第14章生物氧化

1、Chapter14 Biological OxidationO2第一節(jié)第一節(jié) 生物氧化的涵義生物氧化的涵義及其與物質代謝的關系及其與物質代謝的關系1. 生物氧化概念生物氧化概念-有機物質在活細胞內氧化有機物質在活細胞內氧化分解，產生分解，產生CO2、H2O，釋放能量的作用稱生，釋放能量的作用稱生物氧化物氧化 （Biological Oxidation）。）。乙酰乙酰CoA 呼吸鏈呼吸鏈 ADP+Pi ATP * * 生物氧化的一般過程生物氧化的一般過程3. 3. 生物氧化與體外氧化的相同點生物氧化與體外氧化的相同點 化學本質相同，都遵循氧化還原反應的一般化學本質相同，都遵循氧化還原反應的一般規(guī)

2、律。規(guī)律。 物質在體內外氧化時所消耗的氧量、最終產物質在體內外氧化時所消耗的氧量、最終產物（物（CO2，H2O）和釋放能量均相同。）和釋放能量均相同。* * 生物氧化與體外氧化的不同點生物氧化與體外氧化的不同點4. 4. 生物氧化與物質代謝的關系生物氧化與物質代謝的關系 -生物氧化是物質代謝的基本反應之一生物氧化是物質代謝的基本反應之一2HCO2ATP ADP + PiO2H2O乙酰CoA CoASH葡萄糖 甘油、脂肪酸 氨基酸糖原 脂肪 蛋白質三羧酸循環(huán)第一階段第二階段第三階段氧化磷酸化丙酮酸2H胞液線粒體胞液胞液線粒體線粒體-21SH2NAD+2HSNADHFMNH2CoQFe2+CytF

3、e3+CytO22eCytFe2+CytFe3+CytFe3+O2+(a-a3)Fe2+Cyt2eCoQH2FMNH2O2HH+2e2H+2e圖14-3 呼吸鏈氧化-還原反應示意圖(1)(2)(3)(4)(bc1)c2H一、不需傳遞體的生物氧化體系（一酶體系）一、不需傳遞體的生物氧化體系（一酶體系） 1. 氧化酶氧化酶-含銅含銅 2. 需氧脫氫酶需氧脫氫酶-黃酶的一種黃酶的一種SH2SNAD+(或NADP+)NADH (或NADPH ）+H+FMNH2(或FADH2)FMN(或FAD)O2H2O2一、不需傳遞體的生物氧化體系（一酶體系）一、不需傳遞體的生物氧化體系（一酶體系） 氧化酶氧化酶 需

4、氧脫氫酶需氧脫氫酶二、需傳遞體的生物氧化體系二、需傳遞體的生物氧化體系 二酶氧化還原體系：黃素酶二酶氧化還原體系：黃素酶+細胞色素氧化酶細胞色素氧化酶 多酶氧化還原體系：多酶氧化還原體系：電子傳遞鏈（呼吸鏈）電子傳遞鏈（呼吸鏈） 代謝物脫下的成對氫原子（代謝物脫下的成對氫原子（2H）通過多種酶和）通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應逐步傳遞，最終與氧結合生成輔酶所催化的連鎖反應逐步傳遞，最終與氧結合生成水，這一系列酶和輔酶稱為水，這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈呼吸鏈(respiratory chain)或或電子傳遞鏈電子傳遞鏈(electron transfer chain)。組成組成-遞氫體遞氫體

5、和和 電子傳遞體（電子傳遞體（2H 2H+ + 2e）位置位置-線粒體內膜（真核生物）線粒體內膜（真核生物） -胞漿（原核生物）胞漿（原核生物） （一）呼吸鏈（一）呼吸鏈1. NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈2. 琥珀酸氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈 NADHFMN（Fe-S）CoQCyt b c1 caa3O2CoQCyt b c1 caa3O2 FAD（Fe-S）琥珀酸（二）呼吸鏈的類型（二）呼吸鏈的類型NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈 FADH2氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈H+H+線粒體內重要代謝物的氧化途徑線粒體內重要代謝物的氧化途徑NADHFMN（Fe-S） c1 caa3O2 FAD（Fe-S） 琥珀

6、酸 -磷酸甘油CoQCyt b蘋果酸 -羥脂酰CoA -羥丁酸異檸檬酸谷氨酸FAD硫辛酸 丙酮酸 -酮戊二酸FAD 脂酰CoA1. 脫氫脫氫 NAD+和和NADP+為輔酶的脫氫酶：遞氫體。為輔酶的脫氫酶：遞氫體。 二者的遞氫部位是二者的遞氫部位是煙酰胺煙酰胺部分，為部分，為VB5。（三）呼吸鏈有關酶和傳遞體及其作用機制（三）呼吸鏈有關酶和傳遞體及其作用機制R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+NAD+和和NADP+的結構的結構NAD+（NADP+）的遞氫機制）的遞氫機制（氧化型）（氧化型）NHCONH2R+ H + H + + eNHCONH2RH+ H +NAD +/NADP+NA

7、DH/NADPH（還原型）（還原型）2. NADH被黃素酶氧化被黃素酶氧化 FMN和和FAD為輔基：遞氫體為輔基：遞氫體 最重要的是最重要的是NADH脫氫酶（脫氫酶（ FMN為輔基為輔基） 和和琥珀酸脫氫酶（琥珀酸脫氫酶（ FAD為輔基為輔基） 輔基的異咯嗪及核醇部分為輔基的異咯嗪及核醇部分為VB2（核黃素）（核黃素） FMN結構結構CH2OHOPOHOCCHOHCHOHHOHCHHNHNNNOOH3CH3C1458910異咯嗪異咯嗪核醇核醇 CH2OOOHOHHHHCH2HOPOHONNNNNH2OPOHOCCHOHCHOHHOHCHHNHNNNOOH3CH3C1458910FAD結構結構F

8、MN和和FAD遞氫機制遞氫機制 RNHNNNOOH3CH3CFMN/FAD1458910RNHNHHNNOOH3CH3C1458910+ 2HFMNH2/FADH2（氧化型）（氧化型）（還原型）（還原型）雙電子傳遞體雙電子傳遞體3. 還原型黃素酶還原型黃素酶釋放兩個電子釋放兩個電子， 經經Fe-S傳遞給傳遞給CoQ Fe-S為鐵硫中心或鐵硫簇，含等量鐵原子和硫原子。為鐵硫中心或鐵硫簇，含等量鐵原子和硫原子。 鐵除與硫連接外，還與肽鏈中鐵除與硫連接外，還與肽鏈中Cys殘基的巰基連接。殘基的巰基連接。 鐵原子進行鐵原子進行Fe2+ Fe3+e 反應，為反應，為單電子傳遞體單電子傳遞體。 FeFeS

9、SSFeFeSSSSSCysCysCysCysSFeSFeSSSSCysCysCysCys二鐵二硫二鐵二硫四鐵四硫四鐵四硫Fe-S中心有兩種形式中心有兩種形式4. CoQ接受接受Fe-S傳遞來的傳遞來的2個電子，個電子， 并吸收并吸收線粒體基質中的線粒體基質中的2個個H+ 成為成為還原型還原型QH2 Co Q又叫又叫泛醌，泛醌，側鏈含多個異戊二烯。側鏈含多個異戊二烯。 脂溶性，游動性大，極易從線粒體內膜中分離出脂溶性，游動性大，極易從線粒體內膜中分離出來，因此不包含在四種復合體中。來，因此不包含在四種復合體中。 分子中的苯醌結構能可逆結合分子中的苯醌結構能可逆結合2個個H，為，為遞氫體遞氫體。

10、 OOH3COH3COCH3(CH2CHCCH3CH2)nHCoQ isoprene H2CCCCH2CH3H OOCH3OCH3CH3OROHOHCH3OCH3CH3OR+ 2H 泛泛醌醌（氧氧化化型型） 二二氫氫泛泛醌醌（還還原原型型）5. QH2被被細胞色素細胞色素氧化氧化 細胞色素細胞色素（Cytochrome, Cyt）以鐵卟啉為輔基以鐵卟啉為輔基 呼吸鏈中主要有呼吸鏈中主要有a、b、c三類（吸收光譜和吸收峰三類（吸收光譜和吸收峰不同）。差別在于鐵卟啉的側鏈以及鐵卟啉與蛋不同）。差別在于鐵卟啉的側鏈以及鐵卟啉與蛋白部分連接的方式不同。白部分連接的方式不同。 Cyt b、c的鐵卟啉與血

11、的鐵卟啉與血紅素相同；紅素相同； Cyt a的鐵卟啉為血紅素的鐵卟啉為血紅素A。 分子中的分子中的鐵鐵通過氧化還原而傳遞電子，為通過氧化還原而傳遞電子，為單電子單電子傳遞體傳遞體。（四）呼吸鏈的（四）呼吸鏈的4個氧化還原酶復合物個氧化還原酶復合物人線粒體呼吸鏈復合體人線粒體呼吸鏈復合體復復合合體體酶酶名名稱稱復復合合體體復復合合體體復復合合體體復復合合體體NADH-泛泛醌醌還還原原酶酶琥琥珀珀酸酸-泛泛醌醌還還原原酶酶泛泛醌醌-細細胞胞色色素素C還還原原酶酶細細胞胞色色素素c氧氧化化酶酶輔輔基基FMN，F(xiàn)e-S FAD，F(xiàn)e-S 鐵鐵卟卟啉啉，F(xiàn)e-S 鐵鐵卟卟啉啉，Cu 多多肽肽鏈鏈數(shù)數(shù)39

12、4 1013 復復合合體體酶酶名名稱稱復復合合體體復復合合體體復復合合體體復復合合體體NADH-泛泛醌醌還還原原酶酶琥琥珀珀酸酸-泛泛醌醌還還原原酶酶泛泛醌醌-細細胞胞色色素素C還還原原酶酶細細胞胞色色素素c氧氧化化酶酶輔輔基基FMN，F(xiàn)e-S FAD，F(xiàn)e-S 鐵鐵卟卟啉啉，F(xiàn)e-S 鐵鐵卟卟啉啉，Cu 多多肽肽鏈鏈數(shù)數(shù)394 1013 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液側胞液側 基質側基質側 線粒體內膜線粒體內膜 e-e-e-e-e-呼吸鏈各復合體在線粒體內膜中的位置呼吸鏈各復合體在線粒體內膜中的位置四種復合體在呼吸鏈中

13、四種復合體在呼吸鏈中的排列關系的排列關系NADHsuccinate FMN（Fe-S） FAD（Fe-S） Cyt b, （Fe-S）CoQ Cyt aa3O2Cyt ccompex Icompex IIcompex IIIcompex IVc1NADH+H+ NAD+ FMN FMNH22Fe2+-S 2Fe3+-S QQH2 復合體復合體NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 u 功能功能: 將電子從將電子從NADH傳遞給泛醌傳遞給泛醌 (ubiquinone) ,復合體復合體具有質子泵功能，每傳遞具有質子泵功能，每傳遞2個電

14、子可將個電子可將4個個H+從內膜的基質側泵胞漿側。從內膜的基質側泵胞漿側。 復合體復合體琥珀酸琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 琥珀酸琥珀酸 延胡索酸延胡索酸 FAD FADH22Fe2+-S 2Fe3+-S QQH2u 功能功能: 將電子從琥珀酸傳將電子從琥珀酸傳遞給泛醌，遞給泛醌，無質子泵功能。無質子泵功能。 復合體復合體QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1u 功能：將電子從泛醌功能：將電子從泛醌傳遞給細胞色素傳遞給細胞色素c。u有質子泵功能有質子泵功能 復合體復合體還原型還原型Cyt c O2CuAaa3CuB u 功能

15、：將電子從細胞色功能：將電子從細胞色素素c傳遞給氧。傳遞給氧。u有質子泵功能有質子泵功能呼吸鏈的特點1 隨著各電子傳遞體的還原電位隨著各電子傳遞體的還原電位 ，對電，對電 子親和力子親和力 ，電子逐步傳遞到氧，每一，電子逐步傳遞到氧，每一 次傳遞都釋放能量次傳遞都釋放能量2 各電子傳遞體以復合體形式存在，按各電子傳遞體以復合體形式存在，按 序整合，連續(xù)，高速序整合，連續(xù)，高速3 分布不對稱（分布不對稱（Mit內膜上）內膜上） 貫穿：貫穿：NADH脫氫酶脫氫酶 偏外：偏外：C1，a 便于方便地傳遞便于方便地傳遞H+ 偏內：偏內：a3NNFeNNCHOHO血紅素A（細胞色素aa3的輔基)12345

16、678HOOCCOOH過氧化氫酶催化過氧化氫酶催化2H2O22H2O + O2過氧化物酶催化過氧化物酶催化 或SH2SNAD+NADF+ H+2Ph2PhOHOHOOO1/2O22e2H+H2O脫氫酶醌還原酶酚氧化酶Cu2+Cu+SH2SNADP+NADPH+H+2GSHGSSGDHAAA2Cu+2Cu2+1/2 O2O2H+H2O脫氫酶谷胱甘肽還原酶 脫氫抗壞血酸還原酶抗壞血酸氧化酶2e2e線粒體線粒體細胞的動力站細胞的動力站COCHOCH2OHOPOO-O-POO-O-甘油酸甘油酸-1,3-二磷酸二磷酸CH3COOPOO-O-乙酰磷酸乙酰磷酸10.1千卡千卡/摩爾摩爾11.8 千卡千卡/摩

17、爾摩爾H3N+COOPOO-O-氨甲酰磷酸RCOOPOOO-A?；佘账酭CH COOPOOO-AN+H3氨?；佘账酧POOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡千卡/摩爾摩爾O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）O-POO-O POO-O-焦磷酸焦磷酸7.3千卡千卡/摩爾摩爾OPOON HCN HNC H3C H2C O O HOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸磷酸10.3千卡/摩爾7.7千卡/摩爾O SOO-OCH2OHHOHHOHH

18、NNNH2NNO POO-3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸RCOSCoA?；o酶?；o酶A 丙酮酸激酶丙酮酸激酶 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸+ADP 烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸+ATP 琥珀酰硫激酶琥珀酰硫激酶 琥珀酰琥珀酰CoA+H3PO4+GDP 琥珀酸琥珀酸+CoA+GTP P/O比值比值: 氧消耗與無機磷酸消耗之間成一定比例關系，可氧消耗與無機磷酸消耗之間成一定比例關系，可以反映底物脫氫氧化與以反映底物脫氫氧化與ATP生成之間的比例關系。生成之間的比例關系。 把每消耗把每消耗1摩爾氧原子所產生的摩爾氧原子所產生的ATP的摩爾數(shù)（即的摩爾數(shù)（即使無機磷與使無機磷與ADP變?yōu)樽優(yōu)锳TP的摩爾

19、數(shù)）的摩爾數(shù)）稱為稱為P/O比值。比值。根據(jù)根據(jù)P/O比值推測氧化磷酸化偶聯(lián)部位比值推測氧化磷酸化偶聯(lián)部位P/O1， (0.5) 合成合成1個個ATPP/O1.5, 2, 合成合成 2個個ATP P/O2.5, 合成合成 3個個ATP 線線粒粒體體離離體體實實驗驗測測得得的的一一些些底底物物的的P/O比比值值底底 物物呼呼吸吸鏈鏈的的組組成成P/O比比值值可可能能生生成成的的 ATP數(shù)數(shù) -羥羥丁丁酸酸NAD+復復合合體體CoQ復復合合體體2.42.8 3Cyt c復復合合體體O2琥琥珀珀酸酸復復合合體體CoQ復復合合體體1.7 2Cyt c復復合合體體O2抗抗壞壞血血酸酸Cyt c復復合合體

20、體O20.88 1細細胞胞色色素素c (Fe2+) 復復合合體體O20.61-0.68 1線粒體離體實驗測得的一些底物的線粒體離體實驗測得的一些底物的P/OP/O比值比值注：近年的實驗確定，注：近年的實驗確定，NADH呼吸鏈呼吸鏈P/O比值大約為比值大約為2.5； 琥珀酸呼吸鏈琥珀酸呼吸鏈P/O比值約為比值約為1.5。根據(jù)電子傳遞時自由能變化確定可能的偶聯(lián)部位根據(jù)電子傳遞時自由能變化確定可能的偶聯(lián)部位G=-nFE電子傳遞鏈自由能變化電子傳遞鏈自由能變化區(qū)段區(qū)段電位變化電位變化(E)自由能變化自由能變化G=-nF E能否生成能否生成 ATP(G是否大于是否大于 30.5kJ) Cyt aa3O2

21、 0.53V 102.3kJ/mol 能能NAD+CoQ0.36V 69.5kJ/mol 能能CoQCytc 0.21V 40.5kJ/mol 能能在琥珀酸氧化呼吸鏈中，只有在琥珀酸氧化呼吸鏈中，只有處可生成處可生成ATP。氧氧化化還還原原對對E (V)NAD+/NADH+H+-0.32FMN/ FMNH2-0.30FAD/ FADH2-0.06Cyt b Fe3+/Fe2+0.04（或或0.10）Q10/Q10H20.07Cyt c1 Fe3+/ Fe2+0.22Cyt c Fe3+/Fe2+0.25Cyt a Fe3+ / Fe2+0.29Cyt a3 Fe3+ / Fe2+ 0.551/

22、2 O2/ H2O 0.82呼呼吸吸鏈鏈中中各各種種氧氧化化還還原原對對的的標標準準氧氧化化還還原原電電位位-50.24kJ/moL-41.87kJ/moL-100.48kJ/moL1. 呼吸鏈抑制劑呼吸鏈抑制劑 阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞。阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞。2. 解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑使氧化與磷酸化偶聯(lián)過程脫離。使氧化與磷酸化偶聯(lián)過程脫離。如：如： 2,4二硝基苯酚（二硝基苯酚（DNP)、解偶聯(lián)蛋白、解偶聯(lián)蛋白 3. 氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑 對電子傳遞及對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素如：寡霉素 四、影響氧化磷酸化的因素四、影響氧化磷酸化

23、的因素（一）抑制劑（一）抑制劑魚藤酮魚藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A異戊巴比妥異戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巰基丙醇二巰基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S如如DNP的解耦連作用：的解耦連作用：脂溶性，其質子化形式脂溶性，其質子化形式和共軛堿形式可穿過線粒體和共軛堿形式可穿過線粒體內膜內膜進入基質側釋出進入基質側釋出H+，返回胞液側結合返回胞液側結合H+破壞電破壞電化學梯度?；瘜W梯度。解偶聯(lián)蛋白作用機制（棕色脂肪組織線粒體）解偶聯(lián)蛋白作用機制（棕色脂肪組織線粒體）Cyt cQ胞液側胞液側 基質側基質側 ADP+Pi ATP mtDNA為裸露的環(huán)狀雙螺旋結構為裸露的環(huán)狀雙螺旋結構易受氧易受氧自由

24、基的損傷自由基的損傷突變突變氧化磷酸化氧化磷酸化ATP 。mtDNA編碼呼吸鏈編碼呼吸鏈13條多肽鏈的基因、條多肽鏈的基因、22個個tRNA的基因、的基因、2個個rRNA基因?；颉Ｎ?、線粒體外五、線粒體外NADH（EMP）的氧化磷酸化）的氧化磷酸化 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 線粒體線粒體 內膜內膜 線粒體線粒體 外膜外膜膜間隙膜間隙 線粒體線粒體 基質基質-磷酸甘油磷酸甘油 脫氫酶脫氫酶 磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O-磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOHNADH

25、 +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-OHH-OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H -OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H蘋果酸蘋果酸草酰乙酸草酰乙酸 谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸a-a-酮戊酮戊二酸二酸蘋果酸蘋果酸 谷氨酸谷氨酸草酰乙酸草酰乙酸a-a-酮戊酮戊二酸二酸天冬氨酸天

26、冬氨酸NADHNADH2 2NADHNADH2 2NADNADNADNAD六、氧化磷酸化作用機制的解釋六、氧化磷酸化作用機制的解釋 - 底物脫下的氫的一對電子通過底物脫下的氫的一對電子通過NADH呼吸鏈傳遞給氧原呼吸鏈傳遞給氧原子，期間分別有子，期間分別有4、4、2共共5對質子從線粒體的基質轉移對質子從線粒體的基質轉移到膜的間隙中。呼吸鏈發(fā)揮了質子泵的作用。到膜的間隙中。呼吸鏈發(fā)揮了質子泵的作用。 - 結果在線粒體內膜的兩側形成了質子的電化學梯度，積結果在線粒體內膜的兩側形成了質子的電化學梯度，積蓄了很大的自由能。蓄了很大的自由能。- 當質子順電化學梯度通過基粒返回到基質時，有自由能當質子順電

27、化學梯度通過基粒返回到基質時，有自由能釋放。釋放能量在內膜粒子的釋放。釋放能量在內膜粒子的ATP合酶（合酶（FoF1ATPase）作用下，通過作用下，通過ADP 的磷酸化生成的磷酸化生成ATP分子。分子。 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ 胞液側胞液側 基質側基質側 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化學滲透假說詳細示意圖化學滲透假說詳細示意圖（1） 氧化還原回路機制 該機制由Mitchell 提出。他認為線粒體內膜呼吸鏈的各個氧化還原中心即FMN、CoQ、細胞色素以及鐵硫聚簇的排列可能既能執(zhí)行電子