生物化學(xué)與分子生物學(xué)第六章 生物氧化

第六章生物氧化BiologicalOxidationThebiochemistryandmolecularbiologydepartmentofCMU1營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)經(jīng)氧化分解，最終生成CO2和H2O，并釋放能量的過(guò)程稱(chēng)生物氧化。*生物氧化的概念2*生物氧化與體外氧化的相同點(diǎn)生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。物質(zhì)在體內(nèi)外氧化時(shí)所消耗的氧量、最終產(chǎn)物（CO2，H2O）和釋放能量均相同。3是在細(xì)胞內(nèi)溫和的環(huán)境中由酶催化進(jìn)行的，能量是逐步釋放的，并儲(chǔ)存于ATP中。代謝物脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生H2O，有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生CO2。*生物氧化與體外氧化的不同點(diǎn)生物氧化體外氧化能量是突然釋放的。CO2、H2O由物質(zhì)中的碳和氫直接與氧結(jié)合生成。4*生物氧化的一般過(guò)程5第一節(jié)

生成ATP的氧化體系

TheOxidationSystemofATPProducing6定義代謝物脫下的成對(duì)氫原子（2H）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，這一系列酶和輔酶稱(chēng)為呼吸鏈(respiratorychain)又稱(chēng)電子傳遞鏈(electrontransferchain)。組成遞氫體和電子傳遞體（2H2H++2e）一、呼吸鏈7（一）呼吸鏈的組成人線粒體呼吸鏈復(fù)合體8呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置9四種復(fù)合體的排列關(guān)系101.煙酰胺核苷酸NAD+：煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NicotinamideAdenineDinucleotide)

，又叫CoⅠ，主要作為呼吸鏈的一個(gè)組分，起遞氫體作用；NADP+：煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotin-amideAdenineDinucleotidePhosphate)

，又叫CoⅡ，主要在還原性生物合成中作為供氫體。二者的遞氫部位是煙酰胺部分，為VitPP。11R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu)12NAD+（NADP+）的遞氫機(jī)制（氧化型）（還原型）132.黃素輔基FMN：黃素單核苷酸(Flavin

Mononucleotide)FAD：黃素腺嘌呤二核苷酸(FlavinAdenineDinucleotide)FMN和FAD中異咯嗪環(huán)起遞氫體作用。異咯嗪及核醇部分為VitB2（核黃素）。14FMN結(jié)構(gòu)異咯嗪核醇15

FAD結(jié)構(gòu)16FMN和FAD遞氫機(jī)制

（氧化型）（還原型）173.鐵硫蛋白(Iron-sulfurprotein,

Fe-S)又叫鐵硫中心或鐵硫簇。含有等量鐵原子和硫原子。鐵除與硫連接外，還與肽鏈中Cys殘基的巰基連接。鐵原子可進(jìn)行Fe2+

Fe3++e反應(yīng)傳遞電子，為單電子傳遞體。1819204.泛醌(ubiquinone,UQ)即輔酶Q（CoenzymeQ，

CoQ），屬于脂溶性醌類(lèi)化合物，帶有多個(gè)異戊二烯側(cè)鏈。因其為脂溶性，游動(dòng)性大，極易從線粒體內(nèi)膜中分離出來(lái)，因此不包含在四種復(fù)合體中。分子中的苯醌結(jié)構(gòu)能可逆地結(jié)合2個(gè)H，為遞氫體。21

22

235.細(xì)胞色素類(lèi)（Cytochrome,Cyt）是一類(lèi)以鐵卟啉為輔基的電子傳遞蛋白。呼吸鏈中主要有a、b、c、三類(lèi)。差別在于鐵卟啉的側(cè)鏈以及鐵卟啉與蛋白部分連接的方式不同。Cytb、c的鐵卟啉與血紅素相同；Cyta的鐵卟啉為血紅素A。分子中的鐵通過(guò)氧化還原而傳遞電子，為單電子傳遞體。242526NADH+H+

NAD+FMNFMNH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2

復(fù)合體ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-227

復(fù)合體Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3琥珀酸延胡索酸

FADFADH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH228

復(fù)合體ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c129

復(fù)合體Ⅳ還原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB30

由以下實(shí)驗(yàn)確定①標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位②拆開(kāi)和重組③特異抑制劑阻斷④還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧（二）呼吸鏈成分的排列順序3132抑制劑331.NADH氧化呼吸鏈2.琥珀酸氧化呼吸鏈

34NADH氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈35線粒體內(nèi)重要代謝物氧化的途徑36

二、氧化磷酸化體內(nèi)ATP生成的方式：氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱(chēng)為偶聯(lián)磷酸化。

底物水平磷酸化(substratelevelphos-phorylation)

是底物分子內(nèi)部能量重新分布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成ATP的過(guò)程。37（一）氧化磷酸化偶聯(lián)部位即ATP生成的部位。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)磷的摩爾數(shù)，即生成ATP的摩爾數(shù)。

38線粒體離體實(shí)驗(yàn)

測(cè)得的一些底物的P/O比值底物呼吸鏈的組成P/O比值生成ATP數(shù)-羥丁酸NAD+→O22.4~2.83琥珀酸FAD→O21.72抗壞血酸Cytc→O20.881細(xì)胞色素CCytaa3→O20.61~0.68139三個(gè)偶聯(lián)部位：ATPATPATP①NADH與CoQ之間；②CoQ與Cytc之間；③Cytaa3與氧之間。402.自由能變化(△G0′)：

大于30.5kJ即可生成1摩爾ATP。

△G0′＝－nF△E0′69.5kJ/mol40.5kJ/mol102.3kJ/mol41

NADH氧化呼吸鏈存在3個(gè)偶聯(lián)部位，P/O比值等于3，即產(chǎn)生3molATP。琥珀酸氧化呼吸鏈存在2個(gè)偶聯(lián)部位，P/O比值等于2，即產(chǎn)生2molATP。42（二）氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制1.化學(xué)滲透假說(shuō)(chemiosmotichypothesis)

電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將質(zhì)子（H+）從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲(chǔ)存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ADP與Pi生成ATP。

4344線粒體基質(zhì)

線粒體膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化學(xué)滲透假說(shuō)簡(jiǎn)單示意圖45化學(xué)滲透假說(shuō)46復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ均有質(zhì)子泵作用4H+4H+4H+4H+2H+2H+內(nèi)膜表面基質(zhì)NADH＋H＋NAD＋琥珀酸延胡索酸?O2＋2H+H2O4748Q循環(huán)49Q循環(huán)5051復(fù)合體Ⅱ522.ATP合酶即復(fù)合體Ⅴ。位于線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)。53ATP合酶F0：為疏水蛋白質(zhì)，是鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中的質(zhì)子通道。F1：為親水蛋白質(zhì)，由33亞基組成，催化生成ATP。OSCP：寡霉素敏感相關(guān)蛋白，位于F0與F1之間，使ATP合酶在寡霉素存在時(shí)不能生成ATP。54ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖55化學(xué)計(jì)算估計(jì)每生成1分子ATP需3個(gè)H＋從線粒體內(nèi)膜外側(cè)回流進(jìn)入基質(zhì)中。ATP合酶的工作機(jī)制56ATP4-F0F1胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ADP3-H2PO4-ATP4-3H+3H+H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-每分子ATP在線粒體中生成并轉(zhuǎn)運(yùn)到胞漿需4個(gè)H＋回流進(jìn)入線粒體基質(zhì)中57NADH氧化呼吸鏈每傳遞2H僅生成2.5分子ATP到線粒體外被利用。

FADH2氧化呼吸鏈每傳遞2H僅生成1.5分子ATP到線粒體外被利用。58三、影響氧化磷酸化的因素1.呼吸鏈抑制劑

阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞。2.解偶聯(lián)劑使氧化與磷酸化偶聯(lián)過(guò)程脫離。如：解偶聯(lián)蛋白3.氧化磷酸化抑制劑

對(duì)電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素（一）抑制劑59魚(yú)藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥×抗霉素A二巰基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn)60不同底物和抑制劑對(duì)線粒體氧耗的影響

61解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)解偶聯(lián)蛋白熱能H+H+ADP+PiATP62

寡霉素(oligomycin)可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成寡霉素63（二）ADP的調(diào)節(jié)作用是主要調(diào)節(jié)因素。［ADP］↑，氧化磷酸化↑。（三）甲狀腺激素Na+,K+–ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)均增加。（四）線粒體DNA突變

與線粒體DNA病及衰老有關(guān)。64四、ATP高能磷酸鍵水解時(shí)釋放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯鍵，常表示為P。高能磷酸化合物含有高能磷酸鍵的化合物。65ATP是人體內(nèi)能量的直接供給者。6667

核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶的作用

ADP+ADPATP+AMP68肌酸激酶的作用磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。69ATP的生成和利用70五、通過(guò)線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體外膜通透性高，線粒體對(duì)物質(zhì)通過(guò)的選擇性主要依賴(lài)