生物化學(xué)第6章生物氧化課件

第六章生物氧化BiologicalOxidation

講授內(nèi)容

生成ATP的氧化體系

一、呼吸鏈二、氧化磷酸化三、影響氧化磷酸化的因素四、高能磷酸化合物ATP

五、通過線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行氧化稱生物氧化(biologicaloxidation)，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H2OO2能量ADP+PiATP熱能生物氧化的概念反應(yīng)環(huán)境溫和，酶促反應(yīng)逐步進(jìn)行，能量逐步釋放，能量容易捕獲，ATP生成效率高。脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生H2O，有機酸脫羧產(chǎn)生CO2。生物氧化與體外氧化的不同點生物氧化體外氧化能量突然釋放。物質(zhì)中的碳和氫直接與氧結(jié)合生成CO2和H2O

。糖原三酯酰甘油蛋白質(zhì)葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸鏈H2OADP+PiATPCO2生物氧化的一般過程第一節(jié)

生成ATP的氧化磷酸化體系TheOxidativePhosphorylationSystemwithATPProducing指線粒體內(nèi)膜中按一定順序排列的一系列具有電子傳遞功能的酶復(fù)合體，可通過鏈鎖的氧化還原將代謝物脫下的氫(質(zhì)子和電子)最終傳遞給氧生成水。這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈又稱電子傳遞鏈。一、呼吸鏈定義人線粒體呼吸鏈復(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)合位點復(fù)合體ⅠNADH-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Ⅱ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Ⅲ泛醌-細(xì)胞色素C還原酶25011細(xì)胞色素bL,bH,c1,Fe-SCytc（膜間隙側(cè)）復(fù)合體Ⅳ細(xì)胞色素C氧化酶16213細(xì)胞色素a，a3，CuA,CuBCytc（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。

1、復(fù)合體Ⅰ

作用：將NADH+H+中的電子傳遞給泛醌：

NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQ

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)，復(fù)合體Ⅰ有質(zhì)子泵功能。

組成：NADH-泛醌還原酶。黃素蛋白：輔基是FMN鐵硫蛋白（Fe-S）：以鐵硫族為輔基NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互轉(zhuǎn)變NAD+的加氫和脫氫反應(yīng)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。

HHH

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。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。是內(nèi)膜中可移動的電子載體，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Ⅰ電子傳遞過程還原型FAD復(fù)合體Ⅱ電子傳遞過程

Cyta:a,a3

細(xì)胞色素Cytb:b560,b562,b566Cytc:c,c1細(xì)胞色素(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。細(xì)胞色素(cytochrome,Cyt)CytaCytbCytc

4.復(fù)合體Ⅳ

作用：將電子從細(xì)胞色素C傳遞給氧

Cyt

c→CuA→Cyt

a→CuB

–

Cyta3→O2

Cyta3–CuB形成活性雙核中心，將電子傳遞給O2。每2個電子傳遞過程使2個H+跨內(nèi)膜向胞漿側(cè)轉(zhuǎn)移。

組成：細(xì)胞色素C氧化酶

Cyta、Cyta3和Cu(

Cu

A

和

CuB)

Cu+Cu2+

Cyta和Cyta3

結(jié)合緊密常以Cytaa3

表示-e+e復(fù)合體Ⅳ的電子傳遞過程標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位拆開和重組特異抑制劑阻斷還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧（二）呼吸鏈的順序排列

由以下實驗確定:Δ1、NADH氧化呼吸鏈NADH→復(fù)合體Ⅰ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O22、FADH2氧化呼吸鏈琥珀酸→復(fù)合體Ⅱ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2體內(nèi)已知的兩條呼吸鏈NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2NADH氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈二、氧化磷酸化氧化磷酸化

(oxidativephosphorylation)由代謝物脫下的氫，經(jīng)線粒體氧化呼吸鏈電子傳遞并釋放能量，偶聯(lián)驅(qū)動ADP磷酸化生成ATP的過程。又稱為偶聯(lián)磷酸化。底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)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。ATP生成方式（一）氧化磷酸化偶聯(lián)部位根據(jù)P/O比值自由能變化:⊿Go'=-nF⊿Eo'氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ1、P/O比值指氧化磷酸化過程中，每消耗1摩爾氧所生成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)）。

離體線粒體測知的P/O比值

底物電子傳遞途徑P/O比值生成ATP數(shù)

?-羥丁酸NADHFMNCoQCytO22.52.5

琥珀酸FADCoQCytO21.51.5

抗壞血酸CytcCytaa3O20.881

細(xì)胞色素CCytaa3O20.61-0.681FADH2

NADHFMNCoQCytbCytc1CytcCytaa3O2

2、自由能變化根據(jù)熱力學(xué)公式，pH7.0時標(biāo)準(zhǔn)自由能(△G0′)與標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位(△E0′)之間有以下關(guān)系：n為傳遞電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)(96.5kJ/mol·V)△G0′=-nF△E0′

已知生成每克分子ATP需要的自由能約為30.5KJ，故從呼吸鏈上相鄰載體之間的電位差的大小即可推測生成ATP的部位。

FADH20.1v=20KJNADHFMNCoQCytbCytcCytaaO2

△

EO′

0.36v△EO′0.19v△EO′0.58v

△GO′69.5KJ△GO′

36.7KJ△GO′112KJ

ADPADPADPPiPiPiATPATPATP

（二）氧化磷酸化偶聯(lián)機制

1、化學(xué)滲透假說：

1961年Mitchell提出了化學(xué)滲透假說，1978年獲諾貝爾化學(xué)獎。

基本要點:電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時,可將質(zhì)子從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜的胞漿側(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產(chǎn)生的能量驅(qū)動ADP與Pi生成ATP.NADH+H+NAD+2H+2H+1/2O2+

2H+H2O2eFeS

FeS

QH22eb566b562QH2FeS2ec1caa3CuCu2H+2H+

2H+胞漿側(cè)線粒體內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)FMNH22HⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液側(cè)

基質(zhì)側(cè)++++++++++---------電子傳遞過程復(fù)合體Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有質(zhì)子泵功能。

(三）ATP合酶：

ATP合酶的結(jié)構(gòu)

由兩部分組成：

F1：

水溶性，由α、β、γ、δ、ε5種亞基按α3β3γδε組成,MW為371Kd，β-亞基必須與α-亞基結(jié)合才具有催化合成ATP的活性。

F0：脂溶性，由a、b、c三類亞基，按ab2cn組成，還有寡酶素敏感蛋白。F0的作用是將質(zhì)子梯度產(chǎn)生的能量導(dǎo)向F1.

CATP合酶組成可旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機樣結(jié)構(gòu)F0的2個b亞基的一端錨定F0的α亞基，另一端通過δ和α3β3穩(wěn)固結(jié)合，使a、b2和α3β3、δ亞基組成穩(wěn)定的定子部分。部分γ和ε亞基共同形成穿過α3β3間中軸，γ還與1個β亞基疏松結(jié)合，另一端與嵌入內(nèi)膜的c亞基環(huán)緊密結(jié)合。c亞基環(huán)、γ和ε亞基組成轉(zhuǎn)子部分。質(zhì)子順梯度向基質(zhì)回流時，轉(zhuǎn)子部分相對定子部分旋轉(zhuǎn)，使ATP合酶利用釋放的能量合成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，γ亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個β亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。ATP合酶的工作機制ATP合成的結(jié)合變構(gòu)機制三、氧化磷酸化的因素影響（一）有三類氧化磷酸化抑制劑1.呼吸鏈抑制劑：阻斷氧化磷酸化的電子傳遞過程2.解偶聯(lián)劑:使氧化與磷酸化脫節(jié),P/O比值降低3.ATP合酶抑制劑：同時抑制電子傳遞和ATP的生成

NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥×抗霉素A粘噻唑菌醇×CO、CN-、N3-及H2S×1.呼吸鏈抑制劑萎銹靈×2.解偶聯(lián)劑：解偶聯(lián)劑能使氧化與磷酸化脫節(jié),P/O比值降低，ATP的生成減少，機體加快燃料的氧化。如:二硝基苯酚、水楊酸、水楊酰苯胺、等。

解偶聯(lián)劑的作用機制：

解偶聯(lián)劑皆為脂溶性，能可逆結(jié)合質(zhì)子，在膜間隙結(jié)合質(zhì)子后穿過內(nèi)膜到基質(zhì)釋放出質(zhì)子，使內(nèi)膜胞液側(cè)的H+不經(jīng)ATP合酶的F0質(zhì)子通道回到基質(zhì)。破壞了線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的電化學(xué)梯度，ATP的生成受到抑制。

解偶聯(lián)蛋白作用機制（棕色脂肪組織）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)解偶聯(lián)蛋白熱能H+H+ADP+PiATP3、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。例如寡霉素可結(jié)合F0單位，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)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。

(二)ADP的調(diào)節(jié)作用

ADP/ATP比值是調(diào)節(jié)氧化磷酸化的主要因素：比值增大，氧化磷酸化加快，反之氧化磷酸化則減慢。這樣可使體內(nèi)ATP的生成速度與機體的生理需要相適應(yīng)。

(三)甲狀腺素的調(diào)節(jié)作用

甲狀腺素能使Na+-K+-ATP酶基因表達(dá)增加,促進(jìn)ATP分解，使ADP增多而加快氧化磷酸化。甲狀腺素還使解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)增加,使ATP生成減少。

(四)線粒體DNA突變線粒體DNA由于缺乏蛋白質(zhì)保護(hù)和損傷修復(fù)系統(tǒng)易發(fā)生突變，而影響其氧化磷酸化的肽和蛋白質(zhì)的編碼基因，使氧化磷酸化降低，ATP生成減少而致病。

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△E0′kJ/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→ADP＋Pi－30.5(－7.3)乙酰輔酶A－31.5(－7.5)ADP→AMP＋Pi－27.6(－6.6)焦磷酸－27.6(－6.6)1-磷酸葡萄糖－20.9(－5.0)一些重要有機磷酸化合物水解釋放的標(biāo)準(zhǔn)自由能

核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶的作用

ADP+ADPATP+AMP高能磷酸鍵的轉(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。

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。

ATP循環(huán)

定義:

ATP水解成ADP時釋放的能量用以驅(qū)動那些需要加入自由能的吸能反應(yīng)。如生物合成、肌肉收縮、信息傳遞、物質(zhì)轉(zhuǎn)運等，而ADP又利用營養(yǎng)物質(zhì)氧化時釋放的自由能重新磷酸化成ATP,這樣就構(gòu)成了ATP循環(huán)。五、線粒體內(nèi)膜對各種物質(zhì)進(jìn)行選擇性轉(zhuǎn)運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)運蛋白(transporter)對各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運。

線粒體內(nèi)膜的主要轉(zhuǎn)運蛋白

（一）胞漿中NADH通過穿梭機制進(jìn)入線粒體氧化呼吸鏈胞漿中NADH必須經(jīng)一定轉(zhuǎn)運機制進(jìn)入線粒體，再經(jīng)呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)蘋果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle