第章 生物氧化

1、Chapter14 Biological Oxidation第十四章 生物氧化1. 生物氧化的涵義及其與物質(zhì)代謝的關(guān)系2. 生物氧化的一般原理3. 生物氧化體系的類型4. 重要的生物氧化酶類5.生物氧化與能量的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移主 要 內(nèi) 容糖 脂肪 蛋白質(zhì) CO2和H2O O2能量ADP+PiATP熱能第一節(jié) 生物氧化的涵義及其與物質(zhì)代謝的關(guān)系1. 生物氧化概念-有機(jī)物質(zhì)在活細(xì)胞內(nèi)氧化分解，產(chǎn)生CO2、H2O，釋放能量的作用稱生物氧化 （Biological Oxidation）。糖原 三酯酰甘油 蛋白質(zhì) 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA TCA 2H 呼吸鏈 H2O ADP+Pi ATP C

2、O2 * 生物氧化的一般過(guò)程琥珀酰CoA 延胡索酸草酰乙酸-酮戊二酸檸檬酸乙酰CoA丙酮酸PEP磷酸丙糖葡萄糖或糖原糖-磷酸甘油脂肪酸脂肪甘油三酯乙酰乙酰CoA丙氨酸半胱氨酸絲氨酸蘇氨酸色氨酸異亮氨酸亮氨酸色氨酸天冬氨酸天冬酰胺苯丙氨酸酪氨酸異亮氨酸 蛋氨酸絲氨酸 蘇氨酸 纈氨酸酮體亮氨酸 賴氨酸酪氨酸 色氨酸 苯丙氨酸 谷氨酸精氨酸 谷氨酰胺組氨酸 纈氨酸CO2CO2氨基酸、糖及脂肪代謝的聯(lián)系T A C3. 生物氧化與體外氧化的相同點(diǎn)化學(xué)本質(zhì)相同，都遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。物質(zhì)在體內(nèi)外氧化時(shí)所消耗的氧量、最終產(chǎn)物（CO2，H2O）和釋放能量均相同。生物氧化體外氧化溫度體溫高溫反應(yīng)劇烈程度

3、溫和，酶催化劇烈效率能量逐步釋放高能鍵儲(chǔ)存，4055%能量突然釋放不能儲(chǔ)存，0%H2O代謝物脫氫與氧結(jié)合物質(zhì)中的氫直接與氧結(jié)合CO2來(lái)源有機(jī)羧酸脫羧碳直接與氧結(jié)合* 生物氧化與體外氧化的不同點(diǎn)4. 生物氧化與物質(zhì)代謝的關(guān)系 -生物氧化是物質(zhì)代謝的基本反應(yīng)之一胞液線粒體第二節(jié) 氧化還原電位與自由能第二節(jié) 氧化還原電位與自由能第三節(jié) 生物氧化的一般原理生物氧化的方式：脫氫氧化反應(yīng)（主要）氧直接參加的氧化反應(yīng)生成二氧化碳的氧化反應(yīng)脫氫氧化-代謝物脫下的氫經(jīng)遞氫體傳遞，由氫脫下的電子經(jīng)電子遞體傳遞給氧，最終生成水，并釋放能量。一、不需傳遞體的生物氧化體系（一酶體系） 1. 氧化酶-含銅 2. 需氧脫氫

4、酶-黃酶的一種第四節(jié) 生物氧化體系的類型需氧脫氫酶 一切以FMN或FAD為輔基的酶或傳遞體都可稱為黃酶。作用是不經(jīng)細(xì)胞色素或其他傳遞體而將氫直接交給分子氧，生成過(guò)氧化氫。作用模式如下：無(wú)氧條件下，可以亞甲藍(lán)或醌為受氫體一、不需傳遞體的生物氧化體系（一酶體系） 氧化酶 需氧脫氫酶二、需傳遞體的生物氧化體系 二酶氧化還原體系：黃素酶+細(xì)胞色素氧化酶 多酶氧化還原體系：電子傳遞鏈（呼吸鏈）第四節(jié) 生物氧化體系的類型 代謝物脫下的成對(duì)氫原子（2H）通過(guò)多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈(respiratory chain)或電子傳遞鏈(electron

5、 transfer chain)。組成-遞氫體 和 電子傳遞體（2H 2H+ + 2e）位置-線粒體內(nèi)膜（真核生物） -胞漿（原核生物） （一）呼吸鏈1. NADH氧化呼吸鏈2. 琥珀酸氧化呼吸鏈 （二）呼吸鏈的類型NADH氧化呼吸鏈 FADH2氧化呼吸鏈H+H+線粒體內(nèi)重要代謝物的氧化途徑1. 脫氫NAD+和NADP+為輔酶的脫氫酶：遞氫體。二者的遞氫部位是煙酰胺部分，為VB5。（三）呼吸鏈有關(guān)酶和傳遞體及其作用機(jī)制R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+ NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu)NAD+（NADP+）的遞氫機(jī)制（氧化型）（還原型）2. NADH被黃素酶氧化FMN和FAD為輔基：遞

6、氫體 最重要的是NADH脫氫酶（ FMN為輔基） 和琥珀酸脫氫酶（ FAD為輔基）輔基的異咯嗪及核醇部分為VB2（核黃素） FMN結(jié)構(gòu)異咯嗪核醇 FAD結(jié)構(gòu)FMN和FAD遞氫機(jī)制 （氧化型）（還原型）雙電子傳遞體3. 還原型黃素酶釋放兩個(gè)電子， 經(jīng)Fe-S傳遞給CoQFe-S為鐵硫中心或鐵硫簇，含等量鐵原子和硫原子。鐵除與硫連接外，還與肽鏈中Cys殘基的巰基連接。 鐵原子進(jìn)行Fe2+ Fe3+e 反應(yīng)，為單電子傳遞體。 二鐵二硫四鐵四硫Fe-S中心有兩種形式4. CoQ接受Fe-S傳遞來(lái)的2個(gè)電子， 并吸收線粒體基質(zhì)中的2個(gè)H+ 成為還原型QH2Co Q又叫泛醌，側(cè)鏈含多個(gè)異戊二烯。脂溶性，游

7、動(dòng)性大，極易從線粒體內(nèi)膜中分離出來(lái)，因此不包含在四種復(fù)合體中。分子中的苯醌結(jié)構(gòu)能可逆結(jié)合2個(gè)H，為遞氫體。 5. QH2被細(xì)胞色素氧化細(xì)胞色素（Cytochrome, Cyt）以鐵卟啉為輔基呼吸鏈中主要有a、b、c三類（吸收光譜和吸收峰不同）。差別在于鐵卟啉的側(cè)鏈以及鐵卟啉與蛋白部分連接的方式不同。 Cyt b、c的鐵卟啉與血紅素相同； Cyt a的鐵卟啉為血紅素A。分子中的鐵通過(guò)氧化還原而傳遞電子，為單電子傳遞體。（四）呼吸鏈的4個(gè)氧化還原酶復(fù)合物呼吸鏈四種復(fù)合體:復(fù)合體兩種游離成分: CoQ、Cytc人線粒體呼吸鏈復(fù)合體 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 1/2O2

8、+2H+ H2O 胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè) 線粒體內(nèi)膜 e-e-e-e-e-呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置四種復(fù)合體在呼吸鏈中的排列關(guān)系NADH+H+ NAD+ FMN FMNH22Fe2+-S 2Fe3+-S QQH2 復(fù)合體NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 功能: 將電子從NADH傳遞給泛醌 (ubiquinone) ,復(fù)合體具有質(zhì)子泵功能，每傳遞2個(gè)電子可將4個(gè)H+從內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵胞漿側(cè)。 復(fù)合體琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 琥珀酸 延胡索酸 FAD FADH22Fe2+-S

9、2Fe3+-S QQH2 功能: 將電子從琥珀酸傳遞給泛醌，無(wú)質(zhì)子泵功能。 復(fù)合體QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1 功能：將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素c。有質(zhì)子泵功能 復(fù)合體還原型Cyt c O2CuAaa3CuB 功能：將電子從細(xì)胞色素c傳遞給氧。有質(zhì)子泵功能呼吸鏈的特點(diǎn)1 隨著各電子傳遞體的還原電位，對(duì)電 子親和力，電子逐步傳遞到氧，每一 次傳遞都釋放能量2 各電子傳遞體以復(fù)合體形式存在，按 序整合，連續(xù)，高速3 分布不對(duì)稱（Mit內(nèi)膜上） 貫穿：NADH脫氫酶 偏外：C1，a 便于方便地傳遞H+ 偏內(nèi)：a3 一、氧化酶類激活分子氧，只能以氧為受氫體 細(xì)胞色素氧化

10、酶 過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶（鐵卟啉） 酚氧化酶體系-多酚氧化酶、漆酶、酪氨酸酶（含銅） 抗壞血酸氧化酶（含銅）第五節(jié) 重要的生物氧化酶類1、細(xì)胞色素氧化酶體系以鐵卟啉為輔基，因?yàn)橛蓄伾?，所以稱細(xì)胞色素。種類很多，有存在于線粒體中的aa3、b、c、c1和存在于微粒體中的b5，P-450等，活性中心是卟啉環(huán)的鐵離子(Fe2+/Fe3+)，功能是傳遞電子。2、過(guò)氧化氫酶與過(guò)氧化物酶含鐵卟啉這兩種酶在生物組織中起消除H2O2的“解毒”作用。反應(yīng)模式如下：過(guò)氧化氫酶催化過(guò)氧化物酶催化 或3、酚氧化酶體系含Cu在呼吸過(guò)程中的作用如下： 包括三種： 多酚氧化酶、漆酶、酪氨酸氧化酶4、抗壞血酸氧化酶體系含Cu

11、在這一末端氧化酶體系參與的呼吸鏈中還需要谷胱甘肽(GSH)在NADP和抗壞血酸之間作遞氫體。 二、脫氫酶類 1. 需氧脫氫酶-激活代謝物中氫，只能以分子氧為受氫體，生成水。 全部以FMN或FAD為輔基 2. 不需氧脫氫酶-激活代謝物中氫，轉(zhuǎn)移給非分子氧受體或遞氫體 大部分以NAD或NADP為輔基 少數(shù)以FMN或FAD為輔基線粒體細(xì)胞的動(dòng)力站生物氧化主要在線粒體內(nèi)膜進(jìn)行，內(nèi)膜分布著許多酶和電子傳遞體，構(gòu)成呼吸鏈。內(nèi)膜上結(jié)合的顆粒具ATP合酶活性。第六節(jié) 生物氧化與能量的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移一、線粒體的結(jié)構(gòu)1、酰基磷酸化合物甘油酸-1,3-二磷酸乙酰磷酸10.1千卡/摩爾11.8 千卡/摩爾二、ATP為主要

12、高能化合物氨甲酰磷酸?；佘账岚滨；佘账崃姿嵯┐际奖?4.8千卡/摩爾2、烯醇式磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩爾3、焦磷酸化合物肌酸磷酸精氨酸磷酸10.3千卡/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。4、胍基磷酸化合物3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸?；o酶A5、高能硫酯鍵化合物1、磷氧鍵型（1）?；姿峄衔铮?）焦磷酸化合物（3）烯醇式磷酸化合物2、氮磷鍵型3、硫酯鍵型三、ATP的生物合成由代謝底物分子內(nèi)能量重新分布產(chǎn)生脫水作用引起（P510）由氧化磷酸化產(chǎn)生 （1）底物水平磷酸化-底物先生成磷酸化或硫酯化的衍生物，然后用以生成ATP。例如，糖酵

13、解中生成的1,3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮酸以及三羧酸循環(huán)中琥珀酰CoA合成酶催化的反應(yīng)。（2）呼吸鏈連接的磷酸化 3-磷酸甘油酸激酶 1,3-二磷酸甘油酸+ADP 3-磷酸甘油酸+ATP 丙酮酸激酶 磷酸烯醇式丙酮酸+ADP 烯醇式丙酮酸+ATP 琥珀酰硫激酶 琥珀酰CoA+H3PO4+GDP 琥珀酸+CoA+GTP 底物水平磷酸化僅見(jiàn)于下列三個(gè)反應(yīng)： P/O比值: 氧消耗與無(wú)機(jī)磷酸消耗之間成一定比例關(guān)系，可以反映底物脫氫氧化與ATP生成之間的比例關(guān)系。 把每消耗1摩爾氧原子所產(chǎn)生的ATP的摩爾數(shù)（即使無(wú)機(jī)磷與ADP變?yōu)锳TP的摩爾數(shù)）稱為P/O比值。（2）呼吸鏈連接的磷酸化復(fù)合體、和是

14、氧化磷酸化偶聯(lián)部位根據(jù)P/O比值推測(cè)氧化磷酸化偶聯(lián)部位P/O1， (0.5) 合成1個(gè)ATPP/O1.5, 2, 合成 2個(gè)ATP P/O2.5, 合成 3個(gè)ATP 線粒體離體實(shí)驗(yàn)測(cè)得的一些底物的P/O比值注：近年的實(shí)驗(yàn)確定，NADH呼吸鏈P/O比值大約為2.5； 琥珀酸呼吸鏈P/O比值約為1.5。根據(jù)電子傳遞時(shí)自由能變化確定可能的偶聯(lián)部位G=-nFE電子傳遞鏈自由能變化 區(qū)段電位變化(E)自由能變化G=-nFE能否生成ATP(G是否大于30.5kJ) Cytaa3O2 0.53V 102.3kJ/mol 能NAD+CoQ0.36V 69.5kJ/mol 能CoQCytc 0.21V 40.5

15、kJ/mol 能 自由能變化 ATP ADP +Pi ATP中 P ： G0 = 30.5KJ/molG0 = nF E0= 296.5 E0令上式= 30.5, 則E0 =0.158在琥珀酸氧化呼吸鏈中，只有兩處可生成ATP。 電子的傳遞方向和釋放的能量可能推動(dòng)形成ATP的部位-50.24kJ/moL-41.87kJ/moL-100.48kJ/moL1. 呼吸鏈抑制劑 阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞。2. 解偶聯(lián)劑使氧化與磷酸化偶聯(lián)過(guò)程脫離。如： 2,4二硝基苯酚（DNP)、解偶聯(lián)蛋白 3. 氧化磷酸化抑制劑 對(duì)電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素 抑制劑ADP甲狀腺素mtDNA四、

16、影響氧化磷酸化的因素（一）抑制劑魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥 抗霉素A二巰基丙醇 CO、CN-、N3-及H2S呼吸鏈氧化磷酸化的抑制如DNP的解耦連作用：脂溶性，其質(zhì)子化形式和共軛堿形式可穿過(guò)線粒體內(nèi)膜進(jìn)入基質(zhì)側(cè)釋出H+，返回胞液側(cè)結(jié)合H+破壞電化學(xué)梯度。碳氰-p-三氟甲氧基苯腙解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體） F0 F1 Cyt cQ胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè) 解偶聯(lián) 蛋白熱能 H+ H+ ADP+Pi ATP （二）ATP/ADP比值A(chǔ)TP/ADP值是調(diào)節(jié)氧化磷酸化速度的重要因素。 ADP氧化磷酸化速率 ADP氧化磷酸化速率。（三）甲狀腺激素： 1.甲狀腺激素可以激活細(xì)胞膜上的Na+,K+-AT

17、P酶，使ATP水解 ATP/ADP比值下降氧化磷酸化。 2.解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá) 耗氧與產(chǎn)熱，氧化磷酸化（四）線粒體DNA （ mtDNA)突變 mtDNA為裸露的環(huán)狀雙螺旋結(jié)構(gòu)易受氧自由基的損傷突變氧化磷酸化ATP。mtDNA編碼呼吸鏈13條多肽鏈的基因、22個(gè)tRNA的基因、2個(gè)rRNA基因。1.磷酸甘油穿梭存在于某些肌肉組織和神經(jīng)細(xì)胞2.蘋果酸穿梭存在于肝臟和心肌等組織五、線粒體外NADH（EMP）的氧化磷酸化線粒體外膜通透性高，線粒體對(duì)物質(zhì)通過(guò)的選擇性主要依賴于內(nèi)膜中不同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(transporter)對(duì)各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 線粒體 內(nèi)膜 線粒

18、體 外膜膜間隙 線粒體 基質(zhì)-磷酸甘油 脫氫酶 呼吸鏈 磷酸二羥丙酮 -磷酸甘油 1. -磷酸甘油穿梭機(jī)制 NADH +H+ NAD+ NADH +H+ NAD+ 谷氨酸-天冬氨酸 轉(zhuǎn)運(yùn)體蘋果酸-酮 戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)體 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 胞液 線粒體內(nèi)膜 基質(zhì) 呼吸鏈 天冬氨酸 2. 蘋果酸-天冬氨酸穿梭機(jī)制蘋果酸草酰乙酸 谷氨酸天冬氨酸a-酮戊二酸蘋果酸 谷氨酸草酰乙酸a-酮戊二酸天冬氨酸線粒體胞液內(nèi)膜NADH2NADH2NADNAD（示線粒體內(nèi)膜上的不同轉(zhuǎn)位酶）六、氧化磷酸化作用機(jī)制的解釋化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)：認(rèn)為電子傳遞和ATP生成的偶聯(lián)是通過(guò)一系列連

19、續(xù)的化學(xué)反應(yīng)，而形成一個(gè)高能的共價(jià)中間物，用于ATP的形成，又稱中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)。構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō)：認(rèn)為電子沿呼吸鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜蛋白組分發(fā)生了構(gòu)象變化而形成一種高能形式，進(jìn)一步使F0F1-ATP酶活化，用于ATP的生成。化學(xué)滲透假說(shuō)：chemiosmotic theory1961年由Mitchell提出。認(rèn)為電子傳遞的結(jié)果把H+從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)泵到膜外液體中形成一個(gè)跨內(nèi)膜的H+梯度，這種H+梯度滲透能（質(zhì)子推動(dòng)力）用于ATP的生成。 - 底物脫下的氫的一對(duì)電子通過(guò)NADH呼吸鏈傳遞給氧原子，期間分別有4、4、2共5對(duì)質(zhì)子從線粒體的基質(zhì)轉(zhuǎn)移到膜的間隙中。呼吸鏈發(fā)揮了質(zhì)子泵的作用。 - 結(jié)果在線粒體內(nèi)

20、膜的兩側(cè)形成了質(zhì)子的電化學(xué)梯度，積蓄了很大的自由能。- 當(dāng)質(zhì)子順電化學(xué)梯度通過(guò)基粒返回到基質(zhì)時(shí)，有自由能釋放。釋放能量在內(nèi)膜粒子的ATP合酶（FoF1ATPase）作用下，通過(guò)ADP 的磷酸化生成ATP分子。 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ 胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè) + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化學(xué)滲透假說(shuō)詳細(xì)示意圖質(zhì)子轉(zhuǎn)移的機(jī)制有兩種假設(shè)：（1） 氧化還原回路機(jī)制 該機(jī)制由Mitchell 提出。他認(rèn)為線粒體內(nèi)膜呼吸鏈的各個(gè)氧化還原中心即FM

21、N、CoQ、細(xì)胞色素以及鐵硫聚簇的排列可能既能執(zhí)行電子的轉(zhuǎn)移，又能轉(zhuǎn)移基質(zhì)的質(zhì)子。前一個(gè)被還原的氧化還原中心被后一個(gè)氧化還原中心再氧化， 同時(shí)相伴而產(chǎn)生的是質(zhì)子的轉(zhuǎn)移，包括質(zhì)子由基質(zhì)泵出和在線粒體內(nèi)膜外的質(zhì)子回流到基質(zhì)一邊。（2） 質(zhì)子泵機(jī)制 這個(gè)機(jī)制的內(nèi)容是，電子傳遞導(dǎo)致復(fù)合體的構(gòu)像變化。質(zhì)子轉(zhuǎn)移是氨基酸側(cè)鏈pK值變化產(chǎn)生影響的結(jié)果。構(gòu)像變化造成氨基酸側(cè)鏈pK值的改變，結(jié)果發(fā)揮質(zhì)子泵作用的側(cè)鏈暴露在外并交替地暴露在線粒體內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，從而是質(zhì)子發(fā)生移位。這種系統(tǒng)即認(rèn)為是質(zhì)子泵的機(jī)制氧化呼吸鏈質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)移的機(jī)制 ATP合酶的結(jié)構(gòu)及作用機(jī)制ATP合酶（ATP synthetase），分子量500KD。分為球形的F1（親水頭部）和嵌入膜中的Fo（疏水基部），它可以利用質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)合成ATP，也可以水解ATP，轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子。質(zhì)子通過(guò)ATP合酶Fo順濃度梯度回流使F1亞基旋轉(zhuǎn) ATP合酶 Fo中a亞基和c亞基結(jié)構(gòu)示意 通過(guò)C環(huán)的旋轉(zhuǎn)，質(zhì)子從內(nèi)膜胞漿側(cè)進(jìn)入胞漿半通道，通過(guò)基質(zhì)半通道釋放進(jìn)入線粒體基質(zhì)。 c環(huán)與 亞基緊密相連，當(dāng) c環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)帶動(dòng) 亞基旋轉(zhuǎn)。F1由5種多肽組成33