考研-課件生化10-生物氧化

第十章生物氧化

主要內(nèi)容：介紹生物氧化的概念。重點(diǎn)討論線粒體電子傳遞體系的組成、電子傳遞機(jī)理和氧化磷酸化機(jī)理。對(duì)非線粒體氧化體系作一般介紹。返回思考目錄第一節(jié)生物氧化的特點(diǎn)和方式第二節(jié)電子傳遞和氧化磷酸化第三節(jié)其它氧化體系（自學(xué)）第一節(jié)生物氧化的特點(diǎn)和方式

一、生物氧化的特點(diǎn)二、生物氧化過程中CO2的生成三、生物氧化過程中H2O的生成四、有機(jī)物在體內(nèi)氧化釋能的三個(gè)階段

糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化（biologicaloxidation），其實(shí)質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼吸代謝過程中所進(jìn)行的一系列氧化還原反應(yīng)過程。生物氧化的特點(diǎn)

在活的細(xì)胞中（pH接近中性、體溫條件下），有機(jī)物的氧化在一系列酶、輔酶和中間傳遞體參與下進(jìn)行，其途徑迂回曲折，有條不紊。氧化過程中能量逐步釋放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截獲，再供給機(jī)體所需。在此過程中既不會(huì)因氧化過程中能量驟然釋放而傷害機(jī)體，又能使釋放的能量盡可得到有效的利用。CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。

類型：α-脫羧和β-脫羧氧化脫羧和單純脫羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH

O丙酮酸脫氫酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2RH2O的生成

代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脫氫酶例：1\2O2NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO=2H+脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化

小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物(如乙酰CoA)

共同中間物進(jìn)入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲(chǔ)存在ATP中。大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位

生物體內(nèi)能量產(chǎn)生的三個(gè)階段+PiATPADP+Pi第二節(jié)電子傳遞和氧化磷酸化

一、生物體電子傳遞的方式與電子載體二、線粒體呼吸鏈及其組成三、氧化磷酸化作用四、氧化磷酸化的調(diào)節(jié)及抑制生物體電子傳遞的方式1、電子的直接傳遞；NAD(P)H+H+NAD(P)++2H3、以氫負(fù)離子的方式傳遞電子；FAD+2HFADH22、以氫原子的方式傳遞電子；21R-CH3+O2R-CH2-OH4、直接與氧結(jié)合。Fe2++Cu2+Fe3++Cu+

e-呼吸鏈及其組成

一、呼吸鏈的概念二、呼吸鏈的組成三、呼吸鏈中傳遞體排列順序的確定四、呼吸鏈電子傳遞過程自由能計(jì)算呼吸鏈的電子載體1、以NAD(P)為輔酶的脫氫酶2.黃素蛋白酶類（flavoproteins,FP）3.鐵-硫蛋白類（iron—sulfurproteins)4.輔酶Ｑ（ubiquinone,亦寫作CoQ）5.細(xì)胞色素類（cytochromes）NADH輔酶

Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黃素蛋白（FAD）黃素蛋白（FMN）細(xì)胞色素類鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白（Fe-S）以NAD或NADP為輔酶的脫氫酶

特點(diǎn)：不以氧為直接受氫體，存在于線粒體、基質(zhì)或胞液中，以NAD+

或NADP+為遞氫輔酶。NAD(P)++2H++2eNAD(P)H+H+傳遞氫機(jī)理:

黃素蛋白酶類

特點(diǎn)：以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為細(xì)胞膜組成蛋白類別：黃素脫氫酶類（如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶）需氧脫氫酶類（如L—氨基酸氧化酶）加單氧酶（如賴氨酸羥化酶）遞氫機(jī)理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)及遞電子機(jī)理SFe1Fe0S2-4Cys2Fe2S2-4Cys4Fe4S2-4Cys傳遞電子機(jī)理：Fe3+Fe2+-e+e

特點(diǎn)：含有Fe和對(duì)酸不穩(wěn)定的S原子，F(xiàn)e和S常以等摩爾量存在(Fe2S2,Fe4S4)，構(gòu)成Fe-S中心，F(xiàn)e與蛋白質(zhì)分子中的4個(gè)Cys殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。CoQ（ubiquinone）

特點(diǎn)：帶有聚異戊二烯側(cè)鏈的苯醌，脂溶性，位于膜雙脂層中，能在膜脂中自由泳動(dòng)。

+2H

傳遞氫機(jī)理：CoQCoQH2

－2HCoQ的結(jié)構(gòu)和遞氫原理CoQ+2HCoQH2細(xì)胞色素(cytochromes)

特點(diǎn)：以血紅素(heme)為輔基，血紅素的主要成份為鐵卟啉。

類別:根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三類，呼吸鏈中含5種（b、c、c1、a和a3)，cytb和cytc1、cytc在呼吸鏈中的為電子傳遞體，a和a3以復(fù)合物物存在，稱細(xì)胞色素氧化酶，其分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu

，可將電子傳遞給氧，因此亦稱其為末端氧化酶。-e+e傳遞電子機(jī)理：Fe3+Fe2+Cu2+Cu+

-e+e細(xì)胞色素血紅素的結(jié)構(gòu)傳遞電子機(jī)理：Fe3+Fe2+-e+e波長(zhǎng)/nm

還原型Cytc的吸收光譜線粒體呼吸鏈

線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場(chǎng)所，底物在這里氧化所產(chǎn)生的NADH和FADH2將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過一系列氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給O2生成H2O。這種由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈（eclctrontransferchain),因?yàn)槠涔δ芎秃粑饔弥苯酉嚓P(guān)，亦稱為呼吸鏈。呼吸鏈的組成復(fù)合物

II琥珀酸-輔酶Q還原酶輔酶

Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黃素蛋白（FAD）黃素蛋白（FMN）鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白（Fe-S）NADH復(fù)合物

IV復(fù)合物

I復(fù)合物

IIINADH-輔酶Q還原酶細(xì)胞色素bc1復(fù)合物細(xì)胞色素c氧化酶IIIIIIVINADH呼吸鏈電子傳遞和水的生成H2O12O2O2-MH2還原型代謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+細(xì)胞色素b-c1-c-aa3

FeS2H+M氧化型代謝底物FADH2呼吸鏈電子傳遞和水的生成2eH2OFADFADH2琥珀酸

FeS2Fe2+2Fe3+細(xì)胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+延胡索酸2eNADH-輔酶Q還原酶

復(fù)合物I復(fù)合物I是一個(gè)質(zhì)子泵，當(dāng)一對(duì)電子從NADH流到CoQ，形成CoQH2時(shí)，把四個(gè)質(zhì)子從基質(zhì)泵到膜間隙琥珀酸-輔酶Q還原酶

復(fù)合物

II復(fù)合物III

細(xì)胞色素bc1復(fù)合物QH2+?Q-

+2H+(內(nèi)側(cè))

+

CytC1(氧化型)→QH2+2H+

(外側(cè))+CytC1(還原型)QH2+CytC1(氧化型)→

?Q-+2H+

(外側(cè))+CytC1(還原型)CoQ在呼吸鏈電子傳遞的作用

1FMNFe-SQH2CytbCytC1(Fe-S)Cytaa3(2Fe2+,2Cu+)complexIIIcomplexIVCytC2H++1/2O2H2OFADFe-Se-e-e-ComplexIComplexII2H+2e-(線粒體內(nèi)膜外側(cè))(線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè))NADH琥珀酸2H2H2H呼吸鏈電子傳遞的Q循環(huán)FMNFe-SQH22H+Cytb565Cytb562CytC1(Fe-S)Cytaa3(2Fe2+,2Cu+)IIIIVCytCQQ-2H++1/2O2H2O2H+FADFe-Se-e-e-ComplexIComplexII2H+e-e-(線粒體內(nèi)膜外側(cè))(線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè))NADH琥珀酸2H2H2e-Q-e-e-Fe-S復(fù)合物IV

細(xì)胞色素c氧化酶復(fù)合物III催化一分子輔酶QH2的氧化，將兩分子Cytc還原，同時(shí)向膜間隙轉(zhuǎn)移2個(gè)質(zhì)子。呼吸鏈中電子傳遞時(shí)自由能的下降FADH22e-NADH利用電子傳遞抑制劑確定呼吸鏈中電子傳遞體排列順序圖解抗霉素A的抑制部位NADFPQb

caa3無(wú)抑制劑NADFPQb

caa3電子傳遞鏈標(biāo)準(zhǔn)氧化還原自由能變化-0.2-0.400.20.40.60.8E0/V復(fù)合物

II琥珀酸-輔酶Q還原酶輔酶

Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3黃素蛋白（FAD）黃素蛋白（FMN）鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白（Fe-S）NADH復(fù)合物

IV復(fù)合物

I復(fù)合物

IIINADH-輔酶Q還原酶細(xì)胞色素bc1復(fù)合物細(xì)胞色素c氧化酶NADH呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化總反應(yīng):NADH+H++1/2O2→NAD++H2O

ΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07千焦·mol-1總反應(yīng)：FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.18)]=-193.0千焦·mol-1FADH2呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化三、氧化磷酸化作用1、

氧化磷酸化的概念2、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理3、線粒體外NADH的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)氧化磷酸化

代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用于合成ATP（即ADP+Pi→ATP）,這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化。類別：

底物水平磷酸化電子傳遞水平磷酸化ADP+PiATP+H2O生物氧化過程中釋放出的自由能2、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理

(1)線粒體ATP合酶（mitochondrialATPase）(2)能量偶聯(lián)假說

1953年EdwardSlater

化學(xué)偶聯(lián)假說

1964年P(guān)aulBoyer構(gòu)象偶聯(lián)假說

1961年P(guān)eterMitchell化學(xué)滲透假說(3)ATP合成的機(jī)制—Boyer的旋轉(zhuǎn)催化理論Mitchell

1978年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)Boyer1997年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)(4)P/O比和氧化磷酸化效率線粒體ATP合酶ATP合酶結(jié)構(gòu)示意圖定子OSCPF1H+通道FO柄DCCD結(jié)合蛋白基質(zhì)表面外表面DCCD—二環(huán)己基碳二亞胺OSCP—寡霉素敏感性付與蛋白

氧化磷酸化重建示意圖內(nèi)膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基質(zhì)膜間隙電子傳遞鏈呼吸鏈上的電子在傳遞過程中產(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙，從而形成跨線粒體內(nèi)膜的H+電化學(xué)梯度，這種電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)使H+返回線粒體基質(zhì)。由于線粒體內(nèi)膜對(duì)H+的不通透性，H+只能通過內(nèi)膜上的質(zhì)子通道F0返回，這樣H+驅(qū)動(dòng)力為ATP的合成提供了能量?；瘜W(xué)滲透假說

(chemiosmotichypothasis)O2H2O化學(xué)滲透假說模型線粒體外間隙基質(zhì)琥珀酸延胡索酸ADP+PiATPNADH+H+NAD+4H+2H+4H+內(nèi)側(cè)呈堿性pH產(chǎn)生化學(xué)能質(zhì)子遷移驅(qū)動(dòng)ATP合成內(nèi)側(cè)呈負(fù)電性產(chǎn)生電極電勢(shì)H+H+Boyer和Walker的工作

英國(guó)科學(xué)家Walker通過x光衍射獲得高分辯率的牛心線粒體ATP酶晶體的三維結(jié)構(gòu)，證明在ATP酶合成ATP的催化循環(huán)中三個(gè)β亞基的確有不同構(gòu)象，從而有力地支持了Boyer的假說。Boyer和Walker共同獲得1997年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

美國(guó)科學(xué)家Boyer為解釋ATP酶作用機(jī)理,提出旋轉(zhuǎn)催化假說，認(rèn)為ATP合成酶β亞基有三種不同的構(gòu)象，一種構(gòu)象(L)有利于ADP和Pi結(jié)合，一種構(gòu)象(T)可使結(jié)合的ADP和Pi合成ATP，第三種構(gòu)象(O)使合成的ATP容易被釋放出來(lái)。在ATP合成過程中，三個(gè)β亞基依次進(jìn)行上述三種構(gòu)象的交替變化，所需能量由跨膜H+提供。ATPase的旋轉(zhuǎn)催化模型線粒體內(nèi)膜ATPADP+Pib內(nèi)側(cè)外側(cè)H+FOF1

旋轉(zhuǎn)催化理論認(rèn)為當(dāng)質(zhì)子流通過Fo單元返回基質(zhì)時(shí)，觸發(fā)了C亞基的旋轉(zhuǎn)，C亞基帶動(dòng)、以至()3復(fù)合物一起旋轉(zhuǎn)，使

和亞基發(fā)生構(gòu)象變化,從而導(dǎo)致ATP的合成。

亞基的中心

-螺旋被認(rèn)為是轉(zhuǎn)子,a、b與亞基組合在一起組成定子,它壓住

/異質(zhì)六聚體。CaATP酶作用機(jī)理

ADP+PiProtenFluxH+ATP+H2O

ATPADP+PiProtenFlux有于ADP與Pi結(jié)合的構(gòu)象有于ADP與Pi生成ATP的構(gòu)象有利于ATP釋放的構(gòu)象H2O2H+CytcCytcCytcQFMNFeSFeSCytc1CytbKCytbrCytaFeSCyta32e-2e-NADH+H+NAD+O2+2H+H2O4H+4H+2H+12

磷氧比(P/O)指每消耗1摩爾原子氧使無(wú)機(jī)磷酸（Pi）滲入到ATP中的摩爾數(shù),或指每對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧原子所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。一對(duì)電子從NADH或從FADH2傳遞到氧,分別有10個(gè)或6個(gè)H+傳遞到膜外側(cè),已知每形成一個(gè)ATP需要消耗4個(gè)質(zhì)子,合成一個(gè)ATP分子是由3個(gè)H+通過ATP合酶所驅(qū)動(dòng),多余的一個(gè)H+,可能用于將ATP從基質(zhì)運(yùn)往膜外細(xì)胞溶膠。故NADH呼吸鏈的磷氧比為2.5,

FADH2呼吸鏈為1.5。(4)磷氧比(P/O)和氧化磷酸化效率

FADFeS琥珀酸延胡索酸磷氧比（P/O

）

呼吸過程中無(wú)機(jī)磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過程中，每傳遞一對(duì)電子消耗一個(gè)氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此測(cè)定P/O可推測(cè)一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。NADHH2O例：實(shí)測(cè)得NADH呼吸鏈的P/O~

2.6ADP+PiATPO2122e-ADP+PiATPADP+PiATPFADH2O212H2O實(shí)測(cè)得FADH2呼吸鏈的P/O~

1.62e-ADP+PiATPADP+PiATP3、線粒體外NADH的氧化磷酸化作用

磷酸甘油穿梭系統(tǒng)

蘋果酸—天冬氨酸穿梭系統(tǒng)

酵解（細(xì)胞質(zhì)）氧化磷酸化

（線粒體）問題的關(guān)鍵：胞質(zhì)中脫下的氫怎樣穿過線粒體內(nèi)膜進(jìn)入到呼吸鏈氧化？葡萄糖完全氧化產(chǎn)生ATP數(shù)計(jì)算中遇到的問題酵解階段：2ATP

2

1NADH兌換率1：2.5(或1.5)2ATP2(2.5ATP或1.5ATP)丙酮酸氧化：2

1NADH兌換率

1：2.52

2.5ATP總計(jì)：32ATP或30ATP三羧酸循環(huán)：2

1GTP

2

3NADH

2

1FADH221ATP2

7.5ATP2

1.5ATP兌換率

1：2.5兌換率

1：1.52

10ATP-磷酸甘油穿梭（線粒體基質(zhì)）磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油FADFADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2NADHNAD+線粒體內(nèi)膜（細(xì)胞液）磷酸甘油脫氫酶磷酸甘油脫氫酶蘋果酸-草酰乙酸穿梭作用細(xì)胞液線粒體內(nèi)膜體天冬氨酸-酮戊二酸蘋果酸草酰乙酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸蘋果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+線粒體基質(zhì)蘋果酸脫氫酶NADH+H+ⅣⅠⅡⅢ蘋果酸脫氫酶谷草轉(zhuǎn)氨酶谷草轉(zhuǎn)氨酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)載體）呼吸鏈葡萄糖完全氧化產(chǎn)生的ATP酵解階段：2ATP

2

1NADH兌換率1：2.5(或1.5)2ATP2(2.5ATP或1.5ATP)丙酮酸氧化：2

1NADH兌換率

1：2.52

2.5ATP總計(jì)：32ATP或30ATP三羧酸循環(huán)：2

1GTP

2

3NADH

2

1FADH221ATP2

7.5ATP2

1.5ATP兌換率

1：2.5兌換率

1：1.52

10ATP葡萄糖徹底氧化生成ATP的總結(jié)算

葡萄糖分解通過糖酵解和檸檬酸循環(huán)形成的ATP或GTP的分子數(shù)，根據(jù)化學(xué)計(jì)算可以得到明確的答復(fù)。但是氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP分子數(shù)并不十分準(zhǔn)確，因?yàn)橘|(zhì)子泵、ATP的合成以及代謝物的轉(zhuǎn)運(yùn)過程并不需要是完整的數(shù)值甚至不需要是固定值，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內(nèi)膜基質(zhì)泵出到膜外的細(xì)胞液側(cè)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ATP合酶所驅(qū)動(dòng)，多余的一個(gè)H+，可能用于將ATP從基質(zhì)運(yùn)往膜外細(xì)胞溶膠。因此一對(duì)電子從NADH傳至02，所產(chǎn)生的

ATP分子數(shù)是2.5個(gè)。在細(xì)胞色素還原酶的水平進(jìn)人電子傳遞鏈的電子，如琥珀酸，或細(xì)胞液中的NADH，它們的電子對(duì)只產(chǎn)生1.5個(gè)ATP分子。這樣，當(dāng)一分于葡萄糖徹底氧化為CO2和水所得到的ATP分子數(shù)和過去傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)(36個(gè)ATP)少了6個(gè)ATP分子，成為30個(gè)。四、氧化磷酸化的調(diào)節(jié)及抑制1、能荷對(duì)氧化磷酸化的調(diào)節(jié)作用2、電子傳遞抑制劑3、氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑4、氧化磷酸化抑制劑

能荷

定義式：能荷=—————————

[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]

意義：能荷由ATP、ADP和AMP的相對(duì)數(shù)量決定，數(shù)值在0~1之間，反映細(xì)胞能量水平。能荷對(duì)代謝的調(diào)