《生物化学生物氧化》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物化学生物氧化（73页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、生物氧化生物氧化 第一节第一节 生物氧化生物氧化 一 概念生物氧化（biological oxidation）: 糖、脂类、蛋白质等有机物在细胞内经过一系列氧化分解最终彻底氧化成CO2和H2O并释放能量的过程。又形象称为细胞呼吸或细胞氧化或组织呼吸（氧化产能伴有ATP的生成，氧的消耗和CO2的释放）。二二 场所场所n n真核生物：主要在线粒体n n原核生物：细胞质膜 三三 线粒体内的氧化过程线粒体内的氧化过程 糖原脂肪蛋白质 葡萄糖 脂肪酸+甘油 氨基酸 乙酰辅酶A2H呼吸链H2OCO2ADP+PiATP三羧酸循环四四 特点特点n n反应条件：恒温（体温，反应条件：恒温（体温，3737），近中
2、性），近中性PHPH，有水环境，细胞内有水环境，细胞内n n酶催化（包括辅酶），有中间产物生成，氢需酶催化（包括辅酶），有中间产物生成，氢需经过传递（传递体）才能与经过传递（传递体）才能与O O2 2结合形成结合形成H H2 2O On n能量逐步释放，主要以生成能量逐步释放，主要以生成ATPATP方式储存能量，方式储存能量，为生物体利用为生物体利用n n需要需要O O2 2，最终产物，最终产物COCO2 2由有机物氧化的中间产由有机物氧化的中间产物经脱羧反应（分为直接脱羧基、氧化脱羧基，物经脱羧反应（分为直接脱羧基、氧化脱羧基，分别可以分别可以-、-脱羧）而生成。脱羧）而生成。五五 与体外燃
3、烧的比较与体外燃烧的比较n n结果相同：消耗氧气生成二氧化碳和水，同时释放能量n n生成方式不同：H2 2O形成方式，CO2 2形成方式，能量释放方式，反应条件第二节第二节 线粒体氧化体系线粒体氧化体系一一. . 呼吸链呼吸链(respiratory chain)(respiratory chain)：n n呼吸链是由一系列的递氢体和递电子体按一呼吸链是由一系列的递氢体和递电子体按一定的顺序排列所组成的连续反应体系，代谢定的顺序排列所组成的连续反应体系，代谢物分子上的氢由脱氢酶激活脱下，经过一系物分子上的氢由脱氢酶激活脱下，经过一系列传递体的有序传递，将电子传递到细胞色列传递体的有序传递，将电
4、子传递到细胞色素体系，最后传递到氧激活氧，活化的氢和素体系，最后传递到氧激活氧，活化的氢和活化的氧结合生成活化的氧结合生成H H2 2O O，传递过程中有，传递过程中有ATPATP生生成，这个过程构成的传递链叫呼吸链或电子成，这个过程构成的传递链叫呼吸链或电子传递链，起传递氢或电子作用的酶或辅酶称传递链，起传递氢或电子作用的酶或辅酶称为电子传递体。为电子传递体。呼吸链发生的部位：呼吸链发生的部位： 线粒体内膜（真核生物） 线粒体的结构线粒体的结构二二. 呼吸链的组成成分和作用呼吸链的组成成分和作用1.1.尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD(NAD+ +) )又称辅酶又称辅酶I
5、(CoII(CoI) )，或尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，或尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP(NADP+ +) )，又称辅酶，又称辅酶(Co(Co) )。2.2. NAD NAD+ +为体内很多脱氢酶的辅酶，是为体内很多脱氢酶的辅酶，是连接作用物与呼吸链的重要环节，分子中连接作用物与呼吸链的重要环节，分子中除含尼克酰胺除含尼克酰胺( (维生素维生素PP)PP)外，还含有核糖、外，还含有核糖、磷酸及一分子腺苷酸磷酸及一分子腺苷酸(AMP)(AMP)，其结构如下：，其结构如下：NADNAD+腺苷酸部分中核糖的腺苷酸部分中核糖的腺苷酸部分中核糖的腺苷酸部分中核糖的22位碳上羟基的氢被磷酸基位碳上羟
6、基的氢被磷酸基位碳上羟基的氢被磷酸基位碳上羟基的氢被磷酸基取代而成取代而成取代而成取代而成NADPNADP+，结构如下：，结构如下：，结构如下：，结构如下： n n作用分子结构特点： 在生理pH条件下，尼克酰胺中的氮(吡啶氮)为五价的氮，它能可逆地接受电子而成为三价氮，与氮对位的4位碳也较活泼，能可逆地加氢还原，故可将NAD+视为递氢体。 反应时，NAD+的尼克酰胺部分可接受一个氢原子及一个电子.n n作用：脱氢（激活氢） 递氢（可逆作用，传递给黄素蛋白）2. 黄素蛋白黄素蛋白(flavoproteins)n n黄素蛋白是一种脱氢酶，种类很多，其辅基有两种，一种为黄素单核苷酸(FMN)，另一种
7、为黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，两者均含核黄素(维生素B2)，此外FMN尚含一分子磷酸，而FAD则比FMN多含一分子腺苷酸(AMP)，其结构如下： n n作用分子特点： 在FAD、FMN分子中的异咯嗪部分1和10位的氮可以进行可逆的脱氢加氢反应，接受一对氢原子而变成还原型FMNH2 2或FADH2 2。 n n作用：FMN递氢 FAD脱氢，递氢3. 铁硫蛋白铁硫蛋白(iron-sulfur proteins,Fe-S)n n常见的铁硫蛋白有三种组合方式 n n作用的分子结构特点：含铁原子，铁为非血红素铁，铁与无机硫原子或蛋白质肽链上半胱氨酸残基的硫相结合，铁能可逆地进行氧化还原反应，每次只能传
8、递一个电子，为单电子传递体。n n作用：递电子n nFe2+ Fe3+e4.泛醌泛醌(ubiquinone,UQ或或Q) n n作用分子结构特点： 泛醌接受一个电子和一个质子还原成半醌QH，再接受一个电子和质子则还原成二氢泛醌QH2 2，后者又可脱去电子和质子而被氧化恢复为泛醌。n n作用：递氢，递电子 5. 细胞色素体系细胞色素体系（cytochromes,Cyt） 根据吸收光谱的不同可分为三类,即细胞色素a,b,c（Cyta,Cytb，Cytc）。 线粒体的电子传递至少含有五种不同的细胞色素：称为细胞色素b、c、c1、a、a3。 细胞色素b、c、c1辅基为血红素。 细胞色素a、a3不易分开
9、，统称为细胞色素aa3，其辅基为修饰过的血红素，称为血红素A，唯一可将电子直接传递给氧的细胞色素，因此又称为细胞色素氧化酶。 n n作用分子结构特点：铁卟啉辅基所含Fe2+可有Fe2+ Fe3+e的互变，进行可逆的氧化还原反应，为单电子传递体。n n作用：递电子 n n在呼吸链中不同的电子传递体都和蛋白质结合存在。n nNAD是许多脱氢酶的辅酶。FMN是NADH脱氢酶的辅酶。n n辅酶Q本身不是蛋白质，但是与一种以上的蛋白质相结合而起作用。n n与呼吸链中递电子体相结合的蛋白质都是水不溶性的，真核细胞中这些蛋白质镶嵌在线粒体的内膜上。三三. 呼吸链传递体的排列顺序呼吸链传递体的排列顺序确定排列
10、顺序的方法（实验测定）：1.1.根据各种组分的标准氧化还原电位来确定。2.2.测定特定吸收光谱。3.3.使用特异的抑制剂。4.4.酶复合体 。复合体复合体酶酶名称名称多多肽链肽链数数辅辅基基复合体复合体NADH-NADH-泛泛醌还醌还原原酶酶3939FMNFMN，Fe-SFe-S复合体复合体琥珀酸琥珀酸- -泛泛醌还醌还原原酶酶4 4FADFAD，Fe-SFe-S复合体复合体泛泛醌醌- -细细胞色素胞色素c c还还原原酶酶1010 铁卟铁卟啉，啉，Fe-SFe-S复合体复合体细细胞色素胞色素c c氧化氧化酶酶1313铁卟铁卟啉，啉，CuCu 复合体复合体：从：从NADNAD+ +到泛醌间的组分
11、，又称到泛醌间的组分，又称NADH-NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶 整个复合体嵌在线粒体内膜上，其整个复合体嵌在线粒体内膜上，其NADHNADH结合面朝向线粒体基质，从而能与基质内经脱结合面朝向线粒体基质，从而能与基质内经脱氢酶催化产生的氢酶催化产生的NADH+HNADH+H+ +相互作用。相互作用。NADHNADH脱脱下的氢经复合体下的氢经复合体中中FMNFMN、铁硫蛋白等传递给、铁硫蛋白等传递给辅酶辅酶Q Q，与此同时伴有质子从线粒体基质转移，与此同时伴有质子从线粒体基质转移到线粒体外。到线粒体外。 复合体：琥珀酸到泛醌间，又称琥珀酸-泛醌还原酶 它是三羧酸循环中唯一的膜结合蛋白质，至少含
12、有4种不同的蛋白质，其中一种蛋白质通过共价结合一个FAD和一个铁硫蛋白，还原当量（2H）从琥珀酸到FAD，然后经铁硫蛋白传递给辅酶Q。 n n泛醌： 分子较小，不与任何蛋白结合，在线粒体内膜呼吸链不同组分间可以穿梭游动传递电子，接受复合物或的氢后将质子（H+）释放入线粒体基质中，将电子传递给复合物。 复合物：泛醌到细胞色素c间，又称泛醌-细胞色素c还原酶 含细胞色素b、Cytc1、铁硫蛋白及其他多种蛋白质。复合物在泛醌和Cytc间传递电子，同时质子从线粒体基质转移到线粒体外。 n nCytc： 分子量较小，与线粒体内膜结合疏松，是除泛醌外另一个可在线粒体内膜外侧移动的递电子体。n n复合物：C
13、ytaa3，又称细胞色素c氧化酶，以复合物存在，含有两个必需的铜原子。铜在氧化还原中也发生价态变化，一价铜和二价铜之间的变换。 电子从细胞色素c通过复合体到氧，同时引起质子从线粒体基质向膜间隙移动。 所以，代谢物氧化后脱下的氢及电子 通过以上呼吸链四个复合体的传递顺序为： 从复合体或开始，经UQ到复合体，通过Cytc到复合体再到氧，这样活化了的氧和活化了的氢结合成水。 胞液侧 Cytc 线粒体内膜 Q 基质侧 NADH FADH2 2 O2 2四四. 两条呼吸链两条呼吸链NADHNADH电子传递链电子传递链 SH SH2 2 NAD NAD+ + FMNH FMNH2 2 Q 2CytFe Q
14、 2CytFe3+3+ O O2 2 b-c1-c-aa b-c1-c-aa3 3 S NADH FMN QH S NADH FMN QH2 2 2CytFe 2CytFe2+2+ O O2-2- 2H 2H+ +FADFAD电子传递链电子传递链 2H 2H+ + SH SH2 2 FAD QH FAD QH2 2 2CytFe 2CytFe3+3+ O O2-2- S FADH S FADH2 2 Q 2CytFe Q 2CytFe2+2+ O O2 2 第三节第三节 生物氧化和能量代谢生物氧化和能量代谢 一一 高能化合物和高能磷酸化和物高能化合物和高能磷酸化和物 1. 1. 高能化合物高能
15、化合物 体内的体内的ATPATP等有机化合物在水解时可释放出等有机化合物在水解时可释放出大量自由能，通常称为高能化合物或富含能量的大量自由能，通常称为高能化合物或富含能量的物质。换言之，所谓高能化合物是指化合物进行物质。换言之，所谓高能化合物是指化合物进行水解反应时伴随的标准自由能变化（水解反应时伴随的标准自由能变化（GG0 0 ）等于）等于或大于或大于ATPATP水解成水解成ADPADP的标准自由能变化的化合的标准自由能变化的化合物。在物。在PH7.0PH7.0条件下，条件下，ATPATP水解为水解为ADPADP和磷酸时，和磷酸时，其其GG0 0 为为-30.5KJ/mol-30.5KJ/m
16、ol。 2. 高能磷酸化合物 高能化合物水解的是磷酸酯键（用“P”表示）称为高能磷酸化合物，释放能量较多，大于21KJ/mol，如ATP、ADP、1，3-二磷酸甘油酸、磷酸肌酸。3. 高能硫酯化合物 高能化合物由酰基和硫醇基构成，称为高能硫酯化合物，如乙酰CoA，脂酰CoA和琥珀酸CoA等。4. ATP循环二二 ATP的生成方式的生成方式1.底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation） 底物分子发生化学变化（脱水或脱氢），使分子内部能量重新分布形成高能磷酸键伴有ADP磷酸化生成ATP的作用称为底物水平磷酸化，与呼吸链的电子传递无关。形成ATP在体内所占比例很
17、小。 2.氧化磷酸化氧化磷酸化（oxidative phosphorylation） 氧化是底物脱氢或失电子的过程，电子氧化是底物脱氢或失电子的过程，电子沿呼吸链向氧传递的过程中，逐步释放能量沿呼吸链向氧传递的过程中，逐步释放能量氧化放能；而磷酸化是氧化放能；而磷酸化是ADPADP与与PiPi合成合成ATPATP的过程的过程磷酸化吸能；这种氧化与磷酸化磷酸化吸能；这种氧化与磷酸化两个过程紧密地偶联在一起形成两个过程紧密地偶联在一起形成ATPATP的过程就的过程就是氧化磷酸化。氧化是磷酸化的基础，而磷是氧化磷酸化。氧化是磷酸化的基础，而磷酸化是氧化的结果。如果只有代谢物的氧化酸化是氧化的结果。如
18、果只有代谢物的氧化过程，而不伴随有过程，而不伴随有ADPADP的磷酸化过程，则称的磷酸化过程，则称为氧化磷酸化的解偶联（为氧化磷酸化的解偶联（uncouplinguncoupling）. . 三三.ATP在呼吸链中形成的部位在呼吸链中形成的部位即氧化磷酸化的偶联部位，确定方法有：1.P/O比值测定 P/O比值指在一定时间内，氧化磷酸化过程中消耗一摩尔氧所消耗的无机磷的摩尔数，或者说消耗一摩尔氧所生成的ATP的摩尔数。n n如-羟丁酸的氧化通过NADH进入呼吸链，P/O比值接近于3，产生3分子ATP。琥珀酸氧化是通过FAD进入呼吸链，P/O比值接近于2，产生2分子ATP。 所以表明NADH和UQ
19、之间存在偶联部位。n n同样，确定了UQ和Cytc，Cytc和分子氧之间也存在偶联部位。线粒体离体实验测得的一些底物的线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值比值底物底物呼吸链的组成呼吸链的组成P/OP/O比值比值 生成生成ATPATP 羟丁酸羟丁酸NADNAD+ +FMNQCytOFMNQCytO2 22.4-2.82.4-2.83 3琥珀酸琥珀酸FAD FAD QCytOQCytO2 21.71.72 2抗坏血酸抗坏血酸Cytc CytaaCytc Cytaa3 3 O O2 20.880.881 1CytcCytc（FeFe2+2+）CytaaCytaa3 3 O O2 20.61-0.
20、61-0.680.681 1 NADHFMN（Fe-S）CoQCytbCytc1CytcCytaa3O2FAD（Fe-S）ATPATPATP 2. 根据氧化还原电位计算电子传递释放的能量即标准自由能变化是否能满足ATP合成的需要，大于-30.5kJ/mol四氧化磷酸化的作用机理。四氧化磷酸化的作用机理。1.氧化磷酸化中ATP生成的结构基础ATP是位于线粒体内膜上的ATP合成酶 催化ADP与Pi合成的。 n n疏水F0，亲水F1F0F1复合体n n九条多肽亚基：3 3、3 3、 n n与亚基上有ATP结合部位n n亚基具有质子通过的闸门作用n n亚基是F1与膜相连所必需的，中心部分为质子通道n
21、n亚基是酶的调节部分n nF0亚基主要构成质子通道，由3-4个大小不一的亚基所组成，其中一个亚基称为寡霉素敏感蛋白，就是OSCP2.氧化磷酸化有三种假说：氧化磷酸化有三种假说： 化学偶联假说化学偶联假说chemical coupling hypothesischemical coupling hypothesis 构象偶联假说构象偶联假说conformational coupling hypothesisconformational coupling hypothesis 化学渗透假说化学渗透假说chemiosmotic hypothesischemiosmotic hypothesis 化学
22、渗透假说（化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis）的基本观点是：）的基本观点是：1.线粒体内膜中电子传递与线粒体释放H+是偶联的。 2. 形成跨膜电位和PH梯度PH，底物氧化过程中释放的自由能就储存于和PH中。3. H+顺浓度梯度方向运动所释放的自由能用于ATP合成 。 n n总之，化学渗透学说认为在氧化和磷酸化之间起偶联作用的因素是H+的跨膜浓度梯度。五五 氧化磷酸化作用的抑制剂氧化磷酸化作用的抑制剂 氧化磷酸化抑制剂可分为四类，即呼吸链抑制剂、磷酸化抑制剂、解偶联剂以及离子载体抑制剂。 1. 呼吸链抑制剂，也称电子传递抑制剂，抑制呼吸链的电子传递，使氧化受阻则偶联的磷
23、酸化也无法进行。 鱼藤酮、粉蝶霉素鱼藤酮、粉蝶霉素A A、异戊巴比妥，与复合体、异戊巴比妥，与复合体中的铁硫蛋中的铁硫蛋白结合，专一抑制白结合，专一抑制NADH UQNADH UQ的电子传递。的电子传递。 抗霉素抗霉素A A、二巯基丙醇（、二巯基丙醇（BALBAL）抑制复合体）抑制复合体中中CytbCytcCytbCytc1 1的的电子传递。电子传递。 H2S H2S、COCO、CNCN- -、N N3 3- -均抑制细胞色素氧化酶，电子不能传递均抑制细胞色素氧化酶，电子不能传递给氧。给氧。 另外，一种铁鳌合剂（另外，一种铁鳌合剂（TTFATTFA）可以特异抑制还原当量（）可以特异抑制还原当量
24、（2H2H）从从FADUQFADUQ的传递。的传递。 2.磷酸化抑制剂，抑制ATP的合成。 寡霉素可与ATP合成酶的OSCP亚基结合，阻塞氢离子通道，从而抑制ATP的合成。 3.解偶联剂：使氧化和磷酸化脱偶联，氧化仍可以进行，而磷酸化不能进行。 解偶联剂作用的本质是增大线粒体内膜对H+的通透性，消除H+的跨膜梯度，因而没有ATP生成，常用的解偶联剂有2，4-二硝基苯酚（DNP）。 4.离子载体抑制剂。 消化氧化作用释放的能量，用于离子转运。六六 ATP的生理功能。的生理功能。1. ATP是生命活动利用能量的主要形式。2.用于生物合成。3. RNA合成原料。第四节第四节 非线粒体氧化体系非线粒体
25、氧化体系 与ATP的生成无关，主要作用是清除代谢废物、药物、毒物以及食品添加剂等。一一.微粒体氧化体系（加氧体系）微粒体氧化体系（加氧体系） 存在于细胞的光滑内质网上。单加氧酶（monooxygenase）： 又称多功能氧化酶、混合功能氧化酶。催化在底物分子中加一个氧原子的反应。 双加氧酶(dioxygenase): 催化两个氧原子直接加到底物分子特定的双键上。二二.过氧化物酶体氧化体系过氧化物酶体氧化体系 存在于动物组织的肝、肾、中性粒细胞和小肠粘膜中。 1.过氧化氢酶和过氧化物酶 过氧化氢酶（过氧化氢酶（catalasecatalase）：此酶催化两个）：此酶催化两个H H2 2O O2
26、2分子的氧化还原反应，生成分子的氧化还原反应，生成H H2 2O O并释并释放出放出O O2 2。 过氧化物酶（过氧化物酶（peroxidaseperoxidase）：此酶催化）：此酶催化H H2 2O O2 2或过氧化物直接氧化酚类或胺。或过氧化物直接氧化酚类或胺。 2.超氧化物歧化酶（SOD） 超氧离子在超氧化物歧化酶催化下生成H2 2O2 2与O2 2掌握：掌握：n n生物氧化的概念（包括生物氧化的特点），底物生物氧化的概念（包括生物氧化的特点），底物磷酸化和氧化磷酸化的概念，高能化合物的概念磷酸化和氧化磷酸化的概念，高能化合物的概念n n线粒体氧化体系（包括呼吸链的概念、组成成分线粒体氧化体系（包括呼吸链的概念、组成成分及结构上特点作用，两条呼吸链的顺序排列和氧及结构上特点作用，两条呼吸链的顺序排列和氧化还原表示方法，化还原表示方法，ATPATP在其上生成的部位和在其上生成的部位和ATPATP的的生理功能，呼吸链抑制剂和抑制部位生理功能，呼吸链抑制剂和抑制部位）n n氧化磷酸化的作用机理（重点是化学渗透假说）氧化磷酸化的作用机理（重点是化学渗透假说） 和氧化磷酸化作用的抑制剂和氧化磷酸化作用的抑制剂 Thanks for your attention and enjoy your vacation!
