06第六章 生物氧化
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
递氢体和电子传递体（2H↔ 2H+ + 2e）
（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 +
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）
人线粒体呼吸连复合体
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
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。
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泛醌。
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。
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。
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。
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)
谢 谢！！
(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
• 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
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。
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。
（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
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。
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。
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
电子传递链与抑制剂
三、 ATP与能量代谢 高能磷酸键与高能化合物
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。
琥珀酸→复合体Ⅱ→ Q →复合体Ⅲ→ Cyt c → 复合体Ⅳ → O2
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。
NADH或NADPH （还原型）
2. 黄素蛋白（flavoprotein, FP）
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。
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
• 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
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。
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：
CH 2 N H CH COOH NH 2 O2 O C CH 2 CHCOOH NH NH 2 CHO
（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 +
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）
人线粒体呼吸连复合体
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
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。
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泛醌。
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。
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。
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。
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)
谢 谢！！
(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
• 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
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。
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。
（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
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。
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。
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
电子传递链与抑制剂
三、 ATP与能量代谢 高能磷酸键与高能化合物
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。
琥珀酸→复合体Ⅱ→ Q →复合体Ⅲ→ Cyt c → 复合体Ⅳ → O2
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。
NADH或NADPH （还原型）
2. 黄素蛋白（flavoprotein, FP）
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。
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
• 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
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。
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：
CH 2 N H CH COOH NH 2 O2 O C CH 2 CHCOOH NH NH 2 CHO