生物氧化课件

YingziKang（康英姿）Dept.ofBiochemistry,TianjinMedicalUniversityChapter6生物氧化（biologicaloxidation）物质在体内氧化成CO2，H2O，并释放出能量的过程。由于这一过程在细胞内进行，并消耗氧产生二氧化碳，因此生物氧化又称组织呼吸或细胞呼吸（tissuerespirationorcellularrespiration）。蛋白质、脂肪、糖等在体内氧化分解产生还原当量，这些还原当量进入呼吸链，被氧化生成水，同时产生ATP。Chapter6生物氧化的特点生物氧化是在活细胞内、在体温、常压、近于中性pH及有水环境介质中进行的，是在一系列酶、辅酶和中间传递体的作用下逐步进行的；生物氧化时，氧化还原过程逐步进行，能量逐步释放，这样不会因为氧化过程中能量骤然释放而损害机体，同时使释放的能量得到有效的利用；Chapter6生物氧化的方式和酶生物氧化中CO2的生成方式：单纯脱羧与氧化脱羧脱羧与脱羧生物氧化中物质的氧化方式：脱电子脱氢加氧催化氧化还原反应的酶类：氧化酶不需氧脱氢酶其它酶类Chapter6Chapter6高能磷酸化合物磷酸化合物在生物机体的能量转换过程中起着重要作用。在机体内有许多磷酸化合物，其磷酸键中贮存大量的能，这种能量称为磷酸键能。在生物化学中所说的“高能键”和物理化学中的“高能键”的含意是根本不同的。物理化学中的高能键是指该键很稳定，要使其断裂则需大量的能量。而生物化学中的“高能键”指的是随着水解反应或基团转移反应可放出大量自由能的键，此处高能键是不稳定的键，如具有高的磷酸基团转移势能或水解时释放较多自由能的磷酸酐键或硫酸键。Chapter6能量转移、储存及利用有些合成反应不一定都直接利用ATP供能，而可以用其他三磷酸核苷。如UTP用于多糖合成、CTP用于磷脂合成、GTP用于蛋白质合成等。但物质氧化时释放的能量通常是必须先合成ATP，然后ATP可使UDP、CDP或GDP生成相应的UTP、CTP或GTP，而ATP又转化为ADP。Chapter6一般将含有20.9kJ/mol以上能量的磷酸化合物称为高能磷酸化合物，含有高能的键称为高能键。高能键常以“～”符号表示。Chapter6呼吸链在线粒体内膜上，存在着多种递氢体和电子传递体，它们按一定顺序排列，可以把代谢物脱下的H传递给氧生成水，同时伴随着ATP的生成。其中起电子传递的酶或者辅酶称为递氢体或递电子体，它们按照一定的顺序排列在线粒体膜上称为电子传递链（electrontransferchain）。上述体系与细胞摄取氧的呼吸过程有关，又称为呼吸链（respiratorychain）：Chapter6呼吸链的主要成分电子传递链主要由下列五类电子传递体组成，它们是：烟酰胺脱氢酶类、黄素脱氢酶类、铁硫蛋白类、细胞色素类、辅酶Q（又称泛醌）它们都是疏水性分子。除脂溶性辅酶Q外，其他组分都是结合蛋白质，通过其辅基的可逆氧化还原传递电子。Chapter6烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类（nicotinaminedehydrogenases）以NAD+和NADP+为辅酶，现已知在代谢中这类酶有200多种。这类酶催化脱氢时，其辅酶NAD+或NADP+先和酶的活性中心结合，然后再脱下来。它与代谢物脱下的氢结合而还原成NADH或NADPH。当有受氢体存在时，NADH或NADPH上的氢可被脱下而氧化为NAD+或NADP+。其递氢机制是：当其接受代谢物脱下的一对氢原子时，就由氧化型（NAD+或NADP+）变为还原型（NADH＋H+或NADPH＋H+），吡啶环接受一个氢原子和一个电子后，氮原子就由五价变成三价，而H+则游离于介质中。这种转移是可逆的。Chapter6Chapter6硫铁蛋白类（Fe-S）铁硫蛋白类（iron-sulfurproteins）的分子中含非卟啉铁与对酸不稳定的硫（酸化时放出硫化氢、也除去铁），二者成等量关系，排列成硫桥，然后再与蛋白质中的半胱氨酸连接。因其活性部分含有两个活泼的硫和两个铁原子，故称为铁硫中心，又称作铁硫桥。铁硫蛋白在线粒体内膜上与黄素酶或细胞色素形成复合物，它们的功能是以铁的可逆氧化原传递电子化态三价铁形式是红色或绿色，还原态颜色消退，因此铁硫蛋白是单电子传递体。在从NADH到氧的呼吸链中，有多个不同的铁硫中心，有的在NADH脱氢酶中，有的与细胞色素b及c１有关。另外，铁硫蛋白在叶绿体中也参与光合作用中的电子传递过程。Chapter6铁硫蛋白它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在.铁硫蛋白通过Fe3+

Fe2+变化起传递电子的作用Chapter6辅酶Q

辅酶Q（coenzymeQ，简称CoQ）是一类脂溶性的化合物，因广泛存在于生物界，故又名泛醌（ubiquinone）。其分子中的苯醌结构能可逆地加氢和脱氢，故CoQ也属于递氢体。它的结构和传递氢机制可参看第四章中的维生素和辅酶内容，不同来源的辅酶Q的侧链长度是不同的。某些微生物线粒体中的辅酶Q含有6个异戊二烯单位（CoQ6）；动物细胞线粒体中的辅酶Q含有10个异戊二烯单位（CoQ10）。另外，植物细胞中的质体醌在光合作用的电子传递中起着类似的作用Chapter6细胞色素蛋白细胞色素c为线粒体内膜外侧的外周蛋白，其余的均为内膜的整合蛋白。细胞色素c容易从线粒体内膜上溶解出来。不同种类的细胞色素的辅基结构与蛋白质的连接方式是不同的。细胞色素中的辅基与酶蛋白的关系以细胞色素c研究得最清楚。典型的线粒体呼吸链中，细胞色素的排列顺序依次是：b→c1→c→aa3→O2，其中仅最后一个aa3可被分子氧直接氧化，但现在还不能把a和a3分开，故把a和a3合称为细胞色素氧化酶，由于它是有氧条件下电子传递链中最末端的载体，故又称末端氧化酶（terminaloxidase）。Chapter6细胞色素蛋白细胞色素辅基中的铁能可逆地进行氧化还原反应，Fe3+得到电子被还原成Fe2+，Fe2+给出电子被氧化成Fe3+，所以细胞色素在电子传递中起着载体的作用，是单电子传递体。当辅酶Q（还原态）被氧化时，细胞色素就被还原。一个还原态的泛醌分子能给出两个电子而与两分子的细胞色素作用，生成的两个质子释放到介质中，最后把电子传递给氧，使氧变为氧离子（O2－）。氧离子的活性较强，可以和介质中的2H+结合成水。Chapter6细胞色素氧化酶Chapter6Chapter6呼吸链复合体呼吸链中的各种递氢体和递电子体多数是紧密地镶嵌在线粒体内膜中，成为内膜结构的组成成分。温和处理线粒体内膜，可以得到4种仍具传递电子功能的复合体

--------------------------------------------------------------------------------------复合体 酶名称 多肽链数 辅基

--------------------------------------------------------------------------------------

I NADH-泛醌还原酶 39 FMN，Fe-S

II 琥珀酸-泛醌还原酶 4 FAD，Fe-S

III 泛醌-细胞色素C还原酶 10 铁卟啉，Fe-S

IV 细胞色素氧化酶 13 铁卟啉，Cu2+

--------------------------------------------------------------------------------------Chapter6NADHdehydrogenasecomplexChapter6复合体II琥珀酸-泛醌还原酶

a.功能：把电子从琥珀酸传递给泛醌

b.组成：黄素蛋白（含FAD）、硫铁蛋白和细胞色素b560辅酶Q为脂溶性，分子较小，且不与任何蛋白质结合，在线粒体内膜不同组分间可以穿梭游动。从复合体I和复合体II接受氢将质子转移到线粒体的膜间隙将电子传递给复合体IIIChapter6Chapter6复合体III又称泛醌-细胞色素C还原酶（ubiquinone-cytochromereductase）

a.组成：细胞色素b(562,566)、细胞色素C1、铁硫蛋白以及其它多种蛋白质…

b.功能：传递电子：从泛醌传递给细胞色素C 转移质子：线粒体基质转移到内膜外细胞色素C分子量较小，与线粒体内膜结合疏松，是除辅酶Q外另一个可在线粒体内膜外侧移动的递电子体，有利于将电子从复合体III传递到复合体IV。Chapter6复合体IV细胞色素氧化酶

a.组成：细胞色素a,a3

b.功能：把电子从细胞色素C传递到氧代谢物氧化后脱下的质子及电子通过呼吸链传递到氧，活化了的氧和活化了的氢结合成水。Chapter6Chapter6呼吸链中电子传递链的排列顺序Chapter6体内重要的呼吸链Chapter6ATP的生成在机体能量代谢中，ATP几乎是组织细胞能直接利用的唯一的高能化合物。体内ATP的生成方式有两种：底物水平磷酸化（substratelevelphosphorylation）氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）糖酵解及三羧酸循环的某些反应步骤，由于脱氢或脱水等作用，使代谢物分子内部能量重新分布而形成高能磷酸化合物，然后将高能键能转移给ADP生成ATP的反应称为底物水平磷酸化。Chapter6氧化磷酸化又称电子传递水平磷酸化，在生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经呼吸链氧化生成水的同时，所释放出的能量用于ADP磷酸化生成ATP，这种氧化与磷酸化相偶联的过程称为氧化磷酸化。NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→a→a3→O2PPP3ADP3ATPChapter6P/O比值将底物、ADP、H3PO4、Mg2+和分离得到的较完整的线粒体在模拟细胞内液的环境中与密闭小时内相互作用。反应体系在消耗氧的同时，消耗磷酸，测得氧和磷酸的消耗量，即可计算出P/O比值。P/O比值是物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数。氧化磷酸化偶联部位即ATP的生成部位。Chapter6氧化磷酸化偶联机制化学渗透学说（chemiosmotichypothesis）

线粒体内膜电子传递链构成3个氧化还原袢（redoxloop）：相当于质子泵（protonpump）a.第一袢：NADH提供1个H+和2个e，与基质内H+共同使FMN还原成FMNH2→内膜胞液侧释放2个H+，将2个e还原硫铁蛋白 b.第二袢：Fe-S释放2个e后自身重新氧化→2个e+基质内2个H+→泛醌→QH2→移动到内膜外侧→释放2H+，2e→细胞色素bChapter6氧化磷酸化偶联机制c.第三袢：2e（细胞色素b）→泛醌+基质内2H+→QH2→释放2H+至内膜胞液侧，电子由细胞色素（Fe-S,c1,c,aa3）→O2→H2O由于2H+电化学梯度回流→完成ADP→ATP的生成化学偶联学说结构偶联学说Chapter6MH2MFMN2H+FeS2e2H+CoQ2H+Cytb2H+2eCoQ2H+Cytc1CytcCytaa32e½O2O2-X-+IO-XHIOHH2OX~IX~IX~I头部ATP合酶ADP+PiATP2H+X-+IO-H2OFADH2Fe-SChapter6Chapter6ATP合酶ATP合酶（ATPsynthase）a.位置：内膜基质面和嵴的表面b.组成：分离得到的酶由F0和F1两部分组成;F1分子量371kD,含有9个亚基（α3,β3,γ,δ,ε）c.功能部分：

β：催化部位（需要与α结合显示功能）

γ：控制质子通过的阀门

δ：质子通道，与膜连接

ε：调节亚基d.机理：质子回流时，由F1催化完成ADP→ATPChapter6Chapter6化学渗透学说氧化磷酸化作用的关键因素是质子（H+）梯度和完整的线粒体内膜。化学偶联学说形成高能中间产物，促使ATP生成。结构偶联学说Ared+Box2eA*ox+BredA*ox+ADP+Pi→Aox+ATPChapter6Chapter6Chapter6设A、B为呼吸链邻近的两个电子传递体AH2+B+I→A~I+BH2

A~I+X→X~I+AX~I+Pi→X~P+IX~P+ADP→ATP+X（可进行下一轮传递)Chapter6影响氧化磷酸化因素1）ADP和ATP的调节：主要受ADP控制，ADP,ATP相反→称为“呼吸控制”2）甲状腺素：活化Na-K-ATP酶→ATP分解…3）抑制剂：a.解偶联剂：抑制ADP的磷酸化,不影响电子传递。 例：2，4-二硝基苯酚（脂溶,结合H→破坏H梯度…）b.电子传递抑制剂：

a)FMN→CoQ:阿米妥,粉蝶霉素A,鱼藤酮,异戊巴比妥

b)b→c1:抗霉素A,BAL

c)aa3→O2:CN-,N3-,CO,H2SChapter6ATP的储存和利用1．ATP：能量的直接来源2．磷酸肌酸：能量的储存形式3．心肌能量的供应：线粒体丰富，可以直接利用G，FA和酮体4．其他高能磷酸键：UTP→糖原，CTP→磷脂，GTP→蛋白合成

三磷酸核苷酸的相互转化：NMP+ATP→NDP……+ATP→NTP

酶：特异性、非特异性激酶（核苷酸代谢）

Chapter6胞液中NADH的氧化磷酸化所有催化氧化磷酸化的酶均在线粒体内，胞液中生成的NADH需先进入线粒体，才能进行氧化磷酸化。NADH不能自由穿越线粒体内膜。必须借助于转运机制甘油-α-磷酸穿梭作用（glycerol-α-phosphateshuttle）苹果酸-天冬氨酸转运NADH系统（nalate-aspartateshuttle）Chapter6NADH+H+NAD+二羟磷酸丙酮甘油-α-磷酸线粒体内膜甘油-α-磷酸FAD二羟磷酸丙酮FADH2NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2甘油-α-磷酸转运系统酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+苹果酸苹果酸NAD+草酰乙酸NADH天冬氨酸NADH呼吸链苹果酸-天冬氨酸转运系统Chapter6与ATP合成无关，但具有重要生理功能1.微粒体氧化体系主要在细胞的光滑内质网上进行。催化分子氧中二个氧原子分别进行不同的反应。一个O加到底物分子上，另一个O则与NADPH上的二个H作用形成H2O，不生成ATP。加单氧酶。生理功能：胆酸生成中环核羟化；不饱和脂肪酸双键引进；维生素D活化；药物、致癌物和毒物的氧化解毒等。非线粒体氧化体系Chapter6NADPH+H+FADNADP+FADH2Fe3+Fe2+Fe-SFe2+Fe3+O2+RHH2O+ROH2H+2e2eCytp-450加单氧酶体系Chapter6R—CH—COOH+O2+H2ONH2R—C—COOH+H2O2