第八章生物氧化

1、第二篇 物质代谢与能量转换王伟章王伟章 博士博士/ /讲师讲师生物化学与分子生物学系生物化学与分子生物学系Wei-Wei-第八章 生物氧化Biological Oxidation主要内容主要内容第一节第一节 概概 述述第二节第二节 线粒体氧化体系线粒体氧化体系第三节第三节 非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系一、生物氧化的基本概念生物氧化：生物氧化： 物质在物质在生物体内生物体内进行的进行的氧化分解氧化分解称称生物生物氧化氧化（biological oxidation），主要指糖、），主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成最终生成CO2

2、和和 H2O的过程。的过程。生物氧化的一般过程糖原糖原 甘油三酯甘油三酯蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP 氧化磷酸化氧化磷酸化二、生物氧化的特点1. 生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化与体外氧化之相同点l生物氧化中物质的氧化方式有生物氧化中物质的氧化方式有加氧加氧、脱氢脱氢、失电子失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。，遵循氧化还原反应的一般规律。l物质在物质在体内氧化体内氧化和和体外氧化体外氧化时所消耗的氧时所消耗的氧量、最终产物（量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均）和释放能量均相同相同。二、生物氧化的特点

3、2. 生物氧化与体外氧化的区别生物氧化与体外氧化的区别l 反应条件温和：体温、反应条件温和：体温、pH近中性、常压；近中性、常压；l 在酶催化下逐步进行，能量逐步释放，有利于机在酶催化下逐步进行，能量逐步释放，有利于机体捕获能量生成体捕获能量生成ATP；l 生物氧化的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，生物氧化的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢及产生更多还原当量的机会；并增加脱氢及产生更多还原当量的机会；l 底物脱下的氢与氧结合生成底物脱下的氢与氧结合生成H2O ；CO2通过有机通过有机酸脱羧生成。酸脱羧生成。主要内容主要内容第一节第一节 概概 述述第二节第二节 线粒体氧化体系线粒体氧化

4、体系第三节第三节 非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系呼吸链的概念：呼吸链的概念： 代谢物分子中的代谢物分子中的氢氢先经脱氢酶激活而脱出，脱先经脱氢酶激活而脱出，脱下的氢再经一个或几个中间下的氢再经一个或几个中间传递体传递体按一定的顺序传按一定的顺序传递，最终与分子氧结合成水。在生物氧化体系中，递，最终与分子氧结合成水。在生物氧化体系中，传递氢的酶或辅酶称为递氢体，传递电子的酶或辅传递氢的酶或辅酶称为递氢体，传递电子的酶或辅酶称为电子传递体，它们按一定的顺序排列在线粒酶称为电子传递体，它们按一定的顺序排列在线粒体内膜上，组成递氢或递电子体系，统称为体内膜上，组成递氢或递电子体系，统称为电子传电子传

5、递链（递链（electron transfer chain）。该体系进行的。该体系进行的一系列连锁反应是与细胞摄取氧的呼吸过程相关，一系列连锁反应是与细胞摄取氧的呼吸过程相关，故又称为故又称为呼吸链（呼吸链（respiratory chain）。u 呼吸链的组成：呼吸链的组成： 递氢体递氢体和和递电子体递电子体（ 2H 2H+ + 2e- ）呼吸链的发现去污剂处理去污剂处理丢弃外膜碎片丢弃外膜碎片内膜碎片内膜碎片渗透破裂渗透破裂离子交换层析分离离子交换层析分离分离组分体外催化反应分离组分体外催化反应一、呼吸链的主要组分复合体酶名称质量(kD)多肽链数功能辅基含结合位点复合体NADH-泛醌还原酶

6、85039FMN，Fe-SNADH（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体II琥珀酸-泛醌还原酶1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体III泛醌-细胞色素c还原酶25011血红素bL, bH, c1,Fe-SCyt c（膜间隙侧）细胞色素c131血红素cCyt c1，Cyt a复合体IV细胞色素c氧化酶16213血红素a，a3，CuA, CuBCyt c（膜间隙侧） 泛醌不包含在上述四种复合体中。泛醌不包含在上述四种复合体中。呼吸链的组成 Cytcox NADH+H+ NAD+ 1/2O2+2H+ H2O 膜间隙膜间隙基质基质 线粒体内膜线粒体内膜 QH2 Q 延胡索酸延胡

7、索酸 琥珀酸琥珀酸 QH2 Q 4H+4H+4H+4H+Cytcox Cytcred Cytcred 4H+4H+电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置一、呼吸链的主要组分（一）尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（一）尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）或称辅酶或称辅酶（Co）R=H: NAD+ R=H2PO3: NADP+尼克尼克酰胺酰胺（维生素（维生素PPPP）腺苷腺苷RNAD+和NADP+的作用反应式：反应式：NAD+(NADP+) + 2H+ +2e- NADH(NADPH) + H+2H+HH+（NAD+或或NADP+）（NADH或或NADPH）一、呼吸链的主

8、要组分（二）黄素蛋白（二）黄素蛋白-磷酸核糖磷酸核糖异咯嗪异咯嗪（黄素单核苷酸，（黄素单核苷酸，FMNFMN）腺苷腺苷（黄素腺嘌呤二核苷酸（黄素腺嘌呤二核苷酸,FAD,FAD）核黄素核黄素( (VitVit B B2 2) )（FMNFMN）H+e-H+. .H+e-HH-FMN和FAD的功能反应式：反应式：FMN（FAD） + 2H+ +2e- FMNH2（FADH2）（FMN或或FAD）R一、呼吸链的主要组分（三）铁硫蛋白（三）铁硫蛋白FeFe2S2Fe4S4Fe2+ Fe3+ + e- Fe-S中心属于单电子传递体中心属于单电子传递体。一、呼吸链的主要组分（四）泛醌（四）泛醌泛醌泛醌（醌

9、型或氧化型）（醌型或氧化型）泛醌泛醌H H （半醌型）（半醌型）二氢泛醌二氢泛醌（氢醌型或还原型）（氢醌型或还原型）泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q, Q, CoQCoQ, Q, Q）由多个异戊二烯连接形）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人成较长的疏水侧链（人CoQ10CoQ10），氧化还原反应），氧化还原反应时可生成中间产物时可生成中间产物半醌型泛醌半醌型泛醌。一、呼吸链的主要组分（五）细胞色素体系（五）细胞色素体系 细胞色素细胞色素(cytochrome, Cyt)是一类以是一类以铁卟铁卟啉为辅基的催化电子传递的蛋白啉为辅基的催化电子传递的蛋白，根据它，根据它们吸收光谱不同们吸收光谱不同分为三

10、大类，即细胞色素分为三大类，即细胞色素a、b、c（Cyt a、Cyt b、Cyt c）等）等。细胞色细胞色素体系各辅基中的铁可以得失电子进行可素体系各辅基中的铁可以得失电子进行可逆的氧化还原反应，因此起到传递电子的逆的氧化还原反应，因此起到传递电子的作用，为单电子递体。作用，为单电子递体。细胞色素血红素血红素a a辅基辅基血红素血红素b b辅基辅基血红素血红素c c辅基辅基二、呼吸链中传递体的排列顺序u 理论依据理论依据l标准氧化还原电位标准氧化还原电位u 实验依据实验依据l拆开和重组拆开和重组l特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断l还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧NADH复合体复合体IC

11、oQ复合体复合体IIICyt c复合体复合体IVO2琥珀酸琥珀酸复合体复合体II二、呼吸链中传递体的排列顺序复合物复合物：FMN，Fe-SN-1a，b Fe-SN-4 Fe-SN-3 Fe-SN-2复合物复合物：FAD Fe-Ss-1 Fe-Ss-2 b560 Fe-Ss-3复合物复合物：b562，b566，Fe-S，C1复合物复合物：CuA a a3 CuBNADH+H+ NAD+ FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2复合体的功能 膜间隙膜间隙基质基质线粒体内膜线粒体内膜核黄素核黄素/ /铁硫蛋白铁硫蛋白NADH+H+NAD+复合体II的功能膜间隙膜间隙基质

12、基质线粒体内膜线粒体内膜琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸复合体III的组成铁硫蛋白铁硫蛋白膜间隙膜间隙基质基质线粒体内膜线粒体内膜复合体的电子传递过程膜间隙膜间隙基质基质线粒体内膜线粒体内膜（底物）（底物）（泵）（泵）三、主要的呼吸链 根据呼吸链四个复合体的传递顺序，根据呼吸链四个复合体的传递顺序，线粒体内主要的呼吸链有两条线粒体内主要的呼吸链有两条：uNADH氧化呼吸链氧化呼吸链uFADH2氧化呼吸链氧化呼吸链三、主要的呼吸链（一）（一）NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH氧化呼吸链是由氧化呼吸链是由NADH、黄素蛋白、黄素蛋白、铁硫蛋白、铁硫蛋白、UQ和细胞色素组成。和细胞色素组成。三、主要的

13、呼吸链（二）（二）FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链由黄素蛋白（以氧化呼吸链由黄素蛋白（以FAD为为辅基）、辅基）、UQ和细胞色素组成。和细胞色素组成。四、ATP的生成、利用与储存（一）高能化合物和高能磷酸化合物（一）高能化合物和高能磷酸化合物u高能磷酸键高能磷酸键：水解时释放的能量大于：水解时释放的能量大于21kJ/mol（ATP）的磷酸酯键，常表示为）的磷酸酯键，常表示为 P。u高能磷酸化合物高能磷酸化合物：含有高能磷酸键的化合物。：含有高能磷酸键的化合物。u高能化合物高能化合物：化合物水解时释放的能量：化合物水解时释放的能量等于等于或大于或大于ATP水解生成水解生成ADP

14、的标准自由能变化的标准自由能变化的化合物的化合物称为高能化合物。称为高能化合物。四、ATP的生成、利用与储存（二二） ATP的生成的生成体内体内ATPATP的生成有两种方式：的生成有两种方式：u底物水平磷酸化底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation）u氧化磷酸化氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）四、ATP的生成、利用与储存（二二） ATP的生成的生成1.1.底物水平磷酸化底物水平磷酸化: :底物分子内部能量重新分底物分子内部能量重新分布形成高能磷酸键并伴有布形成高能磷酸键并伴有ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP的作用

15、的作用。1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 + ADP3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 + ATP3-磷酸甘磷酸甘油酸激酶油酸激酶四、ATP的生成、利用与储存（二二） ATP的生成的生成2.2.氧化磷酸化氧化磷酸化: :代谢物脱氢经呼吸链传递给氧生成代谢物脱氢经呼吸链传递给氧生成水的同时，释放能量用以使水的同时，释放能量用以使ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP。（1）氧化磷酸化的耦联部位：根据测定不同作用物）氧化磷酸化的耦联部位：根据测定不同作用物经呼吸链氧化的经呼吸链氧化的P/O比值，可大致推导出耦联部位。比值，可大致推导出耦联部位。 P/O比值是指每消耗比值是指每消耗1mol氧原子所需消耗

16、无机磷氧原子所需消耗无机磷的摩尔数的摩尔数。NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2b b-羟丁酸羟丁酸某些底物进行氧化磷酸化时的磷氧比值P/O=3P/O=2P/O=1Vit CNADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2氧化磷酸化的偶联部位ATPATP ATP四、ATP的生成、利用与储存（二二） ATP的生成的生成2.2.氧化磷酸化氧化磷酸化（2）氧化磷酸化的机制：）氧化磷酸化的机制：Peter Mitchell于于1961年年创立的创立的化学渗透学说（

17、化学渗透学说（chemiosmotic theory）。 要点：电子经呼吸链传递时，可将质子要点：电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线从线粒体内膜的基质侧泵到膜间隙，产生膜内外质子电粒体内膜的基质侧泵到膜间隙，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。化学渗透假说简单示意图线粒体基质线粒体基质 线粒体内膜线粒体内膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 膜间隙膜间隙 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H

18、+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 4H+ 2H+ 4H+ 膜间隙膜间隙 基质基质 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化学渗透假说电子传递过程电子传递过程复合体复合体 (4H+) 、 (4 H+)和和 (2H+)有质子泵功能有质子泵功能。电子传递与氧化磷酸化（动画）电子传递与氧化磷酸化（动画）ATP合酶的结构组成F1：亲水部分：亲水部分 （动物：（动物：33亚基复合体，亚基复合体，OSCP、IF1 亚基），亚基），线粒体内膜的基质侧颗线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，粒状突起，催化催化ATP合合成成。 F0：疏水部分：疏水部分（ab2c9

19、12亚基，动物还有其他辅亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成体内膜中，形成跨内膜跨内膜质子通道质子通道 。四、ATP的生成、利用与储存（二二） ATP的生成的生成2.2.氧化磷酸化氧化磷酸化（3）氧化磷酸化的调控：）氧化磷酸化的调控：ADP的含量：的含量：当机体利用当机体利用ATP增多，增多，ADP浓度升浓度升高，转运入线粒体后使氧化磷酸化的速度加快；反高，转运入线粒体后使氧化磷酸化的速度加快；反之之ADP不足，氧化磷酸化的速度减慢。不足，氧化磷酸化的速度减慢。四、ATP的生成、利用与储存（二二） ATP的生成的生成2.2.氧化磷酸化氧化磷酸化（3 3）氧

20、化磷酸化的调控：）氧化磷酸化的调控：氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂l 呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂l 解偶联剂解偶联剂l 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂呼吸链抑制剂作用位点NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2鱼藤酮、粉蝶霉鱼藤酮、粉蝶霉素素A A、异戊巴比妥、异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 COCO、CNCN- -、N N3 3- -及及H H2 2S S萎锈灵萎锈灵解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）Cyt cQ膜间隙膜间隙 基质基质 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能ADP+Pi ATP 寡霉素

21、抑制ATP合酶示意图 寡霉素可阻寡霉素可阻止质子从止质子从 F0 质质子通道回流，抑子通道回流，抑制制ATP生成。生成。寡霉素寡霉素化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响寡霉素寡霉素DCCP解偶联剂解偶联剂2，4-二硝基酚二硝基酚鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A异戊巴比妥异戊巴比妥汞制剂汞制剂杜冷丁杜冷丁萎锈灵萎锈灵噻吩甲酰噻吩甲酰三氟丙酮三氟丙酮抗霉素抗霉素ACN-N3-CO质子质子梯度梯度四、ATP的生成、利用与储存（二二）ATP的的生成生成2.2.氧化磷酸化氧化磷酸化（3）氧化磷酸化的调控：）氧化磷酸化的调控：甲状腺素：甲状腺素：u 甲状腺

22、素诱导细胞膜甲状腺素诱导细胞膜Na+,K+-ATP酶合成，使酶合成，使ATP加速分解为加速分解为ADP和和Pi。u 甲状腺素诱导解偶联蛋白基因表达，引起物质氧甲状腺素诱导解偶联蛋白基因表达，引起物质氧化释能和产热增加，化释能和产热增加，ATP合成减少。合成减少。四、ATP的生成、利用与储存（二二）ATP的的生成生成2.2.氧化磷酸化氧化磷酸化（3）氧化磷酸化的调控：）氧化磷酸化的调控：线粒体线粒体DNA突变：线粒体突变：线粒体DNA主要携带呼吸链相主要携带呼吸链相关蛋白基因，但该关蛋白基因，但该DNA缺乏蛋白质的保护和基因损缺乏蛋白质的保护和基因损伤修复机制。当线粒体伤修复机制。当线粒体DNA

23、受损时会导致受损时会导致ATP合成合成减少而引起疾病。如帕金森症、老年性痴呆等退行减少而引起疾病。如帕金森症、老年性痴呆等退行性疾病的发生就与线粒体性疾病的发生就与线粒体DNA的损伤有关。的损伤有关。四、ATP的生成、利用与储存（三）（三）ATP的利用和储存的利用和储存ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 机械能机械能(肌肉收缩肌肉收缩)渗透能渗透能(物质主动转运物质主动转运) 化学能化学能(合成代谢合成代谢)电能电能(生物电生物电)热能热能(维持体温维持体温)生物体内能量的储存和生物体内能量的储存和利用都以利用都以ATP为中心。为中心

24、。+NDP核苷二磷核苷二磷酸激酶酸激酶NTP+ADP五、胞液中NADH的氧化 胞浆中胞浆中NADH必须经一定转运机制进入必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。转运机制：转运机制：l-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle) 主要存在于脑和骨骼肌中主要存在于脑和骨骼肌中l苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle) 主要存在于肝和心肌中主要存在于肝和心肌中 FADH2 NAD+ FAD 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间隙膜间隙 线粒体线粒体 基

25、质基质 NADH+H+ -磷酸甘油磷酸甘油 脱氢酶脱氢酶 呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O-磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭NAD+ -OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH +H+ NAD+ 谷氨酸谷氨酸-天冬氨酸天冬氨酸 转运体转运体苹果酸苹果酸-酮酮 戊二酸转运体戊二酸转运体 -OOC-CH2-C-COO-OHH苹果酸苹果酸 -OOC-CH2-C-COO-O草酰乙酸草酰乙酸 -OOC-CH2-CH2-C

26、-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-酮戊二酸酮戊二酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H谷氨酸谷氨酸 NADH +H+ 苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 谷草转谷草转 氨酶氨酶 线线粒粒体体内内膜膜 基质基质 呼吸链呼吸链 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H天冬氨酸天冬氨酸 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 膜间隙膜间隙 主要内容主要内容第一节第一节 概概 述述第二节第二节 线粒体氧化体系线粒体氧化体系第三节第三节 非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系一、微粒体氧化体系（一）双加氧酶（一）双加氧酶 催化催化2个氧原子直接加到底物分子特定个氧原子直接加到底物分子特定的双键上，使该底物分子分解成两部分的双键上，使该底物分子分解成两部分。一、微粒体氧化体系（二）单加氧酶（二）单加氧酶 催化分子氧中催化分子氧中2个氧原子分别进行不同个氧原子分别进行不同的反应，其分子氧中的一个氧原子加到底的反应，其分子氧中的一个氧原子加到底物分子上，而另一个氧原子则与还原型辅物分子上，而另一个氧原子则与还原型辅酶酶II上的两个质子作用生成水上的两个质子作用生成水。RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP + H2