生物化學(xué)-6章-生物氧化

1、第七章 生物氧化學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握生物氧化的概念、特點(diǎn)，呼吸鏈的概念、組成、種類，ATP的生成方式。熟悉生物氧化的意義，影響氧化磷酸化的因素，以及生物氧化過(guò)程中水和能量的生成方式以及能量的利用、轉(zhuǎn)移。了解參與生物氧化的酶類和非線粒體的氧化體系。 一概述二線粒體氧化體系目 錄三非線粒體氧化體系第一節(jié) 概述一、生物氧化的概念 糖、脂、蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物在體內(nèi)徹底氧化分解,最終生成CO2和H2O，并逐步釋放出能量的過(guò)程稱為生物氧化。生物氧化過(guò)程在組織細(xì)胞中進(jìn)行，并且伴有氧的利用和CO2的產(chǎn)生，因此又稱為組織呼吸或細(xì)胞呼吸。ADP+Pi糖CO2+H2O脂質(zhì)蛋白質(zhì)O2能量ATP熱能2.脫氫反應(yīng) 3.失電子反應(yīng)Fe

2、2+ Fe3+ + e1.加氧反應(yīng)RCHO+1/2O2 RCOOH 醛 酸生物氧化的方式：二、生物氧化的特點(diǎn)1.氧化環(huán)境溫和：細(xì)胞內(nèi)37、近中性pH條件下；2.能量逐步釋放：供能（ATP）；熱能維持體溫；3.脫氫與脫羧：一些代謝物質(zhì)脫氫與氧生成H2O；一些有機(jī)酸脫羧生成CO2；4.速率受體內(nèi)多種因素的影響和調(diào)節(jié)。生物氧化和體外氧化之相同點(diǎn)1.均有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。2.消耗的氧量、最終產(chǎn)物（CO2，H2O）和釋放能量均相同。生物氧化細(xì)胞內(nèi)溫和的環(huán)境中，一系列酶促反應(yīng)逐步進(jìn)行，能量逐步釋放生成ATP。廣泛的加水脫氫反應(yīng)使物質(zhì)間接獲得氧；脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生H2O；有機(jī)

3、酸脫羧產(chǎn)生CO2。體外氧化反應(yīng)條件劇烈；能量是熱能形式突然釋放的。產(chǎn)生的CO2、H2O由物質(zhì)中的碳和氫直接與氧結(jié)合生成。生物氧化和體外氧化之不同點(diǎn)三、生物氧化的三個(gè)階段大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位脂肪葡萄糖、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CoAe-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，其中一部分通過(guò)磷酸化儲(chǔ)存在ATP中。H2O四、生物氧化中CO2的生成概念： 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： 按

4、脫羧作用分：-脫羧和-脫羧 按是否伴有氧化反應(yīng)分：氧化脫羧和單純脫羧-單純脫羧：脫去碳原子上的羧基。如+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2R-氨基酸 胺-單純脫羧：脫去碳原子上的羧基。如+CO2HOOCCH2COCOOH草酰乙酸脫羧酶CH3CO-COOH草酰乙酸 丙酮酸CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脫氫酶系NAD+ NADH+H+CoASH-氧化脫羧：碳原子上的羧基脫落時(shí)伴有氧化反應(yīng)。如丙酮酸 乙酰輔酶A氧化脫羧：碳原子上的羧基脫落時(shí)伴有氧化反應(yīng)。如檸檬酸-酮戊二酸第二節(jié) 線粒體氧化體系線粒體結(jié)構(gòu)圖一、呼吸鏈定義代謝物脫下的成對(duì)氫原子2H(2H+

5、 +2e)通過(guò)多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈。呼吸鏈中不論遞氫體還是遞電子體都起著電子傳遞的作用，故又稱電子傳遞鏈。組成 遞氫體（2H 2H+ + 2e）和遞電子體 遞氫體也是遞電子體 遞電子體不是遞氫體 （一）呼吸鏈的化學(xué)組成成分 1、尼克酰胺脫氫酶類 NAD+（NADH） NADP+（NADPH） 2、黃素脫氫酶類 FMN（FMNH2） FAD（FADH2） 3、泛醌（二氫泛醌） 即輔酶Q 起遞氫體作用起遞氫體作用起遞氫體作用 4、鐵硫蛋白 Fe-S Fe2+ Fe3+ + e 5、細(xì)胞色素類（Cyt） 呼吸鏈中主要有a、b、c三類 C

6、oQ脫下的電子經(jīng)Cyt類的傳遞順序 bc1caa3 Cyta3或Cytaa3稱為細(xì)胞色素氧化酶單電子傳遞體（二）組成呼吸鏈的復(fù)合體人線粒體呼吸鏈復(fù)合體人線粒體呼吸鏈復(fù)合體NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸復(fù)合物 II復(fù)合物 IV復(fù)合物 I復(fù)合物 IIINADH-泛醌Q還原酶輔酶Q-細(xì)胞色素c還原酶細(xì)胞色素c氧化酶琥珀酸-輔酶Q還原酶 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè) 線粒體內(nèi)膜 e-e-e-e-e-復(fù)合體的在線粒體內(nèi)膜中的位置及電子傳遞順序4H+4H+2H

7、+二、體內(nèi)重要的呼吸鏈NADH氧化呼吸鏈 和 琥珀酸氧化呼吸鏈 復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體NADH氧化呼吸鏈 FADH2氧化呼吸鏈NADH呼吸鏈H2O O2O2-MH2還原型代 謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+ 細(xì)胞色素b- c1- c -aa3Fe S2H+M氧化型代 謝底物復(fù)合體復(fù)合體此過(guò)程產(chǎn)生2.5分子ATPNADH 復(fù)合體CoQ 復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體O2FADH2呼吸鏈FADFADH2琥珀酸 Fe S2Fe2+2Fe3+ 細(xì)胞色素b- c - c1-aa3CoQH2CoQ O2O2-2H+H2O延胡索酸此過(guò)程產(chǎn)生1.5分子ATP琥珀酸

8、復(fù)合體 CoQ 復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體O2線粒體內(nèi)重要代謝物氧化的途徑三、胞質(zhì)中的NADH的氧化呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上，線粒體內(nèi)產(chǎn)生的NADH和FADH2可直接進(jìn)入呼吸鏈被氧化生成H2O,同時(shí)產(chǎn)生ATP。線粒體外產(chǎn)生的NADH不能自由透過(guò)線粒體內(nèi)膜，需要經(jīng)過(guò)某種轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制才能進(jìn)入線粒體氧化。有-磷酸甘油穿梭和蘋果酸-天冬氨酸穿梭兩種。-磷酸甘油穿梭 主要存在于腦、骨骼肌中。 胞液中NADH經(jīng)-磷酸甘油穿梭進(jìn)入線粒體氧化生成1.5個(gè)ATP。 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 線粒體 內(nèi)膜 線粒體 外膜膜間隙 線粒體 基質(zhì)-磷酸甘油 脫氫酶 呼吸鏈 磷酸二羥丙酮 -磷酸甘油 -磷酸甘

9、油穿梭機(jī)制 蘋果酸-天冬氨酸穿梭 主要存在于心肌、肝組織中。 胞液中NADH經(jīng)蘋果酸-天冬氨酸穿梭進(jìn)入線粒體氧化生成2.5個(gè)ATP蘋果酸-天冬氨酸穿梭細(xì)胞液線粒體內(nèi)膜體天冬氨酸-酮戊二酸蘋果酸草酰乙酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸蘋果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+線粒體基質(zhì)蘋果酸脫氫酶NADH+H+蘋果酸脫氫酶谷草轉(zhuǎn)氨酶谷草轉(zhuǎn)氨酶（、為膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)載體）呼吸鏈三、體內(nèi)ATP生成氧化磷酸化是指在呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化。（體內(nèi)生成ATP的主要方式） 底物水平磷酸化是底物分子內(nèi)部能量重新分布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成ATP的過(guò)程。 1.氧化磷

10、酸化偶聯(lián)部位即ATP生成的部位。P/O比值：是指物質(zhì)氧化時(shí)，每消耗1摩爾氧原子所消耗的無(wú)機(jī)磷的摩爾數(shù)，即生成ATP的摩爾數(shù)。是研究氧化磷酸化最常用的方法。 三個(gè)偶聯(lián)部位：ATPATP ATP NADH與CoQ之間；CoQ與Cyt c之間；Cyt aa3與氧之間。 復(fù)合體I 復(fù)合體III 復(fù)合體IV復(fù)合體II2. 自由能變化( G0)：大于30.5kJ即可生成1摩爾ATP。G0nFE069.5kJ/mol40.5kJ/mol102.3kJ/mol NADH氧化呼吸鏈存在3個(gè)偶聯(lián)部位，可產(chǎn)生2.5molATP。琥珀酸氧化呼吸鏈存在2個(gè)偶聯(lián)部位，可產(chǎn)生1.5molATP。影響氧化磷酸化的因素：1.A

11、DP的調(diào)節(jié)作用 是主要調(diào)節(jié)因素。 機(jī)體耗能增多ADP ADP進(jìn)入線粒體 ADP/ATP 氧化磷酸化2.甲狀腺激素 Na+，K+-ATP酶表達(dá)增加。Na+，K+-ATP酶催化ATP轉(zhuǎn)化為ADPADP ADP進(jìn)入線粒體 ADP/ATP 氧化磷酸化3.抑制劑的影響 (1) 呼吸鏈抑制劑 阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞，使磷酸化無(wú)法進(jìn)行，ATP不能生成。魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥 抗霉素A二巰基丙醇 CO、CN-、N3-及H2S萎銹靈噻吩甲酰三氟丙酮丙二酸復(fù)合體I復(fù)合體II復(fù)合體III復(fù)合體IV常見解偶聯(lián)劑： 2，4-二硝基苯酚（DNP）、解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)理：破壞內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子電化學(xué)梯度而使氧化磷酸化偶

12、聯(lián)脫離。氧化照常進(jìn)行，ATP不能生成。（2）解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體） F0 F1 Cyt cQ胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè) 解偶聯(lián) 蛋白熱能 H+ H+ ADP+Pi ATP （3） 氧化磷酸化抑制劑ATP合酶抑制劑 直接干擾ATP的生成過(guò)程，即對(duì)電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素 寡霉素 可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成寡霉素ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖四、能量的轉(zhuǎn)移和利用高能磷酸鍵水解時(shí)釋放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯鍵，常表示為 P。高能磷酸化合物含有高能磷酸鍵的化合物，如ATP、ADP、磷酸肌酸等。ATP是人體內(nèi)能量的直接供給者，也是機(jī)體儲(chǔ)能者，是生物體

13、內(nèi)最 重要的高能化合物。 （二）ATP的轉(zhuǎn)換、貯存和利用1、代謝物的磷酸化和活化ATP+6-磷酸果糖 1,6-二磷酸果糖+ADPATP+脂肪酸+HSCoA 脂肪酰CoA+AMP+PPi2、參與三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的合成過(guò)程 糖、脂、蛋白質(zhì)合成需ATP供能，此外，糖原、磷脂、蛋白質(zhì)合成所需的UTP、CTP、GTP的生成與補(bǔ)充也依賴于ATP，由核苷二磷酸酶催化： ATP+UDP ADP+UTP ATP+CDP ADP+CTP ATP+GDP ADP+GTP3、轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿峒∷醿?chǔ)存能量 磷酸肌酸是肌肉、腦中能量的一種儲(chǔ)存形式，但不能直接供能。ATP ADP 肌酸 磷酸肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 P P

14、機(jī)械能(肌肉收縮)滲透能(物質(zhì)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)) 化學(xué)能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)ATP的生成和利用（ATP循環(huán)）底物CO2+H2O氧化分解能量熱能（散失）化學(xué)能（轉(zhuǎn)移）第三節(jié) 非線粒體氧化體系1、微粒體中的氧化酶類 微粒體細(xì)胞色素P450單加氧酶，又稱混合功能酶或羥化酶。催化的反應(yīng)： RH+NADPH+H+O2 ROH+NADP+H2O 此酶參與類固醇激素、膽汁酸及膽色素等的生成，及藥物或毒物在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程。(1)過(guò)氧化氫酶(catalase)又稱觸酶，其輔基含4個(gè)血紅素。2H2O2 2H2O + O2 過(guò)氧化氫酶 (2)過(guò)氧化物酶(perioxidase)以血紅素為輔基，催化H2O2直接氧化酚類或胺類化合物。 R + H2O2 RO + H2O RH2+ H2O2 R + 2H2O 過(guò)氧化物酶 過(guò)氧化物酶 2、過(guò)氧化物酶3、超氧化物歧化酶（SOD）作用對(duì)象：超氧陰離子、自由基作用：催化一分子超氧陰離子氧化生成O2，領(lǐng)一分子超氧陰離子還原為H2O2。 2O2- + 2H+ H2O2 + O2 H2O + O2SOD過(guò)氧化物酶定義：帶有不成對(duì)電子的分子、原子或離子的統(tǒng)稱。例如：超氧陰離子、羥自由基等。好處：少量并且控制得宜的自由基是有用的。例如白血球利用自由基(超級(jí)氧，一氧化氮)來(lái)殺死外來(lái)的微生物。危害： （1）削弱細(xì)胞的抵抗力，使身體