第四章 生物氧化

1、 方式：方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(zhuǎn)變成含糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(zhuǎn)變成含 羧基的中間化合物，然后在酶催化下羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧脫羧而生成而生成 COCO2 2。 類型：類型：氧化脫羧和單純脫羧氧化脫羧和單純脫羧 例：例： +CO2H2N-CH-COOH R 氨基酸脫羧酶氨基酸脫羧酶 CH2-NH2 R CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O 丙酮酸脫氫酶系丙酮酸脫氫酶系 NAD+CoASHNADH+H+ 代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應的氫載代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應的氫載 體（體（NADNAD+ +、NADPNADP+ +、FADFAD、FMNFMN等

2、）所接受，再通過等）所接受，再通過 一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H H2 2O O 。 NAD+ 蘋果酸脫氫酶蘋果酸脫氫酶 12 O2 NAD+ 電子傳遞鏈電子傳遞鏈 H2O 2e O= 2H+ NADH+H+ HOOC-CH2-CH-COOH OH HOOC-CH2-C-COOH O 能量轉(zhuǎn)化成能量轉(zhuǎn)化成ATP被利用被利用 轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為光和熱光和熱 散失散失 生物氧化生物氧化 體外燃燒體外燃燒 細胞內(nèi)溫和條件細胞內(nèi)溫和條件 高溫、干燥高溫、干燥 （常溫、常壓、中性（常溫、常壓、中性pH） 一系列酶促反應一系列酶促反應 無機催化劑無機催化劑 逐步氧化

3、放能，能量利用率高逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆發(fā)釋放能量爆發(fā)釋放 糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸鏈呼吸鏈 ADP+Pi ATP ：分解：分解 ：氧化分解：氧化分解 ：氧化磷酸化：氧化磷酸化 2H 2H 2H 2H 2H 2H 代謝物脫下的氫（電子）代謝物脫下的氫（電子） 通過一系列中間傳遞體，最終通過一系列中間傳遞體，最終 與氧結(jié)合生成水。這一系列電與氧結(jié)合生成水。這一系列電 子傳遞體構(gòu)成的鏈狀復合體稱子傳遞體構(gòu)成的鏈狀復合體稱 為為 電 子 傳 遞 鏈電 子 傳 遞 鏈 ( e l e c t r o

4、n transfer chain) 又稱又稱呼吸鏈呼吸鏈 (respiratory chain) 。 按照電子的親和力按照電子的親和力遞增遞增的順序傳遞的順序傳遞 電子的傳遞僅發(fā)生在電子的傳遞僅發(fā)生在相鄰相鄰傳遞體之間傳遞體之間 電子傳遞：NADH FMN Fe-SCoQ u 功能功能: 將電子從將電子從NADH傳遞給泛醌傳遞給泛醌 (ubiquinone) 每傳遞每傳遞2個電子可將個電子可將4個個H+從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵到從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵到 胞漿側(cè)，胞漿側(cè)，復合體復合體有質(zhì)子泵功能。有質(zhì)子泵功能。 NAD+和和NADH相互轉(zhuǎn)變相互轉(zhuǎn)變 以以FMN或或FAD為輔基的脫氫酶。為輔基的脫氫酶。FMN和和F

5、AD 結(jié)構(gòu)中含核黃素，發(fā)揮功能的部位是異咯嗪環(huán)，結(jié)構(gòu)中含核黃素，發(fā)揮功能的部位是異咯嗪環(huán)， 氧化還原反應時不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是氧化還原反應時不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN 。 特點：在其分子結(jié)構(gòu)中每個鐵原子和4個硫原子結(jié)合， 有2Fe-2S和4Fe-4S兩種類型,構(gòu)成FeS中心，F(xiàn)e與蛋 白質(zhì)分子中的4個Cys殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。 傳遞電子機理傳遞電子機理：通過通過FeFe2+ 2+、 、FeFe3+ 3+互變進行電子傳遞 互變進行電子傳遞 Fe3+ Fe2+ +e -e 不同種類不同種類CoQCoQ側(cè)鏈異戊二烯基數(shù)目不同側(cè)鏈異戊二烯基數(shù)目不同 脂溶性輔酶、可在脂雙層中擴散脂溶性輔酶、可在脂雙層中擴

6、散 O O CH3O CH3O CH3 (CH2CH C CH2)nH CH3 n=6-10 靈活的電子載體靈活的電子載體 還原成還原成QHQH2 2 氧化成氧化成Q Q 電子和質(zhì)子的傳遞體電子和質(zhì)子的傳遞體 半醌中間產(chǎn)物半醌中間產(chǎn)物 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2 還原型還原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S Q QH2 復合體復合體的功能的功能 u 功能功能 將電子從琥珀酸傳遞給泛醌將電子從琥珀酸傳遞給泛醌 復合體復合體沒有沒有H+泵的功能泵的功能 復合體復合體 QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1 特點特點：以血紅素（以血紅素（heme）為輔基，血紅素

7、的主為輔基，血紅素的主 要成份為鐵卟啉。要成份為鐵卟啉。 通過通過FeFe3+ 3+ Fe Fe2+ 2+ 互變起傳遞電子的作用 互變起傳遞電子的作用 l位于線粒體呼位于線粒體呼 吸鏈吸鏈末端末端的蛋的蛋 白復合物白復合物 l活性部分主要活性部分主要 包括包括cytacyta和和a a3 3 由以下實驗確定由以下實驗確定 標準氧化還原電位標準氧化還原電位 拆開和重組拆開和重組 特異抑制劑阻斷特異抑制劑阻斷 三、呼吸鏈成分的排列順序三、呼吸鏈成分的排列順序 例如例如: :CytaaCytaa3 3OO2 2: : G G0 0=-2=-2* *23.06223.062* *(0.82-0.29)

8、=-23.9kcal(0.82-0.29)=-23.9kcal/ /molmol NADH + H+ + O2 H2O + NAD+ G = -220kJ/mol NADH FMN CoQ Fe-S Cyt c1 O2 Cyt b Cyt c Cyt a Cyt a3 Fe-S FADFe-S 琥珀酸琥珀酸 復合物復合物 II 復合物復合物 IV 復合物復合物 I 復合物復合物 III NADH-CoQ 氧化還原酶氧化還原酶 輔酶輔酶Q-細胞色素細胞色素c 氧化還原酶氧化還原酶 細胞色素細胞色素C 氧化酶氧化酶 琥珀酸琥珀酸-輔酶輔酶Q 氧化還原酶氧化還原酶 FADH2 呼吸鏈呼吸鏈 NADH

9、 呼吸鏈呼吸鏈 獨立體獨立體I 獨立體獨立體II (1)酰基磷酸化合物 CH3C O OP O O- O- 乙酰磷酸乙酰磷酸 -42.3KJ/mol O - P O O - N N N N NH 2 O H H OH H OH H OCH 2 O - P O O - O - P O O - ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷） -30.5KJ/mol OP O OCOOH C O CH 2 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 61.9 KJ/mol OP O O NH C NH N CH 3 CH 2COOH 磷酸肌酸磷酸肌酸 -43.1 KJ/mol 3 3、硫酯鍵型、硫酯鍵型 RC O SCo

10、A ?；o酶A -31.4 KJ/mol 4 4、甲硫鍵型、甲硫鍵型 COO- CHNH3+ CH2 CH2 S+H3CA S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸 (SAM) -41.8 KJ/mol 腺嘌呤腺嘌呤核糖核糖 O P O P O P O- OOO O-O-O- ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJmol-1 ADP3- + H2O AMP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJmol-1 ATPATP是細胞內(nèi)的是細胞內(nèi)的“能量通貨能量通貨” ATPATP是細胞內(nèi)磷酸基團轉(zhuǎn)移的中間載體是細胞內(nèi)磷酸基團轉(zhuǎn)移的中間載體 P P P P ATP P

11、 0 2 10 8 6 4 12 14 磷 酸 基 團 轉(zhuǎn) 移 能 磷酸烯醇式丙酮酸 3-磷酸甘 油酸磷酸 磷酸肌酸（磷酸基團儲備物） 6-磷酸葡萄糖 3-磷酸甘油 是是 指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADPADP磷酸化，生成磷酸化，生成 ATPATP。在線粒體內(nèi)膜進行。在線粒體內(nèi)膜進行。 一些高能鍵的一些高能鍵的底物分子直接偶聯(lián)底物分子直接偶聯(lián) ATPATP或或GTPGTP的生成。主要在胞漿和線粒體中進行。的生成。主要在胞漿和線粒體中進行。 體內(nèi)體內(nèi)ATPATP生成的方式：生成的方式： （二）線粒體中的酶（二）線粒體中的酶 線粒體基質(zhì)：線粒體基質(zhì)：三羧酸循環(huán)、三羧酸

12、循環(huán)、 脂肪酸氧化、氨基酸分解脂肪酸氧化、氨基酸分解 等有關(guān)的酶等有關(guān)的酶 內(nèi)膜與嵴：內(nèi)膜與嵴：脫氫酶、電子脫氫酶、電子 傳遞體系、偶聯(lián)磷酸化的傳遞體系、偶聯(lián)磷酸化的 酶類酶類 l頭部含頭部含5 5種不同的亞基種不同的亞基 （3 3 、3 3 、1 1 、1 1 、1 1 ） lF F0 0與線粒體電子傳遞系與線粒體電子傳遞系 統(tǒng)連接（質(zhì)子通道）統(tǒng)連接（質(zhì)子通道） 頭部：頭部：ATPATP合酶（合酶（F1F1） 基底部：疏水基底部：疏水PrPr，與內(nèi)膜連接，與內(nèi)膜連接（F FO O） 氧化磷酸化依賴于完整封閉的線粒體內(nèi)膜；氧化磷酸化依賴于完整封閉的線粒體內(nèi)膜； 線粒體內(nèi)膜對線粒體內(nèi)膜對H+、O

13、H 、 、K 、 、Cl 離子是不通 離子是不通 透的；透的； 電子傳遞鏈可驅(qū)動質(zhì)子移出線粒體，形成可測定電子傳遞鏈可驅(qū)動質(zhì)子移出線粒體，形成可測定 的跨內(nèi)膜電化學梯度；的跨內(nèi)膜電化學梯度； 增加線粒體內(nèi)膜外側(cè)酸性可導致增加線粒體內(nèi)膜外側(cè)酸性可導致ATP合成，而線合成，而線 粒體內(nèi)膜加入使質(zhì)子通過物質(zhì)可減少內(nèi)膜質(zhì)子梯粒體內(nèi)膜加入使質(zhì)子通過物質(zhì)可減少內(nèi)膜質(zhì)子梯 度，結(jié)果電子雖可以傳遞，但度，結(jié)果電子雖可以傳遞，但ATP生成減少。生成減少。 n 化學滲透假說已經(jīng)得到廣泛的實驗支持?；瘜W滲透假說已經(jīng)得到廣泛的實驗支持。 l頭部含頭部含5 5種不同的亞基種不同的亞基 （3 3 、3 3 、1 1 、1

14、 1 、1 1 ） lF F0 0與線粒體電子傳遞系與線粒體電子傳遞系 統(tǒng)連接（質(zhì)子通道）統(tǒng)連接（質(zhì)子通道） Boyer和和Walker共同獲得共同獲得1997年諾貝爾化學獎年諾貝爾化學獎 “結(jié)合變化結(jié)合變化”學說學說 ATP4- F0 F1 胞液側(cè)胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè) 腺苷酸腺苷酸 轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運蛋白 磷酸磷酸 轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運蛋白 ADP3- H2PO4- ATP4- 3H+ 3H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADP3- ADP3- n每分子ATP在線粒體中生成并轉(zhuǎn)運到胞漿需 4個H回流進入線粒體基質(zhì)中 NADH FMN (Fe-S) 琥珀酸琥珀酸 FAD (Fe-S) CoQCy

15、tbCytc1Cyt cCyt aa3 O2 魚藤酮魚藤酮 粉蝶霉素粉蝶霉素A A 異戊巴比妥異戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A 二巰基丙醇二巰基丙醇 CO、CN-、 N3-及及H2S 各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點 解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑(uncoupler)可使氧化與磷酸化的偶可使氧化與磷酸化的偶 聯(lián)相互分離，基本作用機制是聯(lián)相互分離，基本作用機制是破壞破壞電子傳遞過程建電子傳遞過程建 立的跨內(nèi)膜的立的跨內(nèi)膜的質(zhì)子電化學梯度質(zhì)子電化學梯度，使電化學梯度儲存，使電化學梯度儲存 的的能量以熱能形式釋放能量以熱能形式釋放，ATP的生成受到抑制。的生成受到抑制。 如：二硝基苯酚如：二硝

16、基苯酚(dinitrophenol, DNP) ；解偶；解偶 聯(lián)蛋白聯(lián)蛋白(uncoupling protein，UCP1)。 脂溶性脂溶性 增加膜對質(zhì)子的通透性 Heat is generated in Brown fat through the action of thermogenin, an uncoupling protein. 褐色脂肪的產(chǎn)熱機制褐色脂肪的產(chǎn)熱機制 氧化磷酸化解偶聯(lián)氧化磷酸化解偶聯(lián) 產(chǎn)熱素產(chǎn)熱素 寡霉素寡霉素 ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖合酶結(jié)構(gòu)模式圖 可阻止質(zhì)子從可阻止質(zhì)子從 F0質(zhì)子通道回質(zhì)子通道回 流，抑制流，抑制ATP生生 成。成。 氧化磷酸化作用與細胞對氧化磷酸化作用與細胞對ATPATP的需求相適應的需求相適應 能荷= ATP+1/2ADP ATP+ ADP+AMP 1 1、生物氧化有何特點？以葡萄糖為例，比較體內(nèi)氧化和體外氧化異同。、生物氧化有何特點？以葡萄糖為例，比較