生物化学与分子生物学：第六章 生物氧化

1、第 六 章 生生 物物 氧氧 化化 Biological Oxidation The biochemistry and molecular biology department of CMU 营养物质在生物体内经氧化分解，最营养物质在生物体内经氧化分解，最 终生成终生成CO2 和和 H2O，并释放能量的过程称，并释放能量的过程称 生物氧化生物氧化。 * * 生物氧化的概念生物氧化的概念 * * 生物氧化生物氧化与与体外氧化的相同点体外氧化的相同点 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱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氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般 规律。规

2、律。 物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最 终产物（终产物（COCO2 2，H H2 2O O）和释放能量均相同。）和释放能量均相同。 w是在细胞内温和的环境是在细胞内温和的环境 中由酶催化进行的，能中由酶催化进行的，能 量是逐步释放的，并储量是逐步释放的，并储 存于存于ATP中。中。 w代谢物脱下的氢与氧结代谢物脱下的氢与氧结 合产生合产生H2O，有机酸脱，有机酸脱 羧产生羧产生CO2。 * * 生物氧化生物氧化与与体外氧化的不同点体外氧化的不同点 生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化 w能量是突然释放能量是突然释放 的。的。 wCO2、H2O由物质由物质 中的碳

3、和氢直接与中的碳和氢直接与 氧结合生成。氧结合生成。 * * 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程 2H CO2 ATP ADP + Pi O2 H2O 乙酰CoA CoASH 葡萄糖 甘油、脂肪酸 氨基酸 糖原 脂肪 蛋白质 三羧酸循环 第一 阶段 第二 阶段 第三 阶段 氧化磷酸化 丙酮酸 2H胞液 线粒体 第一节第一节 生物氧化概述生物氧化概述 一、氧化反应的类型一、氧化反应的类型 （一）脱电子反应（一）脱电子反应 （二）脱氢反应（二）脱氢反应 （三）加氧反应（三）加氧反应 二、生物氧化的酶类二、生物氧化的酶类 （一）氧化酶类：注意此类酶只能以氧（一）氧化酶类：注意此类酶只能以氧 为受氢

4、体，为加氧反应为受氢体，为加氧反应 （二）需氧脱氢酶（二）需氧脱氢酶 （三）不需氧脱氢酶（三）不需氧脱氢酶 第二节第二节 生成生成ATP的氧化体系的氧化体系 The Oxidation System of ATP Producing 定义定义 代谢物脱下的成对氢原子（代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多）通过多 种酶和辅酶（存在于线粒体内膜）所催化的连种酶和辅酶（存在于线粒体内膜）所催化的连 锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一 系列酶和辅酶称为系列酶和辅酶称为呼吸链呼吸链(respiratory chain) 又称又称电子传递链电子传递链(elec

5、tron transfer chain)。 组成组成 递氢体和电子传递体（递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e） 一、呼吸链一、呼吸链 （一）呼吸链的组成（一）呼吸链的组成 人线粒体呼吸链复合体人线粒体呼吸链复合体 复合体复合体酶名称酶名称 复合体复合体 复合体复合体 复合体复合体 复合体复合体 NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶 琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶 泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶 辅基辅基 FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数 39 4 10 13 复合体复合体酶名称酶

6、名称 复合体复合体 复合体复合体 复合体复合体 复合体复合体 NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶 琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶 泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶 辅基辅基 FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数 39 4 10 13 呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置 四种复合体的排列关系四种复合体的排列关系 NADH succinate FMN （Fe-S） FAD （Fe-S） Cyt b, （Fe-S） CoQ Cyt aa3O2Cyt c compe

7、x I compex II compex III compex IV c1 1. 烟酰胺核苷酸烟酰胺核苷酸 NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide Adenine Dinucleotide) ，又叫，又叫Co，主要作为，主要作为 呼吸链的一个组分，起递氢体作用；呼吸链的一个组分，起递氢体作用； NADP+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotin- amide Adenine Dinucleotide Phosphate) ，又，又 叫叫Co，主要在还原性生物合成中作为供氢体。，主要在还原性生物合成中作为供氢体。 二者的递氢部位

8、是二者的递氢部位是烟酰胺烟酰胺部分，为部分，为Vit PP。 R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+ NAD+和和NADP+的结构的结构 NAD+（NADP+）的递氢机制）的递氢机制 （氧化型）（氧化型） N H CONH2 R + H + H + + e N H CONH2 R H + H + NAD +/NADP + NADH/NADPH （还原型）（还原型） 2. 黄素辅基黄素辅基 FMN：黄素单核苷酸：黄素单核苷酸(Flavin Mononucleotide) FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸：黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleotide) FMN和和

9、FAD中中异咯嗪环异咯嗪环起起递氢体递氢体作用。作用。 异咯嗪及核醇部分为异咯嗪及核醇部分为Vit B2（核黄素）。（核黄素）。 FMN结构结构 CH2OHOP OH OC C HOH C HOH HOH CHH NH N N NO O H3C H3C 1 4 5 89 10 异咯嗪异咯嗪 核醇核醇 CH2O O OH OH HH H CH2 H OP OH O N N N N NH2 OP OH O C C HOH C HOH HOH CHH NH N N NO O H3C H3C 1 4 5 89 10 FAD结构结构 FMN和和FAD递氢机制递氢机制 R NH N N NO O H3C

10、H3C FMN/FAD 1 4 5 89 10 R NH N H H N NO O H3C H3C 1 4 5 89 10 + 2H FMNH2/FADH2 （氧化型）（氧化型）（还原型）（还原型） 3. 铁硫蛋白铁硫蛋白(Iron-sulfur protein, Fe-S) 又叫铁硫中心或铁硫簇。又叫铁硫中心或铁硫簇。 含有等量铁原子和硫原子。含有等量铁原子和硫原子。 铁除与硫连接外，还与肽链中铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的巯基残基的巯基 连接。连接。 铁原子可进行铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子，反应传递电子， 为为单电子传递体单电子传递体。 Fe Fe S S S

11、Fe Fe S S S S S Cys Cys Cys Cys S Fe S Fe S S S S Cys CysCys Cys 4. 泛醌泛醌 (ubiquinone, UQ) 即辅酶即辅酶Q（ Coenzyme Q， CoQ），属于脂），属于脂 溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链。溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链。 因其为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜因其为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜 中分离出来，因此不包含在四种复合体中。中分离出来，因此不包含在四种复合体中。 分子中的苯醌结构能可逆地结合分子中的苯醌结构能可逆地结合2个个H，为，为递递 氢体氢体。 O O H3CO H3

12、CO CH3 (CH2C H C CH3 CH2)nH CoQ isoprene H2C CC CH2 CH3 H O O CH3O CH3CH3O R OH OH CH3O CH3CH3O R + 2H 泛泛醌醌 （氧氧化化型型） 二二氢氢泛泛醌醌 （还还原原型型） 5. 细胞色素类（细胞色素类（Cytochrome, Cyt） 是一类以铁卟啉为辅基的电子传递蛋白。是一类以铁卟啉为辅基的电子传递蛋白。 呼吸链中主要有呼吸链中主要有a、b、c、三类。差别在于铁卟、三类。差别在于铁卟 啉的侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接的方式不同。啉的侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接的方式不同。 Cyt b、c的铁卟啉

13、与血红素相同；的铁卟啉与血红素相同； Cyt a的铁卟的铁卟 啉为血红素啉为血红素A。 分子中的分子中的铁铁通过氧化还原而传递电子，为通过氧化还原而传递电子，为单电子单电子 传递体传递体。 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2 2Fe2+-S 2Fe3+-S Q QH2 复合体复合体 NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 复合体复合体 琥珀酸琥珀酸 CoQ Fe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 琥珀酸琥珀酸 延胡索酸延胡索酸 FAD FADH2 2Fe2+-S 2Fe3+-S Q QH2 复合体

14、复合体 QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1 复合体复合体 还原型还原型Cyt c O2 CuAaa3CuB 由以下实验确定由以下实验确定 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 拆开和重组拆开和重组 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧 （二）呼吸链成分的排列顺序（二）呼吸链成分的排列顺序 氧氧化化还还原原对对E (V) NAD+/NADH+H+-0.32 FMN/ FMNH2-0.30 FAD/ FADH2-0.06 Cyt b Fe3+/Fe2+0.04（或或0.10） Q10/Q10H20.07 Cyt c1 Fe3+/ Fe2+

15、0.22 Cyt c Fe3+/Fe2+0.25 Cyt a Fe3+ / Fe2+0.29 Cyt a3 Fe3+ / Fe2+ 0.55 1/2 O2/ H2O 0.82 呼呼吸吸链链中中各各种种氧氧化化还还原原对对的的标标准准氧氧化化还还原原电电位位 抑制剂抑制剂 1. NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 2. 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 NADH FMN （Fe-S） CoQCyt b c1 caa3 O2 CoQ Cyt b c1 caa3 O2 FAD （Fe-S） 琥珀酸 NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链 线粒体内重要代谢物氧化的途径线粒体内重要代谢物

16、氧化的途径 NADH FMN （Fe-S） c1 caa3O2 FAD （Fe-S） 琥珀酸 -磷酸甘油 CoQCyt b 苹果酸 -羟脂酰CoA -羟丁酸 异柠檬酸 谷氨酸 FAD 硫辛酸 丙酮酸 -酮戊二酸 FAD 脂酰CoA 二、氧化磷酸化二、氧化磷酸化 体内体内ATP生成的方式：生成的方式： 氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 是指在呼吸链电子传递过程中偶联是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，磷酸化， 生成生成ATP，又称为，又称为偶联磷酸化偶联磷酸化。 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 (substrate level phos- pho

17、rylation) 是底物分子内部能量重新分布，是底物分子内部能量重新分布， 生成高能键，使生成高能键，使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程。的过程。 （一）氧化磷酸化偶联部位（一）氧化磷酸化偶联部位 即即ATP生成的部位。生成的部位。 P/O比值比值：是指物质氧化时，每消耗：是指物质氧化时，每消耗1 摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数，摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数， 即生成即生成ATP的摩尔数。的摩尔数。 线粒体离体实验线粒体离体实验 测得的一些底物的测得的一些底物的P/O比值比值 底底 物物呼吸链的组成呼吸链的组成P/O比值比值 生成生成 ATP数数 -羟丁酸羟丁酸NAD+O22.4

18、2.83 琥珀酸琥珀酸FAD O21.72 抗坏血酸抗坏血酸Cyt cO20.881 细胞色素细胞色素CCyt aa3O20.610.681 三个偶联部位：三个偶联部位： ATP ATP ATP NADH与与CoQ之间；之间； CoQ与与Cyt c之间；之间； Cyt aa3与氧之间。与氧之间。 2. 自由能变化自由能变化( G0)： 大于大于30.5kJ即可生成即可生成1摩尔摩尔ATP。 G0nFE0 NADH FMN （Fe-S） CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2 FAD （Fe-S） 琥珀酸 能量 ADP + PiATP 能量 ADP + PiATP 能量 ADP

19、 + PiATP -0.32-0.22+0.04+0.08+0.23+0.25+0.29+0.82 0.36V 0.21V 0.53V 69.5kJ/mol 40.5kJ/mol 102.3kJ/mol NADH氧化呼吸链存在氧化呼吸链存在3个个偶联部位，偶联部位， P/O 比值等于比值等于3，即产生，即产生3molATP。 琥珀酸氧化呼吸链存在琥珀酸氧化呼吸链存在2个个偶联部位，偶联部位， P/O 比值等于比值等于2，即产生，即产生2molATP。 （二）（二） 氧化磷酸化的偶联机制氧化磷酸化的偶联机制 1. 化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经

20、呼吸链传递时，可将质子（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顺浓度梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。 线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+ e- ADP + Pi ATP 化学渗透假说简单示意图化学渗透假说简单示意图 化学渗透假说化学渗透假说 复合体复合体、均有质子泵作用均有质子泵作用 4 H+4 H+ 4 H+4 H+ 2 H+ 2 H+ 内膜表面

21、 基质 NADHH NAD 琥珀酸 延胡索酸 O22H+ H2O 2. ATP合酶合酶 即复合体即复合体。位于线粒体内膜的基质侧。位于线粒体内膜的基质侧。 ATP合酶合酶 F0：为疏水蛋白质，是镶嵌在线粒体内膜：为疏水蛋白质，是镶嵌在线粒体内膜 中的质子通道。中的质子通道。 F1：为亲水蛋白质，由：为亲水蛋白质，由 3 3亚基组成，亚基组成， 催化生成催化生成ATP。 OSCP：寡霉素敏感相关蛋白，位于：寡霉素敏感相关蛋白，位于F0与与F1 之间，使之间，使ATP合酶在寡霉素存在时不能生合酶在寡霉素存在时不能生 成成ATP。 ATP合酶结构模式图合酶结构模式图 化学计算估计每生成化学计算估计每

22、生成1分子分子ATP需需3个个H 从 从 线粒体内膜外侧回流进入基质中。线粒体内膜外侧回流进入基质中。 ATP合酶的工作机制合酶的工作机制 ATP4- F0 F1 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 腺苷酸腺苷酸 转运蛋白转运蛋白 磷酸磷酸 转运蛋白转运蛋白 ADP3- H2PO4- ATP4- 3H+ 3H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADP3- ADP3- 每分子每分子ATP在线粒体中生成并转运到胞浆在线粒体中生成并转运到胞浆 需需4个个H 回流进入线粒体基质中 回流进入线粒体基质中 NADH氧化呼吸链每传递氧化呼吸链每传递2H仅生成仅生成 2.5 分子分子ATP到线粒体外被利用。到

23、线粒体外被利用。 FADH2氧化呼吸链每传递氧化呼吸链每传递2H仅生成仅生成 1.5 分子分子ATP到线粒体外被利用。到线粒体外被利用。 三、影响氧化磷酸化的因素三、影响氧化磷酸化的因素 1. 呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。阻断呼吸链中某些部位电子传递。 2. 解偶联剂解偶联剂 使氧化与磷酸化偶联过程脱离。使氧化与磷酸化偶联过程脱离。 如：解偶联蛋白如：解偶联蛋白 3. 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 对电子传递及对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。磷酸化均有抑制作用。 如：寡霉素如：寡霉素 （一）抑制剂（一）抑制剂 鱼藤酮鱼藤酮 粉蝶霉素粉蝶霉素A A 异戊巴比

24、妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A 二巯基丙醇二巯基丙醇 CO、CN-、 N3-及及H2S 各种呼吸链抑制剂的阻断位点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）解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体） Cyt c Q 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白 热能热能 ADP+Pi ATP 寡霉素寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回流，抑制质子通道回流，抑制ATP生成生成 寡霉素寡霉素 （二）（二）ADP的调节作用的调节作用 是主要调节因素。是主要调节因素。

25、 ADP，氧化磷酸化，氧化磷酸化。 （三）甲状腺激素（三）甲状腺激素 Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。酶和解偶联蛋白基因表达均增加。 （四）线粒体（四）线粒体DNA突变突变 与线粒体与线粒体DNA病及衰老有关。病及衰老有关。 四、四、ATP u高能磷酸键高能磷酸键 水解时释放的能量大于水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸的磷酸 酯键，常表示为酯键，常表示为 P。 u高能磷酸化合物高能磷酸化合物 含有高能磷酸键的化合物。含有高能磷酸键的化合物。 ATP是人体内能量的是人体内能量的直接供给者直接供给者。 N N N N 9 NH2 O OH OH HH H CH2 H 1 2 OP O- - O O PO O- - O P O- - - -O O 一磷酸腺苷（AMP） 二磷酸腺苷（ADP） 三磷酸腺苷（ATP） 核苷二磷酸激酶的作用核苷二磷酸激