醫(yī)學生物化學(第八章)生物氧化

第八章

生物氧化

（biologicaloxidation)有機物在體內(nèi)徹底氧化產(chǎn)生H2OCO2以ATP形式保存

能量

維持體溫1第八章

生物氧化

本章主要內(nèi)容1.生物氧化的概念、參與生物氧化的酶類2.線粒體氧化系統(tǒng)：呼吸鏈的概念、組成；3.氧化磷酸化的概念、氧化磷酸化偶聯(lián)部位、氧化磷酸化偶聯(lián)機制、氧化磷酸化影響因素、氧化磷酸化的抑制劑、2本章主要內(nèi)容23.ATP中高能磷酸鍵的來源方式、ATP的儲存。4.線粒體外NADH的氧化：磷酸甘油穿梭系統(tǒng)、蘋果酸-天冬氨酸穿梭系統(tǒng)。5.微粒體及其他氧化體系：加單氧酶反應(yīng)體系的概念、組成、作用機理、生理意義；過氧化氫與自由基。33.ATP中高能磷酸鍵的來源方式、ATP的3生物氧化的概念一、生物氧化的概念1.定義2.生物氧化大致可分為三個階段（1）糖、脂、蛋白質(zhì)分解成其構(gòu)件分子（2）生成乙酰CoA（3）乙酰CoA進入三羧酸循環(huán)及氧化磷酸化4一、生物氧化的概念2.生物氧化大致可分為三個階段4糖脂肪蛋白質(zhì)

葡萄糖脂肪酸＋甘油氨基酸TCAcycleH＋＋e（進入呼吸鏈）生成H2O及釋放出能量乙酰CoACO25糖脂肪(1)失電子

Fe2+Fe3++e

(2)脫氫

CH2-COOHCHCOOH CH2-COOHCHCOOH

1.氧化反應(yīng)：FADFADH2二、生物氧化中物質(zhì)氧化還原的方式：3.生物氧化的特點6(1)失電子Fe2+(1)得電子

Fe3++e

Fe2+

(2)加氫

CH3COCOOHCHCHOHCOOH

NADH+H+NAD+2.還原反應(yīng)：7(1)得電子Fe3++e

Fe2+

Fe3+－e＋e還原劑氧化劑*還原當量HH++e*氧化還原反應(yīng)通常是偶聯(lián)的

還原劑：供氫體、供電子體

氧化劑：受氫體、受電子體*遞氫體、遞電子體8Fe2+Fe3+－e＋e三、標準氧化還原電位與自由能變化1.標準氧化還原電位（E0’）表示還原劑丟失電子的趨勢大小，氧化劑得電子的趨勢小大，可推測電子流動的方向

*

電子從E0’值小流向E0’值大的9三、標準氧化還原電位與自由能變化1.標準氧化還原電位（E0’2.自由能變化*自由能：指常溫下能夠做功的能量，它可轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能，機械能等。*ΔG0為標準自由能變化，(1atm,25℃,[S]與[P]=1mol/L)*ΔG0’為pH=7時標準自由能變化*ΔG0’=-nFΔE0’*ΔG為化學反應(yīng)中S轉(zhuǎn)變?yōu)镻時自由能的變化102.自由能變化*自由能：指常溫下能夠做功的能量，*ADP+PiATP內(nèi)膜嵴外膜基質(zhì)膜間隙F0F1內(nèi)膜基質(zhì)第一節(jié)生成ATP的氧化體系線粒體氧化體系線粒體11ADP+PiATP內(nèi)膜嵴外膜基質(zhì)膜間隙F0F1內(nèi)膜基質(zhì)第一節(jié)1)線粒體內(nèi)膜含有電子傳遞鏈膜運輸系統(tǒng)ATP合酶琥珀酸脫氫酶

2)線粒體基質(zhì)含有三羧酸循環(huán)的酶丙酮酸脫氫酶脂肪酸氧化酶等121)線粒體內(nèi)膜含有2)線粒體基質(zhì)含有12球狀頭部:含催化ATP合成的活性中心F1

柄:調(diào)節(jié)質(zhì)子流動及ATP合成的作用F0含質(zhì)子通道3)F1-F0復(fù)合體13球狀頭部:含催化ATP合成的F0δβαβαβαγεF1質(zhì)子閘門線粒體內(nèi)膜ATP合酶OSCPF014δβαβαβαγεF1質(zhì)子閘門線粒體內(nèi)膜ATP合酶OSCPF

一、呼吸鏈

1概念線粒體內(nèi)膜上的遞氫體或電子傳遞體按一定的次序排列而構(gòu)成的反應(yīng)鏈稱電子傳遞鏈，因與細胞攝取氧的呼吸過程有關(guān)，又稱為呼吸鏈。代謝物脫下的氫經(jīng)電子傳遞鏈進行一系列氧化還原連鎖反應(yīng)，最終氧化為水15一、呼吸鏈1概念15*4種復(fù)合物組成2種主要呼吸鏈16*4種復(fù)合物組成2種主要呼吸鏈162.呼吸鏈中的電子傳遞體復(fù)合物ⅠNADH-Q還原酶復(fù)合物Ⅱ琥珀酸-Q還原酶復(fù)合物ⅢQ-CytC還原酶復(fù)合物ⅣCytC酶3.

呼吸鏈的類型：NADH氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈172.呼吸鏈中的電子傳遞體復(fù)合物（NADH-Q還原酶）NADHFMN還原型Fe-SQNAD+FMNH2氧化型Fe-SQH2(一)呼吸鏈的組成

（1）復(fù)合物Ⅰ，為NADH-Q還原酶，是黃素蛋白復(fù)合物(含F(xiàn)e-S蛋白)18（NADH-Q還原酶）NADHFMN1.黃素蛋白類（flavoproteins）NADH脫氫酶(FMN)

琥珀酸脫氫酶(FAD)黃素酶*輔酶FMN或FAD為雙電子傳遞體191.黃素蛋白類（flavoproteins）*鐵硫蛋白為單電子傳遞體(

Fe2+Fe3+)-e+e2.鐵硫蛋白(Fe-S)（iron-sulfurprotein）（含有非血紅素鐵和對酸不穩(wěn)定的硫）20*鐵硫蛋白為單電子傳遞體(Fe2+3.泛醌（ubiquinone,Q）又稱輔酶Q（CoenzymeQ,CoQ）213.泛醌（ubiquinone,Q）21）是雙電子傳遞體2）不與蛋白結(jié)合的游離存在的電子載體3）是復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之間的連接者，

是多種底物的電子進入呼吸鏈的中心點**泛醌的特點221）是雙電子傳遞體**泛醌的特點22

AAH2

FADFADH2氧化型（Fe-S）

還原型（Fe-S）QQH2

（2）復(fù)合物Ⅱ琥珀酸-泛醌還原酶23AAH2FADFADH2氧化型（F

⑶復(fù)合物Ⅲ泛醌-細胞色素C還原酶*含細胞色素b、c、c1，鐵硫蛋白

以及至少6種蛋白質(zhì)亞基24⑶復(fù)合物Ⅲ24**細胞色素（cytochromos,cyt）1）是一類含鐵卟啉輔基的色素蛋白2）是單電子傳遞體(

Fe2+Fe3+)3）Cytb、c1、c、a屬不需氧脫氫酶。Cyta3屬氧化酶4）各種細胞色素不同點在于⑴鐵卟啉輔基側(cè)鏈不同⑵鐵卟啉輔基與酶蛋白連接方式不同25**細胞色素（cytochromos,cyt）1）是一類56784321265678432126⑷復(fù)合物Ⅳ細胞色素C氧化酶由Cyta、a3(Cyta與Cyta3緊密結(jié)合于同一蛋白質(zhì)的不同區(qū)域，不易分離)及與兩種不同的蛋白質(zhì)結(jié)合的銅離子CuA、CuB組成

27⑷復(fù)合物Ⅳ27(二)呼吸鏈組分的排列順序28(二)呼吸鏈組分的排列順序28**此排列順序的依據(jù)1.根據(jù)各組分的標準氧化還原電位值：NADH

O2ΔE0’受電子能力供電子能力29

2.根據(jù)電子傳遞體氧化還原態(tài)時的吸收光譜變化

NAD260nm340nm黃素蛋白370nm和450nm370nm細胞色素特異吸收峰消失有特異吸收峰氧化態(tài)吸收光譜還原態(tài)吸收光譜302.根據(jù)電子傳遞體氧化還原態(tài)時的氧化態(tài)3.利用阻斷劑阻斷電子傳遞分析各組分的氧化還原狀態(tài)4.復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ按不同組合進行電子傳遞再造實驗313.利用阻斷劑阻斷電子傳遞分析各組分4.復(fù)合物Ⅰ、3232

**幾種重要代謝物氧化的呼吸鏈

1.由NAD傳遞經(jīng)NADH氧化呼吸鏈蘋果酸異檸檬酸丙酮酸α-酮戊二酸β-羥丁酸β-羥脂酰CoA33**幾種重要代謝物氧化的呼吸鏈2.由FAD傳遞經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈

琥珀酸脂酰CoA線粒體內(nèi)的α-P-甘油342.由FAD傳遞經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈琥珀酸34

二、氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）**氧化磷酸化部位：線粒體內(nèi)膜產(chǎn)生能量ADPATP吸能反應(yīng)利用熱能維持體溫35二、氧化磷酸化**氧化磷酸化部位：線粒體內(nèi)膜產(chǎn)生能**概念36**概念36（一）氧化磷酸化的偶聯(lián)部位(1)NADH與Q之間(2)Q與Cytc之間(3)Cytaa3與O2之間37（一）氧化磷酸化的偶聯(lián)部位37氧化磷酸化部位的實驗依據(jù)1.比較不同底物氧化后產(chǎn)生的ATP數(shù)*P/O比值：每消耗1摩爾的氧原子所消耗無機磷摩爾數(shù)?；蛎肯?摩爾的氧原子所生成的ATP摩爾數(shù)。38氧化磷酸化部位的實驗依據(jù)3839392.自由能變化ΔG0’=-nFΔE0’

當電子從NADH（E0’=-0.32v）轉(zhuǎn)移到O2(E0’=+0.82v)時ΔG0’=-2

96.6

[0.82-(-0.32)]=-220kJ/mol∴NADHQ

ΔG0’=-69.4kJ/molCytbCytc

ΔG0’=-34.7kJ/molCytaa3O2

ΔG0’=-102.3kJ/mol402.自由能變化40又∵每分子ATP磷酸化生成ATPΔG0’=30.5kJ/mol

∴上述三個部分釋放的能量足以形成ATP形成3分子ATP。耗能為30.5×3=91.5kJ/mol，=41%

91.5kJ/mol220kJ/mol

**能量利用率達41%41又∵每分子ATP磷酸化生成ATP=4（二）氧化磷酸化偶聯(lián)機制（1）化學滲透學說60年代由英國科學家Mitchell提出要點：1）電子經(jīng)呼吸鏈時釋放的能量將質(zhì)子從線粒體基質(zhì)泵到內(nèi)膜外側(cè)

2）形成膜化學梯度

（H+濃度的梯度）跨膜電位差

（pH的梯度）能量儲存42（二）氧化磷酸化偶聯(lián)機制2）形成膜化學3）當H+順電化學梯度回流時釋放能量在ATP合酶的作用下使ADP磷酸化為ATP4）ATP合酶（F1-F0復(fù)合體）α3β3ATP結(jié)合部位γ控制質(zhì)子通過的閥門作用δ與膜相組成ε酶的調(diào)節(jié)部分F1433）當H+順電化學梯度回流時釋放能量在4）ATP合酶F0構(gòu)成質(zhì)子通道的一部分

寡霉素敏感相關(guān)蛋白（oligomycinsensitivityconferringprotein,OSCP)在F0與

F1之間，可使ATP合酶對抑制劑寡霉素敏感44F0構(gòu)成質(zhì)子通道的一部分δβαβαβαγεF1質(zhì)子閘門線粒體內(nèi)膜ATP合成酶OSCPF045δβαβαβαγεF1質(zhì)子閘門線粒體內(nèi)膜ATP合成酶OSCP三、影響氧化磷酸化的因素1.抑制劑(1)呼吸鏈抑制劑

46三、影響氧化磷酸化的因素(1)呼吸鏈抑制劑46NADH+H+NAD+H+H+H+H+1/2O2HO2PH梯度電位差內(nèi)側(cè)ⅠⅢⅣQC外側(cè)F1F0ATP合成酶ADP+PiATP+H2OH+魚藤酮，阿密妥抗霉素AH2S，CO，CN-，N3-H+H+解偶聯(lián)劑2，4-二硝基苯酚寡霉素47NADH+H+NAD+H+H+H+H+1/2O2HO2PH梯抑制電子傳遞NADHQCytbCytc1Cytaa3O2魚藤酮阿密妥抗酶素A氰化物H2SCON3-48抑制電子傳遞NADHQCytb

(2)解偶聯(lián)劑：

2，4-二硝基苯酚（破壞H+的跨膜電位）電子傳遞正常ADP+PiATP棕色脂肪組織（產(chǎn)熱御寒組織）氧化與磷酸化分離

49氧化與磷酸化分離49（3）氧化磷酸化抑制劑抑制電子傳遞及ADP磷酸化如：寡霉素

阻斷H+從質(zhì)子通道回流干擾ATP合酶對質(zhì)子梯度的利用，阻止ATP合成50（3）氧化磷酸化抑制劑502ADP的調(diào)節(jié)作用呼吸控制率（RCR)512ADP的調(diào)節(jié)作用513.甲狀腺激素使Na+-K+ATP酶活性

ATPADP+ADP/ATP氧化磷酸化523.甲狀腺激素ATPADP+ADP/ATP氧化4線粒體DNA突變534線粒體DNA突變53四、ATP與能量的釋放、儲存和利用

H2O+CO2ATP有機物氧化產(chǎn)能O2ADP+Pi生物大分子合成主動運輸肌肉收縮遺傳信息傳遞54四、ATP與能量的釋放、儲存和利用H2O+CO2一、ATP分子中的高能磷酸基的來源（一）氧化磷酸化：主要來源（二）底物水平磷酸化概念：在反應(yīng)過程中,由于分子內(nèi)部能量重新分配，形成高能磷酸化合物，進一步將高能磷酸基轉(zhuǎn)移給ADP，形成ATP55一、ATP分子中的高能磷酸基的來源（一）氧化磷酸化：主例如：

1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP

磷酸烯醇式丙酮酸

+ADP烯醇式丙酮酸+ATP琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA-SH+GTP

GTP+ADPGDP＋ATP

3-磷酸甘油酸激酶丙酮酸激酶琥珀酸硫激酶56例如：3-磷酸甘油酸激酶丙酮酸激酶琥珀酸硫激酶56二、ATP的儲存

磷酸肌酸

ATP儲存形式（creatinekinase)

HN～PC＝NHNCH3CH2COOH＋ADPNH2C＝NHNCH3CH2COOH＋ATP肌酸激酶磷酸肌酸肌酸57HN～P＋ADPNH肌酸:由Arg、Gly、SAM在肝內(nèi)合成，肌肉及腦內(nèi)含量豐富肌酸激酶（creatinekinase,CK)58肌酸:由Arg、Gly、SAM在肝內(nèi)合成，肌酸激酶（cre三、其它核苷三磷酸

GDPGTPATP+UDPADP+UTPCDPCTP

核苷二磷酸激酶59三、其它核苷三磷酸核苷二磷酸激五通過線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運1胞質(zhì)中NADH的氧化α-磷酸甘油穿梭系統(tǒng)蘋果酸穿梭系統(tǒng)60五通過線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運α-磷酸甘油穿梭系統(tǒng)蘋果酸穿梭系NADH+H+

NAD+AAH2AAH2胞漿線粒體H通過遞氫體進入呼吸鏈61NADH+H+NAD+AAH2AAH2胞漿線粒體胞漿中產(chǎn)生的NADH+H+62胞漿中產(chǎn)生的NADH+H+621.－磷酸甘油穿梭特點：(1)線粒體內(nèi)與胞漿中α-P-甘油脫氫酶的輔酶是不同的胞漿中為NAD+線粒體為FAD(2)FADH2經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈產(chǎn)生2分子ATP(3)主要存在于骨骼肌、腦組織631.－磷酸甘油穿梭特點：63⑴胞漿中α-P-甘油脫氫酶⑵線粒體內(nèi)α-P-甘油脫氫酶64⑴胞漿中α-P-甘油脫氫酶64二、蘋果酸－天冬氨酸穿梭

特點：1.線粒體內(nèi)與胞漿中蘋果酸脫氫酶的輔酶都是NAD+2.NADH+H+進入線粒體后進入NADH氧化呼吸鏈產(chǎn)生3分子ATP3.主要存在于肝、心肌組織中。65二、蘋果酸－天冬氨酸穿梭656666第二節(jié)其它氧化體系一、需氧脫氫酶和氧化酶（一）氧化酶類（oxidases）特點：使氧活化，受氫體：氧是唯一的受氫體產(chǎn)物之一是H2O分子中含Cu67第二節(jié)其它氧化體系一、需氧脫氫酶和氧化酶67

AH2

A2Cu2+

2Cu+

O2-

1/2O2

H2O2H+

屬氧化酶主要有：細胞色素氧化酶、酚氧化酶、抗壞血酸氧化酶等68AH2A2Cu2+2Cu+O2-1/2O2（二）需氧脫氫酶（aerobicdehydrogenase）

特點：使作用物氫活化，受氫體：除氧以外還有其他試劑產(chǎn)物之一是H2O269（二）需氧脫氫酶特點：69FMN(FAD)AH

O2FMNH2(

FADH2)AH2O2屬需氧脫氫酶：L-氨基酸氧化酶、黃嘌呤氧化酶、單胺氧化酶等70FMN(FAD)AHFMNH2(FADH2)AH2O2二、過氧化物酶體中的酶類1.過氧化氫酶(catalase)（觸酶）輔基4個血紅素2H2O2H2O+O2

過氧化氫酶71二、過氧化物酶體中的酶類2H2O2

2、過氧化物酶（peroxidase）輔基血紅素

H2O2+AH2H2O+AO過氧化物酶H2O2+2GSHGSSG+H2O谷胱甘肽過氧化物酶GSSG+NADPH+H+2GSH+NADP+谷胱甘肽還原酶72過氧化物酶H2O2+2GSH三、超氧化物歧化酶（superoxidedimutase,SOD）

催化反應(yīng)：

總反應(yīng)為：73三、超氧化物歧化酶總反應(yīng)為：73四、微粒體中的氧化酶類

1、加單氧酶這類酶催化一個氧原子加到底物分子上，另一個氧原子被氫還原成水，故又稱混合功能氧化酶(mixedfunctionoxidase)或羥化酶(hydroxylase)通式：

RH+NADPH+H++O2

ROH+NADP++H2O

74四、微粒體中的氧化酶類

1、加單氧酶74

(1)加單氧酶體系的組成細胞色素P450NADPH-P450還原酶Fe2S2及Cytb575(1)加單氧酶體系的組成細胞

1)細胞色素P4