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第五章生物氧化与氧化磷酸化

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第五章 生物氧化 Biological Oxidation

第一节 生物氧化概述
一、生物氧化的概念
(一)广义和狭义的生物氧化概念 糖 脂肪
O2 CO2和H2O ADP+Pi

蛋白质
能量

ATP

热能

广义:有机物(糖、脂肪、蛋白质等)在体内

氧化分解生成CO2和H2O,并逐步释放能量,
产生ATP的过程。

包括有机物的氧化过程、呼吸链的电子传
递和ATP的合成。 狭义:呼吸链的电子传递和ATP的合成。

(二)生物氧化的特点 1. 在温和的条件下进行。 在pH*中性及体温条件下水溶液内进行。 2. 是逐步进行的酶促反应 3. 能量是逐步释放的 4. 产生的能量贮存于特殊的化合物中。

生物氧化与体外燃烧的比较 生物氧化
反应条件

体外燃烧

温 和 剧 烈 (体温、pH*中性) (高温、高压) 反应过程 逐步进行的酶促反应 一步完成 能量释放 逐步进行 瞬间释放 (化学能、热能) (热能) CO2生成方式 有机酸脱羧 碳和氧结合 H2O 需 要 不需要

(三)生物氧化中物质的氧化方式
(1) 失电子 Fe2+ (2) 脱氢 (最主要)
COOH

Fe3+ + e
COOH
C =O + 2H CH3 (2H+ +2e)

HO-CH
CH3

(3) 加氧 RH + 1 O2 2 ROH

(四)生物氧化中二氧化碳的生成 生物氧化中二氧化碳的生成是由于 糖、蛋白质、脂肪等有机物转变成含羧 基的化合物进行脱羧反应。 1、α-脱羧和β-脱羧; 2、直接脱羧和氧化脱羧:氧化脱羧是指脱 羧过程中伴随着氧化(脱氢)。

CoA

CO2
NADH+H+

COOH C=O

NAD+

O
CH3C~SCoA

丙酮酸脱氢酶系

CH3

异柠檬酸脱 氢酶

*

NAD+

NADH+H++CO2

COOH
CO2 CHO

C=O
丙酮酸脱羧酶

CH3

CH3

(五)生物氧化中水的生成 生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢 经生物氧化作用和吸入的氧结合而成的。 多数情况下脱氢酶和氧化酶之间需要一些 电子传递体才能将质子和电子交给氧生成水。

二、生物氧化中有关的酶类
(一)电子转移酶
只催化电子的得失,实际也是电 子传递体。主要有铁硫蛋白和细胞 色素类。

(二)氧化酶类
特点:催化底物脱氢后,以O2为直接受氢体,生成H2O。 酶蛋白

组成:结合酶 辅基:含Fe 、 Cu
举例:细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶等

2H+ RH2 2e 2Cu2+ O2- 2e H2O

R

2Cu+

1 O2 2

(三)需氧脱氢酶
特点:催化底物脱氢后,以O2为直接受氢体,生成H2O2。 酶蛋白 组成:结合酶 辅基:FMN 、FAD
举例:黄嘌呤氧化酶

2H

RH2
R

FMN /FAD
FMNH2/FADH2
2H

H2O2
O2

(四)脱氢酶
特点:催化底物脱氢后,以CoQ、NAD+、NADP+ 、FAD或 FMN等为直接受氢体。

组成:结合酶

酶蛋白 辅基:NAD+、NADP+、FAD等

举例:苹果酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶等

2H

RH2

NAD+

R

NADH + H+

(五)加氧酶
(1) 单加氧酶(混合功能氧化酶、羟化酶)

RH + NADPH +

H+ +

O2

单加氧酶

ROH + NADP+ + H2O

(2)双加氧酶

CH2 CH NH2 NH

COOH

色氨酸加双氧酶 O2
O C CH2 C NH O CH COOH

色氨酸

H NH2

甲酰犬尿氨酸

(六)其它酶类
(1)过氧化氢酶

H2 O2 + H2 O2
(2)过氧化物酶

过氧化氢酶

2 H2O+ O2

过氧化物酶 RH2 + H2O2 (3)超氧物歧化酶(SOD) R + 2H2O

· + 2H+ 2O2

SOD

H2O2+O2

三、高能化合物
(一)高能化合物的概念
?一般将水解时能够释放20.92 kJ

/mol(5Kcal/mol)

以上自由能的化合物称为高能化合物。
?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。

(二)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: ?磷氧键型 ?磷氮键型 ?硫碳键型(硫酯键型、甲硫键型)

(1)磷氧键型(-O-P)
(A)酰基磷酸化合物
O C O CH2 O P O
-

O CH3 C O

O P O O
乙酰磷酸
-

O CH OH O O O-

P O

1,3-二磷酸甘油酸

(A)酰基磷酸化合物

O R C O

O P O
-

O A

O H3N+ C O

O OP O
-

酰基腺苷酸

O RCH C O N H3
+

O P O A O
-

氨甲酰磷酸

氨酰基腺苷酸

(B)焦磷酸化合物
O O P O
-

O O P O
-

O

-

NH2 N O O P O
-

N N N H H OH

焦磷酸

O O- P O
-

O O- P O
-

OCH2 H H

O

OH

ATP(三磷酸腺苷)

(C)烯醇式磷酸化合物

COOH O C O CH2 P O O

磷酸烯醇式丙酮酸(PEP) 磷氧键型:酰基磷酸化合物、焦磷酸化合物、烯醇式磷酸化合物

(2) 氮磷键型(如胍基磷酸化合物)
O NH N CH3 CH2COOH
磷酸肌酸

O NH N HCH3 P O NH2 C NH O CH2CH2CH2CHCOOH
磷酸精氨酸

P O

C NH O

?这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。

(3)硫碳键型
A、硫酯键型
O R C SCoA

酰基辅酶A

B、甲硫键型
COO
S-腺苷甲硫氨酸
+ NH3

CH CH2 CH2 H3C S
+

A

(三)最重要的高能化合物—ATP
(1)ATP的分子结构特点与水解自由能的关系

(2)ATP在能量转化中的作用
①ATP是生物体通用的能量货币。

②ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。 ATP在传递能量方面起着转运站的作用, 它是能量的携带者和转运者,但不是能 量的贮存者。

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ΔG0’。
?
16 14 磷酸基团转移势能 (kcal/mol) 12 10 8 6 4
2

PEP

1,3-二P甘油酸 ATP 6-P葡萄糖 3-P甘油

第二节 电子传递链

一、电子传递链的概念和存在部位
概念:在生物氧化过程中,代谢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 递,最终与氧结合生成水。这些氢和电子的传递体系 称为电子传递链.由于此过程与细胞呼吸有关,所以 将此传递链称为呼吸链。 2H 2H + + 2e 部位:真核线粒体的内膜上,原核生物在细胞膜上。

二、电子传递链的组分
(一)黄素蛋白类脱氢酶 (二)铁硫蛋白类 (三)辅酶Q (四)细胞色素类

黄素蛋白类

黄素单核苷酸的结构

CH2OPO3H2 HO HO HO H H3C H3C N H H H OH
H3C R N N O NH N O

N O NH

H3C

N O

黄素腺嘌呤二核苷酸的结构
H2C HO HO HO H N H3C H3C N O O H H H OH N O NH N NH2 N O P OH O O P OH O H H H HC N OH OH O CH2

R N N O NH N O

N

H3C H3C

黄素核苷酸的作用原理
R N H3C H3C N O N O NH

+2H

-2H

还原型 核黄素(无色)
H N H3C H3C H N O N H O NH

核黄素(黄色)
+2H -2H

FAD/FMN

FADH2/FMNH2

铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原 子和硫原子,其中铁原子可进行Fe2+ ? Fe3++e 反应传递电子。

? 表示无机硫

铁硫蛋白的作用原理
Fe
2+

-e +e

Fe 3+
FAD (Fe-S)b

FMN (Fe-S)

泛醌
辅酶Q的结构及作用原理 O H3CO H3CO

CH3 CH3 (CH2CH=C CH2)n H O
OH CH3 R
+2H -2H

O H3CO H3CO

H3CO H3CO
OH

CH3 R

O

细胞色素体系(Cyt)
(1) Cyt的本质
细胞色素 = 酶蛋白 + 血红素 (2) Cyt的分类 a类:a、a1、a2、 a3 … 30多种 b类:b、b1~7、P450 … c类:c、c1、c2、 c3 …

血红素A

b型血红素

b型血红素

c型血红素

(3) Cyt的存在部位 线粒体( a、a3 、b、 c、 c1) 微粒体( b5、P450 ) Cyt aa3 (细胞色素氧化酶): 呼吸链中唯一直接将e传递给O2

(4)Cyt在呼吸链中的作用 2Cyt-Fe3++2e 2Cyt-Fe2+

2Cytaa3-Fe2+ +1/2O2 2Cytaa3-Fe3+ +O2-

总结:呼吸链各组分的作用
名称 本质 在呼吸链中作用
+2H -2H

尼克酰胺核苷酸 不需氧脱氢
NAD+ 、 NADP+ 黄素蛋白 酶的辅酶 结合酶 FMN 、FAD 铁硫蛋白
NAD(P)+

NAD(P)H+H+

+2H

FAD/FMN

-2H

FADH2/FMNH2

结合酶
Fe 、S

Fe2+

-e Fe 3+ +e

总结:呼吸链各组分的作用
名称 本质 在呼吸链中作用
+2H

辅酶Q (CoQ)
细胞色素 (Cyt)

脂溶性醌 类化合物 结合酶 铁卟啉

CoQ
-2H

CoQH2

Fe2+

-e Fe 3+ +e

三、 呼吸链上电子传递体的排列
(一)电子传递链在膜上的存在状态 除了CoQ和细胞色素C外,电子传递 链上的电子传递体组成了四个复合体。

复合体

酶名称

辅基

复合体Ⅰ 复合体Ⅱ 复合体Ⅲ 复合体Ⅳ

NADH-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

FMN,Fe-S FAD,Fe-S 铁卟啉,Fe-S 铁卟啉,Cu

胞液侧 线粒体内膜 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 基质侧

呼吸链各复合体位置示意图

1、复合体Ⅰ NADH-泛醌还原酶
? 复合体Ⅰ将电子从还原型烟酰胺(尼克 酰胺)腺嘌呤二核苷酸(NADH)传递 给泛醌 ? 复合体Ⅰ含有以黄素单核苷酸为辅基的 黄素蛋白和以铁硫簇(Fe-S)为辅基的铁 硫蛋白。

NADH+H+
NAD+

FMN
FMNH2

还原型Fe-S 氧化型Fe-S

Q QH2

复合体Ⅰ的功能

2、复合体Ⅱ 琥珀酸-泛醌还原酶
? 复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递给泛醌

? 复合体Ⅱ含有以黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD) 为辅基的黄素蛋白、铁硫蛋白和细胞色素 (Cyt)b560

3、复合体Ⅲ 泛醌-细胞色素C还原酶
? 复合体Ⅲ 将电子从 泛醌传递给细胞色素C ? 复合体Ⅲ 含有2种细胞色素b(Cyt b562, Cyt b566)、 细胞色素C1和铁硫蛋白

4、复合体Ⅳ 细胞色素C氧化酶
? 复合体Ⅳ 将电子从 细胞色素C传递给氧

? 复合体Ⅳ中含有Cyta和Cyta3

(二)呼吸链成分的排列顺序

1、研究方法
(1)测各组分氧化还原电位(E0′) 递增 (2)呼吸链复合物重组 (3)利用呼吸链抑制剂 (4)利用光谱变化确定各组分的氧还状态

RH2 还原态

O2 氧化态

呼吸链中各氧还对的Eo’ ________________________________________
氧化还原对 Eo’(V) ________________________________________

NAD+/NADH +H+ FMN/FMNH2 FAD/FADH2 Q/QH2 Cyt b (Fe3+)/(Fe2+) Cyt c1 (Fe3+)/(Fe2+) Cyt c (Fe3+)/(Fe2+) Cyt a (Fe3+)/(Fe2+) Cyt a3 (Fe3+)/(Fe2+) 1/2O2/H2O

________________________________________

-0.32 -0.30 -0.06 0.04(或0.10) 0.07 0.22 0.25 0.29 0.55 0.82

呼吸链复合物重组
NADH FMN(Fe-S)

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

CoQ
FAD(Fe-S)

Cytb、c1 Cytc Cytaa3 (Fe-S) (Cu2+)

O2

琥珀酸

呼吸链中细胞色素的 排列及电子传递过程 2e 2Fe2+ 2e

H2O
2H+ 2Fe3+ O2-

2Fe3+

2Fe2+

b
2e 2Fe3+ b c1

c1
2Fe2 +

c
2Fe3+
c aa3

aa3
2Fe2+ 2e 1/2O 1/2O2

2e

笔 洗一洗 AA3(散)

(三)线粒体内重要的两条呼吸链
1、NADH氧化呼吸链
RH2
R

FMNH2 (Fe-S) NADH FMN (Fe-S)

NAD+

CoQ
CoQH2

2Cyt-Fe2+
2Cyt-Fe3+

1/2O2
O2-

每2H通过此呼吸链可生成2.5分子ATP。

2、琥珀酸氧化呼吸链
FAD CoQH2 (Fe-S)b 延胡索酸 FADH2 CoQ (Fe-S)b 琥珀酸 2Cyt-Fe3+
2Cyt-Fe2+

O21/2O2

每2H通过此呼吸链可生成1.5分子ATP。

3、分别进入两条呼吸链的底物
苹果酸 异柠檬酸 3-磷酸甘油醛 谷氨酸 NAD+ FMN 琥珀酸 FAD(Fe-S) CoQ b c1 c aa3 O2

FAD
硫辛酸

FAD

脂肪酰CoA
丙酮酸 ?-酮戊二酸

两种呼吸链的比较:
相同: 1. 将H传递给O2生成水; 2. H和O2消耗,其它可反复使用; 3. CoQ是两种呼吸链的汇合点。
不同点: 普遍程度 起始物 ATP NADH呼吸链 较普遍 NADH 2.5 琥珀酸呼吸链 次要 FADH2 1.5

四、电子传递抑制剂
作用:阻断电子传递
NAD+ FMN CoQ b c1 c aa3 H2S CO CN O2

鱼藤酮 杀粉蝶菌素A 安密妥

抗霉素A

第三节 氧化磷酸化
一、ATP的生成方式

底物水*磷酸化
氧化磷酸化(最主要)

1、底物水*磷酸化:直接将代谢物分子中的 能量转移至ADP(或GDP),生成ATP(或 GTP)的过程。

糖酵解过程
O C HC H2C

O

OPO 3 2O
-

C

OH OH O

ADP

ATP

OH O

HC H2C

HO P OH O

HO P OH O

磷酸甘油酸激酶

1,3-二磷酸甘油酸 (1,3-DPG)

这是糖酵解 中第一次 底物水* 磷酸化反应

3-磷酸甘油酸

糖 酵 解 过 程

O C C CH2 OH O-

OH P
+

O

ADP

ATP

O C C OH OH

OH

磷酸烯醇式 丙酮酸

丙酮酸激酶 (Mg2+, K+ )

CH2

烯醇式丙酮酸

糖酵解中第二次底物 水*磷酸化反应

TCA循环
H2C COOH CH2
HSCoA
琥珀酰CoA合成酶

H2C COOH H2C COOH
琥珀酸

O C SCoA GDP+Pi
琥珀酰CoA

GTP

ATP

ADP

2、氧化磷酸化 :电子从NADH或FADH2经电子传 氧化磷酸化 递链传递到分子氧形成水,同时偶联ADP磷酸化生 成ATP,称~。或称为电子传递磷酸化,是需氧生物 合成ATP的主要途径。
呼 吸 链

1 O 2 2 H2O

AH2

2H(2H++2e)

氧化 偶 联

A ADP+Pi

能量 ATP 磷酸化

二、氧化磷酸化偶联部位
1、根据呼吸链中各电子传递体的氧化还原电位差 进行判断 2、测P/O值 P/O值是指物质氧化时,每消耗1mol氧原子所消 耗的无机磷的mol数,即生成ATP的mol数。 实质:每消耗1mol氧原子所产生的ATP的mol数。

不同底物的P/O值
底物 呼吸链的组成 P/O值

1.NADH 2.琥珀酸 3.Cytc 4.NADH 5.琥珀酸

NAD+→FMN→CoQ→Cyt→O2 FAD→CoQ→Cyt→O2 Cytc→Cytaa3→O2 NAD+→FMN→CoQ→Cytb FAD→CoQ→Cytb

2.5 1.5 1 1 0

琥珀酸

ADP+Pi
NADH FMN ATP

FADH2
CoQ

ADP+Pi Cyt b ATP c1 c

ADP+Pi aa3 ATP O2

氧化磷酸化偶联部位

三、氧化磷酸化的偶联机制
1、化学偶联假说 认为电子传递反应产生的能量通过一系列 连续的化学反应形成高能共价结合的中间产

物,最后再将其能量转移到ATP中。

2、构象偶联假说
认为电子传递所产生的能量使线粒体内膜蛋
白组分发生了构象变化,从而形成一种高能构象

状态。这种高能构象状态通过ATP的合成而恢复
其原来的构象。

3、化学渗透假说
认为电子传递释放出的自由能和ATP合成是与 一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。也就是,

电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜
进入到膜间隙,从而形成跨线粒体内膜的质子电化

学梯度。这个梯度的电化学势驱动ATP的合成。

化学渗透假说

H+

胞液
内膜

e

H+ O ADP +Pi ATP

线粒体

?电子传递的过程中将H+泵至内膜胞液侧,形成化 学梯度(势能) ?当H+顺梯度回到基质面时,释出的能量使ADP 磷酸化为ATP

化学渗透假说简单示意图
线粒体膜 H 2O O2 线粒体基质

e-

ATP

ADP + Pi

- - - ++++
H+ H+

ATP合酶

由亲水部分 F1 (α3β3γδε亚基 ) 和疏水部分F0 (a1b2c9~12亚基) 组成。

ATP合酶结构模式图

四、氧化磷酸化的解偶联和抑制
不同的化学因素对氧化磷酸化作用的影响方式不 同。根据影响方式不同可划分为三类: 解偶联剂 氧化磷酸化抑制剂 离子载体抑制剂

1、解偶联剂
使电子传递和ATP形成两个过程分离,失掉 它们的紧密联系。它只抑制ATP的形成过程。 不抑制电子传递过程,使电子传递产生的自 由能都变为热能。这种试剂使电子传递失去正常 的控制,亦不能形成离子梯度。

作用:使氧化过程与磷酸化过程脱节

举例:2,4-二硝基苯酚

如:2,4-二硝基苯酚的解偶联作用
外 NO2 H+ NO2 OOH NO2 线 粒 体 内 膜 OH H+ NO2 ONO2


NO2 NO2

NO2

2、氧化磷酸化抑制剂
即抑制氧的吸收利用又抑制ATP的形成,却不 直接抑制电子传递链上载体的作用。 抑制ATP的形成,造成质子电化学梯度处于高 能状态,从而抑制了电子的传递。 如:寡霉素

3、离子载体抑制剂:
能够向线粒体内膜内运送阳离子,破坏电化学

梯度中的电势梯度,使氧化过程与磷酸化过程脱节,
抑制ADP磷酸化生成ATP。 与解偶联剂的区别:是除H+以外其他一价阳离子的 载体。

举例:缬氨霉素(K+)
短杆菌肽(K+,Na+)

五、线粒体穿梭系统
1、动物外源NADH的氧化磷酸化 甘油-3-磷酸穿梭系统(主要存在于肌细胞) 苹果酸-天冬氨酸穿梭系统(主要存在于肝细胞)

α-磷酸甘油穿梭

某些骨骼肌、神经组织 NAD+ ① α-磷酸甘油

胞液

NADH + H+ 磷酸二羟丙酮

线粒体外膜 磷酸二羟丙酮 ② 线粒体 内膜

α-磷酸甘油

FADH2
CoQ b c1 c

FAD
aa3 O2

①胞液中α-磷酸甘油脱氢酶(辅酶为NAD+) ②线粒体内α-磷酸甘油脱氢酶(辅基为FAD)

(2)苹果酸一天冬氨酸穿梭(The malate – aspartate shuttle)

两种穿梭系统的比较
α-磷酸甘油穿梭 穿梭 物质 进入线粒 体后转变 成的物质 进入呼吸链 α-磷酸甘油 磷酸二羟丙酮 FADH2 琥珀酸氧化呼吸链 1.5 骨骼肌、 神经组织 苹果酸-天冬氨酸穿梭 苹果酸、 谷氨酸 天冬aa、α-酮戊二酸 NADH+ H+ NADH氧化呼吸链 2.5 肝脏和心肌组织

生成ATP数
存在组织 相同点

将胞浆中NADH的还原当量转运到线粒体内

2、植物胞液中NADH的氧化

植物线粒体内膜外侧具有镶嵌在膜上

的NADH脱氢酶,将NADH脱下的电子
交给CoQ,因此只能生成1.5个ATP。

六、能荷
[ATP]+0.5[ADP] 定义式:能荷= ————————— [ATP]+[ADP]+[AMP]
意义: 能荷由ATP 、 ADP和AMP的相对数量决

定,数值在0~1之间,反
映细胞能量水*。 能荷对代谢的调节可

ATP的利用途径 ATP的 相 对 生成途径 速 率

通过ATP 、 ADP和AMP
作为代谢中某些酶分子的 别构效应物进行变构调节
能荷
能荷对ATP的生成途径和ATP 的利用途径相对速率的 影响

来实现。

重点内容
? 1、生物氧化、呼吸链、氧化磷酸化、 底物水*磷酸化、P/O比值的概念。 ? 2、呼吸链的组成及其作用 ? 3、呼吸链的排列顺序 ? 4、氧化磷酸化的偶联部位 ? 5、影响氧化磷酸化的因素 ? 6、胞液中NADH进入线粒体的两种穿 ? 梭机制




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