動物生物化學：第五章生物氧化

1、第五章 生物氧化,講授內(nèi)容,第一節(jié) 自由能 第二節(jié) ATP 第三節(jié)氧化磷酸化作用 第四節(jié)其他生物氧化體系,教學目標,熟悉氧化與還原反應是如何通過兩種電子傳遞鏈偶聯(lián)的 了解化學滲透理論的要點，以及電子傳遞是如何與ADP的磷酸化偶聯(lián)的 熟悉胞液中的NADH轉(zhuǎn)換為線粒體中的NADH的途徑,生物能量的獲得,光能（太陽能） 光能營養(yǎng)生物植物和微生物 通過光合作用將光能轉(zhuǎn)變成有機物中穩(wěn)定的化學能 化學能 化能營養(yǎng)生物動物和人 通過生物氧化作用將有機物質(zhì)（主要是各種光合作用產(chǎn)物）氧化分解，使存儲的穩(wěn)定的化學能轉(zhuǎn)變成ATP中活躍的化學能，ATP直接用于需要能量的各種生命活動,生物氧化概念,營養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)氧

2、化分解成H2O和CO2并釋放能量的過程稱為生物氧化（biological oxidation） 生物氧化通常需要消耗氧，所以又稱為呼吸作用 因為是在體內(nèi)組織細胞中進行的，所以又稱為細胞氧化,第一節(jié) 自由能,生物體能量代謝服從能量守恒定律,熱力學第一定律（能量守恒定律） 能量既不能創(chuàng)造也不能消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式 熱力學第一定律不能預測某一反應能否自發(fā)進行。,生物體能量代謝服從熱力學第二定律,熱力學第二定律 熱的傳導只能由高溫物體傳至低溫物體。 任何一種物理或化學的過程都自發(fā)地趨向于增加體系與環(huán)境的總熵,自由能,自由能 是生物體（或恒溫恒壓下）用來作功的能量 在沒有作功條件時，自由

3、能將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軉适?熵 是指混亂度或無序性，是一種無用的能,自由能的作用,在恒溫恒壓條件（生物體系內(nèi)）下 G=H-TS G0時，體系的反應能自發(fā)進行（為放能反應） G0時，反應不能自發(fā)進行，當給體系補充自由能時，才能推動反應進行（為吸能反應） G 0時，表明體系已處于平衡狀態(tài) 化能營養(yǎng)生物都是從食物氧化的自發(fā)過程中獲取自由能來完成生命活動！,第二節(jié) ATP,一、 ATP是生物體中自由能的通用貨幣,分解代謝釋放的能量并不能直接被細胞利用，必須經(jīng)一類高能物質(zhì)其中最主要的是三磷酸腺苷(ATP)暫時儲存起來 也就是說，并不是任何形式的能都可被細胞利用，細胞直接利用的僅僅是三磷酸腺苷(ATP)一類高能化

4、合物中所儲存的能量 ATP在生物體內(nèi)能量交換中之所以起著核心的作用,ATP是機體內(nèi)直接用以做功的形式,在ATP三個磷酸基團中含有兩個磷酸酐鍵，成為高能分子 當ATP水解為二磷酸腺苷(ADP)和磷酸(Pi)時，或水解為磷酸腺苷(AMP)和焦磷酸(PPi)時，能釋放出大量能量,ATP推動體內(nèi)任何一種需要自由能的反應,二、ATP具有較高的磷酸基團轉(zhuǎn)移潛勢,ATP當水解時具有較強的趨勢將末端磷酸基轉(zhuǎn)移給水。即具有較高的磷酸基團轉(zhuǎn)移的潛勢 生物體內(nèi)除ATP外還有一些化合物也有很高的轉(zhuǎn)移磷酸基的潛勢 磷酸烯醇式丙酮酸等的磷酸基轉(zhuǎn)移潛勢比ATP高。意味著它們能將磷酸基轉(zhuǎn)移給ADP而生成ATP 糖降解中許多產(chǎn)

5、物都如此,磷氧鍵型（O-P),?；姿峄衔?1,3-二磷酸甘油酸,乙酰磷酸,?；姿峄衔?氨甲酰磷酸,?；佘账?氨?；佘账?焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,ADP（二磷酸腺苷）,烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）,磷氧鍵型：?；姿峄衔?、焦磷酸化合物、烯醇式磷酸化合物,氮磷鍵型（如胍基磷酸化合物）,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲存能量的作用。,硫酯鍵型,3-磷酸腺苷-5-磷酰硫酸,?；o酶A,甲硫鍵型,S-腺苷甲硫氨酸,三、 ATP以偶聯(lián)方式推動體內(nèi)非自發(fā)反應,ATP是自由能的載體，它推動那些不輸入自由能在熱力學上就不能進行的反應 如細胞內(nèi)

6、脂肪酸合成中，由乙酰輔酶A羧化為丙二酸單酰輔酶A這一步 這樣的偶聯(lián)反應中，酶是重要的偶聯(lián)劑,底物水平磷酸化,經(jīng)過代謝反應，代謝物分子內(nèi)部產(chǎn)生高能鍵，在這些高能鍵水解時，釋放的能量，足以推動ADP或GDP磷酸化。 這種底物氧化過程中產(chǎn)生的能量直接將ADP磷酸化生成ATP的過程，稱為底物水平磷酸化,第三節(jié)氧化磷酸化作用,釋放的能量轉(zhuǎn)化成ATP被利用 轉(zhuǎn)換為光和熱，散失,一、生物氧化的特點,生物氧化和有機物在體外氧化（燃燒）的實質(zhì)相同，都是脫氫、失電子或與氧結合，消耗氧氣，都生成C2O和H2O，所釋放的能量也相同。但二者進行的方式和歷程卻不同：,生物氧化 體外燃燒,細胞內(nèi)溫和條件 高溫或高壓、干燥條

7、件 （常溫、常壓、中性pH、水溶液）,一系列酶促反應 無機催化劑 逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆發(fā)釋放,二、 兩條主要的呼吸鏈,概念 底物上的氫原于被脫氫酶激活后，經(jīng)一系列的電子載體，傳遞給氧而生成水。氫傳遞與氧化合的連鎖反應稱為呼吸鏈或電子傳遞鏈,呼吸鏈組成,呼吸鏈位于線粒體內(nèi)膜形成呼吸酶集合體 4個復合體 NADH Q 還原酶 琥珀酸 Q 還原酶 Q H 2細胞色素c 細胞色素c氧化酶 2個單獨的成分 輔酶 Q 細胞色素c,兩種呼吸鏈,（一）NADH呼吸鏈,NAD是呼吸鏈中底物脫氫氧化作用中主要的電子受體 在底物的脫氫氧化作用中，NAD的煙酰胺環(huán)接受一個氫離子和兩個電子，另一個氫離子游

8、離于溶液中，形成NADH 十 H反應式,1、NADHQ還原酶 催化的反應,NADHQ還原酶,NADH-Q還原酶是一個大的蛋白質(zhì)復合體，F(xiàn)MN和鐵-硫中心（Fe-S）是該酶的輔基，輔酶Q是該酶的輔酶，由輔基或輔酶負責傳遞電子和氫。 以FMN或FAD為輔基的蛋白質(zhì)統(tǒng)稱黃素蛋白。,鐵硫中心（Fe-S中心 ）,鐵硫中心主要以（ Fe-S ） (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在，鐵硫聚簇與蛋白質(zhì)結合稱為鐵硫蛋白。,輔酶Q,輔酶Q是醌的衍生物，有一個長的類異戊二烯的尾（n個）。它也稱為泛醌 n的數(shù)目因物種而異。哺乳動物n為10，即有10個異戊二烯單位，其符號為Ql0 由于含有長的脂肪族側鏈，

9、有利于在線粒體內(nèi)膜擴散。Q是很活躍的電子載體,接受電子后還原為QH2。,傳遞1：復合物I將來自NADH的電子傳遞給泛醌,在NADH脫氫酶的作用下，NADH將一個氫負離子轉(zhuǎn)移給FMN，形成FMNH2。H，HH，e- H，e-FMNFMNH2FMNHFMN FMNH2經(jīng)兩步將2H傳給輔酶Q。輔酶Q一次接受一個電子，經(jīng)過半醌陰離子中間物（Q），最后達到充分還原態(tài)泛醌醇（QH2）。e- e-，2HQ Q QH2 每從NADH轉(zhuǎn)移一對電子給Q，將有4個質(zhì)子被轉(zhuǎn)移到膜間隙。,傳遞2：復合物II將電子由琥珀酸轉(zhuǎn)移到泛醌,復合物II琥珀酸-泛醌氧化還原酶（也稱琥珀酸脫氫酶復合物）接受來自琥珀酸的電子，同時催化

10、Q還原為QH2。 復合物II催化的電子傳遞過程。來自琥珀酸的兩個電子轉(zhuǎn)移給Q，F(xiàn)AD被一個氫負離子還原；還原型黃素的兩個單電子傳遞給3個鐵-硫簇。這一過程釋放的自由能很少，沒有質(zhì)子跨膜，主要是將琥珀酸氧化的電子引入電子傳遞鏈中。,輔酶Q可以接受來自復合物I或II的電子，然后再將電子傳給復合物III。幾種其它途徑的反應也可以將電子傳給Q，如由甘油3-磷酸脫氫酶催化的反應。,2、電子從QH2細胞色素c復合體的傳遞,細胞色素,輔酶Q獲得的電子再傳給QH2細胞色素C還原酶復合體。 復合體包括細胞色素b和c1，加上FeS。 細胞色素(Cytochrome，Cyt)是一類傳遞電子的蛋白質(zhì)，它含有血紅素輔基

11、。,細胞色素c和c1,細胞色素b中的血紅素不與蛋白質(zhì)共價結合 細胞色素c和c1中血紅素則通過硫醚鍵與蛋白質(zhì)共價相連結,復合物III將電子由QH2傳給細胞色素c,復合物III又稱泛醌-細胞色素c氧化還原酶，含有9個或10個不同的亞基，一個2Fe-2S蛋白質(zhì)，細胞色素b和細胞色素c1。伴隨著一分子QH2的氧化，有4個質(zhì)子被轉(zhuǎn)移到線粒體膜間隙中（下圖），其中的兩個質(zhì)子來自QH2，另兩個來自基質(zhì)。單電子載體細胞色素c接受電子，沿著內(nèi)膜的胞液側移動將其轉(zhuǎn)移給復合物IV。,3、電子從細胞色素C傳遞給氧分子,細胞色素c氧化酶復合體,還原型的Cytc將電子再傳遞給細胞色素c氧化酶復合體 這個復合體包括細胞色素

12、a、a3和Cu。a和a3具有不同的鐵卟啉輔基，稱為血紅素a。,血紅素a,血紅素a與c1和c的血紅素不同之處在于一個甲?；媪艘粋€甲基，一個碳氫鏈代替了乙烯基。,也叫末端氧化酶。 由 cyt.a和a3 組成 復合物中除了含有鐵卟啉外，還含有2個銅原子（CuA，CuB）。Cyta與CuA相配合，cyta3與CuB相配合，當電子傳遞時，在細胞色素的Fe3+ Fe2+間循環(huán)，同時在Cu2+ Cu+間循環(huán)，將電子從cytc直接傳遞給O2。,細胞色素氧化酶,復合物IV將電子從細胞色素c傳給O2,復合物IV細胞色素c氧化酶是呼吸電子傳遞鏈的最后一個成分，它催化分子氧（O2）4電子還原形成水（2H2O），并

13、將質(zhì)子轉(zhuǎn)移到膜間隙。哺乳動物的復合物IV是個二聚體，含有細胞色素a 和a3，它們具有不同的還原電位。復合物IV還含有兩個銅離子（CuA和CuB），當它們參與電子傳遞時，變換于Cu2+和Cu+兩種狀態(tài)之間。 細胞色素c氧化酶對質(zhì)子濃度梯度的貢獻有兩種方式（下圖）。 每傳遞一對電子（即為了還原O2中的每一個氧原子）就轉(zhuǎn)移兩個H 當氧被還原為水時消耗基質(zhì)2H。,（二） FADH2 呼吸鏈,電子的傳遞是由FADH2傳給鐵硫中心，然后再傳給輔酶Q 由輔酶Q到O2之間的電子傳遞與NADH呼吸鏈完全相同,FADH2,FADH2是在三羧循環(huán)中由琥珀酸氧化成延胡索酸時形成。 琥珀酸脫氫酶的輔基是黃素腺嘌呤二核苷

14、酸(FAD)。 動物體內(nèi)磷酸甘油脫氫酶和脂酰CoA脫氫酶的輔基也是FAD。,電子傳遞鏈的排列順序,從NADH和FADH2到O2之間的電子傳遞體在呼吸鏈中的排列順序是按照它們的還原電勢大小排成的 這個序列與它們對電子親和力的不斷增加順序相吻合,2,O,細胞色素,c,NADH,-,Q,NADH,QH,c,還原酶,細胞色素,FMN,FeS,Cytb,Cytc,琥珀酸,還原酶,Q,-,琥珀酸,FeS,FMN,CoQ,10,-,c,氧化酶,Cytc,Cyt,a,a,3,+,Cu,2+,1,三、胞液中NADH的氧化,胞液中的NADH不能通過線粒體內(nèi)膜而進入線粒體 胞液中的NADH是怎么被氧化呢? 蘋果酸穿

15、梭作用 磷酸甘油穿梭作用,蘋果酸穿梭作用,主要在肝臟和心肌等組織,磷酸甘油穿梭作用,在某些肌肉組織和大腦里,四、氧化磷酸化作用,氧化磷酸化的部位 真核生物氧化磷酸化在線粒體中進行 氧化磷酸化的概念 NADH和FADH2帶著轉(zhuǎn)移潛勢很高的電子，在呼吸鏈傳遞給氧的過程中，同時逐步釋放出自由能。使ADP 十Pi ATP，這個過程稱為氧化磷酸化作用(oxidative phosphorylation)。,NADH呼吸鏈的總反應,NADH 十 H 十 12 O2 十 3Pi 十 3ADP NAD 十 3ATP 十 4H2O,P：O比值 消耗一摩爾氧原子時，有多少摩爾原子的無機磷被脂化成有機磷，即產(chǎn)生多少

16、的ATP,呼吸鏈傳遞時自由能的下降,根據(jù)熱力學測定 從NADH到低能量的NADHQ還原酶的FeS中心時，電子傳遞產(chǎn)生自由能(G)為一50.24kJmol 電子從細胞色素bC1，G為一41.87kJmol 在細胞色索C氧化酶復合體中從細胞色素a到O2，G為 一100.48kJmol 這些氧化還原反應都放出足夠的能量，可以在標準狀況下推動ATP的合成(G一30.56kJmol) 其它電子傳遞反應，即在輔酶Q和細胞色素c之間其G值太小，不足以支持ATP的生成,呼吸鏈傳遞時自由能的下降圖,兩種呼吸鏈,呼吸鏈傳遞時ATP的產(chǎn)生,根據(jù)以上能量的測定及抑制阻斷實驗都證明，當電子從NADH或FADH2經(jīng)過呼吸

17、鏈而傳遞到氧時，在呼吸鏈的三個部位產(chǎn)生ATP 部位I是NADHQ還原酶復合體 部位是QH2細胞色素C還原酶復合體 部位是細胞色素c氧化酶復合體 每一部位產(chǎn)生1分子ATP，所以NADH呼吸鏈產(chǎn)生3分子ATP，而FADH2只在部位、產(chǎn)生2個ATP NDAH氧化P/O=3 FADH2氧化P/O=2,電子傳遞抑制劑,抑制劑魚滕酮等可以抑制NADH電子傳遞給輔酶Q，因此部位I不生成ATP，但不抑制FADH2的電子傳遞，因此FADH2呼吸鏈仍能獲得ATP 抗霉素A抑制細胞色素b電子傳給C1，因此部位形成不了ATP 氰化物(CN)、疊氮(N3)化物和一氧化碳抑制細胞色素氧化酶電子傳遞給氧，所以部位不產(chǎn)生AT

18、P,電子傳遞抑制劑圖,五、化學滲透假說 氧化磷酸化的作用機理,電子沿呼吸鏈傳遞時釋出的能量用于形成一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度 這種梯度用以驅(qū)動ATP的合成 ATP真正的合成是通過ATP酶。,氧化磷酸化機制,ATP酶復合體,第五節(jié)其他生物氧化體系,一、需氧脫氫酶,生物體內(nèi)還有一類需氧脫氫酶，即在有氧條件下才脫氫。 脫下的氫立即交給分子氧，使其激活生成H2O2。,二、過氧化氫酶和過氧化物酶,過氧化氫酶和過氧化物酶都是以鐵卟啉為輔基的酶類。在生物氧化過程中，它們并不參與傳遞氫和電子的作用，主要分解生物氧化中產(chǎn)生的H2O2。,三、加氧酶,加單氧酶 它能使多種脂溶性物質(zhì)，諸如藥物、毒物、類固醇等化合物氧

19、化。它所催化的反應，都是在底物分子中加一個氧原子，因此稱為加單氧酶。它氧化固醇類激素是通過NADPH、細胞色素P450及氧而進行的，這個反應需要Mg2+ 加氧酶,四、超氧化物歧化酶,超氧化物歧化酶，簡稱SOD(super oxide dismutase)是一類廣泛存在于動、植物及微生物中的含金屬酶類。 功能是催化超氧離子自由基的歧化反應。,小 結,氧化磷酸化是由兩個緊密偶聯(lián)的現(xiàn)象組成的。（1）底物通過呼吸電子傳遞鏈被氧化，同時伴隨著質(zhì)子跨內(nèi)線粒體膜的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生一個質(zhì)子濃度梯度；（2）通過質(zhì)子沿ATP合成酶中的通道向線粒體基質(zhì)的流動驅(qū)動ATP的生成。 由蛋白質(zhì)和輔助因子組成的復合物IIV和ATP

20、合成酶參與氧化磷酸化。電子流通過這些復合物一般是根據(jù)不同成分的相對電位進行的。來自NADH的電子流通過復合物I，III，IV；而來自琥珀酸的電子流是經(jīng)過復合物II引入的。幾種輔助因子參與電子轉(zhuǎn)移，其中包括FMN，F(xiàn)AD，鐵-硫簇，銅原子，細胞色素和泛醌。泛醌連接著復合物I，II和復合物III，而細胞色素c連接著復合物III和復合物IV。,電子通過復合物I、復合物III和復合物IV轉(zhuǎn)移時都會導致質(zhì)子移位到膜間隙，但通過復合物II的電子轉(zhuǎn)移對質(zhì)子濃度梯度沒有貢獻。復合物IV最后將電子從細胞色素c轉(zhuǎn)移給O2，生成H2O。 質(zhì)子經(jīng)過FoF1ATP合成酶中的Fo成分重新進入線粒體基質(zhì)。質(zhì)子流驅(qū)動F1AT

21、P合成酶將ADP和Pi合成為ATP。 胞液中的NADH進入線粒體內(nèi)有兩種途徑：甘油磷酸穿梭途徑和蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑。胞液中的NADH經(jīng)甘油磷酸穿梭途徑轉(zhuǎn)換為線粒體的QH2；經(jīng)蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑轉(zhuǎn)換為線粒體的NADH。,名詞術語,呼吸電子傳遞鏈（respiratory electron-transport chain）：由一系列可作為電子載體的酶復合體和輔助因子構成，可將來自還原型輔酶或底物的電子傳遞給有氧代謝的最終電子受體分子氧（O2）。 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)：電子從一個底物傳遞給分子氧的氧化與酶催化的由ADP和Pi生成ATP的磷酸化相偶聯(lián)的過程。 化學滲透理論(chemiosmotic theory)：一種學說，主要論點是底物氧化期間建立的質(zhì)子濃度梯度提供了驅(qū)動由ADP和Pi形成ATP的能量。,P/O比(P/O ratio)：在氧化磷酸化中，每1/2O2被還原時形成的ATP的摩爾數(shù)。電子從NADH傳遞給O2時，P/O比為3，而電子從FADH2傳遞給O2時，P/O比為2。 高能化合物(high energy compound)：在標準條件下水解時自由能大幅度減少的化合物。一般是指水解釋放的能量能驅(qū)動ADP磷酸化合成ATP的化合物。,思考題,三羧酸循環(huán)沒有氧參與，為何被稱為