生物氧化講義(8)

1、第八章 生物氧化（6學(xué)時）第一節(jié) 概述生物氧化的一般過程 在葡萄糖的分解代謝中,1分子葡萄糖共生成10個NADH和2個FADH2.總的G0=-2564.8KJ/mol在燃燒時,1分子葡萄糖可釋放出的熱 2870.23KJ/mol，因此可推算葡萄糖分子所釋放自由能的90%貯存在還原型輔酶中. 還原輔酶的再氧化 在電子傳遞過程中,還原輔酶借助O2得以氧化的過程可用下式表示: NADH+H+1/2O2 NAD+H2O G0=-220.07KJ/mol ATP FADH2 +1/2O2 FAD+ H2O G0=-181.58KJ/mol ATP 產(chǎn)能物質(zhì)在不同的分解代謝過程中,都伴有代謝物的脫H和輔酶

2、NAD+或FAD的還原.這些攜帶著H+和e的還原型輔酶NADH和FADH2,最終將H+和e傳遞給氧時,都經(jīng)歷相同的一系列電子載體傳遞過程.第二節(jié) 線粒體氧化體系（呼吸鏈）生物體內(nèi)存在多種氧化體系，其中最重要的是存在與線粒體中線粒體氧化體系。此外還有微粒體氧化體系、過氧化體氧化體系、細菌的生物氧化體系等。一、線粒體氧化體系（呼吸鏈）在生物氧化過程中，代謝物的氫由脫氫酶激活，脫下來的氫經(jīng)過幾種傳遞體的傳遞，將電子傳遞到細胞色素體系，最后將電子傳遞給氧，活化的氫（H+）和活化的氧（O2-）結(jié)合成水，在這個過程中構(gòu)成的傳遞鏈稱為電子傳遞鏈，或呼吸鏈。（一）呼吸鏈的組成構(gòu)成呼吸鏈的成分有20多種。大致可

3、將它們分成五類。即以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶類；以FAD或FMN為輔基的黃素蛋白酶類；鐵硫蛋白類；泛醌和細胞色素類。依具體功能又可分為遞氫體和遞電子體。1遞氫體在呼吸鏈中即可接受氫又可把所接受的氫傳遞給另一種物質(zhì)的成分叫遞氫體，包括：（1）NAD+NAD+是不需氧脫氫酶的輔酶。它們分別可與不同的酶蛋白組成多種功能各異的不需氧脫氫酶。輔酶分子能可逆地加氫和脫氫。NAD+2H+2e-NADH+H+ （2）FAD和FMNFAD和FMN是黃素蛋白（又稱黃素酶）類的輔基。它們能可逆地加氫和脫氫。（3）泛醌泛醌（Q），因廣泛分布與生物界并具有醌的結(jié)構(gòu)而得名。它以1，4-苯醌作為傳遞H+和e的反應(yīng)

4、核心，氧化還原過程是先接受一個H+和e變成半醌，在接受一個H+和e變成氫醌。氧化還原總反應(yīng)為：2遞電子體 既能接受電子又能將電子傳遞出去的物質(zhì)叫做遞電子體。呼吸鏈中的遞電子體包括兩類。（1）鐵硫蛋白類 鐵硫蛋白（Fe-S）是存在于線粒體內(nèi)膜上的一類與電子傳遞有關(guān)的蛋白質(zhì)。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的鐵硫蛋白有九種，各種鐵硫蛋白中均含有鐵和對硫不穩(wěn)定的硫，用硫酸處理可釋放出H2S。Fe-S代表鐵硫蛋白電子傳遞的反應(yīng)中心，即稱鐵硫中心。Fe-S中的Fe均與蛋白質(zhì)分子中半胱氨酸殘基上的-SH中的S結(jié)合。 鐵硫中心的Fe原子能可逆地獲得和丟失電子，在呼吸鏈中起到傳遞電子的作用：（2）細胞色素類細胞色素（Cyt）是廣泛分

5、布于需氧生物線粒體內(nèi)膜上的一類傳遞電子的色素蛋白，其輔基為含鐵卟啉的衍生物。參與線粒體生物氧化體系的有Cyta、a3、b、1 、c。細胞色素電子傳遞作用就是依靠分子中鐵離子化合價的可逆變化而實現(xiàn)的。目前尚不能將Cyta和a3分開，故將它們合稱為細胞色素氧化酶。它們靠分子中所含的銅的氧化還原變化來實現(xiàn)電子傳遞作用。（二）呼吸鏈中傳遞體的排列順序呼吸鏈中氫和電子的傳遞有嚴格的順序和方向，這些順序和方向是根據(jù)各種遞氫體和遞電子體的標準氧化還原電位數(shù)值的測定，并利用某些特異的抑制劑切斷其中的電子流后，再測定電子傳遞鏈中各組分的氧化還原態(tài)，以及在體外將電子傳遞體重新組成呼吸鏈等實驗而得到結(jié)論。用去垢劑溫

6、和處理線粒體內(nèi)膜，可以得到四種電子傳遞復(fù)合體，每一種復(fù)合體代表完整呼吸鏈的一部分，具有各自獨特的功能。復(fù)合體：指呼吸鏈從NAD+到泛醌之間的組分，整個復(fù)和物嵌在線粒體內(nèi)膜上。在電子通過復(fù)合體轉(zhuǎn)移時，質(zhì)子也從基質(zhì)轉(zhuǎn)移到了膜間隙。研究表明：每從NADH轉(zhuǎn)移1對電子給CoQ，就將有4個質(zhì)子被轉(zhuǎn)移到膜間隙。復(fù)合體：介于琥珀酸到泛醌之間，能將2H從琥珀酸傳給FAD，然后經(jīng)鐵硫蛋白傳遞至Q。該復(fù)合物對跨膜的質(zhì)子梯度沒有貢獻，它的主要貢獻是將來自琥珀酸氧化的電子引入到電子傳遞鏈中。 復(fù)合體：從Q到細胞色素C之間的呼吸鏈組分，包含Cytb、c1、鐵硫蛋白以及其他多種蛋白質(zhì)。研究表明：伴隨1分子CoQH2的氧化

7、有4個質(zhì)子被轉(zhuǎn)移到膜間隙。其中2個質(zhì)子來自CoQH2，另2個來自基質(zhì)。復(fù)合體：又稱細胞色素氧化酶，包括細胞色素Cytaa3，電子從細胞色素C通過復(fù)合體傳遞給氧，同時引起質(zhì)子從線粒體基質(zhì)向外流動。細胞色素c氧化酶對質(zhì)子濃度梯度的貢獻通過兩種方式表現(xiàn)的：每傳遞1對電子轉(zhuǎn)移2個質(zhì)子。 （三）呼吸鏈中傳遞體排列順序的確定呼吸鏈成分的排列順序 由以下實驗確定： 1標準氧化還原電勢（E°） 由低 高 ：即標準電勢的正值越大的，越傾向于獲得電子，易成為氧化劑處于呼吸鏈的末端。 2特異抑制劑阻斷：能夠阻斷呼吸鏈中某部位電子傳遞過程的藥物或毒物稱為電子傳遞抑制劑。至使呼吸鏈中斷。經(jīng)典的抑制劑及抑制位點

8、： (1) 魚藤酮、安密妥以及殺粉蝶菌素：（NADH CoQ） (2) 抗霉素A是由鏈霉菌分離出的抗菌素 ：（Cytb CytC1） (3) 氰化物、硫化物、疊氮化物和一氧化碳等：（Cytaa3 O2） 3體外拆開和重組 4離體線粒體緩慢給氧觀察氧化順序（四）呼吸鏈的類型呼吸鏈按其組成成分、排列順序和功能上的差異分為兩種。1NADH氧化呼吸鏈：復(fù)合物-組合組成以NADH為首的傳遞鏈，既以NADH為首的呼吸鏈，通常稱為長呼吸鏈。它們的排列順序如下：NADHFMNFeSCoQCytbFeSCytc1CytcCyta,a3O2 復(fù)合物 復(fù)合物- 復(fù)合物2FADH2氧化呼吸鏈； 復(fù)合物-組合組成以琥珀

9、酸脫氫酶為首的傳遞鏈，既以琥珀酸脫氫酶為首的呼吸鏈，稱之為短呼吸鏈。它們的排列順序如下：FADH2FeSCoQCytbFeSCytc1CytcCyta,a3O2 復(fù)合物 復(fù)合物- 復(fù)合物 第三節(jié) 氧化磷酸化作用一、呼吸鏈的作用無論是NADH呼吸鏈還是FAD呼吸鏈，都可將代謝物上脫下的氫與氧結(jié)合生成水，同時為機體生命活動提供能量。（一）代謝水的生成根據(jù)兩種呼吸鏈顯示，呼吸攝入的氧與氫反應(yīng)生成水。也就是說代謝物脫下的氫（2H+e），通過遞氫體和遞電子體最終使氧激活（1/2O2+2eO2-），活化的氧與基質(zhì)中的2個氫化合成水，完成呼吸鏈的一次全程傳遞。這種方式生成的水稱代謝水。若無氧的存在，呼吸鏈也

10、就無法進行。需氧生物不能生存的主要原因就是呼吸鏈對氧的絕對需求，呼吸鏈的正常傳遞為機體提供了足夠的能量。（二）能量的生成體內(nèi)ATP形成有兩種方式，與呼吸鏈有關(guān)的是氧化磷酸化方式。氧化磷酸化：供機體生命活動的能量主要來自氧化磷酸化作用。定義：代謝物脫下的氫在呼吸鏈一系列氫轉(zhuǎn)移和電子傳遞的氧化過程中釋放能量使ADP磷酸化生成ATP的過程。1P/O比值與偶聯(lián)次數(shù) P/O比值是指，當(dāng)?shù)孜镞M行氧化時，每消耗1個氧原子所消耗的用于ADP磷酸化的無機磷酸中的磷原子數(shù)。因此，P/O比值是確定氧化磷酸化次數(shù)的重要指標。目前被廣泛接受的觀點是：已知每合成1個ATP需要3個質(zhì)子。與此同時，把一個ATP分子從線粒體基

11、質(zhì)轉(zhuǎn)運到胞液需要消耗1個質(zhì)子，所以每形成1個分子的ATP就需要4個質(zhì)子的流動。每形成1個ATP共需消耗4個質(zhì)子： 一對電子從NADH O2有10個質(zhì)子泵出，將產(chǎn)生2.5個ATP，P/O比值為2.5； 一對電子從FADH2 O2有6個質(zhì)子泵出，將產(chǎn)生1.5個ATP，P/O比值為1.5。 2氧化磷酸化的偶聯(lián)部位：合成1molATP時，需要提供的能量至少為G0=-30.5kJ/mol，相當(dāng)于氧化還原電位差E° =0.2V。根據(jù)G0=-nFE°，電子傳遞每一步驟釋放的自由能多少不等，其中有3處釋放的自由能較多，足可以供ADP與無機磷酸作用生成ATP反應(yīng)所需要的能量（G +30.5

12、kj/mol）。在這些步驟上，就可能發(fā)生底物氧化與ADP磷酸化的偶聯(lián)，生成ATP。三個偶聯(lián)部位為：NADH CoQ G -50.24 kj/molCytb Cytc1 G -41.87 kj/molNADHFMNCoQCytbCytc1CytcCyta,a3O2 FADH2 ADP+PiATP ADP+PiATP ADP+PiATPCyta,a3 O2 G -100.48 kj/mol3.氧化磷酸化機制關(guān)于這一問題目前比較著名的假說有三個： （1）化學(xué)偶聯(lián)假說（1953年）：認為電子傳遞反應(yīng)釋放的能量通過一系列連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)形成高能共價中間物，最后將其能量轉(zhuǎn)移到ADP中形成ATP。（2）構(gòu)象偶

13、聯(lián)假說（1964）：認為電子沿電子傳遞鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜的蛋白質(zhì)組分發(fā)生了構(gòu)象變化，形成一種高能構(gòu)象，這種高能形式通過ATP的合成而恢復(fù)其原來的構(gòu)象。 迄今未能分離出這種高能蛋白質(zhì)。但在電子傳遞過程中蛋白質(zhì)組分的構(gòu)象變化還是存在的。 （3）化學(xué)滲透學(xué)說(The chemiosmotic theory) ：目前被普遍接受的是化學(xué)滲透學(xué)說。英國生物化學(xué)家Peter D Mitchell(米切爾)在1961年提出化學(xué)滲透假說，于1978年的諾貝爾化學(xué)獎。該學(xué)說主要論點認為：氧化呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上，電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時，釋放的自由能驅(qū)動質(zhì)子（H+）從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進入到膜間隙，從而形成跨線粒體

14、內(nèi)膜的H+電化學(xué)梯度。這個梯度的電化學(xué)電勢可以被存在于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶利用，驅(qū)動ATP的合成。 4.ATP的合成場所 FOF1-ATP合酶 線粒體內(nèi)膜的表面一層規(guī)則地間隔排列著的球狀顆粒，稱為ATP合酶，是ATP合成的場所。組成： F1：親水部分（頭部）（33亞基 ） 柄：含有兩種蛋白質(zhì):OSCP(寡霉 素敏感性付與蛋白)和F6(偶合 因子6)是能量轉(zhuǎn)換的通道。 Fo：疏水部分（a1b2c912亞基）功能：F1：催化ATP生成（在亞基上） Fo：質(zhì)子通道（二）氧化磷酸化的影響因素1.ATP/ADP比值：ATP/ADP比值是調(diào)節(jié)氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷

15、酸化速度加快；反之，當(dāng)ATP/ADP比值升高時，則氧化磷酸化速度減慢2.甲狀腺激素：甲狀腺激素可間接影響氧化磷酸化的速度。其原因是甲狀腺激素可以激活細胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。3.藥物和毒物：（1）呼吸鏈的抑制劑：（2）解偶聯(lián)劑(uncouplers)：作用:使電子傳遞與ATP形成兩個過程分離. 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?典型的解偶聯(lián)劑: 2,4-二硝基苯酚(DNP）2,4-二硝基苯酚(DNP）作用機制:在pH7的環(huán)境下,DNP以解離的形式存在,不能透過線粒體內(nèi)膜.在

16、酸性條件下,DNP接受質(zhì)子成為非解離的親脂形式,可透過線粒體內(nèi)膜,同時將質(zhì)子帶入基質(zhì),破壞了內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子梯度,使ATP 不能形成.（3）氧化磷酸化的抑制劑（inhibitors）：氧化磷酸化的抑制劑是直接抑制ATP合成的化學(xué)物質(zhì)，如寡霉素(oligomycin)。 作用機制:與ATP合酶上Fo的一個亞基結(jié)合,干擾質(zhì)子返回基質(zhì),使ATP不能合成,由于ATP合成受阻,電子傳遞也被阻斷,所以既抑制了ATP合成又抑制了電子傳遞和氧的消耗. 4離子載體抑制劑（ionophores）： 這是一類脂溶性物質(zhì)，能與除H+以外的其他1價離子結(jié)合并作為它們的載體，使這些離子跨過線粒體內(nèi)膜，破除跨膜電勢而抑制氧化

17、磷酸化。如纈氨霉素(valinomycin)；短桿菌素。 作用機制:通過增加線粒體內(nèi)膜對1價陽離子的通透性而破壞氧化磷酸化過程. (三)激素控制褐色脂肪線粒體氧化磷酸化解偶聯(lián)蛋白(產(chǎn)熱素 thermogenin):褐色脂肪線粒體內(nèi)的一種激素.控制著線粒體內(nèi)膜對質(zhì)子的通透性.使氧化磷酸化解偶聯(lián)而產(chǎn)熱.它是一種非顫栗性產(chǎn)熱.解偶聯(lián)效應(yīng)的生物利用：如在冬眠動物和適應(yīng)寒冷的哺乳動物中，它是一種能夠產(chǎn)生熱以維持體溫的方法。二、線粒體外NADH的跨膜轉(zhuǎn)運由于NADH和NAD都不能通過擴散跨過線粒體內(nèi)膜，所以需要轉(zhuǎn)運系統(tǒng)來轉(zhuǎn)運。生物體內(nèi)主要存在著兩種穿梭機制： 1. 甘油磷酸穿梭系統(tǒng)；2. 蘋果酸-天冬氨酸

18、穿梭系統(tǒng)第四節(jié) 非線粒體氧化體系線粒體以外的氧化體系被稱為為非線粒體氧化體系，包括微粒體氧化體系，過氧化體氧化體系等。該體系與能量生成無關(guān)，但具有特定的生理功能。一、氧的不完全還原1分子氧由復(fù)合體徹底還原需要4個電子 . 在其他的一些氧化反應(yīng)中會產(chǎn)生一些部分還原的氧的形式.如來自巰基或Vc的電子.從而形成氧的自由基 1、自由基的概念大多數(shù)化學(xué)鍵由雙電子組成。這些鍵在斷裂時有兩種方式：一種是異裂后使兩電子全部分配給裂解后的產(chǎn)物之一而形成離子（A：BA+ + ：B-）；另一種是均裂后將兩電子平均分配給裂解后的兩部分，生成在水溶液中呈均一態(tài)的具有未配對電子的產(chǎn)物（A：BA。 + B。）。常將帶有未配對電子的原子或化學(xué)基團稱自由基。如：NO（O=N。）、I。、HO。、O2。-等均為帶有未配對電子的自由基。2、自由基的危害生物體在代謝過程中產(chǎn)生的自由基主要是超氧化陰離子（O2