生物化学：生物氧化

第六章生物氧化Biologicaloxidation二、氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)定义：在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化生成ATP的过程称氧化磷酸化（oxidativephosphorylation），又称偶联磷酸化。氧化磷酸化是体内生成ATP的主要方式,是维持生命活动所需能量的主要来源。底物水平磷酸化细胞内还有一种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。目前,有三种酶催化的是底物水平磷酸化反应,分别是磷酸甘油酸激酶、丙酮酸激酶、琥珀酰CoA合成酶。ADPATP（1）1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸胞液ADPATP（2）磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸GDP+PiGTP线（3）琥珀酸单酰COA琥珀酸+HSCOA粒GTP+ADPGDP+ATP体底物水平磷酸化反应（一）确定氧化磷酸化偶联部位的实验依据根据P/O比值自由能变化:⊿Gº'=-nF⊿Eº'氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ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比值可能生成的ATP数β-羟丁酸NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ2.52.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ1.51.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O20.881细胞色素c(Fe2+)复合体Ⅳ→O20.61-0.6811、P/O比值指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。2、自由能变化根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化(△G0′)与还原电位变化(△E0′)之间有以下关系：n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/mol·V)△G0′=-nF△E0′电子传递链自由能变化区段电位变化(⊿E°′)自由能变化⊿G°′=-nF⊿E°′能否生成ATP(⊿G°′是否大于30.5KJ)Cytaa3~O20.53V102.3KJ/mol能NAD+~CoQ0.36V69.5KJ/mol能CoQ~Cytc0.21V40.5KJ/mol能ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位（二）氧化磷酸化的偶联机制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外侧，而线粒体内膜不允许质子自由回流，因此产生膜内外质子电化学梯度（H+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Pi生成ATP。化学渗透假说要点：1、线粒体内膜上电子传递链中的递电子体和递氢体间隔排列，形成三个回路，回路有质子泵的作用，可将质子（H+）泵出线粒体基质。2、递氢体从基质接受底物的氢原子，将电子交给下一个递电子体，而将H+留在基质外胞液中。化学渗透假说要点：3、整个过程中，仅有2个电子传递，并排出6个H+，H+不能自由出入内膜，导致了内膜两侧的H+浓度梯度和跨膜电位差，储存了一定的电化学势能。4、当内膜外侧的H+通过ATP合酶,顺电化学梯度回流时，由ATP合酶底部进入线粒体基质时，将储存的势能释放出来，推动ATP合酶的F1亚基利用势能将ADP合成ATP。三、影响氧化磷酸化的因素（一）有3类氧化磷酸化抑制剂1、呼吸链抑制剂阻断氧化磷酸化的电子传递过程复合体Ⅰ抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidinA)及异戊巴比妥(amobarbital)等阻断传递电子到泛醌。复合体Ⅱ的抑制剂：萎锈灵(carboxin)。复合体Ⅲ抑制剂：抗霉素A(antimycinA)阻断CytbH传递电子到泛醌(QN)。复合体Ⅳ抑制剂：CN－、N3－紧密结合氧化型Cyta3，阻断电子由Cyta到CuB-Cyta3间传递。CO与还原型Cyta3结合，阻断电子传递给O2。化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×抗霉素A二巯基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各种呼吸链抑制剂的阻断位点2、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制。如：二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)；解偶联蛋白(uncouplingprotein，UCP1)。位于棕色脂肪组织中的线粒体中3、ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin)、二环己基碳二亚胺(dicyclohexylcarbodiimide,DCCP)抑制ATP合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。寡霉素(oligomycin)寡霉素ATP合酶结构模式图可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。（二）ADP的调节作用ADP浓度增高，氧化磷酸化速度加快；ADP不足，氧化磷酸化速度减慢。（三）甲状腺激素诱导细胞膜上Na+,K+-ATP酶的生成，使ATP加速分解为ADP和Pi，ADP增多，促进氧化磷酸化。mtDNA的特点：呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，易受本身氧化磷酸化产生的氧自由基的损伤而突变。（四）线粒体DNA(mtDNA)突变影响呼吸链氧化磷酸化复合体中多肽链的生物合成，使ATP生成减少而致病。四、线粒体内膜对各种物质进行选择性转运线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。肉碱脂酰肉碱肉碱转运蛋白瓜氨酸鸟氨酸碱性氨基酸转运蛋白柠檬酸苹果酸三羧酸转运蛋白OH-丙酮酸单羧酸转运蛋白天冬氨酸谷氨酸天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白α-酮戊二酸苹果酸α-酮戊二酸转运蛋白苹果酸HPO42-二羧酸转运蛋白H2PO4-+H+磷酸盐转运蛋白ATP4-ADP3-ATP-ADP转位酶出线粒体进入线粒体转运蛋白线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运（一）胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)转运机制：（1）α-磷酸甘油穿梭特点：线粒体内外的α-磷酸甘油脱氢酶的辅酶不同胞液-----NAD+线粒体---FADFADH2经琥珀酸氧化呼吸链1.5ATP主要存在于骨骼肌、神经细胞1、α-磷酸甘油穿梭（2）苹果酸-天冬氨酸穿梭特点：苹果酸脱氢酶的辅酶是NAD+线粒体内的草酰乙酸生成天冬氨酸再穿过线粒体膜。通过NADH氧化呼吸链2.5ATP主要存在于肝、心肌组织中。2、苹果酸-天冬氨酸穿梭（二）ATP-ADP转位酶促进ADP进入和ATP移出紧密偶联NOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOH五、ATPATP的结构ATP的功能为体内各种生理活动提供能量，形成磷酸酯类中间代谢物参与酶的共价修饰。NOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOH高能磷酸键与高能磷酸化合物高能磷酸键：磷酸化合物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(－5.0)－20.91-磷酸葡萄糖(－6.6)－27.6焦磷酸(－6.6)－27.6ADP→AMP＋Pi(－7.5)－31.5乙酰辅酶A(－7.3)－30.5ATP→ADP＋Pi(－10.3)－43.1磷酸肌酸(－11.8)－49.31，3-二磷酸甘油酸(－12.3)－51.4氨基甲酰磷酸(－14.8)－61.9磷酸烯醇式丙酮酸(kcal/mol)kJ/mol△E0′化合物一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能各种高能磷酸化合物的生成UDPATPUTPADPCDPATPCTPADPGDPATPGTPADPADPADPATPAMP腺苷酸激酶(adenylatekinase)二磷酸核苷酸激酶肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。第二节其他不生成ATP的氧化体系非线粒体氧化体系场所：微粒体、过氧化物酶体、溶酶体等特点：耗氧量小、不伴ATP生成作用：主要参与机体内多种生理活性物质的生物转化。如：类固醇激素、胆汁酸的生成，药物、毒物在体内的灭活。一、微粒体氧化体系主要为单加氧酶系RH+NADPH+H++O2ROH+NADP++H2O上述反应需要细胞色素P450(CytP450)参与。细胞色素P450单加氧酶(cytochromeP450monooxygenase)，又称混合功能氧化酶(mixed-functionoxidase)或羟化酶(hydroxylase)上述反应体内许多重要活性物质的生成、灭活以及药物、毒物的生物转化密切关系。二、过氧化物酶体氧化体系氧化过程产生活性氧含有多种氧化酶，能氧化氨基酸、脂肪酸等多种底物，产生活性氧类(reactiveoxygenspecies,ROS)O2e-O·-2e-+2H+H2O2e-+H+OH·H2Oe-+H+H2O反应活性氧类（一）ROS包括超氧阴离子、过氧化氢和羟基自由基生物氧化过程中，氧分子接受4个电子才能完全还原，产生O-2，再与H结合生成水。如果电子供给不足，超氧阴离子O·-2，是体内O·-2的主要来源；O·-2在线粒体中再生成H2O2和·OH；细菌感染、组织缺氧等病理过程，环境、药物等外源因素也可导致细胞产生活性氧类。（二）活性氧对机体有损伤作用几乎对所有的生物大分子均有氧化作用；生物膜中磷脂的不饱和脂肪酸，加大膜的通透性，钙离子和其他离子流入细胞导致细胞肿胀。氧化蛋白的巯基，使机体免疫能力下降。氧化DNA引起点突变，修饰甚至断裂，破坏核酸结构，诱发多种疾病（肿瘤、动脉粥样化）2O2﹣+2H+SODH2O2+O2H2O+O2过氧化氢酶SOD：超氧化物歧化酶(superoxidedismutase)1.超氧化物歧化酶SOD（三）机体有清除活性氧的能力2.过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含4个血红素2H2O22H2O+O2过氧化氢酶可去除细胞生长和代谢产生的H2O2和过氧化物(R-O-OH)，是体内防止活性氧类损伤主要的酶。3、过氧化物酶和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathioneperoxidase，GPx)H2O2+2GSH→2H2O+GS-SG2GSH+R-O-OH→GS-SG+H2O+R-OH总结：线粒体外物质转运生物氧化氧化磷酸化其他氧化体系生成ATP体系ATP合酶电子传递链氧化磷酸化偶联学说氧化磷酸化影响因素（胞液中NADH的氧化）概述ATP及其代谢