生化生物化學(xué)課件氧化

第八章生物氧化本章主要內(nèi)容概述非線粒體氧化體系生物氧化與能量代謝線粒體氧化體系生物氧化方式生物氧化概念生物氧化特點生物氧化中物質(zhì)的氧化方式生物氧化過程中CO2和H2O的生成高能化合物第一節(jié)、概述

能量是一切生物體活動所必需的。能量的來源，主要依靠生物體內(nèi)糖、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物的氧化作用。有機(jī)物在生物體細(xì)胞內(nèi)氧化分解成二氧化碳和水，并釋放出能量，形成ATP的過程稱為生物氧化(bioligicaloxidation)。由于此過程通常要消耗氧，生成二氧化碳，并且在組織細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，所以生物氧化也叫做細(xì)胞呼吸或組織呼吸。一、生物氧化概念

真核細(xì)胞，生物氧化多在線粒體內(nèi)進(jìn)行，在不含線粒體的原核細(xì)胞中，生物氧化在細(xì)胞膜上進(jìn)行。

生物體把能量用在生命活動的各個方面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H2OADP+PiATPCO22HTAC二、生物氧化特點大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位

小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）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存在ATP中1.生物氧化的一般過程

生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。服從熱力學(xué)規(guī)律。物質(zhì)在體內(nèi)外氧化時所消耗的氧量、最終產(chǎn)物（CO2，H2O）和釋放能量均相同。2.1生物氧化與體外氧化之相同點：2.生物氧化與體外氧化之異同2.2生物氧化與體外氧化之不同點：

體外燃燒條件劇烈，高溫、高壓、強酸、強堿不需酶催化H2O的生成為氫和氧的直接化合CO2的生成為碳和氧的直接化合能量以光和熱形式驟然放出

生物氧化溫和環(huán)境（體溫、pH近中性）酶促反應(yīng)有機(jī)物脫氫經(jīng)呼吸鏈生成H2O有機(jī)酸脫羧生成

CO2逐步釋放能量并形成ATP生物氧化的本質(zhì)是電子的得失，失電子者為還原劑，是電子供體；得電子者為氧化劑，是電子受體在生物體內(nèi)。三、生物氧化的本質(zhì)及過程氧化反應(yīng)還原反應(yīng)脫電子脫氫加氧得電子加氫脫氧在無氧條件下，兼性生物或厭氣生物能利用細(xì)胞中的氧化型物質(zhì)作為電子受體，將燃料分子氧化分解，這稱為無氧氧化。有的以有機(jī)物分子作為最終的氫受體(如厭氧發(fā)酵)，有的則以無機(jī)物分子作為氫受體(如微生物中的化能自養(yǎng)菌對NO3-、SO42-的利用)。2.無氧氧化

3.有氧氧化

生物氧化在有氧和無氧條件下都能進(jìn)行。在有氧條件下，好氣生物或兼性生物吸收空氣中的氧作為電子受體，可將燃料分子完全氧化分解，這稱為有氧氧化。生物能和ATPATP是生物能存在的主要形式ATP是能夠被生物細(xì)胞直接利用的能量形式。生物化學(xué)反應(yīng)也服從熱力學(xué)的規(guī)律。高能化合物生物體通過生物氧化所產(chǎn)生的能量，除一部分用以維持體溫外，大部分可以通過磷酸化作用轉(zhuǎn)移至高能磷酸化合物ATP中。四、生物能及其存在形式根據(jù)生物體內(nèi)高能化合物鍵的特性可以把他們分成以下幾種類型：磷氧鍵型COCHOCH2OHOPOO-O-POO-O-

?；姿峄衔?-磷酸甘油酸磷酸CH3COOPOO-O-乙酰磷酸10.1千卡/摩爾11.8千卡/摩爾H3N+COOPOO-O-氨甲酰磷酸RCOOPOOO-A?；佘账酭CHCOOPOOO-AN+H3氨?；佘账峤沽姿峄衔颫-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）O-POO-OPOO-O-焦磷酸7.3千卡/摩爾氮磷鍵型OPOONHCNHNCH3CH2COOHOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩爾7.7千卡/摩爾這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲存能量的作用。磷酸肌酸是易興奮組織（如肌肉、腦、神經(jīng)）唯一的能起暫時儲能作用的物質(zhì)。磷酸精氨酸是無脊椎動物肌肉中的儲能物質(zhì)。硫酯鍵型OSOO-OCH2OHHOHHOHHNNNH2NNOPOO-3′-磷酸腺苷-5′-磷酸硫酸RCOSCoA酰基輔酶A甲硫鍵型COO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸五、ATP利用

在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個磷酸基團(tuán)完全解離成帶4個負(fù)電荷的離子形式（ATP4-），具有較大勢能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因而水解自由能很大（ΔG°′=-30.5千焦/摩爾）。ATP4-+H2O＝ADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ?MOL-1ATP3-+H2O＝ADP2-+Pi3-+H+G＝-33.1kJ?MOL-1腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-+++Mg2+1.ATP的特點①.是產(chǎn)能反應(yīng)和需能反應(yīng)重要的能量介質(zhì)2.ATP的特殊作用: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核苷單磷酸激酶的作用

NMP+ATP

NDP+ADPATPADP肌酸磷酸肌酸~P~PATP循環(huán)

須注意：釋放的能量并非集中在這個鍵上，而是與分子結(jié)構(gòu)和水解反應(yīng)有關(guān)，生化上的“高能鍵”，涵義不同于普通化學(xué)上的“鍵能”，不能把“高能鍵”理解為“能鍵高”②.是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的共同中間載體～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移能磷酸烯醇式丙酮酸1，3-二磷酸甘油酸磷酸肌酸（磷酸基團(tuán)儲備物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油一般情況下:ATP+6-磷酸果糖

1，6-二磷酸果糖

+ADP

在少數(shù)情況下:ATP+脂肪酸

+輔酶A

脂酰輔酶A+AMP+PPiATP+氨基酸

氨基酰

~AMP+PPiH2N+

C-NH2H3C-NCH2COO-H2N+HO

C-N~P-OHH3C-NOHCH2COO-肌酸激酶肌酸磷酸肌酸(CP)ATPADP③.ATP參加高能磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的反應(yīng).

磷酸肌酸（CP）--ATP在肌肉、腦組織中的儲存形式。肌酸與磷酸肌酸的互變各種磷酸化合物的水解自由能磷酸化合物

水解自由能ΔG（kJ/moL）磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）-61.69氨基甲酰磷酸-50.50乙?；姿?43.12磷酸肌酸（CP）-43.12焦磷酸（PPi）-33.49ATP（→ADP+Pi）-30.56葡萄糖-1-磷酸（G-1-P）-20.93葡萄糖-6-磷酸（G-6-P）-13.82α-磷酸甘油-9.21

高能磷酸化合物有轉(zhuǎn)移其磷?；膬A向，形成較低能量的磷酸脂。ATP是磷酰基的傳遞體。ATP釋放自由能影響因素：

1.ATP三個磷酸基團(tuán)空間作用；

2.ATP水解產(chǎn)物ADP3-和HPO42+具有能量最小構(gòu)象；

3.低濃度的H+推動ATP4-向分解方向進(jìn)行。第二節(jié)生物氧化方式（途徑）

物質(zhì)脫氫（－2H）、脫電子（－2e）、加氧（＋O2）——均稱為氧化反應(yīng)。

1.生物體內(nèi)物質(zhì)氧化特殊性：☆常見氧化方式為：加水脫氫反應(yīng)☆脫氫過程包括電子轉(zhuǎn)移HH++e-☆氧化還原反應(yīng)偶聯(lián)進(jìn)行。2.生物氧化方式（1）加氧（氧化）（oxidation）

RCHO+1/2O2RCOOH（2）脫氫（dehydrogenation）直接脫氫：

RCH2OHRCHO

加水脫氫：

（3）失電子（deelectronation）

Fe2+

Fe3+-eCH3CHOCH3COOHCH3CHOHOH+H2O-2HAH2ABBH2CH2

CDDH2

H2O?O21)氧化還原偶聯(lián)進(jìn)行；2)氧化還原能力的大小用EO值表示；3)EO值越小，表示還原性越強，越易提供2H或2eEO值小EO值大二、生物氧化過程中CO2和H2O生成1.1α-單純脫羧COOHR-CH-NH2R-CH2-NH2+CO2氨基酸脫羧酶α-氨基酸胺1.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。1.2－氧化脫羧H3C-C-COOH+HSCoAO=H3C-C-SCoA+CO2O=NAD+NADH+H+丙酮酸脫氫酶系丙酮酸乙酰CoAHOOCCH2-C-COOHO=H3C-C-COOH+CO2O=丙酮酸羧化酶草酰乙酸脫羧酶草酰乙酸丙酮酸1.3－單純脫羧1.4－氧化脫羧HOOCCH2-CH-COOHH3C-C-COOH+CO2O=OH蘋果酸酶NADP+NADPH+H+蘋果酸丙酮酸2.H2O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：電子傳遞鏈2e2H+1/2O2H2OO=NAD+第三節(jié)、線粒體氧化體系(mitochondrion)一、線粒體結(jié)構(gòu)特點線粒體的結(jié)構(gòu)：線粒體有兩層膜結(jié)構(gòu)，外膜對小分子（Mr5000）和離子為自由透過（通過跨膜通道）。內(nèi)膜對大多數(shù)小分子及離子不透過（包括H+），只有內(nèi)膜上存在特異運輸體的物質(zhì)可以透過。線粒體基質(zhì)含有丙酮酸脫氫酶復(fù)合物和檸檬酸循環(huán)途徑、脂肪酸-氧化途徑、氨基酸氧化途徑及酵解以外所有能量物質(zhì)氧化途徑。二、電子傳遞鏈

(electrontransportchain)代謝脫下的成對氫原子（2H）通過多種酶和輔酶所催化的氧化還原反應(yīng)逐步從高能向低能傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，其中釋放的能量被用于合成ATP。傳遞氫的酶和輔酶——遞氫體傳遞電子的酶和輔酶——遞電子體線粒體內(nèi)膜上一組排列有序的遞氫體和遞電子體（酶與輔酶）構(gòu)成的功能單位，稱電子傳遞鏈。當(dāng)受氫體是氧時，稱為呼吸鏈（respiratorychain)在真核生物細(xì)胞內(nèi)，酶和輔酶按一定順序排列在位于線粒體內(nèi)膜上；原核生物中，位于細(xì)胞膜上。三、呼吸鏈的組成和順序(一)、呼吸鏈的組成現(xiàn)代生物化學(xué)認(rèn)為，整個呼吸鏈由四個蛋白復(fù)合組分和兩個游離的成分組成：四個蛋白復(fù)合組分：ComplexⅠ、ComplexⅡ、ComplexⅢ、ComplexⅣ兩個游離成分：輔酶Q和細(xì)胞色素C

復(fù)合體復(fù)合體Ⅰ復(fù)合體Ⅱ復(fù)合體Ⅲ復(fù)合體Ⅳ

酶名稱NADH-Q還原酶琥珀酸-Q還原酶Q-CytC還原酶CytC氧化酶

輔基

FMN，F(xiàn)e-SFAD，F(xiàn)e-S鐵卜啉，F(xiàn)e-S

鐵卜啉，Cu多肽鏈數(shù)3941013此外，還包括泛醌和CytC人線粒體呼吸鏈復(fù)合體1.復(fù)合物Ⅰ——NADH-Q還原酶酶/蛋白煙酰胺脫氫酶類黃素蛋白鐵硫蛋白CoQ10輔酶/輔基NAD+/NADP+FMNFe2+/Fe3+NAD+:煙酰胺腺嘌呤二核苷酸,輔酶INADP+:煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,輔酶IIFMN：黃素單核甘酸NADHQ還原酶,即復(fù)合物I，它的作用是催化NADH的氧化脫氫以及Q的還原。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。NADHQ還原酶最少含有16個多肽亞基。它的活性部分含有輔基FMN和鐵硫蛋白。

NADH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。氧化還原反應(yīng)時變化發(fā)生在五價氮和三價氮之間。（2）、黃素蛋白酶類(flavinproteinases)FMN的作用是接受脫氫酶脫下來的電子和質(zhì)子，形成還原型FMNH2。還原型FMNH2可以進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)移給Q。（3）、鐵硫蛋白類(iron-sulfurproteins,Fe-S)CH2-S—CH2-S—FeSFeSFeSFeS—S-CH2—S-CH2鐵硫蛋白(Fe-S)共有9種同工蛋白，常見有Fe4-S4或Fe2-S2。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。常以：形式存在通過：

一次可傳遞一個電子至CoQ。e

eFe3+Fe2+FMN(Fe-S)FAD(Fe-S).bCyt.b.C1(Fe-S)亦稱輔酶Q（CoenzymeQ,CoQ）人體中：CoQ10

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。它是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。是多種底物進(jìn)入呼吸鏈的中心點。（4）、泛醌（ubiquinone,Q）遞氫機(jī)理復(fù)合體Ⅰ傳遞電子的過程NADH+H+NAD+FMNFMNH2Fe3+Fe2+QQH2NADH+HFMN，F(xiàn)e-SQH2酶/蛋白琥珀酸黃素蛋白鐵硫蛋白細(xì)胞色素b560泛醌輔酶/輔基FADFe2+/Fe3+Fe2+/Fe3+2.復(fù)合物Ⅱ琥珀酸-泛醌還原酶細(xì)胞色素類(Cytochromes,Cyt.)（簡寫為Cyt.）是一類含鐵卟啉輔基的色素蛋白。各種Cyt.的輔基結(jié)構(gòu)略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有細(xì)胞色素a,b,c和c1等，組成它們的輔基分別為血紅素A、B和C。細(xì)胞色素a,b,c可以通過它們的紫外-可見吸收光譜來鑒別。分類：

Cyta:Cytaa3Cytb:Cytb562、Cytb566、Cytb560Cytc:Cytc、c1區(qū)別：

鐵卟啉輔基側(cè)鏈不同鐵卟啉輔基與酶蛋白連接方式不同細(xì)胞色素主要通過Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用的Cyt.b、c1、c、a和a3—存在于線粒體內(nèi)膜，作為呼吸鏈成員Cyt.b5和Cyt.p450—主要存在于肝細(xì)胞微粒體，參與生物轉(zhuǎn)化Cytc和c1的血紅素與蛋白部分共價結(jié)合。

輔基顏色α帶波長與酶蛋白連接Cytb原卟啉Ⅸ(血紅素)紅色560nm非共價結(jié)合Cytc原卟啉Ⅸ(血紅素)紅色550nm與多肽鏈中Cys的–SH相連Cyta血紅素A綠色600nm非共價結(jié)合

細(xì)胞色素a、b、c的區(qū)別Cyt.類基本結(jié)構(gòu)琥珀酸是生物代謝過程（三羧酸循環(huán)）中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，它在琥珀酸-Q還原酶（復(fù)合物II）催化下，將兩個高能電子傳遞給Q。再通過QH2-Cyt,c還原酶、Cyt.c和Cyt.c氧化酶將電子傳遞到O2。琥珀酸-Q還原酶也是存在于線粒體內(nèi)膜上的蛋白復(fù)合物,它比NADH-Q還原酶的結(jié)構(gòu)簡單，由4個不同的多肽亞基組成。其活性部分含有輔基FAD和鐵硫蛋白。琥珀酸-Q還原酶的作用是催化琥珀酸的脫氫氧化和Q的還原。琥珀酸FAD，F(xiàn)e-S，Cytc560CoQ即琥珀酸脫氫酶.至少由4條肽鏈組成，含有一個FAD，2個鐵硫蛋白及細(xì)胞色素b560.其作用是催化電子從琥珀酸轉(zhuǎn)至輔酶Q，但不轉(zhuǎn)移質(zhì)子。酶/蛋白CoQ細(xì)胞色素b562/b566細(xì)胞色素c1鐵硫蛋白細(xì)胞色素c輔酶/輔基Fe2+/Fe3+Fe2+/Fe3+Fe2+/Fe3+Fe2+/Fe3+3.復(fù)合物ⅢQ-Cytc還原酶細(xì)胞色素可存在于線粒體內(nèi)膜，也可存在于微粒體。存在于線粒體內(nèi)膜的細(xì)胞色素有Cytaa3，Cytb（b560，b562，b566），Cytc，Cytc1；存在于微粒體的細(xì)胞色素有CytP450和Cytb5。細(xì)胞色素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b的分子結(jié)構(gòu)細(xì)胞色素c的分子結(jié)構(gòu)細(xì)胞色素c（Cyt.c）它是電子傳遞鏈中一個獨立的蛋白質(zhì)電子載體，位于線粒體內(nèi)膜外表，屬于膜周蛋白，是唯一能溶于水的細(xì)胞色素。它與Cyt.c1含有相同的輔基，但是蛋白組成則有所不同。在電子傳遞過程中，cyt.c通過：

Fe3+

Fe2+

的互變起電子傳遞中間體作用。Cyt.c還原酶Cyt.c還原酶由至少11條不同肽鏈組成，以二聚體形式存在，每個單體包含兩個細(xì)胞色素b（b562、b566）、一個細(xì)胞色素c1和一個鐵硫蛋白。催化電子從輔酶Q傳給細(xì)胞色素c，每轉(zhuǎn)移一對電子，同時將4個質(zhì)子由線粒體基質(zhì)泵至膜間隙。QH2Cytb562Cytb566，F(xiàn)e-S