第八章-生物氧化

Biochemistry

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BiologicalOxidation本章主要内容生物氧化概述呼吸链线粒体氧化体系ATP

氧化磷酸化其他生物氧化体系意义用于生命活动用于维持体温H2O+CO2+能量生物体

营养物质（糖、脂、蛋白质）[O]一、生物氧化(Biologicaloxidation)概述有机物质在生物细胞内的氧化分解、最终生成二氧化碳和水并释放能量的过程，称为生物氧化。又称细胞氧化或细胞呼吸。生物氧化的研究内容

1）细胞如何在酶的作用下将有机化合物中的C变为CO2？

2）细胞怎样在酶的作用下利用O2将有机化合物中的H氧化成H2O？

3）当有机物被氧化为CO2和H2O时，释放的能量怎样贮存于ATP中？

在温和的环境中反应：体温，近于中性的pH，水环境。

在一系列酶、辅酶和中间传递体的作用下逐步进行。在一系列反应中，每一部放出部分能量，逐步放出的能量总和等于体外进行的相同氧化作用的能量。

释放的能量通常先储存在一些特殊的高能化合物如ATP

中，然后通过这些物质的转移作用，满足机体各种需能反应的要求。

在真核细胞内，生物氧化在线粒体内进行；在原核细胞内，生物氧化在细胞膜上进行。生物氧化的特点生物氧化中二氧化碳的产生有机物质含羧基化合物脱羧基直接脱羧基脱氢脱羧基生物氧化中二氧化碳的产生生物氧化中水的产生2HOH2O

代谢分子中的H如何脱去？

脱出的H是否直接与氧接触结合？

呼吸作用吸入的O2能否直接与氢结合？生物氧化中水的产生在脱氢酶、传递体及氧化酶组成的生物氧化体系催化下生成水。生物氧化中能量的生成主要是通过呼吸链。

底物水平磷酸化

氧化磷酸化

二、线粒体氧化体系代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧分子，从而生成水的全部体系称为呼吸链，也称为电子传递体系或电子传递链(electrontransportchain)。化学本质：线粒体内膜上一组排列有序的酶与辅酶构成的功能单位。(一)呼吸链(respiratorychain)●递氢体：CoI（NAD）、CoⅡ（NADP）、黄素辅酶（FAD、FMN）、辅酶Q等。●电子传递体：细胞色素b、c1、c、a、a3等。

传递体种类线粒体呼吸链复合体FMN,Fe-S复合体ⅠFAD,Fe-S,Cytb复合体ⅡCytb,Fe-S,Cytc1复合体ⅢCytaa3,Cu复合体Ⅳ烟酰胺(nicotinamide)核苷酸类（NAD+、NADP+）递氢体黄素蛋白(flavoprotein)类（FMN、FAD）递氢体铁硫蛋白(iron-sulfurcluster)Fe2+Fe3++e-传递电子方式：递电子体泛醌

（CoQ）(Ubiquinone)递氢体细胞色素(Cytochrome)类组成呼吸链的细胞色素:Cytb、Cytc1、Cytc、Cytaa3细胞色素氧化酶Fe2+Fe3++e-递电子体NNNNFe3+H3C--CH3-CH-CH3CH3CH2CH2COO-CH2CH2COO-H3C-CysSH3C-CHCysS蛋白质细胞色素c辅基(二)呼吸链主要成分的排列顺序在具有线粒体的生物中，典型的呼吸链有两种，即NADH呼吸链和FADH2呼吸链。是根据接受代谢物上脱下的氢的初始受体不同区分的。呼吸链排列顺序的依据

理论依据标准氧化还原电位

实验依据呼吸链中各组分的氧化还原电位1)氧化还原偶联进行；2)氧化还原能力的大小用EO值表示；3)EO值越小，表示还原性越强，越易提供2H或2e(二)呼吸链主要成分的排列顺序呼吸链排列顺序的依据

理论依据标准氧化还原电位

实验依据拆开和重组特异抑制剂阻断还原状态呼吸链缓慢给氧两条主要呼吸链的排列顺序NADH复合体ICoQ复合体IIICytc复合体IVO2琥珀酸复合体IINADH氧化呼吸链琥珀酸(FADH2)氧化呼吸链NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc1→CytcCytaa3O2NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链两条主要呼吸链的排列顺序NADHFMNQ10CytbCytc1Cytcaa3(Fe-S)(Fe-S)FADH2(Fe-S)琥珀酸2H2H2H2H2H+2e2e2e2eO2122eO2-H2O两条主要呼吸链的排列顺序细胞色素的排列顺序

笔洗一洗AA散b、c1、c、aa3洗一洗线粒体呼吸链复合体FMN,Fe-S复合体ⅠFAD,Fe-S,Cytb复合体ⅡCytb,Fe-S,Cytc1复合体ⅢCytaa3,Cu复合体ⅣTCA生物氧化的一般过程1.ATP（三磷酸腺苷）分子结构

ATP等分子中的焦磷酸键在水解或转移时，可释放很高的能量，大于30.56kJ/moL，称高能磷酸键。(三)ATP的生成利用与储存

某些磷酸化合物的水解自由能

磷酸化合物

水解自由能ΔG（kJ/moL）磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）-61.69氨基甲酰磷酸-50.50乙酰基磷酸-43.12磷酸肌酸（CP）-43.12焦磷酸（PPi）-33.49ATP（→ADP+Pi）-30.56葡萄糖-1-磷酸（G-1-P）-20.93葡萄糖-6-磷酸（G-6-P）-13.82α-磷酸甘油-9.21

高能磷酸化合物有转移其磷酰基的倾向，形成较低能量的磷酸酯。ATP是磷酰基的传递体。2.ATP具有较高的磷酸基团转移势(三)ATP的生成利用与储存生物氧化中能量的生成主要是通过呼吸链。

底物水平磷酸化

氧化磷酸化

(三)ATP的生成利用与储存

3.ATP生成方式底物水平磷酸化：

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。

磷酸甘油酸激酶

3-磷酸甘油酸这是糖酵解中第一次底物水平磷酸化反应ADPATP1,3-二磷酸甘油酸(1,3-DPG)OPO3

2-见P221反应7COO-C-O~

P

CH2磷酸烯醇式丙酮酸

COO-C=OCH2ADPATP丙酮酸丙酮酸激酶(Mg2+,K+)糖酵解中第二次底物水平磷酸化反应见P222第一个反应琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoAGDP+PiGTPATPADP琥珀酸HSCoA琥珀酰CoA+GDP+Pi

琥珀酸+GTP+CoA-SHP227图9－5之反应⑤

底物水平磷酸化特点①底物被氧化的过程中，形成了某些高能化合物。②通过酶的作用使ADP（GDP）生成ATP（GTP）。③底物磷酸化和氧的存在与否无关。氧化磷酸化——代谢物在分解代谢中产生的还原当量（2H）经电子传递链传递给氧生成水时，释放出大量能量，在ATP合酶的催化下，使ADP磷酸化生成ATP的过程。(四)氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）1.氧化磷酸化耦联部位的确定测定P/O比值计算各阶段释放的自由能来推测P/O值是指物质氧化时,每消耗1mol氧原子所消耗的无机磷的mol数,即生成ATP的mol数。ADP+H3PO4

ATP(1)测不同作用物经呼吸链氧化的P/O值实质：每消耗1mol氧原子所产生的ATP的mol数。P/O值==消耗Pmol数消耗Omol数

消耗ADPmol数消耗Omol数生成ATPmol数消耗Omol数=线粒体离体实验中测得一些底物的P/O值底物呼吸链的组成P/O值生成ATP数1.β-羟丁酸NAD+→FMN→CoQ→Cyt→O22.4～2.83琥珀酸FAD→CoQ→Cyt→O21.72抗坏血酸Cytc→Cytaa3→O2

0.881Cytc(Fe2+)Cytaa3→O20.61～0.68

12.3.4.比较1、2，第一个偶联部位NAD+→CoQ之间比较2、3，第二个偶联部位CoQ

→Cytc之间比较3、4，第三个偶联部位Cytaa3

→O2之间(2)计算自由能变化ADP+PiATP△G0′=30.5kJ/mol△G0′=-nF△E0′△G0′<0放能△G0′>0吸能△G0′=0无能变化呼吸链电子传递时△G0′的变化部位△E0′（V）△G0′(kJ/mol)NADH-CoQ0.33-63.7CoQ-Cytc0.31-59.8Cytaa3-O20.58-110

ADP+Pi→ATP

FADH2

ADP+Pi→ATP

0.33v-63.7kJ/mol

0.58v-110kJ/molNADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2

0.31v-59.8kJ/mol

ADP+Pi→ATP+H2O

ATP形成部位NADH至泛醌细胞色素b至细胞色素c细胞色素a3至分子氧

琥珀酸等脱氢时不经NAD传递，绕过了NADH→CoQ一步，所以只形成2分子ATP。ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+H+胞液侧基质侧++++++++++---------2.氧化磷酸化的机制——化学渗透学说

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。ATP合酶由亲水部分F1（α3β3γδε亚基）和疏水部分F0（a1b2c9～12亚基）组成。ATP合酶结构模式图当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3氧化磷酸化的调控(四)氧化磷酸化

ADP的调节抑制剂（inhibitor）甲状腺素（thyroxine）的调节

线粒体(mitochondrial)DNA突变（mutation）解耦联剂呼吸链抑制剂ATP合酶抑制剂3.1ADP的调节

ADP/ATP↑：氧化磷酸化↑

ADP/ATP↓：氧化磷酸化↓3氧化磷酸化的调控常见解耦联剂：2，4-二硝基苯酚（DNP）作用机理：破坏内膜两侧的电化学梯度而使氧化与磷酸化脱离、解耦联。氧化照常进行，ATP不生成。3.2抑制剂——解耦联剂3氧化磷酸化的调控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+PiATP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H2S×各种呼吸链抑制剂的阻断位点机理：阻断氢、电子的传递3.2抑制剂——呼吸链抑制剂

注射死刑的执行是通过以下三种药剂分别注射（按顺序）完成的：

硫喷妥钠：瞬发性的巴比妥酸盐，一种能在几秒内让被处刑者失去知觉的药物。

巴夫龙：非去极化型肌肉松弛剂，导致完全、迅速而持久的骨骼肌麻痹，包括横膈膜和其他的呼吸肌,这将最终因窒息而导致死亡。

氯化钾溶液：使心跳停止，因心脏麻痹而导致死亡。吉林通化一酒店起火致10人死亡35人受伤这些伤员几乎没有一个有烧伤和烫伤，主要症状是头晕、恶心、咽喉痛。包括遇难者，尽管身体熏得黑乎乎的，但是没有烧伤痕迹，主要都是窒息死亡。

如寡霉素与ATP合酶F0部分结合，抑制其质子通道功能。3.2抑制剂——ATP合酶抑制剂（氧化磷酸化抑制剂）3氧化磷酸化的调控化学渗透示意图及各种抑制剂对氧化磷酸化的影响Na+-K+-ATP酶生成↑ATP水解↑氧化磷酸化↑ATP合成↓耗氧量和产热量↑

3.3甲状腺素的调节3氧化磷酸化的调控解偶联蛋白基因表达↑mtDNA编码呼吸链复合体的多肽链及蛋白质mtDNA突变影响氧化磷酸化ATP生成减少mtDNA病聋、盲、痴呆、肌无力、糖尿病3氧化磷酸化的调控3.4线粒体DNA突变（五）NADH从胞液转入线粒体的两种穿梭作用在肝和心肌等组织

3ATP通过该穿梭作用，胞液中的NADH转入到线粒体后转变为FADH2，进入琥珀酸呼吸链氧化。这解释了为什么1mol葡萄糖经过有氧氧化可能生成36或38mol的ATP。脑和骨骼肌2ATP内（五）NADH从胞液转入线粒体的两种穿梭作用

第三节非线粒体氧化体系一、微粒体氧化体系

（一）加单氧酶(monoxygenase)*催化的反应：RH+NADPH+H++O2ROH+NADP++H2O故又称混合功能氧化酶(mixed-functionoxidase)或羟化酶(hydroxylase)。上述反应需要细胞色素P450(CytP450)参与。（二）加双氧酶此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底物中带双键的2个碳原子上。例如：

(O2)

色氨酸吡咯酶二、过氧化物酶体中的酶类

（1）过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含4个血红素2H2O22H2O+O2过氧化氢酶

(一)过氧化氢及超氧离子的生成(二）过氧化氢及超氧离子的作用和毒性反应氧族化学性质活泼，可以使磷脂中的不饱和脂肪酸氧化成过氧化脂质，损伤生物膜；过氧化脂质与蛋白质结合成的复合物积累成的棕褐色色素颗粒即脂褐素，与组织老化有关。

（三）过氧化氢及超氧离子的清除（2）过氧化物酶(perioxidase)以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物

R+H2O2RO+H2ORH2+H2O2R+2H2O过氧化物酶

过氧化物酶

谷胱甘肽过氧化物酶H2O2(ROOH)H2O(ROH+H2O)2G–SHG–S–S–GNADP+NADPH+H+*此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤

谷胱甘肽还原酶（3）含硒的谷胱甘肽过氧化物酶

三、超氧化物歧