第六章 生 物 氧 化

第六章生物氧化第1頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter6BiologicalOxidation第六章生物氧化第2頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月物質(zhì)在生物體內(nèi)氧化分解并釋放出能量的過程稱為生物氧化(biologicaloxidation)。What’sbiologicaloxidation?有機(jī)物+O2CO2+H2O+能量第3頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月生物體內(nèi)的生物氧化過程與體外燃燒不同的是：在37℃，近于中性的含水環(huán)境中，由酶催化進(jìn)行；反應(yīng)逐步釋放出能量，相當(dāng)一部分能量以高能磷酸酯鍵的形式儲(chǔ)存起來。第4頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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

TAC第5頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Section1TheOxidationSystemofProducingATP第一節(jié)生成ATP的氧化體系第6頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在線粒體中，由若干遞氫體或遞電子體按一定順序排列組成的，與細(xì)胞呼吸過程有關(guān)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)體系稱為呼吸鏈(respiratorychain)。一、線粒體氧化呼吸鏈What’srespiratorychain?第7頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月構(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。第8頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（一）呼吸鏈的組成第9頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1．復(fù)合體Ⅰ（NADH-泛醌還原酶）：NADH還原酶+4×(Fe-S)FMN;Fe-SN-1a/b;

Fe-SN-2;

Fe-SN-3;Fe-SN-4NADH→→CoQ第10頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月NADH還原酶NADH還原酶催化（NADH+H+）的脫氫反應(yīng)，從而將2H傳遞給其輔基FMN，生成FMNH2。第11頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鐵硫蛋白鐵硫蛋白(Fe-S)共有9種同工蛋白；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(鐵硫簇)，一次可傳遞一個(gè)電子至CoQ。第12頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鐵硫中心的結(jié)構(gòu)SS無機(jī)硫半胱氨酸硫第13頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月泛醌（CoQ）

泛醌（輔酶Q,CoQ,Q）是游離存在于線粒體內(nèi)膜中的脂溶性有機(jī)化合物，由多個(gè)異戊二烯連接形成較長(zhǎng)的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反應(yīng)時(shí)可在醌型與氫醌型之間相互轉(zhuǎn)變。第14頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸-泛醌還原酶）：琥珀酸脫氫酶+3×(Fe-S)+Cytb560FAD;Fe-S1;

b560;

Fe-S2;

Fe-S3琥珀酸→→CoQ第15頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月這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(jià)亞鐵離子，也可為+3價(jià)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)胞色素類第16頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鐵卟啉輔基的分子結(jié)構(gòu)第17頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月細(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。第18頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月細(xì)胞色素b的分子結(jié)構(gòu)第19頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月細(xì)胞色素c的分子結(jié)構(gòu)第20頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3．復(fù)合體Ⅲ（泛醌-細(xì)胞色素c還原酶）：2×Cytb+Cytc1+(Fe-S)b562;b566;Fe-S;c1QH2→

→Cytc

第21頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Cyta+Cyta3

4．復(fù)合體Ⅳ（細(xì)胞色素c氧化酶）：CuA→a→a3→CuB還原型Cytc→→O2第22頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）呼吸鏈組分的排列順序通過四個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)可確定呼吸鏈各組分的排列順序：①標(biāo)準(zhǔn)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)呼吸鏈緩慢給氧第23頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第24頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氧化呼吸鏈的組成⑴NADH氧化呼吸鏈NADH→復(fù)合體Ⅰ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2⑵琥珀酸氧化呼吸鏈

琥珀酸→復(fù)合體Ⅱ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2第25頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月胞液側(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+第26頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1．NADH氧化呼吸鏈：NAD+→[FMN(Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3

丙酮酸

-酮戊二酸

硫辛酸

FAD

1/2O2

H2O

異檸檬酸蘋果酸谷氨酸

-羥丁酸

-羥脂酰CoA

2e

2H

2H+

第27頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.琥珀酸氧化呼吸鏈：琥珀酸→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2FAD(Fe-S)

Cytb

-磷酸甘油脂肪酰CoA[FAD(FP)]H2O

2e

2H+

第28頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月兩條電子傳遞鏈的關(guān)系第29頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、氧化磷酸化1.底物水平磷酸化：直接將底物分子中的高能鍵轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP分子中的末端高能磷酸鍵的過程稱為底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)。（一）生物體內(nèi)ATP的生成方式第30頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月底物水平磷酸化見于下列三個(gè)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第31頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.氧化磷酸化：在線粒體中，底物分子脫下的氫原子經(jīng)遞氫體系傳遞給氧，在此過程中釋放能量使ADP磷酸化生成ATP，這種能量的生成方式就稱為氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)。第32頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）氧化磷酸化的偶聯(lián)部位1.P/O比值：通過測(cè)定在氧化磷酸化過程中，氧的消耗與無機(jī)磷酸消耗之間的比例關(guān)系，可以反映底物脫氫氧化與ATP生成之間的比例關(guān)系。每消耗一摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷原子的摩爾數(shù)稱為P/O比值。第33頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月線粒體離體實(shí)驗(yàn)測(cè)得的一些底物的P/O比值第34頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月合成1molATP時(shí)，需要提供的能量至少為ΔG0‘=-30.5kJ/mol，相當(dāng)于氧化還原電位差ΔE0’=0.2V。因此，在NADH氧化呼吸鏈中有三處可以生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸鏈中，只有兩處可以生成ATP。2.自由能變化與ATP的生成部位：第35頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氧化磷酸化的偶聯(lián)部位第36頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（三）氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制1.化學(xué)滲透假說：目前公認(rèn)的氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制是1961年由PeterMitchell提出的化學(xué)滲透學(xué)說(chemios-motichypothesis)。第37頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)滲透假說的基本要點(diǎn)該學(xué)說認(rèn)為氧化呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上，當(dāng)氧化反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，H+通過氫泵作用被排斥到線粒體內(nèi)膜外側(cè)（膜間腔），從而形成跨膜pH梯度和跨膜電位差。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)，這種形式的“勢(shì)能”可以被存在于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基團(tuán)，并與ADP結(jié)合而合成ATP。第38頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)子梯度的形成機(jī)制質(zhì)子的轉(zhuǎn)移主要通過氧化呼吸鏈在遞氫或遞電子過程中所形成的氧化還原袢來完成。每傳遞兩個(gè)氫原子，就可向膜間腔釋放10個(gè)質(zhì)子。第39頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合體Ⅰ的氧化還原袢第40頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合體Ⅲ的氧化還原袢第41頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合體Ⅳ的氧化還原袢第42頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)子梯度的形成第43頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ATP的合成當(dāng)質(zhì)子從膜間腔返回基質(zhì)中時(shí)，這種“勢(shì)能”可被位于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶利用以合成ATP。第44頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月嵌于線粒體內(nèi)膜上，其頭部呈顆粒狀，突出于線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)。膜間腔基質(zhì)2.ATP合酶：第45頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ATP合酶的分子結(jié)構(gòu)由親水部分F1(

3

3

亞基)和疏水部分F0(a1b2c9~12亞基)組成。第46頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ATP合酶F1段的結(jié)構(gòu)側(cè)面圖正面圖第47頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ATP合成模式圖第48頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、氧化磷酸化的影響因素ATP/ADP比值是調(diào)節(jié)氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；反之，當(dāng)ATP/ADP比值升高時(shí)，則氧化磷酸化速度減慢。（一）ATP/ADP比值第49頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月甲狀腺激素可間接影響氧化磷酸化的速度。其原因是甲狀腺激素可以激活細(xì)胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，導(dǎo)致ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。

（二）甲狀腺激素第50頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（三）藥物和毒物1．呼吸鏈抑制劑：能夠抑制呼吸鏈遞氫或遞電子過程的藥物或毒物稱為呼吸鏈抑制劑。第51頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月能夠抑制第一位點(diǎn)的有異戊巴比妥、粉蝶霉素A、魚藤酮等；能夠抑制第二位點(diǎn)的有抗霉素A和二巰基丙醇；能夠抑制第三位點(diǎn)的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制還原型Cytaa3-Fe2+。第52頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．解偶聯(lián)劑：不抑制呼吸鏈的遞氫或遞電子過程，但能使氧化產(chǎn)生的能量不能用于ADP磷酸化的藥物或毒物稱為解偶聯(lián)劑。解偶聯(lián)劑通常引起線粒體內(nèi)膜對(duì)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。主要的解偶聯(lián)劑有2,4-二硝基酚。第53頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月能抑制ATP合酶的質(zhì)子回流，從而使線粒體內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子電化學(xué)梯度增高，對(duì)呼吸鏈的電子傳遞和ADP磷酸化均產(chǎn)生抑制作用的藥物和毒物稱為氧化磷酸化抑制劑，如寡霉素。3．氧化磷酸化抑制劑：第54頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氧化磷酸化的抑制劑第55頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、高能磷酸鍵的儲(chǔ)存與釋放生物化學(xué)中常將水解時(shí)釋放的能量>20kJ/mol的磷酸鍵稱為高能磷酸鍵。主要有以下幾種類型：1．磷酸酐鍵：包括各種多磷酸核苷類化合物，如ADP，ATP，GDP，GTP，CDP，CTP，GDP，GTP及PPi等，水解后可釋放出30.5kJ/mol的自由能。（一）高能磷酸鍵的類型第56頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．混合酐鍵：由磷酸與羧酸脫水后形成的酐鍵，主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。在標(biāo)準(zhǔn)條件下水解可釋放出61.9kJ/mol的自由能。3．烯醇磷酸鍵：見于磷酸烯醇式丙酮酸中，水解后可釋放出61.9kJ/mol的自由能。4．磷酸胍鍵：見于磷酸肌酸中，水解后可釋放出43.9kJ/mol的自由能。第57頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月幾種常見的高能化合物第58頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月磷酸肌酸（creatinephosphate,C～P）是骨骼肌和腦組織中能量的貯存形式。磷酸肌酸中的高能磷酸鍵不能被直接利用，必須先將其高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ATP，才能供生理活動(dòng)之需。反應(yīng)過程由磷酸肌酸激酶（CPK）催化完成。第59頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月磷酸肌酸激酶的作用第60頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）ATP循環(huán)ATP是生物界普遍使用的供能物質(zhì)，有“通用貨幣”之稱。ATP分子中含有兩個(gè)高能磷酸酐鍵（A-P~P~P），均可以水解供能。ATP水解為ADP并供出能量之后，又可通過氧化磷酸化重新合成，從而形成ATP循環(huán)。第61頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ATP循環(huán)ATP

ADP

肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P

~P

機(jī)械能(肌肉收縮)滲透能(物質(zhì)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn))化學(xué)能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)第62頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（三）多磷酸核苷間的能量轉(zhuǎn)移在生物體內(nèi)，除了可直接使用ATP供能外，還使用其他形式的高能磷酸鍵供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白質(zhì)的合成等。核苷單磷酸激酶NMP+ATPNDP+ADP核苷二磷酸激酶NDP+ATPNTP+ADP第63頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、線粒體外NADH的穿梭胞液中的3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油或乳酸脫氫，均可產(chǎn)生NADH。這些NADH可經(jīng)穿梭系統(tǒng)而進(jìn)入線粒體氧化磷酸化，產(chǎn)生H2O和ATP。第64頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(duì)氫原子進(jìn)入線粒體，由于經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化，故只能產(chǎn)生2分子ATP。第65頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

線粒體內(nèi)膜

線粒體外膜膜間腔

線粒體基質(zhì)磷酸甘油穿梭系統(tǒng)

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+-磷酸甘油脫氫酶第66頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(duì)氫原子經(jīng)此穿梭系統(tǒng)帶入一對(duì)氫原子，由于經(jīng)NADH氧化呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化，故可生成3分子ATP。第67頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月谷氨酸-天冬氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體蘋果酸-

-酮戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)體

胞液

基質(zhì)

NADH+H+

NAD+NADH+H+NAD+

蘋果酸草酰乙酸

-酮戊二酸

谷氨酸蘋果酸脫氫酶谷草轉(zhuǎn)氨酶NADH呼吸鏈

天冬氨酸

蘋果酸穿梭系統(tǒng)第68頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月六、二氧化碳的生成在生物體內(nèi)，CO2是通過有機(jī)酸的脫羧作用生成的。按照羧基所連接的位置不同，可將有機(jī)酸的脫羧作用分為

-脫羧和

-脫羧。按照脫羧時(shí)是否伴有氧化作用，可將有機(jī)酸的脫羧作用分為單純脫羧和氧化脫羧。第69頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.

–單純脫羧：見于氨基酸的脫羧作用。

R-CH-COOHNH2氨基酸脫羧酶R-CH2-NH2+CO2氨基酸胺

第70頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.

–單純脫羧：見于草酰乙酸的脫羧作用。

+CO2CH2-COOH│CO-COOHCH3│CO-COOH草酰乙酸脫羧酶草酰乙酸丙酮酸

第71頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.

-氧化脫羧：見于丙酮酸的脫氫與脫羧作用。

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

第72頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.

–氧化脫羧：見于蘋果酸的脫氫與脫羧作用。CO-COOH+CO2CH3CH2-COOHOHCH-COOHNADP+

NADPH+H+蘋果酸丙酮酸蘋果酸酶

第73頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)其他氧化體系Section2TheOthersOxidationEnzymeSystems第74頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、需氧脫氫酶和氧化酶只能以某些輔酶或輔基作為受氫體而不能以O(shè)2作為直接受氫體的脫氫酶稱為不需氧脫氫酶。能以O(shè)2作為直接受氫體的酶稱為需氧脫氫酶或氧化酶。氧化酶能直接利用O2為受氫體，產(chǎn)物為H2O；而需氧脫氫酶通常以FAD或FMN為輔基，但可催化底物脫氫并以氧為受氫體，產(chǎn)物為H2O2。第75頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、過氧化物酶體中的氧化酶類過氧化氫酶(catalase)又稱觸酶，其輔基為血紅素，可催化H2O2的分解反應(yīng)：2H2O22H2O+O2

過氧化氫酶

（一）過氧化氫酶第76頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月過氧化物酶(perioxidase)也以血紅素為輔基，可催化H2O2直接氧化酚類或胺類化合物：R+H2O2

RO+H2O

RH2+H2O2R+2H2O過氧化物酶

過氧化物酶

（二）過氧化物酶第77頁(yè)，課件共83頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、超氧物歧化酶呼吸鏈電子傳遞過程或體內(nèi)某些物質(zhì)（如黃嘌呤）氧化時(shí)，均可產(chǎn)生超