生化-第08章生物氧化

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，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時(shí)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H2OO2能量ADP+PiATP熱能*生物氧化的概念*生物氧化與體外氧化之相同點(diǎn)生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。物質(zhì)在體內(nèi)外氧化時(shí)所消耗的氧量、最終產(chǎn)物（CO2，H2O）和

能量均相同。生物氧化是在細(xì)胞內(nèi)溫和的環(huán)境中（體溫，pH接近中性），在一系列酶促反應(yīng)逐步進(jìn)行，能量逐步有利于機(jī)體捕獲能量，提高ATP生成的效率。進(jìn)行廣泛的加水脫氫反應(yīng)使物質(zhì)能間接獲得氧，并增加脫氫的機(jī)會(huì)；脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生H2O，有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生CO2。*生物氧化與體外氧化之不同點(diǎn)體外氧化能量是突然

的。產(chǎn)生的CO2、H2O由物質(zhì)中的碳和氫直接與氧結(jié)合生成。糖原

三脂酰甘油蛋白質(zhì)葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATACCO22H呼吸鏈H2OADP+Pi

ATP*生物氧化的一般過程生物氧化概述一、氧化反應(yīng)的類型脫電子反應(yīng)脫氫反應(yīng)加氧反應(yīng)二、生物氧化的酶類氧化酶類需氧脫氫酶不需氧脫氫酶需氧脫氫酶、不需氧脫氫酶和氧化酶受氫體輔酶（輔基）產(chǎn)物不需氧脫氫酶輔酶需氧脫氫酶O2FMN或FADH2O2氧化酶O2含CuH2O第一節(jié)氧化呼吸鏈?zhǔn)怯删哂须娮觽鬟f功能的復(fù)合體組成定義代謝物脫下的成對(duì)氫原子（2H）通過線粒體內(nèi)膜上的多種酶和輔酶所催化的

逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈(respiratorychain)又稱電子傳遞鏈(electron

transfer

chain)。組成遞氫體和電子傳遞體（2H

2H++2e）一、呼吸鏈（一）呼吸鏈的組成四種具有傳遞電子功能的酶復(fù)合體(complex)人線粒體呼吸鏈復(fù)合體*泛醌和Cyt

c

均不包含在上述四種復(fù)合體中。復(fù)合體

酶名稱復(fù)合體Ⅰ復(fù)合體Ⅱ復(fù)合體Ⅲ復(fù)合體ⅣNADH-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-SFAD，F(xiàn)e-S鐵卟啉，F(xiàn)e-S鐵卟啉，Cu多肽鏈數(shù)3941013呼吸鏈各復(fù)合體粒體內(nèi)膜中的位置ⅢⅠⅡNADH+H+延胡索酸NAD+

琥珀酸1/2O2+2H+2H

O胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)線粒體內(nèi)膜e-e-Q

e-Cytce-e-Ⅳ1.

復(fù)合體Ⅰ:

NADH-泛醌還原酶功能:將電子從NADH傳遞給泛醌

(ubiquinone)復(fù)合體ⅠNADH→→CoQFMN;

Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;

Fe-SN-2NAD+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(shí)變化發(fā)生在五價(jià)氮和三價(jià)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(shí)不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN?。Vit

B2FMNAMPFADNCNHNOCOH3CH3CHCOHHCOHCH3NHCOHH2COOHOP

OOHOPOCH3OOHOHNNNH2NN鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其原子可進(jìn)行Fe2+

Fe3++e反應(yīng)傳遞電子。?表示無機(jī)硫鐵硫蛋白SS無機(jī)硫半胱氨酸硫泛醌（輔酶Q,CoQ,Q）由多個(gè)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(shí)可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。復(fù)合體Ⅰ的功能NADH+H+NAD+FMNFMNH2還原型Fe-S氧化型Fe-S

QH2Q2.

復(fù)合體Ⅱ: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Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3細(xì)胞色素細(xì)胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。3.

復(fù)合體Ⅲ: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ⅢQH2→→Cytcb562;

b566;

Fe-S;

c14.

復(fù)合體Ⅳ: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Ⅳ還原型Cyt

c→→

O2CuA→a→a3→CuB其中Cyt

a3

和CuB形成的活性部位將電子交給O2。(二）線粒體中重要的呼吸鏈NADH氧化呼吸鏈NADH→復(fù)合體Ⅰ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cyt

c→復(fù)合體Ⅳ→O2琥珀酸氧化呼吸鏈琥珀酸→復(fù)合體Ⅱ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cyt

c→復(fù)合體Ⅳ→O2NADH氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈ⅢⅠⅡNADH+H+延胡索酸NAD+

琥珀酸1/2O2+2H+2H

O胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)線粒體內(nèi)膜e-e-Q

e-Cytce-e-Ⅳ由以下實(shí)驗(yàn)確定①標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位②拆開和重組③特異抑制劑阻斷④還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧（三）呼吸鏈成分的排列順序NAD+/NADH+H+FMN/

FMNH2FAD/

FADH2Cyt

b

Fe3+/Fe2+Q10/Q10H2-0.32-0.30-0.060.04（或0.10）0.07呼吸鏈中各種氧化還原對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位氧化還原對(duì)

Eo'

(V)Cyt

c1

Fe3+/

Fe2+0.22Cyt

c

Fe3+/Fe2+0.25Cyt

a

Fe3+

/

Fe2+0.29Cyt

a3

Fe3+

/

Fe2+0.551/2

O2/

H2O0.82電子傳遞鏈二、氧化磷酸化ATP生成的方式有兩種*定義氧化磷酸化(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。底

物

水

平

磷

酸

化

(substraevelphosphorylation)是底物分子

能量重新分布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成ATP的過程。（一）氧化磷酸化偶聯(lián)部位氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ根據(jù)

能變化和P/O比值⊿Go'=-nF⊿Eo'線粒體離體實(shí)驗(yàn)測(cè)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)β-羥丁酸NAD+→復(fù)合體Ⅰ→CoQ→復(fù)合體Ⅲ2.4～2.83→Cyt

c→復(fù)合體Ⅳ→O2琥珀酸復(fù)合體Ⅱ→CoQ→復(fù)合體Ⅲ1.72→Cyt

c→復(fù)合體Ⅳ→O2抗壞血酸

Cyt

c→復(fù)合體Ⅳ→O20.881細(xì)胞色素c

(Fe2+)

復(fù)合體Ⅳ→O20.61-0.681ATPATPATP氧化磷酸化偶聯(lián)部位電子傳遞鏈能變化NAD+~CoQ0.36V69.5KJ/mol能CoQ~Cyt

c0.21V40.5KJ/mol能Cyt

aa3~O20.53V102.3KJ/mol能區(qū)段電位變化(⊿Eo′)能變化

能否生成ATP⊿Go′=-nF⊿Eo′(⊿Go′是否大于30.5KJ)（二）氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理1.

化學(xué)滲透假說(chemiosmotic

hypothesis)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，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)梯度能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ADP與Pi生成ATP。+

+

+

+-

-

-

-H+O2H2OH+線粒體膜線粒體基質(zhì)e-ADP+PiATP化學(xué)滲透假說簡單示意圖化學(xué)滲透假說ⅠⅡF0F1QNADH+H+延胡索酸NAD+

琥珀酸1/2O2+2H+ADP+Pi

ATPH+4H+基質(zhì)側(cè)胞液側(cè)++

+

+

+

+4H++2H+Cytc+

++-

--

Ⅲ

-

-

-Ⅳ-

-H2O-化學(xué)滲透假說詳細(xì)示意圖2.

ATP合酶由親水部分

F1

（

α3β3γδε

亞基）和疏水部分F0（a1b2c9～12亞基）組成。ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖當(dāng)H+順濃度遞度經(jīng)F0中a亞基和c亞基之間回流時(shí)，γ亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個(gè)β亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。ATP合酶的工作機(jī)制三、影響氧化磷酸化的因素（一）抑制劑呼吸鏈抑制劑阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞。解偶聯(lián)劑使氧化與磷酸化偶聯(lián)過程脫離。如：解偶聯(lián)蛋白氧化磷酸化抑制劑對(duì)電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素×魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥抗霉素A二巰基丙醇×、-、-N3

及H2S×各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn)ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)解偶聯(lián)蛋白解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體）熱能H+H+ADP+Pi

ATP寡霉素(oligomycin)可

質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成寡霉素ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖（二）ADP和ATP的調(diào)節(jié)作用（三）甲狀腺激素Na+,K+–ATP酶和解偶聯(lián)蛋白表達(dá)均增加。電子傳遞鏈及氧化磷酸化系統(tǒng)概貌ΔμH+跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度；H+m內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)H+；H+c

內(nèi)膜胞液側(cè)H+四、ATP高能磷酸鍵與高能磷酸化合物高能磷酸鍵水解時(shí)

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核苷二磷酸激酶的作用ATP

+

UDPATP

+

CDPATP

+

GDPADP

+

UTPADP

+

CTPADP

+

GTP腺苷酸激酶的作用ADP

+

ADP

ATP

+

AMP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

形式。ATP的生成和利用ATPADP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(

代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)生物體內(nèi)能量的

和利用都以ATP為中心。五、通過線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體外膜通透性高，線粒體對(duì)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(duì)各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。線粒體內(nèi)膜的主要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白胞

漿線粒體基質(zhì)α-酮戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白酸性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白三羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白堿性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白肉堿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白蘋果酸谷氨酸H2PO4—

H+ADP酸α-酮戊二酸天冬氨酸H2PO4—

H+ATPOH-檸檬酸瓜氨酸肉

堿蘋果酸鳥氨酸脂酰肉堿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白功

能（一）

胞漿中NADH的氧化胞漿中NADH必須經(jīng)一定轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)入線粒體，再經(jīng)呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制主要有α-磷酸甘油穿梭

(腦、骨骼?。?α-glycerophosphate

shuttle)蘋果酸-天冬氨酸穿梭 （肝、心）(malate-asparate

shuttle)1.

α-磷酸甘油穿梭機(jī)制NADH+H+FADH2NAD+FAD線粒體內(nèi)膜線粒體外膜膜間隙線粒體基質(zhì)α-磷酸甘油脫氫酶呼吸鏈磷酸二羥CH2O-

PiCH2OHC=OCH2O-

PiCH2OHC=OCH2O-

Piα-磷酸甘油CH2OHCHOHCH2O-

PiCH2OHCHOH2.

蘋果酸-天冬氨酸穿梭機(jī)制NAD+-OOC-CH2-C-COO-OOH-OOC-CH2-C-COO-HNADH+H+NAD+谷氨酸-天冬氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體蘋果酸-α-酮戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)體OH-OOC-CH2-C-COO-H蘋果酸-OOC-CH2-C-COO-O草酰乙酸NADH+H+O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-α-酮戊二酸-OOC-CH2-CH2-C-COO-3H

N+H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-2OOC-CH

-C-COO-+H3NH天冬氨酸-OOC-CH2-C-COO-3H

N+H-2

2OOC-CH

-CH

-C-COO-+H3NH第二節(jié)其他氧化酶系The

Others

Oxidation

EnzymeSystems一、微粒體中的酶類（一）加單氧酶(monoxygenase)*

催化的反應(yīng)：RH

+

NADPH+

H++O2