生物化學第三講 生物氧化

生物氧化特點1、反應條件溫和（水溶液、pH中性、常溫、常壓）。2、氧化---還原伴隨發(fā)生；3、水是氧供體。直接參與反應；4、氧化脫下的質(zhì)子和電子，由載體傳遞到氧并生成水；5、氧化反應分階段進行；6、釋放的化學能被偶聯(lián)的磷酸化反應所利用，貯存于高能磷酸化合物（如ATP）中。7、真核細胞在線粒體內(nèi)進行，原核細胞在細胞膜上進行。1生物氧化的方式生物氧化在一系列氧化還原酶催化下分步進行的，主要包括以下幾種氧化方式：1、脫氫氧化反應（1）脫氫醇脫氫氧化成醛R-CH2OH→R-CH=O+2H++2e-（2）加水脫氫醛加水氧化成酸R-CHO+H2O→R-COOH+2H++2e-2生物氧化的方式2、氧直接參加的氧化反應CH4+NADH+O2→→→CH3OH+NAD++H2O（2）生成水的反應在各種脫氫反應中產(chǎn)生的質(zhì)子和電子，最后都是以這種形式進行氧化。2細胞色素C（Fe2+）+2H++1/2O2→2細胞色素C（Fe3+）+H2O（1）加氧反應甲烷單加氧酶3生物氧化的方式3、生成CO2的氧化反應CH3COCOOH→CH3CHO+CO2（2）氧化脫羧（1）直接脫羧HOOC-CHOH-CH2-COOH+NADP+→HOOC-CO-CH3+CO2+NADPH+H+4氧化-還原電勢生物所需要的能量就來源于體內(nèi)的氧化還原反應。氧化總是和還原偶聯(lián)在一起，這個過程是可逆的。在氧化還原反應中，自由能的變化與反應物供出或得到電子的趨勢成比例。這種趨勢用數(shù)字表示，稱為氧化還原電位。5氧化-還原電勢

生物氧化是通過加氧、脫氫或失電子而進行的，加氧反應較少見，氧原子通常是通過加水再脫氫引入代謝物的。代謝物中生成的羧基，可通過脫羧基作用生成二氧化碳。脫氫或失電子反應是生物氧化的主要方式，反應過程中伴隨著氧化-還原電勢的變化。ε=E正極-E負極6氧化-還原電勢帶“-”號，還原能力強；帶“+”號，氧化能力強7電子傳遞鏈中的氧化還原電勢8電子傳遞鏈真核細胞能量轉(zhuǎn)換的重要部位——線粒體原核細胞的電子傳遞鏈存在于質(zhì)膜上。9需氧細胞內(nèi)糖、脂肪、氨基酸等通過各自的分解途徑，所形成還原型輔酶（包括NADH和FADH2）上面的氫以質(zhì)子形式脫下，其電子沿一系列的電子傳遞體（電子傳遞鏈）轉(zhuǎn)移，最后轉(zhuǎn)移到分子氧上，質(zhì)子和離子型氧結(jié)合生成H2O。

電子傳遞鏈（呼吸鏈）電子傳遞中釋放出的大量自由能則使ADP磷酸化生成ATP。電子傳遞和形成ATP的偶聯(lián)機制稱為氧化磷酸化作用。是電子在沿著電子傳遞鏈過程中所伴隨的，將ADP磷酸化形成ATP的全過程，又稱為氧化呼吸或呼吸代謝。101112電子傳遞鏈（呼吸鏈）13電子傳遞鏈（呼吸鏈）的組成14電子傳遞鏈（呼吸鏈）的組成15電子傳遞鏈（呼吸鏈）的各個成員NADH-Q還原酶復合物Q+2H+→QH21617輔酶Q（泛醌）電子傳遞鏈（呼吸鏈）的各個成員Q+2H+→QH218Q+2H+→QH219琥珀酸-Q還原酶復合物電子傳遞鏈（呼吸鏈）的各個成員FADH2+Q→FAD+QH220

輔酶Q-細胞色素c還原酶電子傳遞鏈（呼吸鏈）的各個成員QH2+2Cytc→Q+2CytcH21細胞色素c電子傳遞鏈（呼吸鏈）的各個成員QH2+2Cytc→Q+2CytcH22Cyt氧化酶復合物電子傳遞鏈（呼吸鏈）的各個成員O2+2H+→H2O23電子傳遞鏈（呼吸鏈）24阻斷電子從Cytaa3向O2傳遞電子傳遞鏈的抑制劑1.魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素阻止電子從NADH向CoQ傳遞2.抗菌素A抑制電子從Cytb向Cytc1傳遞3.氰化物、硫化氫、疊氮化物、CO25電子傳遞鏈的抑制劑26氧化磷酸化利用生物氧化過程中釋放的自由能轉(zhuǎn)移使ADP形成ATP，稱為氧化磷酸化作用。27X~P+ADP→XH+ATP底物水平磷酸化氧化磷酸化通過生物氧化合成ATP的方式需氧細胞主要的能量來源，產(chǎn)生ATP的主要途徑。真核生物——線粒體內(nèi)膜原核生物——漿膜28電子傳遞過程中釋放的自由能驅(qū)動H+

從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進入到膜間隙，形成的H+電化學梯度驅(qū)動ATP合成。電子傳遞過程中的高能中間物裂解驅(qū)動氧化磷酸化。電子傳遞過程中，線粒體內(nèi)膜蛋白構(gòu)象變成高能形式，驅(qū)動ATP合成?；瘜W偶聯(lián)假說1953年EdwardSlater構(gòu)象偶聯(lián)假說

1964年PualBoyer化學滲透假說1961年PeterMitchell氧化磷酸化的機制——能量偶聯(lián)假說29化學滲透假說對三氟甲氧基苯腙羰基氰基化物二環(huán)己基羰二亞胺雙香豆素2-噻吩甲酰三氟丙酮殺粉蝶菌素汞制劑質(zhì)子梯度30化學滲透假說31質(zhì)子梯度的形式化學滲透假說基質(zhì)膜內(nèi)32化學滲透假說33化學滲透假說34ATP合成機制NADH或琥珀酸所攜帶的高能電子通過線粒體呼吸鏈傳遞到O2的過程中，釋放出大量的能量。這種釋能反應與ADP和磷酸合成ATP的需能反應相偶聯(lián)。ATP合酶F1單元：催化ATP合成質(zhì)子通道質(zhì)子通道3536抗生物素蛋白肌動蛋白細絲組氨酸殘留物37OutwardtrasportofATP(viatheATP/ADPtranslocase)isfavoredbythemembraneelectrochemicalpotential38酸性環(huán)境中攜帶H+，破壞跨膜梯度，抑制ATP的形成，不抑制電子傳遞過程。氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制特殊試劑的解偶聯(lián)作用解偶聯(lián)劑這類試劑使電子傳遞與ADP磷酸化兩個過程分離，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)生的自由能以熱的形式耗散。解偶聯(lián)劑使電子傳遞失去正?？刂疲斐蛇^分的氧和燃料底物消耗。例2，4－二硝基苯酚（DNP）三氟甲氧基苯腙羰基氰化物（FCCP）3940抑制氧的利用和ATP的生成，不抑制電子傳遞鏈。氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制氧化磷酸化抑制劑這類試劑既抑制氧的吸收利用，又抑制ATP的形成，卻不直接抑制電子傳遞鏈上載體的作用。這種抑制劑的作用方式是直接干擾ATP的生成過程，即干擾由電子傳遞的高能狀態(tài)形成ATP的過程，結(jié)果也使電子傳遞不能進行。例寡霉素41結(jié)合一價陽離子（K＋）透過線粒體內(nèi)膜。氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制離子載體抑制劑這類試劑是脂溶性物質(zhì)，它們能插入線粒體內(nèi)膜的脂質(zhì)雙分子層，又能與某些離子相結(jié)合，并作為離子的載體使這些離子穿過膜。

它們所結(jié)合的是質(zhì)子以外的其他一價陽離子。增大線粒體內(nèi)膜對一價陽離子的通透性，從而破壞膜兩側(cè)的電位梯度，最終破壞氧化磷酸化的過程。例纈氨霉素短桿菌肽結(jié)合K＋、Na+及其他一些陽離子穿過膜。42雙香豆素解偶聯(lián)劑對三氟甲氧基苯腙羰基氰化物43魚藤酮安密妥二環(huán)己基羰二亞胺電子傳遞鏈的抑制劑2-噻吩甲酰三氟丙酮度冷丁寡霉素A抗霉素A萎銹靈44細胞溶膠內(nèi)NADH的再氧化（線粒體穿梭系統(tǒng)）

生物氧化和氧化磷酸化主要在線粒體內(nèi)進行，NAD+或NADH都不能自由地透過線粒體內(nèi)膜，因此在胞液內(nèi)生成的NADH（例如糖酵解途徑產(chǎn)生的NADH）必須通過特殊的穿梭機制進行氧化。已知動物細胞內(nèi)有兩個穿梭系統(tǒng)：甘油-3-磷酸穿梭系統(tǒng)蘋果酸穿梭系統(tǒng)45主要存在于肌肉和神經(jīng)組織甘油-3-磷酸穿梭系統(tǒng)46甘油-3-磷酸穿梭系統(tǒng)47蘋果酸-天冬氨酸穿梭系統(tǒng)主要存在于肝、腎、心等組織48蘋果酸-天冬氨酸穿梭系統(tǒng)49氧化磷酸化的調(diào)控ATP的生成必須以電子傳遞為前提，呼吸鏈只有生成ATP才能推動電子的傳遞，只有當無機磷酸和ADP都充分時電子傳遞速度才能達到最高水平。

[ATP]/[ADP]之比在細胞內(nèi)對電子傳遞速度起著重要的調(diào)節(jié)作用，同時對還原型輔酶的積累和氧化也起調(diào)節(jié)作用。ADP作為關鍵物質(zhì)對氧化磷酸化作用的調(diào)節(jié)稱為呼吸控制。50氧化磷酸化的調(diào)控殺黑星菌素琥珀酸鹽51氧化磷酸化的調(diào)控52葡萄糖徹底氧化的總結(jié)算蘋果酸穿梭產(chǎn)生53不完全還原形式的氧反應性極強，對機體危害極大，甚至