生物化学：第八章 生物氧化

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1、1 2第一节 概述一、一、生物氧化（生物氧化（biological oxidationbiological oxidation）概念概念 三大营养物质（糖、蛋白质、脂肪）在生物三大营养物质（糖、蛋白质、脂肪）在生物体内的氧化分解逐步释放能量，最终生成二氧体内的氧化分解逐步释放能量，最终生成二氧化碳和水的过程称为生物氧化。由于这一过程化碳和水的过程称为生物氧化。由于这一过程是在组织细胞内进行并与消耗氧及产生二氧化是在组织细胞内进行并与消耗氧及产生二氧化碳的呼吸作用密切相关，故又称碳的呼吸作用密切相关，故又称“细胞呼吸细胞呼吸”或或“组织呼吸组织呼吸”。 意义意义 供给有机体所需能量：生命活动，维

2、持供给有机体所需能量：生命活动，维持体温体温3二、生物氧化的特点：二、生物氧化的特点：生物氧化是在细胞内生物氧化是在细胞内PH接近中性和约接近中性和约37的溶液中逐步进行的酶促反应。的溶液中逐步进行的酶促反应。 终产物二氧化碳是有机酸经脱羧反应而终产物二氧化碳是有机酸经脱羧反应而生成。生成。 水是有机物分子脱下的氢经一系列传递水是有机物分子脱下的氢经一系列传递反应，最终与氧结合而生成。反应，最终与氧结合而生成。 逐步放能逐步放能,能量利用率高。能量利用率高。4 51. -直直接接脱脱羧羧H3CCCOOHO-酮酮酸酸脱脱羧羧酶酶Mg2+ TPPH3CCOH+ CO2单纯单纯62. -直直接接脱脱

3、羧羧H2CCCOOHO丙丙酮酮酸酸脱脱羧羧酶酶H3CCOCOOH+ CO2HOOC草酰乙酸丙酮酸单纯单纯71. -氧氧化化脱脱羧羧H3CCCOOHO丙丙酮酮酸酸氧氧化化脱脱羧羧酶酶系系H3CCO+ CoASH + NAD+乙酰辅酶SCoA +NADH+H+CO2A82. -氧氧化化脱脱羧羧H2CCHCOOHOH苹苹果果酸酸酶酶H3CCOCOOH+ CO2 + NADPH+H+HOOC苹果酸丙酮酸+ NADP+二、生物氧化中物质氧化方式（OXIDATIVE AND REDUCTIVE REACTION）加氧 RH + O2 + 2H ROH +H2O脱氢 COOH COOH O C C O +

4、2H CH3 CH3失电子 Fe2+ Fe3+ + eHH1011一、呼吸链一、呼吸链是在是在线粒体内膜线粒体内膜上按上按一定顺序一定顺序排列组成排列组成递递氢或递电子的体系（酶与辅酶）氢或递电子的体系（酶与辅酶）构成的功构成的功能单位。也称为电子传递链（能单位。也称为电子传递链（electrelectron on transfer chain)transfer chain)。第三节 线粒体氧化体系1213FADH2(Fe-s)复合体I复合体I I复合体复合体IIIIII复合体复合体IVIVNADHFMN CoQ Cyt bCyt c1 Cyt cCyt aa3 O2 + H+ (Fe-S)

5、(Fe-s) 2Cu二、呼吸链主要成分和作用二、呼吸链主要成分和作用功能 将作用物脱的氢与氧结合成水，逐步放能，使ADP磷酸化生成ATP。辅酶Q辅酶I Cyt bc1 caa3 分别为不同的细胞色素分别为不同的细胞色素141 1、NADNAD+ +为辅酶的脱氢酶（为辅酶的脱氢酶（VitPP)VitPP)15+R-C-NH2+ H + H+ + eNR=O-C-NH2HH+ H+NAD +NADH + H+O|NH作用 辅酶接受2H，传递给黄素蛋白。NAD+- NADH + H+NADP+- NADPH + H+不直接与呼吸链偶联不直接与呼吸链偶联162 2、黄素蛋白（、黄素蛋白（VitB2)V

6、itB2)辅酶辅酶黄素单核苷酸黄素单核苷酸 (FMN) (FMN) 黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)(FAD) NADH NADH脱氢酶脱氢酶 琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 复合体复合体中中 复合体复合体中中17FAD （或（或FMN）+ 2HFAD H2（或（或FMNH2）作用在铁硫蛋白协助下将氢传递给CoQ。183 3、铁硫蛋白（、铁硫蛋白（iron-sulfur protein,Fe-Siron-sulfur protein,Fe-S） 铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。作用协助黄素蛋白的功能。19Fe2S2Fe4S4+ e- eFe 2+Fe

7、 3+20OH OHH3COH3COCH3(CH2-CH=C-CH3-CH2-)10H二氢泛醌二氢泛醌泛醌（泛醌（ubiquinone, UQubiquinone, UQ或或Q)Q)2H2H4.4.泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q Q）-Ubiquinone CoenzymeQ -Ubiquinone CoenzymeQ 作用作用 将质子释放到线粒体基质中，电子传给细胞色素将质子释放到线粒体基质中，电子传给细胞色素C C。 O泛醌泛醌H3COH3COCH3(CH2 - CH=C-CH3-CH2-)10H多聚异戊二烯结构多聚异戊二烯结构O21OCH3H3COH3COOR+ 2H-2HOHCH3H3COH3

8、COOHR氧化型CoQ还原型CoQH2CHCCCH2nHCH3 R=225 5、细胞色素体系（细胞色素体系（Cytochromes,CytCytochromes,Cyt） 作用作用 接受接受CoQCoQ传来的电子，并将其传递给氧。传来的电子，并将其传递给氧。 辅基为铁卟啉的电子传递体，细胞色素分为a、b、c三类， Cyta a3, Cytc c1, Cytb等。卟啉卟啉卟啉卟啉与与+ e- eFe 2+Fe 3+b c1 c aa323FADH2(Fe-s)复合体I复合体I I复合体复合体IIIIII复合体复合体IVIVNADHFMN CoQ Cyt bCyt c1 Cyt cCyt aa3

9、O2 + H+ (Fe-S) (Fe-s) 2Cu辅酶Q辅酶I Cyt bc1 caa3 分别为不同的细胞色素分别为不同的细胞色素SH22Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+ (Fe-S)H+SNAD+NADH+H+FMNH2FMNUQH2UQH+Fe3+-sFe2+-sH+ O22 H+O2-H2O2Cyt-Fe3+2Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+2Cyt-Fe3+2Cyt-Fe2+2Cyt-Fe2+25FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链FADH2FAD琥珀酸琥珀酸延胡索延胡索酸酸UQH2UQ2Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+ (Fe-S)H+H+Fe3+-sFe2+-sH+ O22 H+O

10、2-H2O2Cyt-Fe3+2Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+2Cyt-Fe3+2Cyt-Fe2+2Cyt-Fe2+26穿梭方式穿梭方式（1）3-3-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭 Glycerol 3-phosphate shuttleGlycerol 3-phosphate shuttle 脑、骨骼肌；脑、骨骼肌；生成生成1.5ATP1.5ATP胞液侧胞液侧基质侧基质侧线粒体线粒体外膜外膜FADH2CH2-OH | CH-OH |CH2-O- PCH2-OH | C=O |CH2-O- PFAD磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 CH2-OH | NADH C=O + H+ | CH2-O- PNAD+

11、CH2-OH | CH-OH |CH2-O- P 磷酸甘油磷酸甘油线粒体线粒体内膜内膜线粒体线粒体膜间隙膜间隙27、心肌；、心肌；生成生成2.5ATP胞液侧胞液侧基质侧基质侧线粒体线粒体内膜内膜载体载体蛋白蛋白载体载体蛋白蛋白谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸a-酮戊二酸酮戊二酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸NAD+NADH +H+GOTMDH天冬氨酸天冬氨酸谷氨酸谷氨酸a-酮戊二酸酮戊二酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸NAD+NADH+H+GOTMDH28一、高能化合物的种类一、高能化合物的种类高能化合物高能化合物：水解时释出的能量大于水解时释出的能量大于30kJ/mol的含的含 磷酸酯键或硫酸酯键的

12、化合物。称为磷酸酯键或硫酸酯键的化合物。称为 高能磷酸键高能磷酸键或或高能硫酯键高能硫酯键，用，用“”表表示示第四节第四节 生物氧化与能量代谢生物氧化与能量代谢29二、高能磷酸化合物二、高能磷酸化合物ATPATP的形成的形成（一）substrate level phosphorylation) 底物分子经过脱氢、脱水等作用形成高能化底物分子经过脱氢、脱水等作用形成高能化合物，高能化合物在进行反应的过程中，将能合物，高能化合物在进行反应的过程中，将能量转给量转给ADPADP生成生成ATPATP。 CHHCCH2OPO3H2OH3-磷酸甘油醛O+ H3PO4NAD+NADH+H+CHCCH2OPO

13、3H2OHOOPO3H2ADPATP1，3-二磷酸甘油酸CHCCH2OPO3H2OHOOH3-磷酸甘油酸30（二）、氧化磷酸化二）、氧化磷酸化 （oxidative phosphorylation) 1 1、氧化磷酸化偶联氧化磷酸化偶联 代谢代谢物氧化脱氢经呼吸链传递给氧生成水的同物氧化脱氢经呼吸链传递给氧生成水的同 时，伴有时，伴有ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP的过程为氧化磷酸化，的过程为氧化磷酸化，氧化反应与氧化反应与ADPADP的磷酸化反应偶联发生。的磷酸化反应偶联发生。 此为体内生成此为体内生成ATPATP的主要方式（的主要方式（80%80%） 。 2 2、氧化磷酸化偶联

14、部位氧化磷酸化偶联部位 （1 1）实验：实验： 测呼吸链测呼吸链P/OP/O比值以推导偶联部位比值以推导偶联部位P/O P/O 比值：每消耗比值：每消耗1 1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数，代表合成摩尔数，代表合成ATPATP的摩尔数的摩尔数 31 实验测定某些底物的P/O比值 底物 呼吸链的组成 P/O 生成ATP数 苹果酸 NAD FMN CoQ Cyt O2 2.4- 2.8 2.5 琥珀酸 FAD CoQ Cyt O2 1.7 1.5抗坏血酸 Cyt C Cyt aa3 O2 0.88 1细胞色素C Cyt aa3 O2 0.61-0.68 1 （2）公式计

15、算结果显示：n生成每摩尔ATP需能量30.5kJnNAD+CoQ , CoQ Cyt C,Cytaa3 O2的能量均大于30.5kJ32 （一（一 ） ADP/ATP正常生理条件下，ADP是氧化磷酸化的主要调节者， ADP则氧化磷酸化（二）（二）抑制剂抑制剂(1)(1)呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂作用与呼吸链某成分，阻断呼吸链中某些部位的电子传递33复合体复合体I I：阿米妥阿米妥鱼藤酮鱼藤酮复合体复合体IIIIII： 抗霉素抗霉素A A复合体复合体IVIV： N N3 3- - CO CO CN CN- - H H2 2S SFADH2复合体复合体I复合体复合体I I复合体复合体IIIIII复合

16、体复合体IVIVNADHFMN UQ Cyt b Cyt c1 Cyt cCyt aa3 O2 (Fe-S)34(2)(2)解偶联剂解偶联剂作用：解除氧化与磷酸化之间的偶联作用 例：二硝基苯酚（dinitrophenol-DNP） 使线粒体内膜对H+通透性增高，使H+进入基质, 破坏了H+梯度. （三）（三）甲状腺素调节甲状腺素调节 活化钠钾ATP酶，使ATP分解和耗氧（四）线粒体线粒体DNADNA突变突变 线粒体DNA突变率是核内DNA的10倍，突变使 ATP生成,导致疾病。四、 ATPATP的生成与利用的生成与利用 ATP是直接供能者 ATP氧化磷酸化氧化磷酸化底物水平底物水平磷磷 酸酸 化化机械能机械能化学能化学能电能电能渗透能渗透能 其它NTP的生成或补充消耗ATP A AT TP AP AD DP AP AT TP AP AD DP P N NM MP NP ND DP NP NT TP P例：糖原，磷脂，蛋白质合成中提供能量 - UTP、 CTP、 GTP GTP.CTP.UTP不能自氧化中直接生成只能自ATP中获得P。 磷酸肌酸是能量的储存形式ATP +NH2|C=NH|N-CH3|CH2COOH肌酸肌酸CreatineADP +NH|C=NH|N-CH3|CH2COOH 磷酸肌酸磷酸肌酸Creatine phosphateP38