第八章 生物氧化.doc

授课时间：2008.3-2008.7,每周4学时,共18周授课方式：理论讲授第八章 生物氧化（4学时）【说明】 本章系营养物质分解氧化产生能量的共同途径，也是其它物质代谢的预备知识。重点掌握： 生物氧化的特点、生物氧化的概念；生物氧化中水的生成方式、呼吸链的组成、排列顺序、呼吸链的抑制作用、线粒体的穿梭机制；高能化合物及高能键、ATP的生成方式、底物磷酸化与氧化磷酸化、P/O 比值、偶联部位与解偶联作用、化学渗透学说。一般了解： 递氢体和电子传递体的结构、化学偶联学说、生物氧化CO2中的生成。本章难点： 氧化磷酸化偶联机制：化学渗透学说 ，用图解解和细胞膜的选择透过性来解释，并结合质子通道和任何反应包括ATP的合成必须由酶来催化解释偶联。第一节 概述生物氧化与燃烧有何不同？营养物质（糖、脂肪和蛋白质）在体内分解，消耗氧气，生成CO2和H2O同时产生能量的过程叫做生物氧化（biological oxidation），或组织氧化、细胞氧化。一、生物氧化的特点（1）生物氧化是能量物质在细胞内有水的环境中进行的，而体外的燃烧则需要干燥的环境；（2）生物氧化的反应介质是胞液，其pH值近中性；（3）生物氧化中能量的生成是逐步的，并且可以转变成为可以利用的化学能，如ATP，而体外的氧化反应，特别是体外的燃烧过程中，能量的释放是骤然间释放的，并且所释放的能量都以光和热的形式散发掉，很少可以直接转变成化学能。（4）就生物氧化的反应形式来说，机体内的代谢物主要是以脱氢、脱羧、水化、加成和化学键的断裂等方式进行。虽然生物氧化的前期反应是营养物质经各种不同的途径所进行的脱氢、脱羧等反应，而后期的递氢和传递电子的过程、与氧反应生成H2O的过程和大多数ATP的生成过程都是共同的。二、生物氧化的场所对于真核生物来说，生物氧化是在线粒体（mitochondria）中进行的，而原核生物则是在细胞膜上。第二节 氧化还原酶类 营养物质进行氧化分解是在各种氧化酶（oxidase）的催化下进行的。按照其催化反应的特点，氧化酶类包括需氧脱氢酶（aerobicdehydrogenase）、不需氧脱氢酶（anaerobicdehydrogenase）和氧化酶几种。一、需氧脱氢酶需氧脱氢酶可以催化底物脱氢，并且将脱掉的氢立即交给氧气，生成H2O。如L-氨基酸氧化酶（L-amino acid oxidase），D-氨基酸氧化酶（D-amino acid oxidase）此酶以黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）为辅酶，属于黄素酶类。二、不需氧脱氢酶不需氧脱氢酶可使底物脱氢而氧化，但脱下来的氢并不与氧气直接反应，而是通过传递最终才能与氧结合生成H2O。这些酶的辅酶包括NAD、NADP和FAD等。例如，丙酮酸脱氢酶、-酮戊二酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶和3-磷酸甘油醛脱氢酶等。三、氧化酶氧化酶催化底物与氧的反应，生成氧化产物和H2O。例如细胞色素氧化酶（cytochrome oxidase）。四、其他氧化酶1、过氧化氢酶和过氧化物酶 过氧化氢酶（catalase）和过氧化物酶( peroxidase) 它们分别催化过氧化氢的分解和过氧化物的分解反应，生成还原产物和H2O。2、加氧酶 加氧酶（oxygenase）包括加单氧酶（monooxygenase）和转氧酶（transoxygenase）两种。前者又称为羟化酶（hydroxylase）,可使多数脂溶性物质，如一些脂溶性药物、毒物和类固醇物质的氧化，使之转化为极性物质而通过体液代谢排出体外。3超氧化物歧化酶 超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD）是一类广泛存在与动、植物及微生物中的含金属酶类。第三节 生物能学光能营养生物（phototrophs）和化能营养生物（chemotrophs）。非自发过程和自发过程。这种自发过程同非自发过程进行偶联，这就是能量的转化。自发过程中能够用来做功的能量叫做自由能（free energy）。在机体内的物质代谢中，自由能的变化（G）为负值时，反应可以进行，而自由能的变化为正值时，反应不能自发地进行。一、高能键与高能化合物生物体内所包含的化合物的化学键水解时，释放的自由能高于5000cal/mol（20.92Kj/mol）时，称为高能键（high-energy bond）。为了区别与普通化学键用“”来表示高能键。含有高能键的化合物称为高能化合物（high-energy compound）。高能化合物中的高能键都是共价键，包括酰基磷酸键（acyl phosphoric bond）、磷酸酐键（phosphoric anhydride bond）、烯醇式磷酸酯键（enol phosphate bond）、硫酯键（thioester bond）和磷酰氨键（phosphacylamine bond）等若干种。S-腺苷甲硫氨酸（SAM） 二、 ATP在能量代谢中的作用生物体内营养物质经过分解产生能量的一部分可以转变成为化学能储存起来，需要时再分解产生能量供机体利用。ATP在机体内的作用如同能量“货币”，是一个可以流通的能量物质。体内有些合成反应不一定都直接利用ATP供能，而可以用其他核苷三磷酸。例如UTP、CTP、GTP等。但物质氧化时释放的能量大都是必须先合成ATP，然后ATP可使UDP、CDP或GDP生成相应的UTP、CTP或GTP。ATP的含量标志着细胞内的能量水平，它对细胞内许多物质代谢都具有调节作用。我们把细胞内三种腺苷酸的比例规定为能荷（energy charge）：ATP + ADP/2能荷= ATP +ADP + AMP当能荷高时，合成代谢旺盛，分解代谢受到抑制，相反，能荷低时，分解代谢旺盛而合成代谢受到抑制，因为许多代谢途径的关键酶都受ATP的调节。除此而外，几乎所有的生理活动所消耗的能量都是以ATP的形式直接提供的，例如物质的跨膜主动运输，肌肉的收缩等。综上所述，营养物质的氧化分解是为了产生能量，具体说就是为了产生ATP。尽管生物氧化中生成的CO2和H2O也都可以再利用，但从真正意义上来讲，ATP才是生物氧化中唯一有用的产物。ATP是能量的携带者或传递者，但严格地说不是能量的贮存者。在可兴奋组织，如，ATP将能量和磷酰基传给肌酸生成肌酸磷酸，肌酸磷酸含有的能量不能直接为生物体利用，而必须把能量传给ADP生成ATP后再利用。肌肉、神经组织，肌酸磷酸是能量的贮存形式。当ATP合成迅速时，在肌酸磷酸激酶催化下 第四节 氧化磷酸化作用一、 CO2和H2O的生成1、 生物氧化中CO2的生成营养物质，包括糖、脂肪和蛋白质在体内经过生物氧化，其碳骨架的裂解产物除象尿素和丙酮之类的小分子化合物以外，大多数都以CO2的形式排出体外，或参加体内的合成反应。体内CO2的生成都是以脱羧反应的形式进行的。根据脱羧反应的形式，可分为以下四类：-单纯脱羧（-simple decarboxilation） 脱羧发生在-碳原子上，并且没有伴随的氧化反应发生。例如氨基酸脱羧反应，生成相应的胺。-氧化脱羧（-oxidative decarboxilation） 脱羧发生在-碳原子上，并且有伴随的脱氢，既氧化反应发生。例如丙酮酸脱氨脱羧反应，除CO2外，还有还原型辅酶生成 -单纯脱羧（- simple decarboxilation） 脱羧发生在-碳原子上，并且没有伴随的氧化反应发生。例如磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（enolpyruvate carbokinase）催化的反应： COOHOCCOOH 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 COCH2COOH GTP GDP CH2（草酰乙酸） （磷酸烯醇式丙酮）CH2COOH CH2COOH 异柠檬酸脱氢酶 CHCOOH CH2 HOCHCOOH NAD+ NADH + H+ OCCOOH （异柠檬酸） （-酮戊二酸）2.生物氧化中H2O的生成除CO2以外，生物氧化中另一个产物就是H2O。物质代谢过程生成H2O的方式大致可分为底物脱水和呼吸链两种方式。1）底物脱水物质在体内的代谢反应中可以从底物直接脱水的是少数。例如烯醇化酶可催化2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸，-羟脂酰ACP脱水酶催化-羟脂酰ACP的脱水反应，生成,-烯脂酰ACP的反应等都可以从底物直接脱水。2）呼吸链 呼吸链是生物氧化中生成H2O的主要方式。二、两条呼吸链1、呼吸链的概念：在各种脱氢酶的催化下，底物脱掉的氢通过一系列有序排列的传递体的顺次传递，最终与氧气结合生成水，并释放能量。因为此过程消耗了氧气，故称作呼吸链（respiratory chain）。这些传递体包括各种递氢体（hydrogen translator）和电子传递体（electron translator）。2、递氢体与电子传递体 除各种脱氢酶外，组成呼吸链的递氢体与电子传递体主要有黄素蛋白，铁硫蛋白和各种含Fe3+的细胞色素、含Cu2+的细胞色素氧化酶等。NAD+（辅酶I，coenzyme I,Co I），是烟酰胺脱氢酶类的辅酶，其结构式如下：FMN 黄素单核苷酸（flavin mononucleotide）黄素蛋白类。CoQ 辅酶Q（coenzymeQ），又称泛醌（ubiquinon）。铁硫中心 铁硫中心（iron-sulfur center）又叫铁硫簇（iron-sulfur clusters），是铁硫蛋白（iron-sulfur protein）的活性中心。铁硫蛋白又称为非血红素铁蛋白（nonheme iron protein）。细胞色素 细胞色素（cytochrom,Cyt）是一类含有血红素（heme）铁卟啉（iron porphyrin）的蛋白质，根据其在可见光范围的吸收光谱分为a，b，c三类。 细胞色素a，a3（Cyta,a3）称为细胞色素氧化酶（cytochrom oxidase）又称细胞色素C氧化酶（cytochromC oxidase）或末端氧化酶（terminal oxidase），也属于含血红素铁蛋白。它也是一种含Cu2+的细胞色素。3、呼吸链及其排列顺序 由递氢体和电子传递体组成的复合物有四种：复合物：NADH-Q还原酶（NADH-Q reductase）；复合物：琥珀酸-Q还原酶（succinate-Q reductase）；复合物：细胞色素还原酶（cytochrom reductase）；复合物：细胞色素氧化酶（sytochrom oxidase）。在线粒体内膜上附着的这些传递体复合物，按不同的顺序组合，就会构成不同的电子传递链。1） NADH呼吸链：复合物-组合组成以NADH为首的传递链，既以NADH为首的呼吸链，通常称为长呼吸链。它们的排列顺序如下：NADHFMNFeSCoQCytbFeSCytc1CytcCyta,a3O2 复合物 复合物- 复合物2）FADH2呼吸链； 复合物-组合组成以琥珀酸脱氢酶为首的传递链，既以琥珀酸脱氢酶为首的呼吸链，称之为短呼吸链。它们的排列顺序如下：FADH2FeSCoQCytbFeSCytc1CytcCyta,a3O2 复合物 复合物- 复合物呼吸链中各个递氢体与电子传递体的排列顺序有两个根据，既按照自由能由高到低的排列顺序以及标准氧化还原电位由低到高的排列顺序。它们都有同样的结果，就是上述的两条呼吸链的排列顺序。4、ATP产生的部位电子传递方向5、呼吸链的抑制作用 呼吸链是一个由各种递氢体和电子传递体按一定的顺序所组成的传递链，因此，只要其中某一个传递体受到抑制，将阻断整个传递链，这就是呼吸链的抑制作用。能够阻断呼吸链中某部位的电子传递的物质称为电子传递抑制剂。常见的电子传递抑制剂有：（1） 阻断NADHCoQ氢和电子传递的有鱼藤酮（rotenone）、安密妥（amytal）和杀粉蝶菌素（piericidine）。（2） 阻断CoQCytc1电子传递的有抗霉素A（antimycin A）。它是由链霉素分离出来的一种抗生素，可干扰细胞色素还原酶中的电子传递。（3） 阻断Cyta,a3O2电子传递的有氰化物（cyanade,CN-），如氰化钾（KCN）、氰化钠（NaCN），叠氮化物（azide,N3-）和一氧化碳（CO）。6、穿梭机制 线粒体内膜有高度的选择性， NADH是不能自由地通过线粒体内膜，必须经过特殊的穿透系统，才能从胞液进入线粒体内，参与呼吸链的。（1）-磷酸甘油穿梭（glycerol-3-phosphate shuttle） -磷酸甘油穿梭作用主要存在于脑和骨骼肌中。经过这种穿梭作用胞液中1个NADH可产生1.5ATP。图8-4 -磷酸甘油穿梭（2）苹果酸穿梭（malate shuttle） 苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中。经过这种穿梭作用1个NADH可产生2.5ATP。图8-5 苹果酸穿梭现认为：线粒体内1个NADH可产生2.5个ATP, 1个FADH可产生1.5个ATP。每4个H产生一个ATP , NADH可产生10个H, 1个FADH可产生6个H7、生物氧化中ATP的生成 ATP的生成有两种方式，即底物磷酸化（substrate phosphorylation）和氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）。1）、底物磷酸化 当营养物质在代谢过程中经过脱氢、脱羧、分子重排和烯醇化反应，产生高能磷酸基团或高能键，随后直接将高能磷酸基团转移给ADP生成ATP，或水解产生的高能键，将释放的能量用于ADP与无机磷酸反应，生成ATP。如从3-磷酸甘油醛到1，3-二磷酸甘油酸，再到3-磷酸甘油酸的两步酶促反应所生成的ATP，就是以底物磷酸化的形式生成的。 2）、氧化磷酸化 底物脱下的氢经过呼吸链的依次传递，最终与氧结合生成H2O，这个过程所释放的能量用于ADP的磷酸化反应生成ATP，这样，底物的氧化作用与ADP的磷酸化作用，通过能量相偶联。ATP的这种生成方式称为氧化磷酸化，或称氧化磷酸化偶联。 P/O比值与偶联次数 P/O比值是指，当底物进行氧化时，每消耗1个氧原子所消耗的用于ADP磷酸化的无机磷酸中的磷原子数。因此，P/O比值是确定氧化磷酸化次数的重要指标。 偶联部位 每一步骤释放的自由能多少也不等。其中有3处释放的自由能较多，足可以供ADP与无机磷酸作用生成ATP反应所需要的能量（G +30.5 kj/mol）。在这些步骤上，就可能发生底物氧化与ADP磷酸化的偶联，生成ATP（参看图8-1）。NADH CoQ G -50.24 kj/molCytb Cytc1 G -41.87 kj/molCyta,a3 O2 G -100.48 kj/mol上述偶联部位分别位于传递体复合物、和。根据研究，复合物上没有偶联。这个结论同两个呼吸链P/O比值相吻合。因此，可以得出不同的呼吸链的偶联部位，如图8-6所示。NADHFMNCoQCytbCytc1CytcCyta,a3O2 FADH2 ADP+PiATP ADP+PiATP ADP+PiATP图8-6 氧化磷酸化偶联部位 偶联机制 化学偶联假说（chemical coupling hypothesis） 认为，电子传递过程产生一种活泼的高能共价中间产物，其随后的裂解驱动氧化磷酸化作用。虽然这一假说有一定的实验根据，但假说中提到的高能中间产物却始终未能分离出来。构象偶联假说（conformational coupling hypothesis），认为电子沿传递链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生构象变化，形成一种高能形式。这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原有的构象。这一假说同样缺乏实验根据。化学渗透学说（chemiosmotic hypothesis）是目前普遍为人们所公认的氧化磷酸化偶联机制。化学渗透学说要点如下：图87 氧化磷酸化机制示意图（1）线粒体内膜是选择通过性的膜，H+不能自由通过。（2）呼吸链的传递体以复合物的形式，按照一定的顺序排列在线粒体内膜上，在递氢体在传递氢的时候，释放的能量将如同质子“泵”一样，将H+运转到间质，进入胞液，这样就造成了H+的跨内膜的梯度。胞液侧为正电荷，线粒体内为负电荷，造成跨膜电化学梯度，既电动势（electromotive force,emf）。这个能量将驱动H+的回流和ATP的合成。（3）被“泵”出到胞液的H+通过位于线粒体内膜上的F0，F1-ATP酶重新转运回线粒体，并在的催化下推动ADP与Pi反应，生成ATP。关于化学渗透学说的机理如图8-7所示。8、解偶联和抑制作用 在氧化磷酸化过程中，底物的脱氢氧化与ADP的磷酸化是通过能量进行偶联的。解偶联剂 使氧化与磷酸化偶联过程脱离，不影响电子传递和磷酸化，但影响偶联。使其基本作用机制是使细胞膜的通透性增加，呼吸链传递电子过程中泵出的H+不经 ATP合酶的 F0质子通道回流，而通过线粒体内膜中其他途径返回线粒体基质，从而破坏了内膜两侧的电化学梯度，使ATP的生成受到抑制，由电化学梯度储存的能量以热能形式释放。如二硝基苯酚（dinitrophenol，DNP）氧化磷酸化抑制剂 这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如，寡霉素（oligomycin）。离子载体抑制剂 这类物质能与某些离子结合，并作为载体使这些能从膜外侧到内侧，破坏电位梯度，影响氧化磷酸化作用。【小结】生物氧化是生物体获得能量的主要方式，这个过程与体外氧化有着明显的区别。生物氧化是在一系列酶的催化下完成的条件温和，二氧化碳的释放、水的生成及能量的生成不是同步进行的，有能量的释放和储存。生物氧化释放的能量贮存于高能化合物中，ATP是最重要的高能化合物。生物体内ATP生成的主要方式有底物水平磷酸化作用和氧化磷酸化作用，其中最重要的方式是氧化磷酸化作用。是通过电子传递链氧化磷酸化产生的。电子传递链存在于线粒体内膜上，由多个组分组成，一四个复合体和两个游离载体的形式存在。线粒体内底物脱下的氢（NADH和FADH2）和电子子经电子传递链传给氧生成水，释放的能量用于将质子从内膜内侧泵到内膜外侧。内膜外侧的质子在质子电位梯度的推动下经ATP合成酶上的质子通道返回到内膜的内侧，推动ATP 的合成。电子传递链上ATP生成的部位即是复合体存在的部位，NADH呼吸联存在三个偶联位点， 1分子NADH氧化产生2.5ATP；FADH2呼吸链有两个偶联位点，使得1分子FADH2氧化