第八章-生物氧化

Biochemistry

生物化學(xué)與分子生物學(xué)系“伊妹兒”地址：

手機(jī)短信為宜！勿擾偶及家人清夢(mèng)）請(qǐng)科代留下聯(lián)系方式。本人忌諱：遲到者；上課嘀嘀咕咕、嘰嘰喳喳者；上課咂吧咂吧吃東西者；摟摟抱抱、卿卿我我上演少兒不宜節(jié)目者。欲拷課件者請(qǐng)?jiān)诿恳徽律贤旰螅⑶抑荒茉诘?節(jié)課后拷，以防U盤(pán)帶毒感染電腦影響教學(xué)。第八章生物氧化

BiologicalOxidation本章主要內(nèi)容生物氧化概述呼吸鏈線粒體氧化體系A(chǔ)TP

氧化磷酸化其他生物氧化體系意義用于生命活動(dòng)用于維持體溫H2O+CO2+能量生物體

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（糖、脂、蛋白質(zhì)）[O]一、生物氧化(Biologicaloxidation)概述有機(jī)物質(zhì)在生物細(xì)胞內(nèi)的氧化分解、最終生成二氧化碳和水并釋放能量的過(guò)程，稱為生物氧化。又稱細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸。生物氧化的研究?jī)?nèi)容

1）細(xì)胞如何在酶的作用下將有機(jī)化合物中的C變?yōu)镃O2？

2）細(xì)胞怎樣在酶的作用下利用O2將有機(jī)化合物中的H氧化成H2O？

3）當(dāng)有機(jī)物被氧化為CO2和H2O時(shí)，釋放的能量怎樣貯存于ATP中？

在溫和的環(huán)境中反應(yīng)：體溫，近于中性的pH，水環(huán)境。

在一系列酶、輔酶和中間傳遞體的作用下逐步進(jìn)行。在一系列反應(yīng)中，每一部放出部分能量，逐步放出的能量總和等于體外進(jìn)行的相同氧化作用的能量。

釋放的能量通常先儲(chǔ)存在一些特殊的高能化合物如ATP

中，然后通過(guò)這些物質(zhì)的轉(zhuǎn)移作用，滿足機(jī)體各種需能反應(yīng)的要求。

在真核細(xì)胞內(nèi)，生物氧化在線粒體內(nèi)進(jìn)行；在原核細(xì)胞內(nèi)，生物氧化在細(xì)胞膜上進(jìn)行。生物氧化的特點(diǎn)生物氧化中二氧化碳的產(chǎn)生有機(jī)物質(zhì)含羧基化合物脫羧基直接脫羧基脫氫脫羧基生物氧化中二氧化碳的產(chǎn)生生物氧化中水的產(chǎn)生2HOH2O

代謝分子中的H如何脫去？

脫出的H是否直接與氧接觸結(jié)合？

呼吸作用吸入的O2能否直接與氫結(jié)合？生物氧化中水的產(chǎn)生在脫氫酶、傳遞體及氧化酶組成的生物氧化體系催化下生成水。生物氧化中能量的生成主要是通過(guò)呼吸鏈。

底物水平磷酸化

氧化磷酸化

二、線粒體氧化體系代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)過(guò)一系列的傳遞體，最后傳遞給被激活的氧分子，從而生成水的全部體系稱為呼吸鏈，也稱為電子傳遞體系或電子傳遞鏈(electrontransportchain)?；瘜W(xué)本質(zhì)：線粒體內(nèi)膜上一組排列有序的酶與輔酶構(gòu)成的功能單位。(一)呼吸鏈(respiratorychain)●遞氫體：CoI（NAD）、CoⅡ（NADP）、黃素輔酶（FAD、FMN）、輔酶Q等?！耠娮觽鬟f體：細(xì)胞色素b、c1、c、a、a3等。

傳遞體種類線粒體呼吸鏈復(fù)合體FMN,Fe-S復(fù)合體ⅠFAD,Fe-S,Cytb復(fù)合體ⅡCytb,Fe-S,Cytc1復(fù)合體ⅢCytaa3,Cu復(fù)合體Ⅳ煙酰胺(nicotinamide)核苷酸類（NAD+、NADP+）遞氫體黃素蛋白(flavoprotein)類（FMN、FAD）遞氫體鐵硫蛋白(iron-sulfurcluster)Fe2+Fe3++e-傳遞電子方式：遞電子體泛醌

（CoQ）(Ubiquinone)遞氫體細(xì)胞色素(Cytochrome)類組成呼吸鏈的細(xì)胞色素:Cytb、Cytc1、Cytc、Cytaa3細(xì)胞色素氧化酶Fe2+Fe3++e-遞電子體NNNNFe3+H3C--CH3-CH-CH3CH3CH2CH2COO-CH2CH2COO-H3C-CysSH3C-CHCysS蛋白質(zhì)細(xì)胞色素c輔基(二)呼吸鏈主要成分的排列順序在具有線粒體的生物中，典型的呼吸鏈有兩種，即NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈。是根據(jù)接受代謝物上脫下的氫的初始受體不同區(qū)分的。呼吸鏈排列順序的依據(jù)

理論依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位

實(shí)驗(yàn)依據(jù)呼吸鏈中各組分的氧化還原電位1)氧化還原偶聯(lián)進(jìn)行；2)氧化還原能力的大小用EO值表示；3)EO值越小，表示還原性越強(qiáng)，越易提供2H或2e(二)呼吸鏈主要成分的排列順序呼吸鏈排列順序的依據(jù)

理論依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位

實(shí)驗(yàn)依據(jù)拆開(kāi)和重組特異抑制劑阻斷還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧兩條主要呼吸鏈的排列順序NADH復(fù)合體ICoQ復(fù)合體IIICytc復(fù)合體IVO2琥珀酸復(fù)合體IINADH氧化呼吸鏈琥珀酸(FADH2)氧化呼吸鏈NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc1→CytcCytaa3O2NADH氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈兩條主要呼吸鏈的排列順序NADHFMNQ10CytbCytc1Cytcaa3(Fe-S)(Fe-S)FADH2(Fe-S)琥珀酸2H2H2H2H2H+2e2e2e2eO2122eO2-H2O兩條主要呼吸鏈的排列順序細(xì)胞色素的排列順序

筆洗一洗AA散b、c1、c、aa3洗一洗線粒體呼吸鏈復(fù)合體FMN,Fe-S復(fù)合體ⅠFAD,Fe-S,Cytb復(fù)合體ⅡCytb,Fe-S,Cytc1復(fù)合體ⅢCytaa3,Cu復(fù)合體ⅣTCA生物氧化的一般過(guò)程1.ATP（三磷酸腺苷）分子結(jié)構(gòu)

ATP等分子中的焦磷酸鍵在水解或轉(zhuǎn)移時(shí)，可釋放很高的能量，大于30.56kJ/moL，稱高能磷酸鍵。(三)ATP的生成利用與儲(chǔ)存

某些磷酸化合物的水解自由能

磷酸化合物

水解自由能ΔG（kJ/moL）磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）-61.69氨基甲酰磷酸-50.50乙酰基磷酸-43.12磷酸肌酸（CP）-43.12焦磷酸（PPi）-33.49ATP（→ADP+Pi）-30.56葡萄糖-1-磷酸（G-1-P）-20.93葡萄糖-6-磷酸（G-6-P）-13.82α-磷酸甘油-9.21

高能磷酸化合物有轉(zhuǎn)移其磷?；膬A向，形成較低能量的磷酸酯。ATP是磷?；膫鬟f體。2.ATP具有較高的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢(shì)(三)ATP的生成利用與儲(chǔ)存生物氧化中能量的生成主要是通過(guò)呼吸鏈。

底物水平磷酸化

氧化磷酸化

(三)ATP的生成利用與儲(chǔ)存

3.ATP生成方式底物水平磷酸化：

直接將代謝物分子中的能量轉(zhuǎn)移至ADP（或GDP），生成ATP（或GTP）的過(guò)程。

磷酸甘油酸激酶

3-磷酸甘油酸這是糖酵解中第一次底物水平磷酸化反應(yīng)ADPATP1,3-二磷酸甘油酸(1,3-DPG)OPO3

2-見(jiàn)P221反應(yīng)7COO-C-O~

P

CH2磷酸烯醇式丙酮酸

COO-C=OCH2ADPATP丙酮酸丙酮酸激酶(Mg2+,K+)糖酵解中第二次底物水平磷酸化反應(yīng)見(jiàn)P222第一個(gè)反應(yīng)琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoAGDP+PiGTPATPADP琥珀酸HSCoA琥珀酰CoA+GDP+Pi

琥珀酸+GTP+CoA-SHP227圖9－5之反應(yīng)⑤

底物水平磷酸化特點(diǎn)①底物被氧化的過(guò)程中，形成了某些高能化合物。②通過(guò)酶的作用使ADP（GDP）生成ATP（GTP）。③底物磷酸化和氧的存在與否無(wú)關(guān)。氧化磷酸化——代謝物在分解代謝中產(chǎn)生的還原當(dāng)量（2H）經(jīng)電子傳遞鏈傳遞給氧生成水時(shí)，釋放出大量能量，在ATP合酶的催化下，使ADP磷酸化生成ATP的過(guò)程。(四)氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）1.氧化磷酸化耦聯(lián)部位的確定測(cè)定P/O比值計(jì)算各階段釋放的自由能來(lái)推測(cè)P/O值是指物質(zhì)氧化時(shí),每消耗1mol氧原子所消耗的無(wú)機(jī)磷的mol數(shù),即生成ATP的mol數(shù)。ADP+H3PO4

ATP(1)測(cè)不同作用物經(jīng)呼吸鏈氧化的P/O值實(shí)質(zhì)：每消耗1mol氧原子所產(chǎn)生的ATP的mol數(shù)。P/O值==消耗Pmol數(shù)消耗Omol數(shù)

消耗ADPmol數(shù)消耗Omol數(shù)生成ATPmol數(shù)消耗Omol數(shù)=線粒體離體實(shí)驗(yàn)中測(cè)得一些底物的P/O值底物呼吸鏈的組成P/O值生成ATP數(shù)1.β-羥丁酸NAD+→FMN→CoQ→Cyt→O22.4～2.83琥珀酸FAD→CoQ→Cyt→O21.72抗壞血酸Cytc→Cytaa3→O2

0.881Cytc(Fe2+)Cytaa3→O20.61～0.68

12.3.4.比較1、2，第一個(gè)偶聯(lián)部位NAD+→CoQ之間比較2、3，第二個(gè)偶聯(lián)部位CoQ

→Cytc之間比較3、4，第三個(gè)偶聯(lián)部位Cytaa3

→O2之間(2)計(jì)算自由能變化ADP+PiATP△G0′=30.5kJ/mol△G0′=-nF△E0′△G0′<0放能△G0′>0吸能△G0′=0無(wú)能變化呼吸鏈電子傳遞時(shí)△G0′的變化部位△E0′（V）△G0′(kJ/mol)NADH-CoQ0.33-63.7CoQ-Cytc0.31-59.8Cytaa3-O20.58-110

ADP+Pi→ATP

FADH2

ADP+Pi→ATP

0.33v-63.7kJ/mol

0.58v-110kJ/molNADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2

0.31v-59.8kJ/mol

ADP+Pi→ATP+H2O

ATP形成部位NADH至泛醌細(xì)胞色素b至細(xì)胞色素c細(xì)胞色素a3至分子氧

琥珀酸等脫氫時(shí)不經(jīng)NAD傳遞，繞過(guò)了NADH→CoQ一步，所以只形成2分子ATP。ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+H+胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)++++++++++---------2.氧化磷酸化的機(jī)制——化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)

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。ATP合酶由親水部分F1（α3β3γδε亞基）和疏水部分F0（a1b2c9～12亞基）組成。ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖當(dāng)H+順濃度遞度經(jīng)F0中a亞基和c亞基之間回流時(shí)，γ亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個(gè)β亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。ATP合酶的工作機(jī)制3氧化磷酸化的調(diào)控(四)氧化磷酸化

ADP的調(diào)節(jié)抑制劑（inhibitor）甲狀腺素（thyroxine）的調(diào)節(jié)

線粒體(mitochondrial)DNA突變（mutation）解耦聯(lián)劑呼吸鏈抑制劑ATP合酶抑制劑3.1ADP的調(diào)節(jié)

ADP/ATP↑：氧化磷酸化↑

ADP/ATP↓：氧化磷酸化↓3氧化磷酸化的調(diào)控常見(jiàn)解耦聯(lián)劑：2，4-二硝基苯酚（DNP）作用機(jī)理：破壞內(nèi)膜兩側(cè)的電化學(xué)梯度而使氧化與磷酸化脫離、解耦聯(lián)。氧化照常進(jìn)行，ATP不生成。3.2抑制劑——解耦聯(lián)劑3氧化磷酸化的調(diào)控解偶聯(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+PiATP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)機(jī)理：阻斷氫、電子的傳遞3.2抑制劑——呼吸鏈抑制劑

注射死刑的執(zhí)行是通過(guò)以下三種藥劑分別注射（按順序）完成的：

硫噴妥鈉：瞬發(fā)性的巴比妥酸鹽，一種能在幾秒內(nèi)讓被處刑者失去知覺(jué)的藥物。

巴夫龍：非去極化型肌肉松弛劑，導(dǎo)致完全、迅速而持久的骨骼肌麻痹，包括橫膈膜和其他的呼吸肌,這將最終因窒息而導(dǎo)致死亡。

氯化鉀溶液：使心跳停止，因心臟麻痹而導(dǎo)致死亡。吉林通化一酒店起火致10人死亡35人受傷這些傷員幾乎沒(méi)有一個(gè)有燒傷和燙傷，主要癥狀是頭暈、惡心、咽喉痛。包括遇難者，盡管身體熏得黑乎乎的，但是沒(méi)有燒傷痕跡，主要都是窒息死亡。

如寡霉素與ATP合酶F0部分結(jié)合，抑制其質(zhì)子通道功能。3.2抑制劑——ATP合酶抑制劑（氧化磷酸化抑制劑）3氧化磷酸化的調(diào)控化學(xué)滲透示意圖及各種抑制劑對(duì)氧化磷酸化的影響Na+-K+-ATP酶生成↑ATP水解↑氧化磷酸化↑ATP合成↓耗氧量和產(chǎn)熱量↑

3.3甲狀腺素的調(diào)節(jié)3氧化磷酸化的調(diào)控解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)↑mtDNA編碼呼吸鏈復(fù)合體的多肽鏈及蛋白質(zhì)mtDNA突變影響氧化磷酸化ATP生成減少mtDNA病聾、盲、癡呆、肌無(wú)力、糖尿病3氧化磷酸化的調(diào)控3.4線粒體DNA突變（五）NADH從胞液轉(zhuǎn)入線粒體的兩種穿梭作用在肝和心肌等組織

3ATP通過(guò)該穿梭作用，胞液中的NADH轉(zhuǎn)入到線粒體后轉(zhuǎn)變?yōu)镕ADH2，進(jìn)入琥珀酸呼吸鏈氧化。這解釋了為什么1mol葡萄糖經(jīng)過(guò)有氧氧化可能生成36或38mol的ATP。腦和骨骼肌2ATP內(nèi)（五）NADH從胞液轉(zhuǎn)入線粒體的兩種穿梭作用

第三節(jié)非線粒體氧化體系一、微粒體氧化體系

（一）加單氧酶(monoxygenase)*催化的反應(yīng)：RH+NADPH+H++O2ROH+NADP++H2O故又稱混合功能氧化酶(mixed-functionoxidase)或羥化酶(hydroxylase)。上述反應(yīng)需要細(xì)胞色素P450(CytP450)參與。（二）加雙氧酶此酶催化氧分子中的2個(gè)氧原子加到底物中帶雙鍵的2個(gè)碳原子上。例如：

(O2)

色氨酸吡咯酶二、過(guò)氧化物酶體中的酶類

（1）過(guò)氧化氫酶(catalase)又稱觸酶，其輔基含4個(gè)血紅素2H2O22H2O+O2過(guò)氧化氫酶

(一)過(guò)氧化氫及超氧離子的生成(二）過(guò)氧化氫及超氧離子的作用和毒性反應(yīng)氧族化學(xué)性質(zhì)活潑，可以使磷脂中的不飽和脂肪酸氧化成過(guò)氧化脂質(zhì)，損傷生物膜；過(guò)氧化脂質(zhì)與蛋白質(zhì)結(jié)合成的復(fù)合物積累成的棕褐色色素顆粒即脂褐素，與組織老化有關(guān)。

（三）過(guò)氧化氫及超氧離子的清除（2）過(guò)氧化物酶(perioxidase)以血紅素為輔基，催化H2O2直接氧化酚類或胺類化合物

R+H2O2RO+H2ORH2+H2O2R+2H2O過(guò)氧化物酶

過(guò)氧化物酶

谷胱甘肽過(guò)氧化物酶H2O2(ROOH)H2O(ROH+H2O)2G–SHG–S–S–GNADP+NADPH+H+*此類酶可保護(hù)生物膜及血紅蛋白免遭損傷

谷胱甘肽還原酶（3）含硒的谷胱甘肽過(guò)氧化物酶

三、超氧化物歧