生物化學-第6章生物氧化

1、第 6 章生物氧化Biological Oxidation物質在生物體內進行氧化稱生物氧化(biological oxidation)，主要指糖、脂肪、蛋白質等在體內分解時逐步釋放能量，最終生成CO2 和 H2O的過程。糖 脂肪 蛋白質 CO2和H2O O2能量ADP+PiATP熱能生物氧化的概念 生物氧化與體外氧化之相同點物質的氧化方式: 加氧、脫氫、失電子氧化過程的相同點還有: 消耗的氧量 最終產物(CO2，H2O) 釋放能量。 * 生物氧化與體外氧化之不同點反應條件： 370 C，近中性溶液；反應方式： 酶促反應，逐步進行； O2先接受電子再與氫離子 結合生成水； 有機酸脫羧生成CO2。

2、能量的釋放：逐步釋放，化學能儲存。 體外氧化能量突然釋放。 物質中的碳和氫直接與氧結合生成CO2和H2O 。糖原 三酯酰甘油 蛋白質 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA TAC 2H 呼吸鏈 H2O ADP+Pi ATP CO2 生物氧化的一般過程第一節(jié) 生成ATP的氧化體系The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing營養(yǎng)物質代謝脫下的成對氫原子以還原當量的形式存在，通過多種酶和輔酶催化的氧化還原連鎖反應逐步傳遞，最終與氧結合生成水。由于該過程與細胞呼吸有關，這一系列酶和輔酶組成的傳遞鏈稱為氧化呼吸鏈(respiratory

3、 chain)又稱電子傳遞鏈(electron transfer chain)。一、氧化呼吸鏈定義遞氫體和電子傳遞體（2H 2H+ + 2e）氧化呼吸鏈成份的天然存在形式： 線粒體內膜的酶復合體復合體各組分具體完成電子傳遞過程跨內膜H+濃度梯度的能量，用于ATP的生物合成。 （一）氧化呼吸鏈的組成人線粒體呼吸鏈復合體復合體酶名稱質量(kD)多肽鏈數(shù)功能輔基含結合位點復合體NADH-泛醌還原酶85039FMN，F(xiàn)e-SNADH（基質側）CoQ（脂質核心）復合體琥珀酸-泛醌還原酶1404FAD，F(xiàn)e-S琥珀酸（基質側）CoQ（脂質核心）復合體泛醌-細胞色素C還原酶25011細胞色素b, c1的鐵卟

4、啉,Fe-SCyt c（膜間隙側）細胞色素c131鐵卟啉Cyt c1， Cyt a復合體細胞色素C氧化酶16213細胞素a，a3，的鐵卟啉CuA, CuBCyt c（膜間隙側） 泛醌和細胞色素C不包含在上述四種復合體中。 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液側 基質側 線粒體內膜 e-e-e-e-e-復合體又稱NADH-泛醌還原酶。復合體電子傳遞：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 每傳遞2個電子可將4個H+從內膜基質側泵到胞漿側，復合體有質子泵功能。1、復合體作用是將NADH+H+中的電子傳遞給泛醌(ubiquinone)N

5、AD+和NADP+的結構R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+ NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互轉變氧化還原反應時變化發(fā)生在五價氮和三價氮之間。FMN結構中含核黃素，發(fā)揮功能的部位是異咯嗪環(huán)，氧化還原反應時不穩(wěn)定中間產物是FMN。在可逆的氧化還原反應中顯示3種分子狀態(tài)，屬于單、雙電子傳遞體。 .鐵硫蛋白中輔基鐵硫中心(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其中一個鐵原子可進行Fe2+ Fe3+e 反應傳遞電子。屬于單電子傳遞體。 表示無機硫 鐵硫蛋白 SS無機硫半胱氨酸硫鐵硫蛋白泛醌（輔酶Q, CoQ, Q）由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側鏈（人CoQ10），氧化還

6、原反應時可生成中間產物半醌型泛醌。內膜中可移動電子載體，在各復合體間募集并穿梭傳遞還原當量和電子。在電子傳遞和質子移動的偶聯(lián)中起著核心作用。 復合體的功能 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2還原型Fe-S 氧化型Fe-S QQH22H+復合體是三羧酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶，又稱琥珀酸-泛醌還原酶。電子傳遞：琥珀酸FAD幾種Fe-S CoQ復合體沒有H+泵的功能。2、復合體功能是將電子從琥珀酸傳遞到泛醌。3、復合體功能是將電子從還原型泛醌傳遞給細胞色素c。復合體又叫泛醌-細胞色素C還原酶，細胞色素b-c1復合體，含有細胞色素b(b562, b566)、細胞色素c1和一種可移動的鐵硫蛋白泛

7、醌從復合體、募集還原當量和電子并穿梭傳遞到復合體。電子傳遞過程：CoQH+(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc細胞色素(cytochrome, Cyt) 細胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。復合體的電子傳遞通過“Q循環(huán)”實現(xiàn)。復合體每傳遞2個電子向內膜胞漿側釋放4個H+，復合體也有質子泵作用。Cyt c是呼吸鏈唯一水溶性球狀蛋白，不包含在復合體中。將獲得的電子傳遞到復合體。復合體又稱細胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase)。電子傳遞：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2Cyt a3CuB形成活性雙核

8、中心，將電子傳遞給O2。每2個電子傳遞過程使2個H+跨內膜向胞漿側轉移 。4、復合體將電子從細胞色素C傳遞給氧復合體的電子傳遞過程細胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2還原成水的過程，有強氧化性中間物始終和雙核中心緊密結合，不會引起細胞損傷。NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2NADH氧化呼吸鏈 琥珀酸氧化呼吸鏈（二）氧化呼吸鏈的排列順序標準氧化還原電位拆開和重組特異抑制劑阻斷還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧 由以下實驗確定:07本1次課二、氧化磷酸化氧化磷酸化 :在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱為偶聯(lián)磷

9、酸化。底物水平磷酸化 與脫氫反應偶聯(lián)，直接將高能代謝物分子中的能量移至ADP(GDP)，生成ATP(GTP)的過程。ATP生成方式（一）氧化磷酸化偶聯(lián)部位根據(jù)P/O比值自由能變化: G=-nFE 氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復合體、1、P/O 比值指氧化磷酸化過程中，每消耗1/2摩爾O2所生成ATP的摩爾數(shù)（或一對電子通過氧化呼吸鏈傳遞給氧所生成ATP分子數(shù)）。 NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2P/O=3丙酮酸P/O=2抗壞血酸P/O=12、自由能變化電子傳遞鏈自由能變化 ATPATP ATP氧化磷酸化偶聯(lián)部位NADHFMN(F

10、e-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2(二)氧化磷酸化偶聯(lián)機制化學滲透假說(chemiosmotic hypothesis)電子經呼吸鏈傳遞時，可將質子(H+)從線粒體內膜的基質側泵到內膜胞漿側，產生膜內外質子電化學梯度儲存能量。當質子順濃度梯度回流時驅動ADP與Pi生成ATP。線粒體基質 線粒體膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化學滲透假說簡單示意圖 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 4H+ 2H+

11、 4H+ 胞液側 基質側 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 電子傳遞過程復合體 (4H+) 、 (4 H+)和 (2H+)有質子泵功能。 （三）ATP合酶催化ATP合成 F1：親水部分 （33），線粒體內膜的基質側顆粒狀突起，催化ATP合成。 F0：疏水部分（ab2c912），鑲嵌在線粒體內膜中，形成跨內膜質子通道 。ATP合酶結構組成當H+順濃度梯度經F0中a亞基和c亞基之間回流時，亞基發(fā)生旋轉，3個亞基的構象發(fā)生改變。ATP合酶的工作機制ATP合成的結合變構機制(binding change mechanism) 三、氧化磷酸化作用的影響因素（一）

12、抑制劑1、呼吸鏈抑制劑 阻斷氧化磷酸化的電子傳遞過程魚藤酮、粉蝶霉素A及異戊巴比妥等阻斷復合體的電子傳遞萎銹靈阻斷復合體的電子傳遞抗霉素A是復合體抑制劑；CN、N3，阻斷復合體電子傳遞給O2。 NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2魚藤酮粉蝶霉素A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不同底物和抑制劑對線粒體氧耗的影響 2、解偶聯(lián)劑 如：二硝基苯酚(dinitrophenol, DNP) ；解偶聯(lián)蛋白(uncoupling protein，UCP1)。解偶聯(lián)蛋白作用機制（棕色脂肪組

13、織線粒體） F0 F1 Cyt cQ胞液側 基質側 解偶聯(lián) 蛋白熱能 H+ H+ ADP+Pi ATP 3、ATP合酶抑制劑同時抑制電子傳遞和ATP的生成這類抑制劑對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin) 二環(huán)己基碳二亞胺( DCCP) 與F0結合， 抑制ATP合酶活性，阻斷質子回流。質子電化學梯度增高影響呼吸鏈質子泵的功能，繼而抑制電子傳遞。 寡霉素(oligomycin) 寡霉素ATP合酶結構模式圖可阻止質子從F0質子通道回流，抑制ATP生成。Na+，K+ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達均增加。（二）ADP 是調節(jié)正常人體氧化磷酸化速率的主要因素。 （三）甲狀腺

14、激素刺激機體耗氧量和產熱同時增加。（四）線粒體DNA突變可影響機體氧化磷酸化功能。四、ATP和高能磷酸化合物高能磷酸鍵水解時釋放的能量大于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化合物E0kJ/mol(kcal/mol)磷酸烯醇式丙酮酸61.9(14.8)氨基甲酰磷酸51.4(12.3)1，3-二磷酸甘油酸49.3(11.8)磷酸肌酸43.1(10.3)ATP ADPPi30.5(7.3)乙酰輔酶A31.5(7.5)ADP AMPPi27.6(6.6)焦磷酸27.6(6.6)1-磷酸葡萄糖20.9(5.0)一些重要有機磷酸化合物水解釋放的標準自由能 核苷二磷

15、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 + AMP肌酸激酶的作用磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。 ATP的生成和利用ATP ADP 肌酸 磷酸肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 P P 機械能(肌肉收縮)滲透能(物質主動轉運) 化學能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)生物體內能量的儲存和利用都以ATP為中心。五、線粒體內膜對各種物質進行選擇性轉運線粒體外膜通透性高，線粒體對物質通過的選擇性主要依賴于內膜中不同轉運蛋白(transporter)對

16、各種物質的轉運。轉運蛋白進入線粒體出線粒體ATP-ADP轉位酶ADP3-ATP4-磷酸鹽轉運蛋白H2PO4- + H+二羧酸轉運蛋白HPO42-蘋果酸-酮戊二酸轉運蛋白蘋果酸-酮戊二酸天冬氨酸-谷氨酸轉運蛋白谷氨酸天冬氨酸單羧酸轉運蛋白丙酮酸OH-三羧酸轉運蛋白蘋果酸檸檬酸堿性氨基酸轉運蛋白鳥氨酸瓜氨酸肉堿轉運蛋白脂酰肉堿肉堿線粒體內膜的某些轉運蛋白對代謝物的轉運 胞漿中NADH通過穿梭機制進入線粒體氧化呼吸鏈胞漿中NADH必須經一定轉運機制進入線粒體，再經呼吸鏈進行氧化磷酸化。-磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)蘋果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-aspar

17、ate shuttle)轉運機制：2、蘋果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中 1、-磷酸甘油穿梭主要存在于腦和骨骼肌中 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 線粒體 內膜 線粒體 外膜膜間隙 線粒體 基質-磷酸甘油 脫氫酶 呼吸鏈 磷酸二羥丙酮 -磷酸甘油 NADH +H+ NAD+ NADH +H+ NAD+ 谷氨酸-天冬氨酸 轉運體蘋果酸-酮 戊二酸轉運體 蘋果酸 草酰乙酸 -酮戊二酸 谷氨酸 蘋果酸 脫氫酶 谷草轉 氨酶 胞液 線粒體內膜 基質 呼吸鏈 天冬氨酸 07本2次課第二節(jié) 其他的氧化體系The Others Oxidative Enzyme Systems witho

18、ut ATP Producing一、抗氧化酶體系有清除反應活性氧類的功能反應活性氧類(reactive oxygen species, ROS)O2e-O-2e-+2H+H2O2e-+H+OHH2Oe-+H+H2O反應活性氧類ROS主要來源線粒體過氧化酶體胞漿需氧脫氫酶外源因素 （細菌感染、組織缺氧等病理過程，環(huán)境、藥物等)抗氧化酶體系1、過氧化氫酶(catalase)又稱觸酶，其輔基含4個血紅素2H2O2 2H2O + O2 過氧化氫酶 谷胱甘肽過氧化物酶 H2O2(ROOH) H2O(ROH+H2O) 2G SH G S S G NADP+ NADPH+H+ 此類酶可保護生物膜及血紅蛋白免