生物化學(xué)與分子生物學(xué)課件8氧化

第六章生物氧化張曉偉

北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部生化與分子生物學(xué)系BiologicalOxidation糖

脂肪

蛋白質(zhì)

CO2

和H2OO2能量ADP+PiATP熱能有機(jī)物質(zhì)在生物體內(nèi)的氧化作用，稱為生物氧化。由于生物氧化通常需要消耗氧，產(chǎn)生二氧化碳，故又稱“細(xì)胞呼吸”。在整個(gè)生物氧化過(guò)程中，有機(jī)物質(zhì)最終被氧化成CO2和水，并釋放出能量。第一節(jié)概述生物氧化的特點(diǎn)生物氧化的方式生物氧化酶類(lèi)能量代謝的特點(diǎn)Introduction一、生物氧化的特點(diǎn)1、細(xì)胞內(nèi)條件溫和(水溶液，pH7，恒溫)，酶促反應(yīng)生物氧化的部位：線粒體，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，微粒體等（1）α–單純脫羧（2）β–單純脫羧2、有機(jī)酸脫羧生成CO2

O‖CH3CH+CO2

O‖CH3CCOOH丙酮酸乙醛COOHC=OCH2COOHαβCOOHC=O+CO2

CH3草酰乙酸丙酮酸3、H2O的生成：H通過(guò)中間傳遞體間接與氧結(jié)合4、氧化與還原反應(yīng)伴隨發(fā)生，反應(yīng)分步進(jìn)行間接供氧更普遍：加水脫氫加水脫氫：水是許多生物氧化反應(yīng)的氧供體，直接參予氧化反應(yīng)生理意義：供能，清除有害物質(zhì)5、逐步釋放能量，并轉(zhuǎn)換為生物體直接供能物質(zhì)生物氧化體外氧化共性均有加氧、脫氫、失電子，遵循氧-還反應(yīng)的一般規(guī)律消耗的氧量、最終產(chǎn)物(CO2，H2O)和釋放能量均相同氧化條件細(xì)胞內(nèi)溫和條件燃燒，等氧化過(guò)程酶促反應(yīng)，逐步進(jìn)行非酶促，一步能量釋放逐級(jí)釋放，有利于機(jī)體捕獲能量，提高ATP生成的效率突然釋放氧化方式間接供氧更普遍直接加氧H2O生成H間接與氧結(jié)合生成H2OH直接與氧結(jié)合CO2有機(jī)酸脫羧C直接與氧結(jié)合生物氧化與體外氧化的異同小結(jié)1、細(xì)胞內(nèi)條件溫和(水溶液，pH7，恒溫)2、氧化與還原相伴進(jìn)行3、碳的氧化和氫的氧化非同步進(jìn)行。氧化脫下來(lái)的氫質(zhì)子和電子由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水；有機(jī)酸脫羧生成CO24、間接供氧更普遍：水通過(guò)加水脫氫作用直接參予了氧化反應(yīng)5、酶促反應(yīng)分步進(jìn)行。有利于溫和條件下釋放能量，提高能量利用率。6、逐步釋放能量，并通過(guò)與ATP合成相偶聯(lián)，轉(zhuǎn)換成生物體能夠直接利用的生物能。7、進(jìn)行生物氧化反應(yīng)的部位（1）線粒體（2）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、微粒體等8、生理意義：供給機(jī)體能量，轉(zhuǎn)化有害廢物。1.脫電子2.脫氫(最主要)3.加氧Fe2+

Fe3++eCOOHC=O+2H

CH3（2H++2e）

COOH

HO－CH

CH3Cu+O2

CuO12二、生物氧化的方式氧化磷酸化(oxidativephosphorylation):是指在呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱為呼吸鏈水平的磷酸化。ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTPADP+ADPATP+ADP三、ATP是生物能利用的主要形式細(xì)胞內(nèi)的直接供能形式：NTP細(xì)胞內(nèi)主要的直接供能形式：ATPATPADPATP循環(huán)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)~P~P氧化磷酸化底物水平磷酸化1、ATP的特殊作用：能量代謝的中心ATP在一切生物生命活動(dòng)中都起重要作用，細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)和線粒體中都存在有ATPATP是酶促磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的“共同中間體”ATP是生物體內(nèi)主要的直接供能物質(zhì)

ATP是能量的攜帶者和轉(zhuǎn)運(yùn)者，是生物體通用的能量貨幣。ATP不是能量的貯存者。在脊椎動(dòng)物中起貯存能量作用的ATP原是磷酸肌酸小結(jié)2、ATP的生成方式：底物水平磷酸化、呼吸鏈水平磷酸化（氧化磷酸化）作用物/底物水平的磷酸化(substratelevelphosphorylation)：高能化合物在反應(yīng)的過(guò)程中，直接將能量轉(zhuǎn)給ADP，生成ATP。氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)：是指代謝物氧化脫氫經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧生成水的同時(shí)，偶聯(lián)有ADP磷酸化生成ATP的過(guò)程。又稱為呼吸鏈水平的磷酸化。它是體內(nèi)生成ATP的主要方式。第二節(jié)

氧化磷酸化（OxidativePhosphorylation）

線粒體呼吸鏈能量積累與轉(zhuǎn)換氧化偶聯(lián)ATP的合成胞液中NADH的氧化影響氧化磷酸化的因素線粒體是生物氧化的主要場(chǎng)所由遞氫體或遞電子體在線粒體內(nèi)膜上按一定順序排列組成的連鎖反應(yīng)體系稱為電子傳遞鏈(electrontransferchain)。它與細(xì)胞攝取氧的呼吸過(guò)程相關(guān)，故又稱呼吸鏈(respiratorychain)一、線粒體呼吸鏈線粒體呼吸鏈（一）呼吸鏈的主要成分1、NAD+為輔酶的脫氫酶【組分】酶蛋白、NAD+

【作用】遞氫體：輔酶接受代謝物脫下的2H，傳遞給黃素蛋白。R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+NADH：還原型輔酶NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。氧化還原反應(yīng)時(shí)變化發(fā)生在五價(jià)氮和三價(jià)氮之間2、鐵硫蛋白(iron-sulfurprotein,Fe-S)

鐵硫蛋白與黃素蛋白形成復(fù)合物存在。【組分】含等量的鐵原子和硫原子(Fe2S2，F(xiàn)e4S4)鐵原子與鐵硫蛋白的半胱氨酸相連【作用】遞電子體：?jiǎn)坞娮觽鬟f，將FMN或FAD的電子傳遞給泛醌。通過(guò)Fe3+

Fe2+

變化傳遞電子鐵硫蛋白鐵硫蛋白(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。3、泛醌(Q)或輔酶Q(CoQ）它是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為一種脂溶性醌類(lèi)化合物。遞氫體：傳遞2H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。4、細(xì)胞色素（cyt）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。呼吸鏈中主要有細(xì)胞色素a,b,c等，其輔基分別為血紅素A、B和C。Cyta,b,c可以通過(guò)它們的紫外-可見(jiàn)吸收光譜來(lái)鑒別。主要通過(guò)Fe3+

Fe2+互變傳遞電子。細(xì)胞色素c（cytc）一個(gè)獨(dú)立的蛋白質(zhì)電子載體，位于線粒體內(nèi)膜外，屬膜周蛋白，易溶于水。它與細(xì)胞色素c1含有相同的輔基，但蛋白組成有所不同。通過(guò)Fe3+

Fe2+互變傳遞電子。氧化型還原型細(xì)胞色素a和bCyta和a3組成一個(gè)復(fù)合體，除含有鐵卟啉外，還含有銅原子。aa3可直接以O(shè)2為電子受體aa3的銅離子可發(fā)生Cu+

Cu2+

的互變，將電子傳遞給O2。細(xì)胞色素aa3（cytaa3）5、黃素酶-黃素蛋白（Flavoprotein）【組分】酶蛋白、FMN、FAD(它們由核黃素VitB2、磷酸、AMP組成)。【作用】進(jìn)行可逆的脫氫加氫反應(yīng)。【機(jī)制】異咯嗪的第1、10位N上可加氫【舉例】琥珀酸脫氫酶以FAD為輔酶，將代謝物脫下的H傳入呼吸鏈。（二）酶復(fù)合體(complex)復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置NADH泛醌還原酶(復(fù)合物I)它的作用是催化NADH的氧化脫氫以及Q的還原。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。NADHQ還原酶最少含有16個(gè)多肽亞基。它的活性部分含有輔基FMN和鐵硫蛋白。FMN的作用是接受脫氫酶脫下來(lái)的電子和質(zhì)子，形成還原型FMNH2。還原型FMNH2進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)移給Q。NADHQ還原酶NADH+Q+H+NAD++QH2

復(fù)合體ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2NADH泛醌還原酶復(fù)合體Ⅰ的功能②琥珀酸-Q還原酶(復(fù)合物Ⅱ,CoⅡ)存在于線粒體內(nèi)膜上,它比NADH-Q還原酶的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由4個(gè)不同的多肽亞基組成。其活性部分含有輔基FAD、Cytb560和鐵硫蛋白。琥珀酸-Q還原酶的作用是催化琥珀酸的脫氫氧化和Q的還原。

復(fù)合體Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3

復(fù)合體ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1③QH2cytc還原酶(復(fù)合物III)它是一種跨膜蛋白復(fù)合物，其作用是催化還原型QH2的氧化和cytc的還原。QH2-cytc還原酶由9個(gè)多肽亞基組成。活性部分主要包括細(xì)胞色素b（b562、b566）和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。QH2-cytc還原酶QH2+2cytc(Fe3+)Q+2cytc(Fe2+)+2H+

復(fù)合體Ⅳ還原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB

④cytc氧化酶(復(fù)合物Ⅳ,CoⅣ)位于線粒體呼吸鏈末端，由12個(gè)多肽亞基組成?；钚圆糠种饕╟yta和a3。NADHFP(FMN)UQCytbCytC1CytcCytaa3O2

(Fe-S)

FP(FAD-Fe-S)復(fù)合物Ⅰ復(fù)合物Ⅲ復(fù)合物Ⅳ復(fù)合物Ⅱ分別進(jìn)入兩條呼吸鏈的底物蘋(píng)果酸異檸檬酸

琥珀酸β-羥丁酸

谷氨酸

FAD（Fe-S）

NAD+FMNCoQbc1caa3O2

丙酮酸

FAD

α-酮戊二酸

脂酰CoA

α-磷酸甘油由遞氫體或遞電子體在線粒體內(nèi)膜上按一定順序排列組成的連鎖反應(yīng)體系稱為電子傳遞鏈(electrontransferchain)。它與細(xì)胞攝取氧的呼吸過(guò)程相關(guān)，故又稱呼吸鏈(respiratorychain)遞氫體同時(shí)也是遞電子體

1、呼吸鏈的組成成分（主要有5類(lèi)）（1）NAD+為輔酶的脫氫酶：遞氫體（2）黃素酶（黃素蛋白，輔酶為FAD或FMN）：遞氫體（3）鐵硫蛋白（含有Fe-S）：遞電子體（4）泛醌（輔酶Q）：遞氫體（5）細(xì)胞色素體系：遞電子體呼吸鏈細(xì)胞色素體系：cytaa3、b、c1、c小結(jié)2、呼吸鏈分類(lèi)：2條主要呼吸鏈（1）NADH氧化呼吸鏈SH2(底物)→NAD→FMN→CoQ→cytb→c1→c→aa3→O2NADH→復(fù)合體Ⅰ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2（2）FADH2氧化呼吸鏈SH2(底物)→FAD→CoQ→cytb→c1→c→aa3→O2琥珀酸→復(fù)合體Ⅱ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2（3）NADH和FADH2是氧化呼吸鏈的電子供體二.氧化磷酸化將氧化呼吸鏈釋能與ADP磷酸化偶聯(lián)生成ATP

1.氧化磷酸化偶聯(lián)部位在復(fù)合體Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ內(nèi)

ATPATPATP呼吸鏈偶聯(lián)部位電子傳遞鏈自由能變化

P/O比值每消耗1mol氧原子，所消耗的無(wú)機(jī)磷摩爾數(shù)一對(duì)電子通過(guò)呼吸鏈P/O比值：一對(duì)電子通過(guò)呼吸鏈時(shí)生成ATP的個(gè)數(shù)1個(gè)氧原子2e+OO2-ADP+PiATP無(wú)機(jī)磷個(gè)數(shù)生成ATP的個(gè)數(shù)P/O：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)。NADH呼吸鏈P/O=2～3。FADH2呼吸鏈P/O=1～2.2、氫離子落差的形成：質(zhì)子泵的作用質(zhì)子泵1：復(fù)合物Ⅰ質(zhì)子泵2：復(fù)合物Ⅲ質(zhì)子泵3：復(fù)合物Ⅳ3、能量的轉(zhuǎn)換1、能量積累：氫離子濃度梯度P/O: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)。NADH呼吸鏈P/O=2.5FADH2呼吸鏈P/O=1.5產(chǎn)能部位：NADH→CoQ,cytb→cytc,cytaa3→O22、能量指標(biāo)：ATP小結(jié)代謝物氧化脫氫經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧生成水的同時(shí)，伴有ADP磷酸化生成ATP的過(guò)程為氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)，因氧化反應(yīng)與ADP的磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)發(fā)生，又稱偶聯(lián)磷酸化。氧化磷酸化是體內(nèi)生成ATP的主要方式。解偶聯(lián)：有代謝物的氧化過(guò)程，不伴有ADP磷酸化的過(guò)程為氧化磷酸化的解偶聯(lián)。三、氧化磷酸化ATP的合成線粒體氧化磷酸化由親水部分F1(α3β3γδε亞基)和疏水部分F0(a1b2c9～12亞基)組成。1、ATP合酶復(fù)合體(復(fù)合物Ⅴ)

線粒體內(nèi)膜表面規(guī)則排列著的球狀顆粒，稱為ATP合酶復(fù)合體，是ATP合成的場(chǎng)所。ATP合酶，由F1和F0組成。F1含有5種不同的亞基（按3、3、1、1

和1

的比例結(jié)合）。F0為一個(gè)疏水蛋白，是與線粒體電子傳遞系統(tǒng)連接的部位。當(dāng)H+順濃度遞度經(jīng)F0中a亞基和c亞基之間回流時(shí)，γ亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個(gè)β亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。ATP合酶的工作機(jī)制化學(xué)滲透假說(shuō)2、偶聯(lián)機(jī)制：（1）H+不能自由通透線粒體內(nèi)膜；（2）電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€(gè)質(zhì)子泵（復(fù)合物Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ），電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時(shí)釋放出來(lái)的能量，可驅(qū)動(dòng)膜內(nèi)側(cè)的H+定向遷移到膜外側(cè)，產(chǎn)生氫離子濃度梯度。（3）線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)與外側(cè)之間的氫離子濃度梯度具有質(zhì)子梯度勢(shì)能(pH)和電位梯度電能（），統(tǒng)稱電化學(xué)勢(shì)能；（4）在膜內(nèi)外電化學(xué)勢(shì)能的驅(qū)動(dòng)下，膜外高能質(zhì)子具有回流膜內(nèi)的趨勢(shì)，可沿著特殊通道（ATP酶的組成部分）回到膜內(nèi)側(cè)?；亓麽尫诺哪芰?，直接驅(qū)動(dòng)了ADP和磷酸合成ATP。1、氧化磷酸化ATP的生成ATP合酶復(fù)合體是ATP合成的場(chǎng)所。氧化磷酸化后，NADH＝2.5ATP，F(xiàn)ADH2=1.5ATP2、化學(xué)滲透假說(shuō)的要點(diǎn)：（1）H+不能自由通透線粒體內(nèi)膜；（2）線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈中的復(fù)合物Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ具有質(zhì)子泵的功能，可利用遞氫體與遞電子體之間電子傳遞的能量驅(qū)動(dòng)H+由線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)定向遷移到膜外側(cè)，從而在線粒體內(nèi)膜兩側(cè)形成質(zhì)子梯度；（3）質(zhì)子梯度具有電化學(xué)勢(shì)能，存在質(zhì)子回流線粒體內(nèi)膜內(nèi)的趨勢(shì)；（4）質(zhì)子經(jīng)特定的質(zhì)子通道回流線粒體膜內(nèi)側(cè)時(shí)，可推動(dòng)ATP合酶催化合成ATP。小結(jié)四、胞液中NADH的氧化胞液中生成的NADH不能自由通過(guò)線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)胞液NADH的機(jī)制主要有：蘋(píng)果酸-天冬氨酸穿梭和-磷酸甘油穿梭作用。-磷酸甘油穿梭（glycerol--phosphateshuttle）[部位]腦、骨骼肌[催化酶]磷酸甘油脫氫酶（FAD）[能量生成]經(jīng)呼吸鏈生成1.5個(gè)ATPα-磷酸甘油穿梭機(jī)制2、蘋(píng)果酸-天冬氨酸穿梭（malate-aspartateshuttle）肝、心肌1、-磷酸甘油穿梭部位：腦、骨骼肌磷酸甘油脫氫酶（FAD）能量生成：1.5個(gè)ATP2、蘋(píng)果酸-天冬氨酸穿梭部位：肝、心肌催化酶：蘋(píng)果酸脫氫酶（NAD+）、谷草轉(zhuǎn)氨酶能量生成：2.5個(gè)ATP。

小結(jié)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↑五、影響氧化磷酸化的因素正常生理?xiàng)l件下，ADP是氧化磷酸化的主要調(diào)節(jié)者，ADP則氧化磷酸化。H2O+NAD+NADH+H++

O2

12ADP+PiATP氧化磷酸化Na+-K+ATP酶活性

ATP分解ADP/ATP

氧化磷酸化2、甲狀腺素的作用甲狀腺激素誘導(dǎo)Na+,K+-ATP酶的生成，使ATP分解,因ADP導(dǎo)致氧化。它還使解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)和氧化釋能，產(chǎn)熱。（1）呼吸鏈抑制劑：抑制電子傳遞3、氧化磷酸化抑制劑的作用魚(yú)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×破壞H+的跨膜電位：2，4-二硝基苯酚（磷酸化破壞）

ADP+PiATP

呼吸鏈正常_（2）解偶聯(lián)劑：能夠使氧化過(guò)程與磷酸化過(guò)程脫節(jié)的物質(zhì)稱解偶聯(lián)劑，它對(duì)電子傳遞沒(méi)有抑制作用，但能抑制ADP磷酸化生成ATP的過(guò)程。二硝基苯酚（dinitrophenol,DNP）:脂溶性物質(zhì)，自由通過(guò)內(nèi)膜，將H+帶入基質(zhì),破壞了H+梯度.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+PiATP抑制磷酸化：寡霉素H+從質(zhì)子通道回流

呼吸鏈：跨膜電位質(zhì)子泵（3）氧化磷酸化ATP合酶抑制劑【作用】對(duì)電子傳遞和ADP的磷酸化均有抑制。[舉例]寡霉素:與ATP合酶的F0結(jié)合，破壞H+回流；影響呼吸鏈質(zhì)子泵的功能，抑制電子傳遞。寡霉素(oligomycin)

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1、ADP的調(diào)節(jié)ADP是氧化磷酸化的主要調(diào)節(jié)者2、氧化磷酸化抑制劑的作用（1）呼吸鏈抑制劑：抑制電子傳遞異戊巴比妥：抑制復(fù)合物I的Fe-S蛋白抗霉素A:抑制CytbCytc1(復(fù)合物Ⅲ)的電子傳遞CO、CN-：抑制cytaa3→O2

（2）解偶聯(lián)劑：使氧化磷酸化脫離2,4二硝基苯酚（DNP）：破壞H+梯度（3）ATP合酶抑制劑：抑制ADP的磷酸化和電子傳遞寡霉素：破壞H+回流小結(jié)第四節(jié)

其它氧化體系

一、需氧脫氫酶和氧化酶1、氧化酶：直接利用氧，產(chǎn)物為水，輔基含銅離子。[例]細(xì)胞色素氧化酶，抗壞血酸氧化酶等。2、需氧脫氫酶：以氧為受氫體，產(chǎn)物為H2O2,輔基為FMN、FAD。二、過(guò)氧化物酶體氧化體系過(guò)氧化物酶體是特殊的細(xì)胞器。[部位]肝、腎，中性粒細(xì)胞，小腸粘膜細(xì)胞[作用]含生成和分解H2O2的酶類(lèi)。1、過(guò)氧化氫及超氧離子的作用和毒性[作用]中性粒細(xì)胞中的H2O2可殺死吞噬的細(xì)菌。