生物化學(xué)-期中前化學(xué)課件氧化

第八章生物氧化

BiologicalOxidation營養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行氧化分解，最終生成CO2和H2O，并釋放能量的過程.生物氧化概念

生物氧化與體外燃燒的比較

生物氧化體外燃燒反應(yīng)條件

溫和劇烈

(體溫、pH近中性)(高溫、高壓)反應(yīng)過程逐步進(jìn)行的酶促反應(yīng)一步完成能量釋放逐步進(jìn)行瞬間釋放（化學(xué)能、熱能）（熱能）CO2生成方式有機(jī)酸脫羧碳和氧結(jié)合H2O

需要不需要生物氧化過程中能量逐步釋放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截獲，再供給機(jī)體所需。在此過程中既不會(huì)因氧化過程中能量驟然釋放而傷害機(jī)體，又能使釋放的能量盡可得到有效的利用。C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量

(2840kJ/mol)最大特點(diǎn)：逐步釋放能量。方式：酶催化

生物氧化和有機(jī)物質(zhì)體外燃燒在化學(xué)本質(zhì)上是相同的，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律，所耗的氧量、最終產(chǎn)物和釋放的能量均相同生物氧化

特點(diǎn)：（1）在細(xì)胞內(nèi)，溫和的環(huán)境中經(jīng)酶催化逐步進(jìn)行。（2）能量逐步釋放。一部分以熱能形式散發(fā)，以維持體溫，一部分以化學(xué)能形式儲(chǔ)存供生命活動(dòng)能量之需（約40%）（3）生物氧化生成的H2O是代謝物脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生，H2O也直接參與生物氧化反應(yīng)；CO2由有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生（4）生物氧化的速度由細(xì)胞自動(dòng)調(diào)控。

這類反應(yīng)進(jìn)行過程中細(xì)胞要攝取O2，釋放CO2故又形象地稱之為細(xì)胞呼吸。物質(zhì)氧化的方式：失電子、脫氫(最主要)、加氧

CO２生成的方式：

有機(jī)酸脫羧糖原

三酯酰甘油

蛋白質(zhì)

葡萄糖

脂酸+甘油

氨基酸

乙酰CoA

TAC2H

呼吸鏈H2OADP+PiATPCO2

*生物氧化的一般過程(NADH,FADH2)

第二節(jié)線粒體氧化體系

真核細(xì)胞-線粒體（mitochondria)是生物氧化的主要場(chǎng)所，主要功能是將代謝物脫下的氫通過多種酶及輔酶所組成的傳遞體系的傳遞，最終與氧結(jié)合生成水。指線粒體內(nèi)膜中按一定順序排列的一系列具有電子傳遞功能的酶復(fù)合體，可通過鏈鎖的氧化還原將代謝物脫下的電子最終傳遞給氧生成水。這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈(respiratorychain)又稱電子傳遞鏈(electrontransferchain)。一、呼吸鏈定義遞氫體和電子傳遞體（2H2H++2e）組成一、呼吸鏈的組成在線粒體內(nèi)膜上存在兩種呼吸鏈：復(fù)合體I復(fù)合體II復(fù)合體III復(fù)合體IV復(fù)合體IV復(fù)合體III1.復(fù)合體Ⅰ：NADH-CoQ還原酶功能：將電子從NADH傳遞給CoQ輔基：FMN，鐵硫蛋白復(fù)合體Ⅰ電子傳遞：NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQ復(fù)合體Ⅰ它是由NAD+接受多種代謝產(chǎn)物脫氫得到的產(chǎn)物。NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。NADH：還原型輔酶鐵硫蛋白(簡(jiǎn)寫為Fe-S)是一種與電子傳遞有關(guān)的蛋白質(zhì)，它與NADHQ還原酶的其它蛋白質(zhì)組分結(jié)合成復(fù)合物形式存在。鐵硫蛋白

鐵硫蛋白SS無機(jī)硫半胱氨酸硫它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有兩個(gè)活潑的無機(jī)硫和兩個(gè)鐵原子。鐵硫蛋白通過Fe3+

Fe2+

變化起傳遞電子的作用鐵硫蛋白Q(醌型結(jié)構(gòu))很容易接受電子和質(zhì)子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出電子和質(zhì)子，重新氧化成Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。輔酶-Q的功能泛醌（輔酶Q,CoQ,Q）由多個(gè)異戊二烯連接形成較長(zhǎng)的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反應(yīng)時(shí)可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。內(nèi)膜中可移動(dòng)電子載體，在各復(fù)合體間募集并穿梭傳遞還原當(dāng)量和電子。在電子傳遞和質(zhì)子移動(dòng)的偶聯(lián)中起著核心作用。

功能：將電子從琥珀酸傳遞給CoQ輔基：FAD、Fe-S242.復(fù)合體Ⅱ：琥珀酸-CoQ還原酶功能：將電子從CoQ傳遞給Cytc組成：Cytb、Fe-S、Cytc1細(xì)胞色素(Cyt)：含鐵卟啉輔基的色蛋白，分a、b、c三類，每類中又分幾種亞類。273.復(fù)合體Ⅲ：CoQ-細(xì)胞色素C還原酶細(xì)胞色素(cytochrome,Cyt)細(xì)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(jù)它們吸收光譜不同而分類。功能：?jiǎn)坞娮觽鬟f體（簡(jiǎn)寫為cyt.）是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環(huán)的中心，構(gòu)成血紅素。各種細(xì)胞色素的輔基結(jié)構(gòu)略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有細(xì)胞色素a,b,c和c1等，組成它們的輔基分別為血紅素A、B和C。細(xì)胞色素a,b,c可以通過它們的紫外-可見吸收光譜來鑒別。細(xì)胞色素主要是通過Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用的。細(xì)胞色素它是電子傳遞鏈中一個(gè)獨(dú)立的蛋白質(zhì)電子載體，位于線粒體內(nèi)膜外表，屬于膜周蛋白，易溶于水。它與細(xì)胞色素c1含有相同的輔基，但是蛋白組成則有所不同。在電子傳遞過程中，cyt.c通過Fe3+

Fe2+

的互變起電子傳遞中間體作用。細(xì)胞色素c（cyt.c）功能：將電子從Cytc最終傳遞到O2組成：Cyta、Cyta3、Cu334.復(fù)合體Ⅳ：細(xì)胞色素氧化酶簡(jiǎn)寫為cyt.c氧化酶，即復(fù)合物IV，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復(fù)合物，由12個(gè)多肽亞基組成。活性部分主要包括cyt.a和a3。細(xì)胞色素c氧化酶cyt.a和a3組成一個(gè)復(fù)合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。cyt.aa3可以直接以O(shè)2為電子受體。在電子傳遞過程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+

Cu2+

的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2。細(xì)胞色素c氧化酶總結(jié)NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-S復(fù)合物IV復(fù)合物I復(fù)合物IIINADH-Q還原酶細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素氧化酶FADH2Fe-S琥珀酸等復(fù)合物II琥珀酸-Q還原酶重要代謝物進(jìn)入呼吸鏈的途徑氧化-還原電勢(shì)與自由能的變化在生物氧化反應(yīng)中，氧化與還原總是相互偶聯(lián)的。一個(gè)化合物（還原劑）失去電子，必然伴隨另一個(gè)化合物(氧化劑）接受電子。在線粒體呼吸鏈中，推動(dòng)電子從NADH傳遞到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+

和1/2O2/H2O兩個(gè)半反應(yīng)之間存在很大的電勢(shì)差。(a)?O2+2H++2e-

H2OE0’=+0.82V(b)NAD++H++2e-

NADHE0’=-0.322V將(a)減去(b)，即得(c)式：(c)?O2+NADH+2H+

H2O+NAD+E0’=+1.14VG’=-nFE0’=-2965001.14=-220kJ/mol二、呼吸鏈中傳遞體的排列順序1、電子傳遞鏈中各組分的順序由還原電位決定電子傳遞方向：(還原電位)低高四、ATP的生成、利用與儲(chǔ)存（一）電子傳遞和ATP的合成ATP是細(xì)胞內(nèi)的“能量通貨”

ATP是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的中間載體

(一）ATP生成氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化。底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)與脫氫反應(yīng)偶聯(lián)，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(jīng)電子傳遞。根據(jù)P/O比值自由能變化:⊿Go'=-nF⊿Eo'氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ氧化磷酸化:P/O值(磷氧比值)是指某物質(zhì)氧化時(shí)每消耗1mol氧所消耗無

機(jī)磷的mol數(shù)。(每消耗1mol原子氧所產(chǎn)生的ATP的mol數(shù))線粒體離體實(shí)驗(yàn)測(cè)得的一些底物的P/O比值底物呼吸鏈的組成P/O比值可能生成的ATP數(shù)β-羥丁酸NAD+→復(fù)合體Ⅰ→CoQ→復(fù)合體Ⅲ2.52.5→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2琥珀酸復(fù)合體Ⅱ→CoQ→復(fù)合體Ⅲ1.5→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2抗壞血酸Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O20.881細(xì)胞色素c(Fe2+)復(fù)合體Ⅳ→O20.61-0.681.5兩類呼吸鏈的磷氧比（真核細(xì)胞）：

NADH呼吸鏈：3FADH2呼吸鏈：2自由能變化根據(jù)熱力學(xué)公式，pH7.0時(shí)標(biāo)準(zhǔn)自由能變化(△G0′)與還原電位變化(△E0′)之間有以下關(guān)系：n為傳遞電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)(96.5kJ/mol·V)△G0′=-nF△E0′電子傳遞鏈自由能變化

ATPATPATP氧化磷酸化偶聯(lián)部位NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2(二)氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制1、化學(xué)滲透假說(chemiosmotichypothesis)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將質(zhì)子(H+)從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲(chǔ)存能量。(產(chǎn)生跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度)當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ADP與Pi生成ATP。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(duì)H+、OH－、K＋、Cl－離子是不通透的；電子傳遞鏈可驅(qū)動(dòng)質(zhì)子移出線粒體，形成可測(cè)定的跨內(nèi)膜電化學(xué)梯度；增加線粒體內(nèi)膜外側(cè)酸性可導(dǎo)致ATP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)子梯度，結(jié)果電子雖可以傳遞，但ATP生成減少?；瘜W(xué)滲透假說已經(jīng)得到廣泛的實(shí)驗(yàn)支持2.質(zhì)子順梯度回流釋放能量被ATP合酶利用催化ATP合成

F1：親水部分（動(dòng)物：α3β3γδε亞基復(fù)合體，OSCP、IF1

亞基），線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)顆粒狀突起，催化ATP合成。

F0：疏水部分（ab2c9~12亞基，動(dòng)物還有其他輔助亞基），鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，形成跨內(nèi)膜質(zhì)子通道。ATP合酶結(jié)構(gòu)組成ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液側(cè)

基質(zhì)側(cè)++++++++++---------電子傳遞過程復(fù)合體Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有質(zhì)子泵功能

（三）氧化磷酸化作用可受某些內(nèi)外源因素影響

1.氧化磷酸化抑制劑1）呼吸鏈抑制劑復(fù)合體Ⅰ抑制劑：魚藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidinA)及異戊巴比妥(amobarbital)等阻斷傳遞電子到泛醌。復(fù)合體Ⅱ的抑制劑：萎銹靈(carboxin)。阻斷氧化磷酸化的電子傳遞過程復(fù)合體Ⅲ抑制劑：抗霉素A(antimycinA)阻斷CytbH傳遞電子到泛醌(QN)

；粘噻唑菌醇則作用QP位點(diǎn)。復(fù)合體Ⅳ抑制劑：CN－、N3－緊密結(jié)合中氧化型Cyta3，阻斷電子由Cyta到CuB-Cyta3間傳遞。CO與還原型Cyta3結(jié)合，阻斷電子傳遞給O2。

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二巰基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn)2）解偶聯(lián)劑

解偶聯(lián)劑(uncoupler)可使氧化與磷酸化的偶聯(lián)相互分離，基本作用機(jī)制是破壞電子傳遞過程建立的跨內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度，使電化學(xué)梯度儲(chǔ)存的能量以熱能形式釋放，ATP的生成受到抑制。如：二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)；解偶聯(lián)蛋白(uncouplingprotein，UCP1)。破壞電子傳遞建立的跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度3）ATP合酶抑制劑同時(shí)抑制電子傳遞和ATP的生成這類抑制劑對(duì)電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin)可結(jié)合F0單位，二環(huán)己基碳二亞胺(dicyclohexylcarbodiimide,DCCP)共價(jià)結(jié)合F0的c亞基谷氨酸殘基，阻斷質(zhì)子從F0質(zhì)子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于線粒體內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子電化學(xué)梯度增高影響呼吸鏈質(zhì)子泵的功能，繼而抑制電子傳遞。

寡霉素(oligomycin)寡霉素ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成。Na+，K+–ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)均增加。2.ADP是調(diào)節(jié)正常人體氧化磷酸化速率的主要因素呼吸控制率(respiratorycontrolratio,RCR)3.甲狀腺激素刺激機(jī)體耗氧量和產(chǎn)熱同時(shí)增加4.線粒體DNA突變可影響機(jī)體氧化磷酸化功能呼吸鏈的加強(qiáng)、抑制和解偶聯(lián)(1)ADP與ATP的調(diào)節(jié)作用ADP/ATP↓：抑制氧化磷酸化，ATP生成↓ADP/ATP↑：促進(jìn)氧化磷酸化，ATP生成↑H2O+NAD+NADH+H+

+

O212ADP+PiATP氧化磷酸化返回②解偶聯(lián)劑:

能夠使氧化過程與磷酸化過程脫節(jié)的物質(zhì)稱解偶聯(lián)劑，它對(duì)電子傳遞沒有抑制作用，但能抑制ADP磷酸化生成ATP的過程。

作用：使氧化過程與磷酸化過程脫節(jié)舉例：2，4-二硝基苯酚、三氟甲氧苯腙羰基氰化物解偶聯(lián)劑并不抑制電子傳遞過程，只抑制由ADP形成ATP的磷酸化過程。如感冒發(fā)燒即是由于某些細(xì)菌或病毒產(chǎn)生某種解偶聯(lián)劑，影響氧化磷酸化作用的正常進(jìn)行，導(dǎo)致較多能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。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四、ATP在能量的生成、利用、轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)存中起核心作用化合物△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(jī)磷酸化合物水解釋放的標(biāo)準(zhǔn)自由能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(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)生物體內(nèi)能量