南開生化課件chap

1、第五章生 物 氧 化（Biological Oxidation）1本章重點(diǎn)及難點(diǎn)重點(diǎn)：掌握什么是生物氧化，高能磷酸化合物的概念及ATP的作用；掌握呼吸鏈電子傳遞體的組成及排列方式，以及受抑制的部位；掌握氧化磷酸化的部位，氧化磷酸化的作用機(jī)理 ，了解其他末端氧化酶系統(tǒng)。難點(diǎn)：與能量代謝有關(guān)的一些概念；呼吸鏈的組成成分、排列順序；氧化磷酸化的機(jī)理 。2第一節(jié) 概述第二節(jié) 線粒體氧化體系第三節(jié) 非線粒體氧化體系3 第一節(jié) 概 述41、生物氧化的概念 生物氧化（Biological Oxidation） 物質(zhì)在生物體內(nèi)氧化分解的過程稱為生物氧化，主要是指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物在生物體內(nèi)分解時(shí)逐步釋放

2、能量，最終生成CO2和H2O的過程。 生物氧化的主要生理意義是為生物體提供能量。 52、 生物氧化的過程多糖 脂肪 蛋白質(zhì)葡萄糖 甘油脂肪酸 氨基酸HCO2TCA乙酰CoAO2H2O能量6乳酸脫氫酶73、生物氧化的特點(diǎn) 體內(nèi)氧化 體外氧化（1）物質(zhì)氧化方式：加氧、脫氫、失電子（2）物質(zhì)氧化時(shí)消耗的氧量、得到的產(chǎn)物和能量相同。相同點(diǎn):8不同點(diǎn): 體內(nèi)氧化 體外氧化 （1）反應(yīng)條件： 溫和 劇烈 （2）反應(yīng)過程： 分步反應(yīng) 一步反應(yīng) 能量逐步釋放 能量突然釋放 氧化的同時(shí)有還原 水是供氧體 碳和氫的氧化不同步 （3）產(chǎn)物生成： 間接生成 直接生成 （4）能量形式： 熱能、ATP 熱能、光能94、生

3、物氧化的方式1. 氧化反應(yīng)加氧、脫氫、失電子反應(yīng)2. 還原反應(yīng)脫氧、加氫、得電子反應(yīng) 生物氧化與一般有機(jī)化學(xué)上的氧化還原反應(yīng)完全相同。10脫氫反應(yīng)：（生物氧化以脫氫為主） 直接脫氫. 例如：丙酮酸COCH3COOH乳酸CHOHCH3COOHNADHH 乳酸脫氫酶 加水脫氫. 例如：NADNADHH蘋果酸脫氫酶延胡索酸CHCOOH CHCOOH蘋果酸CH2 COOH CH(OH)COOH延胡索酸酶H2O草酰乙酸 COCOOH CH2COOHNAD11 加氧反應(yīng)： 失電子（e）反應(yīng)例如：例如： 細(xì)胞色素中鐵的氧化 OH CH2CHNH2COOH CH2CHNH2COOH O2苯丙氨酸羥化酶苯丙氨酸

4、從底物分子上脫去電子。Fe2Fe3 eee125、 生物氧化中CO2的生成方式CO2的生成并不是有機(jī)物的碳原子與吸入的氧直接化合的結(jié)果；糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)的代謝過程中會(huì)產(chǎn)生許多不同的有機(jī)酸，有機(jī)酸中的羧基（COOH）的形成不是碳與分子氧的直接結(jié)合；COOH中的氧來自水分子中，通過加氫、加水、脫氫進(jìn)入有機(jī)物分子形成有機(jī)酸。有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生CO2 ；它是所有生物組織中產(chǎn)生CO2的最根本方式。13 在有機(jī)酸脫羧反應(yīng)中，根據(jù)脫去的羧基在有機(jī)酸中的位置不同，分為脫羧和脫羧兩種類型。每種類型又根據(jù)脫羧反應(yīng)的同時(shí)是否伴有氧化反應(yīng)，又分為單純脫羧和氧化脫羧。脫羧反應(yīng)脫羧 單純脫羧 氧化脫羧脫羧 單純脫羧

5、氧化脫羧141. 單純脫羧2. 氧化脫羧（一）脫羧反應(yīng) RCH2NH2 CO2氨基酸脫羧酶磷酸吡哆醛 RCH COO H NH3氨基酸CH3COSCoA CO2 CH3CO COO H H SCoA丙酮酸NADHHNAD丙酮酸脫氫酶系15166、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：12 O2NAD+電子傳遞鏈 H2O2eO-2H+17（1）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

6、接利用的能量形式；生物化學(xué)反應(yīng)與普通的化學(xué)反應(yīng)一樣,也服從熱力學(xué)的規(guī)律。7、生物能及其存在形式18ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸19ATP的作用 在生命活動(dòng)中，直接用來做功（ 化學(xué)功、滲透 功物質(zhì)跨膜的主動(dòng)運(yùn)輸、機(jī)械功）； ATP是生物系統(tǒng)能量交換中心和橋梁； 生物體內(nèi)能量的儲(chǔ)存和利用都以ATP為中心； ATP是能量的流通貨幣。20機(jī)械能-運(yùn)動(dòng)化學(xué)能-合成滲透能-分泌吸收電能-生物電熱能-體溫光能-生物發(fā)光熒火蟲2122 體內(nèi)有些合成反應(yīng)不直接利用ATP供能，而是由ATP將高能磷酸鍵轉(zhuǎn)給UDP、CDP和GDP，生成UTP、CTP、GTP，作為能量的直接來源參與合成反應(yīng)。 如UTP用于糖原的合成，C

7、TP用于磷脂合成，GTP用于蛋白質(zhì)合成等。23 核苷二磷酸激酶的作用ATP + UDP ADP + UTPATP + CDP ADP + CTPATP + GDP ADP + GTP腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP24高能鍵： 含有容易斷裂的“活潑鍵”，水解時(shí)可釋放大于21KJ/mol的能量，常用符號(hào)表示。（2）高能化合物 定義： 指含有高能鍵，在標(biāo)準(zhǔn)條件下（pH=7，25，1mol/L)發(fā)生水解時(shí)可釋放大量自由能的化合物。25類型：根據(jù)分子中是否含有磷酸可分為磷酸類高能化合物和非磷酸類高能化合物。 必須注意：并非所有的磷酸化合物都是高能化合物，也并非不含磷酸基團(tuán)的就不

8、是高能化合物。高能磷酸鍵水解時(shí)釋放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯鍵，常表示為 P。高能磷酸化合物含有高能磷酸鍵的化合物。261）磷氧鍵型：如ATP、磷酸烯醇式丙酮酸等；2）磷氮鍵型：如磷酸肌酸等；3）硫酯鍵型：如脂酰CoA等；4）甲硫鍵型：S-腺苷甲硫氨酸。B. 可根據(jù)分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和所含高能鍵的特 征進(jìn)行分類。27磷氧鍵型（OP)?；姿峄衔?,3-磷酸甘油酸乙酰磷酸10.1千卡/摩爾11.8千卡/摩爾28酰基磷酸化合物氨甲酰磷酸?；佘账岚滨；佘账?9焦磷酸化合物ATP焦磷酸7.3千卡/摩爾30烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩爾31磷氮鍵型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3

9、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(chǔ)存能量的作用。32硫酯鍵型3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸?；o酶A33甲硫鍵型S-腺苷甲硫氨酸34具有代表性的高能化合物與低能化合物 化合物 G0 (pH 7.0,25）（kJ/mol）高能化合物 磷酸烯醇式丙酮酸 61.9 氨基甲酰磷酸 51.4 1,3二磷酸甘油酸 49.4 磷酸肌酸 43.1 乙酰磷酸 43.1 琥珀酸單酰CoA 34.3 乙酰CoA 33.4 ATP（ADPPi） 30.5 ADP（AMPPi） 30.5低能化合物 AMP（腺苷Pi） 14.2 6磷酸果糖 13.8 6磷酸葡萄糖 13.8 3磷酸甘油 9.2 乙酸乙酯

10、 7.535第二節(jié) 線粒體氧化體系 根據(jù)是否產(chǎn)生能量，將生物氧化分為： 線粒體氧化體系和非線粒體氧化體系 線粒體氧化體系：真核發(fā)生在線粒體內(nèi)膜上，原核 發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。非線粒體氧化體系：都發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。 36 一、呼吸鏈 (Respiratory Chain) 1、呼吸鏈的概念 2、呼吸鏈的組成 3、呼吸鏈的排列順序371、呼吸鏈的定義： 一系列酶和輔酶按照一定的順序排列在線粒體內(nèi)膜上，可以將代謝物脫下的氫（He）逐步傳遞給氧生成水同時(shí)釋放能量，由于此過程與細(xì)胞攝取氧的呼吸過程有關(guān)，所以這一傳遞鏈稱為呼吸鏈。根據(jù)代謝物上脫下氫的受體不同分NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈。3839NADH

11、呼吸鏈和FADH2呼吸鏈 FADH2 FeS NADHFMNFeSCoQCytbFeSCytc1CytcCytaa3O2NADH呼吸鏈FADH2呼吸鏈40NADH呼吸鏈H2O12O2O2-MH2還原型代 謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+ 細(xì)胞色素b- c- c1 -aa3 Fe S2H+M氧化型代 謝底物FADH2呼吸鏈FADFADH2琥珀酸 Fe S2Fe2+2Fe3+ 細(xì)胞色素b- c1 - c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸412、呼吸鏈的組成四個(gè)蛋白復(fù)合體：復(fù)合體I IV兩個(gè)可靈活移動(dòng)的成分：泛醌（Q）和 細(xì)胞色

12、素C 42 （1）復(fù)合體（NADH一泛醌還原酶）：該復(fù)合體由NADH脫氫酶和鐵硫離子組成，將電子從NADH經(jīng)FMN及鐵硫蛋白傳給泛醌。（2）復(fù)合體（琥珀酸一泛醌還原酶）：該復(fù)合體由琥珀酸脫氫酶和鐵硫離子組成，將電子從琥珀酸經(jīng) FAD及鐵硫蛋白傳遞給泛醌。（3）復(fù)合體（泛醌一細(xì)胞色素C還原酶）：該復(fù)合體由細(xì)胞色素b和C1及特殊的鐵硫離子組成，將電子從泛醌經(jīng)Cyt b、Cyt c1傳給Cyt c。（4）復(fù)合體（細(xì)胞色素C氧化酶）：該復(fù)合體由細(xì)胞色素a和a3組成，將電子從Cyt c經(jīng)Cyt aa3傳遞給氧。 43電子傳遞鏈中各中間體的順序NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt

13、cCyt aa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等復(fù)合物 II復(fù)合物 IV復(fù)合物 I復(fù)合物 IIINADH脫氫酶輔酶Q-細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素C氧化酶琥珀酸-輔酶Q還原酶4445Complex I:NADH enters at NADH dehydrogenase(also NADH:ubiquinone oxidoreductase or NADH-Q oxidoreductase).464748(complex II) :succinate DehydrogenaseFADH2 of flavoproteins also transfer their electrons to ubiquino

14、ne (Q), with no H+ pumped.495051(Complex III) Cytochrome bc1 complex passes 2e- from 1 QH2 to 2 cytochrome ce- transferring & H+ pumping in Complex III via the Q cycle (for each 2 e- transferred, 4H+ are released at the P side and 2H+ taken from the N side)52IIIIIIIII535455The Q cycleThe Qcycle1st Q

15、H22nd QH2QpQpQNQNA switch between 2e-carrier (QH2) and 1e- carrier (Cyt c)56Complex IV :Cytochrome c oxidase, the terminalenzyme of the respiratory chain, contains 3 Cu and 2 heme A groups as electron carriers57CuA-CuACuBHeme aHeme a3CuACuACopper center A58 NADH：還原型輔酶I 它是由NAD+接受多種代謝產(chǎn)物脫氫得到的產(chǎn)物。NADH所攜帶

16、的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。59 鐵硫蛋白(簡寫為Fe-S)是一種與電子傳遞有關(guān)的蛋白質(zhì)，它與NADHQ還原酶的其它蛋白質(zhì)組分結(jié)合成復(fù)合物形式存在。它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有兩個(gè)活潑的無機(jī)硫和兩個(gè)鐵原子，故稱鐵硫中心。鐵硫蛋白通過Fe3+ Fe2+ 變化起傳遞電子的作用。鐵硫蛋白60NADH泛醌還原酶 簡寫為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(gè)多肽亞基。它的活性部分含有輔基FMN和鐵硫蛋白。 FMN的作用是接受脫氫酶

17、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。 NADHQ還原酶 NADH + Q + H+ = NAD+ + QH261 簡寫為Q或輔酶-Q（CoQ），它是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為一種脂溶性醌類化合物。泛醌62 簡寫為cyt. 是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環(huán)的中心，構(gòu)成血紅素。各種細(xì)胞色素的輔基結(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。 細(xì)胞色素主要是通過Fe3+ Fe2+ 的互變起傳遞電

18、子的作用的。細(xì)胞色素63 它是電子傳遞鏈中一個(gè)獨(dú)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(xì)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(xì)胞色素c（cyt.c）64 簡寫為cyt. c 氧化酶，即復(fù)合物IV，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復(fù)合物，由12個(gè)多肽亞基組成?；钚圆糠种饕╟yt. a和a3。細(xì)胞色素c氧化酶65cyt.a和a3組成一個(gè)復(fù)合體，除了含有鐵卟啉外，還含有3個(gè)銅原子。cyt.a a3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+ C

19、u2+ 的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2。66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(gè)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(gè)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-Q還原酶673、呼吸鏈的排列順序物質(zhì)的氧化還原電位越低，越容易失去電子，傳給氧化還原電位高的物質(zhì)呼吸鏈的排列順序：各成分按低氧還電

20、位高氧還電位電子傳遞方向：低氧化還原電位高氧化還原電位（釋放能量）68 接受還原性輔酶上的氫原字對(duì)(2H+2e)，使輔酶分子氧化，并將電子對(duì)順序傳遞，直至激活分子氧，使氧負(fù)離子(O2-)與質(zhì)子對(duì)(2H+)結(jié)合，生成水。電子對(duì)在傳遞過程中逐步氧化放能，所釋放的能量驅(qū)動(dòng)ADP和無機(jī)磷發(fā)生磷酸化反應(yīng)，生成ATP。4、呼吸鏈的作用69 二、氧化磷酸化 1、氧化磷酸化的概念 2、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位 3、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制701、氧化磷酸化的概念 呼吸鏈傳遞H給氧生成水的過程，與ADP磷酸化生成ATP的過程相偶聯(lián)發(fā)生稱為氧化磷酸化，又稱偶聯(lián)磷酸化。根據(jù)生物氧化方式，可將氧化磷酸化分為底物水平磷酸化及電

21、子傳遞體系磷酸化。 氧化磷酸化是體內(nèi)生成ATP的主要方式。 71底物水平磷酸化是在被氧化的底物上發(fā)生磷酸化作用。即底物被氧化的過程中，形成了某些高能磷酸化合物的中間產(chǎn)物，通過酶的作用可使ADP生成ATP。電子傳遞體系磷酸化是指當(dāng)電子從NADH或FADH2經(jīng)過電子傳遞體系(呼吸鏈)傳遞給氧形成水時(shí)，同時(shí)伴有ADP磷酸化為ATP的全過程。通常所說的氧化磷酸化是指電子傳遞體系磷酸化。72 ATP產(chǎn)生的部位都是有大的電位差變化的地方，例如，NADH呼吸鏈生成ATP的三個(gè)部位是：E0值在此三個(gè)部位有大的“跳動(dòng)”，都在0.2伏以上。 ATP產(chǎn)生的部位732、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理化學(xué)偶聯(lián)假說 1953年E.

22、C.Slater提出結(jié)構(gòu)偶聯(lián)假說 1964年P(guān).D.Boyer提出化學(xué)滲透假說 P.Mitchell 1961年提出 電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將質(zhì)子（H+）從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲(chǔ)存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ADP與Pi生成ATP。 74 75線粒體基質(zhì) 線粒體膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化學(xué)滲透假說簡單示意圖76化學(xué)滲透假說7778線粒體ATP酶由F0和F1組成F1：9個(gè)亞基組成，負(fù)責(zé)ATP的合成。 F0：由3個(gè)疏水亞基組成，是質(zhì)子返回的通道。79證據(jù):線粒體內(nèi)膜的完整性和質(zhì)子的不可通透性是

23、氧化和磷酸化偶聯(lián)的基礎(chǔ)。1.線粒體膜上的ATP合酶是受質(zhì)子動(dòng)力推動(dòng)的酶，可催化ATP水解放能，又可從質(zhì)子動(dòng)力獲能，合成ATP。ATP合成酶802.H +泵分布在膜上： NADH脫氫酶 細(xì)胞色素bc1復(fù)合體 細(xì)胞色素氧化酶在與這三個(gè)復(fù)合體有關(guān)的自由能變化足以將H +泵出,從而形成膜基質(zhì)與膜間隙的H + 梯度。81化學(xué)滲透假說示意圖2H+4H+2H+2H+NADH+H+4H+2H+2H+ ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜磷酸化 氧化 82ADP+PiProten FluxH2O H+ATP酶作用機(jī)理83

24、 3、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位 P/O比值每消耗1mol 氧原子，所消耗的無機(jī)磷摩爾數(shù)一對(duì)電子通過呼吸鏈P/O比值：一對(duì)電子通過呼吸鏈時(shí)生成ATP的個(gè)數(shù) 1個(gè)氧原子2e+O O2-ADP+Pi ATP無機(jī)磷個(gè)數(shù)生成ATP的個(gè)數(shù)84磷氧比（ P/O ）呼吸過程中無機(jī)磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過程中，每傳遞一對(duì)電子消耗一個(gè)氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的數(shù)值相當(dāng)于一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。NADHFADH2O212H2OH2O例 實(shí)測(cè)得NADH呼吸鏈： P/O 3ADP+Pi ATP實(shí)測(cè)得FADH2呼吸鏈

25、： P/O 2O2122e-2e-ADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATP85根據(jù)化學(xué)滲透學(xué)說，計(jì)算P/O比每對(duì)電子通過NADH-Q還原酶 4H+每對(duì)電子通過細(xì)胞色素bc1 4H+每對(duì)電子通過細(xì)胞色素氧化酶 2H+10/4=2.5ATP(NADH鏈）6/4=1.5ATPFADH2鏈）864、影響氧化磷酸化的因素 （1） 呼吸鏈電子傳遞抑制劑 能夠?qū)Ｒ蛔钄嗪粑溨心承┎课浑娮觽鬟f的物質(zhì)和化學(xué)藥品。它的特點(diǎn)是可抑制呼吸鏈的某一環(huán)節(jié)，使呼吸鏈中斷。因底物的氧化作用受阻，偶聯(lián)的磷酸化作用無法進(jìn)行，ATP的生成隨之減少。這類物質(zhì)和化學(xué)藥品大多對(duì)人類或哺乳動(dòng)物乃至需氧生物具有極強(qiáng)的毒性。（一）、生物氧化抑制劑87根據(jù)在呼吸鏈上的作用部位，可分為三類：能夠抑制第一位點(diǎn)的有阿米妥（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+。 88魚藤酮?dú)⒎鄣兀ǚ鄣顾谹）阿米妥（異戊巴比妥） 抗霉素A二巰基丙醇 CO、CN-、N3-及H2S各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn)89（2）解偶聯(lián)劑 不抑制呼吸鏈的遞氫或遞電子過程，而是抑制由