生物化學(xué)與分子生物學(xué)課件8氧化

第六章生物氧化張曉偉

北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部生化與分子生物學(xué)系BiologicalOxidation糖

脂肪

蛋白質(zhì)

CO2

和H2OO2能量ADP+PiATP熱能有機(jī)物質(zhì)在生物體內(nèi)的氧化作用，稱為生物氧化。由于生物氧化通常需要消耗氧，產(chǎn)生二氧化碳，故又稱“細(xì)胞呼吸”。在整個生物氧化過程中，有機(jī)物質(zhì)最終被氧化成CO2和水，并釋放出能量。第一節(jié)概述生物氧化的特點(diǎn)生物氧化的方式生物氧化酶類能量代謝的特點(diǎn)Introduction一、生物氧化的特點(diǎn)1、細(xì)胞內(nèi)條件溫和(水溶液，pH7，恒溫)，酶促反應(yīng)生物氧化的部位：線粒體，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，微粒體等（1）α–單純脫羧（2）β–單純脫羧2、有機(jī)酸脫羧生成CO2

O‖CH3CH+CO2

O‖CH3CCOOH丙酮酸乙醛COOHC=OCH2COOHαβCOOHC=O+CO2

CH3草酰乙酸丙酮酸3、H2O的生成：H通過中間傳遞體間接與氧結(jié)合4、氧化與還原反應(yīng)伴隨發(fā)生，反應(yīng)分步進(jìn)行間接供氧更普遍：加水脫氫加水脫氫：水是許多生物氧化反應(yīng)的氧供體，直接參予氧化反應(yīng)生理意義：供能，清除有害物質(zhì)5、逐步釋放能量，并轉(zhuǎn)換為生物體直接供能物質(zhì)生物氧化體外氧化共性均有加氧、脫氫、失電子，遵循氧-還反應(yīng)的一般規(guī)律消耗的氧量、最終產(chǎn)物(CO2，H2O)和釋放能量均相同氧化條件細(xì)胞內(nèi)溫和條件燃燒，等氧化過程酶促反應(yīng)，逐步進(jìn)行非酶促，一步能量釋放逐級釋放，有利于機(jī)體捕獲能量，提高ATP生成的效率突然釋放氧化方式間接供氧更普遍直接加氧H2O生成H間接與氧結(jié)合生成H2OH直接與氧結(jié)合CO2有機(jī)酸脫羧C直接與氧結(jié)合生物氧化與體外氧化的異同小結(jié)1、細(xì)胞內(nèi)條件溫和(水溶液，pH7，恒溫)2、氧化與還原相伴進(jìn)行3、碳的氧化和氫的氧化非同步進(jìn)行。氧化脫下來的氫質(zhì)子和電子由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水；有機(jī)酸脫羧生成CO24、間接供氧更普遍：水通過加水脫氫作用直接參予了氧化反應(yīng)5、酶促反應(yīng)分步進(jìn)行。有利于溫和條件下釋放能量，提高能量利用率。6、逐步釋放能量，并通過與ATP合成相偶聯(lián)，轉(zhuǎn)換成生物體能夠直接利用的生物能。7、進(jìn)行生物氧化反應(yīng)的部位（1）線粒體（2）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、微粒體等8、生理意義：供給機(jī)體能量，轉(zhuǎn)化有害廢物。1.脫電子2.脫氫(最主要)3.加氧Fe2+

Fe3++eCOOHC=O+2H

CH3（2H++2e）

COOH

HO－CH

CH3Cu+O2

CuO12二、生物氧化的方式氧化磷酸化(oxidativephosphorylation):是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱為呼吸鏈水平的磷酸化。ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTPADP+ADPATP+ADP三、ATP是生物能利用的主要形式細(xì)胞內(nèi)的直接供能形式：NTP細(xì)胞內(nèi)主要的直接供能形式：ATPATPADPATP循環(huán)機(jī)械能(肌肉收縮)滲透能(物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運(yùn))化學(xué)能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)~P~P氧化磷酸化底物水平磷酸化1、ATP的特殊作用：能量代謝的中心ATP在一切生物生命活動中都起重要作用，細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)和線粒體中都存在有ATPATP是酶促磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的“共同中間體”ATP是生物體內(nèi)主要的直接供能物質(zhì)

ATP是能量的攜帶者和轉(zhuǎn)運(yùn)者，是生物體通用的能量貨幣。ATP不是能量的貯存者。在脊椎動物中起貯存能量作用的ATP原是磷酸肌酸小結(jié)2、ATP的生成方式：底物水平磷酸化、呼吸鏈水平磷酸化（氧化磷酸化）作用物/底物水平的磷酸化(substratelevelphosphorylation)：高能化合物在反應(yīng)的過程中，直接將能量轉(zhuǎn)給ADP，生成ATP。氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)：是指代謝物氧化脫氫經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧生成水的同時，偶聯(lián)有ADP磷酸化生成ATP的過程。又稱為呼吸鏈水平的磷酸化。它是體內(nèi)生成ATP的主要方式。第二節(jié)

氧化磷酸化（OxidativePhosphorylation）

線粒體呼吸鏈能量積累與轉(zhuǎn)換氧化偶聯(lián)ATP的合成胞液中NADH的氧化影響氧化磷酸化的因素線粒體是生物氧化的主要場所由遞氫體或遞電子體在線粒體內(nèi)膜上按一定順序排列組成的連鎖反應(yīng)體系稱為電子傳遞鏈(electrontransferchain)。它與細(xì)胞攝取氧的呼吸過程相關(guān)，故又稱呼吸鏈(respiratorychain)一、線粒體呼吸鏈線粒體呼吸鏈（一）呼吸鏈的主要成分1、NAD+為輔酶的脫氫酶【組分】酶蛋白、NAD+

【作用】遞氫體：輔酶接受代謝物脫下的2H，傳遞給黃素蛋白。R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+NADH：還原型輔酶NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。氧化還原反應(yīng)時變化發(fā)生在五價氮和三價氮之間2、鐵硫蛋白(iron-sulfurprotein,Fe-S)

鐵硫蛋白與黃素蛋白形成復(fù)合物存在?！窘M分】含等量的鐵原子和硫原子(Fe2S2，F(xiàn)e4S4)鐵原子與鐵硫蛋白的半胱氨酸相連【作用】遞電子體：單電子傳遞，將FMN或FAD的電子傳遞給泛醌。通過Fe3+

Fe2+

變化傳遞電子鐵硫蛋白鐵硫蛋白(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。3、泛醌(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。遞氫體：傳遞2H泛醌（輔酶Q,CoQ,Q）由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反應(yīng)時可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。4、細(xì)胞色素（cyt）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。呼吸鏈中主要有細(xì)胞色素a,b,c等，其輔基分別為血紅素A、B和C。Cyta,b,c可以通過它們的紫外-可見吸收光譜來鑒別。主要通過Fe3+

Fe2+互變傳遞電子。細(xì)胞色素c（cytc）一個獨(dú)立的蛋白質(zhì)電子載體，位于線粒體內(nèi)膜外，屬膜周蛋白，易溶于水。它與細(xì)胞色素c1含有相同的輔基，但蛋白組成有所不同。通過Fe3+

Fe2+互變傳遞電子。氧化型還原型細(xì)胞色素a和bCyta和a3組成一個復(fù)合體，除含有鐵卟啉外，還含有銅原子。aa3可直接以O(shè)2為電子受體aa3的銅離子可發(fā)生Cu+

Cu2+

的互變，將電子傳遞給O2。細(xì)胞色素aa3（cytaa3）5、黃素酶-黃素蛋白（Flavoprotein）【組分】酶蛋白、FMN、FAD(它們由核黃素VitB2、磷酸、AMP組成)?！咀饔谩窟M(jìn)行可逆的脫氫加氫反應(yīng)。【機(jī)制】異咯嗪的第1、10位N上可加氫【舉例】琥珀酸脫氫酶以FAD為輔酶，將代謝物脫下的H傳入呼吸鏈。（二）酶復(fù)合體(complex)復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置NADH泛醌還原酶(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脫下來的電子和質(zhì)子，形成還原型FMNH2。還原型FMNH2進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)移給Q。NADHQ還原酶NADH+Q+H+NAD++QH2

復(fù)合體ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2NADH泛醌還原酶復(fù)合體Ⅰ的功能②琥珀酸-Q還原酶(復(fù)合物Ⅱ,CoⅡ)存在于線粒體內(nèi)膜上,它比NADH-Q還原酶的結(jié)構(gòu)簡單，由4個不同的多肽亞基組成。其活性部分含有輔基FAD、Cytb560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。

復(fù)合體Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3

復(fù)合體ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1③QH2cytc還原酶(復(fù)合物III)它是一種跨膜蛋白復(fù)合物，其作用是催化還原型QH2的氧化和cytc的還原。QH2-cytc還原酶由9個多肽亞基組成?；钚圆糠种饕?xì)胞色素b（b562、b566）和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。QH2-cytc還原酶QH2+2cytc(Fe3+)Q+2cytc(Fe2+)+2H+

復(fù)合體Ⅳ還原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB

④cytc氧化酶(復(fù)合物Ⅳ,CoⅣ)位于線粒體呼吸鏈末端，由12個多肽亞基組成?；钚圆糠种饕╟yta和a3。NADHFP(FMN)UQCytbCytC1CytcCytaa3O2

(Fe-S)

FP(FAD-Fe-S)復(fù)合物Ⅰ復(fù)合物Ⅲ復(fù)合物Ⅳ復(fù)合物Ⅱ分別進(jìn)入兩條呼吸鏈的底物蘋果酸異檸檬酸

琥珀酸β-羥丁酸

谷氨酸

FAD（Fe-S）

NAD+FMNCoQbc1caa3O2

丙酮酸

FAD

α-酮戊二酸

脂酰CoA

α-磷酸甘油由遞氫體或遞電子體在線粒體內(nèi)膜上按一定順序排列組成的連鎖反應(yīng)體系稱為電子傳遞鏈(electrontransferchain)。它與細(xì)胞攝取氧的呼吸過程相關(guān)，故又稱呼吸鏈(respiratorychain)遞氫體同時也是遞電子體

1、呼吸鏈的組成成分（主要有5類）（1）NAD+為輔酶的脫氫酶：遞氫體（2）黃素酶（黃素蛋白，輔酶為FAD或FMN）：遞氫體（3）鐵硫蛋白（含有Fe-S）：遞電子體（4）泛醌（輔酶Q）：遞氫體（5）細(xì)胞色素體系：遞電子體呼吸鏈細(xì)胞色素體系：cytaa3、b、c1、c小結(jié)2、呼吸鏈分類：2條主要呼吸鏈（1）NADH氧化呼吸鏈SH2(底物)→NAD→FMN→CoQ→cytb→c1→c→aa3→O2NADH→復(fù)合體Ⅰ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2（2）FADH2氧化呼吸鏈SH2(底物)→FAD→CoQ→cytb→c1→c→aa3→O2琥珀酸→復(fù)合體Ⅱ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2（3）NADH和FADH2是氧化呼吸鏈的電子供體二.氧化磷酸化將氧化呼吸鏈釋能與ADP磷酸化偶聯(lián)生成ATP

1.氧化磷酸化偶聯(lián)部位在復(fù)合體Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ內(nèi)

ATPATPATP呼吸鏈偶聯(lián)部位電子傳遞鏈自由能變化

P/O比值每消耗1mol氧原子，所消耗的無機(jī)磷摩爾數(shù)一對電子通過呼吸鏈P/O比值：一對電子通過呼吸鏈時生成ATP的個數(shù)1個氧原子2e+OO2-ADP+PiATP無機(jī)磷個數(shù)生成ATP的個數(shù)P/O：物質(zhì)氧化時，每消耗1摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷的摩爾數(shù)，即生成ATP的摩爾數(shù)。NADH呼吸鏈P/O=2～3。FADH2呼吸鏈P/O=1～2.2、氫離子落差的形成：質(zhì)子泵的作用質(zhì)子泵1：復(fù)合物Ⅰ質(zhì)子泵2：復(fù)合物Ⅲ質(zhì)子泵3：復(fù)合物Ⅳ3、能量的轉(zhuǎn)換1、能量積累：氫離子濃度梯度P/O:物質(zhì)氧化時，每消耗1摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷的摩爾數(shù)，即生成ATP的摩爾數(shù)。NADH呼吸鏈P/O=2.5FADH2呼吸鏈P/O=1.5產(chǎn)能部位：NADH→CoQ,cytb→cytc,cytaa3→O22、能量指標(biāo)：ATP小結(jié)代謝物氧化脫氫經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧生成水的同時，伴有ADP磷酸化生成ATP的過程為氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)，因氧化反應(yīng)與ADP的磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)發(fā)生，又稱偶聯(lián)磷酸化。氧化磷酸化是體內(nèi)生成ATP的主要方式。解偶聯(lián)：有代謝物的氧化過程，不伴有ADP磷酸化的過程為氧化磷酸化的解偶聯(lián)。三、氧化磷酸化ATP的合成線粒體氧化磷酸化由親水部分F1(α3β3γδε亞基)和疏水部分F0(a1b2c9～12亞基)組成。1、ATP合酶復(fù)合體(復(fù)合物Ⅴ)

線粒體內(nèi)膜表面規(guī)則排列著的球狀顆粒，稱為ATP合酶復(fù)合體，是ATP合成的場所。ATP合酶，由F1和F0組成。F1含有5種不同的亞基（按3、3、1、1

和1

的比例結(jié)合）。F0為一個疏水蛋白，是與線粒體電子傳遞系統(tǒng)連接的部位。當(dāng)H+順濃度遞度經(jīng)F0中a亞基和c亞基之間回流時，γ亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個β亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。ATP合酶的工作機(jī)制化學(xué)滲透假說2、偶聯(lián)機(jī)制：（1）H+不能自由通透線粒體內(nèi)膜；（2）電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€質(zhì)子泵（復(fù)合物Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ），電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時釋放出來的能量，可驅(qū)動膜內(nèi)側(cè)的H+定向遷移到膜外側(cè)，產(chǎn)生氫離子濃度梯度。（3）線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)與外側(cè)之間的氫離子濃度梯度具有質(zhì)子梯度勢能(pH)和電位梯度電能（），統(tǒng)稱電化學(xué)勢能；（4）在膜內(nèi)外電化學(xué)勢能的驅(qū)動下，膜外高能質(zhì)子具有回流膜內(nèi)的趨勢，可沿著特殊通道（ATP酶的組成部分）回到膜內(nèi)側(cè)?；亓麽尫诺哪芰?，直接驅(qū)動了ADP和磷酸合成ATP。1、氧化磷酸化ATP的生成ATP合酶復(fù)合體是ATP合成的場所。氧化磷酸化后，NADH＝2.5ATP，F(xiàn)ADH2=1.5ATP2、化學(xué)滲透假說的要點(diǎn)：（1）H+不能自由通透線粒體內(nèi)膜；（2）線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈中的復(fù)合物Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ具有質(zhì)子泵的功能，可利用遞氫體與遞電子體之間電子傳遞的能量驅(qū)動H+由線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)定向遷移到膜外側(cè)，從而在線粒體內(nèi)膜兩側(cè)形成質(zhì)子梯度；（3）質(zhì)子梯度具有電化學(xué)勢能，存在質(zhì)子回流線粒體內(nèi)膜內(nèi)的趨勢；（4）質(zhì)子經(jīng)特定的質(zhì)子通道回流線粒體膜內(nèi)側(cè)時，可推動ATP合酶催化合成ATP。小結(jié)四、胞液中NADH的氧化胞液中生成的NADH不能自由通過線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)胞液NADH的機(jī)制主要有：蘋果酸-天冬氨酸穿梭和-磷酸甘油穿梭作用。-磷酸甘油穿梭（glycerol--phosphateshuttle）[部位]腦、骨骼肌[催化酶]磷酸甘油脫氫酶（FAD）[能量生成]經(jīng)呼吸鏈生成1.5個ATPα-磷酸甘油穿梭機(jī)制2、蘋果酸-天冬氨酸穿梭（malate-aspartateshuttle）肝、心肌1、-磷酸甘油穿梭部位：腦、骨骼肌磷酸甘油脫氫酶（FAD）能量生成：1.5個ATP2、蘋果酸-天冬氨酸穿梭部位：肝、心肌催化酶：蘋果酸脫氫酶（NAD+）、谷草轉(zhuǎn)氨酶能量生成：2.5個ATP。

小結(jié)1、ADP與ATP的調(diào)節(jié)作用ADP/ATP↓：抑制氧化磷酸化，ATP生成↓ADP/ATP↑：促進(jìn)氧化磷酸化，ATP生成↑五、影響氧化磷酸化的因素正常生理條件下，ADP是氧化磷酸化的主要調(diào)節(jié)者，ADP則氧化磷酸化。H2O+NAD+NADH+H++

O2

12ADP+PiATP氧化磷酸化Na+-K+ATP酶活性

ATP分解ADP/ATP

氧化磷酸化2、甲狀腺素的作用甲狀腺激素誘導(dǎo)Na+,K+-ATP酶的生成，使ATP分解,因ADP導(dǎo)致氧化。它還使解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)和氧化釋能，產(chǎn)熱。（1）呼吸鏈抑制劑：抑制電子傳遞3、氧化磷酸化抑制劑的作用魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥×抗霉素A二巰基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×破壞H+的跨膜電位：2，4-二硝基苯酚（磷酸化破壞）

ADP+PiATP

呼吸鏈正常_（2）解偶聯(lián)劑：能夠使氧化過程與磷酸化過程脫節(jié)的物質(zhì)稱解偶聯(lián)劑，它對電子傳遞沒有抑制作用，但能抑制ADP磷酸化生成ATP的過程。二硝基苯酚（dinitrophenol,DNP）:脂溶性物質(zhì)，自由通過內(nèi)膜，將H+帶入基質(zhì),破壞了H+梯度.解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)解偶聯(lián)蛋白熱能

H+

H+ADP+PiATP抑制磷酸化：寡霉素H+從質(zhì)子通道回流

呼吸鏈：跨膜電位質(zhì)子泵（3）氧化磷酸化ATP合酶抑制劑【作用】對電子傳遞和ADP的磷酸化均有抑制。[舉例]寡霉素:與ATP合酶的F0結(jié)合，破壞H+回流；影響呼吸鏈質(zhì)子泵的功能，抑制電子傳遞。寡霉素(oligomycin)

可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成寡霉素ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖1、ADP的調(diào)節(jié)ADP是氧化磷酸化的主要調(diào)節(jié)者2、氧化磷酸化抑制劑的作用（1）呼吸鏈抑制劑：抑制電子傳遞異戊巴比妥：抑制復(fù)合物I的Fe-S蛋白抗霉素A:抑制CytbCytc1(復(fù)合物Ⅲ)的電子傳遞CO、CN-：抑制cytaa3→O2

（2）解偶聯(lián)劑：使氧化磷酸化脫離2,4二硝基苯酚（DNP）：破壞H+梯度（3）ATP合酶抑制劑：抑制ADP的磷酸化和電子傳遞寡霉素：破壞H+回流小結(jié)第四節(jié)

其它氧化體系

一、需氧脫氫酶和氧化酶1、氧化酶：直接利用氧，產(chǎn)物為水，輔基含銅離子。[例]細(xì)胞色素氧化酶，抗壞血酸氧化酶等。2、需氧脫氫酶：以氧為受氫體，產(chǎn)物為H2O2,輔基為FMN、FAD。二、過氧化物酶體氧化體系過氧化物酶體是特殊的細(xì)胞器。[部位]肝、腎，中性粒細(xì)胞，小腸粘膜細(xì)胞[作用]含生成和分解H2O2的酶類。1、過氧化氫及超氧離子的作用和毒性[作用]中性粒細(xì)胞中的H2O2可殺死吞噬的細(xì)菌。