生物化學 第八章 生物氧化

第八章生物氧化生物氧化概念：

呼吸作用O2CO2+H2O細胞呼吸（微生物）有機物在生物體內(nèi)的氧化，包括物質(zhì)分解和產(chǎn)能；營養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)氧化分解釋放能量，最終生成CO2和H2O的過程。營養(yǎng)物質(zhì)能量+CO2+H2OO2第一節(jié)生物氧化的方式、特點和酶類第二節(jié)線粒體氧化體系第三節(jié)非線粒體氧化體系第四節(jié)生物氧化中能量的轉(zhuǎn)移和利用第一節(jié)生物氧化的方式、特點和酶類生物氧化的特點生物氧化的方式生物氧化中產(chǎn)生CO2的方式參與生物氧化的酶類Goon~生物氧化是在生物細胞內(nèi)進行的酶促氧化過程，反應(yīng)條件溫和（水溶液，中性pH和常溫）。氧化進行過程中，必然伴隨生物還原反應(yīng)的發(fā)生。水是許多生物氧化反應(yīng)的氧供體，通過加水脫氫作用直接參予了氧化反應(yīng)。在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進行的。氧化過程中脫下來的氫質(zhì)子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水。一、生物氧化的特點生物氧化是一個分步進行的過程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反應(yīng)的產(chǎn)物都可以分離出來。這種逐步進行的反應(yīng)模式有利于在溫和的條件下釋放能量，提高能量利用率。生物氧化釋放的能量，通過與ATP合成相偶聯(lián)，轉(zhuǎn)換成生物體能夠直接利用的生物能ATP。二、生物氧化的方式脫電子反應(yīng)脫氫反應(yīng)加氧反應(yīng)本質(zhì)：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。1.脫電子反應(yīng)：如Fe2+→Fe3+＋eA2+B2+B3+A3+

其中：

A為電子供體，

B為電子受體。電子不能單獨存在于生物體內(nèi)，有物質(zhì)失去電子，就有物質(zhì)得到電子：如：TCA3:異檸檬酸草酰琥珀酸NAD+NADH+H+FADFADH2琥珀酸延胡索酸TCA7:2、脫氫反應(yīng)：最主要的生物氧化方式－O212+OH3、加氧反應(yīng)：三、生物氧化中產(chǎn)生CO2的方式氧化脫羧基作用（oxidativedecarboxylation）α-氧化脫羧：丙酮酸的氧化脫羧β-氧化脫羧：蘋果酸的氧化脫羧直接脫羧基作用（oxidativedecarboxylation）α-直接脫羧：氨基酸的脫羧β-直接脫羧：草酰乙酸脫羧直接脫羧作用（directdecarboxylation）α-直接脫羧：如氨基酸脫羧R－CHNH2－COOHR－CH2NH2

＋CO2α－氨基酸胺β-直接脫羧：如草酰乙酸脫羧氧化脫羧作用(oxidativedecarboxylation)α-氧化脫羧：如丙酮酸的氧化脫羧：β-氧化脫羧：如蘋果酸的氧化脫羧：四、參與生物氧化的酶類

氧化酶類

需氧脫氫酶類

不需氧脫氫酶類

其它酶類1、氧化酶類催化代謝物脫氫，將氫直接交給氧生成水輔酶：金屬離子SSH2→H2→H2O1/2O22、需氧脫氫酶類催化代謝物脫氫，直接將氫傳給氧生成H2O2SSH2→H2→H2O2O2輔酶：FMN，F(xiàn)AD3、不需氧脫氫酶類催化代謝物脫氫，將脫下的氫經(jīng)一系列傳遞體的傳遞交給氧，生成水。

SSH2→H2→一系列傳遞→H2→H2O1/2O2輔酶：NAD+，NADP+，F(xiàn)AD，F(xiàn)MN4、其它酶類除上述酶外，體內(nèi)還有一些氧化還原酶類，如加單氧酶、加雙氧酶、過氧化氫酶、過氧化物酶等。往往存在于非線粒體氧化體系中。第二節(jié)線粒體氧化體系一、呼吸鏈（respiratorychain）二、呼吸鏈的組成成分和作用三、呼吸鏈的蛋白質(zhì)復合體四、呼吸鏈中各組分的排列順序Goon~呼吸鏈是代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)過一系列的傳遞體，最后傳遞給被激活的氧原子，而生成水的全部體系。在真核生物細胞內(nèi)，它位于線粒體內(nèi)膜上，原核生物中，它位于細胞膜上。一、呼吸鏈（respiratorychain）線粒體的結(jié)構(gòu)

線粒體有雙層膜結(jié)構(gòu)，外膜光滑，內(nèi)膜折疊成嵴，伸向基質(zhì)。內(nèi)外膜之間為膜間腔。線粒體呼吸鏈二、呼吸鏈的組成成分：(1)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶(2)黃素酶(3)鐵硫蛋白(4)輔酶Q(5)細胞色素呼吸鏈由一系列的氫傳遞體和電子傳遞體組成。NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu)NAD+：R=HNADP+：R=PO32-功能：將底物上的氫激活并脫下。輔酶：NAD+或NADP+OR(1)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶(尼克酰胺核苷酸類)尼克酰胺核苷酸的作用原理：+H+

e+

H++

H+2HHHeH+HNAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2H（2）黃素蛋白輔基：黃素單核苷酸（FMN）/黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）FMN+2HFMNH2FAD+2HFADH2鐵硫聚簇（Fe-S中心）主要以(Fe-0S)、(2Fe-2S)或(4Fe-4S)

形式存在，鐵硫聚簇與蛋白質(zhì)結(jié)合稱為鐵硫蛋白。(3)鐵硫蛋白鐵硫聚簇通過Fe3+

Fe2+

變化，將氫從FMNH2上脫下傳給CoQ，同時起傳遞電子的作用，每次傳遞一個電子.

CysSSSCys

Fe3+

Fe3+

CysSSSCys

CysSSSCys

Fe3+

Fe2+

CysSSSCys

+e-一種脂溶性的醌類化合物，其分子中的苯醌結(jié)構(gòu)能進行可逆的加氫反應(yīng)，是氫傳遞體。

（4）泛醌（CoQ）CoQ+2HCoQH2（5）細胞色素（cytochrome,Cyt）以鐵卟啉（血紅素）為輔基的蛋白質(zhì)（有顏色），高等動物線粒體呼吸鏈中主要含有5種細胞色素a、a3、b、c、c1等，細胞色素b、c1、c的輔基都是鐵卟啉，細胞色素a、a3的輔基為血紅素A。細胞色素主要是通過輔基中Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用。一個細胞色素每次傳遞一個電子。

2Cyt

Fe3++2e-2Cyt

Fe2+遞電子體:b→c1→c→aa3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，易溶于水。它與細胞色素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。細胞色素c（cyt.c）簡寫為cyt.c氧化酶，即復合物IV，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復合物，由12個多肽亞基組成?；钚圆糠种饕╟yt.a和a3。細胞色素c氧化酶cyt.a和a3組成一個復合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。cyt.aa3可以直接以O(shè)2為電子受體。在電子傳遞過程中，分子中的銅離子可以發(fā)生

Cu+

Cu2+

的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2。遞電子體:b→c1→c→aa3三、呼吸鏈的蛋白質(zhì)復合體NADH-Q還原酶(NADHdehydrogenase,complexI)琥珀酸-Q還原酶(succinate-Qreductase,complexⅡ)Q-細胞色素C還原酶(cytochrome

reductase,complexⅢ)細胞色素C氧化酶(cytochrome

oxidase,complexⅣ)ComplexI結(jié)構(gòu)示意圖將電子從還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），傳遞給泛醌。產(chǎn)生ATPComplexⅡ結(jié)構(gòu)示意圖琥珀酸脫氫酶+2（Fe-S）+2（Cytb560）將H從FADH2傳遞給泛醌。ComplexⅢ結(jié)構(gòu)示意圖將電子從泛醌傳遞給細胞色素CComplexⅣ結(jié)構(gòu)示意圖將電子從細胞色素C傳遞給氧。各復合物之間的相互關(guān)系四、呼吸鏈中各組分的排列順序1、NADH呼吸鏈（人和動物細胞中主要的呼吸鏈，因為有機營養(yǎng)物質(zhì)在氧化過程中大多數(shù)脫氫酶以NAD+為輔酶）2、FADH2呼吸鏈（又稱為琥珀酸呼吸鏈，因為FADH2是由琥珀酸脫下的氫與FAD結(jié)合生成的）微粒體氧化體系（加氧體系）過氧化體氧化體系植物細胞中的生物氧化體系線粒體氧化體系是高等動、植物的主要氧化途徑。此外還有一類與能量的儲存與利用無關(guān)，但具有其他重要生理功能的非線粒體氧化體系。第三節(jié)非線粒體氧化體系一、微粒體氧化體系

在微粒體中存在一類加氧酶，這類酶所催化的氧化反應(yīng)是將氧直接加到底物的分子上。⒈雙加氧酶⒉單加氧酶

單加氧酶催化的反應(yīng)可表示如下：

RH+NADPH+H++O2→ROH+NADP+H2O

單加氧酶系與ATP的生成無關(guān)，但也具有多種功能，諸如腎上腺皮質(zhì)類固醇的羥化、類固醇激素的合成、維生素D3的羥化以及膽酸生成中環(huán)核的羧化等反應(yīng)都與其有關(guān)；不飽和脂肪酸生成中雙鍵的引入；藥物、致癌物和毒物的氧化解毒等也都需要有單加氧酶催化的羥化反應(yīng)；二、過氧化物酶體氧化體系

過氧化物酶體中含有多種催化生成過氧化氫的酶，同時含有分解過氧化氫的酶，能氧化多種底物。⒈過氧化氫及超氧離子的生成及毒性

生物氧化過程中如果電子供給不足則生成過氧化基團或超氧離子，前者可與H+結(jié)合形成過氧化氫?；钚匝醴e累過多可使細胞膜脂質(zhì)氧化，膜脂結(jié)構(gòu)改變，膜上的一些酶失活；可氧化蛋白質(zhì)的巰基改變蛋白質(zhì)功能；可使DNA氧化甚至斷裂；Χ射線及γ射線的致癌作用也與它們促進活性氧的生成有關(guān)；另外，組織老化也與活性氧的產(chǎn)生密切相關(guān)。⒉過氧化氫及超氧離子的清除

過氧化氫清除：超氧離子的清除：

超氧化物歧化酶（SOD）是一類含金屬的酶，按所含金屬不同分為：Cu、Zn-SOD、Mn-SOD和Fe-SOD，它們廣泛地存在于各種組織，能催化超氧離子的歧化反應(yīng)，因此是人體防御內(nèi)、外環(huán)境中超氧離子對人體侵害的重要的酶。體內(nèi)SOD活性下降或含量減少，會引起超氧離子的堆積從而引起許多疾病。三、植物細胞中的生物氧化體系多酚氧化酶體系抗壞血酸氧化酶體系乙醇酸氧化酶體系生化反應(yīng)中的自由能及自由能變化氧化還原電位與自由能變化線粒體膜結(jié)構(gòu)的特點高能磷酸鍵的生成機制氧化磷酸化的機制線粒體外的氧化磷酸化高能磷酸鍵的儲存和轉(zhuǎn)移利用氧化磷酸化解偶聯(lián)作用和抑制作用第四節(jié)生物氧化過程中能量的轉(zhuǎn)移和利用一、生化反應(yīng)中的自由能及自由能變化自由能及自由能變化的概念

自由能freeenergy

：在熱力學當中，自由能指的是在某一個熱力學過程中，系統(tǒng)減少的內(nèi)能中可以轉(zhuǎn)化為對外作功的部分，它衡量的是：在一個特定的熱力學過程中，系統(tǒng)可對外輸出的“有用能量”。

ΔG<0，放能，過程可自發(fā)進行，產(chǎn)生有用的功；ΔG>0，吸能，過程不可自發(fā)進行，須供給能量才能進行；ΔG=0,過程處平衡狀態(tài)。自由能變化(ΔG）:

ΔG=ΔH-TΔSAB

ΔG=GB-

GAΔG是衡量過程自發(fā)性的標準：二、氧化還原電位與自由能變化在生物氧化反應(yīng)中，氧化與還原總是相互偶聯(lián)的。一個化合物（還原劑）失去電子，必然伴隨另一個化合物(氧化劑）接受電子；還原劑失掉電子的傾向（氧化劑得到電子的傾向）稱為氧化（--還原）電勢（E0）；

在線粒體呼吸鏈中，推動電子從NADH傳遞到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+

和1/2O2/H2O兩個半反應(yīng)之間存在很大的電勢差（

E0）。(a)?O2+2H++2e-

H2OE0’=+0.82V(b)NAD++H++2e-

NADHE0’=-0.32V

將(a)減去(b)，即得(c)式：(c)?O2+NADH+2H+

H2O+NAD+

E0’=0.82–(-0.32)=+1.14V

G

’=-nF

E0’=-2

96500

1.14=-220kJ/mol★E0’越小，越易失去電子，處于呼吸鏈的前面，反之，E0’越大，越易得到電子，處于呼吸鏈的后面。★當電子從E0’值小的物質(zhì)傳到E0’值大的物質(zhì)時，伴隨著自由能的降低，即有熱量放出:呼吸鏈中電子傳遞方向是從E0’值小向大的方向傳遞:△G0’=－nF△E0’=－nF

（E0’受體－E0’供體）其中：n是轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，F(xiàn)是法拉第常數(shù)。關(guān)于還原電位E0’

氧化劑/還原劑半反應(yīng)標準還原電位E0’越正，氧化劑氧化能力越強E0’越負，還原劑還原能力越強可判斷電子傳遞方向氧化還原電勢與呼吸鏈電子傳遞方向三、高能磷酸鍵的生成機制1、底物磷酸化2、氧化磷酸化由底物分子因脫氫或脫水而使分子內(nèi)部能量分配產(chǎn)生的高能磷酸鍵（或高能硫酯鍵），在激酶作用下將高能鍵上的鍵能直接轉(zhuǎn)移給ADP（或GDP）而生成ATP（或GTP）的反應(yīng)，稱為底物水平磷酸化。X~+ADP→ATP+XP1.底物水平磷酸化糖酵解過程的底物磷酸化:磷酸甘油酸激酶

3-磷酸甘油酸這是糖酵解中第一次底物水平磷酸化反應(yīng)ADPATP1,3-二磷酸甘油酸

(1,3-DPG)OPO3

2-2.氧化磷酸化電子從NADH或FADH2經(jīng)過呼吸鏈傳遞給氧形成水，同時伴有ADP磷酸化為ATP。P/O比值：在電子傳遞體系磷酸化中，在一定時間內(nèi)所產(chǎn)生的ATP數(shù)目與所消耗的氧（以克原子計）的比值。NADH的P/O=3FADH2的P/O=2NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→a→a3→O2PPP3ADP3ATP根據(jù)氧原電勢與自由能變化關(guān)系式，計算出在NADH氧化過程中，有三個反應(yīng)的

G

’<-31kJ/mol:FMNH2

Q

G

’=-55.6kJ/mol

cyt.b

cyt.c1

G

’=-34.7kJ/mol

cyt.aa3

O2

G

’=-102.1kJ/mol這三個反應(yīng)分別與ADP的磷酰化反應(yīng)偶聯(lián)，產(chǎn)生3個ATP。這些反應(yīng)稱為呼吸鏈的偶聯(lián)部位。從琥珀酸

O2只產(chǎn)生2個ATP.ATPATPATP氧化與磷酸化作用如何耦聯(lián)尚不夠清楚，目前主要有三個學說：四、氧化磷酸化的機制化學偶聯(lián)學說結(jié)構(gòu)偶聯(lián)學說化學滲透學說化學偶聯(lián)學說電子傳遞和ATP生成的偶聯(lián)是通過一系列連續(xù)的化學反應(yīng)，而形成一個高能共價中間物，這個中間物在電子傳遞中形成，隨后有裂解將其能量供給ATP的合成。并不能從呼吸鏈中找到實際的例子結(jié)構(gòu)偶聯(lián)學說認為電子沿呼吸鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)組分發(fā)生了構(gòu)象變化而形成一種高能形式；這種高能形式將能量傳遞給F0F1ATP酶分子而使之能化；

F0F1ATP酶的復原即將能量提供給ATP的合成并從酶上游離下來。化學滲透學說認為電子傳遞的結(jié)果將H+離子從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)“泵”到膜外液體中，形成一個跨內(nèi)膜的H+離子梯度，這梯度中所含有的滲透能正是促使ATP生成所需要的能；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。因提出氧化磷酸化偶聯(lián)機制：化學滲透學說而在1978年獲諾貝爾化學獎的PeterMitchellMH2MNAD+2H+FeS2e2H+FMN2H+Cytb2H+2eCoQ2H+Cytc1CytcCytaa32e?O2O2-ATP2H+H2OX-+IO-XHIOHH2OX~IX~IX~I頭部ATP合酶ADP+PiX-+IO-化學滲透假說Chemiosmoticmodel五、線粒體膜結(jié)構(gòu)的特點

外膜基質(zhì)嵴膜間腔內(nèi)膜在生物氧化及能量轉(zhuǎn)換中起關(guān)鍵作用線粒體是生物氧化的發(fā)生場所

外膜基質(zhì)嵴膜間腔內(nèi)膜ATP偶聯(lián)因子電鏡照片六、高能磷酸鍵的儲存和轉(zhuǎn)移利用人體儲存能量的方式不是ATP而是磷酸肌酸磷酸肌酸43.0kJ/mol抑制劑電子傳遞鏈抑制ATP合成解偶聯(lián)劑（uncouplers）

2,4-二硝基苯酚（2,4-dinitrophenolDNP）七、氧化磷酸化解偶聯(lián)作用和抑制作用抑制電子傳遞：MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1

+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FAD-0.18魚藤酮阿米妥抑制劑：抗霉素A氰化物，CO，疊氮化合物魚藤酮廣泛地存在于植物的根皮部，在毒理學上是一種專屬性很強的物質(zhì)，對昆蟲尤其是菜粉蝶幼蟲、小菜蛾和蚜蟲具有強烈的觸殺和胃毒兩種作用。早期的研究表明魚藤酮的作用機制主要是影響昆蟲的呼吸作用，主要是與NADH脫氫酶與輔酶Q之間的某一成分發(fā)生作用。魚藤酮使害蟲細胞的電子傳遞鏈受到抑制，從而降低生物體內(nèi)的ATP水平最終使害蟲得不到能量供應(yīng)，然后行動遲滯、麻痹而緩慢死亡。魚藤酮的進入人體的作用機理是線粒體呼吸鏈，導致人體出現(xiàn)呼吸困難和驚厥等呼吸體統(tǒng)障礙抗霉素A（antimycinA，A3），化學式C26H36N2O9，相對分子質(zhì)量520.5，是一類由鏈霉菌產(chǎn)生的大環(huán)內(nèi)脂類天然抗生素,具有抗昆蟲、螨類和真菌等生物活性。由某種鏈絲菌屬產(chǎn)生的抗菌素類。這是幾種物質(zhì)的混合物，為呼吸的抑制劑，與線粒體的電子傳遞體系相結(jié)合，可嚴重阻礙由CoQ向細胞色素c的電子傳遞。與2－n-庚酸-4-羥基氮萘-N-氧化物的作用同。氰化物進入機體后分解出具有毒性的氰離子（CN-），氰離子能抑制組織細胞內(nèi)42種酶的活性，如細胞色素氧化酶、過氧化物酶、脫羧酶、琥珀酸脫氫酶及乳酸脫氫酶等。其中，細胞色素氧化酶對氰化物最為敏感。氰離子能迅速與氧化型細胞色素氧化酶中的三價鐵結(jié)合，阻止其還原成二價鐵，使傳遞電子的氧化過程中斷，組織細胞不能利用血液中的氧而造成內(nèi)窒息。中樞神經(jīng)系統(tǒng)對缺氧最敏感，故大腦首先受損，導致中樞性呼吸衰竭而死亡。此外，氰化物在消化道中釋放出的氫氧離子具有腐蝕作用。吸入高濃度氰化氫或吞服大量氰化物者，