13.1生物氧化的概述.pdf

13.1 生物氧化的概述江原大学13.1.1 金物H也的痛念一切生命活动都需要能量，维持生命活动 的能量主要有两个来源:台匕、光能转变成有机物中稳定的化学能。（植物和某些藻类）化学能：异养生物或非光合组织通过生物氧化作 用将有机物质（主要是各种光合作用产物）氧化分 解，使存储的稳定的化学能转变成ATP中活跃的化学 能，ATP直接用于需要能量的各种生命活动。江原大号糖、脂、蛋白质等有机物在细胞内氧化分解，最 终生成C02和水并释放 的过程。又称细胞氧化或细胞呼吸。实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧 化还原作用。侬江原大号1、co2的生成(1)直接脱度丙酮酸丙酮酸脱瘦酶,乙醛+C02(2)脱氢脱殁丙酮酸空吧”里士乙酰C0A+CO2NADNADH+H2、水的生成在脱氢酶、传递体、氧化酶组成的体系催化下生成AH22HH受体1/202-H20AATP3、能量的生成当有机物被氧化成CO2和H2。时，释放的能量怎样转化成ATP?主要是通过呼吸链底物水平磷酸化氧化磷酸化江原大号生物氧化的一般过程糖原三酯酰甘油蛋白质13.1.2金物H化的特支酶的催化 氧化进行过程中，义然伴随生物还原反应的发生。水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用 直接参予了氧化反应。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体,如NADH等传递到氧并生成水。生物氧化是一个分步进行的过程，能量通过逐步氧化 释放，不会引 起体温的突然升高，而且可便放出的能量 得到最有效的利用。生物氧化释放的能量一般都贮存于一些特殊的化合物 中，主要是ATP。江原大号生物氧化和有机物在体夕卜氧化（燃烧）的实质相同,都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成 CC2和H2。，所释放的能量也相同。但二者进行的方 式和历程却不同:生物氧化 体夕卜燃烧1、细胞内温和条件 高温或高压、干燥（常温二 常压、中性pH、水溶液）条件2；一系列酶促反应 无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆发释放3；释放的能量转化成ATP被利用 转换为光和热，散失13.1.3 a由犍鸟耙化迷原电假刍由能(G)(1878)指在一个体系的总能量中,在恒温恒压条件下能好做 功的那一部分能量。用符号G表示。刍由能变化(AG)A-BAG=Gb-Ga根据A G判定反应方向：AG0 吸能，反应不能自发进行AG=0 反应达到平衡二、生化标准自由能变化(AG)指在标准条件下,即温度为25,参加反应的物质浓度为lmol/L,若有气体，则为1个大气压，pH为7时,测定的隹由能变化。单位为 J/mol、KJ/molo江原大学三、氧化还原电位 也称氧化还原电势，表示物质氧化还原的能力。Eo:pH7时的标准氧还电位。E0:判断氧化还原能力的大小。电子总是从较低氧 还电位的氧还对流向较高氧还电位的氧还对。江原大可13.1.4龙犍化合物与ATP生糖、脂肪、蛋白质 CO2+H2O+能量IATP1、高能化合物的概念高能化合物是指含转移势高的基团（即很容易转移的基团，如高能磷酸基团和带硫酯键的SCoA基团）的化合物。在高能化合物分子中,释放出大量自 由能时水解断裂的活泼共价键称为高能键。用 一表示2、高能化合物的类型按其分子结构特点及所 含高能键的特征分：“磷氧型-OP烯醇式磷酸化合物G()Kcal/mol(-C=C-OP(O)-14.8酰基磷酸化苔物(-C-O-P(O)-10.1焦磷酸化合物r磷酸化合物非磷酸化合物C：磷氮型HN=C-NP(O)O硫酯键化合物一2SO甲硫键化合物ch3-s-c-c-10.3-7.5-10.0高能键，水解断开，并可传递能量3.最重要的高能化合物ATP（三磷酸腺甘）H O H OPM AXA7P“能量中间体”化合物|磷酸基团转移势能_AG0AI G。（千卡/摩尔）（千焦/摩尔）屣酸烯醛式内画M14.861.93.磷酸甘油海磷酸11.849.3瞌酹肌酹 110.343.1乙酰磷酸10.142.3磷酸精氨酸7.732.3ATP-ADP+Pi)7.330.5ADP(AMP+Pi)7.330.5AMP(一腺昔+Pi)3.414.2葡萄糖-1-磷酸5.020.9果糖6.磷酸3.815.9葡萄糖-6.磷酸3.313.8甘油1 磷酸2.29.2二.乐大号 ATP的特殊作用。ATP在一切生物生命活动中都起着重要作用，在细胞的细胞核、细胞质和线粒体中都有ATP存在。ATP在磷酸化合物 中所处的位置具有重要的意义,它在细胞的酶促解酸基团转移中是一个“共同中间体”*ATP是生物体通用 的能量货币oOATP是能量的携带者和转运者，但并不是能量的贮存者。起贮存能量作用的物质称为磷酸原，在脊推动物中是磷酸肌酸。二.原大号ATP是磷酸基团转移反应的 中 间 载体磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物质向势能低 的物质转移。磷酸基团转移势能在数值上等于其水解反应的AG o-磷酸烯醇式丙酮酸分解代谢 氧化产能 ATP的生成及利用机械能（运动）化学能（合成反应）渗透能（分泌、吸收）电能（生物电）4热能（体温维持）光能（生物发光）UTP、GTP、CTP、TTP合成，供能能量源自能源物质（糖、脂、偶尔是蛋白质）的分解江原大学13.2电3传递铤江原大学13.2.1 电3传遢轴的槐念1.概念：在生物氧化过程中，代财物上脱下的氢经过 一系列 的 按一定顺序排列 的氢传递体和 电子传递体的传逢 室:后传诵给分手并生成水 这种丞和电子的1 整个氢的传递和电子的传递过程以及参与 这一系列催化反应的酶与辅酶及其他中间递 体一个接一个，组成链状反应体系，如同接力棒一样，这种形式的反应呼吸链AATPFAD呼吸链典型的呼吸链，口NADH呼吸链2、电子传递链分布细胞存在于 上真核细胞存在于线粒体的内膜上线粒体结构13.2.2电各传遢轴的姐氏由NADH到。2的电子传递犍主票包括：FMN辅酶Q（CoQ）、细胞色素b、c a 以 及一些铁硫蛋白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的还原 电势大小可排成序列，它们对电子亲和力的不断增加,推动电子从NADH向。2传递。个复合体参与电子传递中有NADH-Q还原酶 琥珀酸-Q还原酶 细胞色素还原酶 细胞色素氧化酶（复合体I）（复合体n）（复合体in）（复合体IV）是 由NAD+接受多种 代谢产物脱氢得到 的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。烟酰胺脱氢酶类 以NAD，NADP为辅酶化还原反应发生时,_NH变化发生在五价氮和三价K/H厂 CONH2+H+2 eCONH2NAD*或NADPNADH 或 NADPH还原型底物+NAD NADP氧化型底物 NADH+IT NADPH+HNADH氢最终氧化的途径！Figure 7.18(2)ATP电子传递中的四个复合体延胡索酸 琥珀酸）a Complex IISuccinate-CoQ日虹）HComplex IVComplex INADH-CoQComplex mCoQHi-otochrome c。江原大学Intermembranespace/、V 1W/翘JUbiquinon L+NADH-Q reductase还原酶NADH+Htf 3+Figure 7.18H还原酶 f MH+复合体氧化酶4复合体江球大分呼吸链各复合体在线粒体内膜中 的位置江异大号由FMN+铁硫蛋白功能:先与NADH结合并将NADH上的两个高势能 电子转移到FMN辅基上，便NADH氧化，并使FMN 还原。NADH+H+FMN-FMNH2+NAD+复合体INADH-FMN;Fe-SN.1a,b;Fe-SN;Fe-SN3;Fe-SN.2-QQQ江原大学NADH+H+x/FMN还原型FeSQNAD+FMN%氧化型FeS QH2胞液侧1.黄素蛋白 以FMN,FAD为辅酶FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是 氧化还原反应时不稳定中间 产物是FMN。HCKC，C、N 一 h（FADHJ或（FMNH2）（FAD）或（FMN）A/+FMN A+FMNHFAD FADH.峰大号COO coo细胞色素，辅基细胞色素还原酶血红素辅基的铁原子，在电子传递中 发生可逆的现3+Fe2+的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子。功能：将电子从泛限传递给细胞色素C复合体TITQH2f b$62；b5665 FeS;cf Qyj c江原大号基质侧江原大$1、细胞色素c是唯一能溶于水的 细胞色素。总的说来，两个QH2参与电子传递，使两个细胞色素C还原，经过全过程又产生了一个QH2分子。此从化学反应计算是一个QH?分子的两个电子分别传递给2分子细胞色素C。这种通过辅Q的电子传递方式称为Q循环。通过上述方式使电子由携带两个电子的载体一QU2 转移给携带一个电子的载体一细胞色素C。这有利于电子的有效利用。江原大专）细胞色素氧化酶（复合体IV）13个亚基的多聚蛋白由cyt.a和内 组成。复合物中除了含有铁力、郴外，还含有2个铜原子(CuA,CuB)o Cyta与CuA相酉己 合，cyta3与CuB相酉己合，当 电子传递时，细胞色素 的Fe3+Fe2+间循环，同时Cu2+Cu+间循环，将 电子从cytc直接传递给。2。也叫末端氧化酶。功能：将电子从细胞色素C传递给O?复合体IV还原型Qyt c-CuA-a-a3-CuB J O2其中cyta3与CuB形成的活性部位将电子传递给O2.江原大号2H2ONALF 境珀酸江原大号13.2.3电各传邃锭的顿格呼吸链的各组分在线粒体内 膜上是按一定顺序排列的,在线粒体内膜上主要有两条呼吸链:N ADH氧化呼吸链NADH 复合体I Q 复合体HI cyt C-复合体 IV 02FADH2氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）FADH2-复合体n-Q-复合体IIIG然复合体w-021NADH|Sf chromeFADH21g为什么是这样一个 顺序呢？Fumarate 二电子传递链NADH二 FMN-CoQf Cyt b-Cyt 生-Cyt c-*Cyt aa3 f a(Fe-S)江原大学实验依据：按1)2)3)4)氧化还原电势增加;电子亲和力增加的顺序排列;吸收光谱变化，氧化程度逐渐增高;利用电子传递抑制剂选择性阻断;盾 中油 率山也由洋华通的卡白旦中什4 m Innl I E稀硫酸 稀硫酸 稀硫酸稀硫酸HTHg班一电 71BSJ1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 NAD+/NADH+H+FMN/FMNH2 FAD/FADH2 Cvt b Fe3+/Fe2+Eot(V)-0.32-0.30-0.060.04(或0.10)Q10/Qi0H2 007Cvt J Fe3+/Fe2+0.22Cvt c Fe3+/Fe2+0.25Cvt a Fe3+/Fe2+0.29Cyt/Fe3+/Fe2+0.551/2 O2/H2O 0.82注妹大学13.2.4电3传遢抑制剂1、概念能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电 子传递抑制剂。利用专一性电子传递抑制剂选择性的阻断呼吸链 中某个传递步骤，再测定链中各组分的氧化-还原状 态情况，是研究电子传递链中电子传递体顺序的一种 重要方法。江原大号电子传递体电子传递抑制剂A.正常呼吸链像流水 在水管中畅流无阻，水面沿流向逐步降低B.被阻断后，在阻断 部位前面的水管被水 充满，后面则即将流 尽2、常用的几种电子传递抑制剂及其作用部位(1)鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：作用是阻断电子 在 还原酶内的传递，所以阻断了电子由NADH向CoQ的传递。(2)抗霉素A：是由链酶素分离出的抗生素，有干扰 细胞色素还原酶中电子从细胞色素期的传递作用，从而 抑制电子从还原型QH2向cyg的传递作用。(3)氟化物(CN叠氮化物(21一氧化碳(CO)等：作用是阻断电子在细胞色素氧化酶中传递，即阻断了电 子由cytaa3向分子氧的传递。江原大学呼吸链的 电子传递抑制 剂图示抗霉素A氨化物-1氧化碳硫化氢 叠氮化合物酸FAD4)yNADH f FMN 4 CoQ Cyt b(Fe-S)：xCyt 3 f Cyt cCyt aa302xx鱼藤安密妥-杀粉蝶菌素江原大号13.3 H化磷薇化江原大学伴随电子从底物到氧的传递，ADP被磷酸化形成ATP的酶促过程即是氧化磷酸化作用o根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为底物水平磷酸化I电子传递体系磷酸化。江原大号底物水平磷酸化:ATP的形成直接由一个代谢中间产物（如磷酸烯醇式丙酮酸）上的磷酸基团转移到ADP分子上的作用。X +ADP-a X+ATP电子传递体系磷酸化：是指当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系（呼 吸链）传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP的全过程。通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。江原大学13.3.2 4也磷酸也的作用机制一、ATP产生的数量研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体或其制剂的P/O比值和电化学实验。数。根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间接测出ATP生 成量。又可以看作是当一对电子通过呼吸链传至。2所产 生的ATP分子数。实验表明：NADH呼吸链的P/O值是3,即每消耗一摩 尔氧原子就可形成3摩尔ATP,FAD%呼吸链的P/O值是 2,即消耗一摩尔氧原子可形成2摩尔ATP。江原大号二、ATP产生的部位ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，NADH呼吸链生成ATP的三个部位是：E0,值在此三个部位有大的“跳动”，者B在0.2伏以上。电子传递链自由能变化区段电位变化(zdED,)自由能变化=-nF/E能否生成ATP(/G。，是否大于305KJ)NAD+CoQ0.36V69.5KJ/mol能CoQ-Cyt c0.21V40.5KJAnol能Cyt/为CD20.53V102.3KJAnol能酸氧化磷酸化偶联部位FAD(Fe-S)NADHf FMN-I(Fe-S)L-ATPCoQ f Cyt b f Cyt ci f Cyt c f Cyt aa3fo2ATPATP注原大号三、氧化磷酸化作用 机制的解1LU氧化磷酸化作用如何偶联尚不够清楚，目前 主要有三个学说：化学偶联学说构象偶联学说化学渗透学说江原大学1.化学偶联假说(1953)认为 电子传递过程产生一种活泼的高能 共价中间物。它嬉后的裂解驱动氧化磷酸 化作用。2.构象偶联假说(1964)认为电子沿电子传递使线粒体内膜蛋白 质组分发生了构象变化，形成一种高能形 式。这种高能形式通过ATP的合成而恢复 其原来的构象。江舞大专3.化学渗透学说(1961)认为电子传递释放出的自由能和ATP合成是与一种跨线粒体的质子梯度相偶联的。呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时,呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP与Pi合成ATP。1.递H体与递e体交替排列2.递H体有H基作用，将2H+泵出内膜，2e传给 递电子体，整个过程共泵出3对H+3.线粒体膜对H+不逋透，造成H+跨膜梯度4.H+通过ATP酶回流，生成ATP。江原大号化渗 透假 说图僦附佛部科if蒯b4ir42H+二.原大J41r如NADH f H+NAD*Fumarate SuccinateMatrixChemical potential ApH(inside alkaline)知+*Intermembrane spaceIVIllH2oFATPI JI L/J-wv/jd J Jrr-WxF-ADP+P、/Electrical potential A,(inside negative)ATP synthesis driven by.proton-motive force胞液侧基质侧Cyt cPOOO江原大学胞液侧Cyt c)000NADH+H*延胡索酸NAD+琥珀酸/h2o1/2O2+2H+基质侧江原大学胞液侧H+I1H+Cyt c,H+NAD+琥珀酸基质侧江原大学胞液侧H*H*H+Cyt c，卜ADP+PiATPH+江原大学13.3.3 ATP合我机制ATP的合成是由一个酶的 纪合体系完成的。这个复合体系称为ATP合酶由两个主要的单元 构成。起质子通道作用的单元称为F。单元和催 化ATP合成的单元称为Fi单元。因此，ATP合 酶又称为F。FiATP酶D二原大号在分离得到四种呼吸链复合体的同时还可得到复合 体V,即ATP合酶。该酶主要由F。（疏水部分）和F1（亲水部分）组成。在线粒体内膜的基质侧形成颗粒状突起。它主要由氏Y也亚基组成，其功能是催化 生成ATP;催化部位在B亚基中，但B亚基必须与a亚基 结合才有活性。F。镶嵌在线粒体内膜中。它由%b2c9.12 亚基组成。C亚基形成环状结构，a亚基位于环外侧，与c亚基之间形成质子通道。F。与此之间，其中心部位 由严亚基相连，外侧由b2和6亚基相连，Fi中的%能亚 基间隔排列形成六聚体，部分丫亚基插入六聚体中央。江原大学人胸杆菌ATP合成的的球-衲形结构 ATP合酶的工作机制由于3个B亚基与丫亚基插入部分的不同部位相互作 用，使每个0形成不同构象。当H+顺浓度梯度经Fo中a亚基和c亚基之间流时，丫亚基发生旋转，3个0亚回基的构象发生改变。紧密结合型（T）亚基变成开 放型（O）,释放ATP；ADP和Pi与疏松型（L）亚 基相结合；与紧密型6亚基结合的ADP和Pi生成ATP.因此，ATP在紧密结合型口亚基中生成，在开放型中 被释放。化学计算估计每生成1分子ATP需3个H+从线粒体内膜外侧流进入基质中。回江岳大学ATP合酶的工作机制ADP+Pi3个B亚基构象不同0开放型；T紧密结合型；L疏松型1334氧也磷酸也抑制和斛儒廉不同的化学因素对氧化磷酸化过程的影响不同,根据它们不同的影响方式可分为三大类:1.解偶联剂:使电子传递与ADP磷酸化两个过程分开，失掉它们的紧密联系。它只抑制ATP的形成，不抑制电子传 递过程，使电子传递产生的自由能都变成热能。因为这种试剂使电子传递失去正常的控制，亦即不能形成离子梯度。造成过分地利用氧和燃料底物而 能量得不到贮存。解偶联剂的作用只抑制氧化磷酸化的ATP形成，对 底物水平的磷酸化没有影响。江原大学例：弱酸性亲脂试剂DNP（2,4二硝基苯酚）原理：增加膜的通透性，破坏跨膜蛋白质化学梯度（H+梯 度）（酸性状态下为脂溶性物质，在线粒体内膜中可自 由移动,进入基质侧时释出H+,返回胞浆侧时结合H+,从而破坏了电 化学梯度。）PH7:解离态，脂不溶酸性:不解商定，脂溶JJ江乐大学2.氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂的作用是直接干扰ATP的生成过程,结果也使电子传递不能进行。例：寡霉素：与F。的一个亚基结合而抑制FiDNP（解偶联剂）可解除它对氧的抑制作用。江原大号3.离子载体抑制剂生物膜上的脂溶性物质，与某些离子结合，并作 为它们的载体，使这些离子能够穿过膜，破坏跨膜 电化学梯度，从而破坏氧化磷酸化过程。与解偶联剂区别：H+离子以外的其它一价阳离子 的载体，改变除H+以外的一价阳离子透性。如 缀氨霉素-K+短感菌肽一Na+K+江原大学不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响丙南酸 ADP（过信）OE 三。一抗毒索（或CN）时间江M K T13.3.5钱握体外氧化磷酸化线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主 要依赖于内膜中不同转运蛋白对各种物质的转运。NADH脱氢酶位于线粒体内膜的内侧，只作用于线粒 体内部（衬质）的NADH,而胞液中的NADH又不能直 接穿过线粒体内膜进入内部，这就需要通过一种间接 途径穿梭系统。不同真核生物细胞的胞液NADH 进入线粒体呼吸链的途径有所不同：甘油磷酸穿梭系统I苹果酸穿梭系统江原大学1.甘油 磷酸穿梭系统甘油磷酸穿梭机制线粒体 基质0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;呼吸链fadh2ch2ohCH2O-PiCH2OHFAD膜间隙线粒体 内膜c=o-CHOH2.苹果酸穿梭系统苹果酸穿梭机制OOC-CHn-C-COO谷氨酸-天冬氨酸 转运体H.NJ IOOC-CH2-C-COOJ天冬氨酸HONOOC-CH2-CH2-CCOOoOOC-CH2-LcOO-草聚乙酸NADH+H+羊果酸脱氢吟NADtXOII-OOC-CH 2-CH 2-C-COO-J O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O C一线粒体内膜-OOC-CH 2-C-COO；-羊果酸胞液呼吸链OOC-CH2-CH2-C-COO 谷氨酸A0A-OOC-CH 2-L谷草转 氮酶0 II-OOC-CH 2-CH 2-C-COO-/a酮戊二酸羊果酸a配泅二喙运体 1!COO-NADH/+H+、NAD+OH-OOC-CH2-C-COO-基质H13.4其他氧化酶系江原大号其他末端氧化酶系统是指除细胞色素系统之外的氧化 体系，又称非线粒体氧化体系，与ATP生成无关。1.抗条氧化酶系统2多酚氧化酶系统3.抗坏血酸氧化酶系统4.超氧化物歧化酶、过氧化氢、酶和过氧化物酶系统江原大学1.抗氯呼吸有些植物存在抗氯氧化酶，当氯化物阻断正常 呼吸链时，电子可以从Cytb直接传给抗氯氧化酶 再交给氧。2.反应Cytb 抗氮氧化酶2一023.意义抗氨呼吸是放热反应，有利于低温地区植物 开花和种子早期萌发。江原大号1.组成：脱氢酶、醍还原酶、酚氧化酶MH2XAD脱氢酶M AADII+H2.生物学意义：此酶与植物组织受伤反应有关，植 物组织受伤后多酚氧化酶活力增高，呼吸作用增强;植物受病菌侵害时，多酚氧化酶活力也增高，有利 于把酚类化合物氧化为醍，醍对病菌有毒害而起抗恁F*聚大专三、抗坏血酸氧化酶系统L反应：抗坏血酸+。2A脱氢抗坏血酸+H2O2.与其他氧化酶系统偶联3.生物学意义：可能与植物的抗病有关江原大学3、一氧化物歧化酶(SOD)1.SOD的种类：Cu、ZnSODMnFcSODSOD-植物胞质和叶绿体动物的红细胞和其它细胞-真核细胞线粒体-细菌中2.反应：2。，22 二02-H2O2人1 1也。+Q 02211SOD+11202(1 J-1120+3.意义：清除自由基活性氧江原大号