生物氧化課件

YingziKang（康英姿）Dept.ofBiochemistry,TianjinMedicalUniversityChapter6生物氧化（biologicaloxidation）物質(zhì)在體內(nèi)氧化成CO2，H2O，并釋放出能量的過(guò)程。由于這一過(guò)程在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，并消耗氧產(chǎn)生二氧化碳，因此生物氧化又稱(chēng)組織呼吸或細(xì)胞呼吸（tissuerespirationorcellularrespiration）。蛋白質(zhì)、脂肪、糖等在體內(nèi)氧化分解產(chǎn)生還原當(dāng)量，這些還原當(dāng)量進(jìn)入呼吸鏈，被氧化生成水，同時(shí)產(chǎn)生ATP。Chapter6生物氧化的特點(diǎn)生物氧化是在活細(xì)胞內(nèi)、在體溫、常壓、近于中性pH及有水環(huán)境介質(zhì)中進(jìn)行的，是在一系列酶、輔酶和中間傳遞體的作用下逐步進(jìn)行的；生物氧化時(shí)，氧化還原過(guò)程逐步進(jìn)行，能量逐步釋放，這樣不會(huì)因?yàn)檠趸^(guò)程中能量驟然釋放而損害機(jī)體，同時(shí)使釋放的能量得到有效的利用；Chapter6生物氧化的方式和酶生物氧化中CO2的生成方式：?jiǎn)渭兠擊扰c氧化脫羧脫羧與脫羧生物氧化中物質(zhì)的氧化方式：脫電子脫氫加氧催化氧化還原反應(yīng)的酶類(lèi)：氧化酶不需氧脫氫酶其它酶類(lèi)Chapter6Chapter6高能磷酸化合物磷酸化合物在生物機(jī)體的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中起著重要作用。在機(jī)體內(nèi)有許多磷酸化合物，其磷酸鍵中貯存大量的能，這種能量稱(chēng)為磷酸鍵能。在生物化學(xué)中所說(shuō)的“高能鍵”和物理化學(xué)中的“高能鍵”的含意是根本不同的。物理化學(xué)中的高能鍵是指該鍵很穩(wěn)定，要使其斷裂則需大量的能量。而生物化學(xué)中的“高能鍵”指的是隨著水解反應(yīng)或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)可放出大量自由能的鍵，此處高能鍵是不穩(wěn)定的鍵，如具有高的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢(shì)能或水解時(shí)釋放較多自由能的磷酸酐鍵或硫酸鍵。Chapter6能量轉(zhuǎn)移、儲(chǔ)存及利用有些合成反應(yīng)不一定都直接利用ATP供能，而可以用其他三磷酸核苷。如UTP用于多糖合成、CTP用于磷脂合成、GTP用于蛋白質(zhì)合成等。但物質(zhì)氧化時(shí)釋放的能量通常是必須先合成ATP，然后ATP可使UDP、CDP或GDP生成相應(yīng)的UTP、CTP或GTP，而ATP又轉(zhuǎn)化為ADP。Chapter6一般將含有20.9kJ/mol以上能量的磷酸化合物稱(chēng)為高能磷酸化合物，含有高能的鍵稱(chēng)為高能鍵。高能鍵常以“～”符號(hào)表示。Chapter6呼吸鏈在線粒體內(nèi)膜上，存在著多種遞氫體和電子傳遞體，它們按一定順序排列，可以把代謝物脫下的H傳遞給氧生成水，同時(shí)伴隨著ATP的生成。其中起電子傳遞的酶或者輔酶稱(chēng)為遞氫體或遞電子體，它們按照一定的順序排列在線粒體膜上稱(chēng)為電子傳遞鏈（electrontransferchain）。上述體系與細(xì)胞攝取氧的呼吸過(guò)程有關(guān)，又稱(chēng)為呼吸鏈（respiratorychain）：Chapter6呼吸鏈的主要成分電子傳遞鏈主要由下列五類(lèi)電子傳遞體組成，它們是：煙酰胺脫氫酶類(lèi)、黃素脫氫酶類(lèi)、鐵硫蛋白類(lèi)、細(xì)胞色素類(lèi)、輔酶Q（又稱(chēng)泛醌）它們都是疏水性分子。除脂溶性輔酶Q外，其他組分都是結(jié)合蛋白質(zhì)，通過(guò)其輔基的可逆氧化還原傳遞電子。Chapter6煙酰胺脫氫酶類(lèi)煙酰胺脫氫酶類(lèi)（nicotinaminedehydrogenases）以NAD+和NADP+為輔酶，現(xiàn)已知在代謝中這類(lèi)酶有200多種。這類(lèi)酶催化脫氫時(shí)，其輔酶NAD+或NADP+先和酶的活性中心結(jié)合，然后再脫下來(lái)。它與代謝物脫下的氫結(jié)合而還原成NADH或NADPH。當(dāng)有受氫體存在時(shí)，NADH或NADPH上的氫可被脫下而氧化為NAD+或NADP+。其遞氫機(jī)制是：當(dāng)其接受代謝物脫下的一對(duì)氫原子時(shí)，就由氧化型（NAD+或NADP+）變?yōu)檫€原型（NADH＋H+或NADPH＋H+），吡啶環(huán)接受一個(gè)氫原子和一個(gè)電子后，氮原子就由五價(jià)變成三價(jià)，而H+則游離于介質(zhì)中。這種轉(zhuǎn)移是可逆的。Chapter6Chapter6硫鐵蛋白類(lèi)（Fe-S）鐵硫蛋白類(lèi)（iron-sulfurproteins）的分子中含非卟啉鐵與對(duì)酸不穩(wěn)定的硫（酸化時(shí)放出硫化氫、也除去鐵），二者成等量關(guān)系，排列成硫橋，然后再與蛋白質(zhì)中的半胱氨酸連接。因其活性部分含有兩個(gè)活潑的硫和兩個(gè)鐵原子，故稱(chēng)為鐵硫中心，又稱(chēng)作鐵硫橋。鐵硫蛋白在線粒體內(nèi)膜上與黃素酶或細(xì)胞色素形成復(fù)合物，它們的功能是以鐵的可逆氧化原傳遞電子化態(tài)三價(jià)鐵形式是紅色或綠色，還原態(tài)顏色消退，因此鐵硫蛋白是單電子傳遞體。在從NADH到氧的呼吸鏈中，有多個(gè)不同的鐵硫中心，有的在NADH脫氫酶中，有的與細(xì)胞色素b及c１有關(guān)。另外，鐵硫蛋白在葉綠體中也參與光合作用中的電子傳遞過(guò)程。Chapter6鐵硫蛋白它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在.鐵硫蛋白通過(guò)Fe3+

Fe2+變化起傳遞電子的作用Chapter6輔酶Q

輔酶Q（coenzymeQ，簡(jiǎn)稱(chēng)CoQ）是一類(lèi)脂溶性的化合物，因廣泛存在于生物界，故又名泛醌（ubiquinone）。其分子中的苯醌結(jié)構(gòu)能可逆地加氫和脫氫，故CoQ也屬于遞氫體。它的結(jié)構(gòu)和傳遞氫機(jī)制可參看第四章中的維生素和輔酶內(nèi)容，不同來(lái)源的輔酶Q的側(cè)鏈長(zhǎng)度是不同的。某些微生物線粒體中的輔酶Q含有6個(gè)異戊二烯單位（CoQ6）；動(dòng)物細(xì)胞線粒體中的輔酶Q含有10個(gè)異戊二烯單位（CoQ10）。另外，植物細(xì)胞中的質(zhì)體醌在光合作用的電子傳遞中起著類(lèi)似的作用Chapter6細(xì)胞色素蛋白細(xì)胞色素c為線粒體內(nèi)膜外側(cè)的外周蛋白，其余的均為內(nèi)膜的整合蛋白。細(xì)胞色素c容易從線粒體內(nèi)膜上溶解出來(lái)。不同種類(lèi)的細(xì)胞色素的輔基結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)的連接方式是不同的。細(xì)胞色素中的輔基與酶蛋白的關(guān)系以細(xì)胞色素c研究得最清楚。典型的線粒體呼吸鏈中，細(xì)胞色素的排列順序依次是：b→c1→c→aa3→O2，其中僅最后一個(gè)aa3可被分子氧直接氧化，但現(xiàn)在還不能把a(bǔ)和a3分開(kāi)，故把a(bǔ)和a3合稱(chēng)為細(xì)胞色素氧化酶，由于它是有氧條件下電子傳遞鏈中最末端的載體，故又稱(chēng)末端氧化酶（terminaloxidase）。Chapter6細(xì)胞色素蛋白細(xì)胞色素輔基中的鐵能可逆地進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，F(xiàn)e3+得到電子被還原成Fe2+，F(xiàn)e2+給出電子被氧化成Fe3+，所以細(xì)胞色素在電子傳遞中起著載體的作用，是單電子傳遞體。當(dāng)輔酶Q（還原態(tài)）被氧化時(shí)，細(xì)胞色素就被還原。一個(gè)還原態(tài)的泛醌分子能給出兩個(gè)電子而與兩分子的細(xì)胞色素作用，生成的兩個(gè)質(zhì)子釋放到介質(zhì)中，最后把電子傳遞給氧，使氧變?yōu)檠蹼x子（O2－）。氧離子的活性較強(qiáng)，可以和介質(zhì)中的2H+結(jié)合成水。Chapter6細(xì)胞色素氧化酶Chapter6Chapter6呼吸鏈復(fù)合體呼吸鏈中的各種遞氫體和遞電子體多數(shù)是緊密地鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，成為內(nèi)膜結(jié)構(gòu)的組成成分。溫和處理線粒體內(nèi)膜，可以得到4種仍具傳遞電子功能的復(fù)合體

--------------------------------------------------------------------------------------復(fù)合體 酶名稱(chēng) 多肽鏈數(shù) 輔基

--------------------------------------------------------------------------------------

I NADH-泛醌還原酶 39 FMN，F(xiàn)e-S

II 琥珀酸-泛醌還原酶 4 FAD，F(xiàn)e-S

III 泛醌-細(xì)胞色素C還原酶 10 鐵卟啉，F(xiàn)e-S

IV 細(xì)胞色素氧化酶 13 鐵卟啉，Cu2+

--------------------------------------------------------------------------------------Chapter6NADHdehydrogenasecomplexChapter6復(fù)合體II琥珀酸-泛醌還原酶

a.功能：把電子從琥珀酸傳遞給泛醌

b.組成：黃素蛋白（含F(xiàn)AD）、硫鐵蛋白和細(xì)胞色素b560輔酶Q為脂溶性，分子較小，且不與任何蛋白質(zhì)結(jié)合，在線粒體內(nèi)膜不同組分間可以穿梭游動(dòng)。從復(fù)合體I和復(fù)合體II接受氫將質(zhì)子轉(zhuǎn)移到線粒體的膜間隙將電子傳遞給復(fù)合體IIIChapter6Chapter6復(fù)合體III又稱(chēng)泛醌-細(xì)胞色素C還原酶（ubiquinone-cytochromereductase）

a.組成：細(xì)胞色素b(562,566)、細(xì)胞色素C1、鐵硫蛋白以及其它多種蛋白質(zhì)…

b.功能：傳遞電子：從泛醌傳遞給細(xì)胞色素C 轉(zhuǎn)移質(zhì)子：線粒體基質(zhì)轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜外細(xì)胞色素C分子量較小，與線粒體內(nèi)膜結(jié)合疏松，是除輔酶Q外另一個(gè)可在線粒體內(nèi)膜外側(cè)移動(dòng)的遞電子體，有利于將電子從復(fù)合體III傳遞到復(fù)合體IV。Chapter6復(fù)合體IV細(xì)胞色素氧化酶

a.組成：細(xì)胞色素a,a3

b.功能：把電子從細(xì)胞色素C傳遞到氧代謝物氧化后脫下的質(zhì)子及電子通過(guò)呼吸鏈傳遞到氧，活化了的氧和活化了的氫結(jié)合成水。Chapter6Chapter6呼吸鏈中電子傳遞鏈的排列順序Chapter6體內(nèi)重要的呼吸鏈Chapter6ATP的生成在機(jī)體能量代謝中，ATP幾乎是組織細(xì)胞能直接利用的唯一的高能化合物。體內(nèi)ATP的生成方式有兩種：底物水平磷酸化（substratelevelphosphorylation）氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）糖酵解及三羧酸循環(huán)的某些反應(yīng)步驟，由于脫氫或脫水等作用，使代謝物分子內(nèi)部能量重新分布而形成高能磷酸化合物，然后將高能鍵能轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP的反應(yīng)稱(chēng)為底物水平磷酸化。Chapter6氧化磷酸化又稱(chēng)電子傳遞水平磷酸化，在生物氧化過(guò)程中，代謝物脫下的氫經(jīng)呼吸鏈氧化生成水的同時(shí)，所釋放出的能量用于ADP磷酸化生成ATP，這種氧化與磷酸化相偶聯(lián)的過(guò)程稱(chēng)為氧化磷酸化。NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→a→a3→O2PPP3ADP3ATPChapter6P/O比值將底物、ADP、H3PO4、Mg2+和分離得到的較完整的線粒體在模擬細(xì)胞內(nèi)液的環(huán)境中與密閉小時(shí)內(nèi)相互作用。反應(yīng)體系在消耗氧的同時(shí)，消耗磷酸，測(cè)得氧和磷酸的消耗量，即可計(jì)算出P/O比值。P/O比值是物質(zhì)氧化時(shí)，每消耗1摩爾氧原子所消耗的無(wú)機(jī)磷的摩爾數(shù)，即生成ATP的摩爾數(shù)。氧化磷酸化偶聯(lián)部位即ATP的生成部位。Chapter6氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)（chemiosmotichypothesis）

線粒體內(nèi)膜電子傳遞鏈構(gòu)成3個(gè)氧化還原袢（redoxloop）：相當(dāng)于質(zhì)子泵（protonpump）a.第一袢：NADH提供1個(gè)H+和2個(gè)e，與基質(zhì)內(nèi)H+共同使FMN還原成FMNH2→內(nèi)膜胞液側(cè)釋放2個(gè)H+，將2個(gè)e還原硫鐵蛋白 b.第二袢：Fe-S釋放2個(gè)e后自身重新氧化→2個(gè)e+基質(zhì)內(nèi)2個(gè)H+→泛醌→QH2→移動(dòng)到內(nèi)膜外側(cè)→釋放2H+，2e→細(xì)胞色素bChapter6氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制c.第三袢：2e（細(xì)胞色素b）→泛醌+基質(zhì)內(nèi)2H+→QH2→釋放2H+至內(nèi)膜胞液側(cè)，電子由細(xì)胞色素（Fe-S,c1,c,aa3）→O2→H2O由于2H+電化學(xué)梯度回流→完成ADP→ATP的生成化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說(shuō)結(jié)構(gòu)偶聯(lián)學(xué)說(shuō)Chapter6MH2MFMN2H+FeS2e2H+CoQ2H+Cytb2H+2eCoQ2H+Cytc1CytcCytaa32e?O2O2-X-+IO-XHIOHH2OX~IX~IX~I頭部ATP合酶ADP+PiATP2H+X-+IO-H2OFADH2Fe-SChapter6Chapter6ATP合酶ATP合酶（ATPsynthase）a.位置：內(nèi)膜基質(zhì)面和嵴的表面b.組成：分離得到的酶由F0和F1兩部分組成;F1分子量371kD,含有9個(gè)亞基（α3,β3,γ,δ,ε）c.功能部分：

β：催化部位（需要與α結(jié)合顯示功能）

γ：控制質(zhì)子通過(guò)的閥門(mén)

δ：質(zhì)子通道，與膜連接

ε：調(diào)節(jié)亞基d.機(jī)理：質(zhì)子回流時(shí)，由F1催化完成ADP→ATPChapter6Chapter6化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)氧化磷酸化作用的關(guān)鍵因素是質(zhì)子（H+）梯度和完整的線粒體內(nèi)膜?；瘜W(xué)偶聯(lián)學(xué)說(shuō)形成高能中間產(chǎn)物，促使ATP生成。結(jié)構(gòu)偶聯(lián)學(xué)說(shuō)Ared+Box2eA*ox+BredA*ox+ADP+Pi→Aox+ATPChapter6Chapter6Chapter6設(shè)A、B為呼吸鏈鄰近的兩個(gè)電子傳遞體AH2+B+I→A~I+BH2

A~I+X→X~I+AX~I+Pi→X~P+IX~P+ADP→ATP+X（可進(jìn)行下一輪傳遞)Chapter6影響氧化磷酸化因素1）ADP和ATP的調(diào)節(jié)：主要受ADP控制，ADP,ATP相反→稱(chēng)為“呼吸控制”2）甲狀腺素：活化Na-K-ATP酶→ATP分解…3）抑制劑：a.解偶聯(lián)劑：抑制ADP的磷酸化,不影響電子傳遞。 例：2，4-二硝基苯酚（脂溶,結(jié)合H→破壞H梯度…）b.電子傳遞抑制劑：

a)FMN→CoQ:阿米妥,粉蝶霉素A,魚(yú)藤酮,異戊巴比妥

b)b→c1:抗霉素A,BAL

c)aa3→O2:CN-,N3-,CO,H2SChapter6ATP的儲(chǔ)存和利用1．ATP：能量的直接來(lái)源2．磷酸肌酸：能量的儲(chǔ)存形式3．心肌能量的供應(yīng)：線粒體豐富，可以直接利用G，F(xiàn)A和酮體4．其他高能磷酸鍵：UTP→糖原，CTP→磷脂，GTP→蛋白合成

三磷酸核苷酸的相互轉(zhuǎn)化：NMP+ATP→NDP……+ATP→NTP

酶：特異性、非特異性激酶（核苷酸代謝）

Chapter6胞液中NADH的氧化磷酸化所有催化氧化磷酸化的酶均在線粒體內(nèi)，胞液中生成的NADH需先進(jìn)入線粒體，才能進(jìn)行氧化磷酸化。NADH不能自由穿越線粒體內(nèi)膜。必須借助于轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制甘油-α-磷酸穿梭作用（glycerol-α-phosphateshuttle）蘋(píng)果酸-天冬氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)NADH系統(tǒng)（nalate-aspartateshuttle）Chapter6NADH+H+NAD+二羥磷酸丙酮甘油-α-磷酸線粒體內(nèi)膜甘油-α-磷酸FAD二羥磷酸丙酮FADH2NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2甘油-α-磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+蘋(píng)果酸蘋(píng)果酸NAD+草酰乙酸NADH天冬氨酸NADH呼吸鏈蘋(píng)果酸-天冬氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)Chapter6與ATP合成無(wú)關(guān)，但具有重要生理功能1.微粒體氧化體系主要在細(xì)胞的光滑內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上進(jìn)行。催化分子氧中二個(gè)氧原子分別進(jìn)行不同的反應(yīng)。一個(gè)O加到底物分子上，另一個(gè)O則與NADPH上的二個(gè)H作用形成H2O，不生成ATP。加單氧酶。生理功能：膽酸生成中環(huán)核羥化；不飽和脂肪酸雙鍵引進(jìn)；維生素D活化；藥物、致癌物和毒物的氧化解毒等。非線粒體氧化體系Chapter6NADPH+H+FADNADP+FADH2Fe3+Fe2+Fe-SFe2+Fe3+O2+RHH2O+ROH2H+2e2eCytp-450加單氧酶體系Chapter6R—CH—COOH+O2+H2ONH2R—C—COOH+H2O2