第四章生物氧化

第四章生物氧化BiologicalOxidation1目錄第一節(jié)生物氧化概述第二節(jié)線粒體氧化體系第三節(jié)氧化磷酸化作用第四節(jié)其它氧化體系（自學(xué)）2物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行的氧化稱為生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在生物體內(nèi)徹底氧化分解最終生成CO2和H2O并逐步釋放能量的過程。亦稱“組織氧化”、“細(xì)胞呼吸”或“細(xì)胞氧化”。糖脂肪蛋白質(zhì)CO2和H2OO2能量ADP+PiATP熱能一、生物氧化的概念第一節(jié)生物氧化概述3CO2的生成直接脫羧：氨基酸脫羧酶氧化脫羧：丙酮酸脫氫酶復(fù)合物水的生成：脫下來的氫傳遞給氧CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脫氫酶1\2O2NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO=2H+4（一）本質(zhì)生物氧化的本質(zhì)是電子的得失，它有三種方式：脫氫、加氧、失電子二、生物氧化的本質(zhì)及過程

脫氫5加氧失電子

加氧酶催化的加氧反應(yīng)和氧化酶催化的生成水的反應(yīng)。6【甲烷單加氧酶】CH4+NADH+O2

CH3-OH+NAD++H2OFe2+Fe3++e糖原三酯酰甘油蛋白質(zhì)葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATCA2H呼吸鏈H2OADP+PiATPCO2*生物氧化的一般過程7三、生物氧化的特點(diǎn)

體內(nèi)氧化體外氧化（1）物質(zhì)氧化方式：脫氫、加氧、失電子（2）物質(zhì)氧化時(shí)消耗的氧量、得到的產(chǎn)物和能量相同。1、生物氧化與體外氧化的相同點(diǎn)82、生物氧化的特點(diǎn)在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，是在體溫、近中性pH和有水的溫和環(huán)境中，在一系列酶、輔酶和電子傳遞體的參與。反應(yīng)分階段進(jìn)行，能量逐步釋放，避免了能量驟然釋放對(duì)機(jī)體的損害,使生物體能充分、有效地利用釋放的能量；生物氧化過程中釋放的化學(xué)能通常被偶聯(lián)的磷酸化反應(yīng)所利用

,貯存于高能磷酸化合物(如

ATP)中用于各種生命活動(dòng)；真核細(xì)胞，生物氧化多在線粒體內(nèi)進(jìn)行，在不含線粒體的原核細(xì)胞中，生物氧化在細(xì)胞膜上進(jìn)行。

9第二節(jié)

呼吸鏈一、線粒體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二、呼吸鏈的概念三、呼吸鏈的組成成份四、呼吸鏈中傳遞體的排列順序五、兩條主要的呼吸鏈10

構(gòu)成呼吸鏈的遞氫體或遞電子體通常以復(fù)合體的形式存在于線粒體內(nèi)膜上。一、線粒體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在生物氧化體系中，傳遞氫的酶或輔酶稱為遞氫體，傳遞電子的酶或輔酶稱為遞電子體。11二、呼吸鏈的概念

呼吸鏈又叫電子傳遞體系或電子傳遞鏈，它是代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)過一系列的位于線粒體內(nèi)膜上的氫傳遞體和電子傳遞體傳遞，最后傳遞給被激活的氧原子而生成水的全部體系。在真核生物細(xì)胞內(nèi)，它位于線粒體內(nèi)膜上，原核生物中，它位于細(xì)胞膜上。12三、呼吸鏈的組成成份煙酰胺脫氫酶：遞氫體黃素蛋白酶類：遞氫體鐵-硫蛋白：?jiǎn)坞娮觽鬟f體輔酶Ｑ：遞氫體細(xì)胞色素類：?jiǎn)坞娮觽鬟f體131、煙酰胺脫氫酶類

特點(diǎn)：以NAD+

或NADP+為輔酶，存在于線粒體基質(zhì)或胞液中。

傳遞氫機(jī)理:

142、黃素蛋白酶類

特點(diǎn)：以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為細(xì)胞膜組成蛋白遞氫機(jī)理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2153、鐵硫蛋白特點(diǎn)：鐵硫蛋白中輔基鐵硫中心(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，F(xiàn)e與無機(jī)硫或蛋白質(zhì)分子中的4個(gè)Cys殘基的巰基相連結(jié)。傳遞電子機(jī)理：Fe3+

Fe2+-e+e164、泛醌（CoQ）

特點(diǎn)：帶有聚異戊二烯側(cè)鏈的苯醌，脂溶性，位于膜雙脂層中，能在膜脂中自由泳動(dòng)

+2H

傳遞氫機(jī)理：CoQCoQH2

－2H175、細(xì)胞色素

傳遞電子機(jī)理：

+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+

－e－e

特點(diǎn)：以血紅素（鐵卟啉）為輔基的色素蛋白。類別:根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三類，呼吸鏈中含5種（b、c、c1、a和a3)，a和a3以復(fù)合物物存在，稱細(xì)胞色素氧化酶，其分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu

，可將電子傳遞給氧，因此亦稱其為末端氧化酶。18bc1caa3O2電子傳遞順序：細(xì)胞色素c的結(jié)構(gòu)Cytc和c1的血紅素與蛋白部分共價(jià)結(jié)合。

19

復(fù)合體

酶名稱

亞基

輔基ⅠNADH-COQ還原酶39FMN，F(xiàn)eSⅡ

琥珀酸-COQ還原酶4FAD，F(xiàn)eS，鐵卟啉ⅢCoQ-細(xì)胞色素c還原酶10

鐵卟啉，F(xiàn)eSⅣ

細(xì)胞色素c氧化酶13

鐵卟啉，Cu2+

呼吸鏈含有4種復(fù)合體由以上五種傳遞體組成4個(gè)復(fù)合體和2個(gè)單獨(dú)成分。20ⅣCytcoxNADH+H+NAD+1/2O2+2H+H2O胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)線粒體內(nèi)膜ⅠQH2Q

Ⅱ延胡索酸琥珀酸QH2Q

4H+4H+Ⅲ4H+4H+CytcoxCytcredCytcred4H+4H+電子傳遞鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置21復(fù)合體Ⅰ:NADH-COQ（泛醌）還原酶

功能:

將電子從NADH傳遞給泛醌NADH+H+

NAD+FMNFMNH2還原型Fe-S氧化型Fe-SQQH222復(fù)合體Ⅱ:琥珀酸-泛醌還原酶

功能:

將電子從琥珀酸傳遞給泛醌

復(fù)合體Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S323復(fù)合體Ⅲ:QH2（泛醌）-細(xì)胞色素c還原酶

功能：將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素c

復(fù)合體ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c124復(fù)合體Ⅳ:細(xì)胞色素c氧化酶

功能：將電子從細(xì)胞色素c傳遞給氧

復(fù)合體Ⅳ還原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB25

通過四個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)可確定呼吸鏈各組分的排列順序：

①測(cè)定電子傳遞鏈各組分的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位②在體外將電子傳遞鏈各組分進(jìn)行分離純化③加入電子傳遞鏈的專一性抑制劑或人工供體及受體

④測(cè)定各組分特征的吸收光譜四、呼吸鏈組分的排列順序26胞液側(cè)

基質(zhì)側(cè)

線粒體內(nèi)膜

各復(fù)合體的排列順序及電子傳遞方式Q

1/2O2+2H+H2OⅢⅠ

Ⅱ

Ⅳ

延胡索酸

琥珀酸

e-Cytce-e-e-e-NADH+H+NAD+27NADH氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈五、兩條主要的呼吸鏈2829兩條電子傳遞鏈的關(guān)系30第三節(jié)氧化磷酸化作用1.底物水平磷酸化：

底物分子氧化過程中內(nèi)部能量重新分布，生成高能鍵，由此高能鍵提供能量使ADP直接磷酸化生成ATP或GDP直接磷酸化生成GTP的過程。一、生物體內(nèi)ATP的生成方式31底物水平磷酸化見于下列三個(gè)反應(yīng)：1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP磷酸甘油酸激酶丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA+Pi+GDP琥珀酸+CoA+GTP32

在生物氧化過程中，底物脫氫產(chǎn)生NADH

和FADH2,經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧生成水的同時(shí)，所釋放的自由能使ADP磷酸化生成ATP，這種氧化反應(yīng)與磷酸化反應(yīng)相偶聯(lián)的作用稱為氧化磷酸化。氧化磷酸化是電子傳遞與ATP形成的偶聯(lián)。2.氧化磷酸化：ADP+PiATP+H2O生物氧化過程中釋放出的自由能33二、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位

物質(zhì)氧化時(shí)，每消耗1摩爾氧原子，所消耗的無機(jī)磷原子的摩爾數(shù)。1、磷氧比(P/O)：

由于在氧化磷酸化過程中，每傳遞一對(duì)電子消耗一個(gè)氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的數(shù)值相當(dāng)于一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。34NADH呼吸鏈的P/O為2.5，F(xiàn)ADH2呼吸鏈的P/O為1.5。一對(duì)電子通過NADH（NADPH）電子傳遞鏈可泵出10個(gè)質(zhì)子；一對(duì)電子通過FADH2電子傳遞鏈可泵出6個(gè)質(zhì)子。每合成一個(gè)ATP需3個(gè)質(zhì)子通過ATP合酶，把ATP從線粒體基質(zhì)運(yùn)送到胞液要消耗一個(gè)質(zhì)子，所以每形成一個(gè)ATP就需要4個(gè)質(zhì)子的流動(dòng)352、偶聯(lián)部位

偶聯(lián)部位有3個(gè)：

NADH→CoQ，CoQ→Cytc及Cytaa3→O2

ATPATP

ATP36三、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理化學(xué)偶聯(lián)假說1953年E.C.Slater提出構(gòu)象偶聯(lián)假說1964年P(guān).D.Boyer提出化學(xué)滲透假說

1961年P(guān)eter.Mitchell

提出目前公認(rèn)的機(jī)制是1961年由Mitchell提出的化學(xué)滲透學(xué)說37遞氫體和遞電子體交替排列，有序定位于完整的線粒體內(nèi)膜上。呼吸鏈中復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ中的遞氫體具有質(zhì)子泵的作用，將質(zhì)子泵到線粒體膜外側(cè)，電子傳給隨后的電子傳遞體。完整的線粒體內(nèi)膜有選擇透性，H+不能自由通過。在質(zhì)子泵的作用下產(chǎn)生了跨膜的質(zhì)子濃度梯度和電位梯度。又叫質(zhì)子推動(dòng)力。質(zhì)子推動(dòng)力可以被存在于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基團(tuán)，并與ADP結(jié)合而合成ATP。1、化學(xué)滲透學(xué)說主要內(nèi)容：38ⅢⅠⅡⅣFoF1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+H+胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)++++++++++---------化學(xué)滲透假說詳細(xì)示意圖39內(nèi)膜FoF1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基質(zhì)膜間隙電子傳遞鏈40412.ATP合酶由親水部分F1（α3β3γδε亞基）和疏水部分Fo（a1b2c9～12亞基）組成。42

F1主要作用是催化ATP形成；

Fo鑲嵌在線粒體的內(nèi)膜上，作為質(zhì)子通道。Fo中的一個(gè)亞基稱為寡霉素敏感蛋白質(zhì)（OSCP）OSCP43

ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；反之，當(dāng)ATP/ADP比值升高時(shí)，則氧化磷酸化速度減慢。

（一）ATP/ADP比值四、影響氧化磷酸化的因素44（二）呼吸鏈電子傳遞抑制劑

它的特點(diǎn)是可抑制呼吸鏈的某一環(huán)節(jié)，使呼吸鏈中斷。因底物的氧化作用受阻，偶聯(lián)的磷酸化作用無法進(jìn)行，ATP的生成隨之減少。這類物質(zhì)和化學(xué)藥品大多對(duì)人類或哺乳動(dòng)物乃至需氧生物具有極強(qiáng)的毒性。1、定義

是能夠?qū)Ｒ恍宰钄嗪粑溨心承┎课浑娮觽鬟f的物質(zhì)。452、種類氰化物、疊氮化物、CO、H2S

:阻斷Cytaa3向O2的傳遞魚藤酮、安密妥、殺粉蝶素A：阻斷從NADH向CoQ的傳遞抗霉素A和二巰基丙醇：阻斷Cytb向Cytc1的電子傳遞46魚藤酮?dú)⒎鄣兀ǚ鄣顾谹）安密妥（異戊巴比妥）×抗霉素A二巰基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn)47（三）解偶聯(lián)劑

不抑制呼吸鏈的遞氫或遞電子過程，但能使氧化產(chǎn)生的能量不能用于ADP的磷酸化的試劑稱為解偶聯(lián)劑。1、定義

增大了線粒體內(nèi)膜對(duì)H+的通透性，破壞了質(zhì)子濃度梯度，從而使氧化過程釋放的能量不能用于ATP的合成反應(yīng)2、作用機(jī)理483、舉列主要的解偶聯(lián)劑有2,4-二硝基苯酚（DNP）（1）2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+線粒體內(nèi)膜內(nèi)外49（2）解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)解偶聯(lián)蛋白熱能H+H+ADP+PiATP50（四）氧化磷酸化抑制劑

直接干擾ATP的生成，結(jié)果即阻斷了呼吸鏈的電子傳遞又抑制了ATP的形成的物質(zhì)。

1、定義2、作用機(jī)理

直接作用于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶，從而使線粒體內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子電化學(xué)梯度增高。51

寡霉素(oligomycin)可阻止質(zhì)子從Fo質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成寡霉素3、舉列52（五）離子載體抑制劑

指那些能與某種離子結(jié)合，并作為這些離子的載體攜帶離子穿過線粒體內(nèi)膜的脂雙層進(jìn)入線粒體的化合物實(shí)質(zhì)是破壞了膜兩側(cè)的電位梯度。1、定義2、作用機(jī)理

結(jié)合除H+以處的一價(jià)陽離子,如纈氨霉素結(jié)合K+離子,短桿菌肽結(jié)合K+、Na+及其它一價(jià)離子等。3、舉列53氧化磷酸化的抑制劑總結(jié)54五、高能化合物高能磷酸鍵水解時(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（一）定義高能化合物

水解時(shí)釋放的自由能大于等于ATP水解生成ADP的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化(-30.5kJ/mol)的化合物55（二）高能化合物的種類5657（三）重要的高能化合物---ATPATP（三磷酸腺苷）焦磷酸58ATP分子中的高能磷酸鍵鍵△G0′＝－14.3KJ鍵△G0′＝－27.6KJ

鍵△G0′＝－30.5KJ機(jī)械能--運(yùn)動(dòng)化學(xué)能--合成滲透能--分泌吸收電能--生物電熱能--體溫光能--生物發(fā)光ATP是生物系統(tǒng)能量交換的中心熒火蟲1、ATP的特殊作用60ATP循環(huán)ATP

ADP

肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P

~P

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)61

磷酸肌酸是骨骼肌和腦組織中能量的貯存形式。62多磷酸核苷間的能量轉(zhuǎn)移

在生物體內(nèi)，除了ATP供能外，還使用其他形式的高能磷酸鍵供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白質(zhì)的合成等。核苷單磷酸激酶NMP+ATPNDP+ADP核苷二磷酸激酶NDP+ATPNTP+ADP6364磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的載體2、能荷

能荷(energycharge)(Atkinson,1968)

在總的腺苷酸中所負(fù)荷(含有)的高能磷酸基的量。[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]能荷=當(dāng)全部腺苷酸都是ATP時(shí),能荷=1;當(dāng)全部腺苷酸都是AMP時(shí),能荷=0.65

能荷，反映細(xì)胞能量水平。能荷對(duì)代謝的調(diào)節(jié)可通過ATP、ADP和AMP作為代謝中某些酶分子的別構(gòu)效應(yīng)物進(jìn)行變構(gòu)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。能荷相對(duì)速率ATP的利用途徑

ATP的生成途徑能荷對(duì)ATP的生成途徑和ATP的利用途徑相對(duì)速率的影響66

磷酸甘油穿梭系統(tǒng)

主要存在于腦和骨骼肌中

蘋果酸—天冬氨酸穿梭系統(tǒng)主要存在于肝和心肌中

酵解（細(xì)胞質(zhì)）氧化磷酸化

（線粒體）六、線粒體外NADH的氧化磷酸化作用67

線粒體內(nèi)膜

線粒體外膜膜間腔

線粒體基質(zhì)

FADH2

NAD+

FAD

-磷酸甘油脫氫酶

FADH2呼吸鏈

磷酸二羥丙酮

-磷酸甘油

NADH+H+