06第六章 生物氧化

(一)氧化磷酸化耦联部位 氧化磷酸化的耦联部位可通过以下实验方法来确定：
1. 测定不同作用物经呼吸链氧化的P/O比值
2. 计算自由能变化
P/O比值的定义
指每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷酸的 摩尔数（或ADP摩尔数），即生成ATP的摩尔数。
线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值
底物 β-羟丁酸 琥珀酸 抗坏血酸 Cytc(Fe2+) 呼吸链的组成 P/O比值 生成ATP数 3 2 1 1
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是将NADH脱下的氢传递给泛醌。
4、线粒体呼吸链的组成
NADH-Q还原酶
Complex I 结构示意图
2. 复合体Ⅱ（琥珀酸-UQ还原酶） 复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递给Q还原酶
（一）呼吸链递氢体和递电子体的组成 1. 尼克酰胺核甘酸 尼克酰胺腺嘌呤的二核甘酸（NAD+） 尼克酰胺腺嘌呤二核甘酸磷酸（NADP+）
H CONH 2 + N R + + NAD + NADP （氧化型） +H+H + +e N R
H CONH 2 + H +
NADH或NADPH （还原型）
2. 黄素蛋白（flavoprotein, FP）
体内氧化和体外氧化之不同点 • 生物氧化是在细胞内温和的的环境中（37℃、 pH近中性），由一系列酶催化而逐步进行的过程。 • 生物氧化中生成的水是由脱氢与氧结合产生的， 体内CO2来自有机酸脱羧反应。 • 体外氧化（燃烧）产生的CO2和H2O是由物质中的 碳和氢直接与氧结合生成，能量时突然释放的。
二 、氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 定义 呼吸链电子传递过程中耦联ADP磷酸化， 生成ATP, 又称耦联磷酸化。
底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 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. α-磷酸甘油穿梭作用
2. 苹果酸一天冬氨酸穿梭
第二节 其他氧化酶体系
The Other Oxidation Enzyme
Systems
一 、过氧化物酶体中的酶类
1. 过氧化氢酶 - 触酶 催化反应如下：
2H2O2 → 2H2O + O2
过氧化氢酶存在于细胞的过氧化物酶体中， 可将细胞产生过多的H2O2 清除。
四、胞液中NADH的氧化 胞液中产生的NADH不能透过线粒体内膜， 必须经过某种转运机制才能进入线粒体，然后 再经呼吸链进行氧化磷酸化过程。
转运机制:α-磷酸甘油穿梭 （α-glycerophosphate shuttle） 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)。
肌酸
磷酸肌酸
肌肉和大脑组织中富含肌酸, 受肌酸激酶催化ATP的 ~P转移给肌酸生成磷酸肌酸(creatine phosphate,CP)。 磷酸肌酸中的~P又可转移给ADP重新生成ATP, 对心肌 组织梗死时立即补充ATP的保护作用有一定意义。
生物体能量的产生、储存和利用都以ATP为中心
ATP的生成和利用
• 生物氧化时能量逐步释放，有利于捕获能量， 提高ATP生成的效率。体外氧化时能量是突然释放的。
第一节 生成ATP的氧化体系
The Oxidation System of ATP Producing
线粒体生物氧化体系 1、线粒体的结构
双层膜 外膜光滑 内膜成嵴，伸向基 质 内外膜：膜间腔
2、线粒体的功能特点 外膜：通透性（小分子、离子）
电子经呼吸链传递时，可将质子（H+） 从线粒体内膜的基质侧泵到胞浆侧，造成膜内、 外质子电化学梯度，以此储存能量。 当质子 顺梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。
化学渗透学说
2. ATP合酶(ATP Synthase)
ATP合酶由疏水的F0 （a1b2c9-12亚基）部分 亲水的F1 （α3β3γδε亚基）部分组成。 F1功能是催化ATP生成，β亚基为催化亚基， 但β亚基只有与α亚基结合才有催化活性。
第六章 生物氧化 Biological Oxidation
生物氧化的概念 物质在体内进行氧化成称生物氧化。主要指 糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量， 最终生成二氧化碳和水的过程。
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、脱氢及 失去电子，遵循氧化还原反应的一般规律。 •同一物质在体内外氧化时耗氧、终产物（CO2、 H2O）和释放能量均相同。
3. 复合体Ⅲ （UQ-Cyt还原酶）
复合体Ⅲ将电子从泛醌传递给细胞色素c。
Complex Ⅲ结构示意图
细胞色素还原酶
4．复合体Ⅳ （细胞色素氧化酶） 复合体Ⅳ将电子从细胞色素c传递给氧。
Complex Ⅳ结构示意图
细胞色素氧化酶
各复合物之间的相互关系
（三）呼吸链组分的排列顺序 呼吸链组分的排列顺序可通过下列实验确定：
1. 标准氧化还原电位 2. 各组分特有的吸光谱的不同进行检测 3. 特异的抑制剂 4. 拆离或重组各复合体
呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位
主要的呼吸链
1. NADH氧化呼吸链 NADH→复合体Ⅰ→ Q →复合体Ⅲ→ Cyt c → 复合体Ⅳ → O2 2. 琥珀酸氧化呼吸链
琥珀酸→复合体Ⅱ→ Q →复合体Ⅲ→ Cyt c → 复合体Ⅳ → O2
区段 NAD~ CoQ CoQ~Cyt c Cytaa3~ O2 电位变化 0.36V 0.21V 0.53V 自由能变化 69.5kJ/mol 40.5kJ/mol 102.3kJ/mol 能否生成ATP 能 能 能
(二)氧化磷酸化耦联机制
1. 化学渗透假说 (chemiosmotic hypothesis)
辅基有黄素单核甘酸（FMN） 黄素腺嘌呤二核甘酸（FAD） 两者均含维生素B2
其发挥功能的结构是异咯嗪环。
FAD (FMN)
FADH (FMNH)
FADH2 (FMNH2)
3. 铁硫蛋白 （iron-sulfur protein） 以铁硫簇（iron-sulfur cluster, Fe-S） 为辅基。 Fe-S含有等量的铁原子和硫原子（Fe2S2， Fe4S4），通过其中的铁原子与铁硫蛋白中蛋白 部分的半胱氨酸残基的硫相连接。
• 高能磷酸键 水解时释放大于21kJ/mol的磷酸酯键， 常用“~P”号表示。
• 高能化合物 含有高能磷酸键的化合物
几种常见的高能化合物
UTP CTP GTP中的高能磷酸键不能从 物质氧化中直接产生, 而是在核苷二磷酸激酶 的催化下, 从ATP中转移~P而生成。
NAD + ATP NTP + ADP
NAD+ →FMN→UQ→Cyt 2.4 - 2.8 →O2
FMN→UQ→Cyt→ 1.7 O2 Cyt c→Cyt aa3→O2 Cyt aa3→O2 0.88 0.61-0.68
计算自由能变化 自由能变化（△G0' ）与电位变化（△E’） 之间存在以下关系： △G0'=-nF△E'
电子传递自由能变化
5. 细胞色素体系 细胞色素（cytochrome, Cyt） 是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的 酶类，铁卟啉中的铁原子可传递电子。 细胞色素具有特殊的吸收光谱而呈现颜色。 根据其吸收光谱的不同，分为细胞色素a、b、c (Cyt a、Cyt b、Cyt c) 三类，每类又因其最大 吸收峰的差别在分为几种亚类。
基质：氧化分解有关的酶
内膜：选择性、电子传递链（呼吸链）
ATP合成酶，合成ATP，线粒体供能作用
一、呼吸链（respiratory chain）
定义
代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶 和辅酶所组成的电子传递连锁反应的逐步传递， 最终与氧结合生成水。
组成
递氢体和电子传递体（2H↔ 2H+ + 2e）
二、微粒体氧化酶类
1. 加单氧酶 催化一个氧原子加到底物分子上(羟化)， 另一个氧原子被氢(NADPH+H+)还原形成水。
催化的反应：
RH+NADPH+H+ +O2 → ROH+NADP++H2O
加单氧酶反应
2. 加双氧酶 催化氧分子中2个氧原子加到作用物中特定 双键的2个碳原子上。 例如：
CH2 N H CH COOH NH2 O2 O C CH2 CHCOOH NH NH CHO 2
细胞色素a 辅基
细胞色素b 辅基
细胞色素 c 辅基
（二）呼吸链的组成
四种具有传递电子功能的酶复合体（complex）
人线粒体呼吸链复合体
复合体 复合体 复合体 复合体 复合体 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 酶名称 NADH-泛醌还原酶 琥珀酸-泛醌还原酶 泛醌-细胞色素C氧化酶 细胞色素C氧化酶 多肽链数 39 4 10 13 辅基 FMN,Fe-S FAD,Fe-S 铁卟啉，Fe-S 铁卟啉, Cu
谢 谢！！
铁硫蛋白（Fe4-S4） (S表示无机硫；Pr表示蛋白质; Cys表示半胱氨酸)
4. 泛醌 （ubiquinone，UQ或Q） 泛醌又称辅酶Q（Coenzyme Q, CoQ）, 是一种脂溶性醌类化合物，有多个异戊二稀相互 联结的侧链，因侧链的疏水作用，它能在线粒体 内膜中迅速扩散，实际为线粒体内膜膜脂成分。
ATP合酶结构模式图
(三)影响氧化磷酸化的因素 1. ADP ADP 2. 甲状腺激素 3. 抑制剂 (1) 电子传递抑制剂 特异部位阻断呼吸链的电子传递 (2) 氧化磷酸化抑制剂 抑制电子传递和ADP磷酸化 (3) 解耦联剂 (uncoupler) 使氧化与磷酸化耦联脱离