第四章 生物氧化

第四章生物氧化2013-2014主要內(nèi)容生物氧化的概念1線粒體內(nèi)生物氧化體系2高能化合物的生成與利用3其它氧化體系4學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握：生物氧化的概念和特點(diǎn)；呼吸鏈的組成及順序；氧化磷酸化的概念、偶聯(lián)部位及影響因素；能量生成和利用。熟悉：NADH進(jìn)入線粒體穿梭機(jī)制；高能化合物的種類；能量的轉(zhuǎn)移方式。了解：其他氧化體系；CO、氧化物中毒機(jī)制；甲狀腺功能亢進(jìn)患者出現(xiàn)怕熱、多汗等臨床癥狀的原因。第一節(jié)生物氧化的概念一、生物氧化的概念和特點(diǎn)

1.生物氧化的概念：糖、脂肪、蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)徹底氧化分解產(chǎn)生CO2和H2O，并釋放能量的過(guò)程，稱為生物氧化。2.生物氧化的特點(diǎn)生物氧化與一般體外氧化的原理相同，但表現(xiàn)方式和氧化條件不同。

1）多步反應(yīng)過(guò)程2）反應(yīng)條件溫和多種酶及溫和的體液環(huán)境3）能量逐步釋放熱能（維持體溫）+ATP（能量存儲(chǔ)）4）CO2和H2O間接生成5）反應(yīng)過(guò)程可調(diào)控激素和酶的水平二、生物氧化的方式生物氧化與化學(xué)氧化實(shí)質(zhì)相同，失電子為氧化，得電子為還原。細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行氧化采用加氧、脫氫和失電子的方式，脫氫最常見(jiàn)。脫氫、失電子及加氧的物質(zhì)被氧化；加氫、得電子及脫氧的物質(zhì)被還原。1.加氧反應(yīng)底物分子中直接加入氧原子或氧分子，如：RCHO+1/2O2→RCOOH（醛→酸）2.脫氫反應(yīng)底物分子脫去1對(duì)氫原子而被氧化，如：CH3CH(OH)COOH→CH3COCOOH+2H(乳酸→丙酮酸)3.脫電子反應(yīng)底物分子失去電子，如：Fe2+→Fe3++e三、生物氧化中CO2的生成生物氧化中CO2的產(chǎn)生方式為有機(jī)酸的脫羧，而不是碳與氧的直接化合。根據(jù)脫去的羧基在有機(jī)酸分子中的位置，分為：α-脫羧、β-脫羧。根據(jù)脫羧是否伴有氧化，分為：?jiǎn)渭兠擊?、氧化脫羧。第二?jié)線粒體內(nèi)生物氧化體系一、呼吸鏈的概念線粒體內(nèi)膜上存在一系列具有遞氫或遞電子作用的酶或輔酶，代謝物脫下的成對(duì)氫原子（2H）通過(guò)這些酶和輔酶逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，釋放能量。這種按一定順序排列在線粒體內(nèi)膜上的遞氫體和遞電子體構(gòu)成的連鎖反應(yīng)體系，稱為電子傳遞鏈（electrontransportchain）。此過(guò)程與細(xì)胞攝取氧密切相關(guān)，又稱呼吸鏈（respiratorychain）.呼吸鏈中傳遞氫的酶或輔酶稱為遞氫體，傳遞電子的酶或輔酶稱為遞電子體。二、呼吸鏈的組成及其作用機(jī)制（一）呼吸鏈的組成與作用組成呼吸鏈的遞氫體和遞電子體包括以下五類：1.尼克酰胺核苷酸以NAD或NADP為輔助因子的脫氫酶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。二甲基異咯嗪上的N1、N5載運(yùn)HFMN+2e+2H+

FMNH2FAD+2e+2H+

FADH22.黃素蛋白（以黃素核苷酸為輔助因子的脫氫酶）鐵硫蛋白(簡(jiǎn)寫為Fe-S)是一種與電子傳遞有關(guān)的蛋白質(zhì)，它與其它蛋白質(zhì)組分結(jié)合成復(fù)合物形式存在。3.鐵硫蛋白鐵硫蛋白它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有兩個(gè)活潑的無(wú)機(jī)硫和兩個(gè)鐵原子。鐵硫蛋白通過(guò)Fe3+

Fe2+

變化起傳遞電子的作用（簡(jiǎn)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。4.泛醌（CoQ）輔酶-Q的功能Q(醌型結(jié)構(gòu))很容易接受電子和質(zhì)子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出電子和質(zhì)子，重新氧化成Q。它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。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。線粒體呼吸鏈中主要含有細(xì)胞色素a,b,c和c1等，它們的輔基分別為血紅素A、B和C。細(xì)胞色素主要是通過(guò)Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用的。5.細(xì)胞色素類(Cyt)①細(xì)胞色素c（Cytc）它是電子傳遞鏈中一個(gè)獨(dú)立的蛋白質(zhì)電子載體，位于線粒體內(nèi)膜外表，屬于膜周蛋白，易溶于水。它與細(xì)胞色素c1含有相同的輔基，但是蛋白組成則有所不同。Cyt的鐵卟啉一般以非共價(jià)鍵與酶蛋白結(jié)合。Cytc例外，以硫醚鍵共價(jià)結(jié)合。②細(xì)胞色素c氧化酶(Cytaa3)它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復(fù)合物，由12個(gè)多肽亞基組成?；钚圆糠种饕–yta和a3。Cyta和a3組成一個(gè)復(fù)合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。在電子傳遞過(guò)程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+

Cu2+

的互變，將Cytc所攜帶的電子傳遞給O2。1、復(fù)合物Ⅰ(NADH脫氫酶復(fù)合物)

包括NADH到輔酶Q，分子量85KD，亞基數(shù)目超過(guò)25，有FMN為輔基的黃素蛋白和多個(gè)Fe-S中心。

該復(fù)合物催化的總反應(yīng)式是：NADH+H++UQNAD++UQH2(二)呼吸鏈復(fù)合體

從琥珀酸到輔酶Q，分子量為140KD，有4個(gè)亞基，F(xiàn)AD為輔基的黃素蛋白和多個(gè)Fe-S中心。

還有一些線粒體脫氫酶的底物也可以在輔酶Q的水平上將電子送入呼吸鏈，但并不通過(guò)復(fù)合物Ⅱ，如催化脂肪酸氧化的脂酰輔酶A脫氫酶，及催化3-磷酸甘油脫氫的3-磷酸甘油醛脫氫酶等。2.復(fù)合物Ⅱ(琥珀酸脫氫酶)

包括從輔酶Q到細(xì)胞色素c，分子量為250KD，包括細(xì)胞色素b562，b566，一個(gè)Fe-S蛋白和至少6種蛋白質(zhì)亞基。

3.復(fù)合物Ⅲ(細(xì)胞色素氧化酶復(fù)合物)

攜帶兩個(gè)電子的輔酶Q與傳遞一個(gè)電子的細(xì)胞色素之間的電子轉(zhuǎn)移是通過(guò)稱為“Qcycle”的一系列反應(yīng)來(lái)完成的。反應(yīng)的凈結(jié)果是還原型輔酶Q被氧化，細(xì)胞色素c被還原。

復(fù)合物Ⅲ同時(shí)也是質(zhì)子泵，在還原型輔酶Q被氧化過(guò)程中，質(zhì)子由線粒體基質(zhì)被排到膜間隙，從而在內(nèi)膜兩側(cè)產(chǎn)生了質(zhì)子梯度，這是ATP合成的重要的作用力。分子量為160KD，包括細(xì)胞色素a和a3，含有6－13個(gè)蛋白質(zhì)亞基及兩個(gè)Cu離子。這是呼吸鏈中唯一能直接將電子傳遞給O2的物質(zhì)。

復(fù)合物Ⅳ也有質(zhì)子泵的作用，參與了質(zhì)子梯度的形成。

4.復(fù)合物Ⅳ(細(xì)胞色素氧化酶復(fù)合物）三、體內(nèi)兩條重要的呼吸鏈（一）NADH氧化呼吸鏈由NAD+、復(fù)合體Ⅰ、CoQ、復(fù)合體Ⅲ、細(xì)胞色素C、復(fù)合體Ⅳ組成。（二）FADH2氧化呼吸鏈由復(fù)合體Ⅱ、CoQ、復(fù)合體Ⅲ、細(xì)胞色素C、復(fù)合體Ⅳ組成.

體內(nèi)大多數(shù)代謝物以NAD+為輔酶的脫氫酶催化下脫氫氧化，脫下的氫經(jīng)過(guò)NADH氧化呼吸鏈傳遞給氧釋放能量，因此，NADH氧化呼吸鏈?zhǔn)蔷€粒體中主要的呼吸鏈。NADH氧化呼吸鏈和FADH2氧化呼吸鏈Succinate-琥珀酸Fumarate-延胡索酸1.NADH氧化呼吸鏈2、琥珀酸氧化呼吸鏈Succinate-琥珀酸

Fumarate-延胡索酸第三節(jié)高能化合物的生成與利用生物氧化的主要生理意義：為機(jī)體各種生理活動(dòng)提供能量。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氧化分解所釋放的能量去處：60%熱能形式散發(fā)，維持體溫；40%以化學(xué)能存儲(chǔ)于高能化學(xué)鍵中。一、高能化合物水解時(shí)釋放能量大于21kJ/mol的化學(xué)鍵稱為高能鍵，用符號(hào)“~”表示。體內(nèi)的高能鍵主要是高能磷酸鍵，用“~P”表示。ATP是體內(nèi)最重要的高能磷酸化合物。生成ATP的主要意義:將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氧化時(shí)釋放的能量以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，稱為機(jī)體可利用的能量形式。當(dāng)機(jī)體需要時(shí)，逐步水解，釋放能量。ATP水解生成ADP和無(wú)機(jī)磷酸或ADP水解生成AMP和無(wú)機(jī)磷酸時(shí)，都可釋放30.5kJ/mol能量。機(jī)體主要以前一種方式獲得能量。ATP是生物能的主要載體和供體。二、ATP的生成方式通過(guò)兩種方式可使ADP磷酸化生成ATP，即底物水平磷酸化和氧化磷酸化。（一）底物水平磷酸化分解代謝過(guò)程中因脫氫或脫水引起分子內(nèi)部能量重新分布產(chǎn)生高能鍵，使得ADP生成ATP，稱為底物水平磷酸化。（二）氧化磷酸化代謝物脫下的氫經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧生成誰(shuí)的過(guò)程有能量釋放，這個(gè)能量可使ADP磷酸化生成ATP。（三）影響氧化磷酸化作用的因素主要影響因素是：ADP/ATP比值，還受抑制劑的抑制作用及甲狀腺素的控制。1.ADP/ATP比值的調(diào)節(jié)作用ADP升高，比值增大，氧化磷酸化速度加快，促進(jìn)三羧酸循環(huán)（TCA）。ATP升高，比值下降，氧化磷酸化速度減慢，TCA減慢。2.氧化磷酸化的抑制劑①呼吸鏈抑制劑②解偶聯(lián)劑③氧化磷酸化抑制劑3.甲狀腺激素的影響甲亢患者，體內(nèi)甲狀腺素水平升高，ATP的合成與分解都增強(qiáng)，導(dǎo)致機(jī)體耗氧量和產(chǎn)熱量均增加。患者基礎(chǔ)代謝率高，食欲亢進(jìn)、心悸、怕熱、多汗的臨床癥狀。三、胞液中NADH的氧化呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上，線粒體內(nèi)的NADH和FADH2可直接產(chǎn)生ATP，但是線粒體外的NADH則需要特定轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)入線粒體內(nèi)才可產(chǎn)生ATP。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制主要有：α-磷酸甘油穿梭、蘋果酸-天冬氨酸穿梭。（一）α-磷酸甘油穿梭（見(jiàn)P91圖5-10）α-磷酸甘油穿梭是指α-磷酸甘油將胞液中NADH上的H帶入線粒體的過(guò)程。主要存在于腦和脊髓。（二）蘋果酸-天冬氨酸穿梭（見(jiàn)P91圖5-11）蘋果酸-天冬氨酸穿梭指通過(guò)蘋果酸-天冬氨酸進(jìn)出線粒體，將胞液中NADH上的H帶入線粒體的過(guò)程。主要存在于肝和心肌中。四、ATP的轉(zhuǎn)移與利用這些高能化合物中的高能磷酸鍵都是有ATP提供的。機(jī)體處于安靜狀態(tài)，ATP充足，分子中的高能磷酸鍵可在CK的催化下轉(zhuǎn)移給肌酸生成磷酸肌酸而儲(chǔ)存。圖體內(nèi)能量的生成、轉(zhuǎn)移、儲(chǔ)存和利用第四節(jié)其他氧化體系一、加氧酶催化的生物氧化加氧酶主要存在于肝細(xì)胞，分為單加氧酶和雙加氧酶。1.單加氧酶又稱羥化酶?？纱呋醴肿又械?個(gè)氧原子加到底物上，而另一氧原子被NADPH+H+還原生成H2O。反應(yīng)通式：RH+O2+NADPH+H+→ROH+H2O+NADP+2.雙加氧酶又稱轉(zhuǎn)氧酶。催化氧分子中2個(gè)氧原子，分別加到底物分子中特定雙鍵的兩個(gè)碳原子上，使該底物分子分解成兩部分。二、黃素蛋白氧化酶系統(tǒng)屬于需氧脫氫酶系，以FAD或FMN為輔基的黃素酶。黃素蛋白氧化酶系三、超氧化物歧化酶和過(guò)氧