第6章生物氧化中国医科大学CMU生化

ThebiochemistryandmolecularbiologydepartmentofCMU第二篇物质代谢及其调节脂肪葡萄糖、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CoA小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中间产物进入三羧酸循环,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。大分子降解成基本结构单位（消化）磷酸化ThebiochemistryandmolecularbiologydepartmentofCMU第六章生物氧化BiologicalOxidation物质在生物体内进行氧化称为生物氧化，主要是糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成二氧化碳和水的过程。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能*生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应下逐步进行，能量逐步释放有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。*生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化体外氧化能量是突然释放的。产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。生物氧化中水的生成CH3CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇脱氢酶1/2O2NAD+电子传递链H2O2eO-2H+生物氧化中CO2的生成CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶CH2-NH2R糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2*生物氧化的一般过程第一节ATP三磷酸腺苷（ATP）adenineNNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'glycosidicbondOPO-OOPOO-OPO--OOαβγesterbondATP是人体内能量的直接供给者NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-OOPOO-OPO--OOαβγ一磷酸腺苷（AMP）二磷酸腺苷（ADP）三磷酸腺苷（ATP）高能磷酸化合物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一些生物学重要的有机磷酸化合物水解时释放的标准自由能化合物∆GºkJ/mol（kcal/mol）磷酸烯醇式丙酮酸-61.9(-14.8)氨基甲酰磷酸-51.4(-12.3)1,3-二磷酸甘油酸-49.3(-11.8)磷酸肌酸-43.1(-10.3)ATP→ADP+Pi-30.5(-7.3)ADP→AMP+Pi-27.6(-6.6)焦磷酸-27.6(-6.6)1-磷酸葡萄糖-20.9(-5.0)6-磷酸果糖-15.9(-3.8)AMP-14.2(-3.4)6-磷酸葡萄糖-13.8(-3.3)3-磷酸甘油醛-9.2(-2.2)ATP分子中的高能磷酸键键△G0′＝－14.3KJ键△G0′＝－27.6KJ键△G0′＝－30.5KJATP可以连续提供2个高能磷酸键AMP~P~PAMP~P+Pi(ATPADP+Pi)AMP~PAMP+Pi(ADPAMP+Pi)AMP~P~PAMP+P~P(ATPAMP+PPi)P~P2Pi(PPi2Pi)腺苷激酶ATP+AMP2ADP核苷二磷酸激酶ATP+GDPADP+GTPATP+UDPADP+UTP几种常见的高能化合物名称通式举例放能kJ/mol磷酸胍类磷酸肌酸43.9烯醇磷酸磷酸烯醇式丙酮酸61.9混合酐1,3-二磷酸甘油酸41.8磷酸酐ATP、GTP、UTP、CTP30.5高能硫酯键乙酰CoA、脂酰CoA等31.4RCOCH2~PO3H2RCNNHH~PO3H2RCOO~PO3H2POO~POHOHOOHRCO~SCoA高能磷酸键的储存磷酸肌酸+ADP肌酸+ATP肌酸激酶COOHCH2NCH3CNH2NHCOOHCH2NCH3CNNHHP~磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式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循环——能量的储存和利用都以ATP为中心底物水平磷酸化与脱氢反应偶联，直接将高能代谢物分子中的能量转移至ADP（或GDP），生成ATP（或GTP）的过程，称为底物水平磷酸化（substrate-levelphosphorylation）。此过程不经过电子传递。在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，因此又称偶联磷酸化。是细胞内主要的ATP生成方式。氧化磷酸化(OxidativePhosphorylation)第二节生成ATP的氧化磷酸化体系OxidativePhosphorylationSystemwithATPProducing呼吸链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。逐步释放的能量可驱动ATP生成。由于此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为氧化呼吸链（oxidativerespiratorychain），又称电子传递链（electrontransferchain，ETC）。§2.1呼吸链的组成呼吸链＝递氢体＋递电子体NAD+Fe-SFMN细胞色素FADCoQNAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，又叫辅酶Ⅰ（CoⅠ），主要作为呼吸链的一个组分，起递氢体作用；NADP+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，又叫辅酶Ⅱ（CoⅡ），主要在还原性生物合成中作为供氢体。二者的递氢部位是烟酰胺部分，为VitPP。NAD+（CoI）NAD+（CoI）结构OHHOHHOHHCH2OOOHOHHHHCH2HOPOHONNNNNH2NCONH2+OPOHONicotinamideAdenineDinucleotide,NAD+NADP+（CoII）结构OHHOHHOHHCH2OOOOHHHHCH2HOPOHONNNNNH2NCONH2+OPOHOPOOHOH尼克酰胺腺嘌呤核糖核糖磷酸磷酸磷酸Vpp核苷酸核苷酸NAD+NADP+NHCONH2R++H+H++eNHCONH2RH+H+NAD+或NADP+（氧化型）NADH或NADPH（还原型）NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还原反应时变化发生在烟酰胺五价氮和三价氮之间黄素辅基FMN：黄素单核苷酸FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸FMN和FAD中异咯嗪环上1、10位氮之间的共轭双键可加氢、脱氢，起递氢体作用。异咯嗪及核醇部分为VitB2（核黄素）。CH2OHOPOHOCCHOHCHOHHOHCHHNHNNNOOH3CH3CFMN结构1458910CH2OOOHOHHHHCH2HOPOHONNNNNH2OPOHOCCHOHCHOHHOHCHHNHNNNOOH3CH3CFAD结构1458910RNHNNNOOH3CH3CFMN/FAD1458910RNHNHHNNOOH3CH3C1458910+2HFMNH2/FADH2FMN/FAD+2e-+2H+FMNH2/FADH2FMN和FAD中异咯嗪环上1、10位氮之间的共轭双键可加氢、脱氢，起递氢体作用。NAD+是辅酶FAD是辅基辅酶Q是一种脂溶性醌类化合物。可在线粒体内膜中迅速扩散。分子中的苯醌结构能可逆地结合2个H，为递氢体。OOCH3OCH3CH3O(CH2CHCCH2)nHCH3coenzymeQisopreneH2CCCCH2CH3H辅酶Q，又称泛醌OOCH3H3COH3CO(CH3CHCCH2)nHCH3CH3H3COH3COOHORHHCH3H3COH3COOHROH·泛醌（醌型或氧化型）二氢泛醌（氢醌型或还原型）·泛醌H（半醌型）Q+2e-+2H+QH2铁硫蛋白（Fe-S）分子中含有非卟啉铁和对酸不稳定的硫，又叫铁硫中心。各种铁硫蛋白含Fe—S的数目不同，有Fe2—S2和Fe4—S4。铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的巯基连接。分子中通过一个Fe的氧化还原而传递电子，为单电子传递体。Fe2+Fe3++e铁硫蛋白(iron-sulfurprotein)SS无机硫半胱氨酸硫细胞色素（Cytochrome,Cyt）是一类以铁卟啉（血红素）为辅基的电子传递蛋白。血红素中的铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子,属单电子传递体。根据与铁卟啉连接的侧链和吸收光谱的不同，呼吸链中的细胞色素可分为a、b、c三类。FeNNNNCH3CHCHCH3CH2CH2COO-CH2CH2COO-2CH2CHCH3CH3细胞色素b辅基FeNNNNCH3CHCHCH3CHOCH3CH2CHCH2CH2COO-CH2CH2COO-OH2CH3CH3CH3CH3细胞色素a辅基呼吸链中含有的Cyta和Cyta3结合的非常紧密，几乎不能分开，写成Cytaa3。FeNNNNCH3CHCH3S－CysCH3CH3CH3CH3CHCys－SCH2CH2COO-CH2CH2COO-细胞色素c辅基CytC呈水溶性，与线粒体内膜外表面结合不紧密，极易与线粒体内膜分离。人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称多肽链数辅基复合体ⅠNADH-泛醌还原酶（NADH脱氢酶）39FMN,Fe-S复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶（琥珀酸脱氢酶）4FAD,Fe-S复合体Ⅲ泛醌-细胞色素C还原酶11血红素,Fe-S复合体Ⅳ细胞色素C氧化酶13血红素,Cu复合体Ⅰ:NADH-泛醌还原酶功能:将电子从NADH传递给泛醌(ubiquinone)复合体ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3;Fe-SN-2复合体Ⅰ的功能NADH+H+NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌还原酶功能:将电子从琥珀酸传递给泛醌复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;b560;FAD;Fe-S2;Fe-S3一些含有FAD的脱氢酶也可将底物中的电子传递给泛醌。复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c还原酶功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1Q循环复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶功能：将电子从细胞色素c传递给氧复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB其中Cyta3和CuB形成的活性部位将电子交给O2§2.2呼吸链的顺序确定呼吸链组分排列顺序的实验根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位，由低到高的顺序排列。在体外将呼吸链组分拆开和重组，鉴定复合体的组成与排列。利用呼吸链的特异性抑制剂阻断某一组分的电子传递，根据其吸收光谱的改变进行检测。利用离体线粒体观察各组分被氧化的顺序。标准氧化还原电位法氧化还原对E0'(V)氧化还原对E0'(V)NAD+/NADH+H+0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH20.30CytcFe3+/Fe2+0.25FAD/FADH20.06CytaFe3+/Fe2+0.29Q10/Q10H20.04(或0.10)Cyta3Fe3+/Fe2+0.55CytbFe3+/Fe2+0.071/2O2/H2O0.82抑制剂法呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置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-ⅠⅡQⅢCytcⅣ线粒体内膜胞浆侧基质侧NADHFADFMNFe－SN1,3,4,2NAD+Fe－SS1,2,3Fe－SCytc1CuAaa3CuBO2琥珀酸延胡索酸1.NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→