第七章 生物氧化1

1、第七章 生物氧化 第一節(jié) 概 論l 一、生物氧化的涵義：l 一切生物都靠能量維持生存，生物體所需的能量大都來自體內(nèi)的糖、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物的氧化。l 人們把有機(jī)分子糖、脂、蛋白質(zhì)等在活細(xì)胞內(nèi)氧化分解，產(chǎn)生CO2、H2O并釋放能量形成ATP的過程稱生物氧化（細(xì)胞氧化、細(xì)胞呼吸、組織呼吸）。l 生物氧化實(shí)際上是需氧細(xì)胞呼吸作用中的一系列氧化還原作用。二、生物氧化的特點(diǎn)l 生物氧化在形式上雖有加氧，脫氫和失電子的不同形式，但從氧化的基本概念來看，生物氧化與體外的化學(xué)氧化實(shí)質(zhì)相同，所不同的是生物氧化是在活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，并且必須有酶參加，放出能量以ATP形式儲(chǔ)存起來，供需要時(shí)使用。l 1、體溫條件下，有

2、機(jī)分子經(jīng)系列酶促反應(yīng)，逐步氧化釋能，可以使放出的能量得到最有效的利用。l 2、在氧化過程中產(chǎn)生的能量一般都貯存在一些特殊的化合物中，主要是ATP。三、生物氧化與物質(zhì)代謝的關(guān)系：l 二者不完全相同，有交叉。l 在物質(zhì)分解代謝中常常見到脫氫反應(yīng)，l 脫出的氫如何與氧結(jié)合成水，以及如何釋放能量等等即是生物氧化的問題。l 生物氧化是生物新陳代謝的重要基本反應(yīng)之一，生命活動(dòng)的能量保障。 第二節(jié)  生物氧化體系的類型 一、無(wú)傳遞體的生物氧化體系（一酶體系）l 代謝物經(jīng)氧化酶或需氧脫氫酶作用后，脫出的氫直接以1分子氧為受體生成H2O或H2O2。 氧化酶體系l 氧化酶的作用為其分子中的金屬離子(如C

3、u2+ ) 直接從代謝物中脫出氫取得電子，將電子傳給分子氧使之活化，活化氧(O2- )與游離在溶液中的H+結(jié)合成水。由氧化酶催化的反應(yīng)不能在無(wú)氧情況下進(jìn)行，因?yàn)椴荒苡闷渌軞潴w代替氧。l 如：多酚氧化酶和抗壞血酸酶。l 多酚氧化酶：催化多酚類（對(duì)苯二酚，鄰苯二酚，鄰苯三酚）直接將H轉(zhuǎn)給分子氧的酶，分子中含Cu，廣泛分布與真菌及高等植物。l 抗壞血酸酶：為含Cu的酶，廣布于植物，特別是黃瓜，南瓜。在有氧條件下，可使L抗壞血酸氧化成L脫氧抗壞血酸和水。 需氧脫氫酶體系l 需氧脫氫酶能激活代謝物中的氫，將脫出的氫和一對(duì)電子傳遞給脫氫酶的輔酶；在有氧條件下，還原態(tài)輔酶(FMNH2 和FADH2 )能將

4、由氫放出的2個(gè)電子傳給分子氧使之活化成過氧離子；無(wú)氧條件下,還原態(tài)輔酶(FMNH2 和FADH2 )能將由氫放出的2個(gè)電子傳給亞甲藍(lán)或醌為受氫體而使反應(yīng)進(jìn)行。如醛氧化成酸，氨基酸氧化脫氨。二、需傳遞體的生物氧化體系（二酶或多酶體系）l 這類體系是生物體內(nèi)的主要氧化體系，由不需氧脫氫酶及一種或一種以上的傳遞體參加反應(yīng)。l 1、電子傳遞過程：還原型輔酶或輔基通過電子傳遞再氧化，這個(gè)過程稱電子傳遞過程。l 2、電子傳遞鏈（呼吸鏈）：電子從還原型輔酶或輔基通過一系列電子親和力遞增順序排列的電子載體傳遞到分子氧所經(jīng)歷的途徑。 l 3、電子傳遞鏈的特點(diǎn)：電子載體按照親電子力遞增的順序排列，電勢(shì)自低向高，電

5、子傳遞過程中伴隨著自由能的釋放，釋放的自由能可用來合成ATP。l 原核細(xì)胞存在質(zhì)膜上，真核細(xì)胞存在于線粒體內(nèi)膜上。l 生物體內(nèi)有兩條典型的電子傳遞鏈。l 即 NADH 呼吸鏈和 FADH2 呼吸鏈。l 1）NADH呼吸鏈：是由NAD-脫氫酶或-脫氫酶、黃酶、輔酶Q ，細(xì)胞色素體系和一些鐵硫蛋白組成的氧化還原體系。l 2）FADH2呼吸鏈：與NADH呼吸鏈相比，底物脫下的氫不經(jīng)NAD而直接交給黃酶的輔基FAD，即少了NADH呼吸鏈中的前面的一個(gè)組分。 4、線粒體酶l （1）參與物質(zhì)代謝的酶類：三羧酸循環(huán)，脂肪酸氧化。l （2）電子傳遞相關(guān)酶：電子傳遞到氧分子，形成水，釋放出自由能。（4）物質(zhì)能量

6、運(yùn)輸相關(guān)酶或蛋白類。 如ATP/ADP交換體 。第三節(jié) 電子傳遞鏈的組成和性質(zhì)l 1. NADH-Q還原酶： NADH脫氫酶、復(fù)合體I，呼吸鏈中從NADH 到輔酶Q的一段組分，相對(duì)分子量88 000，至少34條多肽鏈；兩種輔基，F(xiàn)MN, Fe-S聚簇（蛋白）。l 電子傳遞過程：NADHFMNH2l NADH+H+FMNFMNH2+NAD+；l FMNH2Fe-Sl 2Fe3+2Fe2+；FeSQH2；釋放自由能的過程,-69.5kJ/mol,能量足以合成ATPl 2. 輔酶Q：泛醌, 脂溶性輔酶, 可與膜結(jié)合或游離。l CoQ不但可接受NADH脫氫酶的氫，還接受線粒體其它黃素酶類脫下的電子和氫

7、，在電子傳遞鏈中居于中心位置。l 呼吸鏈中是一個(gè)和蛋白質(zhì)結(jié)合不緊的輔酶，使它在黃素蛋白類和細(xì)胞色素之間能夠作為一種靈活的載體而起作用。 l 3. 琥珀酸-Q還原酶：復(fù)合體II，嵌在線粒體內(nèi)膜的酶蛋白，完整酶包括琥珀酸脫氫酶，輔基FAD 、Fe-S 和Cytb562l 電子傳遞過程:琥珀酸氧化成延胡索酸，同時(shí)使FAD還原成FADH2 。l FADH2Fe-SQ 進(jìn)入呼吸鏈。l 4、 細(xì)胞色素還原酶：復(fù)合體III, 輔酶Q-細(xì)胞色素c還原酶,細(xì)胞色素bc1復(fù)合體,或簡(jiǎn)稱bc1。l 輔基:血紅素b562 b566 c1和Fe-S中心。l 電子轉(zhuǎn)移途徑： QH2(e)Fe-ScytC1cytC l 作

8、用:將電子從QH2 轉(zhuǎn)移到細(xì)胞色素C；標(biāo)準(zhǔn)自由能釋放Go =-36.7kJ/mol.l 細(xì)胞色素:一類含有血紅素輔基的電子傳遞蛋白質(zhì)的總稱；還原型的細(xì)胞色素具有明顯的可見光譜吸收現(xiàn)象,三條吸收峰,根據(jù)吸收峰的差異分為a,b,c三類；每一類中根據(jù)其血紅素輔基吸收峰的差異(b566,b562;c,c1)或在蛋白質(zhì)分子中的分布位置(a,a3)分為不同類別。l 5. 細(xì)胞色素Cl 球形蛋白,13 000;唯一能溶于水的細(xì)胞色素;AA序列，三維結(jié)構(gòu)都已闡明。了解最透徹的細(xì)胞色素蛋白。l 作用:復(fù)合體III和IV間傳遞電子。l 6. 細(xì)胞色素氧化酶：細(xì)胞色素c氧化酶,復(fù)合體IV,跨膜蛋白,十個(gè)亞基組成；四

9、個(gè)氧化還原中心:血紅素a,a3(所處位置不同)和兩個(gè)銅離子CuA,CuB(結(jié)合蛋白不同)；組成兩個(gè)單位或簇。l 血紅素a-CuA位于亞基II。l 血紅素a3-CuB位于亞基I。l 電子傳遞途徑：cytCCuAcytacyta3 CuBO2l 標(biāo)準(zhǔn)自由能釋放：l Go =-112kJ/mol l 電子傳遞的總路線：l NADHFMNH2Fe-SCoQ bC1l caa3 O2 l 7、 電子傳遞鏈的抑制劑l 能阻斷呼吸鏈中某一部分電子傳遞的物質(zhì)稱為電子傳遞抑制劑。l 利用專一性的電子傳遞抑制劑選擇性地阻斷電子傳遞鏈中某個(gè)步驟，再測(cè)定各個(gè)組分的氧化-還原態(tài)情況，是研究的傳遞鏈順序的一種重要方法。l

10、 常用的抑制劑有以下幾種：l （1）魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素，它們的作用是阻斷電子由NADH向CoQ的傳遞。l 魚藤酮是一種極毒植物物質(zhì)，常作重要的殺蟲劑。l （2）抗霉素A，由鏈霉菌分離的抗生素，抑制電子傳遞b 到c1 的傳遞作用。l （3）氰化物、疊氮化合物、一氧化碳，阻斷電子由aa3傳向分子氧。 第四節(jié)  氧化磷酸化l 氧化磷酸化是需氧細(xì)胞生命活動(dòng)的主要能量來源，是生物產(chǎn)生ATP的主要途徑。氧化磷酸化指的是與生物氧化作用相伴隨而生的磷酸化作用，是將生物氧化過程中釋放的自由能用以ADP和無(wú)機(jī)磷酸生成高能ATP的作用。一、氧化磷酸化l 1、氧化磷酸化: 與生物氧化作用相伴而產(chǎn)生,

11、將生物氧化過程中釋放的自由能用于使ADP和無(wú)機(jī)磷酸生成高能ATP的作用,是需氧細(xì)胞生命活動(dòng)的主要能量來源。l 2、底物水平磷酸化:物質(zhì)代謝過程中,直接由一個(gè)代謝中間產(chǎn)物上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到ADP分子上,形成ATP的作用。l 3、光合磷酸化:在光合作用相伴而產(chǎn)生的,將電子傳遞過程中釋放的自由能用于使ADP和無(wú)機(jī)磷酸生成高能ATP的作用。l 4、氧化磷酸化的作用機(jī)制l 電子傳遞和氧化磷酸化存在偶聯(lián), l P/O比:指當(dāng)一對(duì)電子通過呼吸鏈傳至氧所產(chǎn)生的ATP的摩爾數(shù)。l 由NADH氧化脫電子，經(jīng)過電子傳遞到氧所得到P/O比是3。l 能量偶聯(lián)假說:化學(xué)偶聯(lián)假說，構(gòu)象偶聯(lián)假說;化學(xué)滲透假說。l （1）化學(xué)

12、偶聯(lián)假說l 1953年,Edward Slater最先提出,電子傳遞過程中產(chǎn)生了一種高能共價(jià)化合物,高能化合物將能量轉(zhuǎn)移給ADP合成ATP,但磷酸化作用中一直未找到任何一種活潑的高能中間化合物。l （2）構(gòu)象偶聯(lián)學(xué)說l 1964年,Paul Boyer 最先提出,電子傳遞鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)組分發(fā)生了構(gòu)象變化，形成一種高能形式，這種高能形式通過ATP的合成而恢復(fù)其原來的構(gòu)象。至今未能找到有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，但仍可能包含由不同形式的構(gòu)象偶聯(lián)現(xiàn)象 l （3）化學(xué)滲透假說l 1961年，英國(guó)生物化學(xué)家Peter Mitchell最先提出的,后與Moyle修改。電子傳遞釋放出的自由能和ATP合成是與一

13、種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度相偶聯(lián)的。電子傳遞的自由能驅(qū)動(dòng)H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙，形成跨線粒體內(nèi)膜的H+電化學(xué)梯度，驅(qū)動(dòng)ATP的合成。l 1978年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。l 化學(xué)滲透學(xué)說可以解釋許多關(guān)鍵的現(xiàn)象，得到許多實(shí)驗(yàn)證據(jù)：l 例如：l A、氧化磷酸化的進(jìn)行需要封閉的線粒體內(nèi)膜存在。l B、線粒體內(nèi)膜對(duì)H+,OH-,K+,Cl- 等離子都是不通透的。l C、破壞氫離子濃度梯度的形式（用解偶聯(lián)劑或離子載體抑制劑等）都必然破壞氧化磷酸化作用。l D、線粒體電子傳遞所形成的電子流能夠?qū)潆x子從線粒體內(nèi)膜逐出到線粒體膜間隙。l E、大量直接或間接的實(shí)驗(yàn)表明：膜表面不僅能滯留大量質(zhì)子而且在一定條

14、件下，質(zhì)子沿膜表面迅速轉(zhuǎn)移，其速度超過在水相中的速度。l Michell化學(xué)滲透學(xué)說曾獲得1978年諾貝爾學(xué)獎(jiǎng)。迄今雖然能量偶聯(lián)的具體分子機(jī)制尚未能完全闡明，但是跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度產(chǎn)生的質(zhì)子化學(xué)勢(shì)H+和質(zhì)子跨膜循環(huán)在能量偶聯(lián)中起關(guān)鍵作用已經(jīng)成為共識(shí)。四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制l 一般情況下，電子傳遞和磷酸化是緊密結(jié)合的，在有些情況下，電子傳遞和磷酸化可被解偶聯(lián)。l 根據(jù)不同的影響方式可分為三大類，一類稱為解偶聯(lián)劑，另一類稱氧化磷酸化抑制劑，第三類為離子載體抑制劑。l 1、解偶聯(lián)劑：使電子傳遞和ATP形成兩個(gè)過程分離。它只抑制ATP的形成過程，不抑制電子傳遞過程，使電子傳遞所產(chǎn)生的自由能變?yōu)闊?/p>

15、能。l 如 二硝基苯酚，作用機(jī)理如下： l 2、氧化磷酸化抑制劑：既抑制氧的利用又抑制ATP的形成，但不直接抑制電子傳遞鏈上的載體作用。其抑制作用是直接干擾ATP的生成過程。結(jié)果也使電子傳遞不能進(jìn)行。l 寡霉素就屬于這一類抑制劑。 l 3、離子載體抑制劑：這是一類脂溶性物質(zhì)，能與某些離子結(jié)合，并作為它們的載體使這些離子能夠穿過膜。l 它和解偶聯(lián)劑的區(qū)別在于它是作為H+離子以外的其它一價(jià)陽(yáng)離子的載體，通過增加線粒體內(nèi)膜對(duì)一價(jià)陽(yáng)離子的通透性而破壞氧化磷酸化過程。l 如纈氨霉素能夠結(jié)合K+ 離子，與之形成脂溶性復(fù)合物，從而很容易地使 K+通過膜。l 纈氨霉素為K+離子載體，有改變線粒體膜透性的作用，

16、導(dǎo)致K+穿過內(nèi)膜脂雙層進(jìn)入線粒體基質(zhì)，結(jié)果降低或消除了線粒體內(nèi)膜內(nèi)外的電荷差。 l 機(jī)體特殊組織正常的生理現(xiàn)象：l 褐色脂肪組織: 甘油三酯和大量線粒體的細(xì)胞組成，線粒體內(nèi)的細(xì)胞色素使褐色脂肪呈褐色。l 人類，新生無(wú)毛哺乳動(dòng)物及冬眠哺乳動(dòng)物在頸部和背部都含有褐色脂肪。l 褐色脂肪的產(chǎn)熱機(jī)制是線粒體氧化磷酸化解偶聯(lián)的結(jié)果。線粒體內(nèi)膜上有產(chǎn)熱素蛋白存在?？刂苾?nèi)膜對(duì)質(zhì)子的通透性， H+不能形成，自由能全部用于產(chǎn)熱。適應(yīng)寒冷生活動(dòng)物。在褐色脂肪線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)中含有15%產(chǎn)熱素，維持體溫有重要的生理意義 。五、氧化磷酸的調(diào)節(jié)l 電子傳遞和氧化磷酸化ATP的生成是相輔相成的，電子傳遞為ATP合成的前提,

17、ATP的合成促進(jìn)電子傳遞的順利進(jìn)行。l 完整的線粒體只有當(dāng)無(wú)機(jī)磷酸和ADP都充分時(shí)，電子傳遞速度才能達(dá)到最高水平。當(dāng)缺少ADP時(shí)，因缺乏磷酸受體則不能進(jìn)行磷酸化作用。ATP/ADP之比在細(xì)胞內(nèi)對(duì)電子傳遞速度起著重要的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)對(duì)還原型輔酶的積累和氧化也起調(diào)節(jié)作用，ADP作為關(guān)鍵物質(zhì)對(duì)氧化磷酸化的調(diào)節(jié)稱為呼吸控制。l 呼吸控制:ADP作為關(guān)鍵物質(zhì)對(duì)氧化磷酸化的調(diào)節(jié)。l 當(dāng)細(xì)胞利用ATP作功時(shí)，細(xì)胞內(nèi)ATP降低，ADP升高，熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)都有利于氧化磷酸化的進(jìn)行，電子傳遞也加速各種輔酶往復(fù)的氧化-還原反應(yīng)，底物不斷地被氧化，ATP合成也加速。反之， ATP在細(xì)胞積累時(shí)，ADP必然很低，這時(shí)電子

18、傳遞變緩或停止，還原型輔酶濃度增加以至不能再接受電子，于是整個(gè)呼吸鏈也受到抑制或停止。 l 因此，氧化磷酸化作用的進(jìn)行和細(xì)胞對(duì) ATP的需要是相適應(yīng)的，這種精確的適應(yīng)正是靠ADP作為關(guān)鍵物質(zhì)的呼吸控制來實(shí)現(xiàn)的。六、線粒體外的氧化磷酸化l 線粒體是糖，脂，蛋白質(zhì)等燃料分子的最終氧化場(chǎng)所，但這些分子的全部氧化過程不是都在線粒體內(nèi)膜上完成。因?yàn)榫€粒體膜的屏障作用，許多物質(zhì)不能自由進(jìn)入線粒體膜。在線粒體內(nèi)膜存在一些轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)的特異載體，分別轉(zhuǎn)運(yùn)不同的物質(zhì)。l 穿梭機(jī)制1、 甘油3磷酸穿梭途徑肌肉，神經(jīng)細(xì)胞中。2、  蘋果酸穿梭：l 心臟，肝臟。3、異檸檬酸穿梭復(fù)習(xí)題l 1、什么叫呼吸

19、鏈l 2、簡(jiǎn)述化學(xué)滲透學(xué)說l 3、什么叫氧化磷酸化作用？生物化學(xué)期末考試基本題型l 一、是非題：l 1、蛋白質(zhì)分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定其高級(jí)結(jié)構(gòu)，最早的實(shí)驗(yàn)證據(jù)是蛋白質(zhì)的可逆變性（ ）。l 2、符合米-曼氏方程式的酶促化學(xué)反應(yīng)，其最大反應(yīng)速度不受添加競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑的影響。（ ）l 3、所有的氨基酸與茚三酮反應(yīng)都生成紫色物質(zhì)。 （ ）l 4、DNA是遺傳物質(zhì)，而RNA在所有的生物中都不能作為遺傳物質(zhì)。 （ ）l 5、維生素D的作用主要是調(diào)節(jié)鈣磷的代謝。 （ ） l 二、選擇題l 1、Km值是指l A. 酶-底物復(fù)合物的解離常數(shù)l B.  酶促反應(yīng)達(dá)到最大速度時(shí)所需底物濃度的一半l C. 達(dá)到1/2Vmax時(shí)所需的底物濃度l D. 酶促反應(yīng)的底物常數(shù)l .酶與底物的親和常數(shù) l 2、某一蛋白質(zhì)分子中一個(gè)氨基酸發(fā)生了改變，這個(gè)蛋白l A. 二級(jí)結(jié)構(gòu)一定改變