生物化学生物氧化课件

第6章BiologicalOxidation营养物质在活细胞内彻底氧化分解生成水和二氧化碳，并释放能量的过程，称生物氧化(biologicaloxidation)，又称细胞呼吸(cellularrespiration)。生物氧化的概念

生

物

氧

化

的

三

个

阶

段营养物质基本单位糖原葡萄糖脂肪脂肪酸蛋白质氨基酸CO22HH2O呼吸链ADP+PiATP阶段Ⅰ

乙酰CoA阶段Ⅱ阶段Ⅲ

TAC

线粒体

一、生物氧化的方式和特点◆酶促反应：体内、近中性、37℃、有水环境；◆CO2：脱羧产生；水：底物脱氢经呼吸链传递电子、泵出质子，与氧结合生成。◆能量：逐步释放，利用率高，合成ATP及维持体温；◆氧化速率：受生理功能需要和内外环境变化调控二、生物氧化中CO2的生成

（一）α-脱羧

1.α-单纯脱羧

RRH2N－C－COOHH2N－C－HHHCO22.α-氧化脱羧CH3C=O+HSCoA+NAD+COOHCH3COSCoA+NADH+H+CO2丙酮酸脱氢酶系氨基酸脱羧酶氨基酸胺丙酮酸乙酰辅酶A(二）β-脱羧1.β-单纯脱羧2.β-氧化脱羧CβH2-COOHCαH-COOHOH+NADP+CβH3Cα-COOHO+NADPH+H+CO2苹果酸酶CβH2-COOHCα=OCOOHCβH3Cα=OCOOH草酰乙酸脱羧酶CO2草酰乙酸丙酮酸苹果酸丙酮酸三、生物氧化的酶类（一）氧化酶（辅基多为含铁和铜的金属离子）（二）需氧脱氢酶（辅基为FMN或者FAD）SH2SFMNorFADFMNH2orFADH2O2H2O2SH2S2Cu2+2Cu+1/2O2O2-2e-H2O2H+第二节

生成ATP的生物氧化体系(TheOxidationSystemofATPProducing)一、线粒体内膜的转运作用（一）线粒体的结构（structureofmitochondria)内膜外膜基质胞浆膜间隙H+H+H+H+e-e-e-e-苹果酸-天冬酸穿梭Ⅰ：酸性氨基酸载体；Ⅱ：α-酮戊二酸载体；①：天冬氨酸转氨酶；②：苹果酸脱氢酶α-磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中

内膜

外膜膜间隙

基质FADH2NAD+FAD-磷酸甘油脱氢酶

琥珀酸氧化呼吸链磷酸二羟丙酮-磷酸甘油

NADH+H+-磷酸甘油脱氢酶磷酸二羟丙酮-磷酸甘油

二、氧化呼吸链(oxidativerespiratorychain)

线粒体内膜中由一系列电子传递复合体按一定顺序排列成的链锁性氧化还原体系称为氧化呼吸链,又称电子传递链(electrotranferchain).呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置1、复合体Ⅰ(NADH-泛醌氧化还原酶)作用

----将NADH+H+中的电子传递给泛醌(1)结构：“L”型NADH+H+

NAD+

FMNFMNH2还原型Fe-S

氧化型Fe-S

QQH2膜间隙辅基递电子的机理

FMN或FAD中的异咯嗪接受1e、1个H+成半醌型FMN或FAD，再接受1个e、1个H+成还原型FMN或FAD。氧化型FMN或FAD还原型FMN或FAD半醌型FMN或FAD·

铁硫簇主要以(Fe-S)、(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在，铁硫簇与蛋白质结合称为铁硫蛋白.Fe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。内膜中可移动电子载体，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。

(2)传递电子的机理4Fe-4S2Fe-2S

经FMN、2Fe-2S、Q、4Fe-4S传递NADH+H+的两个电子到Q，使之摄取基质2个H+转变为QH2。3、复合体Ⅲ功能（泛醌-细胞色素C还原酶）

----将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c复合体Ⅲ又叫泛醌-细胞色素C还原酶，细胞色素b-c1复合体，含有细胞色素b(b562,b566)、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白(Rieskeprotein)。泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体Ⅲ。电子传递过程：CoQH2→(CytbL→CytbH)→Fe-S→Cytc1→Cytc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。

铜中心传递4个CytC的4e给4个Cyta4个Cyta再传此4e到Cyta3-CuB2+中心，使1个O2还原为2个O2-，结合4H+生成2H2O，同时把基质中4H+泵入膜间隙。1QH2只能传2e，故上述过程只生成1H2O，泵出2个H+功能

复合体Ⅳ把4个Cytc传来的4个e给O2生成2H2O，并把4H+由基质泵出到膜间隙。过程：质子泵（protonpump）

氧化呼吸链中在传递电子的同时能把质子从基质泵出到膜间隙的电子传递复合体，有复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ。酶复合体分子(kD)亚基

辅酶/辅基

主要功能复合体Ⅰ(NADH-泛醌氧化还原酶)1000>40FMN、Fe-S传递NADH+H+中2个e到Q，并由基质向膜间隙泵出4个H+复合体Ⅱ(琥珀酸-泛醌氧化还原酶)1404FAD、Fe-S传递琥珀酸中2个电子、2个质子到Q复合体Ⅲ(泛醌-细胞色素氧化还原酶)25011

血红素bH、bL、c1Fe-S通过Q循环传递QH2中2个e到细胞色素C，并把4H+

由基质泵出到膜间隙细胞色素C*131

血红素C传递复合体Ⅲ中2个电子到复合体Ⅳ复合体Ⅳ(细胞色素C氧化酶)20013

血红素a、a3CuA2+、CuB2+把4个Cytc传来的4个e转交给O2，在摄取基质中4H+与O2生成2H2O的同时，把基质中另外4H+

泵出到膜间隙哺乳动物氧化呼吸链的组成及功能呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位氧化还原对E0‘(V)氧化还原对E0‘(V)NAD+/NADN+H+－0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2－0.30CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2－0.06CytaFe3+/Fe2+0.29CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.04(0.10)Cyta3Fe3+/Fe2+0.55Q10/Q10H20.071/2O2/H2O0.816（二）呼吸链的种类（二）氧化呼吸链各传递体排列顺序：由以下实验确定:①标准氧化还原电位

;②拆开和重组;③特异抑制剂阻断;④还原状态呼吸链缓慢给氧NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22.琥珀酸氧化呼吸链

琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2每对氢通过此呼吸链生成2.5molATP;又称主要呼吸链;以NADH的方式进入;每对氢通过此呼吸链生成1.5molATP;又称次要呼吸链和FADH2氧化呼吸链以FADH2

的方式进入;三、氧化磷酸化氧化磷酸化营养物质脱氢生成的NADH+H+或FADH2，经氧化呼吸链传递电子、泵出质子形成质子梯度而蕴藏的电化学势能，被ADP利用、磷酸化生成ATP的过程，是体内生成ATP的主要方式。底物水平磷酸化代谢物脱氢或脱水引起分子内部能量聚集，高能键直接转移给ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的过程。不经电子传递。ATP生成方式实质：氧化呼吸链氧化释能和ADP磷酸化储能的偶联（一）氧化磷酸化偶联部位线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值底物呼吸链组成P/O

比

值生成ATP

数β-羟丁酸NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ2.4～2.82.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ1.71.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O20.881细胞色素复合体Ⅳ→O20.61-0.681

氧化磷酸化中每消耗1mol氧原子时，所消耗无机磷的摩尔数，表示氧化呼吸链产生ATP的效率。磷氧比值（P/O）电子传递链自由能变化ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位

1.ATP合酶

2.化学渗透假说（二）氧化磷酸化偶联机制ATP合酶结构模式F1的功能是催化ATP生成F0的作用是构成质子的通道亲水F1：基质中，

9个亚基(α3β3γδε)；

α3β3为有中间孔隙的头部；

γ在此孔隙中，可转动；

δ与1个β，ε与γ连接；疏水F0：跨越内膜，

12-15个亚基（ab2C9-12）；

C9-12排成对称C环；基质侧连接ε,外侧连接a;b2连接a与δ;膜间隙内膜基质ATP合酶a、c亚基结构（2）化学渗透学说（chemiosmotichypothesis）

跨内膜质子梯度使膜间隙成正电性空间，基质为负电性空间，而蕴藏电化学势能。当H+从膜间隙回流到基质时释出能量，驱动ATP合成。H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+pH8pH7H+浓度梯度电位梯度＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－ABADP+PiATPATP合酶β亚基经“结合变构”机制合成ATP（3）结合变构机制：β未接触γ时为L型，可结合ADP和Pi；β接触γ后变构为T型，催化ADP和Pi合成ATP；γ离开β变构为O型，释出ATP后，恢复为L型。ATP合酶的C环逆时针方向转动

H+由膜间隙向基质回流推动C环逆时针转动，带动γ在头部中央孔隙转动；四、氧化磷酸化的调节及影响因素（一）调节：1、ADP/ATP调节作用（最主要）:ADP/ATP比值↑氧化磷酸化增快↓呼吸控制（respiratorycontrol）：由于ATP/ADP比值变化对氧化磷酸化的调节效应，称呼吸控制，调控的关键物质是ADP。呼吸控制氧化磷酸化减慢

2.甲状腺激素：甲状腺激素Na+,K+–ATP酶合成解偶联蛋白合成需要ATP合成ATP合成↑↓氧化磷酸化增快↑↑（二）线粒体DNA突变的影响：点突变Leber遗传性视神经病(Leber'shereditaryopticneuropathy,LHON).大片段丢失Kerans-Sayre综合症（慢性进行性眼外肌麻痹综合症）突变渐进性积累帕金森氏病(Parkinson’s病)

1.呼吸链抑制剂：

鱼藤酮、抗霉素A、氰化物等（三）某些化学试剂及药物的影响：2.氧化磷酸化解偶联剂：

2，4-二硝基酚(DNP)：破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制3.氧化磷酸化抑制剂：

寡霉素：可共价结合F0的c亚基谷氨酸残基，阻断质子从F0质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。NADFMN(FeS)IFAD(FeS)ⅡCytb→Cytc1(FeS)ⅢCytaa3(Cu)ⅣCoQCytcO2鱼藤酮阿米妥粉喋霉素A抗霉素ACN–,N3–,CO,H2S

H+mH+cH+mH+cH+mH+c

ATP合酶F1,F0,OSCPH+mH+c寡霉素

2,4-二硝基酚双香豆素氟羰基氰苯腙缬氨霉素药物和试剂作用的氧化磷酸化位点

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。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+PiATP2,4-二硝基酚双香豆素氟羰基氰苯腙缬氨霉素鱼藤酮阿米妥粉喋霉素A抗霉素A

CN–,N3–,CO,H2S

寡霉素

五、ATP在能量代谢中的核心作用ATP循环ATPADP

氧化磷酸化底物水平磷酸化机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学