重庆医科大学生化教研室课件《生物氧化》

1第六章第六章生物氧化第一节第一节生物氧化的概述生物氧化的概述生物氧化（生物氧化（biologicalbiologicaloxidation)oxidation)含义：物质在生物体内进行的氧化称为生物氧化,主要是指糖、脂肪、蛋白质等在体内氧化分解时逐步释放能量，昀终生成水和二氧化碳的过程。糖脂肪蛋白质CO2+H2OO2能量ADP+PiATP热能失去电子就是被氧化，机体失去电子的方式通常是失去一个氢原子（可以看成一个电子，一个质子）如：CH3–CH2—OH氧化还原2e-+2H+CH3–C—O+H因此，氧化定义脱氢反应；还原定义为氢化作用。生物氧化的方式：加氧、脱氢、失电子生物氧化的方式：加氧、脱氢、失电子体内不存在游离的电子或氢原子，所以生物氧化中脱下的电子或氢原子总由另一物质接受。生物氧化与体外氧化的异同生物氧化与体外氧化的异同①反应在高温或高压、干燥条件下进行。②无机催化剂③能量瞬间大量释放，转换为光和热。④产生的CO2和H2O是由物质中的C和H直接与氧结合生成。①反应在有水、体温、pH近中性的细胞内进行。②在一系列酶的催化下进行。③能量逐步释放生成ATP。④加水脱氢使物质间接获得氧，脱下的氢与氧结合生成水，CO2由有机酸脱羧产生。不同点①遵循氧化还原反应的一般规律：有加氧、脱氢、失电子等。②氧化时的耗氧量、昀终的产物、释放的能量均相同。相同点体外氧化生物氧化第二节第二节线粒体氧化体系线粒体氧化体系2一、呼吸链一、呼吸链一系列递氢体或递电子的酶或辅酶按照一定的顺一系列递氢体或递电子的酶或辅酶按照一定的顺序排列在线粒体内膜上，组成一条电子传递链序排列在线粒体内膜上，组成一条电子传递链(electrontransferchain)(electrontransferchain)。。传递氢与细胞吸入氧、呼出CO2有关，故又称为呼吸链呼吸链（respiratorychain）。呼吸链中，传递氢的酶（辅酶）称为递氢体；传递电子的酶（辅酶）称为递电子体。代谢物脱下的2H，通过多种氧化还原酶（递氢体和递电子体）催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水。（一）（一）呼吸链复合物呼吸链复合物用胆酸、脱氧胆酸等反复处理线粒体内膜，可将呼吸链分离得到四种仍具有电子传递功能的酶复合体，称为线粒体呼吸链复合物。4个酶复合体2个游离的电子传递体。11、复合体、复合体IINADHNADH--QQ还原酶还原酶复合体I：催化NADH脱氢以及Q的受氢，故又称为NADH脱氢酶。含黄素蛋白的辅基、铁硫蛋白的辅基FMN铁硫簇（Fe－S）（传递氢）（传递电子）泛醌（辅酶Q）易从线粒体内膜分离出来，故不包括在该复合体中。作用：接受脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2，进一步将电子转移给铁硫簇。（1）黄素单核苷酸NADNAD++参与的脱氢反应参与的脱氢反应3铁硫蛋白的结构（引自Lodish等1999）（2）铁硫簇铁硫簇与蛋白质结合在一起称为铁硫蛋白，起传递电子的作用。铁硫簇有多种形式：作用：将FMNH2的电子传递给辅酶Q。复合体I中的电子传递的方向为：NADH→FMN→Fe-S→Q。泛醌（辅酶Q）醌型或氧化型泛醌H•半醌型二氢泛醌氢醌型或还原型辅酶Q的氧化还原反应22、复合体、复合体IIII琥珀酸琥珀酸--QQ还原酶还原酶复合体II：催化电子从琥珀酸转移到Q，不转移质子。辅基：FAD、铁硫蛋白电子传递的方向为：琥珀酸→琥珀酸→FADFAD→→FeFe--SS→→QQ。。33．复合体．复合体IIIIII细胞色素还原酶细胞色素还原酶复合体III：催化电子从泛醌传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。辅基：细胞色素b（Cytb562、Cytb566）、细胞色素C1、铁硫蛋白Cytc容易与线粒体内膜分离，故不包含不包含在上述复合体中，其作用是在复合体III和IV之间起传递电子的作用细胞色素细胞色素细胞色素是一类有颜色的、有特殊吸收光谱的、以铁叶琳为辅基的催化电子传递的酶类。根据吸收光谱不同，参与呼吸链组成的细胞色素有a、b、c三类，每一类中又因其昀大吸收峰的微小差别再分为几种亚类。各种细胞色素的主要差别在于铁叶琳辅基的侧链以及铁叶琳与蛋白质部分的连接方式。45、细胞色素c它是电子传递链中一个独立的蛋白质，易溶于水。在电子传递过程中，cyt.c通过Fe3+Fe2+的互变在复合体III和复合体IV之间起电子传递体作用。44、复合体、复合体IVIV细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶复合体IV：将电子从细胞色素C传递给氧。复合体IV：cyta、cyta3、CuA、CuB由于cyta和cyta3结合紧密，很难分离，故称之为Cytaa3。Cytaa3含有2个铁卟啉辅基和2个铜原子。2个铜原子分别与2个铁卟啉辅基相连。铜原子可进行Cu+Cu2+＋e反应传递电子。电子传递顺序：Cytc→CuA→a→a3-CuB→O2（二）呼吸链成分排列顺序（二）呼吸链成分排列顺序呼吸链成分的排列顺序是由下列实验决定的标准氧化还原电位呼吸链复合物的重组呼吸链抑制剂呼吸链各组分氧化态和还原态吸收光谱NADHNADH氧化呼吸链氧化呼吸链每2H通过此呼吸链可生成2.5分子ATP琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链每2H通过此呼吸链可生成1.5分子ATPNADHNADH呼吸链呼吸链生物氧化中大多数脱氢酶如乳酸脱氢酶，苹果酸脱氢酶都是以NAD+为辅酶的，接受氢后成NADH＋H+，然后通过NADH氧化呼吸链将其携带的2个电子逐步传递给氧。NADH＋H+的2H经复合体1（FMN，FsS）传给CoQ，再经复合体III（Cytb，Fb－S，Cytc；）传至Cytc，然后传至复合体IV（Cyta，Cyta3）最后将2e交给O2。IIIIIV5琥珀酸呼吸链琥珀酸呼吸链琥珀酸由琥珀酸脱氢酶催化脱下的2H经复合体II（FAD，Fe－S，b560）使CoQ形成CoQH2，再往下的传递与NADH氧化呼吸链相同。一磷酸甘油脱氢酶及脂酰CoA脱氢酶催化代谢物脱下的氢也由FAD接受，通过此呼吸链被氧化，故归属于琥珀酸氧化呼吸链。AII二、氧化磷酸化二、氧化磷酸化（（oxidativeoxidativephosphorylationphosphorylation））底物水平磷酸化细胞内ATP形成的主要方式指作用物氧化脱氢经呼吸链传递给氧生成H2O并释放能量的同时，偶联ADP磷酸化生成ATP的过程，因此又称为偶联磷酸化。底物水平磷酸化底物水平磷酸化直接将代谢物分子中的能量转移至ADP（或GDP），生成ATP（或GTP）的过程，称为底物水平磷酸化。底物水平磷酸化是体内生成ATP的次要方式，主要存在与糖代谢中。（一）氧化磷酸化的偶联部位（一）氧化磷酸化的偶联部位11、、P/OP/O比值比值指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数（或ADP摩尔数），即生成ATP的摩尔数。2、自由能的变化从NAD+到CoQ段测得的电位差约0.36V，从CoQ到Cytc电位差为0.21V，从Cytaa3到分子氧为0.43V。自由能变化（⊿Go’）与电位变化（⊿Eo’）之间有以下关系：⊿Go’=-nF⊿Eo’⊿Go’表示pH7时的标准自由能变化；n为传递电子数；F为法拉弟常数（96.5kJ／mol·V）计算结果，它们相应的⊿Go’分别约为-70.4、-36.7、-83kJ／mol，而生成每摩尔ATP需能约30.5KJ(7.3kcal)。可见以上三处均足够提供生成ATP所需的能量。•NADH呼吸链的偶联部位：NADH复合体ICOQ复合体IIICytC复合体IVO2•琥珀酸呼吸链的偶联部位：复合体IIICytC复合体IVO26（二）氧化磷酸化偶联机制（二）氧化磷酸化偶联机制基本要点：电子经呼吸链传递时，可将氢离子从线粒体基质侧泵到内膜外侧，产生膜内外氢离子浓度梯度和跨膜电位差，以此储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与无机磷酸生成ATP。PeterMitchell1978nobel化学奖复合体I、III、IV均具有质子泵的作用当质子顺浓度梯度回流时驱动当质子顺浓度梯度回流时驱动ADPADP与与无机磷酸生成无机磷酸生成ATPATPATP合酶（ATPsynthetase）分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用质子动力合成ATP，也可以水解ATP，转运质子。每个肝细胞线粒体通常含15000个ATP合酶、每个酶每秒钟可产生100个ATP。F1由5种多肽组成α3β3γδε复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个β亚基具有一个）。α和β单位交替排列，状如桔瓣。γ贯穿αβ复合体（相当于发电机的转子），并与F0接触，ε帮助γ与F0结合。δ与F0的两个b亚基形成固定αβ复合体的结构（相当于发电机的定子）。7（三）影响氧化磷酸化的因素（三）影响氧化磷酸化的因素ADPADP和和ATPATP的调节作用的调节作用：：ADPADP增多，促进磷酸化增多，促进磷酸化甲状腺激素甲状腺激素：促进氧化磷酸化；使偶联蛋白基因：促进氧化磷酸化；使偶联蛋白基因表达增加，引起耗氧和产热增加。表达增加，引起耗氧和产热增加。抑制剂抑制剂1、呼吸链抑制剂：阻断电子传递链。2、解偶联剂：使氧化和磷酸化偶联脱离。3、氧化磷酸化抑制剂：对电子传递和ADP磷酸化都抑制。（寡霉素）鱼藤酮、异戊巴比妥抗霉素ACO、CN-、H2S、N3-22，，44——二硝基苯酚二硝基苯酚自由移动与线粒体内膜，破坏电化学梯度自由移动与线粒体内膜，破坏电化学梯度解偶联蛋白解偶联蛋白棕色脂肪组织：产热御寒组织棕色脂肪组织：产热御寒组织新生儿硬肿症新生儿硬肿症三、三、ATPATP（一）、高能磷酸化合物（一）、高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物称之为高能磷酸化合物。以ATP昀为重要。11、高能磷酸化合物的概念、高能磷酸化合物的概念生物氧化过程中释放的能量大约有40％以化学能的形式储存于一些特殊的有机磷酸化合物中，形成磷酸酯（磷酸酐）。这些磷酸酯健水解时释放能量较多（大于21kJ／rnol），一般称之为高能磷酸键，常用“~P”符号表示。实际上高能磷酸键水解时释放的能量是整个高能磷酸化合物分子释放的能量，并不存在键能特别高的化学键。因此，“高能磷酸键”的名称不够确切。但为了叙述方便，目前仍被采用。22、高能化合物的类型、高能化合物的类型磷氧键型磷氧键型（（——OO——PP——））酰基磷酸化合物、焦磷酸化合物、烯醇式化合物酰基磷酸化合物、焦磷酸化合物、烯醇式化合物氮磷键型（胍基磷酸化合物）氮磷键型（胍基磷酸化合物）磷酸肌酸、磷酸精氨酸磷酸肌酸、磷酸精氨酸硫酯键型（活性硫酸基）硫酯键型（活性硫酸基）PAPSPAPS、酰基辅酶、酰基辅酶甲硫键型（活性甲硫氨酸）甲硫键型（活性甲硫氨酸）8高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型硫酯键化合物甲硫键化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物（二）、（二）、ATPATP的转换储存和利用的转换储存和利用11、、ATPATP循环：指体内循环：指体内ATPATP的生成和利用所形的生成和利用所形成的循环，又称成的循环，又称ATP/ADPATP/ADP循环。循环。PiPi营养物分解H++e1/2O2氧化磷酸化生物合成肌肉收缩信息传递离子运转ADPATP生物体内能量的储存和利用都以生物体内能量的储存和利用都以ATPATP为中心为中心。。在体外pH7.0，25ºC的条件下每摩尔ATP水解为ADP和Pi时释放的能量为30.5kJ（7.3kcal）；在生理条件下可释放能量50kJ（12kcal）。人体内ATP含量虽然不多，但每日经ATP/ADP相互转变的量相当可观。糖原、磷脂、蛋白质合成提供能量的UTP、CTP、GTP不能从物质氧化过程中直接生成，只能在二磷酸核苷激酶的催化下，从ATP中获得~P。ATP+UDPADP+UTPATP+GDPADP+GTPATP+CDPADP+CTP22、、ATPATP与其他高能化合物的转换与其他高能化合物