第七章生物氧化

1、第七章  生物氧化本章要點      生物氧化、電子傳遞鏈、氧化磷酸化的概念一、    生物氧化的特點能量是一切生物機(jī)體活動所必需的。來源主要是生物體內(nèi)糖、脂肪和蛋白質(zhì)等有機(jī)物的氧化分解。食物中的糖、脂肪和蛋白質(zhì)統(tǒng)稱為人體的三大營養(yǎng)素。有機(jī)分子（糖、蛋白質(zhì)、脂肪等）在機(jī)體內(nèi)氧化分解成二氧化碳和水并釋放能量的過程稱為生物氧化（biological oxidation）。生物氧化實際上是需氧細(xì)胞呼吸作用中的一系列氧化還原反應(yīng)，所以又稱為細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸。體內(nèi)進(jìn)行的生物氧化反應(yīng)類型有電子轉(zhuǎn)移、氫原子轉(zhuǎn)移和有機(jī)

2、還原劑直接加氧，常伴隨有水的生成。在對營養(yǎng)素進(jìn)行生物氧化過程中，有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)楹然衔铮撊ヴ然蒀O2釋放出來。生物氧化的意義就在于能為機(jī)體提供生命活動所需的能量。在真核細(xì)胞內(nèi)，生物氧化在線粒體中進(jìn)行；在原核細(xì)胞內(nèi)，生物氧化在細(xì)胞膜上進(jìn)行。1、生物氧化的特點：l        化學(xué)本質(zhì)與體外的燃燒相同l        在體溫、近于中性的含水環(huán)境中由酶催化l        能量逐步釋

3、放，部分存于ATPl        分為線粒體氧化體系和非線粒體氧化體系2、CO2的生成：生物體內(nèi)CO2的生成來源于有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)楹然衔锏拿擊茸饔?。直接脫羧CH3CCOOHOCH3CHO + CO2丙酮酸脫羧酶（-脫羧）HOOCC H2C COOH    丙酮酸羧化酶CH3CCOOH + CO2OO（-脫羧）       氧化脫羧：在脫羧過程中伴隨著氧化（脫氫）。  HOOCCH2CHOHCOOHCH3CCOOH

4、 + CO2NADP+NADPH + H+O3、H2O的生成       代謝物脫下的氫，經(jīng)生物氧化作用和吸入的氧結(jié)合生成水。生物體主要以脫氫酶、傳遞體及氧化酶組成生物氧化體系，以促進(jìn)水的生成。MH2M遞氫體遞氫體H2  NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ還原型氧化型2H+2e½ O2O2-H2O脫氫酶氧化酶Cyt遞電子體b, c1, c, aa3二、    電子傳遞鏈代謝物分子中的氫先經(jīng)脫氫酶激活而脫出，脫下的氫需經(jīng)一個或幾個中間傳遞體按一定的順序傳遞，最終與分子氧結(jié)合成水

5、。整個氫或電子的傳遞過程即為呼吸鏈或電子傳遞體系。根據(jù)接受氫的初受體不同，典型的呼吸鏈有兩種：NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈。MH2NADHFMNCoQbc1caa3O2FAD魚藤酮安密妥抑制劑：抗霉素A氰化物，CO，疊氮化合物在電子的傳遞過程中，電子的傳遞可能僅發(fā)生在兩個相鄰的傳遞體之間，它的傳遞方向取決于每個電子所具電化學(xué)勢能的大小。電子傳遞還伴有H的結(jié)合和釋放，通過這種步驟，使H能夠定向轉(zhuǎn)移，通過H的定向轉(zhuǎn)移以維持質(zhì)子的跨膜電勢，從而推動ATP的合成。呼吸鏈的主要成分：l        以NAD或NADP為輔酶的脫氫

6、酶類氧化還原酶、催化底物的脫氫反應(yīng)                      l        黃素蛋白催化底物脫氫（黃素脫氫酶如琥珀酸脫氫酶、?；o酶A脫氫酶等）或傳遞氫（黃素遞氫體如NADH脫氫酶）          

7、0;l        鐵硫蛋白含有非血紅素鐵（NHI）和對酸不穩(wěn)定的硫。因分子中含有等量的鐵和硫原子構(gòu)成活性中心，稱為活性中心或鐵硫簇，其中鐵原子還與蛋白質(zhì)分子中的半胱氨酸殘基的S結(jié)合。目前發(fā)現(xiàn)的鐵硫蛋白有9種：FeS、 Fe2S2 、Fe3S3、 Fe4S4 、Fe5S5 、Fe6S6等。哺乳動物中大多數(shù)鐵硫中心是Fe4S4。                

8、0;        鐵硫中心的作用是傳遞電子，通過鐵的3價變2價或2價變3價進(jìn)行的。從NADH脫氫酶到氧的呼吸鏈中，至少有7個不同的鐵硫中心：4個與NADH脫氫酶結(jié)合成復(fù)合物；2個與細(xì)胞色素b結(jié)合；1個與細(xì)胞色素c1結(jié)合。l        泛醌（Q）黃色脂溶性醌類化合物，在生物界廣泛存在；又稱為輔酶Q（CoQ）。線粒體中唯一不與蛋白結(jié)合的電子載體，以兩種形式存在：結(jié)合到膜上和游離的。    哺乳動物組織中的泛醌有10個異戊二烯

9、單位，常以Q10表示。泛醌可接受黃素蛋白脫下的氫（黃素遞氫體和黃素脫氫酶），在電子傳遞鏈中處于中心地位。          l        細(xì)胞色素類（cytochromes）含鐵卟啉的電子載體，依靠鐵原子化合價的變化來傳遞電子。細(xì)胞色素類是呼吸鏈中將電子從輔酶Q傳遞到氧的專一酶類。線粒體的電子傳遞鏈至少含有5種：b、c、c1、a、a3。細(xì)胞色素b、c1、a、a3整合在一起存在。在典型的線粒體呼吸鏈中，電子傳遞順序為：bc1caa3O

10、2。細(xì)胞色素b是跨膜蛋白，在一條多肽鏈連接了2個血紅素輔基；細(xì)胞色素c 松弛地結(jié)合于線粒體內(nèi)膜表面，是電子傳遞鏈中唯一水溶性組分。細(xì)胞色素a和a3還不能分開，結(jié)合在一起形成聚合體（細(xì)胞色素氧化酶）。在a和a3之間傳遞電子的是2個銅原子。除細(xì)胞色素a3外，其余的細(xì)胞色素的輔基與肽鏈上的2個半胱氨酸殘基結(jié)合成硫醚鍵，鐵原子的6個配位鍵中，4個與卟啉環(huán)的N生成配合物；另外2個與蛋白質(zhì)部分的His和Met相結(jié)合，因此不能與別的化合物結(jié)合。而細(xì)胞色素a3的鐵原子只能形成5個配位鍵，還保留1個配位鍵，其正常功能是與O2結(jié)合。       呼吸鏈的

11、上述成員按一定的順序傳遞氫或電子，在體內(nèi)多數(shù)代謝物（如乳酸、丙酮酸、蘋果酸等）的氧化是通過相應(yīng)的以DNA為輔酶的脫氫酶作用而脫氫，生成的NADH再通過以FMN為輔基的NADH脫氫酶的作用將氫和電子依次傳遞給CoQ和Cyt體系，最終與分子氧結(jié)合成水，同時時放出大量的化學(xué)能。這樣的呼吸鏈稱為NADH呼吸鏈。       體內(nèi)還有少數(shù)代謝物（如琥珀酸、脂酰輔酶A等）其脫氫酶通過輔基FAD直接將氫傳遞給CoQ，少了一步脫氫輔酶的遞氫，所以此類呼吸鏈稍短一些，釋放的能量也少一些，這樣的呼吸鏈稱為FAD呼吸鏈。l   

12、;     呼吸鏈復(fù)合體呼吸鏈中的各種組份緊密地鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，并非分開獨(dú)立存在，而是結(jié)合成在功能上相關(guān)的4種脂溶性復(fù)合體，稱為呼吸鏈復(fù)合物。l        復(fù)合物I包括NADH脫氫酶和鐵硫蛋白l        復(fù)合物II由琥珀酸脫氫酶等的黃素蛋白和鐵硫蛋白組成l        復(fù)合物III包括Cyt b和c1以及鐵硫蛋白l 

13、60;      復(fù)合物IV包括Cyt a和a3CoQ是復(fù)合物I、II和III之間的連接者。Cyt c是水溶性的，在復(fù)合物III和IV之間傳遞電子。三、    氧化磷酸化作用生物氧化釋放的能量，除部分用以維持體溫外，大部分通過磷酸化作用轉(zhuǎn)至高能磷酸化合物如ATP中。體內(nèi)生成ATP的方式有兩種：底物水平磷酸化和氧化磷酸化。1、底物水平磷酸化：在有些物質(zhì)代謝過程中，當(dāng)?shù)孜锓肿悠鸹瘜W(xué)變化時，因脫氫、脫水等作用使能量在分子內(nèi)部重新分布而形成高能磷酸化合物，然后將高能磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給ADP形成ATP，這種合成ATP的方式稱為底

14、物水平磷酸化。它與氧的存在與否無關(guān)。2、氧化磷酸化：生物氧化過程中，代謝物脫出的氫或電子沿呼吸鏈傳遞給氧形成水的過程中，逐步釋放的自由能用于ADP與無機(jī)磷酸化合生成ATP。P/O比值：在電子傳遞體系磷酸化中，在一定時間內(nèi)所消耗的氧（以克原子計）與所產(chǎn)生的ATP數(shù)目的比值。NADH的P/O=3FADH2的P/O=2 NADHFMNCoQbc1caa3O2PPP3ADP3ATP氧化磷酸化作用機(jī)理：l        化學(xué)滲透學(xué)說：氧化磷酸化作用的關(guān)鍵因素是質(zhì)子（H+）梯度和完整的線粒體內(nèi)膜。MH2MNAD+2H+FeS2

15、e2H+FMN2H+Cytb2H+2eCoQ2H+Cytc1CytcCytaa32e½ O2O2-X- + IO-XHIOHH2OXIXIXI   頭部ATP合酶ADP +PiATP2H+X- +IO-H2O化學(xué)滲透學(xué)說l        化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說形成高能中間產(chǎn)物，促使ATP生成l        結(jié)構(gòu)偶聯(lián)學(xué)說Ared + Box   2eA*ox +BredA*ox + ADP +Pi   Ao

16、x + ATP3、胞液中NADH的氧化磷酸化：NADH + H+NAD+二羥磷酸丙酮甘油-磷酸甘油-磷酸穿梭作用甘油-磷酸FAD二羥磷酸丙酮FADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2 酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+蘋果酸蘋果酸NAD+草酰乙酸NADH天冬氨酸NADH呼吸鏈蘋果酸-天冬氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)NADH系統(tǒng)4、非線粒體氧化體系與ATP合成無關(guān)，但具有重要生理功能。l        微粒體氧化體系主要在細(xì)胞的光滑內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上進(jìn)行。催化分子氧中二個氧原子分別進(jìn)行不同的反應(yīng)。一個O加到底物分子上，另一個O則與NADP

17、H上的二個H作用形成H2O，不生成ATP。加單氧酶。生理功能：膽酸生成中環(huán)核羥化；不飽和脂肪酸雙鍵引進(jìn)；維生素D活化；藥物、致癌物和毒物的氧化解毒等。l        過氧化物酶體系在過氧化物酶體上進(jìn)行的較為簡單的氧化反應(yīng)。過氧化物酶體含有較多的需氧脫氫酶，可以催化氨基酸、黃嘌呤等代謝脫氫、加氧，并生成H2O2。RCHCOOH +O2 + H2ONH2RCCOOH + H2O2 + NH3OH2O2的功用：參與甲狀腺中活性碘的生成；在中性粒細(xì)胞中可殺死被吞噬進(jìn)的細(xì)菌；使過氧化物（ROOH）轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒的醇類。H2O2的毒性：使

18、酶失活；損傷膜功能；生成脂褐素顆粒。2H2O2                           2H2O  +  O2過氧化氫酶R + H2O2