第四章生物氧化PPT课件.ppt

Chapter 4 Biological Oxidation第四章 生 物 氧 化 物物质质在在生生物物体体内内氧氧化化分分解解并并释释放放出出能能量量的的过过程程称为称为生物氧化生物氧化(biological oxidation)What’s biological oxidation?有机物有机物 + O2CO2 + H2O + 能量能量生物体内的生物氧化过程与体外燃烧不同的是：生物体内的生物氧化过程与体外燃烧不同的是：Ø在在37℃，，近近于于中中性性的的含含水水环环境境中中，，由由酶酶催催化化进行；进行；Ø反反应应逐逐步步释释放放出出能能量量，，相相当当一一部部分分能能量量以以高高能磷酸酯键能磷酸酯键的形式储存起来的形式储存起来糖原糖原 甘油三酯甘油三酯 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼呼吸吸链链 H H2 2O O ADP+Pi ATP COCO2 2 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程2H 2H TAC TAC Section 1 The Oxidation System of Producing ATP 第一节 生成ATP的氧化体系 粒体中，由若干粒体中，由若干递氢体递氢体或或递电子体递电子体按一定按一定顺序排列组成的，与细胞呼吸过程有关的顺序排列组成的，与细胞呼吸过程有关的链式链式反应体系反应体系称为称为呼吸链呼吸链(respiratory chain)。

一、线粒体氧化呼吸链What’s respiratory chain? 构成呼吸链的构成呼吸链的递氢递氢体体或或递电子体递电子体通常以通常以复合体的形式存在于复合体的形式存在于线粒体内膜线粒体内膜上（一）呼吸链的组成（一）呼吸链的组成1 1．复合体．复合体ⅠⅠ（（NADH-NADH-泛醌还原酶）：泛醌还原酶）：NADH还原酶还原酶 + 4×(Fe-S)FMN; Fe-SN-1a/b; Fe-SN-2; Fe-SN-3; Fe-SN-4 NADH→→CoQNADH还原酶还原酶NADH还原酶还原酶催化（催化（NADH+H+）的脱氢反应，）的脱氢反应，从而将从而将2H传递给其辅基传递给其辅基FMN，生成，生成FMNH2铁硫蛋白铁硫蛋白铁硫蛋白铁硫蛋白(Fe-S)共有共有9种种同工蛋白；分子中含有同工蛋白；分子中含有由半胱氨酸残基硫原子由半胱氨酸残基硫原子及无机硫原子与铁离子及无机硫原子与铁离子形成的形成的铁硫中心铁硫中心(铁硫簇铁硫簇)，一次可传递一个电子，一次可传递一个电子至至CoQ铁硫中心的结构铁硫中心的结构S SS S无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫泛醌（泛醌（CoQ）） 泛醌泛醌（辅酶（辅酶Q, CoQ, Q）是游离存在于线粒体）是游离存在于线粒体内膜中的脂溶性有机化合物，由多个异戊二烯连内膜中的脂溶性有机化合物，由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原），氧化还原反应时可在醌型与氢醌型之间相互转变。

反应时可在醌型与氢醌型之间相互转变2 2．复合体．复合体ⅡⅡ（琥珀酸（琥珀酸- -泛醌还原酶）：泛醌还原酶）： 琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶+3×(Fe-S)+Cyt b560FAD;Fe-S1; b560; Fe-S2 ; Fe-S3 琥珀酸琥珀酸→→CoQ这是一类以这是一类以铁卟啉铁卟啉为辅基的酶在生物氧化反应为辅基的酶在生物氧化反应中，其铁离子可为中，其铁离子可为+2价亚铁离子，也可为价亚铁离子，也可为+3价价高铁离子，通过这种转变而传递电子细胞色素高铁离子，通过这种转变而传递电子细胞色素为为单电子传递体单电子传递体细胞色素根据其细胞色素根据其铁卟啉铁卟啉辅基的结构以及吸收光谱辅基的结构以及吸收光谱的不同而分类的不同而分类细胞色素类细胞色素类铁卟啉辅基的分子结构铁卟啉辅基的分子结构细胞色素可存在于细胞色素可存在于线粒体内膜线粒体内膜，也可存在于，也可存在于微微粒体粒体存在于线粒体内膜的细胞色素有存在于线粒体内膜的细胞色素有Cyt aa3，，Cyt b（（b560，，b562，，b566）），，Cyt c，，Cyt c1；；存在于微粒体的细胞色素有存在于微粒体的细胞色素有Cyt P450和和Cyt b5。

细胞色素细胞色素b b的分子结构的分子结构细胞色素细胞色素c c的分子结构的分子结构3 3．复合体．复合体ⅢⅢ（泛醌（泛醌- -细胞色素细胞色素c c还原酶）：还原酶）：2×Cyt b + Cyt c1 +(Fe-S)b562; b566; Fe-S; c1QH2→ →Cyt c Cyt a + Cyt a3 4 4．复合体．复合体ⅣⅣ（细胞色素（细胞色素c c氧化酶）：氧化酶）：CuA→a→a3→→CuB 还原型还原型Cyt c →→ O2（二）呼吸链组分的排列顺序（二）呼吸链组分的排列顺序 通过四个方面的通过四个方面的通过四个方面的通过四个方面的实验可确定呼吸链各组分的实验可确定呼吸链各组分的排列顺序：排列顺序： ①① 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 ②② 拆开和重组拆开和重组 ③③ 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 ④④ 还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧氧化呼吸链的组成氧化呼吸链的组成⑴⑴ NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH →复合体复合体ⅠⅠ→Q →复合体复合体ⅢⅢ→Cyt c →复复合体合体ⅣⅣ→O2⑵⑵ 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 →复合体复合体ⅡⅡ →Q →复合体复合体ⅢⅢ→Cyt c →复复合体合体ⅣⅣ→O2胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 氧化呼吸链的排列顺序氧化呼吸链的排列顺序Q 1/2O2+2H+ H2O ⅢⅠⅠ Ⅱ ⅣⅣ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 e-Cytc e-e-e-e-NADH+H+ NAD+  1 1．．NADHNADH氧化呼吸链：氧化呼吸链：NAD+→[ FMN (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3 丙酮酸丙酮酸  -酮戊二酸酮戊二酸 硫辛酸硫辛酸 FAD 1/2O2 H2O 异柠檬酸异柠檬酸苹果酸苹果酸谷氨酸谷氨酸  -羟丁酸羟丁酸  -羟脂酰羟脂酰CoA 2e 2H 2H+ 2. 2. 琥珀酸氧化呼吸链：琥珀酸氧化呼吸链：琥珀酸琥珀酸→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2FAD(Fe-S) Cytb -磷酸甘油磷酸甘油脂肪酰脂肪酰CoA[FAD(FP)]H2O 2e 2H+ 两条电子传递链的关系两条电子传递链的关系二、氧化磷酸化 1. 1. 底物水平磷酸化：底物水平磷酸化：直接将底物分子中的高能键转变为直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子中分子中的末端高能磷酸键的过程称为的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)。

（一）生物体内（一）生物体内ATPATP的生成方式的生成方式底物水平磷酸化见于下列三个反应：底物水平磷酸化见于下列三个反应：1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸+ATP3-磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶 ⑴⑴⑴⑴ ⑵⑵⑵⑵丙酮酸激酶丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸丙酮酸+ATP⑶⑶⑶⑶琥珀酰琥珀酰CoA合成酶合成酶琥珀酰琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸琥珀酸+CoA+GTP2. 2. 氧化磷酸化：氧化磷酸化：粒体中，底物分子脱下的氢原子经递氢体粒体中，底物分子脱下的氢原子经递氢体系传递给氧，在此过程中释放能量使系传递给氧，在此过程中释放能量使ADP磷酸磷酸化生成化生成ATP，这种能量的生成方式就称为，这种能量的生成方式就称为氧化氧化磷酸化磷酸化(oxidative phosphorylation)（二）氧化磷酸化的偶联部位（二）氧化磷酸化的偶联部位1. P/O1. P/O比值：比值：通过测定在氧化磷酸化过程中，氧的消耗与无通过测定在氧化磷酸化过程中，氧的消耗与无机磷酸消耗之间的机磷酸消耗之间的比例比例关系，可以反映底物脱关系，可以反映底物脱氢氧化与氢氧化与ATP生成之间的比例关系。

生成之间的比例关系 每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷原子的摩每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷原子的摩尔数称为尔数称为P/O比值比值 线粒体离体实验测得的一些底物的线粒体离体实验测得的一些底物的P/OP/O比值比值合成合成1molATP时，需要提供的能量至少为时，需要提供的能量至少为ΔG0‘=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差，相当于氧化还原电位差ΔE0’=0.2V因此，在因此，在NADH氧化呼吸链氧化呼吸链中有中有三三处可以生成处可以生成ATP，而在，而在琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链中，只有中，只有两两处可处可以生成以生成ATP2. 2. 自由能变化与自由能变化与ATPATP的生成部位：的生成部位：氧化磷酸化的偶联部位氧化磷酸化的偶联部位（三）氧化磷酸化的偶联机制（三）氧化磷酸化的偶联机制1. 1. 化学渗透假说：化学渗透假说：目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年由年由Peter Mitchell提出的提出的化学渗透学说化学渗透学说(chemios-motic hypothesis)化学渗透假说的基本要点化学渗透假说的基本要点该学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，该学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜跨膜pH梯度梯度和和跨膜电位差跨膜电位差。

当质子顺浓度梯度回流时，这种形式的当质子顺浓度梯度回流时，这种形式的“势能势能”可以被存在于线粒体内膜上的可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶合酶利用，利用，生成高能磷酸基团，并与生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成结合而合成ATP质子梯度的形成质子梯度的形成ATP的合成的合成当当质质子子从从膜膜间间腔腔返返回回基基质质中中时时，，这这种种“势势能能”可可被被位位于于线线粒粒体体内内膜膜上上的的ATP合合酶酶利利用以合成用以合成ATP 嵌于线粒体内膜上，其嵌于线粒体内膜上，其头部呈颗粒状，突出于头部呈颗粒状，突出于线粒体内膜的基质侧线粒体内膜的基质侧膜间腔膜间腔基质基质2. ATP2. ATP合酶：合酶：ATPATP合成模式图合成模式图氧化磷酸化的抑制剂氧化磷酸化的抑制剂四、高能磷酸键的储存与释放生物化学中常将水解时释放的能量生物化学中常将水解时释放的能量>20kJ/mol的磷酸键称为的磷酸键称为高能磷酸键高能磷酸键主要有以下几种类主要有以下几种类型：型：1．．磷酸酐键磷酸酐键：包括各种多磷酸核苷类化合物，：包括各种多磷酸核苷类化合物，如如ADP，，ATP，，GDP，，GTP，，CDP，，CTP，，GDP，，GTP及及PPi等，水解后可释放出等，水解后可释放出30.5kJ /mol的自由能。

的自由能 （一）高能磷酸键的类型（一）高能磷酸键的类型2．．混合酐键混合酐键：由磷酸与羧酸脱水后形成的酐键，：由磷酸与羧酸脱水后形成的酐键，主要有主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物在标准条二磷酸甘油酸等化合物在标准条件下水解可释放出件下水解可释放出61.9kJ/mol的自由能的自由能3．．烯醇磷酸键烯醇磷酸键：见于磷酸烯醇式丙酮酸中，水：见于磷酸烯醇式丙酮酸中，水解后可释放出解后可释放出61.9kJ/mol的自由能的自由能4．．磷酸胍键磷酸胍键：见于磷酸肌酸中，水解后可释放：见于磷酸肌酸中，水解后可释放出出43.9kJ/mol的自由能的自由能 几种常见的高能化合物几种常见的高能化合物磷酸肌酸（磷酸肌酸（creatine phosphate, C～～P））是是骨骼肌骨骼肌和和脑组织脑组织中中能量的贮存形式能量的贮存形式磷酸肌酸中的高能磷酸键磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用不能被直接利用，必须，必须先将其高能磷酸键转移给先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理活动，才能供生理活动之需反应过程由反应过程由磷酸肌酸激酶（磷酸肌酸激酶（CPK））催化完成催化完成磷酸肌酸激酶的作用磷酸肌酸激酶的作用（二）（二）ATPATP循环循环ATP是生物界普遍使用的供能物质，有是生物界普遍使用的供能物质，有“通用通用货币货币”之称。

之称ATP分子中含有两个高能磷酸酐分子中含有两个高能磷酸酐键（键（A-P~P~P），均可以水解供能均可以水解供能ATP水解为水解为ADP并供出能量之后，又可通过氧并供出能量之后，又可通过氧化磷酸化重新合成，从而形成化磷酸化重新合成，从而形成ATP循环循环 ATPATP循环循环ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 ~P~P ~P~P 机械能机械能( (肌肉收缩肌肉收缩) )渗透能渗透能( (物质主动转运物质主动转运) ) 化学能化学能( (合成代谢合成代谢) )电能电能( (生物电生物电) )热能热能( (维持体温维持体温) )（三）多磷酸核苷间的能量转移（三）多磷酸核苷间的能量转移 在生物体内，除了可直接使用在生物体内，除了可直接使用ATP供能外，还使供能外，还使用其他形式的高能磷酸键供能，如用其他形式的高能磷酸键供能，如UTP用于用于糖原糖原的合成的合成，，CTP用于用于磷脂的合成磷脂的合成，，GTP用于用于蛋白质蛋白质的合成的合成等核苷单磷酸激酶核苷单磷酸激酶NMP + ATPNDP + ADP核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶NDP + ATPNTP + ADP五、线粒体外NADH的穿梭胞液中的胞液中的3-磷酸甘油醛，磷酸甘油醛，3-磷酸甘油磷酸甘油或或乳酸乳酸脱氢，脱氢，均可产生均可产生NADH。

这些这些NADH可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷酸化，产生酸化，产生H2O和和ATP （一）磷酸甘油穿梭系统（一）磷酸甘油穿梭系统 主要存在于主要存在于脑脑和和骨骼肌骨骼肌中NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，由于经体，由于经琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链进行氧化磷酸化，进行氧化磷酸化，故只能产生故只能产生2分子分子ATP 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间腔膜间腔 线粒体线粒体 基质基质磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统 FADH2 NAD+ FAD  -磷酸甘磷酸甘油脱氢酶油脱氢酶 琥珀酸琥珀酸氧化氧化呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮  -磷酸甘油磷酸甘油 NADH+H+  - -磷酸甘磷酸甘油脱氢酶油脱氢酶（二）苹果酸穿梭系统（二）苹果酸穿梭系统 主要存在于主要存在于肝肝和和心肌心肌中胞液中胞液中NADH+H+的一对氢原子经此穿梭系统带的一对氢原子经此穿梭系统带入一对氢原子，由于经入一对氢原子，由于经NADH氧化呼吸链氧化呼吸链进行进行氧化磷酸化，故可生成氧化磷酸化，故可生成3分子分子ATP。

谷氨酸谷氨酸- -天冬氨酸天冬氨酸 转运体转运体苹果酸苹果酸- - - -酮酮 戊二酸转运体戊二酸转运体 胞液胞液 基质基质 NADH +H+ NAD+ NADH +H+ NAD+ 苹果酸苹果酸 草酰乙酸草酰乙酸  - -酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸 苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 谷草转谷草转 氨酶氨酶 NADH呼吸链呼吸链 天冬氨酸天冬氨酸 苹果酸穿梭系统苹果酸穿梭系统六、二氧化碳的生成在生物体内，在生物体内，CO2是通过有机酸的是通过有机酸的脱羧脱羧作用生作用生成的按照羧基所连接的位置不同，可将有机酸的脱按照羧基所连接的位置不同，可将有机酸的脱羧作用分为羧作用分为 -脱羧脱羧和和 -脱羧脱羧按照脱羧时是否伴有氧化作用，可将有机酸的按照脱羧时是否伴有氧化作用，可将有机酸的脱羧作用分为脱羧作用分为单纯脱羧单纯脱羧和和氧化脱羧氧化脱羧1. 1.  ––单纯脱羧：单纯脱羧：见于氨基酸的脱羧作用见于氨基酸的脱羧作用   R-CH-COOHNH2氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶R-CH2-NH2 + CO2氨基酸氨基酸胺胺 2. 2.  ––单纯脱羧：单纯脱羧：见于草酰乙酸的脱羧作用。

见于草酰乙酸的脱羧作用      + CO2CH2-COOH│ │CO-COOHCH3│ │CO-COOH草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸草酰乙酸丙酮酸丙酮酸 3. 3.  - -氧化脱羧：氧化脱羧：见于丙酮酸的脱氢与脱羧作用见于丙酮酸的脱氢与脱羧作用   丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系CH3-CO-COOH + HSCoACH3CO~SCoA + CO2NADNAD+ +NADNADH H + + H H+ +丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰乙酰乙酰CoACoA 4. 4.  ––氧化脱羧：氧化脱羧：见于苹果酸的脱氢与脱羧作用见于苹果酸的脱氢与脱羧作用CO-COOH + CO2CH3CH2-COOHOHCH-COOHNADP+ NADPH + H+苹果酸苹果酸丙酮酸丙酮酸苹果酸酶苹果酸酶 第二节 其他氧化体系Section 2 The Others Oxidation Enzyme Systems一、需氧脱氢酶和氧化酶只能以某些辅酶或辅基作为受氢体而不能以只能以某些辅酶或辅基作为受氢体而不能以O2作为直接受氢体的脱氢酶称为作为直接受氢体的脱氢酶称为不需氧脱氢酶不需氧脱氢酶。

能以能以O2作为直接受氢体的酶称为作为直接受氢体的酶称为需氧脱氢酶需氧脱氢酶或或氧化酶氧化酶氧化酶氧化酶能直接利用能直接利用O2为受氢体，产物为为受氢体，产物为H2O；而；而需氧脱氢酶需氧脱氢酶通常以通常以FAD或或FMN为辅基，但可催为辅基，但可催化底物脱氢并以氧为受氢体，产物为化底物脱氢并以氧为受氢体，产物为H2O2二、过氧化物酶体中的氧化酶类过氧化氢酶过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基为血红又称触酶，其辅基为血红素，可催化素，可催化H2O2的分解反应：的分解反应：2H2O2 2H2O + O2 过氧化氢酶过氧化氢酶 （一）过氧化氢酶（一）过氧化氢酶过氧化物酶过氧化物酶(perioxidase)也以血红素为辅基，也以血红素为辅基，可催化可催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物：直接氧化酚类或胺类化合物：R + H2O2 RO + H2O RH2+ H2O2 R + 2H2O 过氧化物酶过氧化物酶 过氧化物酶过氧化物酶 （二）过氧化物酶（二）过氧化物酶三、超氧物歧化酶呼吸链电子传递过程或体内某些物质（如黄嘌呼吸链电子传递过程或体内某些物质（如黄嘌呤）氧化时，均可产生呤）氧化时，均可产生超氧离子超氧离子（（O2¯）。

超氧离子的化学性质非常活泼，易引起磷脂分超氧离子的化学性质非常活泼，易引起磷脂分子中的不饱和脂肪酸氧化生成子中的不饱和脂肪酸氧化生成过氧化脂质过氧化脂质，损伤，损伤生物膜· ·超氧物歧化酶（超氧物歧化酶（superoxide dismutase，，SOD））可催化一分子超氧离子氧化生成可催化一分子超氧离子氧化生成O2，而另一分，而另一分子超氧离子还原生成子超氧离子还原生成H2O2：：H2O + O2 过氧化氢酶过氧化氢酶SOD2O2﹣﹣+ 2H+ H2O2 + O2 ·在真核细胞中存在两种超氧物歧化酶同工酶在真核细胞中存在两种超氧物歧化酶同工酶一种见于一种见于胞液胞液中，以中，以Cu2+、、Zn2+作为辅基，称作为辅基，称为为CuZn-SOD；另一种见于；另一种见于线粒体线粒体中，以中，以Mn2+作为辅基，称为作为辅基，称为Mn-SOD四、微粒体中的氧化酶类加单氧酶加单氧酶(monooxygenase)，又称为，又称为混合功能混合功能氧化酶氧化酶(mixed-function oxidase)，催化氧分子，催化氧分子中的一个氧原子加到底物分子上（羟化），而中的一个氧原子加到底物分子上（羟化），而另一个氧原子则被氢还原成水。

此反应过程需另一个氧原子则被氢还原成水此反应过程需Cyt P450参与RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O （一）加单氧酶（一）加单氧酶混合功能氧化酶的催化机制混合功能氧化酶的催化机制NADPH+H+NADP+FAD·2HFAD2e-RH·P450·Fe2+RH·P450·Fe3+·O2-RH·P450·Fe2+·O22-2(Fe2S2)3+2(Fe2S2)2+2H+P450·Fe3+RHRH·P450·Fe3+RH·P450·Fe2+·O2O2R-OHH2O加双氧酶催化氧分子中的两个氧原子添加到底加双氧酶催化氧分子中的两个氧原子添加到底物中带双键的两个碳原子上，引起碳链或碳环物中带双键的两个碳原子上，引起碳链或碳环的断裂，如的断裂，如色氨酸吡咯酶色氨酸吡咯酶O2) 色氨酸吡咯酶色氨酸吡咯酶（二）加双氧酶（二）加双氧酶。