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1、第9章 生物氧化 Biological Oxidation,本章主要内容,生物氧化概述 ATP 氧化磷酸化 其他生物氧化系统,1 生物氧化( Biological oxidation),营养物质在动物机体内氧化，生成二氧化碳和水，并有能量释放。这个过程在细胞中进行，宏观上表现为呼吸作用，因此也将生物氧化称为组织氧化或细胞氧化、组织呼吸或细胞呼吸。 不同于有机物质在体外的剧烈燃烧，伴随着大量热能的释放，生物氧化在温和的条件下进行，能量缓慢的释放。,动物机体能量的产生与转移与利用,营养物质经过生物氧化生成二氧化碳和水，在此过程中释放能量。其中一部分以热的形式释放，另一部分被“截获”并储存到ATP分
2、子中（使ADP+Pi ATP, 即磷酸化），可以作为有用功在各种生理活动，如肌肉收缩（机械能）、神经传导（电能）、生物合成（化学能）、分泌吸收（渗透能）中利用。 因此，ATP（三磷酸腺苷）被称为机体中通用的能量货币。,线粒体细胞的动力站,生物氧化过程主要在线粒体的内膜上进行，内膜上分布着 许多的酶和电子传递体，构成两条呼吸链。内膜上结合的 颗粒（内膜粒子，或称基粒、三分体等）具有ATP合酶的 活性，称FoF1ATPase 。,2 ATP （三磷酸腺苷） 2.1 ATP的分子结构和高能磷酸键,ATP等的分子中的焦 磷酸键在水解时或在 转移时，可释放很高 的能量，大于 30.56kJ/moL，称高
3、 能磷酸键。,表 93 各种磷酸化合物的水解自由能,高能磷酸化合物有转移其磷酰基的倾向， 形成较低能量的磷酸脂。ATP是磷酰基的传递体。,2.2 ATP具有较高的磷酸基团转移势,2.3 ATP以偶联反应的方式推动非自发的反应 例如，细胞中合成脂肪酸时有以下反应： 乙酰CoA + CO2 丙二酸单酰CoA G = +18.84kJ/moL，不能自发进行。 乙酰CoA羧化酶（生物素为辅酶）催化以下反应： 1E-生物素 + CO2 + ATP +H2O E-生物素- CO2 + ADP + Pi G = - 17.58 kJ/moL 2. E-生物素- CO2 + 乙酰CoA E-生物素 + 丙二酸
4、单酰CoA G = -1.00 kJ/moL 总反应为： 乙酰CoA + CO2+ ATP +H2O 丙二酸单酰CoA + ADP + Pi G = -18.59kJ/moL,2.4 ATP的生成方式 1. 底物水平的磷酸化（回忆糖的分解代谢） 2. 氧化磷酸化 (oxydative phosphorylation ) 底物脱下的氢（2H 2H+ + 2e）经过呼吸链( respiratory chain) 或电子传递系统( electronic transport system )的传递最后交给氧，并与之结合生成水。在此过程中,氧化释放的部分能量以高能磷酸键的形式储存在ATP分子中 （ADP
5、+Pi ATP），这种氧化过程与磷酸化过程的偶联称为氧化磷酸化 。这是需氧生物合成ATP的主要方式。,不需氧脱氢酶 辅酶Q（CoQ，泛醌） 细胞色素（Cyt） 铁硫复合物（又称铁硫中心，FeS） 细胞色素aa3，即细胞色素c氧化酶 这些成分在呼吸链上以一定的顺序排列传递电子和氢，构成电子传递系统（Electronic Transport System）,3 呼吸链( respiratory chain) 3.1 呼吸链的组成成分,不需氧脱氢酶 底物脱下的氢交给氢或电子的传递体，而氧并不是氢的 直接受体。 举例: 3-磷酸甘油醛脱氢酶（NAD） 异柠檬酸脱氢酶（NAD） NADH-CoQ还原酶（
6、FMN） 琥珀酸-CoQ还原酶（FAD） CoQ-细胞色素c还原酶（铁卟啉辅基）,辅酶Q （泛醌，CoQ）,脂溶性的小分子，通过氧化/还原（醌/酚）两种形式传递氢， 因此是递氢体。,细胞色素（Cytochrome, Cyt ） 细胞色素是一类含血红素的电子传递蛋白，Fe原子处于血红素环中央，借助化学价的变化（Fe+/Fe+）传递电子。 有十几种细胞色素，不同的细胞色素对特定波长的可见光有不同的吸收。 Cyt c和c1的血红素与蛋白部分共价结合。 Cytaa3又称细胞色素c氧化酶,处于呼吸链的末端,既含Fe原子，又有Cu原子，通过铜原子的化合价变化（在+1和+2之间）最终将电子传递给氧。Cyta
7、a3可以被CN-和CO抑制。,细胞色素c 的结构 Cyt c和c1的血红素与蛋白部分共价结合。,Fe-S 复合物 含硫的非血红素铁蛋白，也称铁硫中心，借助Fe化学价的变化（Fe+/Fe+）传递电子。,Fe与4个Cys 的S相连,2FeS，2Fe分别与2S 和4个 Cys 的S相连,4FeS，4Fe分别与4S 和4个 Cys 的S相连,表 91 呼吸链复合体,呼吸链含有4种复合体,3.2 NADH 呼吸链的组成 复合物I（NADH-CoQ 还原酶，含FMN，Fe-S） CoQ（泛醌） 复合物III（CoQ-细胞色素c还原酶，含Cytb562、 Cytb566，Fe-S，Cytc1） Cytc 复
8、合物IV（细胞色素c氧化酶，Cyta,a3，含CuA、 CuB）,3.3 FADH 呼吸链（琥珀酸呼吸链）的组成,复合物II（ 琥珀酸-Q 还原酶，含FAD、Fe-S， Cytb560） CoQ 复合物III（同 NADH 呼吸链） Cytc 复合物IV （同 NADH 呼吸链）,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,电子在呼吸链中的传递方式,(I),(II),(III),(IV),NADH,FMN,（FeS）,CoQ,Cyt b,（FeS）,Cyt c1,Cyt c,O2,FADH,（FeS）,Cyt aa3,NADH 呼吸链,FADH 呼吸链,两条呼吸链总结,琥珀酸,I,II,III,
9、IV,4 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）,4.1 磷氧比（P/O） 当电子在呼吸链传递消耗氧的同时，有无机磷酸（Pi）的消耗。消耗P原子的摩尔数与O原子的摩尔数之比称为P/O比。 研究组织呼吸的实验显示: NADH 呼吸链的P/O为2.5，FADH呼吸链的P/O为1.5。即在NADH呼吸链中，将一对电子传递给O，实现了2.5次的磷酸化反应（ADP + Pi ATP），而在FADH呼吸链只有1.5次. 4.2 ATP的产生 推动ADP磷酸化形成ATP所需的标准自由能大约在-30.56kJ/moL。在NADH 呼吸链上，在NADHCoQ，Cytbc1 和 Cyta
10、a3O2 之间释放的能量足以实现磷酸化。在FADH呼吸链，则在Cytbc1 和 Cytaa3O2 之间。,电子的传递方向和释放的能量可能推动形成ATP的部位,-50.24kJ/moL,-41.87kJ/moL,-100.48kJ/moL,4.3 氧化磷酸化的机制化学渗透学说,- 底物脱下的氢的一对电子通过NADH呼吸链传递给氧原子，期间分别有4、4、2共5对质子从线粒体的基质转移到膜的间隙中。呼吸链发挥了质子泵的作用。 - 结果在线粒体内膜的两侧形成了质子的电化学梯度，积蓄了很大的自由能。 - 当质子顺着电化学梯度通过基粒返回到基质时，有自由能的释放。释放的能量在内膜粒子的ATP合酶（FoF1
11、ATPase）的作用下，通过ADP 的磷酸化生成ATP分子。,胞液侧,基质侧,化学渗透假说详细示意图,化学渗透学说（chemiosmotic hypothesis),内膜粒子、基粒、 FoF1ATPase（ATP合酶），现又称复合体V。 F1有5个亚基，有ATP合酶的活性，Fo有4个亚基，镶嵌在线粒体的内膜上，作为质子通道。,5 解偶联与氧化磷酸化的抑制,5.1 解偶联（uncoupling） 使电子传递与ATP的生成（磷酸化）分离。解偶联剂破坏质子梯度的形成，从而抑制ATP的生成，但不抑制电子的传递，因此电子传递过程中生成的自由能转变为热能。如解偶联剂2，4二硝基苯酚（DNP）。 5.2 氧
12、化磷酸化的抑制 抑制氧的利用，直接干扰ATP的生成。如CN-、N3-和CO 抑制Cyt a3将电子传递给氧，鱼藤酮抑制NADH还原酶将氢传递给CoQ，抗霉素A阻止电子从Cytb传递到c1。,6 NADH从胞液转入线粒体的两种穿梭作用,在肝脏和心肌等组织。,注意：通过该穿梭作用，胞液中的NADH转入到线粒体后 转变为FADH，进入琥珀酸呼吸链氧化。这解释了为什么 一摩尔G经过有氧氧化可能生成30或32摩尔的ATP。,在肌肉组织和大脑,7 非线粒体氧化 （在过氧化物酶体等）,7.1 需氧脱氢酶 催化底物脱下的氢不必通过呼吸链而直接以氧为受体的酶。例如：氨基酸氧化酶，黄嘌呤氧化酶等，它们的辅基通常是黄素核苷酸衍生物（FAD，FMN），因此又称其黄素酶类。产物有过氧化氢生成，后者可以由过氧化氢酶和过氧化物酶作用分解，以消除其毒性。,7.2 过氧化物酶与过氧化氢酶,A 为细胞中的酚类、胺类,7.3 加氧酶 7.4 超氧化物歧化酶（SOD）,例如 单加氧酶催化固醇类激素代谢的反应。,SOD催化超氧离子自由基的歧化反应。,本章结束,