生物化学第6章生物氧化课件

第六章生物氧化BiologicalOxidation

讲授内容

生成ATP的氧化体系

一、呼吸链二、氧化磷酸化三、影响氧化磷酸化的因素四、高能磷酸化合物ATP

五、通过线粒体内膜的物质转运物质在生物体内进行氧化称生物氧化(biologicaloxidation)，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能生物氧化的概念反应环境温和，酶促反应逐步进行，能量逐步释放，能量容易捕获，ATP生成效率高。脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。生物氧化与体外氧化的不同点生物氧化体外氧化能量突然释放。物质中的碳和氢直接与氧结合生成CO2和H2O

。糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2生物氧化的一般过程第一节

生成ATP的氧化磷酸化体系TheOxidativePhosphorylationSystemwithATPProducing指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具有电子传递功能的酶复合体，可通过链锁的氧化还原将代谢物脱下的氢(质子和电子)最终传递给氧生成水。这一系列酶和辅酶称为呼吸链又称电子传递链。一、呼吸链定义人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称质量(kD)多肽链数功能辅基含结合位点复合体ⅠNADH-泛醌还原酶85039FMN，Fe-SNADH（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅲ泛醌-细胞色素C还原酶25011细胞色素bL,bH,c1,Fe-SCytc（膜间隙侧）复合体Ⅳ细胞色素C氧化酶16213细胞色素a，a3，CuA,CuBCytc（膜间隙侧）泛醌、细胞色素c不包含在上述四种复合体中。

1、复合体Ⅰ

作用：将NADH+H+中的电子传递给泛醌：

NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQ

每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体Ⅰ有质子泵功能。

组成：NADH-泛醌还原酶。黄素蛋白：辅基是FMN铁硫蛋白（Fe-S）：以铁硫族为辅基NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变NAD+的加氢和脱氢反应FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN·。在可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态，属于单、双电子传递体。

HHH

铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。属于单电子传递体。泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。是内膜中可移动的电子载体，在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。

复合体Ⅰ电子传递过程还原型FAD复合体Ⅱ电子传递过程

Cyta:a,a3

细胞色素Cytb:b560,b562,b566Cytc:c,c1细胞色素(cytochrome,Cyt)细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。细胞色素(cytochrome,Cyt)CytaCytbCytc

4.复合体Ⅳ

作用：将电子从细胞色素C传递给氧

Cyt

c→CuA→Cyt

a→CuB

–

Cyta3→O2

Cyta3–CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。

组成：细胞色素C氧化酶

Cyta、Cyta3和Cu(

Cu

A

和

CuB)

Cu+Cu2+

Cyta和Cyta3

结合紧密常以Cytaa3

表示-e+e复合体Ⅳ的电子传递过程标准氧化还原电位拆开和重组特异抑制剂阻断还原状态呼吸链缓慢给氧（二）呼吸链的顺序排列

由以下实验确定:Δ1、NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22、FADH2氧化呼吸链琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2体内已知的两条呼吸链NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链二、氧化磷酸化氧化磷酸化

(oxidativephosphorylation)由代谢物脱下的氢，经线粒体氧化呼吸链电子传递并释放能量，偶联驱动ADP磷酸化生成ATP的过程。又称为偶联磷酸化。底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)与脱氢反应偶联，生成底物分子的高能键，使ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的过程。不经电子传递。ATP生成方式（一）氧化磷酸化偶联部位根据P/O比值自由能变化:⊿Gº'=-nF⊿Eº'氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ1、P/O比值指氧化磷酸化过程中，每消耗1摩尔氧所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。

离体线粒体测知的P/O比值

底物电子传递途径P/O比值生成ATP数

ß-羟丁酸NADHFMNCoQCytO22.52.5

琥珀酸FADCoQCytO21.51.5

抗坏血酸CytcCytaa3O20.881

细胞色素CCytaa3O20.61-0.681FADH2

NADHFMNCoQCytbCytc1CytcCytaa3O2

2、自由能变化根据热力学公式，pH7.0时标准自由能(△G0′)与标准氧化还原电位(△E0′)之间有以下关系：n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/mol·V)△G0′=-nF△E0′

已知生成每克分子ATP需要的自由能约为30.5KJ，故从呼吸链上相邻载体之间的电位差的大小即可推测生成ATP的部位。

FADH20.1v=20KJNADHFMNCoQCytbCytcCytaaO2

△

EO′

0.36v△EO′0.19v△EO′0.58v

△GO′69.5KJ△GO′

36.7KJ△GO′112KJ

ADPADPADPPiPiPiATPATPATP

（二）氧化磷酸化偶联机制

1、化学渗透假说：

1961年Mitchell提出了化学渗透假说，1978年获诺贝尔化学奖。

基本要点:电子经呼吸链传递时,可将质子从线粒体内膜的基质侧泵到内膜的胞浆侧,产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产生的能量驱动ADP与Pi生成ATP.NADH+H+NAD+2H+2H+1/2O2+

2H+H2O2eFeS

FeS

QH22eb566b562QH2FeS2ec1caa3CuCu2H+2H+

2H+胞浆侧线粒体内膜基质侧FMNH22HⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液侧

基质侧++++++++++---------电子传递过程复合体Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有质子泵功能。

(三）ATP合酶：

ATP合酶的结构

由两部分组成：

F1：

水溶性，由α、β、γ、δ、ε5种亚基按α3β3γδε组成,MW为371Kd，β-亚基必须与α-亚基结合才具有催化合成ATP的活性。

F0：脂溶性，由a、b、c三类亚基，按ab2cn组成，还有寡酶素敏感蛋白。F0的作用是将质子梯度产生的能量导向F1.

CATP合酶组成可旋转的发动机样结构F0的2个b亚基的一端锚定F0的α亚基，另一端通过δ和α3β3稳固结合，使a、b2和α3β3、δ亚基组成稳定的定子部分。部分γ和ε亚基共同形成穿过α3β3间中轴，γ还与1个β亚基疏松结合，另一端与嵌入内膜的c亚基环紧密结合。c亚基环、γ和ε亚基组成转子部分。质子顺梯度向基质回流时，转子部分相对定子部分旋转，使ATP合酶利用释放的能量合成ATP。

当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。ATP合酶的工作机制ATP合成的结合变构机制三、氧化磷酸化的因素影响（一）有三类氧化磷酸化抑制剂1.呼吸链抑制剂：阻断氧化磷酸化的电子传递过程2.解偶联剂:使氧化与磷酸化脱节,P/O比值降低3.ATP合酶抑制剂：同时抑制电子传递和ATP的生成

NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×抗霉素A粘噻唑菌醇×CO、CN-、N3-及H2S×1.呼吸链抑制剂萎锈灵×2.解偶联剂：解偶联剂能使氧化与磷酸化脱节,P/O比值降低，ATP的生成减少，机体加快燃料的氧化。如:二硝基苯酚、水杨酸、水杨酰苯胺、等。

解偶联剂的作用机制：

解偶联剂皆为脂溶性，能可逆结合质子，在膜间隙结合质子后穿过内膜到基质释放出质子，使内膜胞液侧的H+不经ATP合酶的F0质子通道回到基质。破坏了线粒体内膜两侧的电化学梯度，ATP的生成受到抑制。

解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP3、ATP合酶抑制剂：同时抑制电子传递和ATP的生成这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素可结合F0单位，阻断质子从F0质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。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。

寡霉素(oligomycin)寡霉素ATP合酶结构模式图可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。

(二)ADP的调节作用

ADP/ATP比值是调节氧化磷酸化的主要因素：比值增大，氧化磷酸化加快，反之氧化磷酸化则减慢。这样可使体内ATP的生成速度与机体的生理需要相适应。

(三)甲状腺素的调节作用

甲状腺素能使Na+-K+-ATP酶基因表达增加,促进ATP分解，使ADP增多而加快氧化磷酸化。甲状腺素还使解偶联蛋白基因表达增加,使ATP生成减少。

(四)线粒体DNA突变线粒体DNA由于缺乏蛋白质保护和损伤修复系统易发生突变，而影响其氧化磷酸化的肽和蛋白质的编码基因，使氧化磷酸化降低，ATP生成减少而致病。

四、ATP在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用高能磷酸键水解时释放的能量大于21kJ/mol的磷酸酯键，常表示为P。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物化合物△E0′kJ/mol(kcal/mol)磷酸烯醇式丙酮酸－61.9(－14.8)氨基甲酰磷酸－51.4(－12.3)1，3-二磷酸甘油酸－49.3(－11.8)磷酸肌酸－43.1(－10.3)ATP→ADP＋Pi－30.5(－7.3)乙酰辅酶A－31.5(－7.5)ADP→AMP＋Pi－27.6(－6.6)焦磷酸－27.6(－6.6)1-磷酸葡萄糖－20.9(－5.0)一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能

核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶的作用

ADP+ADPATP+AMP高能磷酸键的转移: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。

ATP的生成和利用ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。

ATP循环

定义:

ATP水解成ADP时释放的能量用以驱动那些需要加入自由能的吸能反应。如生物合成、肌肉收缩、信息传递、物质转运等，而ADP又利用营养物质氧化时释放的自由能重新磷酸化成ATP,这样就构成了ATP循环。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。

线粒体内膜的主要转运蛋白

（一）胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链胞浆中NADH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。α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle