第8章生物氧化

1、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+PiATP 脱脱 氢氢 加加 氧氧 失电子失电子1、脱氢、脱氢 有机物脱去氢原子的过程。有机物脱去氢原子的过程。 有有直接脱氢直接脱氢和和加水脱氢加水脱氢两种两种。（1）直接脱氢直接脱氢如：乳酸生成丙酮酸的过程如：乳酸生成丙酮酸的过程CH3CHCOOHOHNAD+ NADHCH3CCOOHO 如：如：酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。+2H+ 2e-+RCOHO 酶RCOHHOH H2ORCOH（2）加水脱氢）加水脱氢 2、加氧反应、

2、加氧反应 物质分子中直接加入氧分子或氧原物质分子中直接加入氧分子或氧原子的过程。子的过程。 如如： 甲烷单加氧酶甲烷单加氧酶 CHCH4 4 + O + O2 2 CH CH3 3-OH-OH + H + H2 2O O NADH+H NADH+H+ + NAD NAD+ + 3、失电子、失电子 从作用物分子中脱下一个电子，从而从作用物分子中脱下一个电子，从而 使原子或离子正价增加的氧化过程。使原子或离子正价增加的氧化过程。 H HH H+ + + + e e cytb-Fe2+2+ cytc1-Fe3+3+ 如：如： e cytb-Fe3+3+ cytc1-Fe2+2+一、氧化呼吸链一、氧化

3、呼吸链也称为也称为电子传递链电子传递链（electron transfer chain）。 递氢体递氢体 电子传递体电子传递体人线粒体呼吸链复合体人线粒体呼吸链复合体Cyt c（膜间隙侧）（膜间隙侧）血红素血红素a，a3，CuA, CuB13162细胞色素细胞色素C氧氧化酶化酶复合体复合体Cyt c1， Cyt a血红素血红素c113细胞色素细胞色素cCyt c（膜间隙侧）（膜间隙侧）血红素血红素bL, bH, c1,Fe-S11250泛醌泛醌-细胞色细胞色素素C还原酶还原酶复合体复合体琥珀酸（基质侧）琥珀酸（基质侧）CoQ（脂质核心）（脂质核心）FAD，Fe-S4140琥珀酸琥珀酸-泛醌泛醌

4、还原酶还原酶复合体复合体NADH（基质侧）（基质侧）CoQ（脂质核心）（脂质核心）FMN，Fe-S42850NADH-泛醌泛醌还原酶还原酶复合体复合体含结合位点含结合位点功能辅基功能辅基多肽多肽链数链数质量质量(kD)酶名称酶名称复合体复合体 泛醌和细胞色素泛醌和细胞色素C C不包含在上述四种复合体中。不包含在上述四种复合体中。 Cytcox NADH+H+ NAD+ 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 QH2 Q 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 QH2 Q 4H+4H+4H+4H+Cytcox Cytcred Cytcred 2H+2H+电子传递链各

5、复合体在线粒体内膜中的位置电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置 复合体复合体电子传递：电子传递：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 每传递每传递2个电子可将个电子可将4个个H+从内膜基质侧泵到从内膜基质侧泵到胞浆侧，胞浆侧，复合体复合体有质子泵功能有质子泵功能。功能功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone) NAD+（NADP+）和）和NADH（NADPH）相互转变）相互转变氧化还原反应时变化发生在氧化还原反应时变化发生在五价氮五价氮和和三价氮三价氮之间。之间。黄素蛋白黄素蛋白(flavoprotein): 一种递氢体一种递氢体 FMN结构中含结构中含核黄素核

6、黄素，发挥功能的部位是，发挥功能的部位是异咯异咯嗪环嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMNH。在可逆的氧化还原反应中显示在可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态，属于种分子状态，属于单、单、双电子传递体。双电子传递体。 铁硫蛋白中辅基铁硫蛋白中辅基铁硫中心铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 可逆反应传递电子。可逆反应传递电子。属于单电子传递体属于单电子传递体。 表示无机硫表示无机硫铁硫蛋白铁硫蛋白 无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q, CoQ, Q

7、）由多个异戊二烯连接形成）由多个异戊二烯连接形成 较长的疏水侧链（人较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成），氧化还原反应时可生成中间产物中间产物半醌型泛醌半醌型泛醌。在。在电子传递和质子移动电子传递和质子移动的偶联的偶联中起着核心作用。中起着核心作用。复合体复合体的功能的功能 复合体复合体是三羧酸循环中的是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶，故，故又称又称琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶。 电子传递：电子传递：琥珀酸琥珀酸FAD几种几种Fe-S CoQ 复合体复合体没有没有H+泵的功能泵的功能。 功能功能将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体复合体 泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C

8、还原酶还原酶 复合体复合体是细胞色素是细胞色素b-c1复合体，含有细胞色素复合体，含有细胞色素b(b562, b566)、细胞色素、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白。和一种可移动的铁硫蛋白。 泛醌泛醌从复合体从复合体、募集还原当量和电子并穿梭募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体传递到复合体。 电子传递过程电子传递过程: CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc 功能：功能：将电子从泛醌传递给细胞色素将电子从泛醌传递给细胞色素C特点：以铁卟啉为辅基，催化电子传递，均有特殊吸收光谱而呈现颜色。分类：根据吸收光谱不同，参与呼吸链组成的细胞色素有Cyta, Cytb, C

9、ytc三类，每一类又因其最大吸收峰的细微差别再分为几种亚类。各细胞色素各细胞色素所含铁卟啉所含铁卟啉(Cytb)(Cytc)(Cyta) Cytc中铁卟啉中铁卟啉与蛋白质的连接与蛋白质的连接 功能：功能：将电子从细胞色素将电子从细胞色素C传递给氧传递给氧 电子传递：电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2 Cyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给形成活性双核中心，将电子传递给O2。每。每2个电子传递过程使个电子传递过程使2个个H+跨内膜向胞浆跨内膜向胞浆侧转移侧转移 。复复合合体体的的电电子子传传递递过过程程呼吸链成分的排列顺序试验依据呼吸链成分的排列顺序试验依据 根

10、据呼吸链各组分的标准氧化还原电位根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位氧化还原对氧化还原对E0(V)氧化还原对氧化还原对E0(V)NAD+ /NADH+H+0.32Cyt c1 Fe3+ /Fe2+0.22FMN /FMNH20.219Cyt c Fe3+ /Fe2+0.254FAD /FADH20.219Cyt a Fe3+ /Fe2+0.29Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyt a3 Fe3+ /Fe2+0.35Q10 /Q10H20.061/2O2 /H2O0.816呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位 利用呼吸链特异

11、的抑制剂阻断某一组分的电子传利用呼吸链特异的抑制剂阻断某一组分的电子传 递，阻断部位前组分为还原态，后面组分为氧化递，阻断部位前组分为还原态，后面组分为氧化态，根据吸收光谱改变进行检测态，根据吸收光谱改变进行检测还原态还原态氧化态氧化态 利用呼吸链各组分特有的吸收光谱，以离体线粒体无利用呼吸链各组分特有的吸收光谱，以离体线粒体无氧时处于还原态作为对照，缓慢给氧，观察各组分被氧时处于还原态作为对照，缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序氧化的顺序 体外将呼吸链拆开和重组体外将呼吸链拆开和重组两条呼吸链两条呼吸链w NADH氧化呼吸链： 由复合体、组成，是最主要的。w 琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼

12、吸链）： 由复合体、组成。NADH氧氧化呼吸链化呼吸链FADH2氧氧化呼吸链化呼吸链 氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)定义：定义：在呼吸链电子传递过程中偶联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的过程称的过程称氧化磷酸化氧化磷酸化(oxidative phosphorylation), 又称又称偶联磷酸化偶联磷酸化。 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 细胞内还有一种直接将代谢物分子中的能量转移至ADP(或GDP)，生成ATP(或GTP)的过程，称为。 目前，有三种酶催化的是底物水平磷酸化反应，分别是 ADP ATP（1）1，3-二磷

13、酸甘油酸二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 胞液胞液 ADP ATP（2）磷酸烯醇式丙酮酸）磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸丙酮酸 GDP+Pi GTP 线线（3）琥珀酸单酰）琥珀酸单酰COA 琥珀酸琥珀酸 + HSCOA 粒粒 GTP + ADP GDP + ATP 体体 底物水平磷酸化反应底物水平磷酸化反应 一、确定氧化磷酸化偶联部位的实验依据一、确定氧化磷酸化偶联部位的实验依据 根据根据P/O比值比值 自由能变化自由能变化: G=-nFE 氧化磷酸化偶联部位：氧化磷酸化偶联部位：复合体复合体、线线粒粒体体离离体体实实验验测测得得的的一一些些底底物物的的P/O比比值值底底 物物呼呼吸吸链链的的

14、组组成成P/O比比值值可可能能生生成成的的 ATP数数 -羟羟丁丁酸酸NAD+复复合合体体CoQ复复合合体体 2.5 2.5Cyt c复复合合体体O2琥琥珀珀酸酸复复合合体体CoQ复复合合体体 1.5 1.5Cyt c复复合合体体O2抗抗坏坏血血酸酸Cyt c复复合合体体O20.88 1细细胞胞色色素素c (Fe2+) 复复合合体体O20.61- 0.68 1 1、P/O 比值比值指氧化磷酸化过程中，每消耗指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔摩尔O2所生所生成成ATP的摩尔数的摩尔数(或一对电子通过氧化呼吸链传递或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成给氧所生成ATP分子数分子数)。 2 2、自

15、由能变化、自由能变化根据热力学公式，根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化时标准自由能变化(G)与还原电位变化与还原电位变化(E)之间有以下关系：之间有以下关系：n为传递电子数；为传递电子数；F为法拉第常数为法拉第常数 (96.5 kJ/molV)G = -nFE电子传递链自由能变化电子传递链自由能变化Cytaa3O2 0.58V 112KJ/mol 能能NAD+CoQ 0.36V 69.5KJ/mol 能能CoQCytc 0.19V 36.7KJ/mol 能能ATPATP ATP氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位 二、氧化磷酸化的偶联机制氧化磷酸化的偶联机制w 化学渗透假说化学渗透假说

16、(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可将质子电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线粒体从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧，而线粒体内膜不内膜的基质侧泵到内膜外侧，而线粒体内膜不允许质子自由回流，因此产生膜内外质子电化允许质子自由回流，因此产生膜内外质子电化学梯度学梯度(H+浓度梯度和跨膜电位差浓度梯度和跨膜电位差)，以此储存，以此储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP 。 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+P

17、i ATP 4H+ 2H+ 4H+ 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 电子传递过程电子传递过程复合体复合体 (4H+) 、 (4H+)和和 (2H+)有质子泵功能有质子泵功能。 三、质子顺梯度回流释放能量被三、质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶合酶 利用催化利用催化ATP合成合成F1：亲水部分：亲水部分 (动物：动物：33亚基复合体，亚基复合体，OSCP、IF1 亚基)，线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化催化ATP合成合成。 F0：疏水部分：疏水部分 (ab2c912亚基，动物还有其他辅助亚亚基

18、，动物还有其他辅助亚基基)，镶嵌在线粒体内膜中，形成，镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子跨内膜质子通道通道 。nATP合酶结构组成合酶结构组成F1(亲水部分亲水部分) 由由33组成组成 催化催化ATP生成生成 F0(疏水部分疏水部分) 质子通道质子通道当当H+顺浓度递度经顺浓度递度经F0中中a亚基和亚基和c亚基亚基之间回流时，之间回流时，亚基发生旋转亚基发生旋转，3个个亚基的亚基的构象发生改变构象发生改变。nATP合成的结合变构机制合成的结合变构机制 (binding change mechanism) :调节亚基调节亚基 :催化亚基催化亚基 : H+通道通道NOCH2OOHOHNNNNH2P

19、OOHOPOOHOPOOHOH四、四、ATP在能量代谢中起核心作用在能量代谢中起核心作用ATPATP 为体内各种生理活动提供能量，形成磷酸酯类中间代谢物参与酶的共价修饰。NOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHw高能磷酸键高能磷酸键： 磷酸化合物水解时释放的能量大于25KJ/mol的磷酸酯键，常表示为P 。w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(5.0)20.91-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖(6.6)27.6焦磷酸焦磷酸(6.6)27.6ADP AMPPi(7.5)31.5乙酰辅酶乙酰辅酶A(7.3)30.5ATP ADPPi

20、(10.3)43.1磷酸肌酸磷酸肌酸(11.8)49.31，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸(12.3)51.4氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸(14.8)61.9磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸(kcal/mol)kJ/molE0化合物化合物一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能 腺苷酸激酶腺苷酸激酶(adenylate kinase)二磷酸核苷酸激酶二磷酸核苷酸激酶n肌酸激酶的作用肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。 ATP的生成和利用的生成和利用ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌

21、酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 机械能机械能( (肌肉收缩肌肉收缩) )渗透能渗透能( (物质主动转运物质主动转运) ) 化学能化学能( (合成代谢合成代谢) )电能电能( (生物电生物电) )热能热能( (维持体温维持体温) )生物体内能量的储存和生物体内能量的储存和利用都以利用都以ATP为中心。为中心。一、体内能量状态可调节氧化磷酸化速率一、体内能量状态可调节氧化磷酸化速率 ADP浓度增高，氧化磷酸化速度加快； ADP不足，氧化磷酸化速度减慢。 二、有二、有3类氧化磷酸化抑制剂类氧化磷酸化抑制剂1 1、呼吸链抑制剂阻断氧化磷酸化的电子传递过程、呼吸链抑制剂阻断氧化磷

22、酸化的电子传递过程 复合体复合体抑制剂：鱼藤酮抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉、粉蝶霉素素A(piericidin A)及异戊巴比妥及异戊巴比妥(amobarbital)等等阻断传递电子到泛醌阻断传递电子到泛醌 。 复合体复合体抑制剂：萎锈灵抑制剂：萎锈灵(carboxin)。 复合体复合体抑制剂：抗霉素抑制剂：抗霉素A(antimycin A)阻断阻断Cyt bH传递电子到泛醌传递电子到泛醌(QN) 。 复合体复合体抑制剂：抑制剂：CN、N3紧密结合氧化型紧密结合氧化型Cyt a3，阻断电子由，阻断电子由Cyt a到到CuB-Cyt a3间传递。间传递。CO与还原型与还原型Cyt

23、a3结合，结合，阻断电子传递给阻断电子传递给O2。 化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥抗霉素A二巯基丙醇CO、CN-、N3-及H2S2 2、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度 解偶联剂解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，基本作用机制是联相互分离，基本作用机制是破坏破坏电子传递过程建电子传递过程建立的跨内膜的立的跨内膜的质子电化学梯度质子电化学梯度，使电化学梯度储存，使电化学梯度储存的的能量以热能形式释放能量以热能形

24、式释放，ATP的生成受到抑制。的生成受到抑制。 如：二硝基苯酚如：二硝基苯酚(dinitrophenol, DNP)；解偶联；解偶联蛋白蛋白(uncoupling protein，UCP1)。位于棕色脂肪组织中的线粒体中位于棕色脂肪组织中的线粒体中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 cQ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 3、ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成的生成这类抑制剂对电子传递及这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素作

25、用。例如寡霉素(oligomycin)可结合可结合F0单位，二单位，二环己基碳二亚胺环己基碳二亚胺(DCCP)共价结合共价结合F0的的c亚基谷氨酸亚基谷氨酸残基，阻断质子从残基，阻断质子从F0质子半通道回流，抑制质子半通道回流，抑制ATP合合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。 寡霉素寡霉素(oligomycin) 寡霉素寡霉素ATP合酶结构模式图合酶结构模式图可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回流，质子通道回流，抑制抑制ATP生成。生成。 诱导细胞膜上Na

26、+,K+- ATP酶的生成，使ATP 加速分解为ADP和Pi，ADP增多，促进氧化磷酸化。三、甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热三、甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热：呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，易受本身氧化磷酸化产生的氧自由基的损伤而突变。 四、线粒体DNA突变可影响氧化磷酸化功能 影响呼吸链氧化磷酸化复合体中多肽链的生物合成，使ATP生成减少而致病。五、线粒体内膜对各种物质进行选择性转运五、线粒体内膜对各种物质进行选择性转运线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。对各种物质的转运。肉碱肉碱脂酰肉碱脂酰肉碱肉碱转运蛋白肉碱转运蛋白瓜氨酸瓜氨酸鸟氨酸鸟氨酸碱性氨基酸转运蛋白碱性氨基酸转运蛋白柠檬酸柠檬酸苹果酸苹果酸三羧酸转运蛋白三羧酸转运蛋白OH-丙酮酸丙酮酸单羧酸转运蛋白单羧酸转运蛋白天冬氨酸天冬氨酸谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白谷氨酸转运蛋白-酮戊二酸酮戊二酸苹果酸苹果酸-酮戊二酸转运蛋白酮戊二酸转运蛋白苹果酸苹果酸HPO42