生物化学-期中前-化学课件氧化

1生物氧化BiologicalOxidation李悦

587096162概述3维持生命活动的能量，主要有两个来源：光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。化学能：动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。有机物质在生物体内的氧化作用，称为生物氧化。由于生物氧化通常需要消耗氧，产生二氧化碳，故又称“细胞呼吸”。在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧化成CO2和水，并释放出能量。4生物能和ATP生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从热力学的自由能变化规律。一般将体内水解时能够释放21kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能的化合物称为高能化合物。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放出自由能，在生物体的能量转换过程中起着重要作用。ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物，是生物能存在的主要形式。ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。5生物氧化（biologicaloxidation）:

物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂类、蛋白质等有机物在细胞内经过一系列氧化分解最终彻底氧化成CO2和H2O并释放能量的过程。此过程需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称细胞呼吸(cellularrespiration)。6糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能生物氧化的一般过程7生物氧化的方式和特点方式脱电子脱氢

加氧特点细胞内进行，在体温、近中性PH和水的温和环境中，整个反应在一系列氧化-还原酶的催化下分步进行的能量逐步放出有机酸脱羧生成二氧化碳，底物脱氢经氢或电子传递反应与氧结合生成水速率受体内多种因素的影响和调节8体内外氧化的差异

体外氧化（燃烧）

体内氧化（生物氧化）相似点：消耗O2，最终产物是CO2和H2O,释放相同的能量不同点：1.无酶参与酶参与，反应温和（37℃，水环境）2.有机C直接与O2化合生成CO2有机C经过一系列中间产物（有机酸）经脱羧生成CO23.H直接与O2化合生成H2O在脱氢酶催化下，脱氢，经过一系列中间递体，最终与O2结合生成H2O4.能量以热量形式急剧释放能量逐步释放，一部分以热能形式释放，另一部分以高能键形式贮存起来9体内生物氧化的反应场所：真核生物：主要在线粒体（生物转化：线粒体外的细胞器中进行，如微粒体、内质网等处，主要指药物、毒物等的代谢转化，以肝脏为主要反应器官，不涉及ATP的生成）原核生物：细胞质膜10

线粒体内的氧化过程11线粒体氧化体系1212线粒体(mitochondrion)的结构13生物氧化（真核生物-线粒体）1个酶（ATP合酶复合体）2条呼吸链（线粒体内膜上）3种假说（化学渗透假说）4个复合体5个主要组分14呼吸链(respiratorychain)

呼吸链是由一系列的递氢体和递电子体按一定的顺序排列所组成的连续反应体系，代谢物分子上的氢由脱氢酶激活脱下，经过一系列传递体的有序传递，将电子传递到细胞色素体系，最后传递到氧激活氧，活化的氢和活化的氧结合生成H2O，传递过程中有ATP生成，这个过程构成的传递链叫呼吸链或电子传递链(electrontransferchain)。15二.呼吸链的组成成分（递氢体和递电子体）1.尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)2.黄素蛋白(flavoproteins,FP)3.铁硫蛋白(iron-sulfurproteins,Fe-S)4.泛醌(ubiquinone,UQ或Q)5.细胞色素体系（cytochromes,Cyt）161、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)，又称辅酶I(CoI)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)，又称辅酶Ⅱ(CoⅡ)NAD+为体内很多脱氢酶的辅酶，是连接作用物与呼吸链的重要环节，分子中除含尼克酰胺(维生素PP)外，还含有核糖、磷酸及一分子腺苷酸(AMP)，其结构如下：17尼克酰胺核糖磷酸腺苷酸18

NAD+是递氢体反应时，NAD+的尼克酰胺部分可接受一个氢原子及一个电子，将另一个H+游离出来。作用：接受代谢物上脱下的氢，然后传给另一个传递体黄素蛋白N+CONH2R+H+H++eNRCONH2HHNAD+NADH+H+19NAD+腺苷酸部分中核糖的2′位碳上羟基的氢被磷酸基取代而成NADP+，结构如下：20NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。21大多数脱氢酶以NAD+为辅酶少数脱氢酶以NADP+为辅酶以NAD+为辅酶：3-P-GADH,LDH,PyrDH,KGDH,MalDH,异CitDH以NADP+为辅酶：G6PD6PGADHMal酶二者皆可：GluDH以NAD+和NADP+为辅酶的酶222.黄素蛋白(flavoproteins)黄素蛋白是一种脱氢酶，种类很多。

其辅基有两种黄素单核苷酸(FMN)；黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)两者均含核黄素(维生素B2)和一分子磷酸，而FAD则比FMN多含一分子腺苷酸(AMP)。23FMNAMP维生素B2FMN及FAD的结构24黄素蛋白是递氢体在FAD、FMN分子中的异咯嗪部分1和10位的氮可以进行可逆的脱氢加氢反应，接受一对氢原子而变成还原型FMNH2或FADH2。25黄素蛋白是递氢体作用：黄素蛋白可催化代谢物脱氢，脱下的氢可被辅基FMN或FAD接受。FMN：NADH脱氢酶将氢由NADH转移到FMN上，使FMN还原成FMNH2，氢再转移至UQFAD：琥珀酸脱氢酶以FAD为辅基，直接将作用物脱下的氢传递进入呼吸链263、铁硫蛋白(iron-sulfurproteins,Fe-S)又称铁硫中心，含铁原子和硫原子，铁与无机硫原子或与蛋白质肽链上半胱氨酸残基的硫相结合。常见的铁硫蛋白有三种组合方式：27铁硫蛋白(iron-sulfurprotein)SS无机硫半胱氨酸硫28在呼吸链中，铁硫蛋白多与黄素蛋白或细胞色素b结合成复合物存在Fe-S是递电子体作用的分子结构特点：含铁原子，铁为非血红素铁。铁与无机硫原子或蛋白质肽链上半胱氨酸残基的硫相结合。铁能可逆地进行氧化还原反应，每次只能传递一个电子，为单电子传递体。

Fe2+Fe3++e294.泛醌(ubiquinone,UQ或Q)或称辅酶Q，是一种脂溶性醌类化合物有较长的多个异戊二烯构成的侧链，不同来源的泛醌其异戊二烯单位的数目不同能在线粒体中迅速扩散，极易从线粒体内膜中分离出来，故不包含在复合体中。30泛醌是递氢体作用分子结构特点： 泛醌接受一个电子和一个质子还原成半醌QH，再接受一个电子和质子则还原成二氢泛醌QH2，后者又可脱去电子和质子而被氧化恢复为泛醌。315.细胞色素体系（cytochromes,Cyt）是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类。根据吸收光谱和最大吸收波长的不同，参与呼吸链组成的有Cyta（598～605nm）、Cytb（556～564

nm）、Cytc（550～555

nm）。Cyta又分为a、a3；Cytb又分为b562、b566；Cytc又有c、c1。各种细胞色素的差别在于铁卟啉辅基的侧链及铁卟啉与蛋白质的连接方式，从而造成各类细胞色素光吸收性质的不同。32细胞色素铁卟啉辅基（血红素）血红素b血红素a33血红素c34细胞色素是递电子体作用分子结构特点：铁卟啉辅基所含Fe2+可有Fe2+Fe3++e的互变，进行可逆的氧化还原反应，为单电子传递体。35递氢体：NAD+、黄素蛋白、泛醌递电子体：Fe-S、细胞色素体系36小结：呼吸链由不同组分所组成；各组分具有传递电子的结构基础；各组分在氧化还原状态之间进行转化，从而起到电子传递作用。37在呼吸链中不同的电子传递体都和蛋白质结合存在。NAD+是许多脱氢酶的辅酶。FMN是NADH脱氢酶的辅酶。泛醌是一种和蛋白质结合不紧密的辅酶，脂溶性的异戊二烯侧链使CoQ在线粒体内膜脂双层中局部扩散，作为一种流动着的电子载体在复合体Ⅰ（复合体Ⅱ）和复合体Ⅲ之间起传递电子的作用。与呼吸链中递电子体相结合的蛋白质都是水不溶性的，真核细胞中这些蛋白质镶嵌在线粒体的内膜上。3839三、呼吸链的组成四种具有传递氢或电子功能的酶复合体(complex)*泛醌和Cytc均不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体40复合体Ⅰ：NADH-泛醌还原酶，NAD+到泛醌间的组分组成：黄素蛋白(FMN为辅基)、铁硫蛋白作用方式：与基质内经脱氢酶催化产生的NADH+H+相互作用。NADH脱下的氢经复合体Ⅰ中FMN、铁硫蛋白等传递给辅酶Q。与此同时具有质子泵的功能，每传递2个电子可将4个H+从线粒体内膜基质侧转移到线粒体内膜外（胞浆侧）。41NADH+H+

NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2复合体Ⅰ的功能苹果酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶α-酮戊二酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶β-羟丁酸脱氢酶β-羟酯酰CoA脱氢酶4H+42复合体Ⅱ：琥珀酸-泛醌还原酶，存在于琥珀酸到泛醌间组成：

黄素蛋白(FAD为辅基）、铁硫蛋白、细胞色素b560

作用方式： 将还原当量(2H)从琥珀酸到FAD，然后经FeS传递至UQ。

没有H+泵的功能。4344泛醌：分子较小，不与任何蛋白结合。在线粒体内膜呼吸链不同组分间可以穿梭游动传递电子接受复合物Ⅰ或Ⅱ的氢后将质子（H+）释放入线粒体基质中，将电子传递给复合物Ⅲ。45复合物Ⅲ：泛醌-细胞色素c还原酶，泛醌到细胞色素c间组成： 细胞色素b(Cytb562,b566)、Cytc1、铁硫蛋白作用方式： 在泛醌和Cytc间传递电子。

具有质子泵的功能将质子从线粒体基质转移到线粒体内膜外。4647

Cytc：分子量较小，与线粒体内膜结合疏松。是除泛醌外另一个可在线粒体内膜外侧移动的递电子体。48

复合物Ⅳ：细胞色素c氧化酶组成：Cyt

aa3—

Cyta，Cyt

a3(2个铁卟啉基、2个铜原子)作用：Cu+Cu2++e

将电子从细胞色素传递给氧，同时引起质子从线粒体基质向膜间隙移动。

4950呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置51ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-52四、呼吸链传递体的排列顺序（实验测定）：根据各种组分的标准氧化还原电位来确定。测定特定吸收光谱。使用特异的抑制剂。酶复合体。53还原电位和呼吸链的顺序呼吸链的顺序：1还原电位还原电位与电子亲和力放电子能力即：还原能力而氧化能力低者（负值多）为还原剂，高者为氧化剂 电子流动趋向从还原电位低向还原电位高的方向流动负前，正后，按数值排列小大54Q10/Q10H2CytbFe3+/Fe2+5555562.吸收光谱 呼吸链中组分得失电子后光谱发生改变如：NAD+（260nm）→NADH+H+（340nm）

FP（370nm，450nm）→FMNH2，FADH2(370nm)

细胞色素在还原状态具特殊吸收光谱，氧化后消失 通过分光光度法来观察各组分的氧化还原状态，将完整线粒体在全还原状态下通氧，最接近氧的组分，首先给出电子最先氧化排在在后，按氧化的顺序：后氧化组分先氧化组分573.用抑制剂方法抑制剂阻断呼吸链后，阻断部位以前的电子传递体处于还原状态，阻断部位之后为氧化态。

NADHCoQbC1Caa3O2FMNFe•S鱼藤酮阿米妥抗霉素A氰化物,CO

584.在体外将呼吸链拆开和重组，鉴定四种复合体的组成与排列。测定重组后的呼吸链传递电子的功能，确定它们各自的排列位置。5960五、两条呼吸链NADH电子传递链FADH2电子传递链

SH2NADFMNH2Q2CytFe2+

½O2b-c1-c-aa3

SNADHFMNQH2

2CytFe3+O2-

2H+

SH2FADQH22CytFe3+O2-

SFADH2Q2CytFe2+

½O2H2O2H+61NADH氧化呼吸链

体内最常见的一条重要呼吸链，多种代谢物如苹果酸、乳酸等脱下的氢通过该呼吸链传递给氧生成水。NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22.FADH2氧化呼吸链

琥珀酸脱氢酶、脂肪酰CoA脱氢酶和α-磷酸甘油脱氢酶催化代谢物脱下的氢通过此呼吸链被氧化，不如NADH氧化呼吸链的作用普遍。琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O262NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链63呼吸链的特点1.随着各电子传递体的还原电位，对电子亲和力，电子逐步传递到氧，每一次传递都释放能量2.各电子传递体以复合体形式存在，按序整合，连续，高速3.分布不对称（Mit内膜上）64ATP的生成、利用与储存65一、高能化合物和高能磷酸化合物1.高能化合物 化合物进行水解反应时伴随的标准自由能变化（ΔG0’）≥ATP水解成ADP的标准自由能变化的化合物。 在PH7.0条件下，ATP水解为ADP和磷酸时，其ΔG0’为-30.5KJ/mol。662.高能磷酸化合物：含有高能磷酸键的化合物高能磷酸键：磷酸酯键释放能量＞21kJ/molATP、ADP、1,3-二磷酸甘油酸、磷酸肌酸等3.

高能硫酯化合物：由酰基和硫醇基构成，如乙酰CoA，脂酰CoA和琥珀酸CoA等。674.ATP循环：ADP接受代谢物质中所形成的一些高能化合物的一个磷酸基团和一部分能量转变成ATP，也可在呼吸链氧化过程中直接获取能量，用无机磷酸合成ATP；ATP水解释放一个磷酸基团又生成ADP，同时释放能量用于合成代谢和其他需要能量的生理活动。68二、ATP的生成方式1.底物水平磷酸化（substratelevelphosphorylation） 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。与呼吸链的电子传递无关。692.氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）代谢物氧化脱氢经呼吸链传递给氧生成水的同时，释放能量用以使ADP磷酸化生成ATP。是氧化和磷酸化耦联的过程。是体内生成ATP的主要方式如果只有代谢物的氧化过程，而不伴随有ADP的磷酸化过程，则称为氧化磷酸化的解耦联（uncoupling）。70（1）氧化磷酸化的耦联部位，即ATP在呼吸链中形成的部位

①P/O比值测定

P/O比值：消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数。71线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比72NADH→FMN（Fe-S）→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2

FAD（Fe-S）

ATPATPATP氧化磷酸化的耦联部位②根据氧化还原电位计算电子传递释放的能量即标准自由能变化是否能满足ATP合成的需要，大于30.5kJ/mol73代谢物脱下的一对氢，若经NADH进入呼吸链传递生成水，可生成3分子ATP。代谢物脱下的一对氢，若经FADH2进入呼吸链传递生成水，可生成2分子ATP。74三、氧化磷酸化的机制 三种假说化学耦联假说构象变化假说化学渗透假说75化学偶联假说 认为电子传递中所释放的自由能以一个高能共价中间物形式暂时存在，随后裂解将其能量转给ADP以形成ATP。但不能从呼吸链中找到高能中间物的实例。构象偶联假说 认为电子沿呼吸链传递释放的自由能使线粒体内膜蛋白质发生构象变化而形成一种高能形式暂时存在。这种高能形式将能量转给F0F1-ATP酶分子使之发生构象变化，F0F1-ATP酶复原时将能量转给ADP形成ATP。76化学渗透假说（chemiosmotictheroy）的基本观点：1.线粒体内膜中电子传递与线粒体释放H+是耦联的。2.形成跨膜电位△Ψ和PH梯度△PH，底物氧化过程中释放的自由能就储存于△Ψ和△PH中。3.H+顺浓度梯度方向运动所释放的自由能用于ATP合成。77化学渗透假说中支持ATP生成的结构基础是：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ在传递电子过程中都能同时将从线粒体基质侧泵出到内膜外，具有质子泵作用。线粒体内膜上具有ATP合酶（ATPsynthase）78线粒体基质线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图7980ATP合酶（ATPsynthase）81ATP合酶的亚基组成疏水F0，亲水F1——F0F1复合体九条多肽亚基：α3、β3、γ、δ、εβ与α亚基上有ATP结合部位γ亚基具有质子通过的闸门作用δ亚基是F1与膜相连所必需的，中心部分为质子通道ε亚基是酶的调节部分F0亚基主要构成质子通道，由3-4个大小不一的亚基所组成，其中一个亚基称为寡霉素敏感蛋白(oligomycinsensitivityconferringprotein,OSCP)82Boyer提出了结合变化机制亚基变构：亚基由于亚基的转动而改变构象，从而改变对ADP及ATP的亲和力在获得能量时：合成ATP，释放ATP

能量：H+顺梯度流向基质时释放ATP合成的机制83

总之，化学渗透学说认为在氧化和磷酸化之间起耦联作用的因素是H+的跨膜浓度梯度。84四、氧化磷酸化作用的调控：氧化磷酸化抑制剂：电子传递抑制剂或呼吸链抑制剂氧化磷酸化抑制剂解耦联剂85呼吸链抑制剂:抑制呼吸链的电子传递，使氧化受阻则耦联的磷酸化也无法进行。86

氧化磷酸化抑制剂：抑制ATP的合成 寡霉素可与ATP合成酶的OSCP亚基结合，阻塞H+通道，从而抑制ATP的合成。87寡霉素(oligomycin)可阻止质子从F0通道回流，抑制ATP生成寡霉素ATP合酶结构模式图88解耦联剂：使氧化和磷酸化脱耦联，氧化仍可以进行，而磷酸化不能进行。 本质上是使呼吸链传递电子过程中泵出的H+不经ATP合酶的F0质子通道回流，而通过线粒体内膜中其它途径返回线粒体基质，能量以热能形式释放。 常用的解耦联剂有2，4-二硝基苯酚（DNP）。89解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能

H+

H+ADP+PiATP90甲状腺激素使机体耗氧和产热均增加1.促进Mit的氧化磷酸化，ATP生成2.甲状腺激素诱导Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。使ATPADP+Pi总效应：ATP合成，ATP分解也表现为氧耗，产热甲亢：易热，易喘，情绪激动91线粒体DNA(mitochondialDNA)

氧自由基氧化磷酸化突变

ATP呼吸链及线粒体蛋白质合成mtDNA病线粒体DNA病与衰老有关。–线粒体DNA突变92五、ATP的利用与储存ATP的生理作用是生命活动利用能量的主要形式；用于糖、脂及蛋白质的生物合成；核酸合成原料；肌肉收缩的能源；为离子转运提供能量；参与细胞间信息传递等93ATP的储存磷酸肌酸94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。95六、胞浆中NADH的氧化胞浆中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。转运机制主要有α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)961.

α-磷酸甘油穿梭机制

97

NADH+H+

FADH2NAD+

FAD