動(dòng)物生物化學(xué)：第五章生物氧化

1、第五章 生物氧化,講授內(nèi)容,第一節(jié) 自由能 第二節(jié) ATP 第三節(jié)氧化磷酸化作用 第四節(jié)其他生物氧化體系,教學(xué)目標(biāo),熟悉氧化與還原反應(yīng)是如何通過兩種電子傳遞鏈偶聯(lián)的 了解化學(xué)滲透理論的要點(diǎn)，以及電子傳遞是如何與ADP的磷酸化偶聯(lián)的 熟悉胞液中的NADH轉(zhuǎn)換為線粒體中的NADH的途徑,生物能量的獲得,光能（太陽能） 光能營養(yǎng)生物植物和微生物 通過光合作用將光能轉(zhuǎn)變成有機(jī)物中穩(wěn)定的化學(xué)能 化學(xué)能 化能營養(yǎng)生物動(dòng)物和人 通過生物氧化作用將有機(jī)物質(zhì)（主要是各種光合作用產(chǎn)物）氧化分解，使存儲(chǔ)的穩(wěn)定的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成ATP中活躍的化學(xué)能，ATP直接用于需要能量的各種生命活動(dòng),生物氧化概念,營養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)氧

2、化分解成H2O和CO2并釋放能量的過程稱為生物氧化（biological oxidation） 生物氧化通常需要消耗氧，所以又稱為呼吸作用 因?yàn)槭窃隗w內(nèi)組織細(xì)胞中進(jìn)行的，所以又稱為細(xì)胞氧化,第一節(jié) 自由能,生物體能量代謝服從能量守恒定律,熱力學(xué)第一定律（能量守恒定律） 能量既不能創(chuàng)造也不能消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式 熱力學(xué)第一定律不能預(yù)測某一反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行。,生物體能量代謝服從熱力學(xué)第二定律,熱力學(xué)第二定律 熱的傳導(dǎo)只能由高溫物體傳至低溫物體。 任何一種物理或化學(xué)的過程都自發(fā)地趨向于增加體系與環(huán)境的總熵,自由能,自由能 是生物體（或恒溫恒壓下）用來作功的能量 在沒有作功條件時(shí)，自由

3、能將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軉适?熵 是指混亂度或無序性，是一種無用的能,自由能的作用,在恒溫恒壓條件（生物體系內(nèi)）下 G=H-TS G0時(shí)，體系的反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行（為放能反應(yīng)） G0時(shí)，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，當(dāng)給體系補(bǔ)充自由能時(shí)，才能推動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行（為吸能反應(yīng)） G 0時(shí)，表明體系已處于平衡狀態(tài) 化能營養(yǎng)生物都是從食物氧化的自發(fā)過程中獲取自由能來完成生命活動(dòng)！,第二節(jié) ATP,一、 ATP是生物體中自由能的通用貨幣,分解代謝釋放的能量并不能直接被細(xì)胞利用，必須經(jīng)一類高能物質(zhì)其中最主要的是三磷酸腺苷(ATP)暫時(shí)儲(chǔ)存起來 也就是說，并不是任何形式的能都可被細(xì)胞利用，細(xì)胞直接利用的僅僅是三磷酸腺苷(ATP)一類高能化

4、合物中所儲(chǔ)存的能量 ATP在生物體內(nèi)能量交換中之所以起著核心的作用,ATP是機(jī)體內(nèi)直接用以做功的形式,在ATP三個(gè)磷酸基團(tuán)中含有兩個(gè)磷酸酐鍵，成為高能分子 當(dāng)ATP水解為二磷酸腺苷(ADP)和磷酸(Pi)時(shí)，或水解為磷酸腺苷(AMP)和焦磷酸(PPi)時(shí)，能釋放出大量能量,ATP推動(dòng)體內(nèi)任何一種需要自由能的反應(yīng),二、ATP具有較高的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移潛勢,ATP當(dāng)水解時(shí)具有較強(qiáng)的趨勢將末端磷酸基轉(zhuǎn)移給水。即具有較高的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的潛勢 生物體內(nèi)除ATP外還有一些化合物也有很高的轉(zhuǎn)移磷酸基的潛勢 磷酸烯醇式丙酮酸等的磷酸基轉(zhuǎn)移潛勢比ATP高。意味著它們能將磷酸基轉(zhuǎn)移給ADP而生成ATP 糖降解中許多產(chǎn)

5、物都如此,磷氧鍵型（O-P),酰基磷酸化合物,1,3-二磷酸甘油酸,乙酰磷酸,?；姿峄衔?氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨?；佘账?焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,ADP（二磷酸腺苷）,烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）,磷氧鍵型：酰基磷酸化合物、焦磷酸化合物、烯醇式磷酸化合物,氮磷鍵型（如胍基磷酸化合物）,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲(chǔ)存能量的作用。,硫酯鍵型,3-磷酸腺苷-5-磷酰硫酸,?；o酶A,甲硫鍵型,S-腺苷甲硫氨酸,三、 ATP以偶聯(lián)方式推動(dòng)體內(nèi)非自發(fā)反應(yīng),ATP是自由能的載體，它推動(dòng)那些不輸入自由能在熱力學(xué)上就不能進(jìn)行的反應(yīng) 如細(xì)胞內(nèi)

6、脂肪酸合成中，由乙酰輔酶A羧化為丙二酸單酰輔酶A這一步 這樣的偶聯(lián)反應(yīng)中，酶是重要的偶聯(lián)劑,底物水平磷酸化,經(jīng)過代謝反應(yīng)，代謝物分子內(nèi)部產(chǎn)生高能鍵，在這些高能鍵水解時(shí)，釋放的能量，足以推動(dòng)ADP或GDP磷酸化。 這種底物氧化過程中產(chǎn)生的能量直接將ADP磷酸化生成ATP的過程，稱為底物水平磷酸化,第三節(jié)氧化磷酸化作用,釋放的能量轉(zhuǎn)化成ATP被利用 轉(zhuǎn)換為光和熱，散失,一、生物氧化的特點(diǎn),生物氧化和有機(jī)物在體外氧化（燃燒）的實(shí)質(zhì)相同，都是脫氫、失電子或與氧結(jié)合，消耗氧氣，都生成C2O和H2O，所釋放的能量也相同。但二者進(jìn)行的方式和歷程卻不同：,生物氧化 體外燃燒,細(xì)胞內(nèi)溫和條件 高溫或高壓、干燥條

7、件 （常溫、常壓、中性pH、水溶液）,一系列酶促反應(yīng) 無機(jī)催化劑 逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆發(fā)釋放,二、 兩條主要的呼吸鏈,概念 底物上的氫原于被脫氫酶激活后，經(jīng)一系列的電子載體，傳遞給氧而生成水。氫傳遞與氧化合的連鎖反應(yīng)稱為呼吸鏈或電子傳遞鏈,呼吸鏈組成,呼吸鏈位于線粒體內(nèi)膜形成呼吸酶集合體 4個(gè)復(fù)合體 NADH Q 還原酶 琥珀酸 Q 還原酶 Q H 2細(xì)胞色素c 細(xì)胞色素c氧化酶 2個(gè)單獨(dú)的成分 輔酶 Q 細(xì)胞色素c,兩種呼吸鏈,（一）NADH呼吸鏈,NAD是呼吸鏈中底物脫氫氧化作用中主要的電子受體 在底物的脫氫氧化作用中，NAD的煙酰胺環(huán)接受一個(gè)氫離子和兩個(gè)電子，另一個(gè)氫離子游

8、離于溶液中，形成NADH 十 H反應(yīng)式,1、NADHQ還原酶 催化的反應(yīng),NADHQ還原酶,NADH-Q還原酶是一個(gè)大的蛋白質(zhì)復(fù)合體，F(xiàn)MN和鐵-硫中心（Fe-S）是該酶的輔基，輔酶Q是該酶的輔酶，由輔基或輔酶負(fù)責(zé)傳遞電子和氫。 以FMN或FAD為輔基的蛋白質(zhì)統(tǒng)稱黃素蛋白。,鐵硫中心（Fe-S中心 ）,鐵硫中心主要以（ Fe-S ） (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在，鐵硫聚簇與蛋白質(zhì)結(jié)合稱為鐵硫蛋白。,輔酶Q,輔酶Q是醌的衍生物，有一個(gè)長的類異戊二烯的尾（n個(gè)）。它也稱為泛醌 n的數(shù)目因物種而異。哺乳動(dòng)物n為10，即有10個(gè)異戊二烯單位，其符號(hào)為Ql0 由于含有長的脂肪族側(cè)鏈，

9、有利于在線粒體內(nèi)膜擴(kuò)散。Q是很活躍的電子載體,接受電子后還原為QH2。,傳遞1：復(fù)合物I將來自NADH的電子傳遞給泛醌,在NADH脫氫酶的作用下，NADH將一個(gè)氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移給FMN，形成FMNH2。H，HH，e- H，e-FMNFMNH2FMNHFMN FMNH2經(jīng)兩步將2H傳給輔酶Q。輔酶Q一次接受一個(gè)電子，經(jīng)過半醌陰離子中間物（Q），最后達(dá)到充分還原態(tài)泛醌醇（QH2）。e- e-，2HQ Q QH2 每從NADH轉(zhuǎn)移一對(duì)電子給Q，將有4個(gè)質(zhì)子被轉(zhuǎn)移到膜間隙。,傳遞2：復(fù)合物II將電子由琥珀酸轉(zhuǎn)移到泛醌,復(fù)合物II琥珀酸-泛醌氧化還原酶（也稱琥珀酸脫氫酶復(fù)合物）接受來自琥珀酸的電子，同時(shí)催化

10、Q還原為QH2。 復(fù)合物II催化的電子傳遞過程。來自琥珀酸的兩個(gè)電子轉(zhuǎn)移給Q，F(xiàn)AD被一個(gè)氫負(fù)離子還原；還原型黃素的兩個(gè)單電子傳遞給3個(gè)鐵-硫簇。這一過程釋放的自由能很少，沒有質(zhì)子跨膜，主要是將琥珀酸氧化的電子引入電子傳遞鏈中。,輔酶Q可以接受來自復(fù)合物I或II的電子，然后再將電子傳給復(fù)合物III。幾種其它途徑的反應(yīng)也可以將電子傳給Q，如由甘油3-磷酸脫氫酶催化的反應(yīng)。,2、電子從QH2細(xì)胞色素c復(fù)合體的傳遞,細(xì)胞色素,輔酶Q獲得的電子再傳給QH2細(xì)胞色素C還原酶復(fù)合體。 復(fù)合體包括細(xì)胞色素b和c1，加上FeS。 細(xì)胞色素(Cytochrome，Cyt)是一類傳遞電子的蛋白質(zhì)，它含有血紅素輔基

11、。,細(xì)胞色素c和c1,細(xì)胞色素b中的血紅素不與蛋白質(zhì)共價(jià)結(jié)合 細(xì)胞色素c和c1中血紅素則通過硫醚鍵與蛋白質(zhì)共價(jià)相連結(jié),復(fù)合物III將電子由QH2傳給細(xì)胞色素c,復(fù)合物III又稱泛醌-細(xì)胞色素c氧化還原酶，含有9個(gè)或10個(gè)不同的亞基，一個(gè)2Fe-2S蛋白質(zhì)，細(xì)胞色素b和細(xì)胞色素c1。伴隨著一分子QH2的氧化，有4個(gè)質(zhì)子被轉(zhuǎn)移到線粒體膜間隙中（下圖），其中的兩個(gè)質(zhì)子來自QH2，另兩個(gè)來自基質(zhì)。單電子載體細(xì)胞色素c接受電子，沿著內(nèi)膜的胞液側(cè)移動(dòng)將其轉(zhuǎn)移給復(fù)合物IV。,3、電子從細(xì)胞色素C傳遞給氧分子,細(xì)胞色素c氧化酶復(fù)合體,還原型的Cytc將電子再傳遞給細(xì)胞色素c氧化酶復(fù)合體 這個(gè)復(fù)合體包括細(xì)胞色素

12、a、a3和Cu。a和a3具有不同的鐵卟啉輔基，稱為血紅素a。,血紅素a,血紅素a與c1和c的血紅素不同之處在于一個(gè)甲?；媪艘粋€(gè)甲基，一個(gè)碳?xì)滏湸媪艘蚁┗?也叫末端氧化酶。 由 cyt.a和a3 組成 復(fù)合物中除了含有鐵卟啉外，還含有2個(gè)銅原子（CuA，CuB）。Cyta與CuA相配合，cyta3與CuB相配合，當(dāng)電子傳遞時(shí)，在細(xì)胞色素的Fe3+ Fe2+間循環(huán)，同時(shí)在Cu2+ Cu+間循環(huán)，將電子從cytc直接傳遞給O2。,細(xì)胞色素氧化酶,復(fù)合物IV將電子從細(xì)胞色素c傳給O2,復(fù)合物IV細(xì)胞色素c氧化酶是呼吸電子傳遞鏈的最后一個(gè)成分，它催化分子氧（O2）4電子還原形成水（2H2O），并

13、將質(zhì)子轉(zhuǎn)移到膜間隙。哺乳動(dòng)物的復(fù)合物IV是個(gè)二聚體，含有細(xì)胞色素a 和a3，它們具有不同的還原電位。復(fù)合物IV還含有兩個(gè)銅離子（CuA和CuB），當(dāng)它們參與電子傳遞時(shí)，變換于Cu2+和Cu+兩種狀態(tài)之間。 細(xì)胞色素c氧化酶對(duì)質(zhì)子濃度梯度的貢獻(xiàn)有兩種方式（下圖）。 每傳遞一對(duì)電子（即為了還原O2中的每一個(gè)氧原子）就轉(zhuǎn)移兩個(gè)H 當(dāng)氧被還原為水時(shí)消耗基質(zhì)2H。,（二） FADH2 呼吸鏈,電子的傳遞是由FADH2傳給鐵硫中心，然后再傳給輔酶Q 由輔酶Q到O2之間的電子傳遞與NADH呼吸鏈完全相同,FADH2,FADH2是在三羧循環(huán)中由琥珀酸氧化成延胡索酸時(shí)形成。 琥珀酸脫氫酶的輔基是黃素腺嘌呤二核苷

14、酸(FAD)。 動(dòng)物體內(nèi)磷酸甘油脫氫酶和脂酰CoA脫氫酶的輔基也是FAD。,電子傳遞鏈的排列順序,從NADH和FADH2到O2之間的電子傳遞體在呼吸鏈中的排列順序是按照它們的還原電勢大小排成的 這個(gè)序列與它們對(duì)電子親和力的不斷增加順序相吻合,2,O,細(xì)胞色素,c,NADH,-,Q,NADH,QH,c,還原酶,細(xì)胞色素,FMN,FeS,Cytb,Cytc,琥珀酸,還原酶,Q,-,琥珀酸,FeS,FMN,CoQ,10,-,c,氧化酶,Cytc,Cyt,a,a,3,+,Cu,2+,1,三、胞液中NADH的氧化,胞液中的NADH不能通過線粒體內(nèi)膜而進(jìn)入線粒體 胞液中的NADH是怎么被氧化呢? 蘋果酸穿

15、梭作用 磷酸甘油穿梭作用,蘋果酸穿梭作用,主要在肝臟和心肌等組織,磷酸甘油穿梭作用,在某些肌肉組織和大腦里,四、氧化磷酸化作用,氧化磷酸化的部位 真核生物氧化磷酸化在線粒體中進(jìn)行 氧化磷酸化的概念 NADH和FADH2帶著轉(zhuǎn)移潛勢很高的電子，在呼吸鏈傳遞給氧的過程中，同時(shí)逐步釋放出自由能。使ADP 十Pi ATP，這個(gè)過程稱為氧化磷酸化作用(oxidative phosphorylation)。,NADH呼吸鏈的總反應(yīng),NADH 十 H 十 12 O2 十 3Pi 十 3ADP NAD 十 3ATP 十 4H2O,P：O比值 消耗一摩爾氧原子時(shí)，有多少摩爾原子的無機(jī)磷被脂化成有機(jī)磷，即產(chǎn)生多少

16、的ATP,呼吸鏈傳遞時(shí)自由能的下降,根據(jù)熱力學(xué)測定 從NADH到低能量的NADHQ還原酶的FeS中心時(shí)，電子傳遞產(chǎn)生自由能(G)為一50.24kJmol 電子從細(xì)胞色素bC1，G為一41.87kJmol 在細(xì)胞色索C氧化酶復(fù)合體中從細(xì)胞色素a到O2，G為 一100.48kJmol 這些氧化還原反應(yīng)都放出足夠的能量，可以在標(biāo)準(zhǔn)狀況下推動(dòng)ATP的合成(G一30.56kJmol) 其它電子傳遞反應(yīng)，即在輔酶Q和細(xì)胞色素c之間其G值太小，不足以支持ATP的生成,呼吸鏈傳遞時(shí)自由能的下降圖,兩種呼吸鏈,呼吸鏈傳遞時(shí)ATP的產(chǎn)生,根據(jù)以上能量的測定及抑制阻斷實(shí)驗(yàn)都證明，當(dāng)電子從NADH或FADH2經(jīng)過呼吸

17、鏈而傳遞到氧時(shí)，在呼吸鏈的三個(gè)部位產(chǎn)生ATP 部位I是NADHQ還原酶復(fù)合體 部位是QH2細(xì)胞色素C還原酶復(fù)合體 部位是細(xì)胞色素c氧化酶復(fù)合體 每一部位產(chǎn)生1分子ATP，所以NADH呼吸鏈產(chǎn)生3分子ATP，而FADH2只在部位、產(chǎn)生2個(gè)ATP NDAH氧化P/O=3 FADH2氧化P/O=2,電子傳遞抑制劑,抑制劑魚滕酮等可以抑制NADH電子傳遞給輔酶Q，因此部位I不生成ATP，但不抑制FADH2的電子傳遞，因此FADH2呼吸鏈仍能獲得ATP 抗霉素A抑制細(xì)胞色素b電子傳給C1，因此部位形成不了ATP 氰化物(CN)、疊氮(N3)化物和一氧化碳抑制細(xì)胞色素氧化酶電子傳遞給氧，所以部位不產(chǎn)生AT

18、P,電子傳遞抑制劑圖,五、化學(xué)滲透假說 氧化磷酸化的作用機(jī)理,電子沿呼吸鏈傳遞時(shí)釋出的能量用于形成一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度 這種梯度用以驅(qū)動(dòng)ATP的合成 ATP真正的合成是通過ATP酶。,氧化磷酸化機(jī)制,ATP酶復(fù)合體,第五節(jié)其他生物氧化體系,一、需氧脫氫酶,生物體內(nèi)還有一類需氧脫氫酶，即在有氧條件下才脫氫。 脫下的氫立即交給分子氧，使其激活生成H2O2。,二、過氧化氫酶和過氧化物酶,過氧化氫酶和過氧化物酶都是以鐵卟啉為輔基的酶類。在生物氧化過程中，它們并不參與傳遞氫和電子的作用，主要分解生物氧化中產(chǎn)生的H2O2。,三、加氧酶,加單氧酶 它能使多種脂溶性物質(zhì)，諸如藥物、毒物、類固醇等化合物氧

19、化。它所催化的反應(yīng)，都是在底物分子中加一個(gè)氧原子，因此稱為加單氧酶。它氧化固醇類激素是通過NADPH、細(xì)胞色素P450及氧而進(jìn)行的，這個(gè)反應(yīng)需要Mg2+ 加氧酶,四、超氧化物歧化酶,超氧化物歧化酶，簡稱SOD(super oxide dismutase)是一類廣泛存在于動(dòng)、植物及微生物中的含金屬酶類。 功能是催化超氧離子自由基的歧化反應(yīng)。,小 結(jié),氧化磷酸化是由兩個(gè)緊密偶聯(lián)的現(xiàn)象組成的。（1）底物通過呼吸電子傳遞鏈被氧化，同時(shí)伴隨著質(zhì)子跨內(nèi)線粒體膜的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)子濃度梯度；（2）通過質(zhì)子沿ATP合成酶中的通道向線粒體基質(zhì)的流動(dòng)驅(qū)動(dòng)ATP的生成。 由蛋白質(zhì)和輔助因子組成的復(fù)合物IIV和ATP

20、合成酶參與氧化磷酸化。電子流通過這些復(fù)合物一般是根據(jù)不同成分的相對(duì)電位進(jìn)行的。來自NADH的電子流通過復(fù)合物I，III，IV；而來自琥珀酸的電子流是經(jīng)過復(fù)合物II引入的。幾種輔助因子參與電子轉(zhuǎn)移，其中包括FMN，F(xiàn)AD，鐵-硫簇，銅原子，細(xì)胞色素和泛醌。泛醌連接著復(fù)合物I，II和復(fù)合物III，而細(xì)胞色素c連接著復(fù)合物III和復(fù)合物IV。,電子通過復(fù)合物I、復(fù)合物III和復(fù)合物IV轉(zhuǎn)移時(shí)都會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子移位到膜間隙，但通過復(fù)合物II的電子轉(zhuǎn)移對(duì)質(zhì)子濃度梯度沒有貢獻(xiàn)。復(fù)合物IV最后將電子從細(xì)胞色素c轉(zhuǎn)移給O2，生成H2O。 質(zhì)子經(jīng)過FoF1ATP合成酶中的Fo成分重新進(jìn)入線粒體基質(zhì)。質(zhì)子流驅(qū)動(dòng)F1AT

21、P合成酶將ADP和Pi合成為ATP。 胞液中的NADH進(jìn)入線粒體內(nèi)有兩種途徑：甘油磷酸穿梭途徑和蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑。胞液中的NADH經(jīng)甘油磷酸穿梭途徑轉(zhuǎn)換為線粒體的QH2；經(jīng)蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑轉(zhuǎn)換為線粒體的NADH。,名詞術(shù)語,呼吸電子傳遞鏈（respiratory electron-transport chain）：由一系列可作為電子載體的酶復(fù)合體和輔助因子構(gòu)成，可將來自還原型輔酶或底物的電子傳遞給有氧代謝的最終電子受體分子氧（O2）。 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)：電子從一個(gè)底物傳遞給分子氧的氧化與酶催化的由ADP和Pi生成ATP的磷酸化相偶聯(lián)的過程。 化學(xué)滲透理論(chemiosmotic theory)：一種學(xué)說，主要論點(diǎn)是底物氧化期間建立的質(zhì)子濃度梯度提供了驅(qū)動(dòng)由ADP和Pi形成ATP的能量。,P/O比(P/O ratio)：在氧化磷酸化中，每1/2O2被還原時(shí)形成的ATP的摩爾數(shù)。電子從NADH傳遞給O2時(shí)，P/O比為3，而電子從FADH2傳遞給O2時(shí)，P/O比為2。 高能化合物(high energy compound)：在標(biāo)準(zhǔn)條件下水解時(shí)自由能大幅度減少的化合物。一般是指水解釋放的能量能驅(qū)動(dòng)ADP磷酸化合成ATP的化合物。,思考題,三羧酸循環(huán)沒有氧參與，為何被稱為