复旦生物化学代谢部分课件-生物氧化4

生物氧化BiologicalOxidation生物氧化（BiologicalOxidation）一.生物氧化的概念及意义二.生物氧化的特点三.生物氧化的方式四.生物氧化体系—呼吸链五.能量的释放、转移、储存及利用六.非线粒体氧化体系生物氧化[BiologicalOxidation]•生物氧化是指糖类、脂类和蛋白质等在生物活细胞内进行的一系列的氧化分解作用，最终生成H2O和CO2，同时释放能量的过程，又称细胞呼吸或组织呼吸。•相当于分解（异化）作用。线粒体是生物氧化的场所1948年，EugeneKennedy和AlbertLehninger发现线粒体是真核生物生物氧化及氧化磷酸化的场所，开始了生物能研究的新世代。线粒体有两层膜，外膜对小分子（Mr5000）和离子为自由透过。内膜对大多数小分子及离子不透过（包括H+），只有内膜上存在特异运输体的物质可以透过。内膜上含有呼吸链和ATP合成酶。线粒体基质含有丙酮酸脱氢酶复合物和柠檬酸循环途径、脂肪酸-氧化途径、氨基酸氧化途径及酵解以外所有能量物质氧化途径。AlbertLehninger1917-1986EugeneKennedy1919-线粒体的生物化学Theoutermembraneisarelativelysimplephospholipidbilayer,containingproteinstructurescalledporins[孔(道)蛋白]whichrenderitpermeabletomoleculesofabout10kilodaltonsorless(thesizeofthesmallestproteins).Ions,nutrientmolecules,ATP,ADP,etc.canpassthroughtheoutermembranewithease.Theinnermembraneisfreelypermeableonlytooxygen,carbondioxide,andwater.Itsstructureishighlycomplex,includingallofthecomplexesoftheelectrontransportsystem,theATPsynthetasecomplex,andtransportproteins.Thewrinkles,orfolds,areorganizedintolamillae(layers),calledthecristae(脊，嵴).Thecristaegreatlyincreasethetotalsurfaceareaoftheinnermembrane.Thelargersurfaceareamakesroomformanymoreoftheabove-namedstructuresthaniftheinnermembranewereshapedliketheoutermembrane.Themembranescreatetwocompartments.Theintermembranespace,asimplied,istheregionbetweentheinnerandoutermembranes.Ithasanimportantroleintheprimaryfunctionofmitochondria,whichisoxidativephosphorylation.Thematrixcontainstheenzymesthatareresponsibleforthecitricacidcycle,-oxidation,AAoxidationandetc.ThematrixalsocontainsdissolvedO2,H2O,CO2,therecyclableintermediatesthatserveasenergyshuttles,andmuchmore.Becauseofthefoldsofthecristae,nopartofthematrixisfarfromtheinnermembrane.Thereforematrixcomponentscanquicklyreachinnermembranecomplexesandtransportproteins.生物氧化的特点与无机氧化（燃烧）相比，生物氧化与无机氧化从氧化的物质、释放出的总能量及终产物都相同。但两者的表现形式和条件不同。具体表现在：体外燃烧：(CH)+O2H2O+CO2+热能。•H2O的生成为氢和氧的直接化合•CO2的生成为碳和氧的直接化合•能量为骤然释放，以光和热的形式生物氧化的特点[cont.]•生物氧化(CH)+O2H2O+CO2+热能•H2O的生成在酶的作用下脱氢，H经一系列的递氢和递电子反应，最终与O2接合生成H2O。•CO2为有机物在酶的作用下脱羧形成。•生物氧化要求条件温和，为逐步氧化。能量的释放是一步一步缓慢释放，释放的能量以高能磷酸键的形式贮存，不会使周围温度升高而伤害有机体。反应条件温和剧烈反应过程逐步进行的酶促反应一步完成能量释放逐步进行瞬间释放CO2生成方式有机酸脱羧碳和氧结合H2O需要不需要生物氧化体外燃烧生物氧化和体外燃烧的比较脱羧[Decarboxylation]CO2的生成方式：有机物在酶的作用下脱羧(decarboxylation)生成。•根据脱羧的部位分为：-decarboxylation-decarboxylation•根据脱羧的性质分为：简单脱羧（simpledecarboxylation）氧化脱羧（oxidativedecarboxylation）直接脱羧基作用(Directdecarboxylation)1.-直接脱羧H3CCCOOHO-酮酸脱羧酶Mg2+TPPH3CCOH+CO22.-直接脱羧H2CCCOOHO丙酮酸脱羧酶H3CCOCOOH+CO2HOOC草酰乙酸丙酮酸氧化脱羧基作用(Oxidativedecarboxylation)1.-氧化脱羧H3CCCOOHO丙酮酸氧化脱羧酶系H3CCO+CoASH+NAD+乙酰辅酶~SCoA+NADH+H++CO22.-氧化脱羧H2CCHCOOHOH苹果酸酶H3CCOCOOH+CO2+NADPH+H+HOOC苹果酸丙酮酸+NADP+丙酮酸脱氢酶复合物+几个重要的CO2生成反应生物氧化中的CO2是由糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的化合物后脱羧产生的。1、丙酮酸直接脱羧(乙醇发酵）2、丙酮酸氧化脱羧（生成乙酰CoA）3、TCA循环中-酮戊二酸的生成(异柠檬酸氧化脱羧）4、TCA循环中琥珀酰~CoA的生成（-酮戊二酸氧化脱羧）5、草酰乙酸脱羧生成丙酮酸(直接脱羧）6、苹果酸脱羧生成丙酮酸（氧化脱羧）氧化（Oxidation)（1）加氧（氧化）（oxidation）RCHO+½O2RCOOH（2）脱氢（dehydrogenation）RCH2OH–2HRCHOCH3CHO+H2OCH3CH(OH)(OH)CH3COOH+2H（3）脱电子（deelectronation）Fe2+-eFe3+•脱氢酶(Dehydrogenase)使代谢物的氢活化、脱离，并将之传递给其他受氢体或传递体。•氧化酶(Oxidase)生物氧化中，以氧直接为受氢体的氧化还原酶类称为氧化酶。•加氧酶(Oxygenase)催化加氧反应的酶。•传递体(Carrier)生物氧化过程中，起着中间传递氢或电子作用的物质，它们既不能使代谢物脱氢，也不能使氢活化。参与生物氧化的酶类脱氢酶（Dehydrogenase)催化：DH+RD+RH绝大多数脱氢酶需要CoI或CoII作为辅酶。3-磷酸甘油醛+NAD++磷酸1,3-二磷酸甘油酸+NADH+H+丙酮酸+NADH+H+乳酸+NAD+也有以黄素核苷酸（FMN或FAD）作为辅酶的。琥珀酸+FAD延胡索酸+FADH2NADH+H++FMNNAD++FMNH2NADorNADP代谢物－2H已氧化代谢物2H2H传递体传递体－2HH2O12O22HNADH+H+orNADPH+H+脱氢酶以烟酰胺核苷酸为辅基的脱氢酶1需氧黄酶(aerobicflavoenzyme)需氧黄酶FMNorFADFMNH2orFADH2代谢物－2H已氧化代谢物2H2HO2H2O22不需氧黄酶(anaerobicflavoenzyme)不需氧黄酶FMNorFADFMNH2orFADH2代谢物－2H已氧化代谢物2H2H传递体传递体－2HH2O12O22H以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶氧化酶(Oxidase)（1）催化：RH+O2R+H2O2产物是H2O2；需要黄素核苷酸作为辅基。葡萄糖+O2+H2O葡萄糖酸内酯+H2O2（2）催化：RH+O2R+H2O作用产物之一是H2O，不是H2O2；包括两种类型：金属蛋白，如抗坏血酸氧化酶，含铜L-抗坏血酸+O2脱氢抗坏血酸+H2O一类是细胞色素氧化酶，催化：4Cytc-Fe2++O24Cytc-Fe3++H2O过氧化物酶（Peroxidase)催化H2O2等作为氧化剂的氧化还原反应，存在于过氧化物酶体，负责H2O2和过氧化物的分解与转化。如：以血红素为辅基的过氧化物酶和过氧化氢酶；以FAD为辅基的NAD(P)过氧化物酶；谷胱甘肽过氧化物酶，有的含硒，有的则不含，但都以H2O2以外的过氧化物（如脂质过氧化物）为氧化剂。分别催化的反应包括：2H2O22H2O+O2(过氧化氢酶）RH+H2O22H2O+R(过氧化物酶）2GSH+ROOH(H2O2)ROH+GSSG超氧化物歧化酶（Superoxidedismutase,SOD)一种与阻断过氧化物生成有关的特殊氧化酶。生物体的自由基清除剂。分为CuZn-SOD、Mn-SOD和Fe-SOD三种。2O=+2H+H2O2+O2作用是清除超氧负离子自由基。超氧自由基是带有不配对电子的氧分子，十分活跃，可与多种生物分子反应，引发脂质过氧化，造成膜损伤；使DNA断裂，导致基因突变；与炎症、衰老、肿瘤等密切相关。自由基（FreeRadical)自由基是一类非常活跃的化学物质，是个有不成对（奇数）电子的原子、原子团、分子和离子。其中最重要的是氧自由基，它可聚集体表、心脏、血管、肝脏和脑细胞中。使血管发生纤维性病变，导致动脉管硬化，高血压，心肌梗塞；引起老年人神经官能不全，导致记忆、智力障碍以及抑郁症，甚至老年性痴呆等，是造成人类衰老和疾病的元凶。(1)无机氧自由基：超氧自由基、羟基自由基(2)有机氧自由基：过氧自由基、烷氧自由基、多元不饱和脂肪酸自由基RUFA、半醌自由基。氧合酶（Oxygenase)与氧化酶不同，氧合酶催化氧原子直接参入有机分子。（1）作用于一种氢供体，包括:(A)催化两个氧原子参入[dioxygenase]，需要铁离子或NADP作为辅助因子，往往伴随开环。儿茶酚+O2顺，顺-己二烯二酸(B)催化一个氧原子参入(monooxygenase)L-乳酸+O2乙酸+CO2+H2O这类酶有的是黄素蛋白，反应过程包含脱羧。氧合酶（cont.）（2）作用于两种氢供体，包括：（A）催化两个氧原子参入，如邻氨基苯甲酸1,2-双氧合酶邻氨基苯甲酸+NADPH+O2+2H2O儿茶酚+CO2+NADP++NH3。这类酶有的是黄素蛋白，反应可能伴随羟化、脱氨、脱羧或开环。（B）催化一个氧原子参入，如胆固醇7-单氧合酶胆固醇+NADPH+O27-胆固醇+NADP++H2O由于这类酶反应中伴随羟基的形成，又称羟化酶；因多含P-450，又称P-450羟化体系。(中间)电子传递体（ElectronTransfer）它们通过自身的还原和氧化，将脱氢酶和氧化酶连接起来组成呼吸链，在生物氧化和氧化磷酸化过程中发挥重要作用，主要包括黄素蛋白、铁硫蛋白、CoQ和细胞色素复合物。生物氧化体系—呼吸链(RespiratoryChain)生物氧化体系解决的是有机物脱氢及氢的去路问题，即解决有机物是如何通过一系列