医学生物化学第八章

1、1 第八章第八章 生物氧化生物氧化 （ biological oxidation) 有机物在体内彻底氧化产生有机物在体内彻底氧化产生H2OCO2 以以ATP 形式保存形式保存 能量能量 维持体温维持体温2 本章主要内容本章主要内容1. 生物氧化的概念、参与生物氧化的酶类生物氧化的概念、参与生物氧化的酶类2. 线粒体氧化系统：呼吸链的概念、组成；线粒体氧化系统：呼吸链的概念、组成；3. 氧化磷酸化的概念、氧化磷酸化偶联部位、氧化磷酸化的概念、氧化磷酸化偶联部位、 氧化磷酸化偶联机制、氧化磷酸化影响因氧化磷酸化偶联机制、氧化磷酸化影响因 素、氧化磷酸化的抑制剂、素、氧化磷酸化的抑制剂、33. AT

2、P中高能磷酸键的来源方式、中高能磷酸键的来源方式、ATP的的 储存储存 。4. 线粒体外线粒体外NADH的氧化：磷酸甘油穿梭的氧化：磷酸甘油穿梭 系统、苹果酸系统、苹果酸-天冬氨酸穿梭系统。天冬氨酸穿梭系统。5. 微粒体及其他氧化体系：加单氧酶反微粒体及其他氧化体系：加单氧酶反 应体系的概念、组成、作用机理、生理应体系的概念、组成、作用机理、生理 意义；过氧化氢与自由基。意义；过氧化氢与自由基。4 生物氧化的概念生物氧化的概念一、生物氧化的概念一、生物氧化的概念 1. 定义定义2. 生物氧化大致可分为三个阶段生物氧化大致可分为三个阶段（1）糖、脂、蛋白质分解成其构件分子）糖、脂、蛋白质分解成其

3、构件分子（2） 生成乙酰生成乙酰CoA（3） 乙酰乙酰CoA进入三羧酸循环及进入三羧酸循环及 氧化磷酸化氧化磷酸化5糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂肪酸脂肪酸 甘油甘油 氨基酸氨基酸TCA cycleHe（进（进 入入 呼呼 吸吸 链链 ）生成生成H2O 及释及释 放放 出出 能能 量量乙乙 酰酰CoACO26 (1) 失电子失电子 Fe2+ Fe3+e (2) 脱氢脱氢 CH2-COOH CHCOOH CH2-COOH CHCOOH 1. 氧化反应：氧化反应： FAD FADH2 二、生物氧化中物质氧化还原的方式二、生物氧化中物质氧化还原的方式： 3. 生物氧化的生物氧化的 特

4、特 点点7(1) 得电子得电子 Fe3+e Fe2+ (2) 加氢加氢 CH3CO COOH CHCHOHCOOH NADH+H+ NAD +2. 还原反应：还原反应：8 Fe2+ Fe3+e e还原剂还原剂氧化剂氧化剂* 还原当量还原当量 H H+ + e* 氧化还原反应通常是偶联的氧化还原反应通常是偶联的 还原剂：还原剂： 供氢体、供电子体供氢体、供电子体 氧化剂：氧化剂： 受氢体、受电子体受氢体、受电子体* 递氢体、递电子体递氢体、递电子体9三、标准氧化还原电位与自由能变化三、标准氧化还原电位与自由能变化1.标准氧化还原电位（标准氧化还原电位（E0） 表示还原剂丢失电子的趋势大小，表示还

5、原剂丢失电子的趋势大小，氧化剂得电子的趋势小大，可推测电氧化剂得电子的趋势小大，可推测电子流动的方向子流动的方向 * 电子从电子从E0值小流向值小流向E0值大的值大的102. 自由能变化自由能变化 * 自由能：指常温下能够做功的能量，自由能：指常温下能够做功的能量， 它可转变为化学能，机械能等。它可转变为化学能，机械能等。* G0 为标准自由能变化，为标准自由能变化， ( 1atm, 25, S与与P= 1mol/L )*G0 为为 pH = 7 时标准自由能变化时标准自由能变化*G0 = - nFE0*G为化学反应中为化学反应中S转变为转变为P时自由时自由 能的变化能的变化11ADPADP+

6、Pi+PiATPATP内膜内膜嵴嵴外膜外膜基质基质膜间隙膜间隙F F0 0F F1 1内膜内膜基质基质第一节第一节 生成生成ATP的氧化体系的氧化体系 线粒体氧化体系线粒体氧化体系线粒体线粒体12 1)线粒体内膜含有线粒体内膜含有 电子传递链电子传递链 膜运输系统膜运输系统 ATP合酶合酶 琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 2)线粒体基质含有线粒体基质含有 三羧酸循环的酶三羧酸循环的酶 丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶 脂肪酸氧化酶等脂肪酸氧化酶等13 球状头部球状头部: 含催化含催化ATP合成的合成的 活性中心活性中心 F1 柄柄: 调节质子流动及调节质子流动及ATP 合成的作用合成的作用F0 含质子通道含

7、质子通道3) F1- F0复合体复合体14F F1 1质子闸门质子闸门线粒体内膜线粒体内膜ATPATP合酶合酶OSCPOSCPF F0 015 一、一、 呼吸链呼吸链 1 概念概念 线粒体内膜上的递氢体或电子传递体线粒体内膜上的递氢体或电子传递体 按一定的次序排列而构成的反应链称电按一定的次序排列而构成的反应链称电 子传递链，因与细胞摄取氧的呼吸过子传递链，因与细胞摄取氧的呼吸过 程有关，又称为呼吸链。代谢物脱下的程有关，又称为呼吸链。代谢物脱下的 氢经电子传递链进行一系列氧化还原连氢经电子传递链进行一系列氧化还原连 锁反应，最终氧化为水锁反应，最终氧化为水16*4种复合物组成种复合物组成2种

8、主要呼吸链种主要呼吸链172. 呼吸链中的电子传递体呼吸链中的电子传递体 复合物复合物 NADH-Q 还原酶还原酶 复合物复合物 琥珀酸琥珀酸-Q还原酶还原酶 复合物复合物 Q-CytC 还原酶还原酶 复合物复合物 CytC 酶酶 3. 呼吸链的类型：呼吸链的类型： NADH 氧化呼吸链氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链18（NADH-Q 还原酶）还原酶）NADH FMN 还原型还原型 Fe-S QNAD+ FMNH2 氧化型氧化型 Fe-S QH2 (一一) 呼吸链的组成呼吸链的组成 （1）复合物）复合物，为，为NADH-Q 还原酶，还原酶， 是黄素蛋白复合物是黄素蛋白复合物(含含

9、Fe-S 蛋白蛋白)191. 黄素蛋白类黄素蛋白类 （ flavoproteins） NADH 脱氢酶脱氢酶 ( FMN ) 琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 ( FAD )黄素酶黄素酶* 辅酶辅酶 FMN 或或FAD为为双电子传递体双电子传递体20* 铁硫蛋白为铁硫蛋白为单电子传递体单电子传递体 ( Fe2+ Fe3+)-e+e 2. 铁硫蛋白铁硫蛋白 ( Fe-S ) （iron-sulfur protein） （含有非血红素铁和对酸不稳定的硫含有非血红素铁和对酸不稳定的硫 ）21 3. 泛醌（泛醌（ubiquinone , Q） 又称辅酶又称辅酶Q （Coenzyme Q , CoQ）22 1）

10、是）是双电子传递体双电子传递体 2）不与蛋白结合的）不与蛋白结合的游离存在的电子载体游离存在的电子载体 3）是复合物）是复合物、之间的连接者，之间的连接者， 是多种底物的电子进入呼吸链的中心点是多种底物的电子进入呼吸链的中心点*泛醌的特点泛醌的特点23 A AH2 FAD FADH2 氧化型（氧化型（Fe-S ） 还原型（还原型（Fe-S） Q QH2 （2）复合物）复合物 琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶24 复合物复合物 泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶 * 含细胞色素含细胞色素b、c、c1，铁硫蛋白铁硫蛋白 以及至少以及至少6种蛋白质亚基种蛋白质亚基25* 细胞色素细胞色素 （

11、cytochromos,cyt）1）是一类含铁卟啉辅基的色素蛋白）是一类含铁卟啉辅基的色素蛋白2）是）是单电子传递体单电子传递体 ( Fe2+ Fe3+)3）Cytb、c1、c、a属不需氧脱氢酶。属不需氧脱氢酶。 Cyta3属氧化酶属氧化酶 4）各种细胞色素不同点在于）各种细胞色素不同点在于 铁卟啉辅基侧链不同铁卟啉辅基侧链不同 铁卟啉辅基与酶蛋白连接方式不同铁卟啉辅基与酶蛋白连接方式不同265678432127 复合物复合物 细胞色素细胞色素C 氧化酶氧化酶 由由Cyta、 a 3 (Cyta与与Cyt a 3紧密结紧密结 合于同一蛋白质的不同区域，不易分离合于同一蛋白质的不同区域，不易分离

12、) 及与两种不同的蛋白质结合的铜离子及与两种不同的蛋白质结合的铜离子 CuA、 CuB组成组成 28 (二二) 呼吸链组分的排列顺序呼吸链组分的排列顺序29 * 此排列顺序的依据此排列顺序的依据 1. 根据各组分的标准氧化还原电位值：根据各组分的标准氧化还原电位值：NADH O2E0 受电子能力受电子能力供电子能力供电子能力30313. 利用阻断剂阻断电子传递分析各组分利用阻断剂阻断电子传递分析各组分 的氧化还原状态的氧化还原状态4. 复合物复合物 、 、 和和 按不同组合按不同组合 进行电子传递再造实验进行电子传递再造实验3233 *几种重要代谢物氧化的呼吸链几种重要代谢物氧化的呼吸链 1.

13、 由由NAD传递经传递经NADH氧化呼吸链氧化呼吸链苹果酸苹果酸异柠檬酸异柠檬酸丙酮酸丙酮酸-酮戊二酸酮戊二酸-羟丁酸羟丁酸 -羟脂酰羟脂酰CoA342. 由由FAD传递经琥珀酸氧化呼吸链传递经琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 脂酰脂酰CoA 线粒体内的线粒体内的-P-甘油甘油 35*产生能量产生能量ADP ATP吸能反应利用吸能反应利用热能热能 维持体温维持体温36373839402. 2. 自由能变化自由能变化 GG0 0= -= -n nF FEE0 0 当电子从当电子从NADHNADH（E E0 0=-0.32v=-0.32v）转移到转移到O O2 2(E(E0 0=+0.82v)=+0

14、.82v)时时 GG0 0= -= -2 2 96.696.6 0.82-(-0.320.82-(-0.32)= -220 kJ/mol)= -220 kJ/mol NADH Q NADH Q G G0 0= -69.4 kJ/mol= -69.4 kJ/mol Cytb Cytc Cytb Cytc G G0 0= -34.7 kJ/mol = -34.7 kJ/mol Cytaa Cytaa3 3 O O2 2 G G0 0= - 102.3 kJ/mol= - 102.3 kJ/mol41kJ/molkJ/molkJ/molkJ/mol=41%=41% kJ/molkJ/mol220 k

15、J/mol220 kJ/mol4243控制质子通过的阀门作用控制质子通过的阀门作用与膜相组成与膜相组成酶的调节部分酶的调节部分44 寡霉素敏感相关蛋白寡霉素敏感相关蛋白 （oligomycin sensitivity conferring protein, OSCP) 在在 寡霉素敏感寡霉素敏感45F F1 1质子闸门质子闸门线粒体内膜线粒体内膜ATPATP合成酶合成酶OSCPOSCPF F0 04647NADHNADH+H+H+ +NADNAD+ +H H+ +H H+ +H H+ +H H+ +1/2O1/2O2 2HOHO2 2PHPH梯度梯度电位差电位差内侧内侧Q QC C外侧外侧F

16、F1 1F F0 0ATPATP合合成酶成酶ADP+PiADP+PiATP+HATP+H2 2O OH H+ +鱼藤酮，阿密妥鱼藤酮，阿密妥抗霉素抗霉素A AH H2 2S S，COCO，CNCN- -，N N3 3- -H H+ +H H+ +解偶联剂解偶联剂2 2，4-4-二硝基苯酚二硝基苯酚寡霉素寡霉素48NADH Q Cytb Cytc1Cytaa3 O2鱼藤酮鱼藤酮阿密妥阿密妥抗酶素抗酶素A氰化物氰化物H2SCON3-49氧化与磷酸化分离氧化与磷酸化分离5051 2 ADP的调节作用 呼吸控制率（RCR)52 3. 3. 甲状腺激素甲状腺激素 使使 NaNa+ +-K-K+ + AT

17、P ATP酶活性酶活性 ATP ADPATP ADP+53 4 线粒体DNA突变54H2O+CO2 ATP有机物氧化有机物氧化 产能产能O2 ADP+Pi生物大分子生物大分子 合成合成主动主动运输运输肌肉肌肉收缩收缩遗传信遗传信息传递息传递5556例如例如：57 HN P CNH NCH3 CH2COOHADP NH2 CNH NCH3 CH2COOHATP58肌酸肌酸: : 由由ArgArg、GlyGly、SAMSAM在肝内合成，在肝内合成， 肌肉及脑内含量丰富肌肉及脑内含量丰富59 GDP GTP GDP GTPATP + UDP ADP + UTP ATP + UDP ADP + UTP

18、 CDP CTP CDP CTP 核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶6061NADH+H+ NAD +A AH2 A AH2 胞浆胞浆线粒体线粒体H通过通过递氢体递氢体 进入呼进入呼吸链吸链62胞浆中产生的胞浆中产生的NADH+H+63线粒体内与胞浆中线粒体内与胞浆中-P-甘油脱氢酶甘油脱氢酶 的辅酶是不同的的辅酶是不同的分分 子子64 胞浆中胞浆中-P-甘油脱氢酶甘油脱氢酶 线粒体内线粒体内-P-甘油脱氢酶甘油脱氢酶65 二、二、 苹果酸天冬氨酸穿梭苹果酸天冬氨酸穿梭 特点：特点： 1. 线粒体内与胞浆中苹果酸脱氢酶线粒体内与胞浆中苹果酸脱氢酶 的辅酶都是的辅酶都是NAD+ 2. NADH+H+进

19、入线粒体后进入进入线粒体后进入NADH 氧化呼吸链产生氧化呼吸链产生3分子分子ATP 3. 主要存在于肝、心肌组织中。主要存在于肝、心肌组织中。 6667一、需氧脱氢酶和氧化酶一、需氧脱氢酶和氧化酶（一）（一） 氧化酶类氧化酶类 （oxidases） 特点：特点： 使氧活化，使氧活化， 受氢体：受氢体： 氧是唯一的受氢体氧是唯一的受氢体 产物之一是产物之一是H2O 分子中含分子中含Cu68 AH2 A 2Cu2+ 2Cu+ O2- 1/2O2 H2O 2H+ 属氧化酶主要有：细胞色素氧化酶、属氧化酶主要有：细胞色素氧化酶、 酚氧化酶、酚氧化酶、 抗坏血酸氧化酶等抗坏血酸氧化酶等 69（二）需氧

20、脱氢酶（二）需氧脱氢酶 （aerobic dehydrogenase） 特点：特点： 使作用物氢活化，使作用物氢活化， 受氢体：除氧以外还有其他试剂受氢体：除氧以外还有其他试剂 产物之一是产物之一是H2O270FMN(FAD) AH O2FMNH2( FADH2)AH2O2属需氧脱氢酶属需氧脱氢酶 ：L-氨基酸氧化酶、氨基酸氧化酶、 黄嘌呤氧化酶、黄嘌呤氧化酶、 单胺氧化酶等单胺氧化酶等71二、过氧化物酶体中的酶类二、过氧化物酶体中的酶类1.过氧化氢酶过氧化氢酶(catalase)（触酶）（触酶） 辅基辅基 4个血红素个血红素2H2O2 H2O+O2 过氧化氢酶过氧化氢酶72 2、过氧化物酶（

21、、过氧化物酶（peroxidase） 辅基辅基 血红素血红素 H2O2+AH2 H2O+AO过氧化物酶过氧化物酶H2O2+2GSH GSSG + H2O 谷胱甘肽过氧化物酶谷胱甘肽过氧化物酶 GSSG +NADPH+H+ 2GSH+NADP+谷胱甘肽还原酶谷胱甘肽还原酶73 三、三、 超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶 （superoxide dimutase, SOD） 催化反应：催化反应： 总反应为：总反应为：74四、微粒体中的氧化酶类四、微粒体中的氧化酶类 1 1、加单氧酶、加单氧酶 这类酶催化一个氧原子加到底物分子这类酶催化一个氧原子加到底物分子上，另一个氧原子被氢还原成水，故又称上，另一个

22、氧原子被氢还原成水，故又称混合功能氧化酶混合功能氧化酶 (mixed function oxidase)或羟化酶或羟化酶(hydroxylase)通式：通式： RH+NADPH+H+O2 ROH+NADP+H2O 75 (1) 加单氧酶加单氧酶体系体系的组成的组成 细胞色素细胞色素P450 NADPH-P450还原酶还原酶 Fe2S2 及及Cyt b576 1) 细胞色素细胞色素P450 辅基辅基: 血红素。血红素。 作用：激活氧作用：激活氧, 将激活的氧加入底物，将激活的氧加入底物， 使底物羟化。使底物羟化。 2) NADPH-细胞色素细胞色素P450还原酶还原酶 (属黄素酶属黄素酶) 辅基辅基: FAD 作用：催化作用：催化NADPH及及P450之间的电子之间的电子 传递传递 3) Fe2S2 及及Cyt b5 传递电子传递电子77(2) (2) 作用机制作用机制 78(3) 生理作用生理作用 1） 代谢物生成时催化羟化反应代谢物生成时催化羟化反应 胆固醇胆固醇VitD31,25(OH) D3羟化羟化胆汁酸胆汁酸羟化羟化肾上腺皮质激素肾上腺皮质激素羟化羟化羟化羟化性激素性激素792）药物代谢过程中的羟化作用