1、第 六 章生 物 氧 化Biological Oxidation內(nèi)容提要：第一節(jié) 概述第二節(jié) 呼吸鏈第三節(jié) 氧化磷酸化第四節(jié) 胞液中NADH的氧化營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(糖、脂肪、蛋白質(zhì)等)在生物體內(nèi)經(jīng)氧化分解，最終生成CO2 和 H2O，并釋放能量的過(guò)程稱(chēng)生物氧化（biological oxidation）。一、生物氧化的概念和特點(diǎn) 第一節(jié) 概 述* 生物氧化與體外氧化的相同點(diǎn)生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。物質(zhì)在體內(nèi)外氧化時(shí)所消耗的氧量、最終產(chǎn)物（CO2，H2O）和釋放能量均相同。是在細(xì)胞內(nèi)溫和的環(huán)境中由酶催化進(jìn)行的，能量是逐步釋放的，并儲(chǔ)存于ATP中。代謝物脫

2、下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生H2O，有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生CO2。生物氧化體外氧化能量是突然釋放的。CO2、H2O由物質(zhì)中的碳和氫直接與氧結(jié)合生成。* 生物氧化與體外氧化的不同點(diǎn)* 生物氧化的一般過(guò)程產(chǎn)能少，約1%產(chǎn)能占總能1/3產(chǎn)能占總能70%酯鍵斷裂釋放的自由能=-14.3KJ；酯鍵斷裂釋放的自由能=-32.2KJ；酯鍵斷裂釋放的自由能=-30.5KJ。能量轉(zhuǎn)換的“貨幣”三、體能能量的貯存和利用酯鍵腺苷酸庫(kù)（adenylate） 由于ATP水解后可以產(chǎn)生ADP或AMP，因此在細(xì)胞中存在3種腺苷酸ATP、ADP、AMP，這三種腺苷酸合稱(chēng)腺苷酸庫(kù)。 是高能磷酸狀態(tài)的一種數(shù)量上的衡量，即指細(xì)胞內(nèi)ATP-ADP-A

3、MP系統(tǒng)中充滿(mǎn)高能磷酸基團(tuán)的程度。能荷： ATP + 0.5ADP能荷 = ATP +ADP+AMP 大多數(shù)細(xì)胞的能荷維持在0.8-0.95左右。ATP的生成和ATP的消耗途徑是和細(xì)胞內(nèi)能荷狀態(tài)相呼應(yīng)的：高能荷時(shí)，ATP生成過(guò)程被抑制，而ATP的利用過(guò)程被激發(fā)；當(dāng)能荷值低時(shí)，其效應(yīng)相反。 高能磷酸鍵水解時(shí)釋放的能量大于20KJ/mol（ ）的磷酸酯鍵叫作高能磷酸鍵，常表示為P。高能化合物含有高能鍵的化合物。 磷酸肌酸的作用 磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。 ATP可以直接供能，是能量的利用形式，但在體內(nèi)不能儲(chǔ)存，能量要以磷酸肌酸的形式儲(chǔ)存。 ATP相當(dāng)于cash，磷酸肌酸相當(dāng)于c

4、heque。 ATP的生成和利用第二節(jié) 呼吸鏈 生成ATP的氧化體系The Oxidation System of ATP Producing一、線粒體線粒體的主要功能：將進(jìn)入線粒體的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氧化分解，利用分解釋放的能量合成ATP，供給機(jī)體生理活動(dòng)的需要，故將線粒體稱(chēng)為細(xì)胞的“動(dòng)力站”，是真核細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換的重要部位。 線粒體內(nèi)膜上有呼吸鏈的所有酶。 基質(zhì)中有TCA、脂肪酸氧化、轉(zhuǎn)氨等酶類(lèi)。 線粒體膜的通透性： 外膜有高通透性，大多數(shù)小分子物質(zhì)可以自由通過(guò)； 內(nèi)膜具有高度的選擇性通透性。 可通過(guò)物質(zhì)：ATP、AMP、Pi、丙酮酸、琥珀酸、-酮戊二酸、蘋(píng)果酸、檸檬酸、谷氨酸等。 不可通過(guò)物質(zhì)：H+

5、、NADH、NADPH、草酰乙酸等。 定義生物氧化過(guò)程中，代謝物脫下的成對(duì)氫原子（2H）通過(guò)多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，并釋放出能量，這一系列酶和輔酶稱(chēng)為呼吸鏈(respiratory chain)又稱(chēng)電子傳遞鏈(electron transfer chain)。 組成遞氫體和電子傳遞體（2H 2H+ + 2e） 二、呼吸鏈（一）煙酰胺脫氫酶類(lèi)NAD+：煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide Adenine Dinucleotide) ，又叫Co，主要作為呼吸鏈的一個(gè)組分，起遞氫體作用；NADP+：煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotin-amide Ad

6、enine Dinucleotide Phosphate) ，又叫Co，主要在還原性生物合成中作為供氫體。二者的遞氫部位是煙酰胺部分，為Vit PP。呼吸鏈的組成R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+ NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu)煙酰胺核糖核糖腺嘌呤磷酸磷酸遞氫N(xiāo)AD+（NADP+）的遞氫機(jī)制（氧化型）（還原型）（二）黃素脫氫酶類(lèi)FMN：黃素單核苷酸(Flavin Mononucleotide)FAD：黃素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleotide)FMN和FAD中異咯嗪環(huán)起遞氫體作用。 異咯嗪及核醇部分為Vit B2（核黃素）。 FMN(黃素單核苷酸)結(jié)構(gòu)

7、異咯嗪核醇核黃素FAD(黃素腺嘌呤二核苷酸)結(jié)構(gòu)核黃素FMN和FAD遞氫機(jī)制 （氧化型）（還原型）（三）鐵硫蛋白(Iron-sulfur protein, Fe-S)分子中含有非血紅素鐵和對(duì)酸不穩(wěn)定的硫，又叫鐵硫中心或鐵硫簇。 含有等量鐵原子和硫原子。鐵除與硫連接外，還與肽鏈中Cys殘基的巰基連接。 鐵原子可進(jìn)行Fe2+ Fe3+e 反應(yīng)傳遞電子，為單電子傳遞體。 鐵硫蛋白結(jié)構(gòu)鐵硫蛋白遞電子機(jī)制（四）泛醌 (ubiquinone, UQ)即輔酶Q（Coenzyme Q，CoQ），屬于脂溶性醌類(lèi)化合物，帶有多個(gè)異戊二烯側(cè)鏈，是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白質(zhì)組分。因其為脂溶性，游動(dòng)性大，極易從線粒體內(nèi)

8、膜中分離出來(lái)，因此不包含在四種復(fù)合體中。分子中的苯醌結(jié)構(gòu)能可逆地結(jié)合2個(gè)H，為遞氫體。 異戊二烯輔酶Q的結(jié)構(gòu)輔酶Q的遞氫機(jī)制（五） 細(xì)胞色素類(lèi)（Cytochrome, Cyt）是一類(lèi)以鐵卟啉為輔基的電子傳遞蛋白。呼吸鏈中主要有a、b、c三類(lèi)。差別在于鐵卟啉的側(cè)鏈以及鐵卟啉與蛋白部分連接的方式不同。Cytb、c的鐵卟啉與血紅素相同；Cyta的鐵卟啉為血紅素A。Fe2+ Fe3+e，為單電子傳遞體。人線粒體呼吸鏈復(fù)合體四種復(fù)合體的排列關(guān)系琥珀酸呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置琥珀酸延胡索酸NADH+H+ NAD+ FMN FMNH22Fe2+-S 2Fe3+-S QQH2 復(fù)合體NADH CoQ

9、 FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 復(fù)合體琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 琥珀酸 延胡索酸 FAD FADH22Fe2+-S 2Fe3+-S QQH2 復(fù)合體QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1 復(fù)合體還原型Cyt c O2CuAaa3CuB 1. NADH氧化呼吸鏈（主要）2. 琥珀酸氧化呼吸鏈（次要） 三、兩條主要呼吸鏈NADH氧化呼吸鏈 FADH2氧化呼吸鏈線粒體內(nèi)重要代謝物氧化的途徑 第三節(jié) 氧化磷酸化（一）概念氧化磷酸化 (oxidative phosphoryl

10、ation)是指底物脫下的H經(jīng)過(guò)呼吸鏈傳遞給氧生成水的過(guò)程中，釋放的能量使ADP磷酸化生成ATP，這種氧化與磷酸化的過(guò)程是偶聯(lián)的，稱(chēng)為氧化磷酸化。是細(xì)胞內(nèi)生成ATP的主要方式。發(fā)生部位：在線粒體內(nèi)膜上底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation) 是底物分子內(nèi)部能量重新分布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成ATP的過(guò)程。（二）氧化磷酸化偶聯(lián)部位即ATP生成的部位。P/O比值：是指物質(zhì)氧化時(shí)，每消耗1摩爾氧原子所消耗的無(wú)機(jī)磷的摩爾數(shù)，即生成ATP的摩爾數(shù)。 消耗1個(gè)O原子即脫去2個(gè)H，消耗1個(gè)無(wú)機(jī)磷即生成1個(gè)ATP。線粒體離體實(shí)驗(yàn)測(cè)得的一些底物的P/O比值底 物呼

11、吸鏈的組成P/O比值生成ATP數(shù)-羥丁酸NAD+O22.42.83琥珀酸FAD O21.72抗壞血酸Cyt cO20.881細(xì)胞色素CCyt aa3O20.610.681三個(gè)偶聯(lián)部位：ATPATP ATP NADH與CoQ之間；CoQ與Cyt c之間；Cyt aa3與氧之間。 自由能變化( G0)：大于30.5kJ即可生成1摩爾ATP。63.7kJ/mol59.8kJ/mol110kJ/mol 三步能量均大于30.5KJ，多余的部分用作其它方式，比如用于維持體溫。NADH氧化呼吸鏈存在3個(gè)偶聯(lián)部位，P/O比值等于3，即產(chǎn)生3（2.5）mol ATP。琥珀酸氧化呼吸鏈存在2個(gè)偶聯(lián)部位，P/O比值

12、等于2，即產(chǎn)生2（1.5）mol ATP。（三）ATP的生成每形成1分子ATP就需要4個(gè)質(zhì)子的回流。 一對(duì)電子通過(guò)NADH電子傳遞鏈可泵出10個(gè)質(zhì)子，則可形成2.5分子ATP；一對(duì)電子通過(guò)FADH2電子傳遞鏈有6個(gè)質(zhì)子泵出，則可形成1.5分子ATP。 復(fù)合體、均有質(zhì)子泵作用線粒體內(nèi)膜上ATP的生成、轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖（四） 氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制1. 化學(xué)滲透假說(shuō)(chemiosmotic hypothesis) 電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將質(zhì)子（H+）從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜外側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲(chǔ)存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)釋放能量，驅(qū)動(dòng)ADP與Pi生成ATP。 線粒體基質(zhì) 線粒體膜 +

13、+ + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化學(xué)滲透假說(shuō)簡(jiǎn)單示意圖線粒體基質(zhì)側(cè)的H+不能自由通過(guò)內(nèi)膜，通過(guò)內(nèi)膜上的呼吸鏈轉(zhuǎn)運(yùn)到外側(cè)，造成H+電位梯度在電位梯度作用下內(nèi)膜外側(cè)的H+通過(guò)ATP合酶的H+轉(zhuǎn)運(yùn)通道返回基質(zhì)側(cè)，并釋放能量，合成ATP化學(xué)滲透假說(shuō)內(nèi)膜外側(cè)H+增加基質(zhì)側(cè)H+減少NADH氧化呼吸鏈上電子傳遞與質(zhì)子轉(zhuǎn)移基質(zhì)側(cè)內(nèi)膜外側(cè)4H+2. ATP合酶多亞基跨膜蛋白，位于線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)。ATP合酶F0：為疏水蛋白質(zhì)，是鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中的質(zhì)子通道。F1：為親水蛋白質(zhì)，由33亞基組成，催化生成ATP。OSCP：寡霉素敏感相關(guān)蛋白，位于F0與F1之間，使A

14、TP合酶在寡霉素存在時(shí)不能生成ATP。合酶結(jié)構(gòu)模式圖ATP當(dāng)H+順濃度梯度經(jīng)F0質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)通道回流時(shí)，亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，3個(gè)亞基的構(gòu)象同時(shí)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換：LT；TO；OL疏松型（L）與ADP和Pi結(jié)合，緊密結(jié)合型（T）完成生成ATP，開(kāi)放型（O）釋放ATP。ADP和Pi與疏松型亞基（L）相結(jié)合后變成緊密型；緊密型亞基（T）結(jié)合的ADP和Pi生成ATP。緊密結(jié)合型亞基（T）變成開(kāi)放型（O），釋放ATP。ATP合酶的結(jié)合變化機(jī)制ATPF0 F1 內(nèi)膜外側(cè) 基質(zhì)側(cè) 腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 ADPH2PO4- ATP3H+ 3H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADPADP 每分子ATP在線粒

15、體中生成并轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)膜外側(cè)需4分子H回流進(jìn)入線粒體基質(zhì)中 NADH氧化呼吸鏈每傳遞2H僅生成2.5分子ATP到線粒體外被利用。 FADH2氧化呼吸鏈每傳遞2H僅生成1.5分子ATP到線粒體外被利用。1. ADP的調(diào)節(jié)作用是主要調(diào)節(jié)因素。ADP，氧化磷酸化。2. 甲狀腺激素甲狀腺激素使Na+,K+ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)均增加。導(dǎo)致ADP，氧化磷酸化。（五）影響氧化磷酸化的因素3. 呼吸鏈抑制劑 阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞。4. 解偶聯(lián)劑使氧化與磷酸化偶聯(lián)過(guò)程脫離。如：2,4-二硝基苯酚，物質(zhì)能氧化，不能生成ATP，以熱能形式釋放。5. 氧化磷酸化抑制劑 對(duì)電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用

16、。如：寡霉素與F1和F0中間寡霉素敏感蛋白結(jié)合，阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成，由于線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子濃度增高影響呼吸鏈質(zhì)子泵供能，抑制電子傳遞。 魚(yú)藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥 抗霉素A二巰基丙醇 CO、CN-、N3-及H2S各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn)3. 呼吸鏈抑制劑抑制劑魚(yú)藤酮抗霉素A解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體） F0 F1 Cyt cQ內(nèi)膜外側(cè) 基質(zhì)側(cè) 解偶聯(lián) 蛋白熱能 H+ H+ ADP+Pi ATP 4. 解偶聯(lián)劑 寡霉素(oligomycin) 可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成寡霉素5. 氧化磷酸化抑制劑第四節(jié) 胞液中NADH的氧化 生物氧化和氧化磷酸化在線粒體內(nèi)進(jìn)行，但線粒體內(nèi)膜有嚴(yán)格的透過(guò)選擇性，胞液中生成的NADH不能直接通過(guò)線粒體內(nèi)膜。 胞液中NADH必須經(jīng)一定轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)入線粒體，再經(jīng)呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制主要有-磷酸甘油穿梭( -glycerophosphate shuttle)蘋(píng)果酸穿梭 (malate shuttle)1. -磷酸甘油穿梭機(jī)制 （大腦和肌肉）圖7-11 磷酸甘油穿梭