生物化學(xué) 第五章 生 物 氧 化(修改)(5學(xué)時(shí))課件

第五章生物氧化

BiologicalOxidation第五章生物氧化第一節(jié)概述第二節(jié)呼吸鏈第三節(jié)氧化磷酸化第一節(jié)概述一、生物氧化的含義及特點(diǎn)二、高能化合物糖

脂肪蛋白質(zhì)CO2和H2OO2能量ADP+PiATP熱能*生物氧化概括如下圖2.生物氧化的特點(diǎn)（1）生物氧化是在體溫條件下，酶促催化下，經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)，逐步氧化，逐步分次釋放能量。（2）生物氧化過程中產(chǎn)生的能量，通常都是儲(chǔ)存在一些特殊的高能化合物中，如ATP，然后在需要時(shí)，通過ATP的水解，將能量供給機(jī)體的需能反應(yīng)。（3）在生物氧化中，CO2和H2O的生成通常是經(jīng)過不同的途徑，CO2的生成往往是在脫羧酶的催化下，底物脫羧產(chǎn)生。而水的生成，則是將底物脫下的氫，經(jīng)一系列遞氫體和遞電子體的傳遞，最后與氧結(jié)合生成水，且在這一過程中完成能量的釋放、貯存，即生成ATP。

生物氧化是在細(xì)胞內(nèi)攝入分子O2，將有機(jī)物經(jīng)一系列步驟徹底氧化分解后，放出CO2和H2O。這與生命體的呼吸作用類似，且細(xì)胞氧來自呼吸作用，產(chǎn)生的CO2也經(jīng)呼吸作用排出，因此生物氧化又叫細(xì)胞呼吸，而進(jìn)行氧化的電子傳遞鏈又稱為呼吸鏈。二、高能化合物1.高能化合物

高能化合物就是有較高能量的化合物，這些能量一般都先儲(chǔ)存于這些化合物的某些化學(xué)鍵中，當(dāng)這些鍵斷裂時(shí)，便釋放較高的能量以供生命活動(dòng)所需。一般將斷鍵時(shí)釋放5千卡/克分子以上能量的鍵稱為高能鍵。2.高能鍵的種類

在生物體內(nèi)，常見的高能鍵主要有高能磷酯鍵和高能硫酯鍵。3.某些高能磷酯鍵的水解自由能磷酸基團(tuán)可以由高向低轉(zhuǎn)移，ATP的位置居中，因此其能有效地轉(zhuǎn)移磷酸基團(tuán)。

4.ATP的生成

生物體內(nèi)ATP的生成是通過生物氧化后，與之相偶聯(lián)的磷酸化生成，包括氧化磷酸化和底物磷酸化。底物水平的磷酸化：

代謝物的高能磷酸根直接轉(zhuǎn)給ADP生成ATP氧化磷酸化(oxydativephosphorylation)

底物脫下的氫（2H2H++2e）經(jīng)過呼吸鏈(respiratorychain)或電子傳遞系統(tǒng)(electronictransportsystem)的傳遞最后交給氧，并與之結(jié)合生成水。在此過程中,氧化釋放的部分能量以高能磷酸鍵的形式儲(chǔ)存在ATP分子中（ADP+PiATP），這種氧化過程與磷酸化過程的偶聯(lián)稱為氧化磷酸化。這是需氧生物合成ATP的主要方式。5.ATP的利用及儲(chǔ)存

（1）ATP中能量的利用常與一些吸能反應(yīng)相偶聯(lián)如：R-COOH+R’-OHRCOOR’+H2O△G=4千卡/克分子ATP+H2OADP+Pi△G=-7.3千卡/克分子當(dāng)反應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行時(shí)，由于△G﹥0，故不能自發(fā)進(jìn)行當(dāng)將其與ATP水解相偶聯(lián)時(shí)，則R-COOH+R’-OH+ATPRCOOR’+ADP+Pi△G=-3.3千卡/克分子

△G﹤0，反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行，在生物體內(nèi)許多合成反應(yīng)都是需能反應(yīng)，都要與ATP的水解相偶聯(lián)。（2）啟動(dòng)可以自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)如：

因：ATP+H2OADP+Pi△G=-30.54千焦/克分子而：G+ATPADP+G-6-P△G=-16.74千焦/克分子所以：從GG-6-P獲得了13.8千焦的能量，G分子得到了活化，有利于反應(yīng)的啟動(dòng)。G-6-P己糖磷酸激酶GATPADP

ATP的生成和利用ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化

~P~P機(jī)械能(肌肉收縮)滲透能(物質(zhì)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn))化學(xué)能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)生物體內(nèi)能量的儲(chǔ)存和利用都以ATP為中心。一、呼吸鏈的概念

呼吸鏈(respiratorychain)又稱電子傳遞鏈(electrontransferchain)。是由幾種遞H體和遞電子體所組成的鏈狀反應(yīng)系統(tǒng)，通過遞H和遞電子，將底物脫下的H交給被激活的氧生成水，并釋放能量。二、催化底物脫氫的酶類

1.以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶類這類酶催化代謝反應(yīng)中底物脫氫，脫下的氫由NAD+或NADP+接受。NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互轉(zhuǎn)變氧化還原反應(yīng)時(shí)變化發(fā)生在五價(jià)氮和三價(jià)氮之間。2.以黃素核苷酸為輔酶的脫氫酶類即以FAD或FMN為輔酶，催化代謝反應(yīng)中底物或NADH脫氫，脫下的氫由FAD或FMN接受。FMN結(jié)構(gòu)中含核黃素，發(fā)揮功能的部位是異咯嗪環(huán)，氧化還原反應(yīng)時(shí)不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN。

2.鐵硫蛋白又稱鐵硫中心，含有鐵和對(duì)酸不穩(wěn)定的硫，且兩者有一定的等量關(guān)系。鐵硫中心的硫可以是無機(jī)硫，也可以是半胱氨酸中的巰基硫；鐵可以是二價(jià)或三價(jià)，這種價(jià)態(tài)的變化，使鐵硫中心在呼吸鏈中與其它遞氫體和遞電子體結(jié)合成復(fù)合物而存在，參與電子傳遞的過程。

FMNH2可將電子傳遞給鐵硫蛋白，故其為NADH-Q還原酶的另一輔基。鐵硫蛋白有個(gè)Fe-S中心，鐵硫蛋白有的含一個(gè)Fe原子(Fe-S)，有的含2個(gè)Fe原子(2Fe-2S)，有的含4個(gè)Fe原子(4Fe-4S)。其結(jié)構(gòu)如下：鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其中鐵原子可進(jìn)行Fe2+Fe3++e反應(yīng)傳遞電子。?表示無機(jī)硫

鐵硫蛋白SS無機(jī)硫半胱氨酸硫3.輔酶Q（CoQ）是一種脂溶性的醌類化合物，在呼吸鏈中參與遞氫的作用。由多個(gè)異戊二烯連接形成較長(zhǎng)的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反應(yīng)時(shí)可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。復(fù)合體Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+FMNFMNH2還原型Fe-S氧化型Fe-SQQH24.琥珀酸-Q還原酶（復(fù)合體II）

琥珀酸-Q還原酶即復(fù)合體II，它包括三羧酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶。該酶復(fù)合體中也包括2Fe-2S，3Fe-3S和4Fe-4S.它的作用是將琥珀酸分子的電子及質(zhì)子傳遞到呼吸鏈中。其過程是:琥珀酸——FADH2——鐵硫蛋白——CoQ5.細(xì)胞色素C還原酶（復(fù)合體III)又稱CoQ-細(xì)胞色素C還原酶，細(xì)胞色素bc1復(fù)合體。該復(fù)合體主要包含細(xì)胞色素b562和b566，細(xì)胞色素c1，2F-2S。其中細(xì)胞色素b是游離的，細(xì)胞色素c1和2Fe-2S位于膜內(nèi)側(cè)。細(xì)胞色素是一類含鐵卟啉環(huán)的電子傳遞蛋白，只存在于需氧細(xì)胞中，通過Fe3+Fe2+變化而傳遞電子。呼吸鏈中細(xì)胞色素的種類主要有Cytb、Cytc1、Cytc、Cytaa36.細(xì)胞色素C（cytochrome)細(xì)胞色素C在電子傳遞中的作用是不斷地接受復(fù)合體III（細(xì)胞色素C1)交出的電子，然后又傳給復(fù)合體IV(細(xì)胞色素aa3)。7.細(xì)胞色素氧化酶(復(fù)合體IV)細(xì)胞色素氧化酶分子較大，約20萬kd，由10個(gè)亞基組成，分別為I,II,III,IV,……。，其中最大的三個(gè)亞基由線粒體DNA編碼。該酶有四個(gè)氧化—還原中心。都集中在第I和第II亞基上。分別為血紅素a和a3,Cua和Cub.它們都分別與相應(yīng)的蛋白結(jié)合。分別形成2個(gè)電子傳遞中心，a-CuA和a3-CuB.電子傳遞順序?yàn)椋篶ytochromeCa-Cuaa3-CubO2可能與與a3-Cub結(jié)合，并接受電子成為O2-;細(xì)胞色素氧化酶中的細(xì)胞色素a和a3的電子傳遞體是Fe，Cu離子中心的電子傳遞體是Cu.它們一次只能傳一個(gè)電子:Cu2+Cu+*泛醌和Cytc均不包含在上述四種復(fù)合體中。人線粒體呼吸鏈復(fù)合體呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置四、呼吸鏈的排列順序及反應(yīng)歷程1.呼吸鏈的排列順序呼吸鏈各組成并不是雜亂無章地堆積在一起的，而是有一定秩序地排列，電子與H就按此秩序逐步傳遞至O2，與之結(jié)合生成水。呼吸鏈的排列順序是通過大量實(shí)驗(yàn)得以證實(shí)。NADH氧化呼吸鏈NADH→復(fù)合體Ⅰ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2FADH2(琥珀酸氧化)呼吸鏈

琥珀酸→復(fù)合體Ⅱ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2NADH氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ復(fù)合物Ⅱ復(fù)合物Ⅲ復(fù)合物ⅣⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)線粒體內(nèi)膜e-e-e-e-e-2.呼吸鏈的反應(yīng)歷程N(yùn)ADH氧化呼吸鏈FADH2(琥珀酸氧化)呼吸鏈

電子在呼吸鏈中的傳遞方式(I)(II)(III)(IV)NADHFMN（FeS）CoQCytb（FeS）Cytc1CytcO2FADH（FeS）Cytaa3NADH呼吸鏈FADH呼吸鏈兩條呼吸鏈總結(jié)琥珀酸電子傳遞鏈Overviewofelectrontransport五、胞液中NADH的氧化1.蘋果酸穿梭機(jī)制：NADH+H+NAD+NADH+H+NAD+谷氨酸-天冬氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體蘋果酸-α-酮戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)體蘋果酸草酰乙酸α-酮戊二酸谷氨酸蘋果酸脫氫酶谷草轉(zhuǎn)氨酶胞液線粒體內(nèi)膜基質(zhì)呼吸鏈天冬氨酸2.磷酸甘油穿梭機(jī)制

NADH+H+FADH2NAD+FAD線粒體內(nèi)膜線粒體外膜膜間隙線粒體基質(zhì)α-磷酸甘油脫氫酶呼吸鏈磷酸二羥丙酮α-磷酸甘油第三節(jié)氧化磷酸化

一、概念二、ATP生成數(shù)目三、氧化磷酸化偶聯(lián)部位四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)作用五、氧化磷酸化的作用機(jī)理一、概念

與呼吸鏈的氧化作用相偶聯(lián)的磷酸化，即在呼吸鏈的電子傳遞過程中，釋放的能量使ADP磷酸化為ATP，從而將釋放的能量貯存在ATP的高能磷酸鍵中的過程。氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化。

底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)

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的過程。二、ATP生成數(shù)目1.P/O比值每消耗1克原子氧，可消耗多少克原子磷，由于消耗1原子磷，則表示生成1分子ATP，消耗1原子氧，則傳遞1對(duì)電子，故P/O比值表示呼吸鏈每傳遞1對(duì)電子，生成的ATP的數(shù)目。2.各種呼吸鏈的ATP生成數(shù)目

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得：NADH呼吸鏈的P/O=3，則每傳遞1對(duì)電子生成3個(gè)ATP(現(xiàn)為2.5個(gè)ATP)FADH2呼吸鏈的P/O=2，則每傳遞1對(duì)電子生成2個(gè)ATP(現(xiàn)為1.5個(gè)ATP)三、氧化磷酸化偶聯(lián)部位

1.偶聯(lián)部位

ADP+H3PO4ATP+H2O△G=+7.3千卡/克分子

即ADP要磷酸化為ATP需要7.3千卡/克分子的能量。則在呼吸鏈中，只有釋放的能量高于7.3千卡/克分子的部位，才有可能進(jìn)行磷酸化。ATPATPATP氧化磷酸化偶聯(lián)部位電子傳遞鏈自由能變化

2.呼吸鏈偶聯(lián)部位的證據(jù)（1）不同底物氧化時(shí)的P/O比值底物呼吸鏈P/O比值A(chǔ)TP數(shù)目乳酸NADH33琥珀酸FADH222VC電子傳遞11FADH2VCNADHCOQCytbCytcCytaa3O2（2）特異電子傳遞抑制劑的抑制

NADHCOQCytbCytcCytaa3O2

由于魚藤酮不抑制COQ以后的電子傳遞，P/O=2，說明NADHCOQ為一個(gè)ATP生成部位。其它亦同理。魚藤酮抑制抗霉素A抑制CN-,CO抑制ATP數(shù)目210四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)作用1.含義：某些試劑，在作用于呼吸鏈時(shí)，可阻礙ATP的生成，但并不影響氧化作用的進(jìn)行，這樣的試劑，稱為解偶聯(lián)試劑，這樣的作用即為解偶聯(lián)作用。2.常用解偶聯(lián)試劑：

2，4-二硝基苯酚（DNP）3.解偶聯(lián)作用的意義：由于解偶聯(lián)作用，使ADP不能生成ATP，從而ADP的濃度升高，ADP的濃度升高又刺激呼吸鏈氧化作用加強(qiáng)，最終導(dǎo)致機(jī)體的耗氧量增加，物質(zhì)氧化加快，釋放的能量則以熱的形式散發(fā)。氧化磷酸化的解偶聯(lián)作用可為冬眠動(dòng)物所利用，為其產(chǎn)生熱量以維持體溫的一種方式。五、氧化磷酸化的作用機(jī)理

關(guān)于氧化磷酸化的機(jī)制至今尚無定論，主要有三種假說：化學(xué)偶聯(lián)假說、結(jié)構(gòu)偶聯(lián)假說和化學(xué)滲透偶聯(lián)假說。現(xiàn)主要介紹化學(xué)滲透偶聯(lián)假說。1.化學(xué)滲透偶聯(lián)學(xué)說的要點(diǎn)1961年英國(guó)微生物生物化學(xué)家p.邁特捷爾(P．Mitchell)提出了化學(xué)滲透假說，其要點(diǎn)是：

在電子傳遞和ATP形成之間起偶聯(lián)作用的是H+電化學(xué)梯度，在偶聯(lián)過程中，線粒體內(nèi)膜必須是完整、封閉的才能進(jìn)行，呼吸鏈的電子傳遞體系是一個(gè)主動(dòng)的轉(zhuǎn)移H+體系，電子傳遞過程象一個(gè)H+“泵”，促使基質(zhì)中的H+離子穿過線粒體內(nèi)膜，形成H+濃度內(nèi)低外高的梯度，這就蘊(yùn)藏了電化學(xué)的能量，此能量可使ADP和無機(jī)磷酸形成ATP。線粒體基質(zhì)線粒體膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化學(xué)滲透假說簡(jiǎn)單示意圖化學(xué)滲透學(xué)說（chemiosmotichypothesis)2.化學(xué)滲透偶聯(lián)假說的解釋（1）H+濃度梯度的形成：如圖(i)呼吸鏈中遞氫體和遞電子體是間隔交替排列的，并在內(nèi)膜中有特定的位置，催化電子定向傳遞。(ⅱ)當(dāng)遞氫體從內(nèi)膜內(nèi)側(cè)接受由底物傳來的氫(2H)后，可將其中的電子(2e)傳給位于其后的遞電子體，而將兩個(gè)質(zhì)子(H+)“泵’到內(nèi)膜外側(cè)，即遞氫體起著“質(zhì)子泵”的作用

(iii)因H+不能自由回到內(nèi)膜內(nèi)側(cè)，以致內(nèi)膜外側(cè)的H+濃度高于內(nèi)側(cè)，造成H+濃度的跨膜梯度。此H+濃度梯度使內(nèi)膜外側(cè)的pH較內(nèi)側(cè)低1個(gè)單位左右，從而使原有的外正內(nèi)負(fù)的膜電位增高。這個(gè)電位差中就包含著電子傳遞過程中所釋放的能量，好象電池兩極的離子濃度差造成電位差而含有能量一樣，并且此H+濃度所含的能量可用于ATP的合成。2.ATP的生成由H+濃度梯度引起的ATP的合成是在內(nèi)膜表面的F1-F0ATP酶復(fù)合體內(nèi)進(jìn)行的定向反應(yīng)。見圖F1-F0ATP酶由親水部分F1（α3β3γδε亞基）和疏水部分F0（a1b2c9～12亞基）組成。F0中有質(zhì)子通道，F(xiàn)1頭部有ATP酶活性ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖ATP合成機(jī)制在ATP酶的柄部有能量傳遞的中間物X-和IO-，可與被泵出膜外的H+，結(jié)合成酸式中間物XH和IOH，兩者脫水生成X～I(xiàn)，其結(jié)合鍵(～)中含有來自H+濃度差(或電位差)的能量。X～I(xiàn)擴(kuò)散入膜內(nèi)側(cè)面，在ATP合成酶頭部催化下，將鍵間的能量轉(zhuǎn)移