生物化學第6章生物氧化課件

第六章生物氧化BiologicalOxidation

講授內容

生成ATP的氧化體系

一、呼吸鏈二、氧化磷酸化三、影響氧化磷酸化的因素四、高能磷酸化合物ATP

五、通過線粒體內膜的物質轉運物質在生物體內進行氧化稱生物氧化(biologicaloxidation)，主要指糖、脂肪、蛋白質等在體內分解時逐步釋放能量，最終生成CO2和H2O的過程。糖脂肪蛋白質CO2和H2OO2能量ADP+PiATP熱能生物氧化的概念反應環(huán)境溫和，酶促反應逐步進行，能量逐步釋放，能量容易捕獲，ATP生成效率高。脫下的氫與氧結合產生H2O，有機酸脫羧產生CO2。生物氧化與體外氧化的不同點生物氧化體外氧化能量突然釋放。物質中的碳和氫直接與氧結合生成CO2和H2O

。糖原三酯酰甘油蛋白質葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸鏈H2OADP+PiATPCO2生物氧化的一般過程第一節(jié)

生成ATP的氧化磷酸化體系TheOxidativePhosphorylationSystemwithATPProducing指線粒體內膜中按一定順序排列的一系列具有電子傳遞功能的酶復合體，可通過鏈鎖的氧化還原將代謝物脫下的氫(質子和電子)最終傳遞給氧生成水。這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈又稱電子傳遞鏈。一、呼吸鏈定義人線粒體呼吸鏈復合體復合體酶名稱質量(kD)多肽鏈數功能輔基含結合位點復合體ⅠNADH-泛醌還原酶85039FMN，Fe-SNADH（基質側）CoQ（脂質核心）復合體Ⅱ琥珀酸-泛醌還原酶1404FAD，Fe-S琥珀酸（基質側）CoQ（脂質核心）復合體Ⅲ泛醌-細胞色素C還原酶25011細胞色素bL,bH,c1,Fe-SCytc（膜間隙側）復合體Ⅳ細胞色素C氧化酶16213細胞色素a，a3，CuA,CuBCytc（膜間隙側）泛醌、細胞色素c不包含在上述四種復合體中。

1、復合體Ⅰ

作用：將NADH+H+中的電子傳遞給泛醌：

NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQ

每傳遞2個電子可將4個H+從內膜基質側泵到胞漿側，復合體Ⅰ有質子泵功能。

組成：NADH-泛醌還原酶。黃素蛋白：輔基是FMN鐵硫蛋白（Fe-S）：以鐵硫族為輔基NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互轉變NAD+的加氫和脫氫反應FMN結構中含核黃素，發(fā)揮功能的部位是異咯嗪環(huán)，氧化還原反應時不穩(wěn)定中間產物是FMN·。在可逆的氧化還原反應中顯示3種分子狀態(tài)，屬于單、雙電子傳遞體。

HHH

鐵硫蛋白中輔基鐵硫中心(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其中一個鐵原子可進行Fe2+Fe3++e反應傳遞電子。屬于單電子傳遞體。泛醌（輔酶Q,CoQ,Q）由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側鏈（人CoQ10），氧化還原反應時可生成中間產物半醌型泛醌。是內膜中可移動的電子載體，在各復合體間募集并穿梭傳遞還原當量和電子。在電子傳遞和質子移動的偶聯中起著核心作用。

復合體Ⅰ電子傳遞過程還原型FAD復合體Ⅱ電子傳遞過程

Cyta:a,a3

細胞色素Cytb:b560,b562,b566Cytc:c,c1細胞色素(cytochrome,Cyt)細胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類，根據它們吸收光譜不同而分類。細胞色素(cytochrome,Cyt)CytaCytbCytc

4.復合體Ⅳ

作用：將電子從細胞色素C傳遞給氧

Cyt

c→CuA→Cyt

a→CuB

–

Cyta3→O2

Cyta3–CuB形成活性雙核中心，將電子傳遞給O2。每2個電子傳遞過程使2個H+跨內膜向胞漿側轉移。

組成：細胞色素C氧化酶

Cyta、Cyta3和Cu(

Cu

A

和

CuB)

Cu+Cu2+

Cyta和Cyta3

結合緊密常以Cytaa3

表示-e+e復合體Ⅳ的電子傳遞過程標準氧化還原電位拆開和重組特異抑制劑阻斷還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧（二）呼吸鏈的順序排列

由以下實驗確定:Δ1、NADH氧化呼吸鏈NADH→復合體Ⅰ→Q→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O22、FADH2氧化呼吸鏈琥珀酸→復合體Ⅱ→Q→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O2體內已知的兩條呼吸鏈NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2NADH氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈二、氧化磷酸化氧化磷酸化

(oxidativephosphorylation)由代謝物脫下的氫，經線粒體氧化呼吸鏈電子傳遞并釋放能量，偶聯驅動ADP磷酸化生成ATP的過程。又稱為偶聯磷酸化。底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)與脫氫反應偶聯，生成底物分子的高能鍵，使ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的過程。不經電子傳遞。ATP生成方式（一）氧化磷酸化偶聯部位根據P/O比值自由能變化:⊿Go'=-nF⊿Eo'氧化磷酸化偶聯部位：復合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ1、P/O比值指氧化磷酸化過程中，每消耗1摩爾氧所生成ATP的摩爾數（或一對電子通過氧化呼吸鏈傳遞給氧所生成ATP分子數）。

離體線粒體測知的P/O比值

底物電子傳遞途徑P/O比值生成ATP數

?-羥丁酸NADHFMNCoQCytO22.52.5

琥珀酸FADCoQCytO21.51.5

抗壞血酸CytcCytaa3O20.881

細胞色素CCytaa3O20.61-0.681FADH2

NADHFMNCoQCytbCytc1CytcCytaa3O2

2、自由能變化根據熱力學公式，pH7.0時標準自由能(△G0′)與標準氧化還原電位(△E0′)之間有以下關系：n為傳遞電子數；F為法拉第常數(96.5kJ/mol·V)△G0′=-nF△E0′

已知生成每克分子ATP需要的自由能約為30.5KJ，故從呼吸鏈上相鄰載體之間的電位差的大小即可推測生成ATP的部位。

FADH20.1v=20KJNADHFMNCoQCytbCytcCytaaO2

△

EO′

0.36v△EO′0.19v△EO′0.58v

△GO′69.5KJ△GO′

36.7KJ△GO′112KJ

ADPADPADPPiPiPiATPATPATP

（二）氧化磷酸化偶聯機制

1、化學滲透假說：

1961年Mitchell提出了化學滲透假說，1978年獲諾貝爾化學獎。

基本要點:電子經呼吸鏈傳遞時,可將質子從線粒體內膜的基質側泵到內膜的胞漿側,產生膜內外質子電化學梯度儲存能量,當質子順濃度梯度回流時產生的能量驅動ADP與Pi生成ATP.NADH+H+NAD+2H+2H+1/2O2+

2H+H2O2eFeS

FeS

QH22eb566b562QH2FeS2ec1caa3CuCu2H+2H+

2H+胞漿側線粒體內膜基質側FMNH22HⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液側

基質側++++++++++---------電子傳遞過程復合體Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有質子泵功能。

(三）ATP合酶：

ATP合酶的結構

由兩部分組成：

F1：

水溶性，由α、β、γ、δ、ε5種亞基按α3β3γδε組成,MW為371Kd，β-亞基必須與α-亞基結合才具有催化合成ATP的活性。

F0：脂溶性，由a、b、c三類亞基，按ab2cn組成，還有寡酶素敏感蛋白。F0的作用是將質子梯度產生的能量導向F1.

CATP合酶組成可旋轉的發(fā)動機樣結構F0的2個b亞基的一端錨定F0的α亞基，另一端通過δ和α3β3穩(wěn)固結合，使a、b2和α3β3、δ亞基組成穩(wěn)定的定子部分。部分γ和ε亞基共同形成穿過α3β3間中軸，γ還與1個β亞基疏松結合，另一端與嵌入內膜的c亞基環(huán)緊密結合。c亞基環(huán)、γ和ε亞基組成轉子部分。質子順梯度向基質回流時，轉子部分相對定子部分旋轉，使ATP合酶利用釋放的能量合成ATP。

當H+順濃度遞度經F0中a亞基和c亞基之間回流時，γ亞基發(fā)生旋轉，3個β亞基的構象發(fā)生改變。ATP合酶的工作機制ATP合成的結合變構機制三、氧化磷酸化的因素影響（一）有三類氧化磷酸化抑制劑1.呼吸鏈抑制劑：阻斷氧化磷酸化的電子傳遞過程2.解偶聯劑:使氧化與磷酸化脫節(jié),P/O比值降低3.ATP合酶抑制劑：同時抑制電子傳遞和ATP的生成

NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥×抗霉素A粘噻唑菌醇×CO、CN-、N3-及H2S×1.呼吸鏈抑制劑萎銹靈×2.解偶聯劑：解偶聯劑能使氧化與磷酸化脫節(jié),P/O比值降低，ATP的生成減少，機體加快燃料的氧化。如:二硝基苯酚、水楊酸、水楊酰苯胺、等。

解偶聯劑的作用機制：

解偶聯劑皆為脂溶性，能可逆結合質子，在膜間隙結合質子后穿過內膜到基質釋放出質子，使內膜胞液側的H+不經ATP合酶的F0質子通道回到基質。破壞了線粒體內膜兩側的電化學梯度，ATP的生成受到抑制。

解偶聯蛋白作用機制（棕色脂肪組織）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液側基質側解偶聯蛋白熱能H+H+ADP+PiATP3、ATP合酶抑制劑：同時抑制電子傳遞和ATP的生成這類抑制劑對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素可結合F0單位，阻斷質子從F0質子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于線粒體內膜兩側質子電化學梯度增高影響呼吸鏈質子泵的功能，繼而抑制電子傳遞。

寡霉素(oligomycin)寡霉素ATP合酶結構模式圖可阻止質子從F0質子通道回流，抑制ATP生成。

(二)ADP的調節(jié)作用

ADP/ATP比值是調節(jié)氧化磷酸化的主要因素：比值增大，氧化磷酸化加快，反之氧化磷酸化則減慢。這樣可使體內ATP的生成速度與機體的生理需要相適應。

(三)甲狀腺素的調節(jié)作用

甲狀腺素能使Na+-K+-ATP酶基因表達增加,促進ATP分解，使ADP增多而加快氧化磷酸化。甲狀腺素還使解偶聯蛋白基因表達增加,使ATP生成減少。

(四)線粒體DNA突變線粒體DNA由于缺乏蛋白質保護和損傷修復系統易發(fā)生突變，而影響其氧化磷酸化的肽和蛋白質的編碼基因，使氧化磷酸化降低，ATP生成減少而致病。

四、ATP在能量的生成、利用、轉移和儲存中起核心作用高能磷酸鍵水解時釋放的能量大于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化合物△E0′kJ/mol(kcal/mol)磷酸烯醇式丙酮酸－61.9(－14.8)氨基甲酰磷酸－51.4(－12.3)1，3-二磷酸甘油酸－49.3(－11.8)磷酸肌酸－43.1(－10.3)ATP→ADP＋Pi－30.5(－7.3)乙酰輔酶A－31.5(－7.5)ADP→AMP＋Pi－27.6(－6.6)焦磷酸－27.6(－6.6)1-磷酸葡萄糖－20.9(－5.0)一些重要有機磷酸化合物水解釋放的標準自由能

核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶的作用

ADP+ADPATP+AMP高能磷酸鍵的轉移:肌酸激酶的作用磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。

ATP的生成和利用ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P機械能(肌肉收縮)滲透能(物質主動轉運)化學能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)生物體內能量的儲存和利用都以ATP為中心。

ATP循環(huán)

定義:

ATP水解成ADP時釋放的能量用以驅動那些需要加入自由能的吸能反應。如生物合成、肌肉收縮、信息傳遞、物質轉運等，而ADP又利用營養(yǎng)物質氧化時釋放的自由能重新磷酸化成ATP,這樣就構成了ATP循環(huán)。五、線粒體內膜對各種物質進行選擇性轉運線粒體外膜通透性高，線粒體對物質通過的選擇性主要依賴于內膜中不同轉運蛋白(transporter)對各種物質的轉運。

線粒體內膜的主要轉運蛋白

（一）胞漿中NADH通過穿梭機制進入線粒體氧化呼吸鏈胞漿中NADH必須經一定轉運機制進入線粒體，再經呼吸鏈進行氧化磷酸化。α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)蘋果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle