第8章生物氧化.ppt

第第 八八 章章生生 物物 氧氧 化化Biological Oxidation1营营养养物物质质在在生生物物体体内内经经氧氧化化分分解解，，最最终终生生成成CO2 和和 H2O，，并并释释放放能能量量的的过过程程称称生物氧化生物氧化 * 生物氧化的概念生物氧化的概念 2* * 生物氧化生物氧化与与体外氧化的相同点体外氧化的相同点•生生物物氧氧化化中中物物质质的的氧氧化化方方式式有有加加氧氧、、脱脱氢氢、、失失电电子子，，遵遵循循氧氧化化还还原原反反应应的的一一般般规律•物物质质在在体体内内外外氧氧化化时时所所消消耗耗的的氧氧量量、、最最终产物终产物（（COCO2 2，，H H2 2O O））和释放能量和释放能量均相同3w是是在在细细胞胞内内温温和和的的环环境境(37℃℃,pH中中性性)中中由由酶酶催化进行的催化进行的w能能量量是是逐逐步步释释放放的的，，并并储存于储存于ATP中w代代谢谢物物脱脱下下的的氢氢与与氧氧结结合产生合产生H2Ow有机酸脱羧产生有机酸脱羧产生CO2 * 生物氧化生物氧化与与体外氧化的不同点体外氧化的不同点生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化w通通常常是是干干燥燥、、高高温温条件下进行条件下进行w能量是突然释放的能量是突然释放的wCO2、、H2O由由物物质质中中的的碳碳和和氢氢直直接接与与氧氧结合生成。

结合生成4* * 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程 小分子化合小分子化合物分解成共同物分解成共同的中间产物的中间产物（如（如丙酮酸、丙酮酸、乙酰乙酰CoA等）等） 共同中间物进共同中间物进入三羧酸循环入三羧酸循环,氧化脱下的氧化脱下的氢由电子传递氢由电子传递链传递生成链传递生成H2O，，释放出释放出大量能量，其大量能量，其中一部分通过中一部分通过磷酸化储存在磷酸化储存在ATP中大分子降解大分子降解成基本结构成基本结构单位单位5第一节第一节 生成生成ATP的氧化体系的氧化体系The Oxidation System of ATP Producing一、呼吸链一、呼吸链二、氧化磷酸化二、氧化磷酸化三、氧化磷酸化影响因素三、氧化磷酸化影响因素四、通过线粒体内膜的物质转运四、通过线粒体内膜的物质转运6Ø定义定义代代谢谢物物脱脱下下的的成成对对氢氢原原子子（（2H））通通过过多多种种酶酶和和辅辅酶酶所所催催化化的的连连锁锁反反应应逐逐步步传传递递，，最最终终与与氧氧结结合合生生成成水水，，这这一一系系列列酶酶和和辅辅酶酶称称为为呼呼吸吸链链 (respiratory chain)又又 称称 电电 子子 传传 递递 链链(electron transfer chain)。

Ø组成组成递氢体和电子传递体（递氢体和电子传递体（2H   2H+ + 2e）） 一、呼吸链一、呼吸链7（一）呼吸链的组成（一）呼吸链的组成1. 烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类2. 黄素脱氢酶类黄素脱氢酶类3. 铁铁-硫蛋白类硫蛋白类（（iron—sulfur proteins)4. 辅酶Ｑ辅酶Ｑ（（ubiquinone,亦写作亦写作CoQ））5. 细胞色素类细胞色素类（（cytochromes））NADH辅辅 酶酶 Q（（CoQ））Cyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等琥珀酸等黄素蛋白黄素蛋白（（F AD））黄素蛋白黄素蛋白（（FMN））细胞色素类细胞色素类铁硫蛋白铁硫蛋白（（Fe-S））铁硫蛋白铁硫蛋白（（Fe-S））Fe--S8电电子子传传递递链链中中各各中中间间体体的的顺顺序序NADHFMNCoQCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFADFe-S琥珀酸琥珀酸等等复合物复合物 II复合物复合物 IV复合物复合物 I复合物复合物 IIINADH-CoQ还原酶还原酶CoQ-细胞色素细胞色素c还原酶还原酶细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶琥珀酸琥珀酸-CoQ还原酶还原酶Fe-S9呼吸链各复合体粒体内膜中的位置呼吸链各复合体粒体内膜中的位置101. 烟酰胺核苷酸烟酰胺核苷酸•NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide Adenine Dinucleotide) ，又叫，又叫CoⅠⅠ，，主要作为主要作为呼吸链的一个组分，起呼吸链的一个组分，起递氢体递氢体作用；作用；•NADP+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotin-amide Adenine Dinucleotide Phosphate) ，又，又叫叫CoⅡⅡ，，主要在还原性生物合成中作为供氢体。

主要在还原性生物合成中作为供氢体•二者的递氢部位是二者的递氢部位是烟酰胺烟酰胺部分，为部分，为Vit PP11R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+ NAD+和和NADP+的结构的结构12NAD+（（NADP+）的递氢机制）的递氢机制（氧化型）（氧化型）（还原型）（还原型）132. 黄素辅基黄素辅基•FMN：黄素单核苷酸：黄素单核苷酸(Flavin Mononucleotide)•FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸：黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleotide)•FMN和和FAD中中异咯嗪环异咯嗪环起起递氢体递氢体作用 •异咯嗪及核醇部分为异咯嗪及核醇部分为Vit B2（（核黄素）核黄素）14 FMN结构结构异咯嗪异咯嗪核醇核醇15 　　 FAD结构结构16FMN和和FAD递氢机制递氢机制 （氧化型）（氧化型）（还原型）（还原型）173. 铁硫蛋白铁硫蛋白(Iron-sulfur protein, Fe-S)•又叫铁硫中心或铁硫簇又叫铁硫中心或铁硫簇。

•含有等量铁原子和硫原子含有等量铁原子和硫原子•铁除与硫连接外，还与肽链中铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的巯基残基的巯基连接 •铁原子可进行铁原子可进行Fe2+   Fe3++e 反应传递电子，反应传递电子，为为单电子传递体单电子传递体 1819204. 泛醌泛醌 (ubiquinone, UQ)•即辅酶即辅酶Q（（ Coenzyme Q，， CoQ），），属于脂属于脂溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链•因其为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜因其为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜中分离出来，因此不包含在四种复合体中中分离出来，因此不包含在四种复合体中•分子中的苯醌结构能可逆地结合分子中的苯醌结构能可逆地结合2个个H，，为为递递氢体氢体 21 22 235. 细胞色素类（细胞色素类（Cytochrome, Cyt））•是一类以铁卟啉为辅基的电子传递蛋白是一类以铁卟啉为辅基的电子传递蛋白•呼吸链中主要有呼吸链中主要有a、、b、、c、、三类差别在于铁卟三类差别在于铁卟啉的侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接的方式不同啉的侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接的方式不同。

Cyt b、、c的铁卟啉与血红素相同；的铁卟啉与血红素相同； Cyt a的铁卟的铁卟啉为血红素啉为血红素A•分子中的分子中的铁铁通过氧化还原而传递电子，为通过氧化还原而传递电子，为单电子单电子传递体传递体242526•小结：小结：•呼吸链的组成呼吸链的组成•呼吸链呼吸链=递氢体递氢体+递电子体递电子体NADFMNFADCoQFe-SCyt27 由以下实验确定由以下实验确定 ① ① 标准氧化还原电位标准氧化还原电位, ,由低到高排列由低到高排列 ② ②用呼吸链的特异抑制剂阻断，用呼吸链的特异抑制剂阻断，抑制剂前抑制剂前的组分为还原态，抑制剂后的组分为氧化态的组分为还原态，抑制剂后的组分为氧化态 ③ ③还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧 以无氧时以无氧时的呼吸链为对照，缓慢给氧后观察各组分的氧的呼吸链为对照，缓慢给氧后观察各组分的氧化顺序化顺序 ④ ④将各组分在体外拆开和重组将各组分在体外拆开和重组（二）呼吸链成分的排列顺序（二）呼吸链成分的排列顺序2829抑制剂抑制剂301. NADH氧化呼吸链：是体内主要的呼吸链氧化呼吸链：是体内主要的呼吸链2. 琥珀酸氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链（FAD氧化呼吸链）：氧化呼吸链）： 是体内次要的呼吸链是体内次要的呼吸链 31NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链2H+32线粒体内重要代谢物氧化的途径线粒体内重要代谢物氧化的途径33 二、氧化磷酸化二、氧化磷酸化体内体内ATP生成的方式：生成的方式：氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指是指在呼吸链电子传递过程在呼吸链电子传递过程中偶联中偶联ADP磷酸化，生成磷酸化，生成ATP，又称为，又称为偶联磷偶联磷酸化酸化。

底底物物水水平平磷磷酸酸化化 (substrate level phos-phorylation) 是是底底物物分分子子内内部部能能量量重重新新分分布布，，生成高能键，使生成高能键，使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程34（一）氧化磷酸化偶联部位（一）氧化磷酸化偶联部位•即即ATP生成的部位生成的部位•P/O比值比值：是指物质氧化时，每消耗：是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷酸的摩尔数，摩尔氧原子所消耗的无机磷酸的摩尔数，即生成即生成ATP的摩尔数的摩尔数 35线粒体离体实验线粒体离体实验测得的一些底物的测得的一些底物的P/O比值比值底底 物物呼吸链的组成呼吸链的组成P/O比值比值生成生成ATP数数 -羟丁酸羟丁酸NAD+→O22.4~2.83琥珀酸琥珀酸FAD →O21.72抗坏血酸抗坏血酸Cyt c→O20.881细胞色素细胞色素CCyt aa3→O20.61~0.68136三个偶联部位：三个偶联部位：ATPATP ATP ①①NADH与与CoQ之间；之间；②②CoQ与与Cyt c之间；之间；③③Cyt aa3与氧之间与氧之间 372. 自由能变化自由能变化( △△G0′)：：　　大于　　大于30.5kJ即可生成即可生成1摩尔摩尔ATP。

　　　　△△G0′＝－＝－nF△△E0′69.5kJ/mol40.5kJ/mol102.3kJ/mol38 •NADH氧化呼吸链存在氧化呼吸链存在3个个偶联部位，偶联部位， P/O比值等于比值等于3，即产生，即产生3molATP•琥珀酸氧化呼吸链存在琥珀酸氧化呼吸链存在2个个偶联部位，偶联部位， P/O比值等于比值等于2，即产生，即产生2molATP39（二）（二） 氧化磷酸化的偶联机制氧化磷酸化的偶联机制1. 化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电电子子经经呼呼吸吸链链传传递递时时，，可可将将质质子子（（H+））从从线线粒粒体体内内膜膜的的基基质质侧侧泵泵到到内内膜膜胞胞浆浆侧侧，，产产生生膜膜内内外外质质子子电电化化学学梯梯度度（（H+ 浓浓度度梯梯度度和和跨跨膜膜电电位位差差）），，以以此此储储存存能能量量当当质质子子顺顺浓浓度度梯度回流时驱动梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP 4041线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化学渗透假说简单示意图化学渗透假说简单示意图42化化学学渗渗透透假假说说1、递氢体和递电子体在膜上相间排列2、递氢体有传递H+作用，可将H+通过半透膜泵入内膜和外膜之间的间隙中，内膜不能自由通过H+，由此导致电位差的形成，这是ATP生成的动力。

3、当H+沿内膜专一通道再次向内膜穿入时，其电位差推动ADP转变成ATP432. ATP合酶合酶即复合体即复合体ⅤⅤ位于线粒体内膜的基质侧位于线粒体内膜的基质侧44ATP合酶合酶•F0：：为疏水蛋白质，是镶嵌粒体内膜中为疏水蛋白质，是镶嵌粒体内膜中的质子通道的质子通道•F1：：为亲水蛋白质，由为亲水蛋白质，由 3 3亚基组成，亚基组成，催化生成催化生成ATP•OSCP：：寡霉素敏感相关蛋白，位于寡霉素敏感相关蛋白，位于F0与与F1之间，使之间，使ATP合酶在寡霉素存在时不能生成合酶在寡霉素存在时不能生成ATP45ATP合酶结构模式图合酶结构模式图46三、影响氧化磷酸化的因素三、影响氧化磷酸化的因素1. 呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递，细胞呼吸阻断呼吸链中某些部位电子传递，细胞呼吸停止一）抑制剂（一）抑制剂47鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A异戊巴比妥异戊巴比妥 × ×抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 × ×CO、、CN-、、N3-及及H2S× ×各种呼吸链抑制剂的阻断位点各种呼吸链抑制剂的阻断位点48•2. 解偶联剂解偶联剂–使氧化与磷酸化偶联过程脱离。

常见的解偶联使氧化与磷酸化偶联过程脱离常见的解偶联剂为二硝基苯酚（剂为二硝基苯酚（DNP）物质能氧化，但不）物质能氧化，但不能生成能生成ATP•如：解偶联蛋白如：解偶联蛋白 •3. 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 –对电子传递及对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用磷酸化均有抑制作用•如：寡霉素（与如：寡霉素（与F0、、F1中间寡霉素敏感蛋白结合）中间寡霉素敏感蛋白结合） 49解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）Ⅲ Ⅲ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ F F0 0 F F1 1 Ⅳ Ⅳ Ⅳ Ⅳ Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能 H H+ + H H+ + ADP+Pi ATP DNP50 寡霉素寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回流，抑制质子通道回流，抑制ATP生成生成51不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响 52（二）线粒体（二）线粒体DNA突变突变 与线粒体与线粒体DNA病及衰老有关病及衰老有关l线粒体的线粒体的DNA是裸露的环状双螺旋，无蛋白是裸露的环状双螺旋，无蛋白质保护及修复系统，质保护及修复系统，DNA易突变易突变→影响氧化影响氧化磷酸化磷酸化→ATP↓而致病而致病→中枢神经系统影响大，中枢神经系统影响大，聋、盲、痴呆、肌无力、糖尿病、帕金森病聋、盲、痴呆、肌无力、糖尿病、帕金森病等。

等l氧化磷酸化损伤随年龄增加而加重，促进衰氧化磷酸化损伤随年龄增加而加重，促进衰老53四、通过线粒体内膜的物质转运四、通过线粒体内膜的物质转运线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运对各种物质的转运内膜高度选择性通透性：内膜高度选择性通透性：可通过的物质：可通过的物质：ATP、、AMP、、Pi、丙酮酸、琥珀、丙酮酸、琥珀酸、酸、αα- -酮戊二酸、苹果酸、柠檬酸、谷氨酸等酮戊二酸、苹果酸、柠檬酸、谷氨酸等不可通过的物质不可通过的物质：：H+H+、、NADPHNADPH、、NADHNADH、草酰乙酸等、草酰乙酸等54胞浆中胞浆中NADH的氧化的氧化Ø胞浆中胞浆中NADH必须经一定必须经一定转运机制转运机制进入线进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化转运机制转运机制主要有主要有 -磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(  -glycerophosphate shuttle)苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)551. α-磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制 （脑和骨骼肌）（脑和骨骼肌）磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮αα- -磷酸甘油磷酸甘油糖酵解糖酵解562. 苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭机制机制（（肝和心肌）肝和心肌）①①苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶 ②②转氨酶转氨酶 ③④⑤⑥③④⑤⑥转位酶转位酶57穿梭作用的意义穿梭作用的意义•将胞液中的将胞液中的NADH转入线粒体，进入呼吸链转入线粒体，进入呼吸链氧化产生能量。

氧化产生能量•保证胞液中的保证胞液中的NAD+的浓度，利于物质代谢的浓度，利于物质代谢的进行58非线粒体氧化系统非线粒体氧化系统 通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、植物、微生通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、植物、微生物主要氧化途径，它与物主要氧化途径，它与ATP的生成紧密相关除此以外，生物体内还存的生成紧密相关除此以外，生物体内还存在非线粒体氧化系统，在非线粒体氧化系统，其特点是从底物脱氢到其特点是从底物脱氢到H2O的生成是经过其它末的生成是经过其它末端氧化酶完成的，与端氧化酶完成的，与ATP的生成无关，但各自具有重要的生理功能的生成无关，但各自具有重要的生理功能 生物体内主要的非线粒体氧化系统（过氧化体和微粒体）如下：生物体内主要的非线粒体氧化系统（过氧化体和微粒体）如下：1、多酚氧化酶系统、多酚氧化酶系统2、抗坏血酸氧化酶系统、抗坏血酸氧化酶系统3、黄素蛋白氧化酶系统、黄素蛋白氧化酶系统4、超氧化物歧化酶氧化系统、超氧化物歧化酶氧化系统5、植物抗氰氧化酶系统、植物抗氰氧化酶系统59生物氧化　　氧化磷酸化　　底物水平磷酸化　　生物氧化　　氧化磷酸化　　底物水平磷酸化　　呼吸链呼吸链 磷氧比（磷氧比（P/O）） 苹果酸苹果酸-天门冬氨酸穿梭天门冬氨酸穿梭 αα- -磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭　　名词解释名词解释复习题复习题60•1、物质在体内氧化和体外氧化有哪些异同点？、物质在体内氧化和体外氧化有哪些异同点？•2、写出、写出NADH呼吸链和琥珀酸呼吸链的顺序。

呼吸链和琥珀酸呼吸链的顺序•3、一对氢经、一对氢经NADH呼吸链氧化能生成多少呼吸链氧化能生成多少ATP？？• 一对氢经琥珀酸呼吸链氧化能生成多少一对氢经琥珀酸呼吸链氧化能生成多少ATP？？•4、影响氧化磷酸化的抑制剂有哪几种？、影响氧化磷酸化的抑制剂有哪几种？•5、体内生成、体内生成ATP的方式有几种？的方式有几种？•6、氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息死亡？原、氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息死亡？原理何在？理何在？•7、写出、写出NADH呼吸链氧化磷酸化的偶联部位呼吸链氧化磷酸化的偶联部位问答题问答题61。