生物化学-6章--生物氧化

第七章生物氧化学习目标＊掌握生物氧化的概念、特点，呼吸链的概念、组成、种类，ATP的生成方式。＊熟悉生物氧化的意义，影响氧化磷酸化的因素，以及生物氧化过程中水和能量的生成方式以及能量的利用、转移。＊了解参与生物氧化的酶类和非线粒体的氧化体系。一概述二线粒体氧化体系目录三非线粒体氧化体系第一节概述一、生物氧化的概念糖、脂、蛋白质等营养物在体内彻底氧化分解,最终生成CO2和H2O，并逐步释放出能量的过程称为生物氧化。生物氧化过程在组织细胞中进行，并且伴有氧的利用和CO2的产生，因此又称为组织呼吸或细胞呼吸。ADP+Pi糖CO2+H2O脂质蛋白质O2能量ATP热能2.脱氢反应3.失电子反应Fe2+Fe3++e1.加氧反应RCHO+1/2O2RCOOH醛酸生物氧化的方式：CH(OH)COOHCH2COOH苹果酸脱氢酶COCOOHCH2COOH苹果酸草酰乙酸二、生物氧化的特点1.氧化环境温和：细胞内37℃、近中性pH条件下；2.能量逐步释放：供能（ATP）；热能维持体温；3.脱氢与脱羧：一些代谢物质脱氢与氧生成H2O；一些有机酸脱羧生成CO2；4.速率受体内多种因素的影响和调节。＊生物氧化和体外氧化之相同点1.均有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。2.消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。生物氧化细胞内温和的环境中，一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放生成ATP。广泛的加水脱氢反应使物质间接获得氧；脱下的氢与氧结合产生H2O；有机酸脱羧产生CO2。体外氧化反应条件剧烈；能量是热能形式突然释放的。产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。＊生物氧化和体外氧化之不同点三、生物氧化的三个阶段＊大分子降解成基本结构单位脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi＊小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）＊共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。H2O四、生物氧化中CO2的生成＊概念：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。＊类型：按脱羧作用分：α-脱羧和β-脱羧按是否伴有氧化反应分：氧化脱羧和单纯脱羧＊α-单纯脱羧：脱去α碳原子上的羧基。如+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶CH2-NH2Rαα-氨基酸胺＊β-单纯脱羧：脱去β碳原子上的羧基。如+CO2HOOCCH2COCOOH草酰乙酸脱羧酶CH3CO-COOHαβ草酰乙酸丙酮酸CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH＊α-氧化脱羧：α碳原子上的羧基脱落时伴有氧化反应。如α丙酮酸乙酰辅酶A＊β–氧化脱羧：β碳原子上的羧基脱落时伴有氧化反应。如CHOHCOOHCHCOOHCH2COOHCOCOOHCH2CH2COOH+CO2异柠檬酸脱氢酶柠檬酸α-酮戊二酸NAD+NADH+H+αβ柠檬酸α-酮戊二酸第二节线粒体氧化体系线粒体结构图一、呼吸链定义代谢物脱下的成对氢原子2H(2H++2e)通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链。呼吸链中不论递氢体还是递电子体都起着电子传递的作用，故又称电子传递链。组成递氢体（2H2H++2e）和递电子体递氢体也是递电子体递电子体不是递氢体（一）呼吸链的化学组成成分1、尼克酰胺脱氢酶类NAD+（NADH）NADP+（NADPH）2、黄素脱氢酶类FMN（FMNH2）FAD（FADH2）3、泛醌（二氢泛醌）即辅酶Q起递氢体作用起递氢体作用起递氢体作用4、铁硫蛋白Fe-SFe2+Fe3++e5、细胞色素类（Cyt）呼吸链中主要有a、b、c三类CoQ脱下的电子经Cyt类的传递顺序b→c1→c→aa3Cyta3或Cytaa3称为细胞色素氧化酶单电子传递体（二）组成呼吸链的复合体人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013人线粒体呼吸链复合体NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸复合物II复合物IV复合物I复合物IIINADH-泛醌Q还原酶辅酶Q-细胞色素c还原酶细胞色素c氧化酶琥珀酸-辅酶Q还原酶ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-＊复合体的在线粒体内膜中的位置及电子传递顺序4H+4H+2H+二、体内重要的呼吸链＊NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链复合体Ⅰ复合体Ⅲ复合体Ⅳ复合体ⅡNADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链NADH呼吸链H2O½O2O2-MH2还原型代谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1-c-aa3FeS2H+M氧化型代谢底物复合体Ⅲ复合体Ⅳ此过程产生2.5分子ATPNADH→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2FADH2呼吸链FADFADH2琥珀酸FeS2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c-c1-aa3CoQH2CoQ½O2O2-2H+H2O延胡索酸此过程产生1.5分子ATP琥珀酸→复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2线粒体内重要代谢物氧化的途径NADHFMN（Fe-S）c1caa3O2FAD（Fe-S）琥珀酸α-磷酸甘油CoQCytb苹果酸β-羟脂酰CoAβ-羟丁酸异柠檬酸谷氨酸FAD硫辛酸丙酮酸α-酮戊二酸FAD脂酰CoA三、胞质中的NADH的氧化＊呼吸链存在于线粒体内膜上，线粒体内产生的NADH和FADH2可直接进入呼吸链被氧化生成H2O,同时产生ATP。＊线粒体外产生的NADH不能自由透过线粒体内膜，需要经过某种转运机制才能进入线粒体氧化。有α-磷酸甘油穿梭和苹果酸-天冬氨酸穿梭两种。＊α-磷酸甘油穿梭主要存在于脑、骨骼肌中。胞液中NADH经α-磷酸甘油穿梭进入线粒体氧化生成1.5个ATP。NADH+H+FADH2NAD+FAD线粒体内膜线粒体外膜膜间隙线粒体基质α-磷酸甘油脱氢酶呼吸链磷酸二羟丙酮PiCH2O-CH2OHC=OPiCH2O-CH2OHC=Oα-磷酸甘油PiCH2O-CH2OHCHOHPiCH2O-CH2OHCHOHα-磷酸甘油穿梭机制＊苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于心肌、肝组织中。胞液中NADH经苹果酸-天冬氨酸穿梭进入线粒体氧化生成2.5个ATP苹果酸-天冬氨酸穿梭细胞液线粒体内膜体天冬氨酸-酮戊二酸苹果酸草酰乙酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸苹果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+线粒体基质苹果酸脱氢酶NADH+H+ⅡⅠⅡⅠ苹果酸脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶（Ⅰ、Ⅱ为膜上的转运载体）呼吸链三、体内ATP生成氧化磷酸化是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。（体内生成ATP的主要方式）底物水平磷酸化是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。1.氧化磷酸化偶联部位•即ATP生成的部位。•P/O比值：是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数。是研究氧化磷酸化最常用的方法。三个偶联部位：ATPATPATP①NADH与CoQ之间；②CoQ与Cytc之间；③Cytaa3与氧之间。复合体I复合体III复合体IV复合体II2.自由能变化(△G0′)：大于30.5kJ即可生成1摩尔ATP。△G0′＝－nF△E0′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＊NADH氧化呼吸链存在3个偶联部位，可产生2.5molATP。＊琥珀酸氧化呼吸链存在2个偶联部位，可产生1.5molATP。影响氧化磷酸化的因素：1.ADP的调节作用是主要调节因素。机体耗能增多→[ADP]↑→ADP进入线粒体↑→[ADP]/[ATP]↑→氧化磷酸化↑2.甲状腺激素Na+，K+-ATP酶表达增加。Na+，K+-ATP酶催化ATP转化为ADP→[ADP]↑→ADP进入线粒体↑→[ADP]/[ATP]↑→氧化磷酸化↑＊3.抑制剂的影响(1)呼吸链抑制剂阻断呼吸链中某些部位电子传递，使磷酸化无法进行，ATP不能生成。鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×抗霉素A二巯基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×萎锈灵噻吩甲酰三氟丙酮丙二酸复合体I复合体II复合体III复合体IV•常见解偶联剂：2，4-二硝基苯酚（DNP）、解偶联蛋白•作用机理：破坏内膜两侧的质子电化学梯度而使氧化磷酸化偶联脱离。氧化照常进行，ATP不能生成。（2）解偶联剂解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP（3）氧化磷酸化抑制剂—ATP合酶抑制剂直接干扰ATP的生成过程，即对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素寡霉素可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成寡霉素ATP合酶结构模式图四、能量的转移和利用高能磷酸键水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，常表示为P。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物，如ATP、ADP、磷酸肌酸等。＊ATP是人体内能量的直接供给者，也是机体储能者，是生物体内最重要的高能化合物。NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-OOPOO-OPO--OOαβγ一磷酸腺苷（AMP）二磷酸腺苷（ADP）三磷酸腺苷（ATP）（二）ATP的转换、贮存和利用1、代谢物的磷酸化和活化ATP+6-磷酸果糖1,6-二磷酸果糖+ADPATP+脂肪酸+HSCoA脂肪酰CoA+AMP+PPi＊2、参与三大营养物质的合成过程糖、脂、蛋白质合成需ATP供能，此外，糖原、磷脂、蛋白质合成所需的UTP、CTP、GTP的生成与补充也依赖于ATP，由核苷二磷酸酶催化：ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP＊3、转变为磷酸肌酸储存能量磷酸肌酸是肌肉、脑中能量的一种储存形式，但不能直接供能。磷酸肌酸+ADP肌酸+ATP肌酸激酶COOHCH2NCH3CNH2NHCOOHCH2NCH3CNNHHP~ATPADP肌酸磷酸肌酸氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)ATP的生成和利用（ATP循环）底物CO2+H2O氧化分解能量热能（散失）化学能（转移）第三节非线粒体氧化体系1、微粒体中的氧化酶类微粒体细胞色素P450单加氧酶，又称混合功能酶或羟化酶。催化的反应：RH+NADPH+H++O2ROH+NADP++H2O此酶参与类固醇激素、胆汁酸及胆色素等的生成，及药物或毒物在体内的生物转化过程。(1)过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含4个血红素。2H2O22H2O+O2过氧化氢酶(2)过氧化物酶(perioxidase)以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物。R+H2O2RO+H2ORH2+H2O2R+2H2O过氧化物酶过氧化物酶2、过氧化物酶3、超氧化物歧化酶（SOD）＊作用对象：超氧阴离子、自由基＊作用：催化一分子超氧阴