生物化学课件 第六章 生物氧化

为体内各种生理活动提供能量，形成磷酸酯类中间 代谢物参与酶的共价修饰。
高能磷酸键与高能磷酸化合物 高能磷酸键：水解时释放的能量大于30.5KJ/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
(第二货币)
各种高能磷酸化合物的生成：
二磷酸核 苷酸激酶
CDP CTP
谷草转氨酶
谷草转氨酶
2.ATP-ADP载体(ATP-ADP carrier) 2. 腺苷酸载体(adenine nucleotide transporter)
3. 线粒体蛋白的跨膜转运
线粒体外膜上的解折叠酶使蛋白质 空间结构松散
外膜受体识别，再被转移到总插入蛋白
总插入蛋白使蛋白质前体从氨基端 开始通过线粒体外膜与内膜之间的接触 点转运至线粒体基质 基质中的加工肽酶切除蛋白质前体 中含有导向信息的氨基端前导序列，生 成成熟的基质蛋白质
代谢物脱下的氢经一定顺序排列的氢递体或电子递 体传递，与O2 结合生成H2O的完整体系，也称电子 传递链（Electron transfer chain）。
组 成：
递氢体、电子传递体
1. 呼吸链的组成
四种酶复合体
复合体
复合体Ⅰ 复合体Ⅱ 复合体Ⅲ 复合体Ⅳ
酶名称
NADH-泛醌还原酶 琥珀酸-泛醌还原酶
ATP
2. 氧化磷酸化的偶联机制
化学渗透假说(Chemiosmotic
hypothesis)
电子经呼吸链传递时，释放的
能量可将质子(H+)从线粒体内膜的基 质侧泵到内膜外侧，产生膜内外质子 电化学梯度（H+ 浓度梯度和跨膜电 位差）。当质子顺浓度梯度回流时驱 动ADP与Pi生成ATP 。
外
P/O 比值： 物质氧化时，每消耗1摩氧原子所消耗的无机磷 的摩尔数(或ADP摩尔数),即生成ATP的摩尔数。
实验：
抗坏血酸 β-羟丁酸 P/O=2.4~2.8 生成2.5ATP P/O=1.7 生成1.5ATP P/O=0.88 生成1ATP 细胞色素C(Fe2+) P/O=0.61 ~0.68 生成0.5ATP
呼吸链抑制剂:阻断呼吸链中某些部位电子传递

鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidin A)、异戊巴比妥 (amobarbital)等与复合体Ⅰ中的铁硫蛋白结合

抗霉素A(antimycin A)、二巯基丙醇(dimercapto-propanol) 抑制复合体Ⅲ中Cytb与Cytc1间的电子传递
内
ATP合酶
F1(亲水部分) 由α3 β3 γδε组成 催化生成ATP F0(疏水部分) 由6个亚基组成质子通道
旋转的分子马达
ATP在F1结构域中合成
催化位点位于β亚基上
ATP合酶的工作机制
αβ催化亚单位的三种构象： O 开放型 L 疏松型 T 紧密结合型
三、影响氧化磷酸化的因素
1. 抑制剂
3. 甲状腺激素
诱导细胞膜上Na+, K+-ATP酶的生成，使ATP加 速分解为ADP和Pi。ADP增多，促进氧化磷酸化。 4. 线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA) mtDNA突变影响呼吸链氧化磷酸化复合体中多 肽链的生物合成 mtDNA的特点：呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏 蛋白质保护和损伤修复系统，易受氧化磷酸化产生的 氧自由基的损伤而突变。
功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌 组成: 黄素蛋白，含FAD
铁硫蛋白
琥珀酸
延胡索酸
琥珀酸脱氢酶是三羧酸循环中唯一的一个与 膜结合的酶，它本身就是复合物Ⅱ的一部分。
3. 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
组成：2种细胞色素b（Cytb562 , b566） 细胞色素C1 铁硫蛋白
1，生物氧化和有机物质体外燃烧在化学本质上 是相同的，遵循氧化还原反应的一般规律，所耗 的氧量、最终产物（CO2 和H2O）和释放的能量 均相同。 2，生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过 程，反应条件温和（水溶液，pH7和常温）。 3，能量逐步释放。一部分以热能形式散发，以 维持体温，一部分以化学能形式储存供生命活动 能量之需（约40%）。
CO、CN-、N3-及H2S抑制复合体Ⅳ

各种呼吸链抑制剂的阻断位点
抗霉素A 二巯基丙醇 CO、CN-、 N3-及H2S
×
×
×
鱼藤酮 粉蝶霉素A 异戊巴比妥
临床知识------氰化物中毒
氢氰酸气体或氰化钾------目前，已知毒性最强最快的毒物。 作用机理：抑制细胞色素C氧化酶传递电子至氧气，可与血 红素a3的Fe3+结合，使线粒体呼吸和能量生成停止，细胞迅速 死亡。细胞死于缺氧，最明显的器官是中枢神经系统。 解毒方案： 1、给予多种亚硝酸盐，使血红蛋白中的Fe2+氧化为Fe3+， 从而将氧合血红蛋白转化为高铁血红蛋白，后者通过形成高 铁血红蛋白-氰化物复合物而与细胞色素a3竞争氰化物。 2、摄入硫代硫酸盐能使氰化物与硫氰酸酶反应，生成无 毒的硫氰酸盐。
辅基
FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，Cu
泛醌-细胞色素C还原酶
细胞色素C氧化酶
呼吸链各复合体位置示意图
1.复合体Ⅰ------NADH-泛醌还原酶
功能: 将电子从NADH传递给泛醌
(Ubiquinone)
NADH:还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
(Reduced nicotinamide adenine dinucleotide)
琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）： 由复合体Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成。
FADH2氧化呼吸链
NADH氧化呼吸链
二、 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)
定义：代谢物脱下的氢经呼吸链传递，逐步释放能量 使ADP磷酸化生成ATP的过程称氧化磷酸化。
1.确定偶联部位的实验及数据
4，生物氧化生成的H2O是代谢物脱下的氢与氧 结合产生，H2O也直接参与生物氧化反应； CO2由有机酸脱羧产生,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。 5，生物氧化的速度由细胞自动调控。
部位：在真核生物细胞内，生物氧化都是在线 粒体内进行，原核生物则在细胞膜上进行。
生物氧化的一般过程：
NADH+H+ or FADH2
ATP是能量生成和能量利用系统的桥梁
ATP
ADP
第一节 生成ATP的氧化体系
线 粒 体 氧 化 体 系
线粒体 (Mitochondria)
呼吸链(Respiratory chain)
一、呼吸链（Respiratory chain）
定义：
ATP
ADP
肌酸
磷酸肌酸
ATP的生成和利用
ATP
肌酸
磷酸 肌酸
氧化磷酸化 底物水平磷酸化
~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)
ADP
~P
五、通过线粒体内膜的物质转运
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载体对各种物质的转运。
细胞色素
定义：细胞色素是一类含有血红素的电子传递蛋白的总称。 分 类：根据吸收光谱不同，参与呼吸链组成的细胞色素 有Cyta、 Cytb、Cytc三类，每一类又因其最大吸收 峰的细微差别再分为几种亚类。 特 点：以铁卟啉为辅基，催化电子传递， 均有特殊吸收光谱而呈现颜色。
Cyta: Cyta、Cyta3 Cytb: Cytb562 、Cytb566 Cytc: Cytc、 Cytc1
氧自由基的产生与消除
线粒体缺陷（母系遗传居多）与衰老等退行性疾 病有关，包括帕金森氏病和阿茨海默病等。
谷胱甘肽过氧化物酶与GSH还原酶
超氧化物歧化酶与过氧化氢酶
四、能量货币ATP
ATP的结构
N NH2
O HO P OH O
O P OH O
O P OH OH OH O CH2 N O N
N
ATP的功能
ATP ADP
UDP GDP GTP ATP UTP ADP
腺苷酸激酶 (adenylate kinase)
ATP ADP
ADP + ADP AMP + ATP
磷酸肌酸激酶 (Creatine phosphate,CP)
H
NH2 C NH H3C N CH2 COOH
N PO3H2 C NH H3C N CH2 COOH
F1与F0之间柄部的寡霉素敏感蛋白。
寡霉素
2. ADP的调节作用
ADP浓度增高，氧化磷酸化速度加快；
ADP不足，氧化磷酸化速度减慢。
呼吸控制率(Respiratory control ratio , RCR)
用离体线粒体实验，当有过量底物存在时，加入ADP 后的耗氧速率与仅有底物时的耗氧速率之比。
第二节 其 他 氧 化 酶 系
一、需氧脱氢酶和氧化酶
氧化方式 氧化酶 利用氧为受氢体 催化底物氧化
辅基 含铜离子
产物
有H2O
需氧脱氢酶
利用氧为受氢体催化 底物脱氢
含FMN或FAD
生物化学
Biochemistry
CHAPTER 7
生物氧化
Biological oxidation
生物氧化的概念
物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、
蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O
的过程。 糖
脂肪
蛋白质
O2
CO2和H2O
ADP+Pi 能量 ATP
热能
生物氧化的特点
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。
异咯嗪环
FAD
FMN
FMN的递氢作用
铁 硫 蛋 白
Fe
Fe2S2
Fe4S4
空 间 构 象
Fe2+
Fe3+ + e
泛醌的递氢作用
复合体Ⅰ的功能
2.复合体Ⅱ------琥珀酸-泛醌还原酶
1. 胞液中NADH的氧化
胞液中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再 经呼吸链进行氧化磷酸化。
转运机制主要有：
α-磷酸甘油穿梭(Glycerophosphate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭(Malate-asparate shuttle)
α-磷酸甘油穿梭
苹果酸-天冬氨酸穿梭
区段
电位变化 (⊿E°′)
自由能变化
⊿G°′=-nF⊿E°′
能否生成ATP
(⊿G°′是否大于30.5KJ)
NAD+~CoQ CoQ ~Cytc Cytaa3~O2
0.36V 0.21V 0.53V
69.5KJ/mol 40.5KJ/mol 102.3KJ/mol
能 能 能
氧化磷酸化偶联部位
ATP
ATP
2. 呼吸链成分的排列顺序
呼吸链成分的排列顺序试验依据
(Ⅰ) 根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位
(Ⅱ) 利用呼吸链特异的抑制剂阻断某一组分的电子传递，阻断
部位前组分为还原态，后面组分为氧化态，根据吸收光谱改变 进行检测
还原态
氧化态
2、呼吸链类型
NADH氧化呼吸链：
由复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成。
位于棕色脂肪组织中的线粒体中,主要有UCP-1、2、3、 4、5五种。
解wk.baidu.com联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）
下丘脑感受冷刺激 交感神经 去甲肾上腺素
三酰甘油
目前，解偶联蛋白药物可用于治疗肥胖
氧化磷酸化抑制剂： 对电子传递及ADP磷酸化均有 抑制作用
例：寡霉素(oligomycin) 结合ATP合酶
各种细胞色素的结构：
复合体 III （Complex III）
细胞色素c是移动的电子载体
4. 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 组成：Cyta, Cyta3 (含2个铁卟啉辅基和2个铜原 子)
Cu+
Cu2+ + e-
功能：将电子从细胞色素C传递给氧
组成：黄素蛋白(Flavoprotein)
含FMN 铁硫蛋白(Iron-sulfur protein) 含铁硫簇
FMN：黄素单核苷酸(Flavin mononucleotide)
铁硫簇(Iron-sulfur cluster, Fe-S)
NAD+的结构和作用
NAD+的结构和作用
氧化还原反应时氮原子在五价和三价之间变换
解偶联剂(Uncoupler) 使氧化与磷酸化偶链过程脱离
基本作用机制：
使呼吸链传递电子过程中泵出的H+ ，不经ATP合酶的F0 质子通道回流，而通过线粒体内膜中其他途径返回线粒体基 质，从而破坏了内膜两侧的电化学梯度，使ATP的生成受到 抑制，由电化学梯度储存的能量以热能形式释放。
举例:
二硝基苯酚（Dinitrophenol, DNP） 解偶联蛋白（Uncoupling protein ）