生化課件第六章生物氧化

1、生物氧化生物氧化 生物氧化生物氧化（biological oxidation）是指）是指細(xì)胞內(nèi)的糖、蛋白質(zhì)和脂肪進(jìn)行氧化分解細(xì)胞內(nèi)的糖、蛋白質(zhì)和脂肪進(jìn)行氧化分解而生成而生成CO2和和H2O，并釋放能量的過程。，并釋放能量的過程。 生物氧化實(shí)際上是需氧細(xì)胞呼吸作用中生物氧化實(shí)際上是需氧細(xì)胞呼吸作用中的一系列氧化還原反應(yīng)。的一系列氧化還原反應(yīng)。 一、生物氧化的特點(diǎn)一、生物氧化的特點(diǎn)1. 生物氧化是在生物氧化是在細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的，真核生物在線粒體，進(jìn)行的，真核生物在線粒體，原核生物在細(xì)胞膜上進(jìn)行。原核生物在細(xì)胞膜上進(jìn)行。2. 物質(zhì)物質(zhì)氧化的方式是脫氫氧化的方式是脫氫，脫下的氫經(jīng)一系列傳遞，脫下的氫

2、經(jīng)一系列傳遞與氧結(jié)合生成水。與氧結(jié)合生成水。3. 在氫傳遞給氧的過程中在氫傳遞給氧的過程中逐步釋放自由能逐步釋放自由能，推動(dòng)，推動(dòng)ATP合成及生命活動(dòng)需要。合成及生命活動(dòng)需要。4. 二氧化碳二氧化碳的生成是由于糖、脂類和蛋白質(zhì)等物質(zhì)的生成是由于糖、脂類和蛋白質(zhì)等物質(zhì)轉(zhuǎn)變成含羧基的化合物后發(fā)生轉(zhuǎn)變成含羧基的化合物后發(fā)生直接脫羧或氧化脫直接脫羧或氧化脫羧產(chǎn)生的羧產(chǎn)生的。生物氧化中生物氧化中H2O的生成的生成代謝物代謝物MH2M脫氫酶脫氫酶氧化型氧化型還原型還原型一個(gè)或多個(gè)傳遞體一個(gè)或多個(gè)傳遞體氧化酶氧化酶H2O1/2O2生物氧化中生物氧化中CO2的生成的生成2. 氧化脫羧作用，氧化脫羧作用，如如-

3、酮戊二酸的氧化脫羧酮戊二酸的氧化脫羧1. 直接脫羧作用，直接脫羧作用，如草酰乙酸的脫羧如草酰乙酸的脫羧草酸乙酸草酸乙酸+GTP磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸+ CO2+ GDP第一節(jié)第一節(jié) 自由能自由能自由能自由能是指一個(gè)化合物分子結(jié)構(gòu)中所固有的是指一個(gè)化合物分子結(jié)構(gòu)中所固有的能量，是一種能在恒溫、恒壓條件下作功的能量，是一種能在恒溫、恒壓條件下作功的能量。能量。如果如果 A B , 則則G GB GAG 0，供給能量才能進(jìn)行，吸能反應(yīng)。，供給能量才能進(jìn)行，吸能反應(yīng)。G = 0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。 G 僅決定于反應(yīng)物（初始狀態(tài)）的自由能與產(chǎn)僅決定于反應(yīng)物（初始狀態(tài)）的自由

4、能與產(chǎn)物（最終狀態(tài)）的自由能；與反應(yīng)途徑、反應(yīng)機(jī)理、物（最終狀態(tài)）的自由能；與反應(yīng)途徑、反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)速度無關(guān)。反應(yīng)速度無關(guān)。第二節(jié)第二節(jié) ATP 生物體內(nèi)有許多磷酸化合物，當(dāng)其磷酰生物體內(nèi)有許多磷酸化合物，當(dāng)其磷?；鈺r(shí)，釋放大量的能量，這些化合物稱基水解時(shí)，釋放大量的能量，這些化合物稱為為高能磷酸化合物高能磷酸化合物。如。如 ATP。 一般將水解時(shí)能夠釋放一般將水解時(shí)能夠釋放21 kJ /mol 以上自由能以上自由能（ G -21 kJ / mol）的化合物稱為）的化合物稱為高能化合物高能化合物。如：如：磷酸烯醇式丙酮酸、磷酸肌酸等。磷酸烯醇式丙酮酸、磷酸肌酸等。O-POO-NNNNNH

5、2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷） 嚴(yán)格的說，嚴(yán)格的說，ATP不是能量的貯存者，不是能量的貯存者，而是能量的攜帶者和傳遞者。而是能量的攜帶者和傳遞者。 磷酸肌酸磷酸肌酸存在于肌肉、腦和神經(jīng)組織中，存在于肌肉、腦和神經(jīng)組織中，它可與它可與ATP相互轉(zhuǎn)化。相互轉(zhuǎn)化。ATP多時(shí)，以磷酸肌酸多時(shí)，以磷酸肌酸的形式貯能；的形式貯能；ATP不足時(shí)，磷酸肌酸轉(zhuǎn)化為不足時(shí)，磷酸肌酸轉(zhuǎn)化為ATP。因而可認(rèn)為磷酸肌酸是。因而可認(rèn)為磷酸肌酸是ATP的貯存庫。的貯存庫。二、兩條主要的呼吸鏈二、兩條主要的呼吸鏈 在生物氧化過程中，從代謝物上脫下的在生物氧化過程中，從代

6、謝物上脫下的氫由一系列傳遞體依次傳遞，最后與氧形成氫由一系列傳遞體依次傳遞，最后與氧形成水的整個(gè)體系稱為水的整個(gè)體系稱為呼吸鏈（呼吸鏈（respiratory chain）。由于在傳遞過程中，在很多部位。由于在傳遞過程中，在很多部位氫原子實(shí)際上以質(zhì)子（氫原子實(shí)際上以質(zhì)子（H+）形式進(jìn)入基質(zhì)，）形式進(jìn)入基質(zhì)，僅發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，因此呼吸鏈又稱為僅發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，因此呼吸鏈又稱為電子傳電子傳遞鏈（遞鏈（electron-transport chain）。電子傳遞鏈基本組分為：電子傳遞鏈基本組分為：1. 煙酰胺腺嘌呤核苷酸（煙酰胺腺嘌呤核苷酸（NAD+）2. 黃素蛋白（黃素蛋白（FMN、FAD）3. 鐵硫

7、蛋白（鐵硫蛋白（FeS）4. 泛醌（輔酶泛醌（輔酶Q，CoQ）5. 細(xì)胞色素（細(xì)胞色素（cyt） NADH是由是由NAD+接受多種代謝產(chǎn)物脫氫接受多種代謝產(chǎn)物脫氫得到的產(chǎn)物。它所攜帶的高能電子是線粒得到的產(chǎn)物。它所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。體呼吸鏈主要電子供體之一。 FMN通過異咯嗪環(huán)第通過異咯嗪環(huán)第1位和第位和第10位上的兩位上的兩個(gè)氮原子反復(fù)進(jìn)行加氫和脫氫反應(yīng)。個(gè)氮原子反復(fù)進(jìn)行加氫和脫氫反應(yīng)。 Fe-S 它主要以它主要以 (2Fe-2S) 或或 (4Fe-4S) 形式形式存在。鐵硫蛋白通過存在。鐵硫蛋白通過Fe3+ Fe2+ 變化起傳遞變化起傳遞電子的作用。電子的作用。

8、2Fe-2S4Fe-4S CoQ它是電子傳它是電子傳遞鏈中唯一的非蛋遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為一白電子載體。為一種脂溶性醌類化合種脂溶性醌類化合物。物。 Q (醌型結(jié)構(gòu)醌型結(jié)構(gòu)) 很容易很容易接受電子和質(zhì)子，還原接受電子和質(zhì)子，還原成成QH2（還原型）；（還原型）；QH2也容易給出電子和也容易給出電子和質(zhì)子，重新氧化成質(zhì)子，重新氧化成Q。 細(xì)胞色素細(xì)胞色素是一類含有血紅素輔基的電子是一類含有血紅素輔基的電子傳遞蛋白的總稱。傳遞蛋白的總稱。 線粒體呼吸鏈中主要含有線粒體呼吸鏈中主要含有cyta、cyta3、cytb、cytc和和cytc1 5種。組成它們的輔基分別種。組成它們的輔基分別為血紅

9、素為血紅素A、B和和C。 細(xì)胞色素主要是通過細(xì)胞色素主要是通過Fe3+ Fe2+ 的互變的互變起傳遞電子的作用的。起傳遞電子的作用的。 線粒體末端氧化呼吸鏈有兩條：線粒體末端氧化呼吸鏈有兩條：NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈和和 FADH2氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈 兩條呼吸鏈中除兩條呼吸鏈中除CoQ和和cytc外，其余組分形成嵌外，其余組分形成嵌入內(nèi)膜的結(jié)構(gòu)化超分子復(fù)合體。這些復(fù)合體有入內(nèi)膜的結(jié)構(gòu)化超分子復(fù)合體。這些復(fù)合體有4類：類：. NADH-Q還原酶還原酶. 琥珀酸琥珀酸Q還原酶還原酶. QH2 細(xì)胞色素細(xì)胞色素c還原酶還原酶. 細(xì)胞色素細(xì)胞色素c氧化酶氧化酶 電子傳遞排列順序：電子傳遞排列順序

10、：FADH2NADH-Q還原酶還原酶琥珀酸琥珀酸Q還原酶還原酶QH2 細(xì)胞細(xì)胞色素色素c還原酶還原酶細(xì)胞色素細(xì)胞色素c氧化酶氧化酶NADHCoQcyt cO2線粒體呼吸鏈線粒體呼吸鏈Four multi-protein Complexes (I, II, III, and IV)Two mobileElectron carriersIIIIIIIV電子傳遞鏈的抑制電子傳遞鏈的抑制第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 氧化氧化磷酸化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指生物體氧化過程中釋放出自由能驅(qū)動(dòng)是指生物體氧化過程中釋放出自由能驅(qū)動(dòng)ADP磷酸化形成磷酸化形成A

11、TP的過程。的過程。 ATP合成的方式有兩種：合成的方式有兩種： 1. 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 2. 氧化磷酸化氧化磷酸化 氧化氧化磷酸化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 是是指生物體氧化過程中釋放出自由能驅(qū)動(dòng)指生物體氧化過程中釋放出自由能驅(qū)動(dòng)ADP磷磷酸化形成酸化形成ATP的過程。的過程。 四、氧化磷酸化作用四、氧化磷酸化作用 磷氧比（磷氧比（P/O）是指一對電子通過呼吸是指一對電子通過呼吸鏈傳遞到氧時(shí)所產(chǎn)生的鏈傳遞到氧時(shí)所產(chǎn)生的ATP的分子數(shù)的分子數(shù). (每消每消耗一原子氧時(shí)，產(chǎn)生多少摩爾耗一原子氧時(shí)，產(chǎn)生多少摩爾ATP.) 根據(jù)氧化根據(jù)氧化-還原電勢與

12、自由能變化關(guān)系式，計(jì)算還原電勢與自由能變化關(guān)系式，計(jì)算出在出在NADH氧化過程中，有三個(gè)反應(yīng)的氧化過程中，有三個(gè)反應(yīng)的 G -30.5 kJ / mol。 NADH-Q還原酶還原酶 QH2 細(xì)胞色素細(xì)胞色素c 細(xì)胞色素細(xì)胞色素c氧化酶氧化酶 NADH Co Q cyt b cyt c1 cyt aa3 O2 G -50.24 -41.87 -100.48 這三個(gè)反應(yīng)分別與這三個(gè)反應(yīng)分別與ADP的磷?；磻?yīng)偶聯(lián)，推的磷?；磻?yīng)偶聯(lián)，推動(dòng)動(dòng)ATP產(chǎn)生。這些反應(yīng)稱為呼吸鏈的偶聯(lián)部位。產(chǎn)生。這些反應(yīng)稱為呼吸鏈的偶聯(lián)部位。從從FADH2 O2 只有只有2個(gè)部位可推動(dòng)個(gè)部位可推動(dòng)ATP產(chǎn)生產(chǎn)生. 根據(jù)氧化

13、根據(jù)氧化-還原電勢與自由能變化關(guān)系式，計(jì)算還原電勢與自由能變化關(guān)系式，計(jì)算出在出在FADH2氧化過程中，有二個(gè)反應(yīng)的氧化過程中，有二個(gè)反應(yīng)的 G -30.5 kJ / mol。 QH2 細(xì)胞色素細(xì)胞色素c 細(xì)胞色素細(xì)胞色素c氧化酶氧化酶 cyt b cyt c1 cyt aa3 O2 G -41.87 -100.48 這二個(gè)反應(yīng)分別與這二個(gè)反應(yīng)分別與ADP的磷?；磻?yīng)偶聯(lián)，推的磷酰化反應(yīng)偶聯(lián)，推動(dòng)動(dòng)1-2分子分子ATP產(chǎn)生產(chǎn)生,即磷氧比即磷氧比(P/O)大于大于1.1. ATP合酶（合酶（ATP synthase） ATP合酶合酶由兩個(gè)主要單元構(gòu)成，一是起由兩個(gè)主要單元構(gòu)成，一是起質(zhì)子通道作用

14、的單元稱為質(zhì)子通道作用的單元稱為F0單元單元，另一是催，另一是催化化ATP合成的單元稱為合成的單元稱為F1單元單元。故。故ATP合酶合酶又稱又稱F0 F1 酶（酶（ F0 F1 ATPase） 。該酶又。該酶又稱稱復(fù)合體復(fù)合體 五、化學(xué)滲透假說五、化學(xué)滲透假說 ATP合酶將電子傳遞與氧化磷酸化合酶將電子傳遞與氧化磷酸化偶聯(lián)在一起偶聯(lián)在一起.a. 線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€(gè)質(zhì)子泵；線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€(gè)質(zhì)子泵；b. 在電子傳遞鏈中，電子由高能狀態(tài)傳遞到在電子傳遞鏈中，電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時(shí)釋放出來的能量，用于驅(qū)動(dòng)膜內(nèi)低能狀態(tài)時(shí)釋放出來的能量，用于驅(qū)動(dòng)膜內(nèi)側(cè)的側(cè)的H+遷移到膜外側(cè)。

15、這樣，在膜的內(nèi)側(cè)與遷移到膜外側(cè)。這樣，在膜的內(nèi)側(cè)與外側(cè)就產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度外側(cè)就產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度 ( pH) 和電位梯和電位梯度（度（）；）；2. 化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說的要點(diǎn)是：的要點(diǎn)是：c. 在膜內(nèi)外勢能差（在膜內(nèi)外勢能差（ pH 和和）的驅(qū)動(dòng)下，）的驅(qū)動(dòng)下，膜外高能質(zhì)子沿著一個(gè)特殊通道（膜外高能質(zhì)子沿著一個(gè)特殊通道（ATP酶的酶的組成部分），跨膜回到膜內(nèi)側(cè)。質(zhì)子跨膜過組成部分），跨膜回到膜內(nèi)側(cè)。質(zhì)子跨膜過程中釋放的能量，直接驅(qū)動(dòng)程中釋放的能量，直接驅(qū)動(dòng)ADP和磷酸合成和磷酸合成ATP。質(zhì)子流經(jīng)質(zhì)子流經(jīng)ATP合成酶時(shí)合成酶時(shí),每每3個(gè)質(zhì)子回流可個(gè)質(zhì)子回流可推動(dòng)推動(dòng)1個(gè)個(gè)ADP合成合成1

16、個(gè)個(gè)ATP.每個(gè)每個(gè)ATP從線粒體基質(zhì)運(yùn)出線粒體需要從線粒體基質(zhì)運(yùn)出線粒體需要1個(gè)質(zhì)子回流個(gè)質(zhì)子回流.因此因此,基質(zhì)每合成基質(zhì)每合成1個(gè)個(gè)ATP并將之運(yùn)出需要并將之運(yùn)出需要4個(gè)質(zhì)子回流個(gè)質(zhì)子回流.氧化磷酸化的解偶聯(lián)氧化磷酸化的解偶聯(lián) 解偶聯(lián)劑（解偶聯(lián)劑（uncoupler）作用是使電子傳）作用是使電子傳遞和遞和ATP生成的兩個(gè)過程分離。它只抑制生成的兩個(gè)過程分離。它只抑制ATP的形成，而不抑制電子傳遞過程。的形成，而不抑制電子傳遞過程。如：如：2,4二硝基苯酚（二硝基苯酚（DNP）一對電子從一對電子從NADH傳遞到傳遞到O2,有有4+4+2=10個(gè)質(zhì)子被泵出個(gè)質(zhì)子被泵出;一對電子從一對電子從F

17、ADH2傳遞到傳遞到O2,有有4+2=6個(gè)質(zhì)子被泵出個(gè)質(zhì)子被泵出.所以所以,一對電子從一對電子從NADH傳遞到傳遞到O2共可產(chǎn)共可產(chǎn)生生10/4=2.5個(gè)個(gè)ATP;一對電子從一對電子從FADH2傳遞傳遞到到O2共可產(chǎn)生共可產(chǎn)生6/4=1.5個(gè)個(gè)ATP.三、細(xì)胞液中三、細(xì)胞液中NADH的氧化的氧化 NADH從細(xì)胞液進(jìn)入線粒體的途徑：從細(xì)胞液進(jìn)入線粒體的途徑：1. 蘋果酸天冬氨酸穿梭途徑蘋果酸天冬氨酸穿梭途徑 (malate-aspartate shuttle system )：主要存在于心臟和肝細(xì)胞中。：主要存在于心臟和肝細(xì)胞中。 2. 磷酸甘油穿梭途徑磷酸甘油穿梭途徑 (glycerol 3-phosphate shuttle system) ：主要存在于肌肉細(xì)胞中。：主要存在于肌肉細(xì)胞中。蘋果酸天冬氨酸穿梭途徑蘋果酸天冬氨酸穿梭途徑蘋果酸蘋果酸天冬氨酸天冬氨酸蘋果酸蘋果酸天冬氨酸天冬氨酸草酰乙酸草酰