生物化学课件-生物氧化

第六章生物氧化BiologicalOxidation物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。此过程需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称细胞呼吸(cellularrespiration)。

生物氧化（biologicaloxidation）的概念

糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能生物氧化的一般过程

物质代谢代谢能量代谢

代谢与能量分解合成产能耗能体内代谢体外燃烧生物氧化

转化物质

能量生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。生物氧化与体外氧化之区别1.

温度：体温，~37度

高温2.

反应温和：酶促,逐步氧化,逐步放能,可调节

反应剧烈：短时间内以光、热能形式放能3.

效率：以高能键储存，40~55%

不能储存，0%4.

CO2来源：有机羧酸脱羧而来

碳和氢直接与氧结合生成。糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoA

TAC2H

呼吸链H2OADP+Pi

ATPCO2

生物氧化的一般过程Ⅰ：分解Ⅱ：氧化分解Ⅲ：氧化磷酸化第一节

生成ATP的氧化体系

TheOxidationSystemofATPProducing定义代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。组成递氢体和电子传递体（2H

2H++2e）一、呼吸链（一）呼吸链的组成四种具有传递电子功能的酶复合体(complex)*泛醌和Cytc

均不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置ⅢⅠⅡⅣCytc

QNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-1.复合体Ⅰ:NADH-泛醌还原酶

功能:

将电子从NADH传递给泛醌

(ubiquinone)

复合体ⅠNADH→→CoQ

FMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。

大多数脱氢酶以NAD+为辅酶少数脱氢酶以NADP+为辅酶以NAD+为辅酶：3-P-GADHLDHPyrDHKGDHMalDH

异CitDH

以NADP+为辅酶：G6PD6PGADHMal酶二者皆可：GluDH以NAD+和NADP+为辅酶的酶FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN•。铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+

Fe3++e反应传递电子。Ⓢ表示无机硫

铁硫蛋白(iron-sulfurprotein

)SS无机硫半胱氨酸硫泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），脂溶性,在膜中可流动。不固定于复合体，呈游离状态。氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。复合体Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH22.

复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌还原酶

功能:

将电子从琥珀酸传递给泛醌

复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3细胞色素细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。

辅基连接类型,aHemeA

非共价aa3含Cu,2位异戊烯链,bHeme

非共价b(b562，566,P450),cHeme

共价C1,C细胞色素血红素中的铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子,属单电子传递体。3.复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c还原酶

功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c

复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c14.复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶

功能：将电子从细胞色素c传递给氧

复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB其中Cyta3

和CuB形成的活性部位将电子交给O2。

由以下实验确定

①标准氧化还原电位

②拆开和重组

③特异抑制剂阻断

④还原状态呼吸链缓慢给氧（二）呼吸链成分的排列顺序还原电位

标准还原电位：E0以标准氢电极为参比电极所得还原电位标准氢电极：

1个白金电极，放入[H+]=1mol/L的溶液E0’：

pH=7时（[H+]=10–7mol/L）还原电位例：乳酸丙酮酸+2H++2e2H++2eH2伏特计读数-0.185，电子流向参比电极还原电位为负值时：偶联对的氧化型（丙酮酸）对电子的亲和力比参比电极的氧化型（H+）小，或者说，偶联对的还原型（乳酸）对电子比参比电极的还原型（H2）具有更大的传递能力。正值：与上相反，电子不易放出。还原电位和呼吸链的顺序呼吸链的顺序：1还原电位还原电位

与电子亲和力

放电子能力

即：还原能力

而氧化能力

低者（负值多）为还原剂，高者为氧化剂负前，正后，按数值排列小

大还原电位和呼吸链的顺序SH2

NAD+

CoQbC1Caa3O2

SucFMNFe•SFADFe•S0.070.04–0.06–0.30–0.320.820.550.290.250.22还原电位和呼吸链的顺序2在体外将呼吸链拆开和重组，鉴定四种复合体的组成与排列。测定重组后的呼吸链传递电子的功能，确定它们各自的排列位置。还原电位和呼吸链的顺序3用抑制剂方法抑制剂阻断呼吸链后

前为还原态，后为氧化态鱼藤酮

阿米妥抗霉素A氰化物,CO

NADH

CoQbC1Caa3O2FMNFe•S还原电位和呼吸链的顺序4吸收光谱细胞色素，FMN，NAD+

还原时有特异的吸收峰，氧化时改变，故可根据各物质的形态排列。在全还原状态下通氧，最先氧化的在后，按氧化的顺序：后氧化组分

先氧化组分1.NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22.琥珀酸氧化呼吸链

琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链电子传递链呼吸链的特点1随着各电子传递体的还原电位

，对电子亲和力

，电子逐步传递到氧，每一次传递都释放能量2各电子传递体以复合体形式存在，按序整合，连续，高速3分布不对称（Mit内膜上）贯穿：NADH脱氢酶偏外：C1，a便于方便地传递H+

偏内：a3

二、氧化磷酸化*定义氧化磷酸化

(oxidativephosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。

底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)

是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。（一）氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ根据自由能变化和P/O比值⊿Gº'=-nF⊿Eº'

自由能变化

ATPADP+PiATP中~P：G0’=–30.5KJ/molG0’=–nFE0’=–296.5E0’令上式=–30.5,则

E0’=0.158NADH

CoQE0’=0.36CoQC1E0’=0.21可合成ATPaa3O2E0’=0.53ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位电子传递链自由能变化

（二）氧化磷酸化的偶联机理1.化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)

电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，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ADP与Pi生成ATP。线粒体基质

线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图化学渗透假说目录ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+Pi

ATPH+H+H+胞液侧基质侧++++++++++---------化学渗透假说详细示意图F1

：体外为ATP酶（水解ATP）

体内与柄，底部构成整体（合成ATP）

5类9亚基，

，MW=371KD

还有一些小肽，IF1（F1抑制物）

为催化亚基,有ATP,ADP,Pi结合位点

X为催化中心（X为小亚基）

参与构成质子通道2.ATP合酶（ATPsynthase）F0：将质子梯度的能量导向F13类亚基，ab2Cn，C亚基数目不一

C亚基的多聚体构成F0的基础也有些小肽如OSCP（寡霉素敏感蛋白）偶联因子6（F6）

ATP合酶ATP合酶ATP合酶结构模式图

F1:(

3β3

δε亚基)F0:(a1b2c9～12亚基)Boyer提出了结合变化机制

亚基变构：

亚基由于

亚基的转动而改变构象，从而改变对ADP及ATP的亲和力在获得能量时：合成ATP，释放ATP

能量：H+顺梯度流向基质时释放ATP合成的机制ATP合成的机制

X

反应中心

X反应中心H+ATP

F1中

亚基的转动模式当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。ATP合酶的工作机制123PiADPATPH+HOHH+H+ATPADPPiATP第三步ATP合成的机制第一步LT第二步O三、影响氧化磷酸化的因素1.呼吸链抑制剂

阻断呼吸链中某些部位电子传递。2.解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：解偶联蛋白3.氧化磷酸化抑制剂

对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素（一）抑制剂鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×抗霉素A二巯基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各种呼吸链抑制剂的阻断位点不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响

解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+Pi

ATP

寡霉素(oligomycin)可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成寡霉素ATP合酶结构模式图ADP

氧化磷酸化

ADP

ADP氧ADP浓线底物底物度粒体

0（二）ADP的调节作用时间（分）ADP的调节作用呼吸链电子传递和ATP生成的偶联关系是相互依赖的。呼吸控制率(respiratorycontrolratio,RCR):加入ADP后的耗氧速率与仅有底物时耗氧速率之比。（三）甲状腺激素使机体耗氧和产热均增加

1.促进Mit的氧化磷酸化，ATP生成

2.甲状腺激素诱导Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。使ATPADP+Pi

总效应：ATP合成

，ATP分解也

表现为氧耗

，产热

甲亢：易热，易喘，情绪激动线粒体DNA(mitochondialDNA)

氧自由基氧化磷酸化

突变

ATP呼吸链及线粒体蛋白质合成mtDNA病线粒体DNA病与衰老有关。–(四)线粒体DNA突变电子传递链及氧化

磷酸化系统概貌ΔμH+跨膜质子电化学梯度；H+m内膜基质侧H+；H+c

内膜胞液侧H+四、ATP高能磷酸键与高能磷酸化合物

高能磷酸键水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，常表示为

P。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物

核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶的作用

ADP+ADPATP+AMP肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。

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机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。五、通过线粒体内膜的物质转运线粒体外膜通透性高，线粒体内膜通透性低，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。

线粒体内膜的主要转运蛋白

（一）胞浆中NADH的氧化胞浆中NADH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。转运机制主要有α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭

(malate-asparateshuttle)1.

α-磷酸甘油穿梭机制

NADH+H+FADH2NAD+FAD

线粒体内膜

线粒体外膜膜间隙

线粒体基质α-磷酸甘油脱氢酶呼吸链磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油脑、骨骼肌2.

苹果酸-天冬氨酸穿梭机制NADH+H+NAD+NADH+H+NAD+谷氨酸-天冬氨酸转运体苹果酸-α-酮戊二酸转运体苹果酸草酰乙酸α-酮戊二酸谷氨酸苹果酸脱氢酶谷草转氨酶胞液线粒体内膜基质呼吸链天冬氨酸肝、心肌

（二）腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白(adeninenucleotidetransporter)

参与ADP与ATP反向转运。ATP4-F0F1胞液侧基质侧腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白ADP3-H2PO4-ATP4-H+H+H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-（三）线粒体蛋白质的跨膜转运外膜表面解折叠

→被位于外膜上的受体识别

→转移到总插入蛋白

→从氨基端开始通过线粒体内、外膜之间的接触位点

→进入线粒体基质→切除导向序列

线粒体蛋白质的跨膜转运核DNA

蛋白质前体

解折叠酶

Mit受体总插入蛋白

接触位点

Mit基质重新插入内膜加工肽酶

成熟蛋白质成熟蛋白质（基质）膜蛋白