第六章 生物氧化

第六章

BiologicalOxidation莆田學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部生化教研室陳小萍生物氧化概念：營養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)氧化分解并釋放出能量的過程稱為生物氧化(biologicaloxidation)。特點：1、與體外燃燒不同的是，生物體內(nèi)的生物氧化過程是在37℃，2、近于中性的含水環(huán)境中，3、由酶催化進(jìn)行的；4、反應(yīng)逐步釋放出能量，相當(dāng)一部分能量以高能磷酸酯鍵的形式儲存起來。第一節(jié)概述糖原甘油三酯蛋白質(zhì)葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoA

呼吸鏈H2O

ADP+Pi

ATP

CO2

生物氧化的一般過程2H

TAC第一階段1%第二階段

1/3第三階段2/3第一節(jié)生成ATP的氧化磷酸化體系生物體內(nèi)ATP的生成方式底物水平磷酸化：在分解代謝過程中，由于底物脫氫或脫H2O而引起代謝物分子內(nèi)部能量的重新分布而形成高能鍵，然后轉(zhuǎn)移給ADP使之磷酸化生成ATP的過程。氧化磷酸化：在線粒體中，底物分子脫下的氫原子經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧，在此過程中釋放能量使ADP磷酸化生成ATP，這種能量的生成方式就稱為氧化磷酸化。底物水平磷酸化見于下列三個反應(yīng)：1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP3-磷酸甘油酸激酶

⑴

⑵丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP⑶琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP一、線粒體氧化呼吸鏈

在線粒體內(nèi)膜上，由若干遞氫體或遞電子體按一定順序排列組成的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)體系，稱為電子傳遞鏈（electrontransferchain）。與細(xì)胞呼吸過程有關(guān)又稱為呼吸鏈(respiratorychain)。傳遞氫的酶或輔酶稱為遞氫體，傳遞電子的酶或輔酶稱為電子傳遞體

這些遞氫體或遞電子體往往以復(fù)合體的形式存在于線粒體內(nèi)膜上。線粒體結(jié)構(gòu)圖（一）、呼吸鏈的主要成分和作用呼吸鏈由4種蛋白質(zhì)復(fù)合體以及輔酶Q和細(xì)胞色素C組成胞液側(cè)NADH+H+NAD+基質(zhì)側(cè)琥珀酸延胡索酸O2+2H+H2O*泛醌和Cytc

不包含在上述四種復(fù)合體中。復(fù)合體酶名稱功能輔基作用復(fù)合體Ⅰ

NADH-泛醌還原酶FMN，F(xiàn)e-S將電子從NADH傳遞給泛醌復(fù)合體Ⅱ琥珀酸-泛醌還原酶FAD，F(xiàn)e-S將電子從琥珀酸傳遞給泛醌復(fù)合體Ⅲ泛醌-細(xì)胞色素C還原酶血紅素b,c1,Fe-S將電子從泛醌傳遞給Cytc復(fù)合體Ⅳ細(xì)胞色素C氧化酶血紅素a，a3，Cu將電子從Cytc傳遞給O2NADH還原酶NADH還原酶催化（NADH+H+）的脫氫反應(yīng)，從而將2H傳遞給其輔基FMN，生成FMNH2。如圖4種蛋白質(zhì)復(fù)合體中各種輔基的功能NAD+（NADP+）的遞H功能

FMN與FAD的遞H功能FMN和FAD發(fā)揮功能部位是異咯嗪環(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。

鐵硫蛋白鐵硫蛋白（Fe-S）共有9種同工蛋白；分子中含有由半胱氨酸殘基硫原子及無機(jī)硫原子與鐵離子形成的鐵硫中心（鐵硫簇），通過Fe3+

Fe2+

變化起傳遞電子，一次可傳遞一個電子至CoQ。泛醌（CoQ）遞電子體，遞氫體

泛醌（輔酶Q,CoQ,Q）是游離存在于線粒體內(nèi)膜中的脂溶性有機(jī)化合物，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)時可在醌型與氫醌型之間相互轉(zhuǎn)變。細(xì)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(xì)胞色素都以血紅素作為輔基。細(xì)胞色素可分為三類，主要差別在于鐵卟啉輔基的側(cè)鏈以及鐵卟啉與蛋白質(zhì)部分的連接方式。線粒體呼吸鏈中主要含有細(xì)胞色素b,c，c1，a，a3等。其中b與c1存在于復(fù)合體Ⅲ，a與a3存在于復(fù)合體Ⅳ，c水溶性，游離存在。這是一類以鐵卟啉為輔基的酶。在生物氧化反應(yīng)中，其鐵離子可為+2價亞鐵離子，也可為+3價高鐵離子，通過這種轉(zhuǎn)變而傳遞電子。細(xì)胞色素為單電子傳遞體。細(xì)胞色素根據(jù)其鐵卟啉輔基的結(jié)構(gòu)以及吸收光譜的不同而分類。細(xì)胞色素類：遞電子體鐵卟啉輔基的分子結(jié)構(gòu)1．復(fù)合體Ⅰ（NADH-泛醌還原酶）（了解）NADH還原酶+4×(Fe-S)FMN;Fe-SN-1a/b;

Fe-SN-2;

Fe-SN-3;Fe-SN-4NADH→→CoQ有質(zhì)子泵功能2．復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸-泛醌還原酶）：了解）琥珀酸脫氫酶+3×(Fe-S)+Cytb560FAD;Fe-S1;

b560;

Fe-S2;

Fe-S3琥珀酸→→CoQ無質(zhì)子泵功能3．復(fù)合體Ⅲ（泛醌-細(xì)胞色素c還原酶）：了解）2×Cytb+Cytc1+(Fe-S)b562;b566;Fe-S;c1QH2→

→Cytc

有質(zhì)子泵功能加上由基質(zhì)中泵出2個H+共4個Cyta+Cyta3

4．復(fù)合體Ⅳ（細(xì)胞色素c氧化酶）：了解）將電子從細(xì)胞色素C傳遞給氧CuA→a→a3→CuB還原型Cytc→→O2有質(zhì)子泵功能若形成1分子水則泵出2H+（二）呼吸鏈組分的排列順序：呼吸鏈各組分的排列順序：標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位值的大小，從左到右由小到大

小大兩條重要氧化呼吸鏈的組成⑴NADH氧化呼吸鏈NADH→復(fù)合體Ⅰ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2⑵琥珀酸氧化呼吸鏈琥珀酸→復(fù)合體Ⅱ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2胞液側(cè)

基質(zhì)側(cè)

線粒體內(nèi)膜

氧化呼吸鏈的排列Q

1/2O2+2H+H2OⅢⅠ

Ⅱ

Ⅳ

延胡索酸

琥珀酸

e-Cytc

e-e-e-e-NADH+H+NAD+

1．NADH氧化呼吸鏈：NAD+→[FMN(Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3

丙酮酸

-酮戊二酸

硫辛酸

FAD

1/2O2

H2O

異檸檬酸蘋果酸谷氨酸

-羥丁酸

-羥脂酰CoA

2e

2H

2H+

2.琥珀酸氧化呼吸鏈：琥珀酸→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2FAD(Fe-S)

Cytb-磷酸甘油脂肪酰CoA[FAD(FP)]H2O

2e

2H+

兩條電子傳遞鏈的關(guān)系二、氧化磷酸化機(jī)制

（一）氧化磷酸化的偶聯(lián)部位：確定氧化磷酸化偶聯(lián)部位方法1.P/O比值：通過測定在氧化磷酸化過程中，氧的消耗與無機(jī)磷酸消耗之間的比例關(guān)系，可以反映底物脫氫氧化與ATP生成之間的比例關(guān)系。每消耗一摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷的摩爾數(shù)稱為P/O比值。線粒體離體實驗測得的一些底物的P/O比值合成1molATP時，需要提供的能量至少為ΔG0‘=-30.5kJ/mol，相當(dāng)于氧化還原電位差ΔE0’=0.2V。故在NADH氧化呼吸鏈中有三處可生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸鏈中，只有兩處可生成ATP。ΔG0‘=-nFΔE0’2.自由能變化與ATP的生成部位：FAD↓NAD+→[FMN(Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2-0.32

-0.30

+0.04+0.07+0.22+0.25+0.29+0.82↓ATP↓ATP↓ATP（二）、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制：1.化學(xué)滲透假說：目前公認(rèn)的氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制是1961年由PeterMitchell提出的化學(xué)滲透學(xué)說(chemiosmotichypothesis)。了解化學(xué)滲透假說的基本要點：該學(xué)說認(rèn)為氧化呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上，當(dāng)氧化反應(yīng)進(jìn)行時，H+通過氫泵作用被排斥到線粒體內(nèi)膜外側(cè)（膜間腔），從而形成跨膜pH梯度和跨膜電位差。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時，這種形式的“勢能”可以被存在于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基團(tuán)，并與ADP結(jié)合而合成ATP。化學(xué)滲透假說①PeterMitchell②基本要點：電子傳遞可將質(zhì)子泵出線粒體外，形成膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度，能量驅(qū)動ATP的形成質(zhì)子梯度的形成機(jī)制：質(zhì)子的轉(zhuǎn)移主要通過氧化呼吸鏈在遞氫或遞電子過程中所形成的氧化還原袢來完成。質(zhì)子梯度的形成ATP的合成：當(dāng)質(zhì)子從膜間腔返回基質(zhì)中時，這種“勢能”可被位于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶利用以合成ATP。嵌于線粒體內(nèi)膜上，其頭部呈顆粒狀，突出于線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)。膜間腔基質(zhì)2.ATP合酶：ATP合酶的分子結(jié)構(gòu)由親水部分F1(33亞基)和疏水部分作用：F1

催化生成ATPF0(a1b2c9~12亞基)組成。作用：H+經(jīng)F0回流ATP合酶F1段的結(jié)構(gòu)側(cè)面圖正面圖三、氧化磷酸化的影響因素ATP/ADP比值是調(diào)節(jié)氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；反之，當(dāng)ATP/ADP比值升高時，則氧化磷酸化速度減慢。（一）ATP/ADP比值：甲狀腺激素可間接影響氧化磷酸化的速度。其原因是甲狀腺激素可以激活細(xì)胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。（甲亢患者怕熱、多汗、皮膚潮濕，食欲亢進(jìn)但卻消瘦、體重減輕）

（二）甲狀腺激素：（三）藥物和毒物：1．呼吸鏈抑制劑：能夠抑制呼吸鏈遞氫或遞電子過程的藥物或毒物稱為呼吸鏈抑制劑。能夠抑制第一位點的有異戊巴比妥、粉蝶霉素A、魚藤酮等；能夠抑制第二位點的有抗霉素A和二巰基丙醇；能夠抑制第三位點的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制還原型Cytaa3-Fe2+。2．解偶聯(lián)劑：不抑制呼吸鏈的遞氫或遞電子過程，但能使氧化產(chǎn)生的能量不能用于ADP磷酸化的藥物或毒物稱為解偶聯(lián)劑。解偶聯(lián)劑通常引起線粒體內(nèi)膜對質(zhì)子的通透性增加，從而使線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子梯度不能形成。主要的解偶聯(lián)劑有2,4-二硝基酚。3．ATP合酶抑制劑：能抑制ATP合酶的質(zhì)子回流，從而使線粒體內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子電化學(xué)梯度增高，對呼吸鏈的電子傳遞和ADP磷酸化均產(chǎn)生抑制作用的藥物和毒物稱為氧化磷酸化抑制劑，如寡霉素。NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt

b→Cyt

c→CytcCytaa3O2抗霉素A二巰基丙醇

CO、CN-、N3-及H2S××魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥

寡霉素(oligomycin)可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成。寡霉素氧化磷酸化的抑制劑四、高能磷酸鍵的儲存與釋放生物化學(xué)中常將水解時釋放的能量>20kJ/mol的磷酸鍵稱為高能磷酸鍵。生物體內(nèi)的高能磷酸鍵主要有以下幾種類型：1．磷酸酐鍵：包括各種多磷酸核苷類化合物，如ADP，ATP，GDP，GTP，CDP，CTP，GDP，GTP及PPi等，水解后可釋放出30.5kJ/mol的自由能。（一）高能磷酸鍵的類型：

ATPOOHOHOCH2NNNNOPOH

OHOPOH

OH~HOPOH

OH~NH2ATP2．混合酐鍵：由磷酸與羧酸脫水后形成的酐鍵，主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。在標(biāo)準(zhǔn)條件下水解可釋放出61.9kJ/mol的自由能。3．烯醇磷酸鍵：見于磷酸烯醇式丙酮酸中，水解后可釋放出61.9kJ/mol的自由能。4．磷酸胍鍵：見于磷酸肌酸中，水解后可釋放出43.9kJ/mol的自由能。幾種常見的高能化合物磷酸肌酸（creatinephosphate,C～P）是肌肉和腦組織中能量的貯存形式。磷酸肌酸中的高能磷酸鍵不能被直接利用，必須先將其高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ATP，才能供生理活動之需。反應(yīng)過程由磷酸肌酸激酶（CPK）催化完成。磷酸肌酸激酶的作用肌酸激酶偏高的臨床意義1.心肌梗塞2.病毒性心肌炎3.進(jìn)行性肌營養(yǎng)不良：多發(fā)性肌炎以及肌肉損傷4.嚴(yán)重的心絞痛,心包炎,房顫,腦血管意外,腦膜炎以及心臟手術(shù)等,CK可見升（二）ATP循環(huán)：ATP是生物界普遍使用的供能物質(zhì)，有“通用貨幣”之稱。ATP分子中含有兩個高能磷酸酐鍵（A-P~P~P），均可以水解供能。ATP水解為ADP并供出能量之后，又可通過氧化磷酸化重新合成，從而形成ATP循環(huán)。ATP循環(huán)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)主動轉(zhuǎn)運(yùn))化學(xué)能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)（三）多磷酸核苷間的能量轉(zhuǎn)移：在生物體內(nèi)，除了可直接使用ATP供能外，還用使用其他形式的高能磷酸鍵供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白質(zhì)的合成等。核苷單磷酸激酶NMP+ATPNDP+ADP核苷二磷酸激酶NDP+ATPNTP+ADP五、線粒體外NADH的穿梭胞液中的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(jìn)入線粒體氧化磷酸化，產(chǎn)生H2O和ATP。（一）磷酸甘油穿梭系統(tǒng)：主要存在于腦和骨骼肌中。NADH通過此穿梭系統(tǒng)帶一對氫原子進(jìn)入線粒體，由于經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化，故只能產(chǎn)生2分子ATP。

線粒體內(nèi)膜

線粒體外膜膜間腔

線粒體基質(zhì)磷酸甘油穿梭系統(tǒng)

FADH2

NAD+

FAD

-磷酸甘油脫氫酶

琥珀酸氧化呼吸鏈

磷酸二羥丙酮

-磷酸甘油

NADH+H+-磷酸甘油脫氫酶（二）蘋果酸穿梭系統(tǒng)：主要存在于肝和心肌中。胞液中NADH+H+的一對氫原子經(jīng)此穿梭系統(tǒng)帶入一對氫原子，由于經(jīng)NADH氧化呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化，故可生成3分子ATP。谷氨酸-天冬氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體蘋果酸--酮戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)體

胞液

基質(zhì)

NADH+H+

NAD+NADH+H+NAD+

蘋果酸草酰乙酸

-酮戊二酸

谷氨酸蘋果酸脫氫酶谷草轉(zhuǎn)氨酶NADH呼吸鏈

天冬氨酸

蘋果酸穿梭系統(tǒng)第二節(jié)其他氧化體系Section2TheOthersOxidationEnzy