考研科目,动物生物化学第9章 生物氧化

1、第第9 9章章 生物氧化生物氧化Biological oxidation一一 生物氧化概述生物氧化概述 二二 呼吸链呼吸链 三三 ATPATP生成方式生成方式四四 其它生物氧化体系其它生物氧化体系本章主要内容本章主要内容重点难点：呼吸链的组成及其传重点难点：呼吸链的组成及其传 递过程；递过程； 氧化磷酸化氧化磷酸化生物体把能量用在生命活动的各个方面生物体把能量用在生命活动的各个方面一一 概概 述述 物质在生物体内进行氧化，主要指物质在生物体内进行氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成放能量，最终生成CO2 和和 H2O的过程。的过程

2、。又又称细胞呼吸或组织呼吸称细胞呼吸或组织呼吸1 生物氧化生物氧化 (Biological oxidation)的概念的概念糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能生物氧化发生的场所线粒体生物氧化发生的场所线粒体 1948年，年，Eugene Kennedy和和Albert Lehninger发现发现: 真核生物氧化的场所是线粒体真核生物氧化的场所是线粒体 原核生物氧化的场所为细胞质膜原核生物氧化的场所为细胞质膜（1 1）生物氧化过程中，代谢物脱氢生成）生物氧化过程中，代谢物脱氢生成 的的还原型辅酶（还原型辅酶（NADH和和FADH2） 如何经如何

3、经电子传递链被氧化电子传递链被氧化。2 生生物氧化的关键两点：物氧化的关键两点：（2）电子传递过程如何与）电子传递过程如何与ATP的生成相的生成相 偶联。偶联。3 生物氧化的特点生物氧化的特点（1）反应条件温和）反应条件温和（2） 氧化的方式是脱氢氧化的方式是脱氢（3） 需要酶和电子传递体参与需要酶和电子传递体参与（5） 能量主要转化为能量主要转化为ATP（4） 能量是逐步释放的能量是逐步释放的糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP 4 4 生物氧化的一般生物氧化的一般过程过程第二节第二节

4、 呼吸链呼吸链 ( respiratory chain)1.CO2和和H2O的生成的生成 2.呼吸链的概念呼吸链的概念3.呼吸链的组成呼吸链的组成4.两条主要的呼吸链两条主要的呼吸链 -脱羧（直接脱羧）脱羧（直接脱羧）R-CH(NH2)-COOH RCH2NH2 CO2 氨基酸氨基酸 氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶 胺胺 -氧化脱羧氧化脱羧CH3COCOOH+NAD+CoASH CH3COSCoA+NADH+H+丙酮酸丙酮酸 丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系 乙酰辅酶乙酰辅酶(1) CO2的生成：的生成：1 生物氧化中生物氧化中CO2、H2O的生成的生成 -脱羧（直接脱羧）脱羧（直接脱羧）HOOCCO-

5、CH2COOH CH3COCOOH+CO2草酰乙酸草酰乙酸(丙酮酸羧化酶）丙酮酸丙酮酸羧化酶）丙酮酸 -氧化脱羧氧化脱羧HOOCCH2-CH(OH)COOH+NADP+ （苹果酸）（苹果酸） (苹果酸脱羧酶）苹果酸脱羧酶）CH3COCOOH+CO2+NADPH+H+ （丙酮酸）（丙酮酸） (2) H2O 的生成的生成 代谢物在酶的作用下，将脱下的氢经过代谢物在酶的作用下，将脱下的氢经过氢传递体，传给氧生成水。氢传递体，传给氧生成水。 底物上的底物上的H原子被脱氢酶激活脱落原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列的电子载体，将电子和质后，经一系列的电子载体，将电子和质子子(H+)最终传递给氧而生成水。最

6、终传递给氧而生成水。 由这一系列酶和电子载体组成的多由这一系列酶和电子载体组成的多酶体系称为酶体系称为呼吸链或电子传递链。呼吸链或电子传递链。2 呼吸链呼吸链 (Respiratory Chain) 呼吸链由呼吸链由四种复合物、细胞色素四种复合物、细胞色素c和辅和辅酶酶Q组成组成。 辅酶辅酶Q和细胞色素和细胞色素c是独立存在的，四是独立存在的，四种复合物又都是由几种不同的蛋白组成的种复合物又都是由几种不同的蛋白组成的多蛋白复合体。多蛋白复合体。 2 呼吸链的组成呼吸链的组成氧化呼吸链的组成氧化呼吸链的组成胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 Q 1/2O2+2H+ H2O 延胡索酸

7、延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 e-Cytc e-e-e-e-NADH+H+ NAD+ （1）复合体复合体（NADH-Q还原酶）还原酶）NADH-Q还原酶还原酶FMN; Fe-SN-1a/b; Fe-SN-2; Fe-SN-3; Fe-SN-4 NADHCoQ两种辅基：两种辅基：FMN, Fe-S NADH还原酶催（还原酶催（NADH+H+）的脱）的脱氢反应，将氢反应，将2H传递给其辅基传递给其辅基FMN，生成，生成FMNH2。铁硫蛋白铁硫蛋白 (iron-sulfur protein)Fe4S4 铁硫蛋白通过铁硫蛋白通过Fe3+ 和和Fe2+变化起传递电变化起传递电子的作用。子的作用。 辅酶辅酶Q

8、(CoQ) 辅酶辅酶Q又称泛醌又称泛醌(ubiquinone)，是，是脂溶性化合物。脂溶性化合物。CoQ的功能是作为氢传的功能是作为氢传递体：递体： CoQ + 2H CoQH2 辅酶辅酶Q既接受既接受NADH脱氢酶的氢，还接受线脱氢酶的氢，还接受线粒体其他脱氢酶（琥珀酸粒体其他脱氢酶（琥珀酸-Q还原酶）脱下的氢。还原酶）脱下的氢。 辅酶辅酶Q在电子传递链中处于中心地位。在电子传递链中处于中心地位。（2 2）复合体）复合体（琥珀酸琥珀酸-Q还原酶）还原酶） 琥珀酸琥珀酸-Q还原酶还原酶FAD;Fe-S1; b560; Fe-S2 ; Fe-S3 琥珀酸琥珀酸CoQ 一类以铁卟啉为辅基的结合蛋白

9、质。可一类以铁卟啉为辅基的结合蛋白质。可分为三大类：分为三大类：Cyta（a，a3）Cytb、 Cytc(c,c1)。 细胞色素细胞色素(Cytochrome(Cytochrome：CytCyt) )：辅基辅基3种：种：FAD、FeS、细胞色素、细胞色素铁卟啉辅基的分子结构铁卟啉辅基的分子结构 Fe原子处于血红素环中央。借助化学价的原子处于血红素环中央。借助化学价的变化（变化（Fe2/ Fe3）传递电子。）传递电子。 （3）复合体复合体（Q-细胞色素细胞色素c还原酶）还原酶）辅基：辅基：Cyt、 Fe-Sb562; b566; Fe-S; c1QH2 Cyt c 辅基：辅基：Cyt 、Cu2

10、（4）复合体复合体（细胞色素（细胞色素c氧化酶）氧化酶）CuAaa3CuB 还原型还原型Cyt c O2 （1）NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 （2）FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链 3 3 线粒体内主要存在两条呼吸链线粒体内主要存在两条呼吸链氧化呼吸链的排列顺序氧化呼吸链的排列顺序胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 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+ FMN,Fe-S复合体复合体FAD,Fe-S,Cytb复合体复合体Cytb,Fe-S,Cytc1复合体复合体Cytaa3,Cu复合体复合体NADH呼吸

11、链呼吸链电子传递方向电子传递方向NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2FADH2呼吸链呼吸链电子传递方向电子传递方向琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2两条呼吸链两条呼吸链的关系的关系4 电子传递电子传递顺序的实验证据：顺序的实验证据：(1) 根据标准氧还电位根据标准氧还电位E0的高低的高低 -0.32v -0.06v 0.00v 0.26v 0.28v 0.82vNADH Fe-S CoQ b c1 c aa3 O2 (2) 利用阻断剂研究分析利用阻断剂研究分析氧氧化化还还原原对对E (V)NAD+/NADH+H+-0.32FM

12、N/ FMNH2-0.30FAD/ FADH2-0.06Cyt b Fe3+/Fe2+0.04（或或0.10）Q10/Q10H20.07Cyt c1 Fe3+/ Fe2+0.22Cyt c Fe3+/Fe2+0.25Cyt a Fe3+ / Fe2+0.29Cyt a3 Fe3+ / Fe2+ 0.551/2 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5 胞浆中胞浆中NADH的氧化机制的氧化机制 胞浆中胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。 （1

13、 1）苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle) （2 2）-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭 (-glycerophosphate shuttle）（1）苹果酸穿梭系统）苹果酸穿梭系统 主要存在于主要存在于肝和心肌肝和心肌中。中。 NADH通过此穿梭系统带一对氢通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，经原子进入线粒体，经NADH氧化呼吸链氧化呼吸链进行氧化磷酸化，可生成进行氧化磷酸化，可生成2.5分子分子ATP。 谷氨酸谷氨酸- -天冬氨酸天冬氨酸 转运体转运体苹果酸苹果酸- - - -酮酮 戊二酸转运体戊二酸转运体 胞液胞液 基质基质 NADH +

14、H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-OHH苹果酸苹果酸 -OOC-CH2-C-COO-O草酰乙酸草酰乙酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O -酮戊二酸酮戊二酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H谷氨酸谷氨酸 苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 谷草转谷草转 氨酶氨酶 NADH呼吸链呼吸链 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H天冬氨酸天冬氨酸 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H苹果

15、酸穿梭系统苹果酸穿梭系统（2 2）磷酸甘油穿梭系统）磷酸甘油穿梭系统 主要存在于主要存在于脑和骨骼肌脑和骨骼肌中。中。 NADH通过此穿梭系统带一对氢通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，由于经琥珀酸氧化原子进入线粒体，由于经琥珀酸氧化呼吸链进行氧化磷酸化，产生呼吸链进行氧化磷酸化，产生1.5分子分子ATP。 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间腔膜间腔 线粒体线粒体 基质基质磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统 FADH2 NAD+ FAD -磷酸甘磷酸甘油脱氢酶油脱氢酶 琥珀酸琥珀酸氧化氧化呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH

16、2OH C=O -磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH NADH+H+ - -磷酸甘磷酸甘油脱氢酶油脱氢酶第三节第三节 ATP的生成方式的生成方式1 底物磷酸化底物磷酸化 (substrate level phosphorylation)2 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 (Oxidation phosphorylation ) 1 底物磷酸底物磷酸化化 底物底物脱氢或脱水脱氢或脱水等作用，使能等作用，使能量在分子内部重新分配，形成量在分子内部重新分配，形成高能磷高能磷酸化合物酸化合物，然后将高能磷酸基团转移，然后将高能磷酸基团转移到到ADPAD

17、P形成形成ATPATP的过程。的过程。 3- 3-磷酸甘油醛氧化成磷酸甘油醛氧化成1.31.3二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶 1，3-二磷酸甘油酸生成二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶 生产生产1分子分子ATP（底物水平磷酸化）（底物水平磷酸化）2 2 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 电子沿着呼吸链的传递过程中，伴电子沿着呼吸链的传递过程中，伴随将随将ADP磷酸化而形成磷酸化而形成ATP的过程。的过程。 即电子传递与即电子传递

18、与ATP形成相偶联的机形成相偶联的机制。制。 氧化磷酸化作用：氧化磷酸化作用：ATP的生成与呼吸的生成与呼吸链电子传递链电子传递相偶联相偶联的磷酸化作用。的磷酸化作用。区别：区别： 底物水平磷酸化作用：通过酶的催化，底物水平磷酸化作用：通过酶的催化，能量在分子内重排，能量在分子内重排，形成的高能磷酸基团形成的高能磷酸基团直接转移生成直接转移生成ATP。 每消耗每消耗1mol原子氧时原子氧时(1对对H原子与原子与1个个O原子原子)，ADP磷酸化摄取无机磷（酸）的磷酸化摄取无机磷（酸）的mol数（数（生成生成ATP的的mol数数）。）。 NADH：，：，2.5分子分子Pi和和ADP生成生成2.5分

19、子分子ATP，P/O=2.5/1。 FMN：1.5分子分子Pi和和ADP生成生成1.5分子分子ATP，P/O=1.5/1。（1）P/O比值：比值：（2 2）氧化磷酸化的偶联部位）氧化磷酸化的偶联部位 当电子从一个氧化还原电位当电子从一个氧化还原电位较低的较低的还原型还原型递体转移到递体转移到较高电位的氧化型较高电位的氧化型递递体时，就有体时，就有负自由能负自由能变化，即能量的释变化，即能量的释放。放。G=-50.24kJ/molG=-41.87kJ/molG=-100.48kJ/mol推动推动ADP磷酸化形成磷酸化形成ATP所需的所需的标准自由能大约在标准自由能大约在-30.56kJ/molA

20、DP形成形成ATP的部位的部位部位部位I：NADH和辅酶和辅酶Q之间之间部位部位II：辅酶：辅酶Q和和cyt-c1之间之间部位部位III： cyt-a 和和 O2 之间之间（3 3）氧化磷酸化的偶联机理）氧化磷酸化的偶联机理 电子传递和电子传递和ATP生成的偶联是通过一生成的偶联是通过一系列连续的化学反应形成一个系列连续的化学反应形成一个高能共价中高能共价中间物间物，这个中间物随后又裂解将其能量供，这个中间物随后又裂解将其能量供给给ATP的合成。的合成。 化学偶联假说化学偶联假说(chemical coupling hypothesis) 电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋电子沿呼吸链传递使线粒体

21、内膜蛋白质组分发生了白质组分发生了构象变化而形成一种高构象变化而形成一种高能形式。能形式。 构象偶联假说构象偶联假说(conformational coupling hyopthesis) 电子经呼吸链传递时，可将电子经呼吸链传递时，可将H+从线粒从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子内外质子电化学梯度储存能量电化学梯度储存能量。 质子顺浓度梯度回流时驱动质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与与Pi生生成成ATP。 化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)支持这一假说的证据：支持这一假说的证据： A 直至现在并没有发现

22、任何一种介于电直至现在并没有发现任何一种介于电 子传递和子传递和ATP形成的形成的高能中间物高能中间物；B 氧化磷酸化作用的进行需有氧化磷酸化作用的进行需有完整的线粒完整的线粒 体内膜体内膜存在；存在；C 线粒体内膜对线粒体内膜对H+、OH-、K+、Cl-等离等离 子都是不通透的；子都是不通透的；D 破坏破坏H+浓度梯度的形成浓度梯度的形成都必然破坏氧都必然破坏氧化磷酸化作用的进行；化磷酸化作用的进行；E 线粒体电子传递所形成的线粒体电子传递所形成的电子流电子流能够能够 从从线粒体内膜逐出线粒体内膜逐出H+离子离子。线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜 + + + + - - - - H+

23、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 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化学渗透假说详细示意图化学渗透假说详细示意图ATP酶酶复合体复合体催化催化ATPATPCytCyt还原酶还原酶CytCyt氧化酶氧化酶A H+和电子的传递体和电子的传递体按一定的顺序按一定的顺序 排列在线粒体内膜上，氧化磷酸化排列在线粒体内膜上

24、，氧化磷酸化 作用的进行需有作用的进行需有完整的线粒体完整的线粒体。 化学渗透假说的要点是：化学渗透假说的要点是：B 电子传递链中，电子传递链中，释放出来的释放出来的能量能量， 用于驱动膜内侧的用于驱动膜内侧的H H+ +迁移到膜外侧迁移到膜外侧 （膜对（膜对H H+ +是不通透的）。在膜的是不通透的）。在膜的内侧内侧 与外侧与外侧就产生了跨膜就产生了跨膜质子梯度和电质子梯度和电 位梯度位梯度。 C 在膜内外势能差的驱动下，膜外高在膜内外势能差的驱动下，膜外高 能质子沿着一个能质子沿着一个特殊通道特殊通道, 跨膜回到跨膜回到 膜内侧。质子跨膜过程中释放的能膜内侧。质子跨膜过程中释放的能 量，直

25、接驱动量，直接驱动ADP和磷酸合成和磷酸合成ATP。FOF1-ATP合酶合酶膜外质子膜外质子返回膜内返回膜内的通道的通道催化催化ATP合成的部位合成的部位（4）影响氧化磷酸化的因素）影响氧化磷酸化的因素 抑制剂的调节抑制剂的调节 ADP的调节的调节 甲状腺素的调节甲状腺素的调节 线粒体线粒体DNA突变突变 抑制剂：呼吸链抑制抑制剂：呼吸链抑制NADH FMN Q b c1 c aa3 O2 Fe-S阿米妥阿米妥 抗霉素抗霉素A CN、N3-鱼藤酮鱼藤酮 CO、H2S机理：阻断氢与电子的传递机理：阻断氢与电子的传递 FAD(Fe-S) 解偶联剂：解偶联剂：使电子传递和使电子传递和ATPATP形成

26、两形成两个过程分离，个过程分离，特点是抑制特点是抑制ATPATP形成，但不形成，但不抑制电子传递过程抑制电子传递过程, ,使电子产生的自由能使电子产生的自由能转变为热能。转变为热能。 如如 2 2，44二硝基苯酚和其他的一些二硝基苯酚和其他的一些芳香族化合物。芳香族化合物。 解偶联剂解偶联剂 ADP的调节的调节ADP/ATP：氧化磷酸化：氧化磷酸化ADP/ATP：氧化磷酸化：氧化磷酸化 线粒体线粒体DNA突变突变mtDNA编码呼吸链复合体的多肽链及蛋白质编码呼吸链复合体的多肽链及蛋白质mtDNA突变突变影响氧化磷酸化影响氧化磷酸化ATP生成减少生成减少mtDNA病病聋、盲、痴呆、肌无力、糖尿病

27、聋、盲、痴呆、肌无力、糖尿病1 1 需氧脱氢酶需氧脱氢酶第第5 5节节 其它生物氧化体系其它生物氧化体系 在有氧条件下才脱氢，脱下的氢在有氧条件下才脱氢，脱下的氢立即交给分子氧，生成立即交给分子氧，生成H2O2。 大多以大多以FAD、FMN为辅基的酶类为辅基的酶类：黄嘌呤氧化酶：黄嘌呤氧化酶 氨基酸氧化酶等。氨基酸氧化酶等。 2 不需氧脱氢酶不需氧脱氢酶 底物脱的底物脱的H通过呼吸链与氧结合。通过呼吸链与氧结合。以以NAD、NADP和和FAD为辅酶：丙酮为辅酶：丙酮酸脱氢酶、酸脱氢酶、3-磷酸甘油醛脱氢酶等。磷酸甘油醛脱氢酶等。3 氧化酶氧化酶 细胞色素氧化酶，将电子传递给氧，细胞色素氧化酶，将电子传递给氧，生产生产O2-,与与H生产水。生产水。 可被可被CN和和CO抑制。抑制。4 4 过氧化物酶体中的酶类过氧化物酶体中的