生物化學(xué)：第四章 生物氧化

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1、返回返回第四章 生物氧化返回返回第一節(jié) 生物氧化的概念一、生物氧化二、高能磷酸化合物三、生物氧化的生物學(xué)意義返回返回一、生物氧化 有機物在細胞內(nèi)氧化分解，最終生成CO2 和H2O，并釋放和存貯能量的過程，稱為生物氧化，又稱細胞氧化或細胞呼吸。有機物有機物 + O2CO2 + H2O + 能量能量 有機物中的碳氧化為二氧化碳，氫形成為水，能量有機物中的碳氧化為二氧化碳，氫形成為水，能量貯存于貯存于ATPATP或以熱的形式釋放或以熱的形式釋放 返回返回糖原 甘油三酯 蛋白質(zhì) 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸鏈呼吸鏈 ADP+Pi ATP 生物氧化的一般過程生物氧化的一般過程返回返回

2、1、生物氧化特點 條件溫和 酶促反應(yīng) 逐步釋放能量 與磷酸化偶聯(lián)返回返回2 2、生物氧化的方式 脫氫COOH C =O + 2H CH3 （2H+ +2e） COOH HOCH CH3 加氧 Cu + O2 CuO1 2 脫羧 返回返回3、CO2的生成(1)直接脫羧 O CH3 C COOH O CH3 C H + CO2 (2)脫氫脫羧丙酮酸脫氫酶系CH3-CO-COOH + HSCoACH3COSCoA + CO2丙酮酸脫羧酶返回返回CO-COOH + CO2CH3CH2-COOHOHCH-COOHNADP+ NADPH + H+蘋果酸丙酮酸蘋果酸酶蘋果酸酶返回返回4、H2O的生成是代謝底

3、物脫下的氫與氧結(jié)合而成的。返回返回二、高能磷酸化合物返回返回1、類型磷氧鍵型 ?；姿峄衔锶?,3-二磷酸甘油酸返回返回 焦磷酸化合物如三磷酸腺苷（ATP）返回返回 烯醇式磷酸化合物 如磷酸烯醇式丙酮酸返回返回氮磷鍵型 如磷酸肌酸返回返回硫酯鍵型如酰基輔酶A返回返回甲硫鍵型 如S-腺苷甲硫氨酸返回返回2、ATP的作用(1)供能(2)ATP 為能量貨幣：能量合成與利用以ATP 為中心，ATP-ADP 循環(huán)是生物系統(tǒng)的能量交換中樞。(3)磷酸基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)的中間體返回返回4、高能磷酸鍵的儲存返回返回返回返回常見磷酸化合物標準水解自由能G化合物 (kcal/mol) (kJ/mol) 磷酸烯醇式丙酮

4、酸 14.8 61.9 1,3-二磷酸甘油酸 11.8 49.3 磷酸肌酸10.343.0 S-腺苷甲硫氨酸10.0 41.8 ATP AMP + PPi7.7 32.2 乙酰CoA 7.5 30.4 ATPH2OADP+Pi 7.3 30.5 1-磷酸葡萄糖 5.0 20.9 6-磷酸葡萄糖3.313.8 3-磷酸甘油2.29.2返回返回PPPPATPP02108641214磷磷酸酸基基團團轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移能能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘磷酸甘油酸磷酸油酸磷酸磷酸肌酸磷酸肌酸（磷酸基團儲備物）（磷酸基團儲備物）6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖3-磷酸甘油磷酸甘油返回返回三、生物氧化的生物學(xué)意義

5、1能量代謝2生物合成與代謝調(diào)節(jié)3其它作用解毒、抗衰老、抗逆性等。返回返回第二節(jié) 電子傳遞鏈一、線粒體二、電子傳遞鏈三、電子傳遞抑制劑返回返回一、線粒體的結(jié)構(gòu)返回返回返回返回二、電子傳遞鏈（一）電子傳遞鏈的概念（二） 電子傳遞鏈的組成成分（三）呼吸鏈的順序返回返回（一）電子傳遞鏈的概念 在生物氧化中代謝物上的H 原子被脫氫酶激活脫落后，以質(zhì)子和電子的形式由線粒體內(nèi)膜上的一系列傳遞體傳遞，最終傳給被激活的O2，而生成H2O，由這些傳遞體組成的傳遞鏈稱為電子傳遞鏈（呼吸鏈）。返回返回典型的呼吸鏈： NADH 呼吸鏈長鏈FADH2呼吸鏈短鏈返回返回NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈 FADH2氧化呼吸鏈氧化

6、呼吸鏈返回返回 呼吸鏈呼吸鏈是一系列電子載體按照對電子親合力逐漸升高的順序組成的電子傳遞系統(tǒng)，所有組成成分都嵌合于線粒體內(nèi)膜，線粒體的內(nèi)膜是重要的能量交換部位，電子傳遞鏈和氧化磷酸化的有關(guān)組分都存在于此。電子傳遞鏈返回返回 構(gòu)成呼吸鏈的遞氫體或遞電子體通常以復(fù)合體的形式存在于線粒體內(nèi)膜上。返回返回返回返回返回返回 由以下實驗確定由以下實驗確定 標準氧化還原電位標準氧化還原電位 拆開和重組拆開和重組 特異抑制劑阻斷特異抑制劑阻斷 還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧（二）呼吸鏈成分的排列順序呼吸鏈成分的排列順序返回返回1煙酰胺核苷酸返回返回是體內(nèi)很多脫是體內(nèi)很多脫氫酶的輔酶，氫酶的輔酶，

7、連接三羧酸循連接三羧酸循環(huán)和呼吸鏈，環(huán)和呼吸鏈，其功能是將代其功能是將代謝過程中脫下謝過程中脫下來的氫交給黃來的氫交給黃素蛋白。素蛋白。有質(zhì)有質(zhì)子泵功能子泵功能AH2ANAD+NADH+H+FMNFMNH22H+2e-返回返回2、黃素蛋白以FMN，F(xiàn)AD 為輔基返回返回返回返回是膜內(nèi)側(cè)的一個嵌入是膜內(nèi)側(cè)的一個嵌入蛋白，蛋白，含含F(xiàn)MN或或FAD活性中心在膜的內(nèi)側(cè)活性中心在膜的內(nèi)側(cè), ,可催化琥珀酸氧化為可催化琥珀酸氧化為延胡索酸，無質(zhì)子泵延胡索酸，無質(zhì)子泵功能。功能。每個每個FMN或或FAD可接受可接受2個電子個電子2個質(zhì)子個質(zhì)子NADH脫氫酶以脫氫酶以FMN為輔基為輔基琥珀酸脫氫酶以琥珀酸脫

8、氫酶以FAD為輔基。為輔基。 2e-2H+琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸FADFADH2返回返回3、鐵硫蛋白（FeS）返回返回鐵硫蛋白返回返回4、輔酶Q（CoQ)泛醌 電子傳遞鏈中唯一的非蛋白質(zhì)組分，在膜中比較，在膜中比較自由自由，功能基團是苯醌，可接受一對質(zhì)子和一對可接受一對質(zhì)子和一對電子。電子。返回返回OORRRR2H+2e-OHOHRRRR+返回返回、細胞色素類 以鐵卟啉為輔基的色素蛋白，是呼吸鏈中將電子從CoQ 傳遞到氧的專一酶類，通過輔基中鐵離子的價態(tài)變化進行電子傳遞。高等動物線粒體電子傳遞鏈中至少有五種細胞色素。 包括：cyt a , a3, b , c, c1 Cyt a a3 未

9、端氧化酶返回返回細胞色素類返回返回1. Cytb 是膜的嵌入蛋白，可接受CoQ的電子，且具有質(zhì)子泵功能CytbCytc12. Cytc1 膜的嵌入蛋白，與Cytb組成一個復(fù)合體，它可接受Cytb的電子，并把它傳給Cytc 4H+CoQH2CoQ2e-2e-返回返回3. Cytc是膜上唯一的外周蛋白，處于膜的外側(cè)，可接受是膜上唯一的外周蛋白，處于膜的外側(cè)，可接受CytcCytc1 1的電子，并傳給的電子，并傳給CytaaCytaa3 3。Ctyce-e-返回返回兩個細胞色素的復(fù)合體，兩個細胞色素的復(fù)合體，跨膜蛋白跨膜蛋白，含有，含有CuCu離子。離子。CytaCyta接受接受CytcCytc的電

10、子，的電子，經(jīng)過經(jīng)過CuCu傳給傳給a a3 3。Cyta a3 3的的活性中心在膜的內(nèi)側(cè)，活性中心在膜的內(nèi)側(cè)，可以將其電子直接傳給可以將其電子直接傳給氧分子而生成水。該復(fù)氧分子而生成水。該復(fù)合體也有質(zhì)子泵功能。合體也有質(zhì)子泵功能。 1/2O2 + H+H2O2H+該復(fù)合體又稱為細胞色素氧化酶該復(fù)合體又稱為細胞色素氧化酶 呼吸鏈末端氧化酶呼吸鏈末端氧化酶 4.Cytaa3aa3e-返回返回返回返回返回返回（三）呼吸鏈的順序返回返回NADH+H+NAD+FMNFMNH2Fe2+NADH脫氫酶脫氫酶Fe3+QH2QFe3+Fe2+Fe3+Fe2+Fe2+Fe3+1/2O22Fe-S CoQ Cyt

11、b Cytc1 Cytc Cytaa3Fe2+Fe3+4H+2H+4H+2H+H2ONADH呼吸鏈電子傳遞過程的循環(huán)O2返回返回胞液側(cè)胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè) 線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜 氧化呼吸鏈的排列順序氧化呼吸鏈的排列順序Q 1/2O2+2H+ H2O 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 e-Cytc e-e-e-e-NADH+H+ NAD+ 返回返回呼吸鏈組分排列順序及氧化還原電位NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2電子傳遞方向性由氧化還原電位決定電子傳遞方向性由氧化還原電位決定電子從電子從E E0值小的傳遞體向值小的傳遞體向E E0值大的傳遞體傳遞值大的傳遞體傳遞-0.32 0.3

12、0 00.1 +0.00 +0.22 +0.25 +0.385 +0.82琥珀酸琥珀酸 FAD CoQ b c1 c aa3 O2 +0.06返回返回返回返回三、電子傳遞抑制劑 能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子傳遞的物質(zhì)，稱為電子傳遞抑制劑。 利用專一性電子傳遞抑制劑選擇性地阻斷呼吸鏈中某個傳遞步驟，再測定鏈中多組分的氧化還原態(tài)情況，是研究電子傳遞鏈順序的一種重要方法。返回返回NADH脫氫酶脫氫酶抑制劑抑制劑抗菌素抗菌素與與aa3中的卟啉中的卟啉形成配位鍵形成配位鍵返回返回第三節(jié) 氧化磷酸化一、氧化磷酸化的概念及類型二、氧化磷酸化的偶聯(lián)三、氧化磷酸化的機理四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)及抑制五、線粒體穿梭

13、系統(tǒng)六、能荷返回返回一、氧化磷酸化的概念及類型1、概念 氧化磷酸化是指利用生物氧化過程中，釋放的自由能使ADP 磷酸化為ATP 的過程。2、類型 底物水平磷酸化 電子傳遞偶聯(lián)的磷酸化(氧化磷酸化)返回返回（1）底物水平磷酸化 底物氧化過程中，高能代謝中間產(chǎn)物，通過酶促磷酸基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)，直接偶聯(lián)ATP 的形成。返回返回 底物水平磷酸化見于下列三個反應(yīng)：底物水平磷酸化見于下列三個反應(yīng)：1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP3-磷酸甘油酸激酶 丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP返回返回（2）電子傳遞偶聯(lián)

14、的磷酸化 （氧化磷酸化） 當電子從NADH 或FADH2 經(jīng)過電子傳遞體傳遞到O2 形成H2O 時，同時偶聯(lián)ADP 磷酸化為ATP，這一過程稱電子傳遞偶聯(lián)的磷酸化。返回返回1/2O2NAD+或或FADNADH+H+或或FADH2ADP + Pi能量能量ATP2e-H2O2H2H呼吸鏈呼吸鏈ATP生成方式返回返回二、氧化磷酸化的偶聯(lián)1、氧化電位差判斷 G0= -nfE035.1 KJ/mol或7.3 KCal/mol返回返回2、P/O 比判斷 每消耗一個氧原子所形成的ATP 數(shù)或每對電子經(jīng)過呼吸鏈所形成的ATP 數(shù)。 測定長呼吸鏈中P/O 比為3（3 個部位生成ATP） 短呼吸鏈中P/O 比為2

15、（2 個部位生成ATP）返回返回NADHCoQCyt bCyt C1Cyt aa3O23、氧化磷酸化偶聯(lián)部位返回返回返回返回三、氧化磷酸化的機理（一）機理（二）線粒體偶聯(lián)因子F1F0（三）化學(xué)滲透學(xué)說的實驗證據(jù)（四）腺苷酸的轉(zhuǎn)運返回返回（一）機理化學(xué)偶聯(lián)假說（1953 年E.C.Slater 提出) H 的氧化過程中，形成一個高能中間物，然后傳遞能量交給ADP 形成ATP 。構(gòu)象偶聯(lián)假說（1964 年P(guān).D.Boyer 提出) H 的氧化過程中，形成高能構(gòu)象 然后將能量釋放，使ADPATP返回返回化學(xué)滲透學(xué)說 化學(xué)滲透學(xué)說是英國米歇爾經(jīng)過大量實驗后于1961 年首先提出的（1）遞H 體與遞電子

16、體交替排列，定位于線粒體內(nèi)膜（2）遞H 體有H 泵作用，將H+泵出內(nèi)膜，2e 傳給遞電子體，整個過程泵出5對H+（3）線粒體膜對H+不通透，造成H+跨膜梯度。（4）H+通過線粒體F1F0ATP 酶進入內(nèi)膜，釋放出的自由能推動ATP 合成。動畫返回返回 遞氫體返回返回 遞電子體返回返回4H4H2H2H H+跨膜梯度返回返回返回返回（二）線粒體偶聯(lián)因子F1F0 氧化磷酸化偶聯(lián)因子，包含ATP 合成酶系統(tǒng)，可利用電子傳遞的高能狀態(tài)將ADP和Pi 合成為ATP。偶聯(lián)因子F1F0 由兩個主要部分F1 和F0 組成，因而又稱為F1F0ATP 酶復(fù)合物或ATP 合成酶。 F1 作用：合成ATP 的催化部位。

17、 F0 作用：含有質(zhì)子通道 柄作用：調(diào)控F1F0 因子返回返回線粒體偶聯(lián)因子F1F0返回返回返回返回ATP合酶每當一對質(zhì)子沿每當一對質(zhì)子沿F1-F0復(fù)合體穿過時就會合成一分子復(fù)合體穿過時就會合成一分子ATP返回返回返回返回ATPATP合成模式圖合成模式圖返回返回（三）化學(xué)滲透學(xué)說的實驗證據(jù)氧化磷酸化的重組實驗返回返回返回返回（四）腺苷酸的轉(zhuǎn)運 細胞內(nèi)的ATP 主要在線粒體內(nèi)由ADP 磷酸化而成，大部分ATP 在線粒體外被利用后又變?yōu)锳DP。 由于ADP 和ATP 都不能自由地穿過線粒體內(nèi)膜，因而必需有一種機制將線粒體外的ADP 運入，同時把ATP 運到線粒體外。 現(xiàn)已證實由線粒體內(nèi)膜上的腺苷酸

18、載體（二聚體，只有一個腺苷酸結(jié)合位點）負責其雙向運輸，又稱ADP/ATP交換體。面向外側(cè)時結(jié)合位點對ADP 親和力高，面向內(nèi)側(cè)時結(jié)合位點對ATP 親和力高。返回返回四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)及抑制 用特殊的試劑可將氧化磷酸化過程分解成若干個反應(yīng)階段，這是研究氧化磷酸化中間步驟的有效方法。 不同的化學(xué)因素對氧化磷酸化過程的影響不同，根據(jù)它們不同的影響方式可分為三大類：解偶聯(lián)劑、氧化磷酸化抑制劑、離子載體抑制劑返回返回1. 解偶聯(lián)劑 使電子傳遞與ADP 磷酸化兩個過程分開，不抑制電子傳遞過程，只抑制 ATP的生成，使電子傳遞所產(chǎn)生的自由能以熱的形式耗散。 （注：解偶聯(lián)劑只抑制電子傳遞鏈磷酸化，不影響底

19、物水平磷酸化。）返回返回 解偶聯(lián)劑通常引起線粒體內(nèi)膜對質(zhì)子的通透性增加，從而使線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子梯度不能形成。 例： DNP：2.4二硝基苯酚（DNP）返回返回返回返回2 .氧化磷酸化抑制劑 抑制氧的利用和ATP 的形成，(與電子傳遞抑制劑不同)，不直接抑制電子傳遞，氧化磷酸化抑制劑的作用是直接干擾ATP 的生成過程，結(jié)果也使電子傳遞不能進行， 例寡霉素。與F1F0 結(jié)合，抑制氫離子內(nèi)流即抑制氧的利用。 DNP（解偶聯(lián)劑）可解除它對氧利用的抑制作用。返回返回3 .離子載體抑制劑 生物膜上的脂溶性物質(zhì)，與某些離子結(jié)合，并作為它們的載體，使這些離子能夠穿過膜，破壞跨膜電化學(xué)梯度，從而破壞氧化磷酸

20、化過程。 與解偶聯(lián)劑區(qū)別：改變除H+離子以外的一價陽離子透性。 例 纈氨霉素K+ 短桿菌肽K+，Na+返回返回五、線粒體穿梭系統(tǒng)糖酵解糖酵解（細胞質(zhì)）（細胞質(zhì)）氧化磷酸化氧化磷酸化 （線粒體）（線粒體）返回返回 生物氧化和氧化磷酸化主要在線粒體內(nèi)進行 NAD+和NADH 不能自由地透過線粒體內(nèi)膜 胞液內(nèi)（如糖酵解途徑）生成的NADH必須通過特殊的穿梭機制進入線粒體。 已知動物Cell 有兩個穿梭系統(tǒng)： 甘油-3-磷酸穿梭系統(tǒng) 蘋果酸穿梭系統(tǒng)返回返回（一）磷酸甘油穿梭系統(tǒng) 主要存在于腦和骨骼肌中。 NADH通過此穿梭系統(tǒng)帶一對氫原子進入線粒體，由于經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈進行氧化磷酸化，故只能產(chǎn)生2分

21、子ATP。返回返回 線粒體線粒體 內(nèi)膜內(nèi)膜 線粒體線粒體 外膜外膜膜間腔膜間腔 線粒體線粒體 基質(zhì)基質(zhì) FADH2 NAD+ FAD -磷酸甘磷酸甘油脫氫酶油脫氫酶 琥珀酸琥珀酸氧化氧化呼吸鏈呼吸鏈 磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O -磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH NADH+H+ - -磷酸甘磷酸甘油脫氫酶油脫氫酶磷酸甘油穿梭系統(tǒng)返回返回甘油-3-磷酸穿梭系統(tǒng)返回返回（二）蘋果酸穿梭系統(tǒng) 主要存在于肝和心肌中。 胞液中NADH+H+的一對氫原子經(jīng)此穿梭系統(tǒng)帶入一對氫原子，由于經(jīng)N

22、ADH氧化呼吸鏈進行氧化磷酸化，故可生成3分子ATP。 返回返回蘋果酸穿梭外源外源NADH被轉(zhuǎn)移到線粒體內(nèi)，這種系統(tǒng)中，被轉(zhuǎn)移到線粒體內(nèi)，這種系統(tǒng)中，NADH可以可以產(chǎn)生產(chǎn)生3個個ATP。蘋蘋果果酸酸蘋果酸蘋果酸草酰草酰乙酸乙酸草酰草酰乙酸乙酸 -酮戊二酸酮戊二酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸膜間膜間空間空間NAD+NAD+NADH+H+NADH + H+內(nèi)膜內(nèi)膜外外膜膜天冬氨酸天冬氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸返回返回蘋果酸穿梭系統(tǒng) 需要、為不同透性酶返回返回六、能荷（一）概念 總的腺苷酸系統(tǒng)中（即ATP、ADP 和AMP 濃度之和）所負荷的高能磷酸基數(shù)量（ATP 所占的比例） 能荷=A

23、TP+0.5ADPATP+ADP+AMP返回返回（二）意義（1） 一般情況下細胞內(nèi)能荷為0.8。（2） 高能荷時抑制ATP 生成，促進ATP 利用。（3） 低能荷時抑制ATP 利用，促進ATP 生成。（4） 能荷的調(diào)節(jié)是靠ATP、ADP、AMP 對代謝中酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)實現(xiàn)的。返回返回第四節(jié) 其它未端氧化酶系統(tǒng) 其他末端氧化酶系統(tǒng)是指除細胞色素系統(tǒng)之外的氧化體系，又稱非線粒體氧化體系，與ATP生成無關(guān)。一、多酚氧化酶系統(tǒng)二、抗壞血酸氧化酶三、黃素蛋白氧化酶四、SOD和CAT五、抗氰呼吸返回返回一、多酚氧化酶系統(tǒng)組成：脫氫酶、醌還原酶、酚氧化酶返回返回1、存在部位：微粒體2、組成：脫氫酶、醌還原酶、酚氧化酶3、生物學(xué)意義：植物體內(nèi)普遍存在與褐變關(guān)殺菌作用返回返回二、抗壞血酸氧化酶返回返回三、黃素蛋白氧化酶1、部位：微粒體2、反應(yīng)3、意義植物光呼吸中催化乙醇氧化為乙醛。返回返回四、SOD和CAT返回返回五、抗氰呼吸1、抗氰呼吸：有些植物存在抗氰氧化酶，當氰化物阻斷正常呼吸鏈時，電子可以從Cyt b直接傳給抗氰氧化酶再交給氧。2、反應(yīng)3、意義：抗氰呼吸是放熱反應(yīng)，有利于低溫地區(qū)植物開花和種子早期萌發(fā)。