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1、第五章 生物氧化 (Biological Oxidation),,,生物氧化的概念： 有機(jī)物在生物體細(xì)胞內(nèi)氧化分解成二氧化碳和水并釋放出能量形成ATP的過程稱為生物氧化（bioligical oxidation）。 由于此過程通常要消耗氧，生成二氧化碳，并且在組織細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，所以生物氧化也叫做細(xì)胞呼吸或組織呼吸。,代謝物在體內(nèi)的氧化可以分為三個(gè)階段： 1 糖、脂肪和蛋白質(zhì)經(jīng)過分解代謝生成乙酰輔酶A中的乙?；?； 2 乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)脫氫，生成CO2并使NAD+ 和FAD還原成NADH+H+、FADH2； 3 NADH+H+和FADH2中的氫經(jīng)呼吸鏈將電子傳遞給氧生成水，氧化過程中

2、釋放出來的能量用于ATP合成。,,,,一 有關(guān)的幾個(gè)概念 1 自由能 G = H - ST G = H - ST,,2 ATP( Adenosine Triphosphate) ADP (Adenosine Diphosphate) AMP (Adenosine Monophosphate) ATP+H2O ADP+Pi ATP+H2O AMP+PPi ATP+AMP ADP+ADP ATP+GDP ADP+GTP ATP+GMP ADP+GDP UDP+ATPUTP+ADP CDP+ATPCTP+ADP dNDP+ATPdNTP+ADP,AT

3、P以偶聯(lián)的方式推動(dòng)體內(nèi)非自發(fā)反應(yīng),,,,3 氧化還原酶類,1）需氧脫氫酶 需氧脫氫酶可以催化底物脫氫，并且將脫掉的氫立即交給分子氧，生成H2O2。此酶大多以黃素單核苷酸（FMN）和黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）為輔基，稱為黃素酶類。它們常需要某些金屬離子，如Mo2+和Fe2+等。 屬于需氧脫氫酶的有黃嘌呤氧化酶、L-氨基酸氧化酶、D-氨基酸氧化酶及醛氧化酶等。需氧脫氫酶不被氰化物（CN-）和CO的抑制。在無氧的條件下，某些色素，如甲烯蘭可代替氧接受氫而被還原。,需氧脫氫酶催化的反應(yīng)是：,2）不需氧脫氫酶 不需氧脫氫酶可使底物脫氫而氧化，但脫下來的氫并不直接與氧反應(yīng)，而是通過呼吸鏈傳遞最

4、終才與氧結(jié)合生成H2O。這些酶的輔酶包括NAD+、NADP+和FAD等。例如，在葡萄糖的分解代謝中的3-磷酸甘油醛脫氫酶、丙酮酸脫氫酶、-酮戊二酸脫氫酶、異檸檬酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶等都屬于不需氧脫氫酶。,3）氧化酶,主要的氧化酶有處于呼吸鏈末端的細(xì)胞色素氧化酶（cytochrome oxidase），又稱細(xì)胞色素aa3，可以催化細(xì)胞色素C的氧化，將電子直接傳遞給氧，生成O2-，后者再接受H+生成H2O。氧化酶可被氰化物（CN-）和CO抑制。酶分子需要Cu2+等金屬離子。 L-和D-氨基酸氧化酶、黃嘌呤氧化酶等需氧脫氫酶，雖然也冠以“氧化酶”的名稱，但并不是真正意義上的氧化酶，它們催化生成

5、的氧化產(chǎn)物是過氧化氫，而不是水。,4）其他氧化酶,（1）過氧化氫酶和過氧化物酶,過氧化氫酶（catalase）催化過氧化氫分解成水和氧，消除其對(duì)細(xì)胞的毒性，而過氧化物酶( peroxidase)催化過氧化氫氧化其他物質(zhì)，如酚類和胺類，同時(shí)生成水。這兩種酶主要存在于過氧化物酶體中，因?yàn)檫^氧化氫主要在這里產(chǎn)生，也在這里分解。在血液和乳中這兩種酶也有較高的活性，它們的輔基是鐵卟啉。,,,,（2）加氧酶（oxygenase） 包括加單氧酶（monooxygenase）和轉(zhuǎn)氧酶（transoxygenase）兩種。加單氧酶又稱為羥化酶（hydroxylase），存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，它可催化一些脂溶性物質(zhì)，

6、如脂溶性藥物、毒物和類固醇物質(zhì)的氧化，使之轉(zhuǎn)化為極性物質(zhì)而通過體液代謝排出體外。這些反應(yīng)需要有NADPH+H+和細(xì)胞色素P450參加。,（3）超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD） 是一類廣泛存在于動(dòng)、植物及微生物中的含金屬酶類。真核細(xì)胞漿內(nèi)的SOD含有Cu2+ 和Zn2+等元素，相對(duì)分子質(zhì)量為32 000，由2個(gè)亞基組成。線粒體內(nèi)的SOD含Mn2+，4個(gè)亞基。含F(xiàn)e2+的SOD呈黃色。牛肝中的另一類SOD含Co2+和Zn2+。,,體內(nèi)常見的自由基，除超氧離子自由基外，還有羥基自由基和氫過氧自由基等。它們是機(jī)體正?；虍惓４x的產(chǎn)物，化學(xué)性質(zhì)非?；钴S，可以引起其它

7、自由基的生成，對(duì)機(jī)體產(chǎn)生危害，主要是生成脂質(zhì)過氧化物，交聯(lián)蛋白質(zhì)、脂類、核酸及糖類，使生物膜變性，致使組織破壞和老化。 在正常生理狀態(tài)下，自由基不斷生成，并且不斷被清除。SOD能促進(jìn)超氧化物的歧化反應(yīng)，通過生成H2O和O2而清除自由基，阻止自由基的連鎖反應(yīng)，對(duì)機(jī)體起到保護(hù)作用。SOD在臨床上已經(jīng)用于延緩人體衰老，抗慢性多發(fā)性關(guān)節(jié)炎和放射治療后的炎癥等，還應(yīng)用于化妝品以保護(hù)皮膚和抗衰老。,4 生物氧化的特點(diǎn),1)反應(yīng)條件溫和 2)氧化方式底物脫氫，脫氫后經(jīng)一系列的傳遞才與氧結(jié)合生成水 3)逐步放能 4)CO2由含羧基的化合物直接脫羧或氧化脫羧產(chǎn)生,二 氧化磷酸化作用 1 兩條主要的呼吸鏈 呼吸

8、鏈(respiratory chain)是由一系列的遞氫體(hydrogen transfer)和遞電子體(electron transfer)按一定的順序排列所組成的連續(xù)反應(yīng)體系，它將代謝物脫下的成對(duì)氫原子交給氧生成水，同時(shí)有ATP生成。,由于氫原子可以看作是由H+和e組成的，所以遞氫體也是遞電子體，遞氫體和遞電子體的本質(zhì)是酶、輔酶、輔基或輔助因子。,(1) NADH呼吸鏈 NADH-Q還原酶復(fù)合物 FMN、 FeS 輔酶Q QH2-細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合物 細(xì)胞色素b和c1(血紅素)，F(xiàn)eS 細(xì)胞色素c氧化酶復(fù)合物 細(xì)胞色素a，a3 (血紅素A)，Cu,,,,（2）FADH2呼吸

9、鏈 琥珀酸-Q還原酶復(fù)合物 FAD FeS 輔酶Q QH2-細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合物 細(xì)胞色素b和c1(血紅素)，F(xiàn)eS 細(xì)胞色素c氧化酶復(fù)合物 細(xì)胞色素a，a3 (血紅素A) ，Cu,尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+) Nicotinamide Adenine Dinucleotide 或稱輔酶I(CoI) 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)，Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate 又稱輔酶(Co),,黃素單核苷酸(FMN) Flavin Mononucleotide 黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD) Flavin Aden

10、ine Dinucleotide,,,NADH脫氫酶以FMN為輔基，是呼吸鏈的組分之一，介于NADH與其它電子傳遞體之間；琥珀酸脫氫酶、線粒體內(nèi)的甘油磷酸脫氫酶的輔基為FAD。,鐵硫蛋白(ironsulfur proteins, Fe-S),,鐵硫蛋白中的鐵可以呈兩價(jià)(還原型)，也可呈三價(jià)(氧化型)，由于鐵的氧化、還原而達(dá)到傳遞電子作用。在呼吸鏈中它多與黃素蛋白或細(xì)胞色素b結(jié)合存在。,,泛醌(ubiquinone,UQ或Q) 亦稱輔酶Q(coenzyme Q)，為一脂溶性苯醌，帶有一很長的側(cè)鏈，是由多個(gè)異戊二烯(isoprene)單位構(gòu)成的，不同來源的泛醌其異戊二烯單位的數(shù)目不同，在哺乳類

11、動(dòng)物組織中最多見的泛醌其側(cè)鏈由10個(gè)異戊二烯單位組成。 泛醌接受一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子還原成半醌，再接受一個(gè)電子和質(zhì)子則還原成二氫泛醌，后者又可脫去電子和質(zhì)子而被氧化恢復(fù)為泛醌。,,細(xì)胞色素體系 Keilin于1926年首次使用分光鏡觀察昆蟲飛翔肌振動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有特殊的吸收光譜，因此把細(xì)胞內(nèi)的吸光物質(zhì)定名為細(xì)胞色素。細(xì)胞色素是一類含有鐵卟啉輔基的色蛋白，屬于遞電子體。線粒體內(nèi)膜中有細(xì)胞色素b、c1、c、（紅色細(xì)胞素）aa3（綠色細(xì)胞素）。不同的細(xì)胞色素具有不同的吸收光譜，不但其酶蛋白結(jié)構(gòu)不同，輔基的結(jié)構(gòu)也有一些差異。,,,細(xì)胞色素C的輔基與酶蛋白的聯(lián)接方式,細(xì)胞色素c為一外周蛋白，位于線粒體內(nèi)

12、膜的外側(cè)。Cyt c的輔基血紅素(亞鐵原卟啉)通過共價(jià)鍵(硫醚鍵)與酶蛋白相連(見圖)，其余各種細(xì)胞色素中輔基與酶蛋白均通過非共價(jià)鍵結(jié)合。,,血紅素A結(jié)構(gòu)式,細(xì)胞色素a和a3不易分開，統(tǒng)稱為細(xì)胞色素aa3。和b、c1、c不同，細(xì)胞色素aa3的輔基不是血紅素，而是血紅素A(見圖)。細(xì)胞色素aa3可將電子直接傳遞給氧，因此又稱為細(xì)胞色素氧化酶。,,,,,,,,,,NADH氧化呼吸鏈,,FADH2呼吸鏈,一摩爾ATP水解生成ADP與Pi所釋放的能量為7.3千卡，凡氧化過程中釋放的能量大于7.3千卡，均有可能生成1摩爾ATP，就是說可能存在有一個(gè)偶聯(lián)部位，根據(jù)公式計(jì)算，當(dāng)n=2時(shí)，EO=0.1583V

13、時(shí)可釋放7.3千卡能量，所以反應(yīng)底物與生成物的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位的變化大于0.1583V的部位均可能存在著一個(gè)偶聯(lián)部位。,,,呼吸鏈中電子對(duì)傳遞時(shí)自由能的變化,在NADCoQ, Cyt bCyt c和Cyt aa3O2處可能存在著偶聯(lián)部位。,,偶聯(lián)部位示意圖,NADH+H++2.5ADP+2.5Pi+1/2O2NAD++2.5ATP+3.5H2OFADH2+1.5ADP+1.5Pi+1/2O2FAD+1.5ATP+2.5H2O,2.體內(nèi)ATP生成有兩種方式 (1) 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation) 氧化是底物脫氫或失電子的過程，而磷酸化是指ADP與Pi合成A

14、TP的過程。在結(jié)構(gòu)完整的線粒體中氧化與磷酸化這兩個(gè)過程是緊密地偶聯(lián)在一起的，即氧化釋放的能量用于ATP合成，這個(gè)過程就是氧化磷酸化，氧化是磷酸化的基礎(chǔ)，而磷酸化是氧化的結(jié)果。 ,,,,電子傳遞與質(zhì)子傳遞偶聯(lián)(注：復(fù)合物未顯示),氧化磷酸化的化學(xué)滲透學(xué)說,,,,線粒體內(nèi)膜上三聯(lián)體(三分子體)結(jié)構(gòu)示意圖,,,P/O： 每消耗1摩爾原子氧有多少摩爾的原子磷被酯化為有機(jī)磷。 呼吸控制： ADP的水平?jīng)Q定氧化磷酸化的速率。 呼吸商 = 產(chǎn)生CO2的量/消耗O2的量,能荷： 細(xì)胞中ATP的含量（包括以1/2ATP計(jì)算的ADP）與3種腺苷酸ATP、ADP、AMP含量總和的比值。 能荷=ATP+1/2ADP

15、/ ATP+ADP+AMP,(2) 底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation) 底物分子中的能量直接以高能鍵形式轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP，此過程稱為底物水平磷酸化，這一磷酸化過程在胞漿和線粒體中進(jìn)行，包括：,3.氧化磷酸化抑制劑 (1)呼吸抑制劑 這類抑制劑抑制呼吸鏈的電子傳遞，也就是抑制氧化。 魚藤酮(rotenone)專一抑制NADHCoQ的電子傳遞?？姑顾谹(actinomycin A) 由霉菌中分離得到，專一地抑制CoQCyt c 的電子傳遞。 CN-、CO、NaN3和H2S均能抑制細(xì)胞色素氧化酶。,(2)磷酸化抑制劑 這類抑制劑抑制AT

16、P的合成，抑制了磷酸化也一定會(huì)抑制氧化。 寡霉素(oligomycin)可與F0的OSCP結(jié)合，阻塞氫離子通道，從而抑制ATP合成。 二環(huán)己基碳二亞胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCC)可與F0的DCC結(jié)合蛋白結(jié)合，阻斷H+通道，抑制ATP合成。 櫟皮酮(quercetin)直接抑制參與ATP合成的ATP合成酶。,(3)解偶聯(lián)劑(uncoupler) 解偶聯(lián)劑使氧化和磷酸化脫偶聯(lián)，解偶聯(lián)劑作用的本質(zhì)是增大線粒體內(nèi)膜對(duì)H+的通透性，消除H+的跨膜梯度，因而無ATP生成。 常用的解偶聯(lián)劑有2，4-二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)，羰基-氰-對(duì)-三氟甲

17、氧基苯肼(FCCP)，雙香豆素(dicoumarin)等，過量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶聯(lián)，從而使動(dòng)物體溫升高。,4.細(xì)胞液中NADH的氧化磷酸化 線粒體是糖、脂肪、蛋白質(zhì)等能源物質(zhì)的最終氧化場所，但是糖、蛋白質(zhì)和脂肪的全部氧化過程并不是都在線粒體內(nèi)進(jìn)行（如糖酵解作用在細(xì)胞液中進(jìn)行，真核生物細(xì)胞液中的NADH不能通過正常的線粒體內(nèi)膜），細(xì)胞液中NADH不能通過線粒體內(nèi)膜進(jìn)入線粒體內(nèi)進(jìn)行氧化磷酸化，必須通過兩種“穿梭”途徑。,原理：線粒體外的NADH可將其所帶之H轉(zhuǎn)交給某些能透過線粒體內(nèi)膜的化合物（甘油-3-磷酸、蘋果酸等），進(jìn)入線粒體內(nèi)后再氧化。 (1)-磷酸甘油穿梭 該穿梭機(jī)

18、制主要在腦及骨骼肌中，它是借助于-磷酸甘油與磷酸二羥丙酮之間的氧化還原轉(zhuǎn)移還原當(dāng)量，使線粒體外來自NADH的還原當(dāng)量進(jìn)入線粒體的呼吸鏈氧化。,(2) 蘋果酸，天冬氨酸穿梭 這種穿梭機(jī)制主要在肝、腎、心中發(fā)揮作用。,,蘋果酸天冬氨酸穿梭 GOT：谷草轉(zhuǎn)氨酸；MDH：蘋果酸脫氫酶,磷酸肌酸,Biological oxidation Repiratory chain Flavin mononucleotide FMN Flavin adenine dinucleotide FAD Nicotinamide adenine dinucleotide NA

19、D Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate- NADP Peroxisome Oxidoreductases Monooxygenase Dioxygenase,Superoxide dismutase SOD Uridine triphosphate UTP Adenosine triphosphate ATP Guanosine triphosphate GTP Cytosine triphosphate CTP Substrate phosphorylation Oxidative phosphorylation Ubiquinone Iron-sulfur protein Cytochrome oxidase Malate shuttle,Chemiosmotic hypothesis Uncoupler Creatine phosphase Glutamic oxaloacetic transaminase GOT Glutamic pyruvic transaminase GPT,