生物氧化-6

nullnull第五章 生物氧化刘新文北京大学医学部生化系null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。 生物氧化的概念 有机物质（糖、脂肪和蛋白质）在生物细胞内进行氧化分解而生成CO2和H2O并释放出大量能量的过程称为生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。 真核生物的生物氧化发生在线粒体中，而原核生物则在细胞膜上。第一节 生物氧化的方式和特点第一节 生物氧化的方式和特点一、生物氧化的方式 生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化。在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。 1、脱电子 2、脱氢 3、加氧1．脱氢氧化反应1．脱氢氧化反应（1）脱氢 在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。null琥珀酸脱氢乳酸脱氢 （2）加水脱氢（2）加水脱氢酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。2．氧直接参加的氧化反应2．氧直接参加的氧化反应这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化生成水的反应。 加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如： 【甲烷单加氧酶】 CH4 + NADH + O2  CH3-OH + NAD+ + H2O 氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。3．生成二氧化碳的氧化反应3．生成二氧化碳的氧化反应（1）直接脱羧作用 氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。 （2）氧化脱羧作用 氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧生成丙酮酸。null直接脱羧（α-脱羧）（ β -脱羧）氧化脱羧 在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）。苹果酸草酰乙酸丙酮酸苹果酸酶乙醛丙酮酸丙酮酸CO2的生成二、生物氧化的特点生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成CO2和H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：二、生物氧化的特点null生物氧化的部位 （1）线粒体 （2）内质网、微粒体、过氧化酶体等 生理意义：供给机体能量，进行正常生理生化活动，转化有害废物。null随堂测验 一. 写出下列物质的结构式(20分) 腺苷酸; 2 .尿嘧啶 二. 写出参与下列辅酶组成的维生素(40分) TPP; 2. FMN; 3. CoA 4. NAD 三. 简述生物氧化的特点(40分)第二节 生物能及其存在形式第二节 生物能及其存在形式一、生物能和ATP 1. ATP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。 2. 生物化学反应的自由能变化 生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从热力学的规律。二、高能化合物二、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者重要作用。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21 kJ /mol（5千卡/mol)以上自由能（G’< -21 kJ / 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。 1、磷氧键型（-O～P) 1、磷氧键型（-O～P)（1）酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔(1)酰基磷酸化合物(1)酰基磷酸化合物氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸（2）焦磷酸化合物（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔（3）烯醇式磷酸化合物（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔2、氮磷键型（-N～P)2、氮磷键型（-N～P)磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔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。3、硫酯键型3、硫酯键型腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A4、甲硫键型4、甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸第三节 线粒体呼吸链和ATP合成第三节 线粒体呼吸链和ATP合成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的传递，最终与氧结合生成水。 由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成的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。 由递氢体或递电子体在线粒体内膜上按一定顺序排列组成的连锁反应体系称为电子传递链。它与细胞摄取氧的呼吸过程相关，故又称呼吸链（electron transfer chain）一、线粒体呼吸链的组成null呼吸链: 在线粒体内膜上存在着按一定顺序排列组 成的递氢体或递电子体, 代谢物脱下的氢通过 递氢体或递电子体传递体系的传递，最终与 氧结合生成水。将这种连锁反应体系称为电 子传递链，它与细胞摄取氧的呼吸过程相关， 故又称呼吸链。null呼吸链线粒体呼吸链（NADH与FADH2)线粒体呼吸链（NADH与FADH2)线粒体呼吸链线粒体呼吸链null（一）呼吸链的主要成分 1、NAD+和NADP+为辅酶的脱氢酶 【组成成分】 酶蛋白、尼克酰胺（Vpp）核糖、磷酸与AMP。 【作用】辅酶接受代谢物脱下的2H，传递给黄素蛋白。NADH：还原型辅酶NADH：还原型辅酶它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。nullNAD+和NADP+(R=pi)null2、铁硫蛋白（iron-sulfur protein,Fe-S） 铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。 【组成成分】含等量的铁原子和硫原子（ Fe2 S2，Fe4S4）铁原子与铁硫蛋白的半胱氨酸相连 【作用】将FMN或FAD中的电子传递给泛醌。 【传递机制】单电子传递铁硫蛋白铁硫蛋白铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。铁硫蛋白铁硫蛋白它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+  Fe2+ 变化起传递电子的作用 NADH泛醌还原酶 NADH泛醌还原酶简写为NADHQ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。 NADHQ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。 NADHQ还原酶 NADH + Q + H+ ========= NAD+ + QH2null3、泛醌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。辅酶-Q的功能辅酶-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。② 泛醌细胞色素c还原酶② 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-cytc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（b562、b566）和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。null4、细胞色素4、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+ 的互变起传递电子作用的。细胞色素c（cyt.c）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。null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。③ 细胞色素c氧化酶③ 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。nullcyt 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。细胞色素c氧化酶细胞色素c氧化酶null5、黄素酶-黄素蛋白（Flavoprotein） 【组成成分】酶蛋白、黄素单核苷酸（FMN）黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），它们由核黄素（Vit B2）、磷酸、AMP组成。 【作用】进行可逆的脱氢加氢反应。 【传递机制】异咯嗪的第1、10位N上可加氢 【主要形式】琥珀酸脱氢酶以FAD为辅酶，将代谢物脱下的H传入呼吸链。null④琥珀酸-Q还原酶④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。 null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、Cyt b560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。null（二）体内主要呼吸链 1、NADH氧化呼吸链 【组成与作用】脱氢酶（NAD+）、黄素蛋白、铁硫蛋白、CoQ和细胞色素。 2、FADH氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链） 【组成和作用】脱氢酶（FAD）、CoQ、细胞色素 【差异】脱下的2H不经过NAD+传递,其余过程与NADH呼吸链相同.nullNADHFP(FMN)UQCyt bCyt C1Cyt cCyt aa3O2 (Fe-S)  FP(FAD-Fe-S) null线粒体呼吸链线粒体呼吸链null二、氧化-还原电势与自由能的变化二、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1/2 O2 / H2O两个半反应之间存在很大的电势差。 (a) ½ O2 + 2 H+ + 2 e-  H2O E0’ = +0.82 V (b) NAD+ + H+ + 2 e-  NADH E0’ = -0.322 V 将 (a) 减去 (b)，即得 (c) 式： (c)½ O2 + NADH + 2H+  H2O + NAD+ E0’ = +1.14 V G’ =-nF E0’ =-2  96500 1.14 = -220 kJ / mol 三、电子传递和ATP的合成三、电子传递和ATP的合成底物磷酸化（substrate level phoaphorylation）：底物脱氢、脱水或分子内原子发生重排产生高能磷酸基团，将高能磷酸基团转给ADP生成ATP的过程称为底物磷酸化。null 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和磷酸合成ATP的需能反应相偶联，是ATP形成的基本机制。 氧化磷酸化:代谢物氧化脱氢经呼吸链传递给氧生成水的同时，伴有ADP磷酸化生成ATP的过程为氧化磷酸化，因氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联发生，又称偶联磷酸化。 此为体内生成ATP的主要方式。1、ATP酶复合体1、ATP酶复合体 线粒体内膜的表面有一层规则地间隔排列着的球状颗粒，称为ATP酶复合体，是ATP合成的场所。 nullATP酶，含有5种不同的亚基（按3、3、1、1 和1 的比例结合）。Fo为一个疏水蛋白，是与线粒体电子传递系统连接的部位，起质子通道作用。F1催化ATP合成。ATP酶（FoF1-ATP酶）2、ATP合成反应-氧化磷酸化2、ATP合成反应-氧化磷酸化生物氧化的释能反应与ADP的磷酰化反应偶联合成ATP的过程，称为氧化磷酸化(Oxidative phosphorylation ）。 根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的G’ < -30.5 kJ / mol。 FMNH2  Q cyt b  cyt c1 cyt aa3  O2 G’ -55.6kJ/mol -34.7kJ/mol -102.1kJ/moL 这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联，产生3个ATP。这些反应称为呼吸链的偶联部位。null（1）P/O（磷氧比值）: 物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数。 NADH氧化呼吸链生成(2.5ATP）3个ATP/传递1对电子（P/O=3）。 从琥珀酸  O2只产生(1.5ATP)2个ATP（P/O=2）. 解偶联：有代谢物的氧化过程，不伴有ADP磷酸化的过程为氧化磷酸化的解偶联。（2）偶联机制（2）偶联机制化学渗透假说的要点是： a. 线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵； b. 在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧（膜对H+是不通透的）。这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度 (pH) 和电位梯度（）；nullc. 在膜内外势能差（pH 和）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP。nullFMN•2HFMNNAD+NADH+H+FAD•2HFAD2Fe2+CoQ琥珀酸延胡索酸CoQ H22Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Cu++2Fe2+ 2Cu+NADH-Q还原酶 NADH脱氢酶Cytb线粒体内膜外侧4H+ADP+Pi 呼吸链与氧化磷酸化H2O琥珀酸-Q还原酶细胞色素还原酶细胞色素氧化酶2e1/2O2O=2H+CytC1Cyta+a3CytC复合物I复合物III复合物II复合物IV线粒体内膜内侧4H+2H+4H+2H+4H+鱼藤酮 安密妥抗霉素ACO CN— H+H+ATP H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ATP合酶FeSFeSFeS H+ H+ H+ H+2enull（1）氧化磷酸化的调节 a.ADP和ATP的调节：正常生理条件下，ADP是氧化磷酸化的主要调节者， ADP则氧化磷酸化。 b.甲状腺激素：它诱导Na+,K+-ATP酶的生成，使ATP分解,因ADP导致氧化。它还使解偶联蛋白基因表达和耗氧，产热。 （2）线粒体DNA（mtDNA）突变 mtDNA突变率是核内DNA的10-20倍，如突变发生在氧化磷酸化的基因上，将使ATP生成,导致疾病。3、影响氧化磷酸化的因素null（3）抑制剂 ①呼吸链抑制剂 【作用】阻断呼吸链中某些部位的电子传递，导致生命活动停止,引起死亡。 [例1]鱼藤酮、粉蝶霉素A、异戊巴比妥等:抑制复 合物I的Fe-S蛋白。 [例2]抗霉素A、二巯基丙醇:抑制CytbCytc1 (复合物Ⅲ)的电子传递。 [例3]CO、CN-、N3及H2S等:抑制Cyt aa3（复合物 Ⅳ）。null②解偶联剂（uncoupler） 【作用】使氧化磷酸化脱离，不能生成ATP。 [例1]二硝基苯酚（dinitrophenol,DNP）:脂溶性物质，自由通过内膜，将H+带入基质,破坏了H+梯度. ③氧化磷酸化抑制剂 【作用】对电子传递和ADP的磷酸化均有抑制。 [例]寡霉素:与ATP合酶的F0部位结合，破坏H+回流，影响呼吸链质子泵的功能，抑制电子传递。 null 线粒体基质与胞液之间有内、外膜相隔，外膜通透性高，内膜依赖其膜上的转运载体完成转运。 （一）胞液中NADH的氧化 胞液中生成的NADH不能自由通过线粒体内膜 转运胞液NADH的机制主要有：苹果酸-天冬氨酸穿梭和-磷酸甘油穿梭作用。 四、线粒体内膜的物质转运nullα-磷酸甘油脱氢酶α-磷酸甘油脱氢酶nullnullnullnull-磷酸甘油穿梭 [部位]脑、骨骼肌 [催化酶]磷酸甘油脱氢酶（FAD） [能量生成]经呼吸链生成2个ATP，在脑与骨骼肌组织中，1分子葡萄糖彻底氧化生成36分子ATP 2.苹果酸-天冬氨酸穿梭 [部位]肝、心肌 [催化酶]苹果酸脱氢酶（NAD+）、谷草转氨酶 [能量生成]经呼吸链生成3个ATP，在肝与心肌组织中， 1分子葡萄糖彻底氧化生成38分子ATP。 nullnullnull五、 ATP的利用和贮存 （一） ATP的功能 1、维持生理活动---分泌，吸收，收缩，神经传导等。 2、生化活动----合成代谢等。 （二） ATP的贮存 磷酸肌酸（creatine phosphate,CP）是肌肉中能量的贮存形式。第四节 其它氧化体系 第四节 其它氧化体系 一、需氧脱氢酶和氧化酶 1、氧化酶：直接利用氧，产物为水，辅基 含铜离子。 [例]细胞色素氧化酶，抗坏血酸氧化酶等 2、需氧脱氢酶：以氧为受氢体，产物为 H2O2, 辅基为FMN、FAD。null二、过氧化物酶体系 过氧化物酶体系是特殊的细胞器。 [部位]肝、肾，中性粒细胞，小肠粘膜细胞 [作用]含生成和分解H2O2的酶类。 1、过氧化氢及超氧离子的作用和毒性 [作用]中性粒细胞中的H2O2可杀死吞噬的细菌。 甲状腺中的H2O2使2I生成I2,促进甲状腺激素的合成。 [毒性]H2O2的堆积毒害细胞，使DNA氧化,断裂、损伤细胞膜等。 null2、过氧化氢的清除 （1）过氧化氢酶： 2H2O2 → 2H2O+O2 （2）过氧化物酶: R+H2O2 → RO+H2O RH2+H2O2 → R+2H2O 3.超氧离子的清除（ O2-） （1）超氧化物歧化酶（SOD） 2O2-+2H → H2O2+O2 （2）谷胱甘肽过氧化物酶nullnull三、微粒体中的氧化酶 （一）单加氧酶（混合功能氧化酶、羟化酶） [作用]活性物质的生成与灭活，药物、毒物 的生物转化。 [反应] RH + NADPH+H+ + O2 → ROH + NADP+ + H2O nullnull重点提示：1、名词解释：呼吸链、生物氧化、底物磷酸 化、氧化磷酸化等 2、熟记体内主要两条呼吸链的组成、排列顺 序及ATP的生成数目，NADH和FADH2 的区别。 3、细胞液DANH的氧化：即苹果酸穿梭、 α-磷酸甘油穿梭