中国医科大学生物化学6生物氧化

第六章生物氧化BiologicalOxidationThebiochemistryandmolecularbiologydepartmentofCMU营养物质在生物体内经氧化分解，最终生成CO2和H2O，并释放能量的过程称生物氧化。*生物氧化的概念*生物氧化与体外氧化的相同点•生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。•物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。是在细胞内温和的环境中由酶催化进行的，能量是逐步释放的，并储存于ATP中。代谢物脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。*生物氧化与体外氧化的不同点生物氧化体外氧化能量是突然释放的。CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。*生物氧化的一般过程2HCO2ATPADP+PiO2H2O乙酰CoACoASH葡萄糖甘油、脂肪酸氨基酸糖原脂肪蛋白质三羧酸循环第一阶段第二阶段第三阶段氧化磷酸化丙酮酸2H胞液线粒体第一节生成ATP的氧化磷酸化体系TheOxidativePhosphorylationSystemwithATPProducing代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，由于该过程与细胞呼吸有关，所以将这一连锁反应称为呼吸链(respiratorychain)，又称电子传递链(electrontransferchain)。一、氧化呼吸链是一系列有电子传递功能的氧化还原组分（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置4H+4H+4H+4H+2H+2H+内膜表面基质NADH＋H＋NAD＋琥珀酸延胡索酸½O2＋2H+H2O四种复合体的排列关系NADHsuccinateFMN（Fe-S）FAD（Fe-S）Cytb,（Fe-S）CoQCytaa3O2CytccompexIcompexIIcompexIIIcompexIVc11.复合体Ⅰ作用是将NADH＋H＋中的电子传递给泛醌每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧。（1）NAD+与NADP+•NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NicotinamideAdenineDinucleotide)，又叫CoⅠ，主要作为呼吸链的一个组分，起递氢体作用；•NADP+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotin-amideAdenineDinucleotidePhosphate)，又叫CoⅡ，主要在还原性生物合成中作为供氢体。•二者的递氢部位是烟酰胺部分，为VitPP。R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+NAD+和NADP+的结构NAD+（NADP+）的递氢机制（氧化型）NHCONH2R+H+H++eNHCONH2RH+H+NAD+/NADP+NADH/NADPH（还原型）（2）黄素辅基•FMN：黄素单核苷酸(FlavinMononucleotide)•FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸(FlavinAdenineDinucleotide)•FMN和FAD中异咯嗪环起递氢体作用。•异咯嗪及核醇部分为VitB2（核黄素）。FMN结构CH2OHOPOHOCCHOHCHOHHOHCHHNHNNNOOH3CH3C1458910异咯嗪核醇CH2OOOHOHHHHCH2HOPOHONNNNNH2OPOHOCCHOHCHOHHOHCHHNHNNNOOH3CH3C1458910FAD结构FMN和FAD递氢机制RNHNNNOOH3CH3CFMN/FAD1458910RNHNHHNNOOH3CH3C1458910+2HFMNH2/FADH2（氧化型）（还原型）（3）铁硫蛋白(Iron-sulfurprotein,Fe-S)•又叫铁硫中心或铁硫簇。•含有等量铁原子和硫原子。•铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的巯基连接。•铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子，为单电子传递体。FeFeSSSFeFeSSSSSCysCysCysCysSFeSFeSSSSCysCysCysCys（4）泛醌(ubiquinone,UQ)•即辅酶Q（CoenzymeQ，CoQ），属于脂溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链。•因其为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜中分离出来，因此不包含在四种复合体中。•分子中的苯醌结构能可逆地结合2个H，为递氢体。OOH3COH3COCH3(CH2CHCCH3CH2)nHCoQisopreneH2CCCCH2CH3HOOCH3OCH3CH3OROHOHCH3OCH3CH3OR+2H　泛醌（氧化型）二氢泛醌（还原型）2.复合体Ⅱ作用是将电子从琥珀酸传递到泛醌复合体Ⅱ没有H+泵的功能。3.复合体Ⅲ作用是将电子从泛醌传递给Cytc每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+。Cytc不包含在复合体中。•细胞色素（Cytochrome,Cyt）是一类以铁卟啉为辅基的电子传递蛋白。•呼吸链中主要有a、b、c、三类。差别在于铁卟啉的侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接的方式不同。Cytb、c的铁卟啉与血红素相同；Cyta的铁卟啉为血红素A。•分子中的铁通过氧化还原而传递电子，为单电子传递体。Q循环4.复合体Ⅳ将电子从Cytc传递给氧每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。由以下实验确定①标准氧化还原电位②特异抑制剂阻断③还原状态呼吸链缓慢给氧④体外拆开和重组（二）氧化呼吸链的组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位氧化还原对EӨ(V)氧化还原对EӨ(V)NAD+/NADN+H+－0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2－0.219CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2－0.219CytaFe3+/Fe2+0.29CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyta3Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.816抑制剂1.NADH氧化呼吸链2.琥珀酸氧化呼吸链NADHFMN（Fe-S）CoQCytbc1caa3O2CoQCytbc1caa3O2FAD（Fe-S）琥珀酸NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链线粒体内重要代谢物氧化的途径NADHFMN（Fe-S）c1caa3O2FAD（Fe-S）琥珀酸α-磷酸甘油CoQCytb苹果酸β-羟脂酰CoAβ-羟丁酸异柠檬酸谷氨酸FAD硫辛酸丙酮酸α-酮戊二酸FAD脂酰CoA二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化生成ATP偶联体内ATP生成的方式：氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)氧化磷酸化是由代谢物脱下的氢，经线粒体氧化呼吸链电子传递释放能量，偶联ADP磷酸化生成ATP的过程，又称为偶联磷酸化。它是ATP生成的主要方式。底物水平磷酸化是与脱氢反应偶联，直接将高能代谢物分子中的能量转移至ADP（或GDP），生成ATP（或GTP）的过程。（一）氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内•偶联部位即ATP生成的部位。•P/O比值：是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数。线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值底物呼吸链的组成P/O比值ATP生成部位-羟丁酸NAD+→O22.4~2.83琥珀酸FAD→O21.72抗坏血酸Cytc→O20.881细胞色素CCytaa3→O20.61~0.681三个偶联部位：ATPATPATP①NADH与CoQ之间；②CoQ与Cytc之间；③Cytaa3与氧之间。2.自由能变化(△GӨ)：大于30.5kJ即可生成1摩尔ATP。△GӨ＝－nF△EӨ部位电位差（△EӨ）自由能变化（△GӨ）NAD＋～CoQ0.36V－69.5kJ/molCoQ～Cytc0.19V－36.7kJ/molCytaa3～O20.58V－112kJ/mol•NADH氧化呼吸链存在3个偶联部位，P/O比值等于2.5，即产生2.5molATP。•琥珀酸氧化呼吸链存在2个偶联部位，P/O比值等于1.5，即产生1.5molATP。（二）氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。（三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催化ATP合成ATP合酶即复合体Ⅴ，位于线粒体内膜的基质侧。ATP合酶•F0：为疏水部分，由a、b2、c9～12亚基组成，是跨线粒体内膜的质子通道。•F1：为亲水部分，由33亚基复合体和OSCP（寡霉素敏感相关蛋白）、IF1等亚基组成，作用是催化生成ATP。ATP合酶结构模式图化学计算估计每生成1分子ATP需3个H＋从线粒体内膜外侧回流进入基质中。ATP合酶的工作机制ATP4-F0F1胞液侧基质侧腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白H2PO4-ATP4-3H+3H+H+H+H2PO4-ADP3-ADP3-每分子ATP在线粒体中生成并转运到胞浆需4个H＋回流进入线粒体基质中•NADH氧化呼吸链每传递2H共生成2.5分子ATP到线粒体外被利用。•FADH2氧化呼吸链每传递2H共生成1.5分子ATP到线粒体外被利用。三、氧化磷酸化作用可受某些内外源因素影响1.呼吸链抑制剂阻断氧化磷酸化的电子传递过程2.解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度3.ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成（一）有3类氧化磷酸化抑制剂鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥抗霉素A粘噻唑菌醇COCN－N3－各种呼吸链抑制剂的阻断位点萎锈灵不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP寡霉素(oligomycin)可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成寡霉素（二）ADP是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素［ADP］↑，氧化磷酸化↑。（三）甲状腺激素刺激机体耗氧量和产热同时增加Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。（四）线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸化功能四、ATP在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用高能磷酸键水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，常表示为P。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物。化合物△EӨkJ/mol(kcal/mol)磷酸烯醇式丙酮酸－61.9(－14.8)氨基甲酰磷酸－51.4(－12.3)1，3-二磷酸甘油酸－49.3(－11.8)磷酸肌酸－43.1(－10.3)ATP→ADP＋Pi－30.5(－7.3)乙酰辅酶A－31.5(－7.5)ADP→AMP＋Pi－27.6(－6.6)焦磷酸－27.6(－6.6)1-磷酸葡萄糖－20.9(－5.0)一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能•ATP是人体内能量的直接供给者。NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-OOPOO-OPO--OOαβγ一磷酸腺苷（AMP）二磷酸腺苷（ADP）三磷酸腺苷（ATP）核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶的作用ADP+ADPATP+AMP磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式磷酸肌酸+ADP肌酸+ATP肌酸激酶COOHCH2NC