生物化学第6章-生物氧化

第六章

生物氧化

BiologicalOxidation糖原三酯酰甘油

葡萄糖

脂酸+甘油

乙酰CoA

蛋白质

氨基酸

呼吸链

H2O

ADP+Pi

ATP

生物氧化的一般过程TACCO22H

?糖、脂肪的主要功能及氧化过程CourseContent1.TheOxidativePhosphorylationSystemwithATPProducing

OxidationrespiratorychainoxidativephosphorylationNADHtransporter

α-glycerophosphateshuttle

malate-asparateshuttle2.TheOthersOxidationEnzymeSystems

withoutATPProducing糖

脂肪

蛋白质

CO2和H2O

O2能量ADP+PiATP热能生物氧化的概念：营养物在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。生物氧化的特点：37℃、近于中性水环境、酶催化、逐步释放出能量、相当一部分能量以高能磷酸酯键的形式储存起来。第一节生成ATP的氧化磷酸化体系

TheOxidativePhosphorylationSystemwithATPProducing一、氧化呼吸链（Oxidationrespiratorychain）在线粒体内膜上，由若干递氢体或递电子体按一定顺序排列组成的，与细胞呼吸过程有关的链式反应体系称为呼吸链（respiratorychain）；又称电子传递链（electrontransferchain）。ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+Pi

ATP4H+2H+4H+胞液侧

基质侧++++++++++---------（一）呼吸链的组成:复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ1．复合体Ⅰ（NADH-泛醌还原酶）：NADHFMN（Fe-S）

CoQNAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NADH还原酶---NAD+/NADH黄素蛋白---FMN、FAD/FADH2铁硫蛋白的分子结构铁硫蛋白分子中含有由半胱氨酸残基硫原子与铁离子形成的铁硫中心，一次可传递一个电子Fe4S4SSSSFeFeFeFeFe3+Fe2+-e+e泛醌的分子结构NADH+H+

NAD+

FMN氧化型Fe-S

FMNH2还原型Fe-SQQH22．复合体Ⅱ（琥珀酸-泛醌还原酶）：

琥珀酸脱氢酶

+2FAD（Fe-S）+2（Cytb560）细胞色素类(Cytochrome)：以铁卟啉为辅基的蛋白质--单电子传递体可存在于线粒体内膜，也可存在于微粒体:

存在于线粒体内膜的细胞色素有Cytaa3，

Cytb（b560，b562，b566），Cytc，Cytc1；而存在于微粒体的细胞色素有CytP450和Cytb5

琥珀酸CoQ细胞色素C(CytochromeC)3．复合体Ⅲ（泛醌-细胞色素c还原酶）：2Cytb+Cytc1+（Fe-S）CoQ

CytbFe-SCytC1

CytC4．复合体Ⅳ（细胞色素c氧化酶）：

Cytaa3Cyta+Cyta3（铜离子）

CytcCytaa3O2确定呼吸链排列顺序的实验

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（二）氧化呼吸链成分的排列顺序：组成电子传递体的酶复合物的排列顺序琥珀酸-CoQ还原酶琥珀酸NADHNADH-CoQ还原酶CoQ-CytC还原酶CoQCytCO2

Cyt氧化酶1．NADH氧化呼吸链：2．琥珀酸氧化呼吸链：NADHFMN(Fe-S)CoQbC1CO2aa3琥珀酸FAD(Fe-S)CoQbC1CO2aa3NADH+H+NAD+FMN(Fe-S)FMNH2(Fe-S)CoQCoQH2aa3Cu2CytFe3+2CytFe2+1/2O2O2-2CytFe3+2CytFe2+bC1C2H+H2O

NADH氧化呼吸链：二、氧化磷酸化在线粒体中，底物分子脱下的氢原子经递氢体系传递给氧，在此过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP，这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)。直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子中的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)。

1,3-二磷酸甘油酸

底物水平磷酸化：3-磷酸甘油酸激酶3-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸激酶烯醇式丙酮酸琥珀酰CoA琥珀酰硫激酶琥珀酸ADPATPGDP+PiGTP（一）氧化磷酸化的偶联部位每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数称为P/O比值。在氧化磷酸化过程中，氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系，反映底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系。⊿Gº'=-nF⊿Eº'

合成1molATP时，需要提供的能量至少为ΔG0'=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差ΔE0'=0.2V。根据自由能变化和P/O比值确定

实验证明，以NADH作为电子供体时，测得的P/O比值大于2；以琥珀酸作为电子供体时，侧得的P/O比值大于1。

-羟丁酸经过NADH途径的P/O比值为2.4~2.6，产生的ATP数目为2.5；而琥珀酸经过FADH2的P/O比值为1.7，产生的ATP数目为1.5。NADHFMN(Fe-S)CoQbC1CO2aa3琥珀酸FAD(Fe-S)ATP氧化磷酸化的偶联部位ATPATP（二）氧化磷酸化的偶联机制英国生物化学家PeterDMitchell在1961年提出化学渗透假说，并且PeterMitchell因提出该假说而获得了1978年的诺贝尔化学奖。化学渗透假说（chemiosmotichypothesis）:

NADH+H+NAD+胞液线粒体内膜线粒体基质FeSFeS2eFMNH2QH2QH2FeSC1Caa3CuCu1/2O2+2H+H2O2H+2H+2H+b566b5622e2H+2H+化学渗透假说4H+4H+ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+Pi

ATP

4H+2H+4H+胞液侧

基质侧++++++++++---------基本要点：氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被泵到线粒体内膜外侧，从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。这种形式的“势能”，可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶(ATPsynthase)利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP。（三）ATP合酶(ATPsynthase)当质子从膜间腔返回基质中时，这种“势能”可被位于线粒体内膜上的ATP合酶利用以合成ATP。

当H+顺浓度递度经F0中回流时，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1．呼吸链的抑制剂—阻断剂：抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或毒物称为呼吸链抑制剂。抑制复合体Ⅰ的有异戊巴比妥、粉蝶霉素A、鱼藤酮等；抑制复合体Ⅲ的有抗霉素A和二巯基丙醇；抑制复合体Ⅳ的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。

三、氧化磷酸化的影响因素（一）氧化磷酸化抑制剂：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2．解偶联剂：不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，但能使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化的药物或毒物称为解偶联剂。主要的解偶联剂有2,4-二硝基酚。

3．ATP合酶抑制剂：对电子传递和ATP生成均有抑制作用的药物和毒物称为氧化磷酸化的抑制剂，如寡霉素。

二硝基苯酚

抗霉素A二巯基丙醇CN-COH2S寡霉素鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥抑制剂作用部位蒌锈灵（二）ATP/ADP比值：

呼吸控制率

(respiratorycontrolratio,RCR)ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP↓→氧化磷酸化↑ATP/ADP↑→氧化磷酸化↓(NADH/NAD+?)

（三）甲状腺激素

----促进氧化磷酸化及ATP的生成（四）线粒体DNA突变

甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的速度；

Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。与线粒体DNA病变及衰老有关。四、ATP--高能磷酸键的储存与释放（一）高能磷酸键的类型：生物化学中常将水解时释放的能量

>20kJ/mol的磷酸键称为高能磷酸键。生物体内的高能磷酸键主要类型：1．磷酸酐键：如NDP，NTP及PPi等（30.5kJ/mol）

2．混合酐键：由磷酸与羧酸脱水后形成的酐键，如1,3-二磷酸甘油酸等。3．烯醇磷酸键：磷酸烯醇式丙酮酸。4．磷酸胍键：磷酸肌酸。磷酸肌酸（C～P）是肌肉和脑组织中能量的贮存形式。但磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用，而必须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理活动之需。这一反应过程由肌酸磷酸激酶（CPK）催化完成。（二）ATP循环---生成和利用：ATP是生物界普遍使用的供能物质。ATP分子中含有两个高能磷酸酐键，均可以水解供能。ATP水解为ADP并供出能量之后，又可通过氧化磷酸化重新合成，从而形成ATP循环。ATPADP肌酸

磷酸肌酸

~P~P

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)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)（三）多磷酸核苷间的能量转移：在生物体内，除了可直接使用ATP供能外，还使用其他形式的高能磷酸键供能.如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白质的合成等。核苷单磷酸激酶NDP+ADPNMP+ATP核苷二磷酸激酶NTP+ADPNDP+ATP胞液中的3-磷酸甘油醛或乳酸脱氢，均可产生NADH。这些NADH可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷酸化，产生H2O和ATP。

五、线粒体内膜的物质转运（一）胞液中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)2.苹果酸穿梭系统：肝脏、心肌胞液中NADH+H+的一对氢原子经此穿梭系统可生成2.5分子ATP

1.磷酸甘油穿梭系统：脑、骨骼肌NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，只产生1.5分子ATP磷酸二羟丙酮NADH+H+CH2OHC=OCH2O-PNAD+CH2OHCHOHCH2O-Pα-磷酸甘油CH2OHCHOHCH2O-Pα-磷酸甘油FADFADH2磷酸二羟丙酮C=OCH2O-PCH2OH线粒体膜H2O+1.5ATPO2呼吸链胞液线粒体

NADH+H+FADH2NAD+FAD

线粒体内膜

线粒体外膜膜间隙

线粒体基质α-磷酸甘油脱氢酶呼吸链磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油脑、骨骼肌H2O+1.5ATPNADH+H+COCOOHCH2COOH草酰乙酸线粒体内膜胞液线粒体NAD+HOCHCOOHCH2COOH苹果酸HOCHCOOHCH2COOHNAD+COCOOHCH2COOHNADH+H+2.5ATPH2NCHCOOH(CH2)2COOHCOCOOH(CH2)2COOHH2NCHCOOHCH2COOHCOCOOH(CH2)2COOHα-酮戊二酸H2NCHCOOHCH2COOH天冬氨酸H2NCHCOOH(CH2)2COOH谷氨酸心肌、肝ATP4-

F0F1胞液侧

基质侧

腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白

ADP3-H2PO4-ATP4-

H+

H+

H+

H+

H2PO4-

H2PO4-

ADP3-

ADP3-

（二）腺苷酸转运蛋白(adeninenucleotidetransporter)参与ADP与ATP反向转运

ATP-ADP转位酶ATP-ADP载体第二节其他不生成ATP的氧化体系TheOthersOxidationEnzymeSystemswithoutATPProducing一、抗氧化酶体系--清除反应活性氧类反应活性氧类

(reactiveoxygenspecies,ROS)O2e-O2·-e-+2H+H2O2e-+H+OH·H2Oe-+H+H2O反应活性氧类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2、谷胱甘肽过氧化物酶

(glutathioneperoxidase，GPx)

可去除细胞生长和代谢产生的H2O2和过氧化物(R-O-OH)，是体内防止活性氧类损伤主要的酶，保护生物膜及血红蛋白免遭损伤。3、超氧化物歧化酶2O2•﹣+2H+SODH2O2+O2H