第4章生物氧化-2014

1、1 第四章第四章 生物氧化（生物氧化（biological oxidation ） p1412 第一节第一节 生物氧化生物氧化 Biological OxidationBiological Oxidation l一一 、生物氧化的概念、生物氧化的概念 二二 、生物氧化的特点生物氧化的特点 3一、生物氧化的概念一、生物氧化的概念 物质在生物体内进行的氧化称为生物物质在生物体内进行的氧化称为生物氧化。主要是糖、脂、蛋白质等在体内氧化。主要是糖、脂、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成二氧化分解时逐步释放能量，最终生成二氧化碳和水的过程。碳和水的过程。 4（一）与体外氧化的共同点一）与体外氧化

2、的共同点l耗氧耗氧; ;生成生成COCO2 2和水和水; ;释放的总能相等释放的总能相等 （二）不同点（二）不同点1.1.条件条件 体外：体外：高温、干燥高温、干燥 体内：体内：酶催化、酶催化、 温和温和2.2.能量形式、能量形式、放能方式放能方式： 体外：体外：热能热能, ,骤然释放骤然释放 体内：体内：热能热能+ATP+ATP（4040），逐步释放），逐步释放二、生物氧化特点二、生物氧化特点53. CO3. CO2 2和水的生成方式和水的生成方式l 体外：碳、氢直接与氧结合生成。体外：碳、氢直接与氧结合生成。 l 生物氧化：生物氧化： l COCO2 2：脱羧：脱羧l 水：水：底物脱氢底物

3、脱氢 氧化氧化呼吸链呼吸链 与氧结合与氧结合 l 6* * 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程2HCO2ATP ADP + PiO2H2O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78一、概念一、概念呼吸链呼吸链（respiratory chain）：）：代谢物脱下的代谢物脱下的氢原子氢原子通通过多种酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与过多种酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧氧结合生成结合生成水水的传递链。也叫的传递链。也叫电子传递链电子传递链 。（ electron transfer chain ）。

4、）。递氢体：传递氢的酶或辅酶递氢体：传递氢的酶或辅酶电子传递体：传递电子的酶或辅基电子传递体：传递电子的酶或辅基/辅酶辅酶 9二、线粒体的膜结构二、线粒体的膜结构1.外膜：外膜：5000的分子和离子可跨膜扩散的分子和离子可跨膜扩散2.内膜内膜： 多数小分子和离子不能自由通过多数小分子和离子不能自由通过 呼吸链复合物、呼吸链复合物、ATP合成酶位于内膜及嵴上合成酶位于内膜及嵴上 3.“膜间隙膜间隙”：可溶性酶、底物、辅助因子：可溶性酶、底物、辅助因子4.基质：丙酮酸脱氢酶系、基质：丙酮酸脱氢酶系、TCA及脂肪酸氧化的大多数酶、鸟氨酸循环及脂肪酸氧化的大多数酶、鸟氨酸循环（肝脏）中的部分酶（肝脏）

5、中的部分酶10三、呼吸链的组成三、呼吸链的组成 4 4种复合体、种复合体、CoQCoQ、CytcCytc组成组成两条主要两条主要的呼吸链：的呼吸链：l NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 l 琥珀酸氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）氧化呼吸链） 111213（一）复合体（一）复合体（NADH-CoQ NADH-CoQ 还原酶还原酶）1. 是是NADH + H的电子进入呼吸链的入口的电子进入呼吸链的入口14l2.辅基或辅酶辅基或辅酶 FMN （黄素蛋白的辅酶黄素蛋白的辅酶） :传递电子和传递电子和H Fe-S中心中心(铁硫蛋白的辅基铁硫蛋白的辅基) :传递电子传递电子l3.3.电子传

6、递途径电子传递途径 1516lNADH+H+ FMN Fe2+S CoQlNAD+ FMNH2 Fe3+S CoQH2 l 电子在复合体电子在复合体的传递途径的传递途径174.4.复合体复合体的两个功能的两个功能l 催化催化NADH+HNADH+H+ +Q NAD+Q NAD+ +QH+QH2 2 ( (放能放能) )l 将将4 4个个H H+ +从线粒体基质（从线粒体基质（N sideN side）泵到膜间隙（）泵到膜间隙（P P sideside） （吸能）（吸能）18( (二）复合体二）复合体（琥珀酸（琥珀酸- -辅酶辅酶Q Q还原酶）还原酶）1.1.另一条呼吸链的入口另一条呼吸链的入口

7、2.2.将电子和氢从琥珀酸传递给将电子和氢从琥珀酸传递给CoQCoQ3.3.辅基：辅基： FAD FAD Fe-SFe-S簇簇 heme b4.电子传递途径电子传递途径 l l l 19l琥珀酸琥珀酸 FADl延胡索酸延胡索酸 FADH2lFADH2 Fe3+S Fe2+S Fe3+S CoQH2lFAD Fe2+S Fe3+S Fe2+S CoQl 复合体上的电子传递途径 20 是是TCA的一步反应的一步反应2122l复合体复合体将电子和氢从琥珀酸传递给泛醌将电子和氢从琥珀酸传递给泛醌l复合体复合体不能泵出氢质子不能泵出氢质子23（三）（三）辅酶辅酶Q Q （泛醌泛醌）l 脂溶性醌类化合物脂

8、溶性醌类化合物l 位于内膜的位于内膜的脂质双层脂质双层中中l 可以移动可以移动的电子传递体的电子传递体l 电子和氢的受体电子和氢的受体24多个异戊二烯多个异戊二烯半醌型泛醌半醌型泛醌二氢泛醌二氢泛醌泛醌泛醌2526( (四）复合体四）复合体（CoQ-CytC CoQ-CytC 还原酶还原酶）1. 接受接受CoQ传递来的电子，并泵出传递来的电子，并泵出4个个H+ /2e2. 还原酶的辅基：还原酶的辅基： 血红素血红素b Ll 血红素血红素bHl FeSl 血红素血红素c1274.复合体复合体中的电子传递途径中的电子传递途径 ， 28（五）（五）Cytcl 接受复合体接受复合体传递来电子，并传递给

9、复合体传递来电子，并传递给复合体 l 辅基：辅基：血红素血红素C Cl 位于膜间隙，是可以移动的水溶性电子位于膜间隙，是可以移动的水溶性电子29l 将电子从将电子从Cyt c传递给传递给分子氧分子氧，催化分子氧还原为，催化分子氧还原为H2O, 泵出泵出2个个H /2e 。l 辅基：辅基：Cu-Cu中心中心（CuA ） 血红素血红素a a，血红素血红素a a3 3 FeCu中心中心（ CuB ） ( (六）复合体六）复合体 （CytcCytc氧化酶氧化酶 ）3031 复合体复合体中的电子传递途径中的电子传递途径:Cytc CuA Cyt a Cyt a 3 3 C uB O232电子传递链333

10、4（七）总的方程式：l每传递每传递一对电子一对电子，复合体，复合体I、分别泵出分别泵出4、4、2个个H+。 lNADH+11H+N+1/2O2 NAD+10H+P+H2O FADH2+6H+N+1/2O2 FAD+6H+P+H2O 3536四、呼吸链组分四、呼吸链组分排列顺序排列顺序的确定的确定l 1.1.根据根据标准标准氧化还原电位氧化还原电位E E0 0的高低的高低排列排列 e e E EO O（小）（小） E EO O（大）（大）l 物质的标准物质的标准氧化还原电位氧化还原电位越低，则该物质失去电越低，则该物质失去电子的倾向越大，也就越容易成为还原剂而处于呼子的倾向越大，也就越容易成为还

11、原剂而处于呼吸链的前面。吸链的前面。372.2.检测电子传递体氧化的顺序检测电子传递体氧化的顺序l 电子传递体电子传递体还原态还原态和和氧化态氧化态时的时的吸收光谱吸收光谱不同不同l 利用利用完整的离体线粒体完整的离体线粒体进行研究进行研究l 检测前使所有电子传递体均处于还原态检测前使所有电子传递体均处于还原态l 向检测体系中缓慢给氧向检测体系中缓慢给氧l 判断：判断：先先由还原态变为氧化态的位于呼吸链的由还原态变为氧化态的位于呼吸链的？面面3839l 3.体外将呼吸链的各复合体进行拆分和重组体外将呼吸链的各复合体进行拆分和重组 40l4.4.利用阻断剂研究分析利用阻断剂研究分析l 完整的离体

12、线粒体完整的离体线粒体l 实验前使所有电子传递体均处于还原态实验前使所有电子传递体均处于还原态l 给氧给氧4142 第三节第三节 氧化磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化：氧化磷酸化：呼吸链中电子的传递过程偶联呼吸链中电子的传递过程偶联ADPADP磷酸磷酸化，生成化，生成ATPATP的过程。的过程。 43一、自由能变、偶联反应及高能磷酸化合物一、自由能变、偶联反应及高能磷酸化合物（一）化学反应中的（一）化学反应中的G G（自由能变化）（自由能变化） A AB CB CD Dl G:G:产物自由能与反应物自由能之间的差值产物自由能与反应物自由能之间的差值l G0G0G0，需要外界提供能量才能进行，需要外界

13、提供能量才能进行，耗能耗能l GG0 0，可逆反应，可逆反应44 （二）偶联反应（二）偶联反应l 偶联反应：一个热力学上偶联反应：一个热力学上不能自发进行不能自发进行的反应可在另的反应可在另一个一个能够自发进行能够自发进行反应的反应的驱动下驱动下而进行而进行，这两个结合，这两个结合在一起同时进行的反应称为在一起同时进行的反应称为偶联反应偶联反应。l 实例实例 G+PiG-6-P+H2O G=3.3 kCal/mol ATP+H2OADP+ Pi G=-7.3 kCal/mol G+ ATPG-6-P+ ADP G=-4 kCal/mol45（三）高能化合物（三）高能化合物1.高能化合物高能化合

14、物高能化合物：高能化合物：1mol水解可释放出水解可释放出5.0kcal以上自由以上自由能的化合物。能的化合物。1）磷氧键型）磷氧键型(OP )：ATP、GTP等等2）氮磷键型）氮磷键型(NP ）：磷酸肌酸磷酸肌酸 等3）硫脂键型：琥珀酰）硫脂键型：琥珀酰CoA等等2. ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）l生物能的主要载体生物能的主要载体l含一个磷酸酯键和二个含一个磷酸酯键和二个磷酸酸酐键磷酸酸酐键4647（四）（四）ATPATP生成的方式生成的方式 1 1氧化磷酸化氧化磷酸化（主要方式主要方式）：）：呼吸链中电子的传递过程偶联呼吸链中电子的传递过程偶联ADPADP磷酸化，生成磷酸化，生成AT

15、PATP的过程。的过程。l高势能高势能电子电子从从NADH+HNADH+H+ +或或FADH2FADH2沿呼吸链传递给氧的过程中沿呼吸链传递给氧的过程中, ,所释放的能量所释放的能量驱动驱动ADPADP形成形成ATPATP，即，即ATPATP的形成的形成与与电子传递电子传递相偶联。相偶联。48l 2 2底物磷酸化底物磷酸化（次要方式）：（次要方式）：高能键高能键断裂偶联断裂偶联ADPADP磷酸化为磷酸化为 ATPATP（或（或GDP/GTP) GDP/GTP) 的过程。的过程。49二、氧化磷酸化的偶联部位二、氧化磷酸化的偶联部位l NADHNADH与与CoQCoQ之间之间l CoQCoQ与与C

16、ytcCytc之间之间l CytcCytc与与O O2 2之间之间 50 1 1、根据根据P/OP/O比值推测比值推测 P/OP/O比值：比值：物质氧化时，每消耗物质氧化时，每消耗1mol1mol氧原子氧原子所消耗所消耗无机磷无机磷酸酸的的molmol数数. . 分离线粒体分离线粒体-体外模拟实验体外模拟实验 底物：底物：- -羟丁酸羟丁酸, ,琥珀酸琥珀酸, ,还原型还原型CytcCytc 51l 位置位置l NADH QNADH Ql CoQ CytcCoQ Cytcl Cytc OCytc O2 2l EE0 0l EE0 0 = 0.36v = 0.36vl EE0 0 = 0.21v

17、 = 0.21vl EE0 0 = 0.53v = 0.53v2. 2. 根据标准根据标准氧化还原电位氧化还原电位差差计算计算自由能变自由能变52l 位置位置l NADH QNADH Ql Ctyb CytcCtyb Cytcl CytaaCytaa3 3 O O2 2l GG0 0l GG0 0 = -69.5 = -69.5 kJ/molJ/moll GG0 0 = -40.5 = -40.5 kJ/mol J/mol l GG0 0 = -102.3 = -102.3 kJ/molJ/mol GG0 0 = - = -n nF FEE0 0 F=96.5kJ/mol.V F=96.5kJ

18、/mol.V53 每传递一对电子合成每传递一对电子合成ATPATP的量的量lNADHNADH氧化呼吸链：氧化呼吸链：2.5ATP/ NADH+H2.5ATP/ NADH+H+ + （3ATP3ATP）l琥珀酸氧化（琥珀酸氧化（FADH2FADH2）呼吸链）呼吸链 ：1.5ATP/ 1.5ATP/ FADH2FADH2（2ATP-2ATP-旧版本旧版本）54三、氧化磷酸化偶联机制三、氧化磷酸化偶联机制 1. 1.化学渗透学说化学渗透学说 电子经呼吸链传递时，可以将氢质子由电子经呼吸链传递时，可以将氢质子由线粒体基质线粒体基质泵到泵到线粒体膜间隙线粒体膜间隙，产生跨膜，产生跨膜的的质子质子电电化学

19、化学梯度梯度（电位差电位差和和H+浓度差浓度差），），质子顺梯度回流时会驱动质子顺梯度回流时会驱动ATP的形成。的形成。 由由Peter Mitchell提出的，提出的，1978年获诺年获诺贝尔化学奖。贝尔化学奖。55化学渗透学说的要点化学渗透学说的要点1. 1. 电子沿呼吸链传递时，泵出电子沿呼吸链传递时，泵出H H+ + 形成跨膜电化学梯度形成跨膜电化学梯度 跨膜电位差跨膜电位差 H H+ +浓度梯度浓度梯度 2. H2. H+ + 顺顺电电化化学梯度回流，释放能量会学梯度回流，释放能量会偶联偶联ATP的生成。的生成。 ADP ATP ADP ATP ATPATP合酶合酶3.3.H+由由A

20、TP合成合成 酶的酶的F0亚单位亚单位回流时才会偶联回流时才会偶联ATP的生成。的生成。 56572.ATP合成酶合成酶l ATPATP合成酶合成酶：F F0 0、F F1 1两个亚单位两个亚单位l F F1 1：位于：位于基质侧基质侧，催化催化ATPATP合成合成l F F0 0：跨越内膜跨越内膜, ,是是H H+ +通道通道 5817个亚基59lH+ 回流，回流，亚基旋转，亚基旋转，3个个亚基亚基的构象发的构象发生改变生改变l疏松型（疏松型（L）：）： ADP和和Pi与与亚基亚基 结合结合l紧密结合型（紧密结合型（T）：）：ADP和和Pi生成生成ATPl开放型（开放型（O）：释放）：释放A

21、TP60216162四、影响氧化磷酸化的因素四、影响氧化磷酸化的因素l（一）抑制剂（一）抑制剂 l1.呼吸链抑制（阻断）剂呼吸链抑制（阻断）剂l（1） 抑制复合体抑制复合体（与铁硫蛋白结合）（与铁硫蛋白结合）l鱼藤酮、粉蝶霉素鱼藤酮、粉蝶霉素A、异戊巴比妥、异戊巴比妥l(2)抑制复合体抑制复合体l抗霉素抗霉素A (Cyt b Cytc1)l (3)抑制复合体抑制复合体lCO、CN 、H2S ：与与FeCu中心结合中心结合6364l2.解偶联剂（解偶联剂（ uncoupler） ：使氧化与磷：使氧化与磷酸化偶联过程脱离。酸化偶联过程脱离。 (1)机理：使机理：使H+不经不经ATP合酶的合酶的F0

22、回流回流 (2)多为多为脂溶性脂溶性的的弱酸弱酸 例例: 2,4-二硝基苯酚二硝基苯酚 65(3)解偶联蛋白解偶联蛋白 是线粒体内膜上的质子通道是线粒体内膜上的质子通道 新生儿及冬眠动物棕色脂肪组织较多：新生儿及冬眠动物棕色脂肪组织较多：产热御寒产热御寒 新生儿硬肿症（新生儿硬肿症（缺乏棕色脂肪组织缺乏棕色脂肪组织 成年人棕色脂肪少，体内残存的数量因人而异成年人棕色脂肪少，体内残存的数量因人而异 棕色脂肪的活力需要寒冷激发棕色脂肪的活力需要寒冷激发 66l3. 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 l寡霉素寡霉素（结合在（结合在ATP合成酶的合成酶的Fo亚单位亚单位的的通道上）通道上）l抑制抑制A

23、DP磷酸化磷酸化l抑制电子传递抑制电子传递67（二）（二）ADP的调节作用的调节作用 氧化磷酸化的速率主要受氧化磷酸化的速率主要受ADP浓度浓度的调节的调节 （三）甲状腺激素（三）甲状腺激素l1.诱导细胞膜上诱导细胞膜上Na+，K+ATP酶的生成酶的生成，使使ATP加速分解为加速分解为ADP和和Pil2.解偶联蛋白基因表达增加解偶联蛋白基因表达增加l 基础代谢率增高基础代谢率增高 （四）线粒体（四）线粒体DNA（mtDNA)突变突变lmtDNA ：含编码：含编码复合体中复合体中13条多肽链条多肽链、22个个tRNA、2个个rRNA的基因的基因 l在哺乳动物中大小一般在在哺乳动物中大小一般在15

24、kb18kb之内，之内，呈双链环状呈双链环状l动物动物mtDNA为母系遗传为母系遗传6869五五 、 NADHH+穿梭穿梭l胞液胞液中的中的NADHH+进入线粒体进入线粒体内有两种内有两种穿梭方式：穿梭方式：磷酸甘油穿梭和苹果酸磷酸甘油穿梭和苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭70（一）（一）磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭 胞浆胞浆-磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶 线粒体内膜线粒体内膜-磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶？ATP12121.穿梭机制穿梭机制712.甘油甘油-3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶 胞液胞液甘油甘油-3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶- NAD+ 线粒体内膜线粒体内膜甘油甘油-3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶-F

25、AD72l3. 生成能量生成能量 ： 1.5ATP/ NADHH+l4. 骨骼肌骨骼肌、神经细胞胞质中的神经细胞胞质中的NADHH+主主要通过这种穿梭机制要通过这种穿梭机制73（二）苹果酸-天冬氨酸穿梭机制l1.1.穿梭机制穿梭机制74?ATP?ATP75l1.酶：苹果酸脱氢酶（酶：苹果酸脱氢酶（ 辅酶：辅酶：NADNAD+ + ）、天）、天冬氨酸转氨酶冬氨酸转氨酶l2.两种转运蛋白：两种转运蛋白：-酮戊二酸转运蛋白和酸性氨基酮戊二酸转运蛋白和酸性氨基酸转运蛋白酸转运蛋白l3.3.进入进入NADHNADH氧化呼吸链氧化呼吸链 ：2.5ATP2.5ATP（3ATP-3ATP-旧版本旧版本）l4.

26、 肝脏、心肌细胞肝脏、心肌细胞7677第五节第五节 其他生物氧化体系其他生物氧化体系l一、一、氧化酶氧化酶和和需需氧氧脱氢酶脱氢酶l氧化酶：含铜离子，产物中有氧化酶：含铜离子，产物中有H2O。如抗坏。如抗坏血酸氧化酶血酸氧化酶l需氧脱氢酶：辅基是需氧脱氢酶：辅基是FMN或或FAD，产物中，产物中有有H2O2 -氨基酸氨基酸 氨基酸氧化酶（氨基酸氧化酶（FAD、FMN）-酮酸酮酸 R-CH-COO- NH+3 | R-C-COO-+NH3 O|H2O+O2H2O278l二、过氧化氢酶和过氧化物酶二、过氧化氢酶和过氧化物酶l过氧化氢酶：过氧化氢酶：2H2O2 2H2O + O2l过氧化物酶过氧化物酶(peroxidase)：l R + H2O2 RO + H2O l RH2 + H2O2 R + 2H2O79l三、三、超氧化物歧化酶（超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase, SOD）l超氧离子超氧离子 ：O2- l SODl2 O2- + 2H H2O2 + O280四、四、