生物化學(xué)基礎(chǔ)第05章-生物氧化課件

《生物化學(xué)基礎(chǔ)》

電子課件鄂東職業(yè)技術(shù)學(xué)院醫(yī)藥學(xué)系湖北省黃岡衛(wèi)生學(xué)校高等教育出版社高等教育電子音像出版社

周劍濤第五章生物氧化第五章生物氧化

第一節(jié)生成ATP的氧化體系第二節(jié)ATP的生成與利用第三節(jié)線粒體外NADH的氧化第四節(jié)非線粒體氧化體系

第五節(jié)活性氧與人體疾病第五章生物氧化營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（糖、脂肪、蛋白質(zhì)）在生物體內(nèi)徹底氧化生成CO2和H2O，并釋放能量的過(guò)程稱為生物氧化（biologicaloxidation）。生物氧化與細(xì)胞利用O2和生成CO2有關(guān)，故又稱為細(xì)胞呼吸或組織呼吸。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在體內(nèi)外氧化的實(shí)質(zhì)相同：營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)＋O2CO2＋

H2O＋能量（Q）生物氧化的特點(diǎn)反應(yīng)條件溫和，37℃

、近中性pH的水性環(huán)境；由酶催化分步氧化，逐步釋放能量。一部分能量以高能化合物（如ATP）的形式貯存與利用，另一部分以熱能形式維持體溫；通過(guò)有機(jī)酸的脫羧反應(yīng)生成CO2

；代謝物脫下的氫主要通過(guò)氧化呼吸鏈傳遞給O2生成水。第一節(jié)生成ATP的氧化體系生物體內(nèi)物質(zhì)氧化的主要方式是脫氫反應(yīng)。代謝物脫下的兩個(gè)氫原子（2H≡2H+＋2e≡H＋H+＋e）通過(guò)多種酶和輔酶(基)構(gòu)成的鏈?zhǔn)絺鬟f體系逐步傳遞給O2生成H2O，此過(guò)程與細(xì)胞呼吸有關(guān)，因此將此傳遞體系稱為呼吸鏈（respiratorychain）。氫通過(guò)呼吸鏈生成H2O，逐步釋放的能量為合成ATP提供了能量。呼吸鏈中的電子傳遞體系呼吸鏈中的酶和輔酶（基）起到傳遞氫或傳遞電子的作用，分別稱為遞氫體或遞電子體，它們大多以復(fù)合體的形式存在，并按一定順序排列在線粒體內(nèi)膜上。線粒體是生物氧化最主要的場(chǎng)所，體內(nèi)所需能量的95%源于線粒體氧化體系。一、呼吸鏈的組成成分1.尼克酰胺脫氫酶類2.黃素脫氫酶類3.輔酶Q類（coenzymeQ，COQ）4.鐵硫蛋白類（Fe-S）5.細(xì)胞色素類（cytochromes，Cyt）（一）呼吸鏈的遞氫體或遞電子體尼克酰胺脫氫酶類尼克酰胺脫氫酶（nicotinamine

dehydrogenases）類以NAD+和NADP+為輔酶。催化脫氫時(shí)，尼克酰胺（維生素PP）的吡啶環(huán)接受一個(gè)氫原子和一個(gè)電子，氮原子由五價(jià)變成三價(jià)，NAD+或NADP+變?yōu)镹ADH＋H+或NADPH＋H+。反應(yīng)是可逆的。

以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶：

異檸檬酸脫氫酶蘋(píng)果酸脫氫酶丙酮酸脫氫酶α-酮戊二酸脫氫酶乳酸脫氫酶3-磷酸甘油醛脫氫酶NAD+＋2

HNADH＋H+（NADP+）（NADPH＋H+）NAD+或NADP+的遞氫作用

黃素脫氫酶類黃素脫氫酶（flavin

dehydrogenases）類以FMN或FAD作為輔基。催化底物脫氫時(shí)，F(xiàn)MN或FAD的核黃素（維生素B2）部分的異咯嗪環(huán)上第1位及第10位兩個(gè)氮原子能反復(fù)地進(jìn)行加氫和脫氫反應(yīng)。FMN、FAD同NAD+、NADP+的作用相同，也是遞氫體。FMN或FAD（氧化型）FMNH2或FADH2（還原型）

FMN（FAD）＋H2FMNH2（FADH2）FMN（FAD）的遞氫作用以FMN為輔基的脫氫酶：

NADH脫氫酶以FAD為輔基的脫氫酶：

琥珀酸脫氫酶脂酰CoA脫氫酶二氫硫辛酸脫氫酶輔酶Q（COQ）類COQ（coenzymeQ）廣泛存在于生物界，是脂溶性醌類化合物，故又名泛醌。COQ有一條由多個(gè)異戊二烯單位構(gòu)成的側(cè)鏈。人體內(nèi)COQ側(cè)鏈由10個(gè)異戊二烯單位構(gòu)成，以COQ10表示。氧化型COQ的對(duì)苯醌結(jié)構(gòu)接受2H生成還原型COQ（COQH2或QH2），COQ起遞氫體作用。

COQCOQH2

（氧化型）（還原型）

COQ＋H2COQH2COQ起遞氫體作用鐵硫蛋白（Fe-S）類Fe-S（iron-sulfurproteins）含有2個(gè)活潑硫原子和2個(gè)鐵原子，故稱為鐵硫中心。Fe-S的鐵原子可逆地得失電子，一次傳遞一個(gè)電子，因而Fe-S是單電子傳遞體。鐵硫蛋白傳遞電子的作用

細(xì)胞色素（Cyt）類Cyt（cytochromes）是以鐵卟啉為輔基催化電子傳遞的酶類。鐵卟啉鐵原子可逆地得失電子，1分子Cyt一次傳遞1個(gè)電子，它們的功能是單電子傳遞體。2Cyt-Fe3+

＋2e2Cyt-Fe2+

Cyt傳遞電子順序根據(jù)吸收光譜，Cyt分為Cyta、Cytb、Cytc根據(jù)最大吸收峰的微小差異，每類又再分亞類參與呼吸鏈的Cyt：b、C1、C、a、a3。Cyt按b→c1→c→aa3

順序傳遞電子。由Cyta3將電子交給O2，使O2激活生成氧負(fù)離子（O2-），Cyta3又稱細(xì)胞色素氧化酶。（cytochrome

oxidase）Cyta和Cyta3難以分離，常稱Cytaa3。細(xì)胞色素的遞電子作用及順序

（二）呼吸鏈的電子傳遞復(fù)合體用膽酸、脫氧膽酸等反復(fù)處理線粒體內(nèi)膜可得到4種具有電子傳遞功能的酶復(fù)合體：1.復(fù)合體Ⅰ（NADH-泛醌還原酶）2.復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸-泛醌還原酶）3.復(fù)合體Ⅲ（泛醌-細(xì)胞色素c還原酶）4.復(fù)合體Ⅳ（細(xì)胞色素c氧化酶）復(fù)合體Ⅰ（NADH-泛醌還原酶）人復(fù)合體Ⅰ中含有以FMN為輔基的黃素酶和以鐵硫?yàn)檩o基的Fe-S。復(fù)合體Ⅰ將NADH+H+的2H傳遞給COQ。COQ極易從線粒體內(nèi)膜中分離出來(lái)，故不包含在復(fù)合體Ⅰ中。復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸-泛醌還原酶）人復(fù)合體Ⅱ中含有以FAD為輔基的黃素酶和Fe-S等成分。復(fù)合體Ⅱ?qū)㈢晁崦撓碌?H傳遞給COQ。復(fù)合體Ⅲ（泛醌-Cytc還原酶）人復(fù)合體Ⅲ中含有Cytb、Cytc1和Fe-S。復(fù)合體Ⅲ將電子從COQ傳遞給Cytc。Cytc呈水溶性，與線粒體內(nèi)膜外表面結(jié)合不緊密，極易與內(nèi)膜分離，故不參與復(fù)合體Ⅲ的組成。復(fù)合體Ⅳ（細(xì)胞色素c氧化酶）復(fù)合體Ⅳ含有Cyta、Cyta3和2個(gè)Cu原子，Cu原子參與電子傳遞。復(fù)合體Ⅳ的功能是將電子從CytC傳遞給O2。二、兩條重要呼吸鏈線粒體內(nèi)重要的呼吸鏈有兩條：

NADH氧化呼吸鏈

FADH2（琥珀酸）氧化呼吸鏈

NADH氧化呼吸鏈的作用以NAD+為輔酶的脫氫酶催化代謝物脫氫，生成NADH+H+，NADH進(jìn)入NADH氧化呼吸鏈；NADH+H+脫下2H經(jīng)復(fù)合體Ⅰ傳遞至COQ生成COQH2；COQH2脫去2H+和2e，2H+留于介質(zhì)中，2e再經(jīng)復(fù)合體Ⅲ傳遞至Cytc；最后由復(fù)合體Ⅳ將2e交給O2，使氧激活成O2-，O2-與介質(zhì)中的2H+結(jié)合成H2O。FADH2氧化呼吸鏈的作用以FAD為輔基的脫氫酶催化代謝物脫氫，生成FADH2進(jìn)入FADH2

氧化呼吸鏈；FADH2脫下2H經(jīng)復(fù)合體Ⅱ傳遞至COQ生成COQH2；后續(xù)傳遞過(guò)程與NADH氧化呼吸鏈相同。第二節(jié)ATP的生成與利用一、高能鍵與高能化合物高能鍵一般將水解時(shí)可釋放20.9kJ/mol以上能量的化學(xué)鍵稱為高能鍵，常用“～”符號(hào)表示。常見(jiàn)的高能鍵是高能磷酸酯鍵（～P）；其次有硫酯鍵（CO～S）、氮磷鍵（N～P）等。高能化合物含有高能鍵的化合物稱為高能化合物。高能化合物在水解反應(yīng)中釋放的能量高于20.9kJ/mol。體內(nèi)最主要的高能化合物是ATP；其次有GTP、CTP、UTP、dUTP等；還有一些中間代謝產(chǎn)物：

1，3-二磷酸甘油酸、乙酰CoA、琥珀酰CoA二、氧化磷酸化（一）氧化磷酸化

(oxidativephosphorylation)的定義代謝物脫氫，氫通過(guò)呼吸鏈傳遞給氧生成水，釋放的能量使ADP磷酸化生成ATP，這種物質(zhì)的氧化（放能反應(yīng)）與ADP的磷酸化（吸能反應(yīng)）相偶聯(lián)的作用，稱為氧化磷酸化。氧化磷酸化是體內(nèi)生成ATP的主要方式。（二）氧化磷酸化偶聯(lián)部位氧化呼吸鏈遞氫過(guò)程有3個(gè)偶聯(lián)部位使ADP磷酸化生成ATP。

NADHCoQ

Cytb

Cytc

Cytaa3O22H通過(guò)NADH氧化呼吸鏈氧化產(chǎn)生3分子ATP？？？2H通過(guò)FADH2氧化呼吸鏈氧化生成2分子ATP？？氧化磷酸化和偶聯(lián)部位示意圖

三、影響氧化磷酸化的因素

（一）[ADP]/[ATP]的調(diào)節(jié)作用[ADP]/[ATP]值升高，氧化磷酸化速度加快；

[ADP]/[ATP]值降低，氧化磷酸化速度則減慢。[ADP]/[ATP]值是調(diào)節(jié)氧化磷酸化的主要因素，可使體內(nèi)ATP的生成速度適應(yīng)生理需要，對(duì)機(jī)體合理利用能源，避免能源浪費(fèi)具有重要意義。（二）甲狀腺激素的影響甲狀腺激素誘導(dǎo)細(xì)胞膜Na+-K+-ATP酶，使ATP分解速度加快，[ADP]/[ATP]值升高，促使氧化磷酸化速度加快，ATP生成也增多。由于ATP周轉(zhuǎn)率加快，代謝物氧化增多，結(jié)果耗氧量和產(chǎn)熱量都增加。甲狀腺功能亢進(jìn)患者常表現(xiàn)為基礎(chǔ)代謝率高，生熱增加，怕熱，易出汗。（三）抑制劑的作用呼吸鏈抑制劑

能選擇性阻斷呼吸鏈某些部位電子傳遞，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)呼吸停止，引起死亡。例如：粉蝶霉素A魚(yú)藤酮異戊巴比妥抗霉素ACN-（氰化物）CON3-（疊氮化物）

氧化磷酸化抑制劑對(duì)呼吸鏈的抑制作用

氰化物中毒的藥物治療臨床使用亞硝酸異戊酯和亞硝酸鈉搶救氰化物中毒患者。亞硝酸異戊酯和亞硝酸鈉使血紅蛋白氧化成高鐵血紅蛋白，高鐵血紅蛋白極易與氰化物結(jié)合，生成氰化高鐵血紅蛋白，恢復(fù)細(xì)胞色素氧化酶功能。由于氰化高鐵血紅蛋白容易解離出氰化物，故還應(yīng)再注射硫代硫酸鈉，使氰化物轉(zhuǎn)化為毒性較小的硫氰酸鹽隨尿排出體外。

解偶聯(lián)劑使物質(zhì)氧化與ADP磷酸化偶聯(lián)作用解聯(lián)的物質(zhì)稱為解偶聯(lián)劑：解偶聯(lián)蛋白-1雙香豆素2，4-二硝基酚（DNP）解偶聯(lián)劑不阻斷氫與電子在呼吸鏈的傳遞，而是抑制ADP磷酸化生成ATP，物質(zhì)氧化釋放的能量不能貯存于ATP，而是以熱能的形式散發(fā)，致使體溫升高。四、底物水平磷酸化底物水平磷酸化（substrate-levelphosphorylation）是代謝物分子中的高能鍵在酶的作用下，直接轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP的方式。底物水平磷酸化不是生成ATP的主要方式。五、ATP與能量的釋放、貯存和利用體內(nèi)能量代謝以ATP為中心。ATP既是貯量物質(zhì)又是直接供能物質(zhì)。

某些代謝需要其他三磷酸核苷提供能量：

合成糖原需要UTP

合成蛋白質(zhì)需要GTP合成磷脂需要CTP磷酸肌酸的貯能作用ATP在體內(nèi)不穩(wěn)定，肌酸激酶(CK)催化ATP將高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給肌酸（C）生成磷酸肌酸（creatinephosphate，C～P），作為體內(nèi)能量的貯存形式。當(dāng)機(jī)體ATP消耗增加而致ADP增多時(shí)，磷酸肌酸則將～P轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP，由ATP提供生命活動(dòng)所需的能量。ATP的生成、貯存和利用示意圖

第三節(jié)線粒體外NADH的氧化線粒體內(nèi)生成的NADH直接進(jìn)入NADH氧化呼吸鏈氧化生成水。胞液中生成的NADH，如3-磷酸甘油醛脫氫生成的NADH，則不能自由透過(guò)線粒體內(nèi)膜，需要兩種轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制參與進(jìn)入線粒體內(nèi)氧化：

α-磷酸甘油穿梭蘋(píng)果酸-天冬氨酸穿梭

(α-glycerophosphateshuttle)一、α-磷酸甘油穿梭作用α-磷酸甘油穿梭主要存在腦和骨骼肌。1分子NADH通過(guò)α-磷酸甘油穿梭進(jìn)入呼吸鏈氧化生成2分子ATP。

蘋(píng)果酸-天冬氨酸穿梭主要存在肝和心肌。1分子NADH通過(guò)蘋(píng)果酸-天冬氨酸穿梭進(jìn)入呼吸鏈生成3分子ATP。

二、蘋(píng)果酸-天冬氨酸穿梭作用(malate-asparateshuttle)第四節(jié)非線粒體氧化體系一、需氧脫氫酶類和氧化酶類人體代謝物脫下的氫可直接以O(shè)2作為受氫體，催化這類反應(yīng)的酶有：

需氧脫氫酶類氧化酶類

一、需氧脫氫酶類和氧化酶類需氧脫氫酶類催化底物脫H，H經(jīng)FMN或FAD傳給O2生成H2O2，而不是H2O。如黃嘌呤氧化酶(輔基FAD)、D-氨基酸氧化酶(輔基FAD)、L-氨基酸氧化酶(輔基FMN)、醛脫氫酶(輔基FAD)、單胺氧化酶(輔基FAD)、二胺氧化酶等。氧化酶類催化底物脫H，電子經(jīng)銅離子傳給O2，O2再與質(zhì)子結(jié)合成H2O。如細(xì)胞色素氧化酶、酚氧化酶、抗壞血酸氧化酶等。二、微粒體加單氧酶系加單氧酶系由NADP-細(xì)胞色素還原酶、細(xì)胞色素P450（CytP450）、鐵氧還蛋白等組成。加單氧酶催化O2中一個(gè)氧原子加入底物分子形成羥基，另一氧原子被NADPH+H+還原成水，故將加單氧酶又稱為羥化酶或混合功能氧化酶。AH＋O2＋NADPH＋H+A-OH＋NADP+＋H2O加單氧酶系的生理作用：

參與藥物、毒物的生物轉(zhuǎn)化作用參與體內(nèi)類固醇激素、膽汁酸及膽色素等生物合成三、過(guò)氧化酶體氧化體系過(guò)氧化氫酶（catalase）是以鐵卟啉為輔基的酶，催化過(guò)氧化氫分解形成H2O和O2。過(guò)氧化物酶（peroxidase）也是以鐵卟啉為輔基的酶。催化過(guò)氧化氫氧化抗壞血酸、胺類和酚類化合物。

2H2O22H2O＋O2AH2＋H2O2A＋2H2Ocatalaseperoxidase四、超氧化物歧化酶（SOD）超氧化物歧化酶（superoxide

dismutase，SOD）是一類含金屬的酶，按所含金屬不同，分為三種類型：

Cu-Zn-SOD

主要分布于真核細(xì)胞液中

Mn-SOD

主要分布于真核細(xì)胞線粒體中

Fe-SOD

主要分布于細(xì)菌中四、超氧化物歧化酶（SOD）SOD催化超氧陰離子自由基（O2-·）的歧化反應(yīng)形成H2O2。O2-·＋O2-·＋2H+H2O2＋O2SOD第五節(jié)活性氧與人體疾病一、活性氧帶有未成對(duì)電子的任何原子、分子或基團(tuán)稱為自由基（freeradical）。如：

超氧陰離子自由基(O2-·)羥自由基(HO·)

脂質(zhì)過(guò)氧化自由基（LOO·）烷自由基（RO·）過(guò)氧化亞硝基(OONO-·)