生物化學(xué)：第四章 生物氧化

第四章生物氧化BiologicalOxidation第一節(jié)生物氧化的概念一、生物氧化二、高能磷酸化合物三、生物氧化的生物學(xué)意義一、生物氧化有機物在細胞內(nèi)氧化分解，最終生成CO2

和H2O，并釋放和存貯能量的過程，稱為生物氧化，又稱細胞氧化或細胞呼吸。有機物+O2CO2+H2O+能量

有機物中的碳氧化為二氧化碳，氫形成為水，能量貯存于ATP或以熱的形式釋放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+PiATP

CO2

生物氧化的一般過程2H

TAC1、生物氧化特點條件溫和酶促反應(yīng)逐步釋放能量與磷酸化偶聯(lián)2、生物氧化的方式脫氫COOHC=O+2H

CH3（2H++2e）

COOH

HO－CH

CH3

加氧Cu+O2

CuO12

脫羧3、CO2的生成(1)直接脫羧

O‖ CH3CCOOH

O‖CH3CH+CO2

(2)脫氫脫羧

丙酮酸脫氫酶系CH3-CO-COOH+HSCoACH3CO~SCoA+CO2NAD+NADH+H+丙酮酸乙酰CoA丙酮酸脫羧酶CO-COOH+CO2CH3CH2-COOHOHCH-COOHNADP+

NADPH+H+蘋果酸丙酮酸蘋果酸酶4、H2O的生成是代謝底物脫下的氫與氧結(jié)合而成的。二、高能磷酸化合物1、類型①磷氧鍵型?；姿峄衔锶?,3-二磷酸甘油酸焦磷酸化合物如三磷酸腺苷（ATP）烯醇式磷酸化合物如磷酸烯醇式丙酮酸②氮磷鍵型如磷酸肌酸③硫酯鍵型如酰基輔酶A④甲硫鍵型

如S-腺苷甲硫氨酸2、ATP的作用(1)供能(2)ATP為能量貨幣：能量合成與利用以ATP為中心，ATP-ADP循環(huán)是生物系統(tǒng)的能量交換中樞。(3)磷酸基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)的中間體4、高能磷酸鍵的儲存常見磷酸化合物標準水解自由能ΔG°′

化合物

(kcal/mol)

(kJ/mol)

磷酸烯醇式丙酮酸

－14.8－61.9

1,3-二磷酸甘油酸

－11.8－49.3

磷酸肌酸－10.3－43.0S-腺苷甲硫氨酸－10.0－41.8ATP→AMP+PPi－7.7－32.2

乙酰CoA－7.5－30.4

ATP＋H2O→ADP+Pi

－7.3－30.5

1-磷酸葡萄糖

－5.0－20.9

6-磷酸葡萄糖－3.3－13.83-磷酸甘油－2.2－9.2～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基團轉(zhuǎn)移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基團儲備物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油三、生物氧化的生物學(xué)意義1．能量代謝2．生物合成與代謝調(diào)節(jié)3．其它作用

解毒、抗衰老、抗逆性等。第二節(jié)電子傳遞鏈一、線粒體二、電子傳遞鏈三、電子傳遞抑制劑一、線粒體的結(jié)構(gòu)二、電子傳遞鏈（一）電子傳遞鏈的概念（二）電子傳遞鏈的組成成分（三）呼吸鏈的順序（一）電子傳遞鏈的概念在生物氧化中代謝物上的H原子被脫氫酶激活脫落后，以質(zhì)子和電子的形式由線粒體內(nèi)膜上的一系列傳遞體傳遞，最終傳給被激活的O2，而生成H2O，由這些傳遞體組成的傳遞鏈稱為電子傳遞鏈（呼吸鏈）。典型的呼吸鏈：NADH呼吸鏈——長鏈 FADH2呼吸鏈——短鏈NADH氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈呼吸鏈呼吸鏈是一系列電子載體按照對電子親合力逐漸升高的順序組成的電子傳遞系統(tǒng)，所有組成成分都嵌合于線粒體內(nèi)膜，線粒體的內(nèi)膜是重要的能量交換部位，電子傳遞鏈和氧化磷酸化的有關(guān)組分都存在于此。電子傳遞鏈

構(gòu)成呼吸鏈的遞氫體或遞電子體通常以復(fù)合體的形式存在于線粒體內(nèi)膜上。

由以下實驗確定①標準氧化還原電位②拆開和重組③特異抑制劑阻斷④還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧（二）呼吸鏈成分的排列順序1．煙酰胺核苷酸是體內(nèi)很多脫氫酶的輔酶，連接三羧酸循環(huán)和呼吸鏈，其功能是將代謝過程中脫下來的氫交給黃素蛋白。有質(zhì)子泵功能AH2ANAD+NADH+H+FMNFMNH22H+2e-2、黃素蛋白以FMN，F(xiàn)AD為輔基是膜內(nèi)側(cè)的一個嵌入蛋白，含F(xiàn)MN或FAD活性中心在膜的內(nèi)側(cè),可催化琥珀酸氧化為延胡索酸，無質(zhì)子泵功能。每個FMN或FAD可接受2個電子2個質(zhì)子NADH脫氫酶以FMN為輔基琥珀酸脫氫酶以FAD為輔基。2e-2H+琥珀酸延胡索酸FADFADH23、鐵硫蛋白（Fe－S）鐵硫蛋白4、輔酶Q（CoQ)——泛醌

電子傳遞鏈中唯一的非蛋白質(zhì)組分，在膜中比較自由，功能基團是苯醌，可接受一對質(zhì)子和一對電子。５、細胞色素類

以鐵卟啉為輔基的色素蛋白，是呼吸鏈中將電子從CoQ傳遞到氧的專一酶類，通過輔基中鐵離子的價態(tài)變化進行電子傳遞。高等動物線粒體電子傳遞鏈中至少有五種細胞色素。包括：cyta,a3,b,c,c1Cytaa3——未端氧化酶細胞色素類1.Cytb

是膜的嵌入蛋白，可接受CoQ的電子，且具有質(zhì)子泵功能CytbCytc12.Cytc1

膜的嵌入蛋白，與Cytb組成一個復(fù)合體，它可接受Cytb的電子，并把它傳給Cytc4H+CoQH2CoQ2e-2e-3.Cytc是膜上唯一的外周蛋白，處于膜的外側(cè)，可接受Cytc1的電子，并傳給Cytaa3。Ctyce-e-兩個細胞色素的復(fù)合體，跨膜蛋白，含有Cu離子。Cyta接受Cytc的電子，經(jīng)過Cu傳給a3。Cyta3的活性中心在膜的內(nèi)側(cè)，可以將其電子直接傳給氧分子而生成水。該復(fù)合體也有質(zhì)子泵功能。1/2O2+H+H2O2H+該復(fù)合體又稱為細胞色素氧化酶呼吸鏈末端氧化酶4.Cyta·a3aa3e-（三）呼吸鏈的順序NADH+H+NAD+FMNFMNH2Fe2+NADH脫氫酶Fe3+QH2QFe3+Fe2+Fe3+Fe2+Fe2+Fe3+1/2O22Fe-SCoQCytbCytc1CytcCytaa3Fe2+Fe3+4H+2H+4H+2H+H2ONADH呼吸鏈電子傳遞過程的循環(huán)O2－胞液側(cè)

基質(zhì)側(cè)

線粒體內(nèi)膜

氧化呼吸鏈的排列順序Q

1/2O2+2H+H2OⅢⅠ

Ⅱ

Ⅳ

延胡索酸

琥珀酸

e-Cytce-e-e-e-NADH+H+NAD+呼吸鏈組分排列順序及氧化還原電位NADH→FMN→CoQ→b→c1

→

c→aa3

→

O2電子傳遞方向性由氧化還原電位決定電子從E′0值小的傳遞體向E′0值大的傳遞體傳遞-0.32–0.300～0.1+0.00+0.22+0.25+0.385+0.82琥珀酸→

FAD→CoQ→b→c1→

c→aa3

→

O2

+0.06三、電子傳遞抑制劑能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子傳遞的物質(zhì)，稱為電子傳遞抑制劑。利用專一性電子傳遞抑制劑選擇性地阻斷呼吸鏈中某個傳遞步驟，再測定鏈中多組分的氧化還原態(tài)情況，是研究電子傳遞鏈順序的一種重要方法。NADH脫氫酶抑制劑抗菌素與aa3中的卟啉形成配位鍵第三節(jié)氧化磷酸化一、氧化磷酸化的概念及類型二、氧化磷酸化的偶聯(lián)三、氧化磷酸化的機理四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)及抑制五、線粒體穿梭系統(tǒng)六、能荷一、氧化磷酸化的概念及類型1、概念氧化磷酸化是指利用生物氧化過程中，釋放的自由能使ADP磷酸化為ATP的過程。2、類型底物水平磷酸化電子傳遞偶聯(lián)的磷酸化(氧化磷酸化)（1）底物水平磷酸化底物氧化過程中，高能代謝中間產(chǎn)物，通過酶促磷酸基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)，直接偶聯(lián)ATP的形成。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（2）電子傳遞偶聯(lián)的磷酸化（氧化磷酸化）當(dāng)電子從NADH或FADH2經(jīng)過電子傳遞體傳遞到O2

形成H2O時，同時偶聯(lián)ADP磷酸化為ATP，這一過程稱電子傳遞偶聯(lián)的磷酸化。1/2O2NAD+或FADNADH+H+或FADH2ADP+Pi能量ATP2e-H2O2H2H呼吸鏈ATP生成方式二、氧化磷酸化的偶聯(lián)1、氧化電位差判斷ΔG0'=-nfΔE0' ≥35.1KJ/mol

或7.3KCal/mol2、P/O比判斷每消耗一個氧原子所形成的ATP數(shù)或每對電子經(jīng)過呼吸鏈所形成的ATP數(shù)。測定長呼吸鏈中P/O比為3

（3個部位生成ATP）短呼吸鏈中P/O比為2

（2個部位生成ATP）①NADH→CoQ②Cytb→CytC1③Cytaa3→O23、氧化磷酸化偶聯(lián)部位三、氧化磷酸化的機理（一）機理（二）線粒體偶聯(lián)因子F1－F0（三）化學(xué)滲透學(xué)說的實驗證據(jù)（四）腺苷酸的轉(zhuǎn)運（一）機理化學(xué)偶聯(lián)假說（1953年E.C.Slater提出)H的氧化過程中，形成一個高能中間物，然后傳遞能量交給ADP形成ATP。構(gòu)象偶聯(lián)假說（1964年P(guān).D.Boyer提出)H的氧化過程中，形成高能構(gòu)象然后將能量釋放，使ADP→ATP化學(xué)滲透學(xué)說化學(xué)滲透學(xué)說是英國米歇爾經(jīng)過大量實驗后于1961年首先提出的（1）遞H體與遞電子體交替排列，定位于線粒體內(nèi)膜（2）遞H體有H泵作用，將H+泵出內(nèi)膜，2e傳給遞電子體，整個過程泵出5對H+（3）線粒體膜對H+不通透，造成H+跨膜梯度。（4）H+通過線粒體F1—F0—ATP酶進入內(nèi)膜，釋放出的自由能推動ATP合成。動畫遞氫體遞電子體4H＋4H＋2H＋2H＋H+跨膜梯度（二）線粒體偶聯(lián)因子F1－F0氧化磷酸化偶聯(lián)因子，包含ATP合成酶系統(tǒng)，可利用電子傳遞的高能狀態(tài)將ADP和Pi合成為ATP。偶聯(lián)因子F1—F0

由兩個主要部分F1

和F0

組成，因而又稱為F1—F0—ATP酶復(fù)合物或ATP合成酶。F1作用：合成ATP的催化部位。F0

作用：含有質(zhì)子通道柄作用：調(diào)控F1—F0因子線粒體

偶聯(lián)因子

F1－F0ATP合酶每當(dāng)一對質(zhì)子沿F1-F0復(fù)合體穿過時就會合成一分子ATPATP合成模式圖（三）化學(xué)滲透學(xué)說的實驗證據(jù)氧化磷酸化的重組實驗（四）腺苷酸的轉(zhuǎn)運細胞內(nèi)的ATP主要在線粒體內(nèi)由ADP磷酸化而成，大部分ATP在線粒體外被利用后又變?yōu)锳DP。由于ADP和ATP都不能自由地穿過線粒體內(nèi)膜，因而必需有一種機制將線粒體外的ADP運入，同時把ATP運到線粒體外?，F(xiàn)已證實由線粒體內(nèi)膜上的腺苷酸載體（二聚體，只有一個腺苷酸結(jié)合位點）負責(zé)其雙向運輸，又稱ADP/ATP交換體。面向外側(cè)時結(jié)合位點對ADP親和力高，面向內(nèi)側(cè)時結(jié)合位點對ATP親和力高。四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)及抑制用特殊的試劑可將氧化磷酸化過程分解成若干個反應(yīng)階段，這是研究氧化磷酸化中間步驟的有效方法。不同的化學(xué)因素對氧化磷酸化過程的影響不同，根據(jù)它們不同的影響方式可分為三大類：解偶聯(lián)劑、氧化磷酸化抑制劑、離子載體抑制劑1.解偶聯(lián)劑使電子傳遞與ADP磷酸化兩個過程分開，不抑制電子傳遞過程，只抑制ATP的生成，使電子傳遞所產(chǎn)生的自由能以熱的形式耗散。（注：解偶聯(lián)劑只抑制電子傳遞鏈磷酸化，不影響底物水平磷酸化。）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。例：DNP：2.4—二硝基苯酚（DNP）2.氧化磷酸化抑制劑抑制氧的利用和ATP的形成，(與電子傳遞抑制劑不同)，不直接抑制電子傳遞，氧化磷酸化抑制劑的作用是直接干擾ATP的生成過程，結(jié)果也使電子傳遞不能進行，例寡霉素。與F1－F0

結(jié)合，抑制氫離子內(nèi)流即抑制氧的利用。DNP（解偶聯(lián)劑）可解除它對氧利用的抑制作用。3.離子載體抑制劑生物膜上的脂溶性物質(zhì)，與某些離子結(jié)合，并作為它們的載體，使這些離子能夠穿過膜，破壞跨膜電化學(xué)梯度，從而破壞氧化磷酸化過程。與解偶聯(lián)劑區(qū)別：改變除H+離子以外的一價陽離子透性。例 纈氨霉素—K+

短桿菌肽—K+，Na+五、線粒體穿梭系統(tǒng)糖酵解（細胞質(zhì)）氧化磷酸化（線粒體）生物氧化和氧化磷酸化主要在線粒體內(nèi)進行NAD+和NADH不能自由地透過線粒體內(nèi)膜胞液內(nèi)（如糖酵解途徑）生成的NADH必須通過特殊的穿梭機制進入線粒體。已知動物Cell有兩個穿梭系統(tǒng)：甘油-3-磷酸穿梭系統(tǒng)蘋果酸穿梭系統(tǒng)（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)帶一對氫原子進入線粒體，由于經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈進行氧化磷酸化，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)

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+-磷酸甘油脫氫酶磷酸甘油穿梭系統(tǒng)甘油-3-磷酸穿梭系統(tǒng)（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氧化呼吸鏈進行氧化磷酸化，故可生成3分子ATP。蘋果酸穿梭外源NADH被轉(zhuǎn)移到線粒體內(nèi)，這種系統(tǒng)中