生化五章生物氧化

第五章生物氧化焦虎平教學(xué)目的與要求：1.掌握生物氧化概念，特點(diǎn)、場(chǎng)所2.掌握呼吸鏈、氧化磷酸化3.掌握高能磷酸化合物、ATP生成方式、儲(chǔ)存和利用。4.熟悉氧化磷酸化調(diào)節(jié)及其抑制劑。5.了解微粒體氧化體系和過氧化體氧化體系，二氧化碳的生成本章重點(diǎn)：兩條主要的氧化呼吸鏈；氧化磷酸化作用。本章難點(diǎn)：氧化呼吸鏈，氧化磷酸化作用，化學(xué)滲透學(xué)說。一概述（一）生物氧化(biologicaloxidation)：

糖類、脂肪、蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)氧化，最終生成CO2和水，并釋放出能量的過程，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。生物氧化實(shí)際上是需氧細(xì)胞呼吸作用中的一系列氧化—還原反應(yīng)，所以又稱為細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸。維持生命活動(dòng)的能量，主要有兩個(gè)來源：光能（太陽能）：植物和某些藻類，通過光合作用將光能轉(zhuǎn)變成生物能。化學(xué)能：動(dòng)物和大多數(shù)的微生物，通過生物氧化作用將有機(jī)物質(zhì)（主要是各種光合作用產(chǎn)物）存儲(chǔ)的化學(xué)能釋放出來，并轉(zhuǎn)變成生物能。(二)生物氧化與燃燒的異同點(diǎn)：

生物體內(nèi)的氧化和外界的燃燒在化學(xué)本質(zhì)上最終產(chǎn)物都是水和二氧化碳，所釋放的能量也完全相等。體外和體內(nèi)；燃燒是通過點(diǎn)燃實(shí)現(xiàn)，能量瞬間釋放，生物氧化是在酶催化下實(shí)現(xiàn)，能量逐步釋放，一般以ATP形式儲(chǔ)存，供機(jī)體生理活動(dòng)之需；燃燒中CO2、H2O、能量在一處產(chǎn)生，而生物氧化CO2、H2O的產(chǎn)生及能量的釋放在不同位置；.燃燒高溫,生物氧化體溫進(jìn)行；燃燒以光和熱的形式瞬間釋放，生物氧化一般以化學(xué)能的方式貯存在高能磷酸化合物中。脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAn*2H磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中間物進(jìn)入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一大部分通過磷酸化儲(chǔ)存在ATP中。大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位

生物氧化的三個(gè)階段e-H2O生物氧化中H2O的生成

代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脫氫酶例：1\2O2NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO=2H+（三）生物氧化中物質(zhì)氧化的方式一）加氧向底物分子中加入氧原子或氧分子。如：醛氧化為酸的反應(yīng)。生物氧化中物質(zhì)氧化的方式與一般氧化還原反應(yīng)相同。在化學(xué)反應(yīng)中，加氧、脫氫、去電子叫做氧化，脫氧、加氫、得電子叫還原。從本質(zhì)上講，氧化的實(shí)質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移，常見的氧化類型有以下三種：二）脫氫從底物分子中脫去一對(duì)氫原子（質(zhì)子和電子）。如：乳酸脫氫氧化為丙酮酸的反應(yīng)。三）丟電子

底物失去電子被氧化。如：Fe2+氧化為Fe3+的反應(yīng)氧化反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是電子的丟失。所以，在生物氧化中，凡丟失電子的物質(zhì)是還原劑，本身經(jīng)受氧化反應(yīng)被氧化；得到電子的物質(zhì)是氧化劑，在反應(yīng)之后被還原。由于體內(nèi)并不存在游離的電了和氫原子，氧化還原反應(yīng)是偶聯(lián)進(jìn)行的，前一反應(yīng)脫下的電子或氫原子必須被另一物質(zhì)所接受。將提供氫原子或電子的物質(zhì)叫做供氫體或電子體；將接受氫原子或電子的物質(zhì)叫做受氫體或電子體；將既能接受氫原子或電子又能把所得氫原子或電子傳遞下去的物質(zhì)叫做遞氫體或遞電子體。（四）催化生物氧化的酶類

催化生物氧化的的重要酶類有氧化酶、需氧脫氫酶、不需氧脫氫酶和加氧酶一）氧化酶類氧化酶類為含金屬離子（鐵、銅等）的結(jié)合酶，如細(xì)胞色素氧化酶等。這類酶易被氰化物和硫化氫所毒害。直接以氧作為氫受體，所催化的氧化還原反應(yīng)無氧不能進(jìn)行。分子氧在氧化酶的激活下氧原子接受2個(gè)電子和2個(gè)質(zhì)子（2H+）化合成水。酶分子中的金屬離子被反復(fù)地氧化還原起電子的傳遞作用。氧化酶類的作用方式

二）需氧脫氫酶類需氧脫氫酶大多以FMN（黃素單核苷酸）和FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）為輔基輔基的作用是遞氫在有氧時(shí)能用氧直接作為受氫體，在無氧條件下，也可以適當(dāng)物質(zhì)作為受氫體反應(yīng)產(chǎn)物不是水而是過氧化氫酶不被氰化物、硫化氫等物所抑制三）不需氧脫氫酶類這類酶不能以氧分子直接作為受氫體，而能以某些輔酶作為受氫體。以輔酶Ⅰ（NAD+）或Ⅱ（NADP+），F(xiàn)MN或FAD為受氫體。四）加氧酶類這類酶主要存在于微粒體，是催化加氧反應(yīng)的酶體系依向底物分子中加入氧原子的數(shù)目不同又分為加單氧酶和加雙氧酶二呼吸鏈呼吸鏈:線粒體能將代謝物脫下的成對(duì)氫原子(2H)通過多種酶和輔酶的鏈鎖反應(yīng)體系逐步傳遞,最后與激活的氧結(jié)合為水,由于該過程利用氧氣與細(xì)胞呼吸有關(guān),所以將這一傳遞體系叫做呼吸鏈。輔酶Q和細(xì)胞色素CⅠⅡ一、呼吸鏈的組成RAMPNAD+:

R=HNADP+:R=PO2H2煙酰胺NAD(P)H+H+NAD(P)++2HNHH-CONH2輔酶I和輔酶II結(jié)構(gòu)特征:

NAD+:煙酰胺腺嘌呤二核苷酸,輔酶I

NADP+:煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,輔酶II

FMN和FAD的結(jié)構(gòu)特征:鐵硫蛋白結(jié)構(gòu)特征:輔酶Q的結(jié)構(gòu)特征細(xì)胞色素一類以鐵卟啉（或血紅素）作為輔基的電子傳遞蛋白，廣泛參與動(dòng)、植物氧化還原反應(yīng)。細(xì)胞色素作為電子載體傳遞電子的方式是通過其血紅素輔基中鐵原子的還原態(tài)(Fe2+)和氧化態(tài)之間的可逆變化。任何一類細(xì)胞蛋白（血紅素蛋白），在細(xì)胞能量轉(zhuǎn)移中起著極為重要的作。細(xì)胞色素二、呼吸鏈中的電子傳遞體系一）NADH氧化呼吸鏈人體內(nèi)大多數(shù)脫氫酶都以NAD+作輔酶，在脫氫酶催化下底物MH2脫下的氫交給NAD+生成NADH+H+，在NADH脫氫酶作用下，NADH+H+將兩個(gè)氫原子傳遞給FMN生成FMNH2，再將氫傳遞至CoQ生成CoQH2，此時(shí)兩個(gè)氫原子解離成2H+和2e,2H+游離于介質(zhì)中，2e經(jīng)Cytb、c1、c、aa3傳遞，最后將2e傳遞給1/2O2，生成O2-,O2與介質(zhì)中游離的2H+結(jié)合生成水二）琥珀酸氧化呼吸鏈（FAD氧化呼吸鏈）琥珀酸在琥珀酸脫氫酶作用下脫氫生成延胡索酸，F(xiàn)AD接受兩個(gè)氫原子生成FADH2，然后再將氫傳遞給CoQ，生成CoQH2，此后的傳遞和NADH氧化呼吸鏈相同α-β-ⅠⅡⅢⅣ兩條主要的呼吸鏈呼吸鏈組分按氧化還原電位由低向高的方向排列，電子逐步傳遞到氧,電子逐級(jí)傳遞、能量逐漸釋放（一）生物氧化的場(chǎng)所一）線粒體:線粒體是生物氧化的重要場(chǎng)所三氧化磷酸化二)微粒體和過氧化體微粒體和過氧化體也可進(jìn)行生物氧化，其特點(diǎn)是在氧化過程中不伴有偶聯(lián)磷酸化，不能生成ATPD氧化還原偶聯(lián)磷酸化，生成ATPOSCPF6PaulBoyer提出結(jié)合變化機(jī)制,并于1997年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（二）氧化磷酸化作用及ATP生成

偶聯(lián)磷酸化作用（Coupledphosphorylation）或氧化磷酸化作用(oxidativephosphorylation):在線粒體中，代謝物氧化脫氫，所獲氫經(jīng)過呼吸鏈的傳遞生成水釋放能量的同時(shí)，總伴有將能量偶聯(lián)起來形成ATP的磷酸化過程，即ADP+Pi--->ATP。常將這種放能和吸能反應(yīng)偶聯(lián)進(jìn)行的作用稱為偶聯(lián)磷酸化或氧化磷酸化。細(xì)胞中由ADP生成ATP的磷酸化過程，一般有兩種方式：一種是在電子傳遞過程中進(jìn)行偶聯(lián)磷酸化，叫做電子傳遞水平的磷酸化，即氧化磷酸化。另一種是直接由底物分子中的高能鍵轉(zhuǎn)變成ATP末端高能磷酸鍵叫做底物水平的磷酸化。

由于每兩摩爾氫經(jīng)呼吸鏈傳遞,最終與一摩爾氧結(jié)合生成水,其間必然伴有ADP的磷酸化生成ATP,需消耗無機(jī)磷酸,故可根據(jù)無機(jī)磷酸的消耗數(shù)量間接推測(cè)ATP的生成量。P/O比值是指每消耗摩爾氧所消耗無機(jī)磷的摩爾數(shù)。根據(jù)不同底物所脫氫進(jìn)入呼吸鏈的途徑及其參加呼吸鏈的P/O比值，可以在致推導(dǎo)出ATP的偶聯(lián)部位。ⅠⅢⅣⅡⅢⅣⅣⅣβ-2.4～2.80.66～0.681.70.88～～～(三)氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制(化學(xué)偶聯(lián);結(jié)構(gòu)偶聯(lián);化學(xué)滲透)（四）影響氧化磷酸化的因素一）（ADP+Pi）/ATP比值的調(diào)節(jié)作用（呼吸調(diào)控）二）甲狀腺激素的調(diào)節(jié)作用三）抑制劑的作用（五）氧化磷酸化抑制根據(jù)它們的抑制方式不同可劃分為：解偶聯(lián)劑氧化磷酸化抑制劑離子載體抑制劑

1、解偶聯(lián)劑使電子傳遞和ATP形成兩個(gè)過程分離，只抑制ATP的形成過程，不抑制電子傳遞過程，使電子傳遞產(chǎn)生的自由能都變?yōu)闊崮堋５湫偷慕馀悸?lián)劑：親脂試劑2,4—二硝基苯酚(DNP)；解偶聯(lián)機(jī)理：接受質(zhì)子后成為脂溶性的，從而容易地透過膜，破壞質(zhì)子梯度。

2、氧化磷酸化抑制劑直接干擾ATP的生成過程，但不直接抑制電子傳遞鏈上載體的作用。抑制ATP的形成、又抑制氧氣的利用。例：寡霉素和DCCD（二環(huán)己基碳二亞胺），作用于F0

，阻止質(zhì)子流過F0電子傳遞的抑制劑能夠阻斷呼吸鏈中某部位電子傳遞的物質(zhì)稱為電子傳遞抑制劑。是研究電子傳遞鏈順序的一種重要方法。

NADHNADH-Q還原酶CoQcytbc1cytccytaa3O2魚藤酮

安密妥

殺粉蝶菌素

抗霉素A氰化物、CO疊氮化物3、離子載體抑制劑這是一類脂溶性物質(zhì)。這種物質(zhì)能與某些離子結(jié)合并作為它們的載體使這些離子能夠穿過膜。它和解偶聯(lián)試劑的區(qū)別在于：它是除H+以外其他1價(jià)陽離子的載體，這類抑制劑是通過增加線粒體內(nèi)膜對(duì)一價(jià)陽離子的通透性而破壞氧化磷酸化過程。例如：纈氨霉素能夠結(jié)合K+離子，與K+形成脂溶性的復(fù)合物，于是K+容易地透過膜。導(dǎo)致膜內(nèi)外Na+、K+離子比例失調(diào)，導(dǎo)致某些物質(zhì)運(yùn)輸發(fā)生障礙（這些物質(zhì)協(xié)同運(yùn)輸時(shí)需要H+泵出）短桿菌肽：Na+、K+及其他一價(jià)陽離子(六)高能磷酸化合物由醇羥基與磷酸形成的酯鏈，如6-磷酸葡萄糖，3-磷酸甘油等化合物中的磷酸鏈蘊(yùn)藏能量較低（4.184～12.552kj/mol鍵），稱為低能量鍵。由磷酸與磷酸間脫水形成的焦磷酸鍵、磷酸與胍基、磷酸與烯醇基等形成的鍵，含能豐富(>20.92kJ/mol鍵），這些鍵叫高能鍵，常以“～”表示。含高能鍵的化合物叫做高能化合物，含高能磷酸鍵的化合物叫做高能磷酸化合物?！?/p>

腺嘌呤核苷三磷酸（ＡＴＰ）是體內(nèi)最重要高能磷酸化合物之一，還有ＧＴＰ、ＵＴＰ和ＴＴＰ等高能磷酸化合物ATP的特殊作用ATP是細(xì)胞內(nèi)的“能量通貨”ATP在傳遞能量方面起著轉(zhuǎn)運(yùn)站的作用，它是能量的攜帶者和轉(zhuǎn)運(yùn)者，但不是能量的貯存者ATP是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的中間載體

（七）高能磷酸鍵的儲(chǔ)存和利用（八）生物氧化中CO2的生成方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2類型：CH3CO