生物化學(xué)第6章-生物氧化

第六章

生物氧化

BiologicalOxidation糖原三酯酰甘油

葡萄糖

脂酸+甘油

乙酰CoA

蛋白質(zhì)

氨基酸

呼吸鏈

H2O

ADP+Pi

ATP

生物氧化的一般過程TACCO22H

?糖、脂肪的主要功能及氧化過程CourseContent1.TheOxidativePhosphorylationSystemwithATPProducing

OxidationrespiratorychainoxidativephosphorylationNADHtransporter

α-glycerophosphateshuttle

malate-asparateshuttle2.TheOthersOxidationEnzymeSystems

withoutATPProducing糖

脂肪

蛋白質(zhì)

CO2和H2O

O2能量ADP+PiATP熱能生物氧化的概念：營養(yǎng)物在生物體內(nèi)進(jìn)行氧化稱生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時逐步釋放能量，最終生成CO2和H2O的過程。生物氧化的特點：37℃、近于中性水環(huán)境、酶催化、逐步釋放出能量、相當(dāng)一部分能量以高能磷酸酯鍵的形式儲存起來。第一節(jié)生成ATP的氧化磷酸化體系

TheOxidativePhosphorylationSystemwithATPProducing一、氧化呼吸鏈（Oxidationrespiratorychain）在線粒體內(nèi)膜上，由若干遞氫體或遞電子體按一定順序排列組成的，與細(xì)胞呼吸過程有關(guān)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)體系稱為呼吸鏈（respiratorychain）；又稱電子傳遞鏈（electrontransferchain）。ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+Pi

ATP4H+2H+4H+胞液側(cè)

基質(zhì)側(cè)++++++++++---------（一）呼吸鏈的組成:復(fù)合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ1．復(fù)合體Ⅰ（NADH-泛醌還原酶）：NADHFMN（Fe-S）

CoQNAD+和NADP+的結(jié)構(gòu)R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NADH還原酶---NAD+/NADH黃素蛋白---FMN、FAD/FADH2鐵硫蛋白的分子結(jié)構(gòu)鐵硫蛋白分子中含有由半胱氨酸殘基硫原子與鐵離子形成的鐵硫中心，一次可傳遞一個電子Fe4S4SSSSFeFeFeFeFe3+Fe2+-e+e泛醌的分子結(jié)構(gòu)NADH+H+

NAD+

FMN氧化型Fe-S

FMNH2還原型Fe-SQQH22．復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸-泛醌還原酶）：

琥珀酸脫氫酶

+2FAD（Fe-S）+2（Cytb560）細(xì)胞色素類(Cytochrome)：以鐵卟啉為輔基的蛋白質(zhì)--單電子傳遞體可存在于線粒體內(nèi)膜，也可存在于微粒體:

存在于線粒體內(nèi)膜的細(xì)胞色素有Cytaa3，

Cytb（b560，b562，b566），Cytc，Cytc1；而存在于微粒體的細(xì)胞色素有CytP450和Cytb5

琥珀酸CoQ細(xì)胞色素C(CytochromeC)3．復(fù)合體Ⅲ（泛醌-細(xì)胞色素c還原酶）：2Cytb+Cytc1+（Fe-S）CoQ

CytbFe-SCytC1

CytC4．復(fù)合體Ⅳ（細(xì)胞色素c氧化酶）：

Cytaa3Cyta+Cyta3（銅離子）

CytcCytaa3O2確定呼吸鏈排列順序的實驗

①標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位

②拆開和重組

③特異抑制劑阻斷

④還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧（二）氧化呼吸鏈成分的排列順序：組成電子傳遞體的酶復(fù)合物的排列順序琥珀酸-CoQ還原酶琥珀酸NADHNADH-CoQ還原酶CoQ-CytC還原酶CoQCytCO2

Cyt氧化酶1．NADH氧化呼吸鏈：2．琥珀酸氧化呼吸鏈：NADHFMN(Fe-S)CoQbC1CO2aa3琥珀酸FAD(Fe-S)CoQbC1CO2aa3NADH+H+NAD+FMN(Fe-S)FMNH2(Fe-S)CoQCoQH2aa3Cu2CytFe3+2CytFe2+1/2O2O2-2CytFe3+2CytFe2+bC1C2H+H2O

NADH氧化呼吸鏈：二、氧化磷酸化在線粒體中，底物分子脫下的氫原子經(jīng)遞氫體系傳遞給氧，在此過程中釋放能量使ADP磷酸化生成ATP，這種能量的生成方式就稱為氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)。直接將底物分子中的高能鍵轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP分子中的末端高能磷酸鍵的過程稱為底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)。

1,3-二磷酸甘油酸

底物水平磷酸化：3-磷酸甘油酸激酶3-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸激酶烯醇式丙酮酸琥珀酰CoA琥珀酰硫激酶琥珀酸ADPATPGDP+PiGTP（一）氧化磷酸化的偶聯(lián)部位每消耗一摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷的摩爾數(shù)稱為P/O比值。在氧化磷酸化過程中，氧的消耗與無機(jī)磷酸消耗之間的比例關(guān)系，反映底物脫氫氧化與ATP生成之間的比例關(guān)系。⊿Go'=-nF⊿Eo'

合成1molATP時，需要提供的能量至少為ΔG0'=-30.5kJ/mol，相當(dāng)于氧化還原電位差ΔE0'=0.2V。根據(jù)自由能變化和P/O比值確定

實驗證明，以NADH作為電子供體時，測得的P/O比值大于2；以琥珀酸作為電子供體時，側(cè)得的P/O比值大于1。

-羥丁酸經(jīng)過NADH途徑的P/O比值為2.4~2.6，產(chǎn)生的ATP數(shù)目為2.5；而琥珀酸經(jīng)過FADH2的P/O比值為1.7，產(chǎn)生的ATP數(shù)目為1.5。NADHFMN(Fe-S)CoQbC1CO2aa3琥珀酸FAD(Fe-S)ATP氧化磷酸化的偶聯(lián)部位ATPATP（二）氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制英國生物化學(xué)家PeterDMitchell在1961年提出化學(xué)滲透假說，并且PeterMitchell因提出該假說而獲得了1978年的諾貝爾化學(xué)獎?；瘜W(xué)滲透假說（chemiosmotichypothesis）:

NADH+H+NAD+胞液線粒體內(nèi)膜線粒體基質(zhì)FeSFeS2eFMNH2QH2QH2FeSC1Caa3CuCu1/2O2+2H+H2O2H+2H+2H+b566b5622e2H+2H+化學(xué)滲透假說4H+4H+ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+Pi

ATP

4H+2H+4H+胞液側(cè)

基質(zhì)側(cè)++++++++++---------基本要點：氧化呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上，當(dāng)氧化反應(yīng)進(jìn)行時，H+通過氫泵作用被泵到線粒體內(nèi)膜外側(cè)，從而形成跨膜pH梯度和跨膜電位差。這種形式的“勢能”，可以被存在于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶(ATPsynthase)利用，生成高能磷酸基團(tuán)，并與ADP結(jié)合而合成ATP。（三）ATP合酶(ATPsynthase)當(dāng)質(zhì)子從膜間腔返回基質(zhì)中時，這種“勢能”可被位于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶利用以合成ATP。

當(dāng)H+順濃度遞度經(jīng)F0中回流時，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1．呼吸鏈的抑制劑—阻斷劑：抑制呼吸鏈遞氫或遞電子過程的藥物或毒物稱為呼吸鏈抑制劑。抑制復(fù)合體Ⅰ的有異戊巴比妥、粉蝶霉素A、魚藤酮等；抑制復(fù)合體Ⅲ的有抗霉素A和二巰基丙醇；抑制復(fù)合體Ⅳ的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制還原型Cytaa3-Fe2+。

三、氧化磷酸化的影響因素（一）氧化磷酸化抑制劑：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×各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點2．解偶聯(lián)劑：不抑制呼吸鏈的遞氫或遞電子過程，但能使氧化產(chǎn)生的能量不能用于ADP磷酸化的藥物或毒物稱為解偶聯(lián)劑。主要的解偶聯(lián)劑有2,4-二硝基酚。

3．ATP合酶抑制劑：對電子傳遞和ATP生成均有抑制作用的藥物和毒物稱為氧化磷酸化的抑制劑，如寡霉素。

二硝基苯酚

抗霉素A二巰基丙醇CN-COH2S寡霉素魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥抑制劑作用部位蔞銹靈（二）ATP/ADP比值：

呼吸控制率

(respiratorycontrolratio,RCR)ATP/ADP比值是調(diào)節(jié)氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP↓→氧化磷酸化↑ATP/ADP↑→氧化磷酸化↓(NADH/NAD+?)

（三）甲狀腺激素

----促進(jìn)氧化磷酸化及ATP的生成（四）線粒體DNA突變

甲狀腺激素可間接影響氧化磷酸化的速度；

Na+,K+–ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)均增加。與線粒體DNA病變及衰老有關(guān)。四、ATP--高能磷酸鍵的儲存與釋放（一）高能磷酸鍵的類型：生物化學(xué)中常將水解時釋放的能量

>20kJ/mol的磷酸鍵稱為高能磷酸鍵。生物體內(nèi)的高能磷酸鍵主要類型：1．磷酸酐鍵：如NDP，NTP及PPi等（30.5kJ/mol）

2．混合酐鍵：由磷酸與羧酸脫水后形成的酐鍵，如1,3-二磷酸甘油酸等。3．烯醇磷酸鍵：磷酸烯醇式丙酮酸。4．磷酸胍鍵：磷酸肌酸。磷酸肌酸（C～P）是肌肉和腦組織中能量的貯存形式。但磷酸肌酸中的高能磷酸鍵不能被直接利用，而必須先將其高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ATP，才能供生理活動之需。這一反應(yīng)過程由肌酸磷酸激酶（CPK）催化完成。（二）ATP循環(huán)---生成和利用：ATP是生物界普遍使用的供能物質(zhì)。ATP分子中含有兩個高能磷酸酐鍵，均可以水解供能。ATP水解為ADP并供出能量之后，又可通過氧化磷酸化重新合成，從而形成ATP循環(huán)。ATPADP肌酸

磷酸肌酸

~P~P

氧化磷酸化底物水平磷酸化

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)（三）多磷酸核苷間的能量轉(zhuǎn)移：在生物體內(nèi)，除了可直接使用ATP供能外，還使用其他形式的高能磷酸鍵供能.如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白質(zhì)的合成等。核苷單磷酸激酶NDP+ADPNMP+ATP核苷二磷酸激酶NTP+ADPNDP+ATP胞液中的3-磷酸甘油醛或乳酸脫氫，均可產(chǎn)生NADH。這些NADH可經(jīng)穿梭系統(tǒng)而進(jìn)入線粒體氧化磷酸化，產(chǎn)生H2O和ATP。

五、線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)（一）胞液中NADH的氧化胞漿中NADH必須經(jīng)一定轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)入線粒體，再經(jīng)呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制主要有

α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)

蘋果酸-天冬氨酸穿梭

(malate-asparateshuttle)2.蘋果酸穿梭系統(tǒng)：肝臟、心肌胞液中NADH+H+的一對氫原子經(jīng)此穿梭系統(tǒng)可生成2.5分子ATP

1.磷酸甘油穿梭系統(tǒng)：腦、骨骼肌NADH通過此穿梭系統(tǒng)帶一對氫原子進(jìn)入線粒體，只產(chǎn)生1.5分子ATP磷酸二羥丙酮NADH+H+CH2OHC=OCH2O-PNAD+CH2OHCHOHCH2O-Pα-磷酸甘油CH2OHCHOHCH2O-Pα-磷酸甘油FADFADH2磷酸二羥丙酮C=OCH2O-PCH2OH線粒體膜H2O+1.5ATPO2呼吸鏈胞液線粒體

NADH+H+FADH2NAD+FAD

線粒體內(nèi)膜

線粒體外膜膜間隙

線粒體基質(zhì)α-磷酸甘油脫氫酶呼吸鏈磷酸二羥丙酮α-磷酸甘油腦、骨骼肌H2O+1.5ATPNADH+H+COCOOHCH2COOH草酰乙酸線粒體內(nèi)膜胞液線粒體NAD+HOCHCOOHCH2COOH蘋果酸HOCHCOOHCH2COOHNAD+COCOOHCH2COOHNADH+H+2.5ATPH2NCHCOOH(CH2)2COOHCOCOOH(CH2)2COOHH2NCHCOOHCH2COOHCOCOOH(CH2)2COOHα-酮戊二酸H2NCHCOOHCH2COOH天冬氨酸H2NCHCOOH(CH2)2COOH谷氨酸心肌、肝ATP4-

F0F1胞液側(cè)

基質(zhì)側(cè)

腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

ADP3-H2PO4-ATP4-

H+

H+

H+

H+

H2PO4-

H2PO4-

ADP3-

ADP3-

（二）腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(adeninenucleotidetransporter)參與ADP與ATP反向轉(zhuǎn)運(yùn)

ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶ATP-ADP載體第二節(jié)其他不生成ATP的氧化體系TheOthersOxidationEnzymeSystemswithoutATPProducing一、抗氧化酶體系--清除反應(yīng)活性氧類反應(yīng)活性氧類

(reactiveoxygenspecies,ROS)O2e-O2·-e-+2H+H2O2e-+H+OH·H2Oe-+H+H2O反應(yīng)活性氧類1、過氧化氫酶(catalase)

又稱觸酶，其輔基含4個血紅素2H2O22H2O+O2

過氧化氫酶2、谷胱甘肽過氧化物酶

(glutathioneperoxidase，GPx)

可去除細(xì)胞生長和代謝產(chǎn)生的H2O2和過氧化物(R-O-OH)，是體內(nèi)防止活性氧類損傷主要的酶，保護(hù)生物膜及血紅蛋白免遭損傷。3、超氧化物歧化酶2O2?﹣+2H+SODH2O2+O2H