線粒體內(nèi)膜上的一種跨膜蛋白復(fù)合物，其作用是催化還原型QH2的氧化和細胞色素c（cyt.c）的還原。

QH2-cyt.c還原酶QH2+2cyt.c(Fe3+)Q+2cyt.c(Fe2+)+2H+

復(fù)合體Ⅲ（泛醌-細胞色素c還原酶）：2Cytb+2Cytc1+（Fe-S）QH2-cyt.c還原酶由9個多肽亞基組成。活性部分主要包括細胞色素b和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。細胞色素（簡寫為cyt.）是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環(huán)的中心，構(gòu)成血紅素。各種細胞色素的輔基結(jié)構(gòu)略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有細胞色素a,b,c和c1等，組成它們的輔基分別為血紅素A、B和C。細胞色素a,b,c可以通過它們的紫外-可見吸收光譜來鑒別。細胞色素主要是通過Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用的。④細胞色素c氧化酶簡寫為cyt.c氧化酶，即復(fù)合物IV，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復(fù)合物，由12個多肽亞基組成。活性部分主要包括cyt.a和a3。cyt.a和a3組成一個復(fù)合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。cyt.aa3可以直接以O(shè)2為電子受體。在電子傳遞過程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+

Cu2+

的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2。復(fù)合體Ⅳ：Cyta+Cyta3

作用：將電子由琥珀酸轉(zhuǎn)移到Q。組成：由四個亞基組成，兩個大亞基構(gòu)成琥珀酸脫氫酶，輔基為FAD、Fe-S；另兩個亞基為將琥珀酸脫氫酶結(jié)合到膜上以及使電子轉(zhuǎn)移到Q所必需。復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸－Q還原酶）復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸-泛醌還原酶）：琥珀酸是生物代謝過程（三羧酸循環(huán)）中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，它在琥珀酸-Q還原酶（復(fù)合物II）催化下，將兩個高能電子傳遞給Q。再通過QH2-cyt.c還原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶將電子傳遞到O2。琥珀酸延胡索酸ComplexⅡ（二）電子傳遞的抑制劑電子傳遞抑制劑（呼吸鏈抑制劑）可阻斷呼吸鏈的電子傳遞。⒈魚藤酮（rotenone）、殺粉蝶菌素（piericidine）、異戊巴比妥（amobar-bital)。阻斷電子由NADH向CoQ的傳遞。⒉抗霉素A（antimycinA)、二巰基丙醇（dimercaptopropanol,BAL)。阻斷電子由CoQH2到Ctyc1的傳遞⒊CO、CN-、N3-、H2S。抑制Ctyc氧化酶。二、氧化-還原電勢與自由能的變化在生物氧化反應(yīng)中，氧化與還原總是相互偶聯(lián)的。一個化合物（還原劑）失去電子，必然伴隨另一個化合物(氧化劑）接受電子。在線粒體呼吸鏈中，推動電子從NADH傳遞到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+

和1/2O2/H2O兩個半反應(yīng)之間存在很大的電勢差。(a)1/2O2+2H++2e-

H2OE0’=+0.82V(b)NAD++H++2e-

NADHE0’=-0.322V將(a)減去(b)，即得(c)式：(c)1/2O2+NADH+H+

H2O+NAD+ΔE0’=+1.14VG’=-nFE0’=-2965001.14=-220kJ/mol阿密妥三、電子傳遞和ATP的合成

NADH或琥珀酸所攜帶的高能電子通過線粒體呼吸鏈傳遞到O2的過程中，釋放出大量的能量。這種高能電子傳遞過程的釋能反應(yīng)與ADP和磷酸合成ATP的需能反應(yīng)相偶聯(lián)，是ATP形成的基本機制。

（1）ATP酶復(fù)合體

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ATP酶復(fù)合體，是ATP合成的場所。線粒體呼吸鏈的電子傳遞過程是在內(nèi)膜上進行的。ATP合酶（ATPsynthase)：FOF1-ATP酶ATP合酶，由兩個主要的單元構(gòu)成，即FO和F1。F1由5種不同的亞基（按3、3、1、1和1

的比例結(jié)合）組成。含有合成ATP的催化部位。FO和F1之間有一個大約5nm的柄相連。柄包含有兩種蛋白質(zhì)，即OSCP和F6。OSCP為寡霉素敏感性付與蛋白。F6為偶合因子。F0為一個疏水蛋白，含有質(zhì)子通道，是與線粒體電子傳遞系統(tǒng)連接的部位。（2）ATP合成反應(yīng)-氧化磷酸化生物氧化的釋能反應(yīng)與ADP的磷?；磻?yīng)偶聯(lián)合成ATP的過程，稱為氧化磷酸化。氧化磷酸化：包含底物水平磷酸化和電子傳遞體磷酸化。底物水平磷酸化：底物的高能磷酸基團直接轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP。X～P+ADPATP+X氧化磷酸化:當(dāng)電子從NADH＋H＋或FADH2經(jīng)電子傳遞體系傳遞給氧形成水的同時，伴隨ADP磷酸化為ATP，此過程稱為氧化磷酸化（電子傳遞體磷酸化或偶聯(lián)磷酸化）。

（3）P/O比值P/O比值是指物質(zhì)氧化時，每消耗1摩爾氧原子所消耗的無機磷（或ADP）的摩爾數(shù)，即生成的ATP的摩爾數(shù)。P/O比：當(dāng)一對電子通過呼吸鏈傳至氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。

NADH氧化呼吸鏈——3(2.5)

琥珀酸氧化呼吸鏈——2(1.5)根據(jù)氧化-還原電勢與自由能變化關(guān)系式，計算出在NADH氧化過程中，有三個反應(yīng)的G’<-30.5kJ/mol。FMNH2

Qcyt.bcyt.c1

cyt.aa3

O2G’-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/moL這三個反應(yīng)分別與ADP的磷酰化反應(yīng)偶聯(lián)，產(chǎn)生3個ATP(2.5個)。這些反應(yīng)稱為呼吸鏈的偶聯(lián)部位。從琥珀酸

O2只產(chǎn)生2個ATP(1.5個).①NADH與Q之間②b與c之間。③a、a3與O2之間。(4)胞液中NADH及NADPH穿梭機制胞液中的3-磷酸甘油醛或乳酸脫氫，均可產(chǎn)生NADH。這些NADH可經(jīng)穿梭系統(tǒng)而進