生物化學(xué)和分子生物學(xué)：第六章 生物氧化

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1、The biochemistry and molecular biology department of CMU第二篇第二篇 物質(zhì)代謝及其調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝及其調(diào)節(jié)第一階段第一階段 三大營養(yǎng)物質(zhì)在消化道內(nèi)降解三大營養(yǎng)物質(zhì)在消化道內(nèi)降解第二階段第二階段 三大營養(yǎng)物質(zhì)的基本組成單位降解為乙酰輔酶三大營養(yǎng)物質(zhì)的基本組成單位降解為乙酰輔酶A 第三階段是三大營養(yǎng)物質(zhì)的共同通路第三階段是三大營養(yǎng)物質(zhì)的共同通路The biochemistry and molecular biology department of CMU第六章第六章 生物氧化生物氧化物 質(zhì) 在 生 物 體 內(nèi) 進(jìn) 行 氧 化 稱物 質(zhì) 在 生 物

2、 體 內(nèi) 進(jìn) 行 氧 化 稱 生 物 氧 化生 物 氧 化(biological oxidation)，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時(shí)逐步釋放能量，最終生成等在體內(nèi)分解時(shí)逐步釋放能量，最終生成CO2 和和 H2O的過程。的過程。糖糖 脂肪脂肪 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP熱能熱能生物氧化的概念生物氧化的概念 生物氧化與體外氧化之相同點(diǎn)生物氧化與體外氧化之相同點(diǎn)生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應(yīng)脫氫、失電子，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。的一般規(guī)律。質(zhì)在體內(nèi)外氧化時(shí)所消耗的氧

3、量、質(zhì)在體內(nèi)外氧化時(shí)所消耗的氧量、最終產(chǎn)物最終產(chǎn)物(CO2，H2O)和釋放能量均和釋放能量均相同。相同。 反應(yīng)環(huán)境溫和，酶促反應(yīng)逐反應(yīng)環(huán)境溫和，酶促反應(yīng)逐步進(jìn)行，能量逐步釋放，能步進(jìn)行，能量逐步釋放，能量容易捕獲，量容易捕獲，ATP生成效率生成效率高。高。 通過加水脫氫反應(yīng)使物質(zhì)能通過加水脫氫反應(yīng)使物質(zhì)能間接獲得氧，并增加脫氫的間接獲得氧，并增加脫氫的機(jī)會；脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)機(jī)會；脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生生H2O，有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生，有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生CO2。 生物氧化與體外氧化之不同點(diǎn)生物氧化與體外氧化之不同點(diǎn)生物氧化生物氧化體外氧化體外氧化 能量突然釋放。能量突然釋放。 物質(zhì)中的碳和氫直接物質(zhì)中的碳和

4、氫直接氧結(jié)合生成氧結(jié)合生成CO2H2O 。生物氧化的一般過程生物氧化的一般過程2HCO2ATP ADP + PiO2H2O乙酰CoA CoASH葡萄糖 甘油、脂肪酸 氨基酸糖原 脂肪 蛋白質(zhì)三羧酸循環(huán)第一階段第二階段第三階段氧化磷酸化丙酮酸2H胞液線粒體三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)氧化磷酸化氧化磷酸化乙酰乙酰CoA線粒體線粒體胞液胞液 由代謝物脫下的氫，經(jīng)線粒體氧化呼由代謝物脫下的氫，經(jīng)線粒體氧化呼吸鏈電子傳遞釋放能量，偶聯(lián)吸鏈電子傳遞釋放能量，偶聯(lián)ADP磷磷酸化生成酸化生成ATP的過程，又稱偶聯(lián)磷酸的過程，又稱偶聯(lián)磷酸化?；?是細(xì)胞內(nèi)主要的是細(xì)胞內(nèi)主要的ATP生成方式。生成方式。* 氧化磷酸化氧化

5、磷酸化* 呼吸鏈呼吸鏈 代謝物脫下的成對氫原子（代謝物脫下的成對氫原子（2H）通過多）通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合成水。由于此過程與細(xì)胞最終與氧結(jié)合成水。由于此過程與細(xì)胞呼吸有關(guān)，所有將此包含多種氧化還原呼吸有關(guān)，所有將此包含多種氧化還原組分的傳遞鏈稱為組分的傳遞鏈稱為氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈（respiratory chain），又稱），又稱電子傳遞電子傳遞鏈鏈（ETC）。）。* 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 將底物的高能磷酸基直接轉(zhuǎn)移給將底物的高能磷酸基直接轉(zhuǎn)移給ADP生成生成ATP，這種，這種ADP或其他核苷二磷或其他核苷二磷酸的

6、磷酸化作用與底物的脫氫作用直酸的磷酸化作用與底物的脫氫作用直接相偶聯(lián)的反應(yīng)過程稱為接相偶聯(lián)的反應(yīng)過程稱為底物水平磷底物水平磷酸化酸化（substrate-level phosphorylation）。）。1. ATP在能量的生成、利用、轉(zhuǎn)移和儲在能量的生成、利用、轉(zhuǎn)移和儲存中起核心作用存中起核心作用adenineNNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12glycosidicbondOPO- -OOPOO- -OPO- - -OOester bond三磷酸腺苷（三磷酸腺苷（ ATP）高能磷酸鍵高能磷酸鍵 鍵鍵 G0 14.3KJ 鍵鍵 G0 32.2KJ 鍵鍵 G0 30.5KJ 21KJ 高

7、能磷酸鍵高能磷酸鍵化合物化合物EkJ/mol(kcal/mol)磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸61.9(14.8)氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸51.4(12.3)1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸49.3(11.8)磷酸肌酸磷酸肌酸43.1(10.3)ATP ADPPi30.5(7.3)乙酰輔酶乙酰輔酶A31.5(7.5)ADP AMPPi27.6(6.6)焦磷酸焦磷酸27.6(6.6)1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖20.9(5.0)一些重要高能化合物水解釋放的標(biāo)準(zhǔn)自由能一些重要高能化合物水解釋放的標(biāo)準(zhǔn)自由能 磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式磷酸肌

8、酸+ ADP肌酸+ ATP肌酸激酶COOHCH2NCH3CNH2NHCOOHCH2NCH3CNNHHP ATP循環(huán)循環(huán)磷酸肌酸肌酸 ATPPADPP 氧化磷酸化底物水平 磷酸化機(jī)械能滲透能化學(xué)能電能熱能2. 呼吸鏈呼吸鏈l代謝物脫下的代謝物脫下的成對氫原子成對氫原子（2H）通過）通過多多種酶和輔酶種酶和輔酶所催化的所催化的連鎖反應(yīng)連鎖反應(yīng)逐步傳遞，逐步傳遞，最終最終與氧結(jié)合成水與氧結(jié)合成水。由于此過程與細(xì)胞。由于此過程與細(xì)胞呼吸有關(guān)，所有將此傳遞鏈稱為呼吸鏈呼吸有關(guān)，所有將此傳遞鏈稱為呼吸鏈（respiratory chain），又稱電子傳遞），又稱電子傳遞鏈（鏈（ETC）。）。2.1 呼吸鏈

9、的組成呼吸鏈的組成l呼吸鏈呼吸鏈 遞氫體遞氫體 遞電子體遞電子體l NAD + Fe-Sl FMN 細(xì)胞色素細(xì)胞色素l FAD l CoQNAD+, 輔酶 結(jié)構(gòu)中含有維生素?zé)燉０?。NADP+/NADPH ,輔酶 HCNH2OCH2HNHOHOHHHOOPOHHOHOHHHOCH2NNNNH2OPOOO+NOnicotinamide adenine esterified to Pi in NADP+ Nicotinamide Adenine Dinucleotide NAD+/NADH NAD+ + e- + H+ NADHNAD+ + 2e- + 2H+ NADH + H+NRHCNH2ONR

10、CNH2OHH+ 2 e + H+NAD+NADHFAD + 2 e- + 2 H+ FADH2 CCCHCCHCNCCNNCNHCH3CH3COOCH2HCHCHCH2COHOPOPOOO-OO-RiboseOHOHAdenineCCCHCCHCNCCHNNHCNHCH3CH3COOCH2HCHCHCH2COHOPOPOOO-OO-RiboseOHOHAdenineFAD FADH2 2 e + 2 H+ dimethylisoalloxazine FAD, 含有核黃素（維生素含有核黃素（維生素B2） wNAD+ 是輔酶是輔酶wFAD 是輔基是輔基FMN，也含有核黃素（維生素，也含有核黃素（

11、維生素B2） CCCHCCHCNCCNNCNHCH3CH3COOCH2HCHCHCH2COHOPO-OO-OHOHCCCHCCHCNCCHNNCNHCH3CH3COOCH2HCHCHCH2COHOPO-OO-OHOHCCCHCCHCNCCHNNHCNHCH3CH3COOCH2HCHCHCH2COHOPO-OO-OHOHe + H+ e + H+ FMN FMNH2 FMNH 輔酶輔酶 Q 是一種脂溶性醌類化合物?？稍诰€是一種脂溶性醌類化合物?？稍诰€粒體內(nèi)膜中迅速擴(kuò)散。粒體內(nèi)膜中迅速擴(kuò)散。 OOCH3OCH3CH3O(CH2CHCCH2)nHCH3coenzyme Q isoprene H2CC

12、CCH2CH3H輔酶輔酶Q，又稱泛醌，又稱泛醌OOCH3H3COH3CO(CH3CHCCH2)nHCH3CH3H3COH3COOHORHHCH3H3COH3COOHROH泛醌（醌型或氧化型）二氫泛醌（氫醌型或還原型）泛醌H（半醌型） 細(xì)胞色素（細(xì)胞色素（Cyt）l是一類以鐵卟啉為輔基的電子傳遞酶是一類以鐵卟啉為輔基的電子傳遞酶類。類。l根據(jù)與鐵卟啉連接的側(cè)鏈和吸收光譜根據(jù)與鐵卟啉連接的側(cè)鏈和吸收光譜的不同，可分為細(xì)胞色素的不同，可分為細(xì)胞色素a、b、c三三類。類。FeNNNNCH3CHCHCH3CHOCH3CH2CHCH2CH2COO-CH2CH2COO-OH2CH3CH3CH3CH3細(xì)胞色素

13、細(xì)胞色素a輔基輔基 FeNNNNCH3CHCHCH3CH2CH2COO-CH2CH2COO-2CH2CHCH3CH3細(xì)胞色素細(xì)胞色素b輔基輔基 細(xì)胞色素細(xì)胞色素c輔基輔基 Fe+ + e- Fe+ Heme in cytochrome c PDB file 5CYT 鐵硫蛋白（鐵硫蛋白（Fe-S） FeFeSSSFeFeSSSSSCysCysCysCysSFeSFeSSSSCysCysCysCysIron-Sulfur Centers 2-Fe iron-sulfur center of ferredoxin PDB file 1A70 人線粒體呼吸鏈復(fù)合體人線粒體呼吸鏈復(fù)合體復(fù)合體酶名稱多肽

14、鏈數(shù)輔 基復(fù)合體 NADH-泛醌還原酶（NADH脫氫酶）39FMN, Fe-S復(fù)合體 琥珀酸-泛醌還原酶（琥珀酸脫氫酶） 4FAD, Fe-S復(fù)合體 泛醌-細(xì)胞色素C還原酶11血紅素, Fe-S復(fù)合體 細(xì)胞色素C氧化酶13血紅素, Cu2.2 呼吸鏈的順序呼吸鏈的順序抑制劑法抑制劑法標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位法標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位法氧化還原對E0(V)氧化還原對E0(V)NAD+/ NADH+ + H+0.32Cyt c1 Fe3+ / Fe2+0.22FMN / FMNH20.30Cyt c Fe3+ / Fe2+0.25FAD / FADH20.06Cyt a Fe3+ / Fe2+0.29Q10 /

15、Q10H20.04(或0.10)Cyt a3 Fe3+ / Fe2+0.55Cyt b Fe3+ / Fe2+0.071/2 O2 / H2O0.821.NADH 呼吸鏈呼吸鏈 2.琥珀酸呼吸鏈琥珀酸呼吸鏈NADHFMN（Fe-S）CoQCyt b c1 caa3O2 c1 caa3O2 FAD（Fe-S）succinateCoQCyt b 3.1 氧化磷酸化偶聯(lián)部位氧化磷酸化偶聯(lián)部位lP/O比值是指物質(zhì)氧化時(shí)，每消耗比值是指物質(zhì)氧化時(shí)，每消耗1摩爾氧原子所消耗無機(jī)磷酸的摩爾數(shù)摩爾氧原子所消耗無機(jī)磷酸的摩爾數(shù)（或（或ADP摩爾數(shù)），即生成摩爾數(shù)），即生成ATP的摩的摩爾數(shù)。爾數(shù)。一些底物的一些

16、底物的P/O比值比值底物呼吸鏈的組成P/O比值-羥丁酸NAD+ 復(fù)合體CoQ 復(fù)合體 Cyt c 復(fù)合體 O22.42.8琥珀酸復(fù)合體 CoQ 復(fù)合體 Cyt c 復(fù)合體 O21.7抗壞血酸Cyt c 復(fù)合體 O20.88Cyt c (Fe2+)復(fù)合體 O2 0.610.68自由能變化自由能變化lG0 nFE0 l從從NADH到泛醌、從泛醌到到泛醌、從泛醌到Cyt c、Cyt aa3到到O2的電位差分別約為的電位差分別約為0.36V、0.21V、0.27V。根據(jù)計(jì)算，。根據(jù)計(jì)算，以上以上3處的處的G0分別為分別為69.5、40.5、52.1kJ/mol，可滿足，可滿足ATP生成的能生成的能量需

17、要。量需要。 lPeter Mitchell 在在20世紀(jì)世紀(jì)60年代提出年代提出“化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說”，并因此于并因此于1978年獲年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。3.2 氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制于于1948年提出線年提出線粒體是真核生物粒體是真核生物進(jìn)行氧化磷酸化進(jìn)行氧化磷酸化的部位。的部位。 matrix inner membrane outer membrane inter- membrane space mitochondrion cristae 線粒體內(nèi)膜是半透膜線粒體內(nèi)膜是半透膜基本要點(diǎn)基本要點(diǎn)l電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將H從線從線粒體內(nèi)膜

18、的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，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)外產(chǎn)生膜內(nèi)外H濃度梯度濃度梯度和和跨膜電位跨膜電位差差，以此儲存能量。，以此儲存能量。l當(dāng)當(dāng)H順電化學(xué)梯度順電化學(xué)梯度回流回流時(shí)，驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)ADP的磷酸化生成的磷酸化生成ATP。4H+ 從線粒體基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè)從線粒體基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè) Matrix H+ + NADH NAD+ + 2H+ 2H+ + O2 H2O 2 e I Q III IV + + 4H+ 4H+ 2H+ Intermembrane Space cyt c 復(fù)合體復(fù)合體 I Matrix H+ + NADH NAD+ + 2H+ 2H+ + O2 H2O 2

19、 e I Q III IV + + 4H+ 4H+ 2H+ Intermembrane Space cyt c 復(fù)合體復(fù)合體 III 4H+ 從線粒體基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè)從線粒體基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè)Q循環(huán)循環(huán) Matrix H+ + NADH NAD+ + 2H+ 2H+ + O2 H2O 2 e I Q III IV + + 4H+ 4H+ 2H+ Intermembrane Space cyt c 復(fù)合體復(fù)合體 IV2H+ 從線粒體基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè)從線粒體基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè)復(fù)合體復(fù)合體 復(fù)合體復(fù)合體 （ATP合酶）合酶）wF1 是催化亞基，包括：是催化亞基，包括： 33wFo 是質(zhì)子（是質(zhì)子（H）通

20、道）通道 腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白l又稱又稱ATP-ADP載體，介導(dǎo)載體，介導(dǎo)ATP和和ADP的反向轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)消耗線粒體基的反向轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)消耗線粒體基質(zhì)側(cè)的質(zhì)側(cè)的1個(gè)個(gè)H。+-線粒體內(nèi)膜胞漿側(cè)基質(zhì)側(cè)ATP4-ATP4-ADP3-ADP3-H2PO4-H2PO4-H+H+H2O+3.3 影響氧化磷酸化的因素影響氧化磷酸化的因素l抑制劑抑制劑lADPl激素激素l線粒體線粒體DNA突變突變1 抑制劑抑制劑l呼吸鏈抑制劑呼吸鏈抑制劑l解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑l氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑（1）呼吸鏈抑制劑）呼吸鏈抑制劑（2）解偶聯(lián)劑）解偶聯(lián)劑NO2NO2O-+H+NO2NO2OH2,4-二硝基苯酚哺乳

21、類動(dòng)物體內(nèi)的哺乳類動(dòng)物體內(nèi)的棕色脂肪組織線粒棕色脂肪組織線粒體內(nèi)膜中存在解偶體內(nèi)膜中存在解偶聯(lián)蛋白聯(lián)蛋白 ，可提供質(zhì)，可提供質(zhì)子再進(jìn)入線粒體基子再進(jìn)入線粒體基質(zhì)的另一個(gè)通道，質(zhì)的另一個(gè)通道，使得質(zhì)子電化學(xué)梯使得質(zhì)子電化學(xué)梯度儲存的能量以熱度儲存的能量以熱量的形式釋放。量的形式釋放。l對電子傳遞及對電子傳遞及ADP的磷酸化均有抑制的磷酸化均有抑制作用，如寡霉素（作用，如寡霉素（oligomycin）。）。（3）氧化磷酸化抑制劑）氧化磷酸化抑制劑l正常機(jī)體氧化磷酸化的速率主要受正常機(jī)體氧化磷酸化的速率主要受ADP的調(diào)節(jié)。的調(diào)節(jié)。ADP 氧化磷酸化氧化磷酸化ADP 氧化磷酸化氧化磷酸化2 ADPl甲

22、狀腺激素可使氧化磷酸化增強(qiáng)。甲狀腺激素可使氧化磷酸化增強(qiáng)。3 甲狀腺激素甲狀腺激素l線粒體線粒體DNA的突變可影響氧化磷酸化的突變可影響氧化磷酸化的功能，引起線粒體病。的功能，引起線粒體病。4 線粒體線粒體DNA突變突變-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭 COCOOH(CH2)2COOH線粒體內(nèi)膜CHNH2COOH(CH2)2COOHCHNH2COOHCH2COOHCHNH2COOHCH2COOHCHNH2COOH(CH2)2COOHCOCOOH(CH2)2COOHCHOHCOOHCH2COOHCOCOOHCH2COOH蘋果酸草酰乙酸NADH+H+NAD+CHOHCOOHCH2COOHCOCOOHCH2COOH蘋果酸草酰乙酸NAD+谷氨酸谷氨酸-酮戊二酸-酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸胞漿側(cè)基質(zhì)側(cè)NADH+H+蘋果酸蘋果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 l經(jīng)經(jīng)-磷酸甘油穿梭途徑，生成磷酸甘油穿梭途徑，生成2分子分子ATPl經(jīng)蘋果酸經(jīng)蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑，生成天冬氨酸穿梭途徑，生成3分子分子ATP本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)l概念：呼吸鏈、氧化磷酸化、底物水概念：呼吸鏈、氧化磷酸化、底物水平磷酸化、平磷酸化、P/O比值比值l呼吸鏈的組成及排列順序呼吸鏈的組成及排列順序l抑制劑對氧化磷酸化的影響抑制劑對氧化磷酸化的影響