生物化学：生物氧化

生物氧化Biologicaloxidation第六章生物化学与分子生物学教研室概述生物氧化的概念生物氧化（BiologicalOxidation）物质在生物体内氧化分解的过程称为生物氧化，主要是指糖、脂肪、蛋白质等有机物在生物体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能三大营养物质的代谢过程线粒体第一阶段：乙酰CoA的生成第二阶段：乙酰CoA的氧化第三阶段：电子传递链与氧化磷酸化问题还原当量NADH，或者是FADH2它们是如何通过呼吸链与氧结合最终生成水？氧化呼吸链的电子传递链是如何与ATP的生成偶联在一起的？氧化磷酸化发生的部位氧化磷酸化发生的部位氧化还原反应氧化还原反应指的就是反应前后元素的化合价具有相应的升降变化的化学反应。电子得失或者电子偏移，是氧化还原反应的本质。第一节生成ATP的氧化磷酸化体系四、ATP三、影响因素二、氧化磷酸化五、选择性转运生成ATP的氧化磷酸化体系三、影响氧化磷酸化的因素二、氧化磷酸化五、线粒体内膜的选择性转运一、氧化呼吸链四、ATP一、氧化呼吸链氧化呼吸链的概念定义：指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具有电子传递功能的酶复合体，可通过连锁的氧化还原反应将代谢物脱下的成对氢原子最终传递给氧生成水。这一系列酶和辅酶称为氧化呼吸链(oxidativerespiratorychain)，又称电子传递链(electrontransferchain)。组成：递氢体：传递氢的酶或者辅酶电子传递体：传递电子的酶或者辅酶•递氢也需传递电子（HH++e）（一）氧化呼吸链的组成四个蛋白复合体：复合体I～IV两个可灵活移动的成分：泛醌（Q）和细胞色素C（一）氧化呼吸链的组成人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称质量(kD)多肽链数功能辅基含结合位点复合体ⅠNADH-泛醌还原酶85039FMN，Fe-SNADH（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅲ泛醌-细胞色素C还原酶25011血红素bL,bH,c1,Fe-SCytc（膜间隙侧）复合体Ⅳ细胞色素C氧化酶16213血红素a，a3，CuA,CuBCytc（膜间隙侧）功能辅基完成电子传递。细胞色素C和泛醌不包含在上述四种复合体中。FMN(flavinmononucleotide)：黄素单核苷酸FAD(flavinadeninedinucletide)：黄素腺嘌呤二核苷酸（一）氧化呼吸链的组成复合体各组分传递电子的分子基础是什么？氧化还原状态之间的转变。NAD+和NADP+的结构NAD+：氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NADP+：氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NADP+NAD+NAD+和NADP+的结构（氧化型）（还原型）NAD+（NADP+）的递氢机制氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。烟酰胺只能接受一个氢原子和一个电子，将另一个H+游离出来。HFMN和FAD的结构FMN：黄素单核苷酸（FlavinMononucleotide）FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸（FlavinAdenineDinucleotide）FMN和FAD中异咯嗪环起递氢体作用。异咯嗪环CH2OHOPOHOCCHOHCHOHHOHCHHNHNNNOOH3CH3C1458910CH2OOOHOHHHHCH2HOPOHONNNNNH2OPOHOCCHOHCHOHHOHCHHNHNNNOOH3CH3C1458910FAD结构FMN结构FMN和FAD的结构FMN和FAD递氢机制RNHNNNOOH3CH3CFMN/FAD1458910RNHNHHNNOOH3CH3C1458910+2HFMNH2/FADH2（氧化型）（还原型）铁硫蛋白的结构铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。属于单电子传递体。Ⓢ表示无机硫泛醌（CoQ）的结构泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。内膜中可移动电子载体，在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。细胞色素（cytochrome，cyt）的结构结构：一类含有铁卟啉辅基的色素蛋白分类：根据吸收光谱和最大吸收波长Cyta：Cyta、a3（cytaa3）Cytb：Cytb562、Cytb566Cytc：Cytc、c1复合体Ⅳ复合体Ⅲ细胞色素（cytochrome，cyt）的结构Fe2+Fe3++e小结氧化呼吸链由不同的组分组成的。各组分具有传递电子的结构基础。各组分在氧化还原状态之间进行转化，从而起到了电子传递的作用。电子是如何在各个复合体之间进行传递的？（一）氧化呼吸链的组成复合体Ⅰ的功能：将NADH+H+中的电子传递给泛醌(ubiquinone)。复合体Ⅰ又称NADH-泛醌还原酶。复合体Ⅰ有质子泵作用：每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧。1.复合体Ⅰ的结构与功能（一）氧化呼吸链的组成4H+NADH+H+NAD+FMNFMNH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2复合体ⅠNADH→→CoQFMN→Fe-S→CoQ→Fe-S（一）氧化呼吸链的组成复合体Ⅱ的功能：是将电子从琥珀酸传递到泛醌。复合体Ⅱ又称琥珀酸-泛醌还原酶。复合体Ⅱ是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶。复合体Ⅱ没有质子泵作用。2.复合体Ⅱ的结构与功能（一）氧化呼吸链的组成复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFAD→几种Fe-S琥珀酸延胡索酸FADFADH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体Ⅲ。（一）氧化呼吸链的组成复合体Ⅲ的功能：是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c，复合体Ⅲ又叫泛醌-细胞色素C还原酶。又称为细胞色素b-c1复合体，含有细胞色素b(b562,b566)、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白(Rieskeprotein)。复合体Ⅲ的电子传递通过“Q循环”实现。复合体Ⅲ也有质子泵作用：复合体Ⅲ每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+。3.复合体Ⅲ的结构与功能（一）氧化呼吸链的组成复合体ⅢQH2→→Cytc(Cytb562→Cytb566)→Cytc1Cytc是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体Ⅳ。4H+（一）氧化呼吸链的组成复合体Ⅳ的功能：将电子从细胞色素C传递给氧。复合体Ⅳ又称细胞色素C氧化酶。Cyta3–CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2，生成水。复合体Ⅳ也有质子泵作用：每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。4.复合体Ⅳ的结构与功能（一）氧化呼吸链的组成复合体Ⅳ的电子传递过程复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB（一）氧化呼吸链的组成细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水的过程2H+2H2O（一）氧化呼吸链的组成电子传递链各复合体（二）呼吸链成分的排列顺序根据标准氧化还原电位的高低排列；原理：递电子体与电子亲和力大小与标准还原电位高低有关。还原电位越低，与电子亲和力越弱，越易失电子，因此，呼吸链中电子传递方向应为还原电位由低到高的顺序。由以下实验确定：（二）呼吸链成分的排列顺序呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位氧化还原对E0‘(V)氧化还原对E0‘(V)NAD+/NADN+H+－0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2－0.219CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2－0.219CytaFe3+/Fe2+0.29CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyta3Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.816（二）呼吸链成分的排列顺序根据标准氧化还原电位的高低排列；利用特异抑制剂研究分辨；根据电子传递体氧化还原状态时的吸收光谱变化进行检测；四种复合体的拆开和重组由以下实验确定：两条途径的氧化呼吸链1.NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2生成ATP的氧化磷酸化体系四、ATP三、影响因素二、氧化磷酸化五、选择性转运三、影响氧化磷酸化的因素二、氧化磷酸化五、线粒体内膜的选择性转运一、氧化呼吸链四、ATP一、氧化呼吸链生成ATP的方式底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)是指代谢物在氧化分解过程中，因脱氢或脱水而引起分子内能量重新分布，产生高能键，然后将高能键转移给ADP生成ATP的过程。底物水平磷酸化反应1.1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶ADPATP2.磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸ADPATP丙酮酸激酶3.琥珀酰CoA琥珀酸+HSCoA琥珀酰COA合成酶GDP+PiGTP底物水平磷酸化反应生成ATP的方式氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指由代谢物脱下的氢，经线粒体氧化呼吸链电子传递释放能量，偶联驱动ADP磷酸化生成ATP过程，因此又称为偶联磷酸化。两个过程的偶联：•即还原当量的氧化过程和ADP磷酸化过程氧化磷酸化是体内生成ATP的最主要方式。底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)是指代谢物在氧化分解过程中，因脱氢或脱水而引起分子内能量重新分布，产生高能键，然后将高能键转移给ADP生成ATP的过程。（一）氧化磷酸化偶联部位根据P/O比值和自由能变化，可以大致确定氧化磷酸化的偶联部位。氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ（一）氧化磷酸化偶联部位指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。1.P/O比值ADP+PiATP2H→→→OH2On＝nnn（一）氧化磷酸化偶联部位线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值底物呼吸链的组成P/O比值可能生成的ATP数β-羟丁酸NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ2.52.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ1.51.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O20.881细胞色素c(Fe2+)复合体Ⅳ→O20.61-0.681线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值三个偶联部位：①NADH与CoQ之间——复合体Ⅰ；②CoQ与Cytc之间——复合体Ⅲ；③Cytaa3与氧之间——复合体Ⅳ。（一）氧化磷酸化偶联部位2.自由能变化根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化(△G0′)与还原电位变化(△E0′)之间有以下关系：n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/mol·V)△G0′=-nF△E0′（一）氧化磷酸化偶联部位大于30.5kJ即可生成1摩尔ATP。NADHFMN（Fe-S）CoQCytbCytc1CytcCytaa3O2FAD（Fe-S）琥珀酸能量ADP+PiATP能量ADP+PiATP能量ADP+PiATP-0.32-0.22+0.04+0.08+0.23+0.25+0.29+0.820.36V0.21V0.53V69.5kJ/mol40.5kJ/mol102.3kJ/mol（一）氧化磷酸化偶联部位NADH氧化呼吸链存在3个偶联部位，P/O比值等于2.5，即产生2.5分子ATP。琥珀酸氧化呼吸链存在2个偶联部位，P/O比值等于1.5，即产生1.5分子ATP。小结掌握生物氧化的概念；氧化呼吸链的概念、组成、功能、排列顺序；底物水平磷酸化的概念；氧化磷酸化的概念；P/O比值的概念；氧化磷酸化的偶联部位。了解氧化呼吸链成分的排列顺序的试验依据。It’stimetosaygoodbye!