第八章生物氧化

1授课时间：2008.3-2008.7,每周4学时,共18周授课方式：理论讲授第八章生物氧化（4学时）【说明】本章系营养物质分解氧化产生能量的共同途径，也是其它物质代谢的预备知识。重点掌握：生物氧化的特点、生物氧化的概念；生物氧化中水的生成方式、呼吸链的组成、排列顺序、呼吸链的抑制作用、线粒体的穿梭机制；高能化合物及高能键、ATP的生成方式、底物磷酸化与氧化磷酸化、P/O比值、偶联部位与解偶联作用、化学渗透学说。一般了解：递氢体和电子传递体的结构、化学偶联学说、生物氧化CO2中的生成。本章难点：氧化磷酸化偶联机制：化学渗透学说，用图解解和细胞膜的选择透过性来解释，并结合质子通道和任何反应包括ATP的合成必须由酶来催化解释偶联。第一节概述营养物质（糖、脂肪和蛋白质）在体内分解，消耗氧气，生成CO2和H2O同时产生能量的过程叫做生物氧化（biologicaloxidation），或组织氧化、细胞氧化。一、生物氧化的特点（1）生物氧化是能量物质在细胞内有水的环境中进行的，而体外的燃烧则需要干燥的环境；（2）生物氧化的反应介质是胞液，其pH值近中性；（3）生物氧化中能量的生成是逐步的，并且可以转变成为可以利用的化学能，如ATP，而体外的氧化反应，特别是体外的燃烧过程中，能量的释放是骤然间释放的，并且所释放的能量都以光和热的形式散发掉，很少可以直接转变成化学能。（4）就生物氧化的反应形式来说，机体内的代谢物主要是以脱氢、脱羧、水化、加成和化学键的断裂等方式进行。虽然生物氧化的前期反应是营养物质经各种不同的途径所进行的脱氢、脱羧等反应，而后期的递氢和传递电子的过程、与氧反应生成H2O的过程和大多数ATP的生成过程都是共同的。二、生物氧化的场所对于真核生物来说，生物氧化是在线粒体（mitochondria）中进行的，而原核生物则是在细胞膜上。第二节氧化还原酶类营养物质进行氧化分解是在各种氧化酶（oxidase）的催化下进行的。按照其催化反应的特点，氧化酶类包括需氧脱氢酶（aerobicdehydrogenase）、不需氧脱氢酶（anaerobicdehydrogenase）和氧化酶几种。一、需氧脱氢酶生物氧化与燃烧有何不同？2需氧脱氢酶可以催化底物脱氢，并且将脱掉的氢立即交给氧气，生成H2O。如L-氨基酸氧化酶（L-aminoacidoxidase），D-氨基酸氧化酶（D-aminoacidoxidase）此酶以黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）为辅酶，属于黄素酶类。二、不需氧脱氢酶不需氧脱氢酶可使底物脱氢而氧化，但脱下来的氢并不与氧气直接反应，而是通过传递最终才能与氧结合生成H2O。这些酶的辅酶包括NAD、NADP和FAD等。例如，丙酮酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶和3-磷酸甘油醛脱氢酶等。三、氧化酶氧化酶催化底物与氧的反应，生成氧化产物和H2O。例如细胞色素氧化酶（cytochromeoxidase）。四、其他氧化酶1、过氧化氢酶和过氧化物酶过氧化氢酶（catalase）和过氧化物酶(peroxidase)它们分别催化过氧化氢的分解和过氧化物的分解反应，生成还原产物和H2O。2、加氧酶加氧酶（oxygenase）包括加单氧酶（monooxygenase）和转氧酶（transoxygenase）两种。前者又称为羟化酶（hydroxylase）,可使多数脂溶性物质，如一些脂溶性药物、毒物和类固醇物质的氧化，使之转化为极性物质而通过体液代谢排出体外。3超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶（superoxidedismutase,SOD）是一类广泛存在与动、植物及微生物中的含金属酶类。第三节生物能学光能营养生物（phototrophs）和化能营养生物（chemotrophs）。非自发过程和自发过程。这种自发过程同非自发过程进行偶联，这就是能量的转化。自发过程中能够用来做功的能量叫做自由能（freeenergy）。在机体内的物质代谢中，自由能的变化（ΔG）为负值时，反应可以进行，而自由能的变化为正值时，反应不能自发地进行。一、高能键与高能化合物生物体内所包含的化合物的化学键水解时，释放的自由能高于5000cal/mol（20.92Kj/mol）时，称为高能键（high-energybond）。为了区别与普通化学键用“〜”来表示高能键。含有高能键的化合物称为高能化合物（high-energycompound）。高能化合物中的高能键都是共价键，包括酰基磷酸键（acylphosphoricbond）、磷酸酐键（phosphoricanhydridebond）、烯醇式磷酸酯键（enolphosphatebond）、硫酯键（thioesterbond）和磷酰氨键（phosphacylaminebond）等若干种。S-腺苷甲硫氨酸（SAM）二、ATP在能量代谢中的作用生物体内营养物质经过分解产生能量的一部分可以转变成为化学能储存起来，需要时再3分解产生能量供机体利用。ATP在机体内的作用如同能量“货币”，是一个可以流通的能量物质。体内有些合成反应不一定都直接利用ATP供能，而可以用其他核苷三磷酸。例如UTP、CTP、GTP等。但物质氧化时释放的能量大都是必须先合成ATP，然后ATP可使UDP、CDP或GDP生成相应的UTP、CTP或GTP。ATP的含量标志着细胞内的能量水平，它对细胞内许多物质代谢都具有调节作用。我们把细胞内三种腺苷酸的比例规定为能荷（energycharge）：[ATP]+[ADP]/2能荷=───────────[ATP]+[ADP]+[AMP]当能荷高时，合成代谢旺盛，分解代谢受到抑制，相反，能荷低时，分解代谢旺盛而合成代谢受到抑制，因为许多代谢途径的关键酶都受ATP的调节。除此而外，几乎所有的生理活动所消耗的能量都是以ATP的形式直接提供的，例如物质的跨膜主动运输，肌肉的收缩等。综上所述，营养物质的氧化分解是为了产生能量，具体说就是为了产生ATP。尽管生物氧化中生成的CO2和H2O也都可以再利用，但从真正意义上来讲，ATP才是生物氧化中唯一有用的产物。ATP是能量的携带者或传递者，但严格地说不是能量的贮存者。在可兴奋组织，如，ATP将能量和磷酰基传给肌酸生成肌酸磷酸，肌酸磷酸含有的能量不能直接为生物体利用，而必须把能量传给ADP生成ATP后再利用。肌肉、神经组织，肌酸磷酸是能量的贮存形式。当ATP合成迅速时，在肌酸磷酸激酶催化下第四节氧化磷酸化作用一、CO2和H2O的生成1、生物氧化中CO2的生成营养物质，包括糖、脂肪和蛋白质在体内经过生物氧化，其碳骨架的裂解产物除象尿素和丙酮之类的小分子化合物以外，大多数都以CO2的形式排出体外，或参加体内的合成反应。体内CO2的生成都是以脱羧反应的形式进行的。根据脱羧反应的形式，可分为以下四类：4α-单纯脱羧（α-simpledecarboxilation）脱羧发生在α-碳原子上，并且没有伴随的氧化反应发生。例如氨基酸脱羧反应，生成相应的胺。α-氧化脱羧（α-oxidativedecarboxilation）脱羧发生在α-碳原子上，并且有伴随的脱氢，既氧化反应发生。例如丙酮酸脱氨脱羧反应，除CO2外，还有还原型辅酶Ⅰ生成β-单纯脱羧（β-simpledecarboxilation）脱羧发生在β-碳原子上，并且没有伴随的氧化反应发生。例如磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（enolpyruvatecarbokinase）催化的反应：2.生物氧化中H2O的生成除CO2以外，生物氧化中另一个产物就是H2O。物质代谢过程生成H2O的方式大致可分为底物脱水和呼吸链两种方式。1）底物脱水2）呼吸链呼吸链是生物氧化中生成H2O的主要方式。二、两条呼吸链1、呼吸链的概念：在各种脱氢酶的催化下，底物脱掉的氢通过一系列有序排列的传递体的顺次传递，最终与氧气结合生成水，并释放能量。因为此过程消耗了氧气，故称作呼吸链（respiratorychain）。这些传递体包括各种递氢体（hydrogentranslator）和电子传递体（electrontranslator）。COOHO═C─COOH磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶││C─O〜○PCH2─COOHGTPGDP║βCH2（草酰乙酸）（磷酸烯醇式丙酮）CH2─COOHCH2COOH│异柠檬酸脱氢酶│βCH─COOHCH2││HO─CH─COOHNAD+NADH+H+O═C─COOH（异柠檬酸）（α-酮戊二酸）物质在体内的代谢反应中可以从底物直接脱水的是少数。例如烯醇化酶可催化2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸，β-羟脂酰ACP脱水酶催化β-羟脂酰ACP的脱水反应，生成α,β-烯脂酰ACP的反应等都可以从底物直接脱水。52、递氢体与电子传递体除各种脱氢酶外，组成呼吸链的递氢体与电子传递体主要有黄素蛋白，铁硫蛋白和各种含Fe3+的细胞色素、含Cu2+的细胞色素氧化酶等。①NAD+（辅酶I，coenzymeI,CoI），是烟酰胺脱氢酶类的辅酶，其结构式如下：②FMN黄素单核苷酸（flavinmononucleotide）黄素蛋白类。③CoQ辅酶Q（coenzymeQ），又称泛醌（ubiquinon）。④铁硫中心铁硫中心（iron-sulfurcenter）又叫铁硫簇（iron-sulfurclusters），是铁硫蛋白（iron-sulfurprotein）的活性中心。铁硫蛋白又称为非血红素铁蛋白（nonhemeironprotein）。⑤细胞色素细胞色素（cytochrom,Cyt）是一类含有血红素（heme）铁卟啉（ironporphyrin）的蛋白质，根据其在可见光范围的吸收光谱分为a，b，c三类。⑥细胞色素a，a3（Cyta,a3）称为细胞色素氧化酶（cytochromoxidase）又称细胞色素C氧化酶（cytochromCoxidase）或末端氧化酶（terminaloxidase），也属于含血红素铁蛋白。它也是一种含Cu2+的细胞色素。3、呼吸链及其排列顺序由递氢体和电子传递体组成的复合物有四种：复合物Ⅰ：NADH-Q还原酶（NADH-Qreductase）；复合物Ⅱ：琥珀酸-Q还原酶（succinate-Qreductase）；复合物Ⅲ：细胞色素还原酶（cytochromreductase）；复合物Ⅳ：细胞色素氧化酶（sytochromoxidase）。在线粒体内膜上附着的这些传递体复合物，按不同的顺序组合，就会构成不同的电子传递链。1）NADH呼吸链：复合物Ⅰ-Ⅲ-Ⅳ组合组成以NADH为首的传递链，既以NADH为首的呼吸链，通常称为长呼吸链。它们的排列顺序如下：NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cyta,a3→O2复合物Ⅰ复合物-Ⅲ复合物Ⅳ2）FADH2呼吸链；复合物Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ组合组成以琥珀酸脱氢酶为首的传递链，既以琥珀酸脱氢酶为首的呼吸链，称之为短呼吸链。它们的排列顺序如下：FADH2→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cyta,a3→O2复合物Ⅱ复合物-Ⅲ复合物Ⅳ呼吸链中各个递氢体与电子传递体的排列顺序有两个根据，既按照自由能由高到低的排列顺序以及标准氧化还原电位由低到高的排列顺序。它们都有同样的结果，就是上述的两条呼吸链的排列顺序。4、ATP产生的部位65、呼吸链的抑制作用呼吸链是一个由各种递氢体和电子传递体按一定的顺序所组成的传递链，因此，只要其中某一个传递体受到抑制，将阻断整个传递链，这就是呼吸链的抑制作用。能够阻断呼吸链中某部位的电子传递的物质称为电子传递抑制剂。常见的电子传递抑制剂有：（1）阻断NADH→CoQ氢和电子传递的有鱼藤酮（rotenone）、安密妥（amytal）和杀粉蝶菌素（piericidine）。（2）阻断CoQ→Cytc1电子传递的有抗霉素A（antimycinA）。它是由链霉素分离出来的一种抗生素，可干扰细胞色素还原酶中的电子传递。（3）阻断Cyta,a3→O2电子传递的有氰化物（cyanade,CN-），如氰化钾（KCN）、氰化钠（N