动物生物化学：第五章生物氧化

1、第五章 生物氧化,讲授内容,第一节 自由能 第二节 ATP 第三节氧化磷酸化作用 第四节其他生物氧化体系,教学目标,熟悉氧化与还原反应是如何通过两种电子传递链偶联的 了解化学渗透理论的要点，以及电子传递是如何与ADP的磷酸化偶联的 熟悉胞液中的NADH转换为线粒体中的NADH的途径,生物能量的获得,光能（太阳能） 光能营养生物植物和微生物 通过光合作用将光能转变成有机物中稳定的化学能 化学能 化能营养生物动物和人 通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）氧化分解，使存储的稳定的化学能转变成ATP中活跃的化学能，ATP直接用于需要能量的各种生命活动,生物氧化概念,营养物质在生物体内氧

2、化分解成H2O和CO2并释放能量的过程称为生物氧化（biological oxidation） 生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用 因为是在体内组织细胞中进行的，所以又称为细胞氧化,第一节 自由能,生物体能量代谢服从能量守恒定律,热力学第一定律（能量守恒定律） 能量既不能创造也不能消灭，只能从一种形式转变为另一种形式 热力学第一定律不能预测某一反应能否自发进行。,生物体能量代谢服从热力学第二定律,热力学第二定律 热的传导只能由高温物体传至低温物体。 任何一种物理或化学的过程都自发地趋向于增加体系与环境的总熵,自由能,自由能 是生物体（或恒温恒压下）用来作功的能量 在没有作功条件时，自由

3、能将转变为热能丧失 熵 是指混乱度或无序性，是一种无用的能,自由能的作用,在恒温恒压条件（生物体系内）下 G=H-TS G0时，体系的反应能自发进行（为放能反应） G0时，反应不能自发进行，当给体系补充自由能时，才能推动反应进行（为吸能反应） G 0时，表明体系已处于平衡状态 化能营养生物都是从食物氧化的自发过程中获取自由能来完成生命活动！,第二节 ATP,一、 ATP是生物体中自由能的通用货币,分解代谢释放的能量并不能直接被细胞利用，必须经一类高能物质其中最主要的是三磷酸腺苷(ATP)暂时储存起来 也就是说，并不是任何形式的能都可被细胞利用，细胞直接利用的仅仅是三磷酸腺苷(ATP)一类高能化

4、合物中所储存的能量 ATP在生物体内能量交换中之所以起着核心的作用,ATP是机体内直接用以做功的形式,在ATP三个磷酸基团中含有两个磷酸酐键，成为高能分子 当ATP水解为二磷酸腺苷(ADP)和磷酸(Pi)时，或水解为磷酸腺苷(AMP)和焦磷酸(PPi)时，能释放出大量能量,ATP推动体内任何一种需要自由能的反应,二、ATP具有较高的磷酸基团转移潜势,ATP当水解时具有较强的趋势将末端磷酸基转移给水。即具有较高的磷酸基团转移的潜势 生物体内除ATP外还有一些化合物也有很高的转移磷酸基的潜势 磷酸烯醇式丙酮酸等的磷酸基转移潜势比ATP高。意味着它们能将磷酸基转移给ADP而生成ATP 糖降解中许多产

5、物都如此,磷氧键型（O-P),酰基磷酸化合物,1,3-二磷酸甘油酸,乙酰磷酸,酰基磷酸化合物,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰基腺苷酸,焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,ADP（二磷酸腺苷）,烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）,磷氧键型：酰基磷酸化合物、焦磷酸化合物、烯醇式磷酸化合物,氮磷键型（如胍基磷酸化合物）,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。,硫酯键型,3-磷酸腺苷-5-磷酰硫酸,酰基辅酶A,甲硫键型,S-腺苷甲硫氨酸,三、 ATP以偶联方式推动体内非自发反应,ATP是自由能的载体，它推动那些不输入自由能在热力学上就不能进行的反应 如细胞内

6、脂肪酸合成中，由乙酰辅酶A羧化为丙二酸单酰辅酶A这一步 这样的偶联反应中，酶是重要的偶联剂,底物水平磷酸化,经过代谢反应，代谢物分子内部产生高能键，在这些高能键水解时，释放的能量，足以推动ADP或GDP磷酸化。 这种底物氧化过程中产生的能量直接将ADP磷酸化生成ATP的过程，称为底物水平磷酸化,第三节氧化磷酸化作用,释放的能量转化成ATP被利用 转换为光和热，散失,一、生物氧化的特点,生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成C2O和H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：,生物氧化 体外燃烧,细胞内温和条件 高温或高压、干燥条

7、件 （常温、常压、中性pH、水溶液）,一系列酶促反应 无机催化剂 逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆发释放,二、 两条主要的呼吸链,概念 底物上的氢原于被脱氢酶激活后，经一系列的电子载体，传递给氧而生成水。氢传递与氧化合的连锁反应称为呼吸链或电子传递链,呼吸链组成,呼吸链位于线粒体内膜形成呼吸酶集合体 4个复合体 NADH Q 还原酶 琥珀酸 Q 还原酶 Q H 2细胞色素c 细胞色素c氧化酶 2个单独的成分 辅酶 Q 细胞色素c,两种呼吸链,（一）NADH呼吸链,NAD是呼吸链中底物脱氢氧化作用中主要的电子受体 在底物的脱氢氧化作用中，NAD的烟酰胺环接受一个氢离子和两个电子，另一个氢离子游

8、离于溶液中，形成NADH 十 H反应式,1、NADHQ还原酶 催化的反应,NADHQ还原酶,NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，FMN和铁-硫中心（Fe-S）是该酶的辅基，辅酶Q是该酶的辅酶，由辅基或辅酶负责传递电子和氢。 以FMN或FAD为辅基的蛋白质统称黄素蛋白。,铁硫中心（Fe-S中心 ）,铁硫中心主要以（ Fe-S ） (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在，铁硫聚簇与蛋白质结合称为铁硫蛋白。,辅酶Q,辅酶Q是醌的衍生物，有一个长的类异戊二烯的尾（n个）。它也称为泛醌 n的数目因物种而异。哺乳动物n为10，即有10个异戊二烯单位，其符号为Ql0 由于含有长的脂肪族侧链，

9、有利于在线粒体内膜扩散。Q是很活跃的电子载体,接受电子后还原为QH2。,传递1：复合物I将来自NADH的电子传递给泛醌,在NADH脱氢酶的作用下，NADH将一个氢负离子转移给FMN，形成FMNH2。H，HH，e- H，e-FMNFMNH2FMNHFMN FMNH2经两步将2H传给辅酶Q。辅酶Q一次接受一个电子，经过半醌阴离子中间物（Q），最后达到充分还原态泛醌醇（QH2）。e- e-，2HQ Q QH2 每从NADH转移一对电子给Q，将有4个质子被转移到膜间隙。,传递2：复合物II将电子由琥珀酸转移到泛醌,复合物II琥珀酸-泛醌氧化还原酶（也称琥珀酸脱氢酶复合物）接受来自琥珀酸的电子，同时催化

10、Q还原为QH2。 复合物II催化的电子传递过程。来自琥珀酸的两个电子转移给Q，FAD被一个氢负离子还原；还原型黄素的两个单电子传递给3个铁-硫簇。这一过程释放的自由能很少，没有质子跨膜，主要是将琥珀酸氧化的电子引入电子传递链中。,辅酶Q可以接受来自复合物I或II的电子，然后再将电子传给复合物III。几种其它途径的反应也可以将电子传给Q，如由甘油3-磷酸脱氢酶催化的反应。,2、电子从QH2细胞色素c复合体的传递,细胞色素,辅酶Q获得的电子再传给QH2细胞色素C还原酶复合体。 复合体包括细胞色素b和c1，加上FeS。 细胞色素(Cytochrome，Cyt)是一类传递电子的蛋白质，它含有血红素辅基

11、。,细胞色素c和c1,细胞色素b中的血红素不与蛋白质共价结合 细胞色素c和c1中血红素则通过硫醚键与蛋白质共价相连结,复合物III将电子由QH2传给细胞色素c,复合物III又称泛醌-细胞色素c氧化还原酶，含有9个或10个不同的亚基，一个2Fe-2S蛋白质，细胞色素b和细胞色素c1。伴随着一分子QH2的氧化，有4个质子被转移到线粒体膜间隙中（下图），其中的两个质子来自QH2，另两个来自基质。单电子载体细胞色素c接受电子，沿着内膜的胞液侧移动将其转移给复合物IV。,3、电子从细胞色素C传递给氧分子,细胞色素c氧化酶复合体,还原型的Cytc将电子再传递给细胞色素c氧化酶复合体 这个复合体包括细胞色素

12、a、a3和Cu。a和a3具有不同的铁卟啉辅基，称为血红素a。,血红素a,血红素a与c1和c的血红素不同之处在于一个甲酰基代替了一个甲基，一个碳氢链代替了乙烯基。,也叫末端氧化酶。 由 cyt.a和a3 组成 复合物中除了含有铁卟啉外，还含有2个铜原子（CuA，CuB）。Cyta与CuA相配合，cyta3与CuB相配合，当电子传递时，在细胞色素的Fe3+ Fe2+间循环，同时在Cu2+ Cu+间循环，将电子从cytc直接传递给O2。,细胞色素氧化酶,复合物IV将电子从细胞色素c传给O2,复合物IV细胞色素c氧化酶是呼吸电子传递链的最后一个成分，它催化分子氧（O2）4电子还原形成水（2H2O），并

13、将质子转移到膜间隙。哺乳动物的复合物IV是个二聚体，含有细胞色素a 和a3，它们具有不同的还原电位。复合物IV还含有两个铜离子（CuA和CuB），当它们参与电子传递时，变换于Cu2+和Cu+两种状态之间。 细胞色素c氧化酶对质子浓度梯度的贡献有两种方式（下图）。 每传递一对电子（即为了还原O2中的每一个氧原子）就转移两个H 当氧被还原为水时消耗基质2H。,（二） FADH2 呼吸链,电子的传递是由FADH2传给铁硫中心，然后再传给辅酶Q 由辅酶Q到O2之间的电子传递与NADH呼吸链完全相同,FADH2,FADH2是在三羧循环中由琥珀酸氧化成延胡索酸时形成。 琥珀酸脱氢酶的辅基是黄素腺嘌呤二核苷

14、酸(FAD)。 动物体内磷酸甘油脱氢酶和脂酰CoA脱氢酶的辅基也是FAD。,电子传递链的排列顺序,从NADH和FADH2到O2之间的电子传递体在呼吸链中的排列顺序是按照它们的还原电势大小排成的 这个序列与它们对电子亲和力的不断增加顺序相吻合,2,O,细胞色素,c,NADH,-,Q,NADH,QH,c,还原酶,细胞色素,FMN,FeS,Cytb,Cytc,琥珀酸,还原酶,Q,-,琥珀酸,FeS,FMN,CoQ,10,-,c,氧化酶,Cytc,Cyt,a,a,3,+,Cu,2+,1,三、胞液中NADH的氧化,胞液中的NADH不能通过线粒体内膜而进入线粒体 胞液中的NADH是怎么被氧化呢? 苹果酸穿

15、梭作用 磷酸甘油穿梭作用,苹果酸穿梭作用,主要在肝脏和心肌等组织,磷酸甘油穿梭作用,在某些肌肉组织和大脑里,四、氧化磷酸化作用,氧化磷酸化的部位 真核生物氧化磷酸化在线粒体中进行 氧化磷酸化的概念 NADH和FADH2带着转移潜势很高的电子，在呼吸链传递给氧的过程中，同时逐步释放出自由能。使ADP 十Pi ATP，这个过程称为氧化磷酸化作用(oxidative phosphorylation)。,NADH呼吸链的总反应,NADH 十 H 十 12 O2 十 3Pi 十 3ADP NAD 十 3ATP 十 4H2O,P：O比值 消耗一摩尔氧原子时，有多少摩尔原子的无机磷被脂化成有机磷，即产生多少

16、的ATP,呼吸链传递时自由能的下降,根据热力学测定 从NADH到低能量的NADHQ还原酶的FeS中心时，电子传递产生自由能(G)为一50.24kJmol 电子从细胞色素bC1，G为一41.87kJmol 在细胞色索C氧化酶复合体中从细胞色素a到O2，G为 一100.48kJmol 这些氧化还原反应都放出足够的能量，可以在标准状况下推动ATP的合成(G一30.56kJmol) 其它电子传递反应，即在辅酶Q和细胞色素c之间其G值太小，不足以支持ATP的生成,呼吸链传递时自由能的下降图,两种呼吸链,呼吸链传递时ATP的产生,根据以上能量的测定及抑制阻断实验都证明，当电子从NADH或FADH2经过呼吸

17、链而传递到氧时，在呼吸链的三个部位产生ATP 部位I是NADHQ还原酶复合体 部位是QH2细胞色素C还原酶复合体 部位是细胞色素c氧化酶复合体 每一部位产生1分子ATP，所以NADH呼吸链产生3分子ATP，而FADH2只在部位、产生2个ATP NDAH氧化P/O=3 FADH2氧化P/O=2,电子传递抑制剂,抑制剂鱼滕酮等可以抑制NADH电子传递给辅酶Q，因此部位I不生成ATP，但不抑制FADH2的电子传递，因此FADH2呼吸链仍能获得ATP 抗霉素A抑制细胞色素b电子传给C1，因此部位形成不了ATP 氰化物(CN)、叠氮(N3)化物和一氧化碳抑制细胞色素氧化酶电子传递给氧，所以部位不产生AT

18、P,电子传递抑制剂图,五、化学渗透假说 氧化磷酸化的作用机理,电子沿呼吸链传递时释出的能量用于形成一种跨线粒体内膜的质子梯度 这种梯度用以驱动ATP的合成 ATP真正的合成是通过ATP酶。,氧化磷酸化机制,ATP酶复合体,第五节其他生物氧化体系,一、需氧脱氢酶,生物体内还有一类需氧脱氢酶，即在有氧条件下才脱氢。 脱下的氢立即交给分子氧，使其激活生成H2O2。,二、过氧化氢酶和过氧化物酶,过氧化氢酶和过氧化物酶都是以铁卟啉为辅基的酶类。在生物氧化过程中，它们并不参与传递氢和电子的作用，主要分解生物氧化中产生的H2O2。,三、加氧酶,加单氧酶 它能使多种脂溶性物质，诸如药物、毒物、类固醇等化合物氧

19、化。它所催化的反应，都是在底物分子中加一个氧原子，因此称为加单氧酶。它氧化固醇类激素是通过NADPH、细胞色素P450及氧而进行的，这个反应需要Mg2+ 加氧酶,四、超氧化物歧化酶,超氧化物歧化酶，简称SOD(super oxide dismutase)是一类广泛存在于动、植物及微生物中的含金属酶类。 功能是催化超氧离子自由基的歧化反应。,小 结,氧化磷酸化是由两个紧密偶联的现象组成的。（1）底物通过呼吸电子传递链被氧化，同时伴随着质子跨内线粒体膜的转移，产生一个质子浓度梯度；（2）通过质子沿ATP合成酶中的通道向线粒体基质的流动驱动ATP的生成。 由蛋白质和辅助因子组成的复合物IIV和ATP

20、合成酶参与氧化磷酸化。电子流通过这些复合物一般是根据不同成分的相对电位进行的。来自NADH的电子流通过复合物I，III，IV；而来自琥珀酸的电子流是经过复合物II引入的。几种辅助因子参与电子转移，其中包括FMN，FAD，铁-硫簇，铜原子，细胞色素和泛醌。泛醌连接着复合物I，II和复合物III，而细胞色素c连接着复合物III和复合物IV。,电子通过复合物I、复合物III和复合物IV转移时都会导致质子移位到膜间隙，但通过复合物II的电子转移对质子浓度梯度没有贡献。复合物IV最后将电子从细胞色素c转移给O2，生成H2O。 质子经过FoF1ATP合成酶中的Fo成分重新进入线粒体基质。质子流驱动F1AT

21、P合成酶将ADP和Pi合成为ATP。 胞液中的NADH进入线粒体内有两种途径：甘油磷酸穿梭途径和苹果酸-天冬氨酸穿梭途径。胞液中的NADH经甘油磷酸穿梭途径转换为线粒体的QH2；经苹果酸-天冬氨酸穿梭途径转换为线粒体的NADH。,名词术语,呼吸电子传递链（respiratory electron-transport chain）：由一系列可作为电子载体的酶复合体和辅助因子构成，可将来自还原型辅酶或底物的电子传递给有氧代谢的最终电子受体分子氧（O2）。 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)：电子从一个底物传递给分子氧的氧化与酶催化的由ADP和Pi生成ATP的磷酸化相偶联的过程。 化学渗透理论(chemiosmotic theory)：一种学说，主要论点是底物氧化期间建立的质子浓度梯度提供了驱动由ADP和Pi形成ATP的能量。,P/O比(P/O ratio)：在氧化磷酸化中，每1/2O2被还原时形成的ATP的摩尔数。电子从NADH传递给O2时，P/O比为3，而电子从FADH2传递给O2时，P/O比为2。 高能化合物(high energy compound)：在标准条件下水解时自由能大幅度减少的化合物。一般是指水解释放的能量能驱动ADP磷酸化合成ATP的化合物。,思考题,三羧酸循环没有氧参与，为何被称为