生物化學(xué)幻燈片(10)生物氧化A

生物氧化第七章代謝總論與生物氧化第一節(jié)代謝總論代謝(metabolism)——活細(xì)胞中所有化學(xué)變化的總稱。每一變化均為酶催化物質(zhì)代謝

能量代謝中間代謝（代謝中的一系列的酶促反應(yīng)）代謝的研究方法——中間代謝的研究方法

同位素示蹤法（常用放射性同位素）第二節(jié)生物能學(xué)化學(xué)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件：在生物化學(xué)能量學(xué)中，標(biāo)準(zhǔn)狀況的pH值規(guī)定為7.0。G0′G<0一、生物能和ATP1、ATP是生物能存在的主要形式ATP是能夠被生物細(xì)胞直接利用的能量形式。2、磷酸肌酸（磷酸精氨酸—無(wú)脊椎動(dòng)物）是能量的儲(chǔ)存形式。3、生物化學(xué)反應(yīng)的自由能變化生物化學(xué)反應(yīng)與普通的化學(xué)反應(yīng)一樣,也服從熱力學(xué)的規(guī)律。磷酸肌酸與ATP的轉(zhuǎn)換二、高能磷酸化合物高能化合物

生物化學(xué)中把水解時(shí)釋放5000卡/mol（21KJ/mol）以上自由能的化合物稱為高能化合物

p144表7-3高能鍵“~”根據(jù)生物體內(nèi)高能化合物鍵的特性可以把它們分成以下幾種類型。1,磷氧鍵型（—O～P)(1)?；姿峄衔?-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸10.1千卡/摩爾11.8千卡/摩爾?；姿峄衔锇奔柞Ａ姿岚滨；佘账幔?）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩爾（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩爾2,氮磷鍵型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩爾7.7千卡/摩爾這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲(chǔ)存能量的作用。3,硫酯鍵型腺苷-5’-磷酸硫酸?；o酶A4,甲硫鍵型S-腺苷甲硫氨酸第三節(jié)生物氧化定義：有機(jī)物質(zhì)在生物體細(xì)胞內(nèi)的氧化作用，稱為生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又稱為呼吸作用。在整個(gè)生物氧化過(guò)程中，有機(jī)物質(zhì)最終被氧化成CO2和水，并釋放出能量。一、生物氧化的方式生物氧化是在一系列氧化-還原酶催化下分步進(jìn)行的。每一步反應(yīng)，都由特定的酶催化。在生物氧化過(guò)程中，主要包括如下幾種氧化方式。1．脫氫氧化反應(yīng)（1）脫氫在生物氧化中，脫氫反應(yīng)占有重要地位。它是許多有機(jī)物質(zhì)生物氧化的重要步驟。催化脫氫反應(yīng)的是各種類型的脫氫酶。eg.琥珀酸脫氫酶eg.乳酸脫氫酶（2）加水脫氫

催化的醛氧化成酸的反應(yīng)即屬于這一類。2．氧直接參加的氧化反應(yīng)這類反應(yīng)包括：加氧酶催化的加氧反應(yīng)和氧化酶催化的生成水的反應(yīng)。加氧酶能夠催化氧分子直接加入到有機(jī)分子中。例如，甲烷單加氧酶

CH4+NADH+O2CH3-OH+NAD++H2O氧化酶主要催化以氧分子為電子受體的氧化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為水。在各種脫氫反應(yīng)中產(chǎn)生的氫質(zhì)子和電子，最后都是以這種形式進(jìn)行氧化的。3．生成二氧化碳的氧化反應(yīng)（1）直接脫羧作用氧化代謝的中間產(chǎn)物羧酸在脫羧酶的催化下，直接從分子中脫去羧基。例如丙酮酸的脫羧。（2）氧化脫羧作用氧化代謝中產(chǎn)生的有機(jī)羧酸在氧化脫羧酶系的催化下，在脫羧的同時(shí)，也發(fā)生氧化（脫氫）作用。例如蘋果酸的氧化脫羧。二、生物氧化的特點(diǎn)1，生物氧化是在生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的酶促氧化過(guò)程，反應(yīng)條件溫和（水溶液，pH7，常溫）。2，氧化進(jìn)行過(guò)程中，必然伴隨生物還原反應(yīng)的發(fā)生。3，水是許多生物氧化反應(yīng)的氧供體。通過(guò)加水脫氫作用直接參予了氧化反應(yīng)。4，在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進(jìn)行的。氧化過(guò)程中脫下來(lái)的氫質(zhì)子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水。5，生物氧化是一個(gè)分步進(jìn)行的過(guò)程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反應(yīng)的產(chǎn)物都可以分離出來(lái)。這種逐步進(jìn)行的反應(yīng)模式有利于在溫和的條件下釋放能量，提高能量利用率。6，生物氧化釋放的能量，通過(guò)與ATP合成相偶聯(lián)，轉(zhuǎn)換成生物體能夠直接利用的生物能ATP。第三節(jié)、線粒體呼吸鏈和ATP合成細(xì)胞內(nèi)的線粒體是生物氧化的主要場(chǎng)所，主要功能是將代謝物脫下的氫通過(guò)多種酶及輔酶所組成的傳遞體系的傳遞，最終與氧結(jié)合生成水。一、線粒體呼吸鏈的組成線粒體的結(jié)構(gòu)

由供氫體、傳遞體、受氫體以及相應(yīng)的酶催化系統(tǒng)組成的這種代謝途徑一般稱為生物氧化還原鏈，當(dāng)受氫體是氧時(shí)，稱為呼吸鏈。代謝物脫下的成對(duì)氫原子通過(guò)多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，此傳遞鏈稱為呼吸鏈，又稱為電子傳遞鏈。（一）兩條主要的氧化呼吸鏈

(1)NADH氧化呼吸鏈：NADH＋H+→FMN→Fe-S→Q→b→Fe-S→c1→c→a→a3→O2(2)琥珀酸氧化呼吸鏈（FADH2氧化呼吸鏈）：琥珀酸→FAD→Q→b→Fe-S→c1→c→a→a3→O2

傳遞體作用尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）遞氫體尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）遞氫體黃素蛋白（輔基為FAD和FMN）遞氫體鐵硫蛋白（Fe-S）單電子傳遞體輔酶Q遞氫體細(xì)胞色素類單電子傳遞體參與生物氧化的酶類脫氫酶——以FMN，F(xiàn)AD，NAD，NADP為輔酶的脫氫酶氧化酶——以氧為直接受氫體的氧化還原酶類

eg.細(xì)胞色素酶、抗壞血酸氧化酶加氧酶——催化加氧傳遞體——遞氫體（傳遞氫原子）

遞電子體（傳遞電子）NADH：還原型輔酶它是由NAD+接受多種代謝產(chǎn)物脫氫得到的產(chǎn)物。NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。FMN的作用是接受脫氫酶脫下來(lái)的電子和質(zhì)子，形成還原型FMNH2。還原型FMNH2可以進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)移給Q?；|(zhì)鐵硫蛋白

鐵硫蛋白(簡(jiǎn)寫為Fe-S)是一種與電子傳遞有關(guān)的蛋白質(zhì)，它與NADHQ還原酶的其它蛋白質(zhì)組分結(jié)合成復(fù)合物形式存在。它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有兩個(gè)活潑的無(wú)機(jī)硫和兩個(gè)鐵原子。鐵硫蛋白通過(guò)Fe3+Fe2+變化起傳遞電子的作用。NADH泛醌還原酶簡(jiǎn)寫為NADHQ還原酶,即復(fù)合物I，它的作用是催化NADH的氧化脫氫以及Q的還原。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。

NADHQ還原酶NADH+Q+H+NAD++QH2NADHQ還原酶是線粒體內(nèi)膜上最大的一個(gè)蛋白質(zhì)復(fù)合物。最少含有16個(gè)多肽亞基。它的活性部分含有輔基FMN和鐵硫蛋白。泛醌（簡(jiǎn)寫為Q）或輔酶-Q（CoQ）：它是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為一種脂溶性醌類化合物。復(fù)合物Ⅰ：將來(lái)自NADH的電子傳遞給Q③泛醌細(xì)胞色素c還原酶簡(jiǎn)寫為QH2-cyt.c還原酶,即復(fù)合物III,它是線粒體內(nèi)膜上的一種跨膜蛋白復(fù)合物，其作用是催化還原型QH2的氧化和細(xì)胞色素c（cyt.c）的還原。

QH2-cyt.c還原酶QH2+2cyt.c(Fe3+)Q+2cyt.c(Fe2+)+2H+

復(fù)合體Ⅲ（泛醌-細(xì)胞色素c還原酶）：2Cytb+2Cytc1+（Fe-S）QH2-cyt.c還原酶由9個(gè)多肽亞基組成?；钚圆糠种饕?xì)胞色素b和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。細(xì)胞色素（簡(jiǎn)寫為cyt.）是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環(huán)的中心，構(gòu)成血紅素。各種細(xì)胞色素的輔基結(jié)構(gòu)略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有細(xì)胞色素a,b,c和c1等，組成它們的輔基分別為血紅素A、B和C。細(xì)胞色素a,b,c可以通過(guò)它們的紫外-可見吸收光譜來(lái)鑒別。細(xì)胞色素主要是通過(guò)Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用的。④細(xì)胞色素c氧化酶簡(jiǎn)寫為cyt.c氧化酶，即復(fù)合物IV，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復(fù)合物，由12個(gè)多肽亞基組成。活性部分主要包括cyt.a和a3。cyt.a和a3組成一個(gè)復(fù)合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。cyt.aa3可以直接以O(shè)2為電子受體。在電子傳遞過(guò)程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+

Cu2+

的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2。復(fù)合體Ⅳ：Cyta+Cyta3

作用：將電子由琥珀酸轉(zhuǎn)移到Q。組成：由四個(gè)亞基組成，兩個(gè)大亞基構(gòu)成琥珀酸脫氫酶，輔基為FAD、Fe-S；另兩個(gè)亞基為將琥珀酸脫氫酶結(jié)合到膜上以及使電子轉(zhuǎn)移到Q所必需。復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸－Q還原酶）復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸-泛醌還原酶）：琥珀酸是生物代謝過(guò)程（三羧酸循環(huán)）中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，它在琥珀酸-Q還原酶（復(fù)合物II）催化下，將兩個(gè)高能電子傳遞給Q。再通過(guò)QH2-cyt.c還原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶將電子傳遞到O2。琥珀酸延胡索酸ComplexⅡ（二）電子傳遞的抑制劑電子傳遞抑制劑（呼吸鏈抑制劑）可阻斷呼吸鏈的電子傳遞。⒈魚藤酮（rotenone）、殺粉蝶菌素（piericidine）、異戊巴比妥（amobar-bital)。阻斷電子由NADH向CoQ的傳遞。⒉抗霉素A（antimycinA)、二巰基丙醇（dimercaptopropanol,BAL)。阻斷電子由CoQH2到Ctyc1的傳遞⒊CO、CN-、N3-、H2S。抑制Ctyc氧化酶。二、氧化-還原電勢(shì)與自由能的變化在生物氧化反應(yīng)中，氧化與還原總是相互偶聯(lián)的。一個(gè)化合物（還原劑）失去電子，必然伴隨另一個(gè)化合物(氧化劑）接受電子。在線粒體呼吸鏈中，推動(dòng)電子從NADH傳遞到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+

和1/2O2/H2O兩個(gè)半反應(yīng)之間存在很大的電勢(shì)差。(a)1/2O2+2H++2e-

H2OE0’=+0.82V(b)NAD++H++2e-

NADHE0’=-0.322V將(a)減去(b)，即得(c)式：(c)1/2O2+NADH+H+

H2O+NAD+ΔE0’=+1.14VG’=-nFE0’=-2965001.14=-220kJ/mol阿密妥三、電子傳遞和ATP的合成

NADH或琥珀酸所攜帶的高能電子通過(guò)線粒體呼吸鏈傳遞到O2的過(guò)程中，釋放出大量的能量。這種高能電子傳遞過(guò)程的釋能反應(yīng)與ADP和磷酸合成ATP的需能反應(yīng)相偶聯(lián)，是ATP形成的基本機(jī)制。

（1）ATP酶復(fù)合體

線粒體內(nèi)膜的表面有一層規(guī)則地間格排列著的球狀顆粒，稱為ATP酶復(fù)合體，是ATP合成的場(chǎng)所。線粒體呼吸鏈的電子傳遞過(guò)程是在內(nèi)膜上進(jìn)行的。ATP合酶（ATPsynthase)：FOF1-ATP酶ATP合酶，由兩個(gè)主要的單元構(gòu)成，即FO和F1。F1由5種不同的亞基（按3、3、1、1和1

的比例結(jié)合）組成。含有合成ATP的催化部位。FO和F1之間有一個(gè)大約5nm的柄相連。柄包含有兩種蛋白質(zhì)，即OSCP和F6。OSCP為寡霉素敏感性付與蛋白。F6為偶合因子。F0為一個(gè)疏水蛋白，含有質(zhì)子通道，是與線粒體電子傳遞系統(tǒng)連接的部位。（2）ATP合成反應(yīng)-氧化磷酸化生物氧化的釋能反應(yīng)與ADP的磷?；磻?yīng)偶聯(lián)合成ATP的過(guò)程，稱為氧化磷酸化。氧化磷酸化：包含底物水平磷酸化和電子傳遞體磷酸化。底物水平磷酸化：底物的高能磷酸基團(tuán)直接轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP。X～P+ADPATP+X氧化磷酸化:當(dāng)電子從NADH＋H＋或FADH2經(jīng)電子傳遞體系傳遞給氧形成水的同時(shí)，伴隨ADP磷酸化為ATP，此過(guò)程稱為氧化磷酸化（電子傳遞體磷酸化或偶聯(lián)磷酸化）。

（3）P/O比值P/O比值是指物質(zhì)氧化時(shí)，每消耗1摩爾氧原子所消耗的無(wú)機(jī)磷（或ADP）的摩爾數(shù)，即生成的ATP的摩爾數(shù)。P/O比：當(dāng)一對(duì)電子通過(guò)呼吸鏈傳至氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。

NADH氧化呼吸鏈——3(2.5)

琥珀酸氧化呼吸鏈——2(1.5)根據(jù)氧化-還原電勢(shì)與自由能變化關(guān)系式，計(jì)算出在NADH氧化過(guò)程中，有三個(gè)反應(yīng)的G’<-30.5kJ/mol。FMNH2

Qcyt.bcyt.c1

cyt.aa3

O2G’-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/moL這三個(gè)反應(yīng)分別與ADP的磷?；磻?yīng)偶聯(lián)，產(chǎn)生3個(gè)ATP(2.5個(gè))。這些反應(yīng)稱為呼吸鏈的偶聯(lián)部位。從琥珀酸

O2只產(chǎn)生2個(gè)ATP(1.5個(gè)).①NADH與Q之間②b與c之間。③a、a3與O2之間。(4)胞液中NADH及NADPH穿梭機(jī)制胞液中的3-磷酸甘油醛或乳酸脫氫，均可產(chǎn)生NADH。這些NADH可經(jīng)穿梭系統(tǒng)而進(jìn)