生物化學(xué)-生物氧化

生物氧化BiologicalOxidation營養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)經(jīng)氧化分解，最終生成CO2和H2O，并釋放能量的過程稱生物氧化。*生物氧化的概念*生物氧化與體外氧化的相同點(diǎn)生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。物質(zhì)在體內(nèi)、外氧化時(shí)所消耗的氧量、最終產(chǎn)物（CO2，H2O）和釋放能量均相同。是在細(xì)胞內(nèi)溫和的環(huán)境中由酶催化進(jìn)行的，能量是逐步釋放的，并儲(chǔ)存于ATP中。代謝物脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生H2O，有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生CO2。*生物氧化與體外氧化的不同點(diǎn)生物氧化體外氧化能量是突然釋放的。CO2、H2O由物質(zhì)中的碳和氫直接與氧結(jié)合生成。*生物氧化的一般過程第一節(jié)

生成ATP的氧化體系

TheOxidationSystemofATPProducing定義代謝物脫下的成對(duì)氫原子（2H）通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈(respiratorychain)又稱電子傳遞鏈(electrontransferchain)。組成遞氫體和電子傳遞體（2H

2H++2e）一、呼吸鏈（一）呼吸鏈的組成人線粒體呼吸鏈復(fù)合體線粒體氧化磷酸化的電子傳遞鏈位于內(nèi)膜，因此從能量轉(zhuǎn)換角度來說，內(nèi)膜起主要的作用。內(nèi)膜的標(biāo)志酶為細(xì)胞色素C氧化酶。1、外膜

(outmembrane)含40%的脂類和60%的蛋白質(zhì)，具有孔蛋白（porin）構(gòu)成的親水通道，允許分子量為5KD以下的分子通過。標(biāo)志酶為單胺氧化酶。2、內(nèi)膜

（innermembrane）含100種以上的多肽，蛋白質(zhì)和脂類的比例高于3:1。通透性很低，僅允許不帶電荷的小分子物質(zhì)通過，大分子和離子通過內(nèi)膜時(shí)需要特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。如：丙酮酸和焦磷酸是利用H+梯度協(xié)同運(yùn)輸。呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置/lilunshuji/shengwuhuaxueyufenzishengwuxue/958-9-2.html復(fù)合體Ⅰ(NADH脫氫酶):由結(jié)合緊密的輔因子FMN和幾個(gè)Fe-S中心組成，其作用是將線粒體基質(zhì)中的NADH+H+的2對(duì)電子即4個(gè)質(zhì)子泵到膜間間隙,同時(shí)復(fù)合體也經(jīng)過Fe-S中心將電子轉(zhuǎn)移給泛醌(UQ或Q)。復(fù)合體Ⅱ(琥珀酸脫氫酶):由FAD和3個(gè)Fe-S中心組成。它的功能是催化琥珀酸氧化為延胡索酸，并把H轉(zhuǎn)移到UQ生成UQH2。此復(fù)合體不泵出質(zhì)子。復(fù)合體Ⅲ(細(xì)胞色素bc1復(fù)合物):它氧化還原型泛醌，生成UQ，UQH2把電子經(jīng)過1個(gè)Fe-S中心，2個(gè)Cytb(Cytb565和Cytb560)和1個(gè)Cytc1最后傳到Cytc。Cytc是小蛋白體，疏松地附在內(nèi)膜的外表面，其功能是在復(fù)合體Ⅲ和Ⅳ之間傳遞電子。此復(fù)合體泵出4個(gè)質(zhì)子到膜間間隙。復(fù)合體Ⅳ(細(xì)胞色素氧化酶):含2個(gè)銅中心(CuA和CuB)，Cyta和Cyta3。復(fù)合體Ⅳ是末端氧化酶，把Cytc的電子傳給O2,激發(fā)O2并與基質(zhì)中的H+結(jié)合形成H2O，每傳遞一對(duì)電子時(shí)，有2個(gè)H+泵出。復(fù)合體V(ATP合酶):由Fo和F1兩部分組成，所以亦稱為FoF1-ATP合酶，它能催化ADP和Pi轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP。四種復(fù)合體的排列關(guān)系NADH-Q還原酶：NADH+CoQ(氧化型)→NAD++CoQ(還原型)細(xì)胞色素還原酶：CoQ(還原型)+細(xì)胞色素C(氧化型)→CoQ(氧化型)+細(xì)胞色素c(還原型)琥珀酸還原酶：FADH2+CoQ(氧化型)→FAD++CoQ(還原型)細(xì)胞色素氧化酶：細(xì)胞色素c(還原型)+1/2O2→細(xì)胞色素C(氧化型)+H2O1.煙酰胺核苷酸NAD+：煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，又叫CoⅠ，主要作為呼吸鏈的一個(gè)組分，起遞氫體作用；NADP+：煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，又叫CoⅡ，主要在還原性生物合成中作為供氫體。二者的遞氫部位是煙酰胺部分，為VitPP。R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu)NAD+（NADP+）的遞氫機(jī)制（氧化型）（還原型）在生理pH條件下，尼克酰胺中的氮(吡啶氮)為五價(jià)的氮，它能可逆地接受電子而成為三價(jià)氮，與氮對(duì)位的碳也較活潑，能可逆地加氫還原功能：將底物上的氫激活并脫下，傳遞給黃素蛋白。作用原理：NAD+或NADP+先和酶的活性部位結(jié)合，然后脫下來。與代謝物脫下的氫結(jié)合而還原成NADH或NADPH。有氫受體時(shí)，NADH或NADPH上的氫可被脫下而氧化成NAD+或NADP+。NADH所帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一2.黃素輔基FMN：黃素單核苷酸(Flavin

Mononucleotide)FAD：黃素腺嘌呤二核苷酸(FlavinAdenineDinucleotide)FMN和FAD中異咯嗪環(huán)起遞氫體作用。異咯嗪及核醇部分為VitB2（核黃素）。FMN結(jié)構(gòu)異咯嗪核醇

FAD結(jié)構(gòu)FMN和FAD遞氫機(jī)制

（氧化型）（還原型）FMN

或FAD

的異咯嗪環(huán)上第1位及第10位兩個(gè)氮原子能反復(fù)地進(jìn)行加氫和脫氫反應(yīng)功能：進(jìn)行可逆的脫氫和加氫反應(yīng)。作用原理：以黃素單核苷酸FMN或黃素腺嘌呤二核苷酸FAD作為輔基，黃素核苷酸與酶蛋白結(jié)合（黃素蛋白），代謝物上的一對(duì)氫原子直接傳遞給FMN或FAD的異咯嗪基的第1、10位N上而形成FMNH2或FADH2。有氫受體時(shí)，F(xiàn)MNH2或FADH2上的氫可被脫下而氧化成FMN或FAD。3.鐵硫蛋白(Iron-sulfurprotein,

Fe-S)又叫鐵硫中心或鐵硫簇。含有等量鐵原子和硫原子。鐵除與硫連接外，還與肽鏈中Cys殘基的巰基連接。鐵原子可進(jìn)行Fe2+

Fe3++e反應(yīng)傳遞電子，為單電子傳遞體。鐵硫蛋白結(jié)構(gòu)(a)單個(gè)鐵與半胱氨酸硫相連(b)2Fe-2S

(c)4Fe-4S鐵硫蛋白中的鐵可以呈兩價(jià)(還原型)，也可呈三價(jià)(氧化型)，由于鐵的氧化、還原而達(dá)到傳遞電子作用。4.泛醌(ubiquinone,UQ)即輔酶Q（CoenzymeQ，

CoQ），屬于脂溶性醌類化合物，帶有多個(gè)異戊二烯側(cè)鏈。是呼吸鏈中一種與蛋白質(zhì)結(jié)合不緊密的輔酶因其為脂溶性，游動(dòng)性大，極易從線粒體內(nèi)膜中分離出來，因此不包含在四種復(fù)合體中。分子中的苯醌結(jié)構(gòu)能可逆地結(jié)合2個(gè)H，為遞氫體。

異戊二烯

功能基團(tuán)是苯醌,通過醌/酚的互變傳遞氫，Q(醌型結(jié)構(gòu))很容易接受2個(gè)電子和2個(gè)質(zhì)子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出2個(gè)電子和2個(gè)質(zhì)子，重新氧化成Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。輔酶Q類（泛醌、亦簡稱Q。是許多酶的輔酶),是脂溶性醌類化合物，而且分子較小，可在線粒體內(nèi)膜的磷脂雙分子層的疏水區(qū)自由擴(kuò)散。5.細(xì)胞色素類（Cytochrome,Cyt）是一類以鐵卟啉為輔基的電子傳遞蛋白。呼吸鏈中主要有a、b、c、三類。差別在于鐵卟啉的側(cè)鏈以及鐵卟啉與蛋白部分連接的方式不同。Cytb、c的鐵卟啉與血紅素相同（但與蛋白連接的方式不同）；Cyta的鐵卟啉為血紅素A。分子中的鐵通過氧化還原而傳遞電子，為單電子傳遞體。a類細(xì)胞色素輔基的結(jié)構(gòu)是血紅素A,它與原血紅素的不同是在于卟啉環(huán)的第八位上以甲?；婕谆?，第二位上以羥代法呢烯基代替乙烯基。c類細(xì)胞色素的輔基是血紅素以其卟啉環(huán)上的乙烯基與蛋白質(zhì)分子中的半胱氨酸巰基相加成的硫醚鍵共價(jià)結(jié)合。其他各類細(xì)胞色素的輔基都是以非共價(jià)鍵與蛋白相結(jié)合。NADH+H+

NAD+FMNFMNH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2

復(fù)合體ⅠNADH→→CoQ

FMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2

復(fù)合體Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b562;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3琥珀酸延胡索酸

FADFADH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2

復(fù)合體ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1B562，b566：2種細(xì)胞色素b，其血紅素的最大吸收峰分別位于562,566nm

復(fù)合體Ⅳ還原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB10個(gè)亞基4個(gè)氧化還原中心2個(gè)a型血紅素，a，a32個(gè)Cu離子，CuA，CuB由還原型細(xì)胞色素c將所攜帶的電子傳遞給血紅素a-CuA聚簇，再傳遞遞給a3-CuB聚簇，O2經(jīng)過一系列步驟生成2分子H2O。

由以下實(shí)驗(yàn)確定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）呼吸鏈成分的排列順序呼吸鏈中電子傳遞方向大部分遵循E0′值從小向大方向傳遞的規(guī)律。E0′越小，越易失去電子，處于呼吸鏈的前面，反之，E0′越大，越易得到電子，處于呼吸鏈的后面。當(dāng)電子從E0′值小的物質(zhì)傳到E0′值大的物質(zhì)時(shí)，伴隨著自由能的降低，即有熱量放出兩條呼吸鏈中傳遞體的排列順序抑制劑魚藤酮抗霉素電子傳遞抑制劑：凡能夠切斷呼吸鏈中某一部位電子流的物質(zhì)。如魚藤酮、安密妥能抑制電子從NADH到輔酶Q的傳遞；抗霉素A能抑制細(xì)胞色素b到c1之間的電子傳遞；氰化物、疊氮化物、一氧化碳能抑制電子從細(xì)胞色素aa3到氧的傳遞。1.NADH氧化呼吸鏈2.琥珀酸氧化呼吸鏈

NADH氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈線粒體內(nèi)重要代謝物氧化的途徑二、氧化磷酸化氧化磷酸化：生物體通過生物氧化產(chǎn)生的能量，除一部分用以維持體溫外，大部分可以通過磷酸化作用轉(zhuǎn)移至高能磷酸化合物ATP中。這種伴隨放能的氧化作用而進(jìn)行的磷酸化稱為氧化磷酸化作用。氧化磷酸化方式——伴隨著放能的氧化作用而進(jìn)行的磷酸化。ADP+Pi+能量→ATPAMP+PPi+能量→ATP

體內(nèi)ATP生成的方式：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，又稱為偶聯(lián)磷酸化。

底物水平磷酸化(substratelevelphos-phorylation)

是底物分子內(nèi)部能量重新分布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成ATP的過程。（一）氧化磷酸化偶聯(lián)部位即ATP生成的部位。P/O比值：是指物質(zhì)氧化時(shí)，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)。

線粒體離體實(shí)驗(yàn)

測得的一些底物的P/O比值底物呼吸鏈的組成P/O比值生成ATP數(shù)-羥丁酸NAD+→O22.4~2.83琥珀酸FAD→O21.72抗壞血酸Cytc→O20.881細(xì)胞色素CCytaa3→O20.61~0.681三個(gè)偶聯(lián)部位：ATPATPATP①NADH與CoQ之間；②CoQ與Cytc之間；③Cytaa3與氧之間。2.自由能變化(△G0′)：

大于30.5kJ即可生成1摩爾ATP。

△G0′＝－nF△E0′69.5kJ/mol40.5kJ/mol102.3kJ/mol

NADH氧化呼吸鏈存在3個(gè)偶聯(lián)部位，P/O比值等于3，即產(chǎn)生3molATP。琥珀酸氧化呼吸鏈存在2個(gè)偶聯(lián)部位，P/O比值等于2，即產(chǎn)生2molATP。（二）氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制1.化學(xué)滲透假說(chemiosmotichypothesis)

電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將質(zhì)子（H+）從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲(chǔ)存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ADP與Pi生成ATP。

線粒體基質(zhì)

線粒體膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化學(xué)滲透假說簡單示意圖化學(xué)滲透假說電子傳遞過程中,呼吸鏈將質(zhì)子放入間隙側(cè),使線粒體內(nèi)膜兩側(cè)濃度不同?；瘜W(xué)滲透假說示意圖復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ均有質(zhì)子泵作用4H+4H+4H+4H+2H+2H+內(nèi)膜表面基質(zhì)NADH＋H＋NAD＋琥珀酸延胡索酸?O2＋2H+H2OQ循環(huán)Q循環(huán)復(fù)合體Ⅱ2.ATP合酶即復(fù)合體Ⅴ。位于線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)。ATP合酶F0：為疏水蛋白質(zhì)，是鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中的質(zhì)子通道。F1：為親水蛋白質(zhì)，由

3

3

亞基組成，催化生成ATP。OSCP：寡霉素敏感相關(guān)蛋白，位于F0與F1之間，使ATP合酶在寡霉素存在時(shí)不能生成ATP。ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖化學(xué)計(jì)算估計(jì)每生成1分子ATP需3個(gè)H＋從線粒體內(nèi)膜外側(cè)回流進(jìn)入基質(zhì)中。ATP合酶的工作機(jī)制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-ATP4-3H+3H+H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-每分子ATP在線粒體中生成并轉(zhuǎn)運(yùn)到胞漿需4個(gè)H＋回流進(jìn)入線粒體基質(zhì)中NADH氧化呼吸鏈每傳遞2H僅生成2.5分子ATP到線粒體外被利用。

FADH2氧化呼吸鏈每傳遞2H僅生成1.5分子ATP到線粒體外被利用。三、影響氧化磷酸化的因素1.呼吸鏈抑制劑

阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞。2.解偶聯(lián)劑使氧化與磷酸化偶聯(lián)過程脫離。如：解偶聯(lián)蛋白3.氧化磷酸化抑制劑

對(duì)電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素（一）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(diǎn)不同底物和抑制劑對(duì)線粒體氧耗的影響

解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)