刘老师第八章生物氧化.ppt

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1、第二篇 生命物质的 化学变化 第八章 生物氧化 l 第一节 生物氧化的方式、特点和酶类 l 第二节 线粒体氧化体系 l 第三节 非线粒体氧化体系 l 第四节 生物氧化中能量的转移和利用 生物氧化概念： 有机物在生物体内的氧化包括物质 分解和产能 呼吸作用 O2 CO2 + H2O 细胞呼吸（微生物） 第一节 生物氧化的方式、特点 和酶类 l生物氧化中CO2生成的方式 l生物氧化中物质氧化的方式 l生物氧化的特点 l参与生物氧化的酶类 一、生物氧化中CO2生成的方式脱羧作用 氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直 接从分子中脱去羧基。接从分子中脱去羧

2、基。 1、 直接脱羧作用直接脱羧作用 -脱羧 -脱羧 氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧 化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧 化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧 -脱羧 -脱羧 2、 氧化脱羧作用 二、生物氧化中物质氧化的方式 生物氧化的本质是电子的得失，失电子者为还原生物氧化的本质是电子的得失，失电子者为还原 剂，是电子供体，得电子者为氧化剂，是电子受体剂，是电子供体，得电子者为氧化剂，是电子受体： 1、脱电子反应：如 Fe2+Fe3+e 而电子不能单独存

3、在于生物体内，有物 质失去电子，就有物质得到电子： A2+ B2+ B3+ A3+ 其中： A为电子供体， B为电子受体。 如：TCA 3: 异 柠檬酸 草酰琥珀酸 NAD+ NADH+H+ FAD FADH2 琥珀酸延胡索酸TCA7: 2、脱氢反应：最主要的生物氧化方式 O2 1 2 + OH 3、加氧反应： 酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类 。 4、加水脱氢： 三、生物氧化的特点 l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，中性pH和 常温）。 l氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应 的发生。 l水是许多生物氧化反应的氧供体。

4、通过加 水脱氢作用直接参予了氧化反应。 l在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非 同步进行的。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。 l生物氧化是一个分步进行的过程。每一步 都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都 可以分离出来。这种逐步进行的反应模式 有利于在温和的条件下释放能量，提高能 量利用率。 l生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相 偶联，转换成生物体能够直接利用的生物 能ATP。 四、参与生物氧化的酶类 （一）、脱氢酶 1、以黃素核苷酸为辅基 1）、需氧黃酶 2）、不需氧黃酶 2、以烟酰胺核苷酸为辅酶 （二）、氧化酶 （三）、加氧酶 （四）、传

5、递体 第二节 线粒体氧化体系 l呼吸链是代谢物上的氢原子被脱氢酶激活 脱落后，经过一系列的传递体，最后传递 给被激活的氧原子，而生成水的全部体系 。 l在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上 ，原核生物中，它位于细胞膜上。 一、一、呼吸链呼吸链（respiratory chainrespiratory chain） 的概念：的概念： 线粒体呼吸链 二、二、呼吸链呼吸链的组成成分：的组成成分： (1) 以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶 (2) 黄素酶 (3) 铁硫蛋白 (4) 辅酶Q (5) 细胞色素 呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。 NAD+ 和NADP+的结构 NAD+：R=H

6、NADP+：R=PO32- (尼克酰胺核苷酸类 ) 功能：将底物上的氢 激活并脱下。 辅酶：NAD+或NADP+ OR (1) 以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶 尼克酰胺核苷酸的作用原理： + H + e + H+ + H+ 2H H H e H+ H NAD(P)+ NAD(P)H+H+ +2H -2H (2) 黄素酶 v以 FMN 或 FAD 为辅基 v FMN通过氧化还原变化可接收NADH+H+的 氢以及电子。 FMN FMNH2 铁硫聚簇（Fe-S中心）主要以 (Fe- 0S ) (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在，铁硫聚簇 与蛋白质结合称为铁硫蛋白。 (3)铁硫蛋白

7、 v 铁硫聚簇通过Fe3+ Fe2+ 变化，将氢 从FMNH2上脱下传给CoQ，同时起传递电子的 作用，每次传递一个电子. Cys Cys S S S S S S Cys Cys FeFe3+ 3+ FeFe3+ 3+ Cys Cys S S S S S S CysCys Cys Cys S S S S S S Cys Cys FeFe3+ 3+ FeFe2+ 2+ Cys Cys S S S S S S CysCys +e- (4)辅酶Q (CoQ、泛醌) 是电子传递链中是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体唯一的非蛋白电子载体。 l 化学本质脂溶性醌类化合物 功能功能氢传递体氢传递体 CoQ

8、+ 2H CoQHCoQ + 2H CoQH 2 2 氧化态还原态 （5）细胞色素（cytochrome,Cyt ） v 是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质 （有颜色），高等动物线粒体呼吸链中主要 含有5种细胞色素a、a3、 b、 c 、c1等，细 胞色素b、c1 、 c的辅基都是铁-原朴啉， 细胞色素a、a3的辅基为血红素A。 v 细胞色素主要是通过辅基中Fe3+ 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。 三、呼吸链中各组分的排列顺序 1 1、NADHNADH呼吸链（人和动物细胞中主要的呼呼吸链（人和动物细胞中主要的呼 吸链，因为有机营养物质在氧化过程中大吸链，因为

9、有机营养物质在氧化过程中大 多数脱氢酶以多数脱氢酶以NADNAD + + 为辅酶）为辅酶） 2 2、FADHFADH 2 2 呼吸链（又称为琥珀酸呼吸链，呼吸链（又称为琥珀酸呼吸链， 因为因为FADHFADH 2 2 是由琥珀酸脱下的氢与是由琥珀酸脱下的氢与FADFAD结合结合 生成的）生成的） l微粒体氧化体系（加氧体系） l过氧化体氧化体系 l植物细胞中的生物氧化体系 线粒体氧化体系是高等动、植物的主要氧化 途径。此外还有一类与能量的储存与利用无关 ，但具有其他重要生理功能的非线粒体氧化体 系。 第三节 非线粒体氧化体系 一、微粒体氧化体系 在微粒体中存在一类加氧酶，这类酶所 催化的氧化反

10、应是将氧直接加到底物的分子 上。 双加氧酶 单加氧酶 单加氧酶催化的反应可表示如下： RH+NADPH+H+O2ROH+NADP+H2 O 单加氧酶系与ATP的生成无关，但也具有 多种功能，诸如肾上腺皮质类固醇的羟化、类 固醇激素的合成、维生素D3的羟化以及胆酸生 成中环核的羧化等反应都与其有关；不饱和脂 肪酸生成中双键的引人；药物、致癌物和毒物 的氧化解毒等也都需要有单加氧酶催化的羟化 反应， 二、过氧化物酶体氧化体系 过氧化物酶体中含有多种催化生成过氧 化氢的酶，同时含有分解过氧化氢的酶，能 氧化多种底物。 过氧化氢及超氧离子的生成及毒性 生物氧化过程中如果电子供给不足则生 成过氧化基团或

11、超氧离子，前者可与H+结合 形成过氧化氢 。 活性氧积累过多可使细胞膜脂质氧化， 膜脂结构改变，膜上的一些酶失活；可氧化 蛋白质的巯基改变蛋白质功能；可使DNA氧化 甚至断裂；射线及射线的致癌作用也与 它们促进活性氧的生成有关；另外，组织老 化也与活性氧的产生密切相关。 过氧化氢及超氧离子的清除 l过氧化氢清除 ： 超氧离子的清除： 超氧化物歧化酶（SOD）是一类含金属的酶 ，按所含金属不同分为：Cu、Zn-SOD、Mn-SOD和 Fe-SOD，它们广泛地存在于各种组织，能催化超 氧离子的歧化反应，因此是人体防御内、外环境 中超氧离子对人体侵害的重要的酶。体内SOD活 性下降或含量减少，会引起

12、超氧离子的堆积从而 引起许多疾病。 三、植物细胞中的生物氧化体系 l多酚氧化酶体系 l抗坏血酸氧化酶体系 l乙醇酸氧化酶体系 l生化反应中的自由能及自由能变 化 l氧化还原电位与自由能变化 l线粒体膜结构的特点 l高能磷酸键的生成机制 l氧化磷酸化的机制 l线粒体外的氧化磷酸化 l高能磷酸键的储存和转移利用 l氧化磷酸化解偶联作用和抑制作 用 第四节 生物氧化过程中能量的转移和利用 自由能变化(G）: G = H - TS A B G = GB - GA 自由能（G）: 指在一个体系的总能量中，在恒温 恒压条件下能够做功的那一部分能量 。 G是衡量过程自发性的标准： G0，吸能，过程不可自发进

13、行，须供给能量才能进行 ； G =0, 过程处平衡状态。 （一）自由能及自有能变化的概念: 化学反应: aA+bB cC+dD 1) 当反应处平衡状态时， G=0 则： 无论各个G数值大小如何，该链式反应可以自发进行 。 2)当 AB C D 若 ： G= GAB+ GBC+ GCD0 （二）自由能变化与反应平衡常数的关系：（二）自由能变化与反应平衡常数的关系： 二、氧化还原电位与自由能变化 l在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互 偶联的。一个化合物（还原剂）失去电子 ，必然伴随另一个化合物(氧化剂）接受 电子。 l在线粒体呼吸链中，推动电子从NADH传 递到O2的力，是由于NAD+ / NA

14、DH + H+ 和1/2 O2 / H2O两个半反应之间存在很大 的电势差。 (a) O2 + 2 H+ + 2 e- H2O E0 = +0.82 V (b) NAD+ + H+ + 2 e- NADH E0 = -0.32 V 将 (a) 减去 (b)，即得 (c) 式： (c) O2 + NADH + 2H+ H2O + NAD+ E0 = 0.82 (-0.32) = +1.14 V G = -nF E0 = -2 96500 1.14 = -220 kJ / mol 关于还原电位E E 0 0 l氧化剂/还原 剂半反应标准 还原电位 lE0越正，氧 化剂氧化能力 越强 lE0越负，还

15、 原剂还原能力 越强 l可判断电子传 递方向 氧 化 还 原 电 势 与 呼 吸 链 电 子 传 递 方 向 E0越小，越易失去电子，处于呼吸链的前 面，反之，E0越大，越易得到电子，处于呼 吸链的后面。 当电子从E0 值小的物质传到E0值大的物 质时，伴随着自由能的降低，即有热量放出: G0= nFE0 = nF （E0受体 E0 供体） 其中：n 是转移的电子数，F 是法拉第常数。 呼吸链中电子传递方向是从E0值小向大的 方向传递: 三、线粒体膜结构的特点 外膜 基质 嵴 膜间腔 内膜 在生物氧化及 能量转换中起 关键作用 线粒体是生物氧化的发生场所 线粒体内膜上的呼吸链中的4个复合物 N

16、ADH-Q氧还酶 琥珀酸-Q氧还酶 QH2-Cyt.c氧还酶 Cyt.c氧化酶 ATPATP酶复合体：线粒酶复合体：线粒 体内膜表面规则间格体内膜表面规则间格 排列着的球状颗粒。排列着的球状颗粒。 ATPATP合成的场所。合成的场所。 由由F1F1和和FoFo两部分组成两部分组成 F1:F1: 催化催化ATPATP合成合成 3 3 +3+3 +1+1 +1+1 +1 +1 Fo: Fo: 质子通道质子通道 a + b2 + c10a + b2 + c10 ATP酶复合体 四、高能磷酸键的生成机制 l（一）、氧化磷酸化作用 1、呼吸链磷酸化 2、底物磷酸化 l（二）、非氧化性磷酸化 l生物氧化的

17、释能反应与ADP的磷酰化反应偶 联合成ATP的过程，称为氧化磷酸化。 （一）、氧化磷酸化 oxidatire phosphorylation 1) 呼吸链磷酸化呼吸链磷酸化（电子传递体磷酸化 ） 2) 底物水平磷酸化 氧化磷酸化方式(即ATP的生成方式）： 1) 呼吸链磷酸化呼吸链磷酸化 ：电子从NADH或FADH2经过 呼吸链呼吸链传递给氧形成水， 同时伴有ADP磷酸化为ATP 。 NADHFMNCoQbc1caa3O2 PPP 3ADP3ATP P/O比值：在电子传递体系磷酸化中，在一定时间 内所消耗的氧（以克原子计）与所产生的ATP数目 的比值。 NADH的P/O=3FADH2的P/O=

18、2 l根据氧原电势与自由能变化关系式，计算出 在NADH氧化过程中，有三个反应的G -31 kJ / mol: FMNH2 Q G = -55.6kJ/mol cyt. b cyt. c1 G = -34.7 kJ/mol cyt. a a3 O2 G = -102.1kJ/mol l这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联， 产生3个ATP。这些反应称为呼吸链的偶联 部位。 l从琥珀酸 O2只产生2个ATP. ATP ATP ATP 由底物分子因脱氢或脱水而使分子 内部能量分配产生的高能磷酸键（或高 能硫酯键），在激酶作用下将高能键上 的键能直接转移给ADP（或 GDP）而生成 ATP（或 G

19、TP）的反应，称为底物水平磷 酸化。 X + ADP ATP + X P 2) 底物水平磷酸化 糖酵解过程的底物磷酸化: 磷酸甘油酸激酶 3-磷酸甘油酸 这是糖酵解 中第一次 底物水平 磷酸化反应 ADP ATP 1,3-二磷酸甘油酸 (1,3-DPG) OPO 3 2- （二）、非氧化性磷酸化 l其高能磷酸键通过非氧化性而生成 。既不脱氢也没有氧参加。 氧化与磷酸化作用如何耦联 尚不够清楚，目前主要有三个学 说： l化学偶联学说、结构偶联学说与 化学渗透学说。 五、氧化磷酸化的机制五、氧化磷酸化的机制 化学渗透学说 氧化磷酸化作用的关键因素是质子（H+ ）梯度和完整的线粒体内膜。 化学偶联学

20、说 形成高能中间产物，促使ATP生成。 结构偶联学说 Ared + Box 2e A*ox +Bred A*ox + ADP +Pi Aox + ATP 因提出氧 化磷酸化偶 联机制：化 学渗透学说 而在1978年 获诺贝尔化 学奖的Peter D Mitchell MH2 M NAD+ 2H+ FeS 2e 2H+ FMN 2H+ Cytb 2H+ 2e CoQ 2H+ Cytc1 CytcCytaa3 2e O2 O2- X- + IO- XH IOH H2O XIXI XI 头部 ATP合酶 ADP +Pi ATP 2H+ X- +IO- H2O 化学渗透假化学渗透假 说说 Chemio

21、sm otic model 设A、B为呼吸链邻近的两个电子传递体 AH2 + B + I AI + BH2 （可进行下 一轮传递） AI + X XI + A XI +Pi XP +I XP + ADP ATP + X 六、线粒体外的氧化磷酸化 “穿梭机制 ” NAD+NADH + H+ -磷酸甘油 磷酸二羟丙酮 -磷酸甘油磷酸二羟丙酮 FADH2FAD 胞液 线粒体 内膜 胞液中-磷酸甘油脱氢酶(辅酶为NAD+) CoQ b c1 c aa3 O2 线粒体内-磷酸甘油脱氢酶(辅基为FAD) 某些肌肉、神经组织 （一）-磷酸甘油穿梭 存在部位：肝脏、心肌组织 内膜 谷氨 酸 -酮 戊二酸 草酰

22、 乙酸 天冬 氨酸 苹果酸NAD+ NADH +H+ 呼吸链 苹果酸 谷氨 酸 草酰 乙酸 NAD+ NADH +H+ -酮 戊二酸 天冬 氨酸 胞液 线粒体 苹果酸脱氢酶 天冬氨酸氨基转移酶 （二）苹果酸-天冬氨酸穿梭 两种穿梭系统的比较 -磷酸甘油穿梭苹果酸-天冬氨酸穿梭 穿梭物质 -磷酸甘油 磷酸二羟丙酮 苹果酸、 谷氨酸 天冬氨酸、-酮戊二酸 进入线粒 体后转变 成的物质 FADH2NADH+ H+ 进入呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链 NADH 氧化呼吸链 生成ATP数3 存在组织某些肌肉、神经组织肝脏和心肌组织 相同点 将胞浆中NADH的还原当量转送到线粒体内 2 七、高能磷酸键的储存和转

23、移 利用 以以 ATPATP 为中心为中心 磷酸肌酸 磷酸精氨酸 43.0 kJ/mol 32.2 kJ/mol 这两种高能化 合物在生物体 内起储存能量 的作用。 l抑制剂 电子传递链 抑制ATP合成 l解偶联剂 （uncouplers） 2,4-二硝基苯酚（2,4-dinitrophenol DNP） 八、氧化磷酸化解偶联作用和抑制作用八、氧化磷酸化解偶联作用和抑制作用 抑制电子传递：抑制电子传递： MH2NADH -0.32 FMN -0.30 CoQ +0.10 b +0.07 c1 +0.22 c +0.25 aa3 +0.29 O2 +0.816 FAD -0.18 鱼藤酮 阿米妥 抑制剂： 抗霉素A 氰化物，CO ， 叠氮化合物 解偶联剂: 能够使氧化过程与磷酸化过程脱节的物 质称解偶联剂，它对电子传递没有抑制作用 ，但能抑制ADP磷酸化生成ATP的过程。 作用：使氧化过程与磷酸化过程脱节 举例：2，4-二硝基苯酚、三氟甲氧苯腙羰 基氰化物