化学生物学第五章生物氧化

化学生物学第五章生物氧化第一页，共六十九页，2022年，8月28日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。第一节概述第二页，共六十九页，2022年，8月28日有机物质在生物体内的氧化作用，称为生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。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。而外源有机物（药物、毒物等）进入机体后，在微粒体氧化酶系的作用下，将发生一系列化学变化并形成一些分解产物或衍生物，此种过程称为生物转化或代谢转化。第三页，共六十九页，2022年，8月28日第二节生物氧化的特点1.生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，pH7和常温）。2.氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。3.水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予氧化反应。4.在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。第四页，共六十九页，2022年，8月28日5.生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶进行催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和条件下释放能量，提高能量利用率。6.生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。ATP:三磷酸腺苷，为含有高能磷酸键的有机化合物。第五页，共六十九页，2022年，8月28日第三节生物能及其存在形式一、生物能和ATPATP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。一般的能量形式，如光能（如太阳能）、热能和化学能等，都不能为生物细胞直接利用。光能需要通过光合作用转变成ATP(光合磷酸化)；化学能则需要通过生物氧化转变成ATP（氧化磷酸化）。第六页，共六十九页，2022年，8月28日二、高能化合物磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起着重要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放出自由能。一般将水解时能够释放21kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能（G’<-21kJ/mol）的化合物称为高能化合物。ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型：第七页，共六十九页，2022年，8月28日1.高能磷酸化合物如：磷酸烯醇式丙酮酸(14.8千卡/摩尔)、3-磷酸甘油酸磷酸(11.8千卡/摩尔)、磷酸肌酸(10.3千卡/摩尔)、乙酰基磷酸(10.1千卡/摩尔)、三磷酸腺苷(7.3千卡/摩尔)等。2.氮磷键型化合物磷酸肌酸(10.3千卡/摩尔)磷酸精氨酸(7.7千卡/摩尔)这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。第八页，共六十九页，2022年，8月28日3.硫酯键型化合物3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A4.甲硫键型化合物S-腺苷甲硫氨酸第九页，共六十九页，2022年，8月28日第四节线粒体呼吸链和ATP合成由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成，这种代谢途径一般称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，称为呼吸链。一、线粒体呼吸链的组成第七次课第十页，共六十九页，2022年，8月28日细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所，主要功能是将代谢物脱下的氢通过多种酶及辅酶所组成的传递体系进行传递，最终与氧结合生成水。二、线粒体的功能第十一页，共六十九页，2022年，8月28日三、呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置第十二页，共六十九页，2022年，8月28日四、线粒体呼吸链第十三页，共六十九页，2022年，8月28日五、呼吸链的电子传递过程第十四页，共六十九页，2022年，8月28日1.NADHNADH是呼吸链组成的第一个成员，主要来自生物大分子代谢过程。第十五页，共六十九页，2022年，8月28日2.NADH泛醌还原酶简写为NADHQ还原酶,即复合物I，它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。NADHQ还原酶最少含有16个多肽亚基。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。FMN(黄素单核苷酸)的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。

NADHQ还原酶

NADH+Q+H+=========NAD++QH2第十六页，共六十九页，2022年，8月28日复合体Ⅰ:NADH-泛醌还原酶第十七页，共六十九页，2022年，8月28日铁硫蛋白铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。第十八页，共六十九页，2022年，8月28日铁硫簇Fe4S4结构示意图

铁硫蛋白的Fe-S中心也许象(a)一样简单,来自于半胱氨酸的四个硫原子环绕着铁原子。其它中心包括无机和半胱氨酸的S原子,如同(b)2Fe-2S或(c)4Fe-4S中心.(d)的铁氧还原蛋白有一个2Fe-2S中心;Fe红色,无机S2黄色,半胱氨酸的S橙色。

第十九页，共六十九页，2022年，8月28日铁硫蛋白通过Fe3+

Fe2+

变化起传递电子的作用第二十页，共六十九页，2022年，8月28日3.泛醌（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。第二十一页，共六十九页，2022年，8月28日辅酶-Q的功能Q(醌型结构)很容易接受电子和质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出电子和质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。第二十二页，共六十九页，2022年，8月28日4.泛醌细胞色素C还原酶简写为QH2-cyt.c还原酶,即复合物III,它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素C（cyt.c）的还原。

QH2-cyt.c还原酶QH2+2cyt.c(Fe3+)====Q+2cyt.c(Fe2+)+2H+QH2-cyt.c还原酶由9个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素b和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。第二十三页，共六十九页，2022年，8月28日复合体II的结构第二十四页，共六十九页，2022年，8月28日泛醌

细胞色素C还原酶

第二十五页，共六十九页，2022年，8月28日细胞色素（简写为cyt.）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a,b,c和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素a,b,c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。细胞色素主要是通过Fe3+

Fe2+

的互变起传递电子的作用的。第二十六页，共六十九页，2022年，8月28日细胞色素根据它们吸收光谱不同而分类。第二十七页，共六十九页，2022年，8月28日5.细胞色素c（cyt.c）它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，cyt.c通过Fe3+

Fe2+

的互变起电子传递中间体作用。第二十八页，共六十九页，2022年，8月28日由于QH2是一个双电子载体，而参与上述反应过程的其它组分(如cyt.c)都是单电子传递体，所以，实际反应情况比较复杂。QH2所携带的一个高能电子通过铁硫蛋白，传递给cyt.c，本身形成半醌自由基（QH）；另一个电子则传递给cyt.b。还原型cyt.b可以将QH

还原成QH2。其结果是通过一个循环，QH2将其中的一个电子传递给cyt.c。第二十九页，共六十九页，2022年，8月28日6.细胞色素c氧化酶简写为cyt.c氧化酶，即复合物IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。活性部分主要包括cyt.a和a3。第三十页，共六十九页，2022年，8月28日复合体IV的结构第三十一页，共六十九页，2022年，8月28日cyt.a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt.aa3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+

Cu2+

的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。第三十二页，共六十九页，2022年，8月28日细胞色素c氧化酶第三十三页，共六十九页，2022年，8月28日琥珀酸-Q还原酶琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸-Q还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子传递给Q。再通过QH2-cyt,c还原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶将电子传递到O2。琥珀酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物,它比NADH-Q还原酶的结构简单，由4个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原。第三十四页，共六十九页，2022年，8月28日第三十五页，共六十九页，2022年，8月28日六、氧化-还原电势与自由能的变化在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物(氧化剂）接受电子。在线粒体呼吸链中，推动电子从NADH传递到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+

和1/2O2/H2O两个半反应之间存在很大的电势差。(a)½O2+2H++2e-

H2OE0’=+0.82V(b)NAD++H++2e-

NADHE0’=-0.322V将(a)减去(b)，即得(c)式：(c)½O2+NADH+2H+

H2O+NAD+E0’=+1.14VG’=-nFE0’=-2965001.14=-220kJ/mol第三十六页，共六十九页，2022年，8月28日第三十七页，共六十九页，2022年，8月28日七、电子传递和ATP的合成

NADH或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到O2的过程中，释放出大量的能量。这种高能电子传递过程的释能反应与ADP(二磷酸腺苷)和磷酸合成ATP的需能反应相偶联，是ATP形成的基本机制。第三十八页，共六十九页，2022年，8月28日呼吸链

的

电子

传递第三十九页，共六十九页，2022年，8月28日八、ATP酶复合体

线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的球状颗粒，称为ATP酶复合体，是ATP合成的场所。ATP合酶结构模式图第四十页，共六十九页，2022年，8月28日ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位电子传递链自由能变化

第四十一页，共六十九页，2022年，8月28日九、氧化磷酸化的偶联机理化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，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驱动ADP与Pi生成ATP。第四十二页，共六十九页，2022年，8月28日线粒体基质

线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图第四十三页，共六十九页，2022年，8月28日化学渗透假说第四十四页，共六十九页，2022年，8月28日十、氧化磷酸化作用的抑制和解偶联

能够阻断呼吸链中某一部位电子流的物质称为电子传递抑制剂，利用某些特异性的抑制剂切断某部位的电子流，再测定电子传递链中各组分的氧化-还原状态，是研究电子传递顺序的一种重要方法。已知的抑制剂(或影响氧化磷酸化的因素)有以下几种：

第四十五页，共六十九页，2022年，8月28日1.抑制剂（1）呼吸链抑制剂阿米妥、异戊巴比妥鱼藤酮、粉蝶霉素A

CO、H2SCN-、N3-

抗霉素A、二巯基丙醇（BAL）第四十六页，共六十九页，2022年，8月28日第四十七页，共六十九页，2022年，8月28日(2)复合物I抑制剂

鱼藤酮（rotenone）、安密妥（amytal）以及杀粉蝶菌素（piericidin），它们的作用是抑制NADH泛醌还原酶，从而阻断电子由NADH向辅酶Q的传递。鱼藤酮是一种极毒的植物物质，常用作杀虫剂使用，安密妥用作麻醉药就是根据这个原理。杀粉蝶菌素的结构类似辅酶Q，因此可以和辅酶Q相竞争。第四十八页，共六十九页，2022年，8月28日第四十九页，共六十九页，2022年，8月28日(3)复合物III抑制剂

抗霉素A（antimycinA）是从链霉菌（streptomycesgriseus）中分离出的抗菌素，可以抑制电子从细胞色素b到细胞色素c1传递的作用。第五十页，共六十九页，2022年，8月28日氰化物、硫化氢、叠氮化物和一氧化碳等可以抑制细胞色素c氧化酶，从而阻断电子由细胞色素aa3传至氧的作用，这就是氰化物等中毒的原理。

(4)复合物IV抑制剂

2.解偶联剂

(1)氧化磷酸化作用的解偶联剂

除了上述抑制剂外，还有一类抑制剂可以阻断氧化磷酸化作用，这类物质称为解偶联剂。解偶联剂可使正常紧密联系着的氧化过程与磷酸化过程发生松解，甚至完全拆离，相应地使P/O比率下降或变为零。第五十一页，共六十九页，2022年，8月28日由于氧化速度增加而磷酸化作用下降，结果产生过量的热。在整体的动物过量产热表现为发热及导致由其他代谢紊乱而出现的临床症状，因为ATP相对缺乏，阻滞了某些重要的细胞活动，例如离子的转送，膜的通透性改变等。第五十二页，共六十九页，2022年，8月28日解偶联剂作用机制H＋膜内外电化学梯度电子传递使H＋跨膜转移H＋经ATP合酶的F0单元回流ATP合成H＋经从其它途径回流能量以热能散失，不能合成ATP常见的解偶联剂包括：2,4－二硝基苯酚，解偶联蛋白。第五十三页，共六十九页，2022年，8月28日常见的解偶联剂有2,4-二硝基苯酚(曾用于降体重)、双香豆素、某些水杨酸苯胺的取代物以至游离的水杨酸，即阿斯匹林的代谢物。从用量多少比较，水杨酸苯胺是目前已知的最强效解偶联剂。天然解偶联剂包括胆色素、胆红素、游离脂肪酸，也许还有甲状腺素。这些物质必须在线粒体内达到足够高浓度才起解偶联作用。某些病原微生物产生的可溶性毒素也有解偶联作用，粮食生产以至家庭使用的某些杀虫药，过量时也有解偶联作用。

第五十四页，共六十九页，2022年，8月28日鱼藤酮安密妥抗菌素A第五十五页，共六十九页，2022年，8月28日(2)解偶联蛋白UCP

化学渗透假说指出，在电子传递链中，从线粒体基质泵出H+，产生H+跨膜电化学势能，这种势能又驱使H+通过ATP合成酶重新回到线粒体基质中，同时合成ATP。然而，线粒体在没有ADP的情况下也可进行呼吸作用，即H+不通过ATP合成酶也可以从线粒体内膜渗漏到线粒体基质中，而不产生ATP。研究发现这种解偶联作用是由线粒体内膜上的UCP所介导的。UCP在产热､控制ROS、调控脂肪酸氧化以及肥胖和糖尿病中起重要作用。第五十六页，共六十九页，2022年，8月28日①UCP的蛋白质结构

已知的UCP包括UCP1､UCP2､UCP3､UCP4､BMCP1以及植物中的UCP等。UCP1､UCP2和UCP3在结构上十分相似，均以二聚体形式存在于线粒体内膜｡其单体分子含有三段约100个氨基酸的相似的结构域，每个结构域含两个跨膜蛋白螺旋，由位于基质中的环连接起来，重复区N端和C端位于线粒体内膜内侧，而且每个结构域含一段线粒体载体信号序列。

第五十七页，共六十九页，2022年，8月28日AfoldingdiagramofUCP-1fromhamsterBAT

第五十八页，共六十九页，2022年，8月28日②UCP解偶联机制

电子传递链产生H+跨线粒体内膜的势能。在偶联状态下，势能驱使H+通过ATP合成酶而重新回到线粒体基质中，同时将势能转化为ATP的化学能；而H+也可通过UCP回到线粒体基质，即质子渗漏，此途径不与任何消耗能量的过程相偶联，能量以热能形势释放，减少了ATP合成。自由脂肪酸可促进UCP1介导的H+运输，而嘌呤核苷酸可抑制UCP1活性。对于脂肪酸促进UCP1介导的H+运输的机制有两种假说。第五十九页，共六十九页，2022年，8月28日第一种假说认为，UCP1运输的是H+，而脂肪酸为运输H+提供羧基。第二种假说则认为，UCP1运输的是自由脂肪酸而不是H+，通过脂肪酸循环来运输H+。这一方面的机制还有待进一步研究｡

第六十页，共六十九页，2022年，8月28日③UCP的生物学功能

UCP1可产生热能，减少ATP的合成，因此，UCP1在啮齿类动物中有产生热量以维持体温的重要作用。此外，UCP1可控制ROS的产生，在肥胖和糖尿病中也有一定作用。对UCP2和UCP3的功能则存在较多争议，目前认为虽然UCP2和UCP3也能像UCP1一样有适应性产热功能，它们更主要在控制ROS产生和控制脂肪酸氧化中起作用，并且与肥胖和糖尿病的产生有密切关系。第六十一页，共六十九页，2022年，8月28日a.介导适应性产热

适应性产热可由食物或温度变化诱导产生，其在控制能量稳态和体重中有重要作用｡UCP1基因剔除的小鼠在寒冷中无法维持体温，所以UCP1也可介导任意食物诱导的产热。UCP1所介导寒冷诱导的产热可分为短期和长期两种。短期反应一般在几分钟之内，而长期反应一般为几小时或几天。

第六十二页，共六十九页，2022年，8月28日

HeatproductioninBATintheframeworkoftheoverallbodyweightcontrolsystem.

第六十三页，共六十九页，2022年，8月28日b.调节脂肪酸氧化

UCP2和UCP3与脂肪酸代谢有密切关系。β氧化增强时，UCP2和UCP3的mRNA水平升高。新生小鼠的骨骼肌直到哺乳期才产生UCP3；新生鼠没有内源性的脂肪储备，如果不让其哺乳，则不诱导UCP3产生，而如果此时喂养脂肪乳剂，则可显著诱导UCP3产生。而UCP2和UCP3在脂肪酸代谢中可能起运输脂肪酸的作用。例如UCP3