華東理工生物化學(xué)

華東理工生物化學(xué)第1頁/共59頁第六章生物氧化學(xué)習(xí)要求：1細胞是如何利用氧分子把代謝物分子中的氫氧化成水的？2細胞是如何在酶的催化下把代謝物分子中的碳變成二氧化碳？3當(dāng)有機物被氧化時，細胞是如何將氧化時產(chǎn)生的能量搜集和貯存起來的？第2頁/共59頁內(nèi)容提要6.1生物氧化的特點和方式6.2線粒體生物氧化體系6.3生物氧化過程中能量的轉(zhuǎn)變6.4非線粒體氧化體系第3頁/共59頁6.1生物氧化的特點和方式章首生物氧化中二氧化碳的生成方式生物氧化過程中水的生成方式生物氧化的特點第4頁/共59頁生物氧化的特點生物氧化的能量是逐步釋放的生物氧化過程產(chǎn)生的能量儲存在高能化合物中主要是ATP。ATP中的能量可以通過水解而被釋放出來，供給生物體的需能反應(yīng)。生物氧化具有嚴格的細胞內(nèi)定位

原核生物的生物氧化是在細胞膜上進行的，真核生物的生物氧化是在線粒體中進行的節(jié)首章首第5頁/共59頁二氧化碳的生成方式節(jié)首章首氧化脫羧基作用（oxidativedecarboxylation）α-氧化脫羧：丙酮酸的氧化脫羧β-氧化脫羧：蘋果酸的氧化脫羧直接脫羧基作用（oxidativedecarboxylation）α-直接脫羧：氨基酸的脫羧β-直接脫羧：草酰乙酸脫羧第6頁/共59頁直接脫羧作用（directdecarboxylation）α-直接脫羧：如氨基酸脫羧R－CHNH2－COOHR－CH2NH2＋CO2α－氨基酸胺β-直接脫羧：如草酰乙酸脫羧返回第7頁/共59頁氧化脫羧作用（oxidativedecarboxylation

）α-氧化脫羧：如丙酮酸的氧化脫羧：β-氧化脫羧：如蘋果酸的氧化脫羧：返回第8頁/共59頁生物氧化過程中水的生成在生物氧化中，水是代謝物上脫下的氫與生物體吸進的O2化合生成的。代謝物上的氫需要在脫氫酶的作用下才能脫下，吸入的O2要通過氧化酶的作用才能轉(zhuǎn)化為高活性的氧。在此過程中，還需要有一系列傳遞體才能把氫傳遞給氧，生成水.代謝物M2H

氧化型H2O

一個或多個傳遞體

M

還原型O2

生物氧化過程中水的生成節(jié)首章首第9頁/共59頁6.2線粒體生物氧化體系線粒體結(jié)構(gòu)和功能特點結(jié)構(gòu)功能線粒體呼吸鏈主要功能組成呼吸鏈中各組分的排列順序章首第10頁/共59頁線粒體的結(jié)構(gòu)

線粒體有雙層膜結(jié)構(gòu)，外膜光滑，內(nèi)膜折疊成嵴，伸向基質(zhì)。內(nèi)外膜之間為膜間腔。節(jié)首章首第11頁/共59頁線粒體的功能特點外膜對大多數(shù)小分子物質(zhì)和離子可通透，內(nèi)膜須依賴膜上的特殊載體選擇性地運載物質(zhì)進出?；|(zhì)中含有全部與有機酸氧化分解有關(guān)的酶。內(nèi)膜上存在著多種酶與輔酶組成的電子傳遞鏈，或稱呼吸鏈。內(nèi)膜上的ATP合成酶利用電子傳遞過程釋放的能量合成ATP，完成線粒體的供能作用。節(jié)首章首第12頁/共59頁線粒體呼吸鏈的主要功能線粒體的主要功能是將代謝物脫下的氫通過多種酶及輔酶所組成的傳遞體系的傳遞，最后與氧結(jié)合生成水。包括代謝物的脫氫、氫及電子的傳遞以及受氫體的激活。呼吸鏈（respiratatorychain）由供氫體、傳遞體、受氫體以及相應(yīng)的酶系統(tǒng)所組成的這種代謝途徑一般稱為生物氧化還原鏈。如果受氫體是氧，則稱為呼吸鏈。節(jié)首章首第13頁/共59頁線粒體呼吸鏈的組成NADH-Q還原酶（NADHdehydrogenase，complexI）琥珀酸-Q還原酶（succinate-Qreductase,complexⅡ)細胞色素還原酶（cytochromereductase,complexⅢ

細胞色素氧化酶（cytochromeoxidase，complex

Ⅳ）

節(jié)首章首第14頁/共59頁ComplexI結(jié)構(gòu)示意圖第15頁/共59頁ComplexⅡ結(jié)構(gòu)示意圖第16頁/共59頁ComplexⅢ結(jié)構(gòu)示意圖第17頁/共59頁ComplexⅣ結(jié)構(gòu)示意圖第18頁/共59頁各復(fù)合物之間的相互關(guān)系第19頁/共59頁線粒體呼吸鏈的組成煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD＋或CoI）黃素單核苷酸和黃素腺嘌呤二核苷酸（FMN和FAD）鐵硫蛋白（鐵硫中心）泛醌（CoQ）細胞色素（Cyta、Cytb、Cytc）節(jié)首章首第20頁/共59頁煙酰胺腺嘌呤二核苷酸利用分子中煙酰胺基團的可逆性還原而遞氫，還原形成的NADH即可參與組成呼吸鏈而進行電子傳遞。

NAD＋和NADH結(jié)構(gòu)示意圖返回第21頁/共59頁黃素酶輔基：黃素單核苷酸（FMN）

黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）返回第22頁/共59頁鐵硫蛋白（鐵硫中心）

分子中常含2或4個Fe（稱非血紅素鐵）和2或4個對酸不穩(wěn)定硫，其中一個Fe原子能可逆地還原而傳遞電子。在HADH脫氫酶和琥珀酸脫氫酶中均含有多個不同的鐵硫蛋白，它們可將電子由FMNH2（或FADH2）轉(zhuǎn)移到泛醌上。返回第23頁/共59頁泛醌

是一種脂溶性的醌類化合物，其分子中的苯醌結(jié)構(gòu)能進行可逆的加氫反應(yīng)，故也屬于遞氫體。返回第24頁/共59頁細胞色素細胞色素屬于電子傳遞體，其傳遞電子的方式如下：

2CytFe3++2e－2CytFe2+細胞色素

是屬于色蛋白類的結(jié)合蛋白質(zhì)，輔基是鐵卟啉的衍生物，因其有顏色又普遍存在于細胞內(nèi)，故稱為細胞色素。根據(jù)其結(jié)構(gòu)與吸收光譜的不同可將細胞色素分為a、b和c三類。細胞色素c的結(jié)構(gòu)示意圖返回第25頁/共59頁呼吸鏈中各組分的排列順序NADH氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈線粒體中某些重要底物氧化時的呼吸鏈章首節(jié)首第26頁/共59頁NADH氧化呼吸鏈

是細胞內(nèi)最主要的呼吸鏈，因為生物氧化過程中絕大多數(shù)脫氫酶都是以NAD+為輔酶，當(dāng)這些酶催化代謝物脫氫后，脫下來的氫使NAD+轉(zhuǎn)變?yōu)镹ADH，后者通過這條呼吸鏈將氫最終傳給氧而生成水。NADH呼吸鏈各成員的排列見圖返回第27頁/共59頁琥珀酸氧化呼吸鏈這個呼吸鏈由琥珀酸脫氫酶復(fù)合體、CoQ和細胞色素組成。其中琥珀酸脫氫酶復(fù)合體包括FAD、鐵硫中心和另一種細胞色素b（稱為b558）。琥珀酸氧化呼吸鏈的電子傳遞途徑如圖：返回第28頁/共59頁某些代謝物在線粒體中氧化的呼吸鏈線粒體中某些重要底物氧化時的呼吸鏈返回第29頁/共59頁6.3生物氧化過程中能量的轉(zhuǎn)變生物氧化不僅消耗氧，產(chǎn)生二氧化碳和水，更重要的是在這個過程中有能量的釋放，釋放出來的能量在細胞內(nèi)以ATP的形式貯存起來，以供細胞代謝活動的需要，這就是氧化磷酸化。本節(jié)要討論的就是生物氧化中能量的釋放、轉(zhuǎn)移和貯存利用的問題。放能與吸能偶聯(lián)高能化合物ATP的生成與調(diào)節(jié)章首第30頁/共59頁放能和吸能反應(yīng)偶聯(lián)的兩種形式：A.氫載體循環(huán)B.磷酸循環(huán)節(jié)首章首第31頁/共59頁生物體內(nèi)的高能化合物磷氧鍵型高能化合物：包括1，3－二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸、NTP、dNTP、NDP、dNDP、dN等。其中尤以ATP分布廣、濃度大，是所有生命形式的主要的能量載體。氮磷鍵型高能化合物：如磷酸肌酸、磷酸精氨酸。硫脂鍵型高能化合物：如脂酰－CoA。甲硫鍵型高能化合物：如S－腺苷蛋氨酸節(jié)首章首第32頁/共59頁ATP的生成與調(diào)節(jié)底物水平磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化的偶聯(lián)部位合成ATP的酶系偶聯(lián)機制影響氧化磷酸化的因素線粒體外NADH的氧化磷酸化異檸檬酸穿梭作用磷酸甘油穿梭作用蘋果酸穿梭作用高能化合物的儲存和轉(zhuǎn)移利用節(jié)首章首第33頁/共59頁底物水平磷酸化

底物水平磷酸化是指代謝物在氧化分解過程中，有少數(shù)反應(yīng)步驟由于脫氫或脫水而引起分子內(nèi)部能量重新分布，形成了某些高能磷酸鍵，它可轉(zhuǎn)移給ADP形成ATP的過程。返回第34頁/共59頁底物水平磷酸化第35頁/共59頁底物水平磷酸化第36頁/共59頁氧化磷酸化的偶聯(lián)部位

在呼吸鏈中，通過氧化磷酸化產(chǎn)生能量的有3個部位（見圖）。在這3個部位，自由能的降低均足以滿足由ADP和Pi合成ATP所需的能量（7.3kcalmol－1），從NADH來的一對電子傳遞到氧上，經(jīng)過這3個偶聯(lián)部位，生成3分子ATP。返回第37頁/共59頁偶聯(lián)機制化學(xué)滲透偶聯(lián)假說其要點如下：氧化和磷酸化之間是通過H＋的電化學(xué)梯度偶聯(lián)起來的。H＋離子電化學(xué)梯度中就蘊藏了能量，這種能量即驅(qū)使ADP與Pi形成ATP，這種ATP生成反應(yīng)是在內(nèi)膜內(nèi)表面的F0－F1ATP酶復(fù)合體內(nèi)進行的定向反應(yīng)。返回第38頁/共59頁合成ATP的酶系

鑲嵌在線粒體內(nèi)膜上合成ATP的酶系是一個復(fù)合物，稱為ATP合成酶或稱F0－F1ATP酶。它由兩個主要部分F0和F1再加柄連接而構(gòu)成。F1即偶聯(lián)因子，呈球形，通過一個柄（由蛋白質(zhì)組成）接到包埋在線粒體內(nèi)膜的柄底F0上，故又稱三聯(lián)體。返回第39頁/共59頁ATP合成酶第40頁/共59頁合成ATP的酶系第41頁/共59頁影響氧化磷酸化的因素激素的調(diào)節(jié)

甲狀腺激素能促進線粒體的氧化磷酸化，增加ATP的形成。抑制劑的作用

ATP/ADP比值的影響

氧化磷酸化主要受細胞對能量需求的調(diào)節(jié)。返回第42頁/共59頁抑制劑的作用通過抑制電子傳遞而抑制氧化磷酸化如阿的平、阿米妥、魚藤酮、抗霉素A、一氧化碳和氰化物等均因能抑制呼吸鏈而抑制氧化磷酸化（如圖）解偶聯(lián)劑F0F1ATP酶的抑制劑離子載體返回第43頁/共59頁異檸檬酸穿梭作用異檸檬酸脫氫酶：以NAD為輔酶（線粒體內(nèi)）以NADP為輔酶（線粒體外）返回第44頁/共59頁磷酸甘油穿梭作用α-磷酸甘油脫氫酶有兩種：線粒體外的磷酸甘油脫氫酶（以NAD+為輔酶）

線粒體內(nèi)的磷酸甘油脫氫酶（以FAD為輔基的一種不需氧黃酶）通過這種穿梭作用，線粒體外的NADH+H+只能產(chǎn)生兩個ATP，比線粒體內(nèi)的NADH+H+氧化少產(chǎn)生一個ATP磷酸甘油穿梭系統(tǒng)圖返回第45頁/共59頁磷酸甘油穿梭系統(tǒng)圖返回第46頁/共59頁第47頁/共59頁蘋果酸穿梭作用線粒體內(nèi)外都具有蘋果酸脫氫酶，而且輔酶（FAD）相同通過這種穿梭作用，線粒體外的NADH+H+能產(chǎn)生3個ATP。蘋果酸穿梭系統(tǒng)圖返回第48頁/共59頁蘋果酸穿梭系統(tǒng)圖返回第49頁/共59頁高能化合物的儲存和轉(zhuǎn)移利用

ATP是生物界普遍的供能物質(zhì)，體內(nèi)的分解代謝和合成代謝的偶聯(lián)都以ATP為偶聯(lián)劑。ATP分子含有兩個高能磷酸鍵，在體外標(biāo)準(zhǔn)條件下測定，每個高能磷酸鍵水解時釋放約7.3kcalmol－1的能量。在細胞內(nèi)如脊椎動物肌肉和神經(jīng)組織的磷酸肌酸和無脊椎動物的磷酸精氨酸才是真正的能量儲存物質(zhì)，又稱為磷酸原。當(dāng)機體消耗ATP過多致使ADP增多時，磷酸肌酸可將其高能鍵轉(zhuǎn)給ADP生成ATP，以供生理活動之用。催化這一反應(yīng)的酶是肌酸磷酸激酶（CPK）。肌酸＋ATP

磷酸肌酸＋

ADP第50頁/共59頁

當(dāng)機體代謝中需要ATP提供能量時，ATP可以多種形式實行能量的轉(zhuǎn)移和釋放：葡萄糖＋ATP6－磷酸－葡萄糖＋ADP5－磷酸核糖＋ATP5－磷酸核糖－1－焦磷酸＋AMP氨基酸＋ATP

氨酰-AMP＋Ppi蛋氨酸＋ATPS－腺苷蛋氨酸＋PPi+Pi返回第51頁/共59頁體內(nèi)能量的轉(zhuǎn)移、儲存和利用返回第52頁/共59頁6.4非線粒體氧化體系微粒體氧化體系加單氧酶加雙氧酶過氧化物酶體氧化體系過氧化氫及超氧離子的生成過氧化氫及超氧離子的毒性作用過氧化氫及超氧離子的消除章首第53頁/共59頁加單氧酶催化的反應(yīng)進行時，需要氧和還原型輔助因子。反應(yīng)通式如下：RH＋O2＋NADPH＋H＋ROH＋NADP＋＋H2O加單氧酶節(jié)首章首第54頁/共59頁加雙氧酶此類酶催化氧分子直接加到作用物分子上:節(jié)首章首第55頁/共59頁在生物氧化過程中，呼吸鏈末端每分子