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1、生物化学,第六章 生物氧化,华东理工大学生物化学精品课程组,上海市精品课程,第六章 生物氧化,学习要求： 1 细胞是如何利用氧分子把代谢物分子中的氢氧化成水的？ 2 细胞是如何在酶的催化下把代谢物分子中的碳变成二氧化碳？ 3 当有机物被氧化时，细胞是如何将氧化时产生的能量搜集和贮存起来的？,内容提要,6.1 生物氧化的特点和方式 6.2 线粒体生物氧化体系 6.3 生物氧化过程中能量的转变 6.4 非线粒体氧化体系,6.1 生物氧化的特点和方式,章首,生物氧化中二氧化碳的生成方式,生物氧化过程中水的生成方式,生物氧化的特点,生物氧化的特点,生物氧化的能量是逐步释放的 生物氧化过程产生的能量储存
2、在高能化合物中 主要是ATP。ATP中的能量可以通过水解而被释放出来，供给生物体的需能反应。 生物氧化具有严格的细胞内定位 原核生物的生物氧化是在细胞膜上进行的，真核生物的生物氧化是在线粒体中进行的,节首,章首,二氧化碳的生成方式,节首,章首,氧化脱羧基作用（oxidative decarboxylation） -氧化脱羧：丙酮酸的氧化脱羧 -氧化脱羧：苹果酸的氧化脱羧,直接脱羧基作用（oxidative decarboxylation） -直接脱羧：氨基酸的脱羧 -直接脱羧：草酰乙酸脱羧,直接脱羧作用（direct decarboxylation）,-直接脱羧：如氨基酸脱羧 RCHNH2CO
3、OH RCH2NH2 CO2 氨基酸 胺 -直接脱羧：如草酰乙酸脱羧,返回,氧化脱羧作用（oxidative decarboxylation ）,-氧化脱羧：如丙酮酸的氧化脱羧： -氧化脱羧：如苹果酸的氧化脱羧：,返回,生物氧化过程中水的生成,在生物氧化中，水是代谢物上脱下的氢与生物体吸进的O2化合生成的。代谢物上的氢需要在脱氢酶的作用下才能脱下，吸入的O2要通过氧化酶的作用才能转化为高活性的氧。在此过程中，还需要有一系列传递体才能把氢传递给氧，生成水. 代谢物M2H 氧化型 H2O 一个或多个传递体 M 还原型 O2 生物氧化过程中水的生成,节首,章首,6.2 线粒体生物氧化体系,线粒体结构
4、和功能特点 结构 功能 线粒体呼吸链 主要功能 组成 呼吸链中各组分的排列顺序,章首,线粒体的结构,线粒体有双层膜结构，外膜光滑，内膜折叠成嵴，伸向基质。内外膜之间为膜间腔。,节首,章首,线粒体的功能特点,外膜对大多数小分子物质和离子可通透， 内膜须依赖膜上的特殊载体选择性地运载物质进出。 基质中含有全部与有机酸氧化分解有关的酶。 内膜上存在着多种酶与辅酶组成的电子传递链，或称呼吸链。 内膜上的ATP合成酶利用电子传递过程释放的能量合成ATP，完成线粒体的供能作用。,节首,章首,线粒体呼吸链的主要功能,线粒体的主要功能 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，最后与氧结合生成
5、水。包括代谢物的脱氢、氢及电子的传递以及受氢体的激活。 呼吸链（respiratatory chain）由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶系统所组成的这种代谢途径一般称为生物氧化还原链。如果受氢体是氧，则称为呼吸链。,节首,章首,线粒体呼吸链的组成,NADH-Q还原酶（NADH dehydrogenase，complex I） 琥珀酸-Q还原酶（succinate-Q reductase,complex ) 细胞色素还原酶（cytochrome reductase, complex 细胞色素氧化酶（cytochrome oxidase， complex ）,节首,章首,Complex I结构
6、示意图,Complex 结构示意图,Complex 结构示意图,Complex 结构示意图,各复合物之间的相互关系,线粒体呼吸链的组成,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD或CoI） 黄素单核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸（FMN和FAD） 铁硫蛋白（铁硫中心） 泛醌（CoQ） 细胞色素（ Cyta 、Cytb、Cytc）,节首,章首,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,利用分子中烟酰胺基团的可逆性还原而递氢，还原形成的NADH即可参与组成呼吸链而进行电子传递。,NAD和NADH结构示意图,返回,黄素酶,辅基：黄素单核苷酸（FMN） 黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）,返回,铁硫蛋白（铁硫中心）,分子中常含2或4个Fe（称非血
7、红素铁）和2或4个对酸不稳定硫，其中一个Fe原子能可逆地还原而传递电子。在HADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶中均含有多个不同的铁硫蛋白，它们可将电子由FMNH2（或FADH2）转移到泛醌上。,返回,泛醌,是一种脂溶性的醌类化合物，其分子中的苯醌结构能进行可逆的加氢反应，故也属于递氢体。,返回,细胞色素,细胞色素属于电子传递体，其传递电子的方式如下： 2CytFe3+ + 2e 2CytFe2+,细胞色素 是属于色蛋白类的结合蛋白质，辅基是铁卟啉的衍生物，因其有颜色又普遍存在于细胞内，故称为细胞色素。根据其结构与吸收光谱的不同可将细胞色素分为a、b和c三类。,细胞色素c 的结构示意图,返回,呼吸链中各
8、组分的排列顺序,NADH氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链 线粒体中某些重要底物氧化时的呼吸链,章首,节首,NADH氧化呼吸链,是细胞内最主要的呼吸链，因为生物氧化过程中绝大多数脱氢酶都是以NAD+为辅酶，当这些酶催化代谢物脱氢后，脱下来的氢使NAD+转变为NADH，后者通过这条呼吸链将氢最终传给氧而生成水。NADH呼吸链各成员的排列见图,返回,琥珀酸氧化呼吸链,这个呼吸链由琥珀酸脱氢酶复合体、CoQ和细胞色素组成。其中琥珀酸脱氢酶复合体包括FAD、铁硫中心和另一种细胞色素b（称为b558）。琥珀酸氧化呼吸链的电子传递途径如图：,返回,某些代谢物在线粒体中氧化的呼吸链,线粒体中某些重要底物氧化时的呼
9、吸链,返回,6.3 生物氧化过程中能量的转变,生物氧化不仅消耗氧，产生二氧化碳和水，更重要的是在这个过程中有能量的释放，释放出来的能量在细胞内以ATP的形式贮存起来，以供细胞代谢活动的需要，这就是氧化磷酸化。本节要讨论的就是生物氧化中能量的释放、转移和贮存利用的问题。 放能与吸能偶联 高能化合物 ATP的生成与调节,章首,放能和吸能反应偶联的两种形式：,A.氢载体循环 B.磷酸循环,节首,章首,生物体内的高能化合物,磷氧键型高能化合物：包括1，3二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸、NTP、dNTP、NDP、dNDP、dN等。其中尤以ATP分布广、浓度大，是所有生命形式的主要的能量载体。 氮磷键型高
10、能化合物：如磷酸肌酸、磷酸精氨酸。 硫脂键型高能化合物：如脂酰CoA。 甲硫键型高能化合物：如S腺苷蛋氨酸,节首,章首,ATP的生成与调节,底物水平磷酸化 氧化磷酸化 氧化磷酸化的偶联部位 合成ATP的酶系 偶联机制 影响氧化磷酸化的因素 线粒体外NADH的氧化磷酸化 异柠檬酸穿梭作用 磷酸甘油穿梭作用 苹果酸穿梭作用 高能化合物的储存和转移利用,节首,章首,底物水平磷酸化,底物水平磷酸化是指代谢物在氧化分解过程中，有少数反应步骤由于脱氢或脱水而引起分子内部能量重新分布，形成了某些高能磷酸键，它可转移给ADP形成ATP的过程。,返回,底物水平磷酸化,底物水平磷酸化,氧化磷酸化的偶联部位,在呼吸
11、链中，通过氧化磷酸化产生能量的有3个部位（见图）。在这3个部位，自由能的降低均足以满足由ADP和Pi合成ATP所需的能量（7.3kcalmol1），从NADH来的一对电子传递到氧上，经过这3个偶联部位，生成3分子ATP。,返回,偶联机制,化学渗透偶联假说其要点如下： 氧化和磷酸化之间是通过H的电化学梯度偶联起来的。H离子电化学梯度中就蕴藏了能量，这种能量即驱使ADP与Pi形成ATP，这种ATP生成反应是在内膜内表面的F0F1ATP酶复合体内进行的定向反应。,返回,合成ATP的酶系,镶嵌在线粒体内膜上合成ATP的酶系是一个复合物，称为ATP合成酶或称F0F1ATP酶。它由两个主要部分F0和F1再
12、加柄连接而构成。F1即偶联因子，呈球形，通过一个柄（由蛋白质组成）接到包埋在线粒体内膜的柄底F0上，故又称三联体。,返回,ATP合成酶,合成ATP的酶系,影响氧化磷酸化的因素,激素的调节 甲状腺激素能促进线粒体的氧化磷酸化，增加ATP的形成。 抑制剂的作用 ATP/ADP比值的影响 氧化磷酸化主要受细胞对能量需求的调节。,返回,抑制剂的作用,通过抑制电子传递而抑制氧化磷酸化 如阿的平、阿米妥、鱼藤酮、抗霉素A、一氧化碳和氰化物等均因能抑制呼吸链而抑制氧化磷酸化（如图） 解偶联剂 F0F1ATP酶的抑制剂 离子载体,返回,异柠檬酸穿梭作用,异柠檬酸脱氢酶： 以NAD为辅酶（线粒体内） 以NADP
13、为辅酶（线粒体外）,返回,磷酸甘油穿梭作用,-磷酸甘油脱氢酶有两种： 线粒体外的磷酸甘油脱氢酶（以NAD+为辅酶） 线粒体内的磷酸甘油脱氢酶（以FAD为辅基的一种不需氧黄酶） 通过这种穿梭作用，线粒体外的NADH+H+只能产生两个ATP，比线粒体内的NADH+H+氧化少产生一个ATP 磷酸甘油穿梭系统图,返回,磷酸甘油穿梭系统图,返回,苹果酸穿梭作用,线粒体内外都具有苹果酸脱氢酶，而且辅酶（FAD）相同 通过这种穿梭作用，线粒体外的NADH+H+能产生3个ATP。 苹果酸穿梭系统图,返回,苹果酸穿梭系统图,返回,高能化合物的储存和转移利用,ATP是生物界普遍的供能物质，体内的分解代谢和合成代谢
14、的偶联都以ATP为偶联剂。ATP分子含有两个高能磷酸键，在体外标准条件下测定，每个高能磷酸键水解时释放约7.3kcalmol1的能量。 在细胞内如脊椎动物肌肉和神经组织的磷酸肌酸和无脊椎动物的磷酸精氨酸才是真正的能量储存物质，又称为磷酸原。当机体消耗ATP过多致使ADP增多时，磷酸肌酸可将其高能键转给ADP生成ATP，以供生理活动之用。催化这一反应的酶是肌酸磷酸激酶（CPK）。 肌酸 ATP 磷酸肌酸 ADP,当机体代谢中需要ATP提供能量时，ATP可以多种形式实行能量的转移和释放：,葡萄糖ATP 6磷酸葡萄糖 ADP 5磷酸核糖ATP 5磷酸核糖1焦磷酸 AMP 氨基酸 ATP 氨酰- AM
15、P Ppi 蛋氨酸ATP S腺苷蛋氨酸 PPi + Pi,返回,体内能量的转移、储存和利用,返回,6.4 非线粒体氧化体系,微粒体氧化体系 加单氧酶 加双氧酶 过氧化物酶体氧化体系 过氧化氢及超氧离子的生成 过氧化氢及超氧离子的毒性作用 过氧化氢及超氧离子的消除,章首,加单氧酶催化的反应进行时，需要氧和还原型辅助因子。,反应通式如下： RHO2NADPHH ROHNADPH2O,加单氧酶,节首,章首,加双氧酶,此类酶催化氧分子直接加到作用物分子上:,节首,章首,在生物氧化过程中，呼吸链末端每分子氧必须接受4个电子才能完全还原，生成2O2，可以与H结合生成水，如果电子供给不足，则生成过氧化基团O22或超氧离子。,过氧化氢及超氧离子的生成,O24e 2O2 2H2O O22e O22 H2O2 O2e O2,节首,章首,过氧化氢及超氧离子的毒性作用,超氧离子为带有负离子的自由基，反应活泼，与过氧化氢作用可以生成性质更活泼的羟自由基OH。它们作用于DNA时可使其氧化、修饰、甚至断裂；作用于蛋白质时可使其巯基氧化而改变其功能或引起酶活性丧失；作用于脂质中的不饱和脂肪酸等则可产生过氧化脂质，引起生物膜损伤。,节首,章首,过氧化氢及超氧离子的消除,超氧化物歧化酶（SOD） 2O22H H2O2 O2 过氧化氢酶 H2O2 + H2O2 2H2O + O2
