05 第四章 生物氧化.ppt

第1页：生物氧化封面

Chapter 4 Biological Oxidation第四章生物氧化

第2页：生物氧化封面（续）

物质在生物体内氧化分解并释放出能量的过程

生物氧化(biologicaloxidation)

What’s biological oxidation?有机物+ O2CO2 + H2O + 能量

第3页：生物体内的生物氧化

• 生物体内的生物氧化过程与体外燃烧不同的是：
• 在37℃，近于中性的含水环境中，由酶催化进行；
• 反应逐步释放出能量，相当一部分能量以高能磷酸酯键的形式储存起来。

第4页：糖原甘油三酯蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨

糖原甘油三酯蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoA呼吸链H2O ADP+Pi ATPCO2生物氧化的一般过程2HTAC

第5页：糖原甘油三酯蛋白质葡萄糖脂酸（续）

Section 1 The Oxidation System of Producing ATP第一节生成ATP的氧化体系

第6页：在线粒体中

在线粒体中，由若干递氢体或递电子体按一定顺序排列组成的，与细胞呼吸过程有关的链式反应体系称为呼吸链(respiratory chain)。一、线粒体氧化呼吸链What’s respiratory chain?

第7页：构成呼吸链

构成呼吸链的递氢体或递电子体通常以复合体的形式存在于线粒体内膜上。

第8页：呼吸链的组成

（一）呼吸链的组成

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第10页：呼吸链的组成（续）

NADH还原酶NADH还原酶催化（NADH+H+）的脱氢反应，从而将2H传递给其辅基FMN，生成FMNH2。

第11页：铁硫蛋白

铁硫蛋白铁硫蛋白(Fe-S)共有9种同工蛋白；分子中含有由半胱氨酸残基硫原子及无机硫原子与铁离子形成的铁硫中心(铁硫簇)，一次可传递一个电子至CoQ。

第12页：铁硫中心的结构

铁硫中心的结构SS无机硫半胱氨酸硫

第13页：铁硫中心的结构（续）

泛醌（CoQ）泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）是游离存在于线粒体内膜中的脂溶性有机化合物，由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可在醌型与氢醌型之间相互转变。

第14页：

第15页：这是一类以铁卟啉为辅基的酶

这是一类以铁卟啉为辅基的酶。在生物氧化反应中，其铁离子可为+2价亚铁离子，也可为+3价高铁离子，通过这种转变而传递电子。细胞色素为单电子传递体。细胞色素根据其铁卟啉辅基的结构以及吸收光谱的不同而分类。细胞色素类

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第17页：细胞色素可存在于线粒体内膜

细胞色素可存在于线粒体内膜，也可存在于微粒体。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Cyt P450和Cyt b5。

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第19页：细胞色素c的分子结构

细胞色素c的分子结构

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第22页：呼吸链组分的排列顺序通过四个方面的实

（二）呼吸链组分的排列顺序通过四个方面的实验可确定呼吸链各组分的排列顺序：①标准氧化还原电位②拆开和重组③特异抑制剂阻断④还原状态呼吸链缓慢给氧

第23页：

第24页：氧化呼吸链

氧化呼吸链的组成⑴NADH氧化呼吸链NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2⑵琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸→复合体Ⅱ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2

第25页：胞液侧基质侧线粒体内膜氧化

胞液侧基质侧线粒体内膜氧化呼吸链的排列顺序Q1/2O2+2H+ H2OⅢⅠⅡⅣ延胡索酸琥珀酸e-Cytce-e-e-e-NADH+H+ NAD+

第26页：胞液侧基质侧线粒体内膜氧化（续）

1．NADH氧化呼吸链：NAD+→[ FMN (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3丙酮酸α-酮戊二酸硫辛酸FAD1/2O2H2O异柠檬酸苹果酸谷氨酸β-羟丁酸β-羟脂酰CoA2e2H2H+

第27页：胞液侧基质侧线粒体内膜氧化（续）

2. 琥珀酸氧化呼吸链：琥珀酸→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2FAD(Fe-S)Cytbα-磷酸甘油脂肪酰CoA[FAD(FP)]H2O2e2H+

第28页：两条电子传递链的关系

两条电子传递链的关系

第29页：氧化磷酸化

二、氧化磷酸化1. 底物水平磷酸化：直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子中的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)。（一）生物体内ATP的生成方式

第30页：底物水平磷酸化

底物水平磷酸化见于下列三个反应：1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP3-磷酸甘油酸激酶⑴⑵丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP⑶琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP

第31页：氧化磷酸化

2. 氧化磷酸化：在线粒体中，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ADP磷酸化生成ATP，这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)。

第32页：氧化磷酸化（续）

（二）氧化磷酸化的偶联部位1. P/O比值：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比例关系，可以反映底物脱氢氧化与ATP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尔数称为P/O比值。

第33页：线粒体离体实验测得的一些底物

线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值

第34页：线粒体离体实验测得的一些底物（续）

合成1molATP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ΔE0’=0.2V。因此，在NADH氧化呼吸链中有三处可以生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可以生成ATP。2. 自由能变化与ATP的生成部位：

第35页：氧化磷酸化

氧化磷酸化的偶联部位

第36页：氧化磷酸化（续）

（三）氧化磷酸化的偶联机制1. 化学渗透假说：目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年由Peter Mitchell提出的化学渗透学说(chemios-motic hypothesis)。

第37页：化学渗透假说

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，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。当质子顺浓度梯度回流时，这种形式的“势能”可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP。

第38页：

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第41页：化学渗透假说（续）

ATP合成模式图

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第43页：高能磷酸键

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>20kJ/mol的磷酸键称为高能磷酸键。主要有以下几种类型：1．磷酸酐键：包括各种多磷酸核苷类化合物，如ADP，ATP，GDP，GTP，CDP，CTP，GDP，GTP及PPi等，水解后可释放出30.5kJ /mol的自由能。（一）高能磷酸键的类型

第44页：混合酐键

• 2．混合酐键：由磷酸与羧酸脱水后形成的酐键，主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。在标准条件下水解可释放出61.9kJ/mol的自由能。
• 3．烯醇磷酸键：见于磷酸烯醇式丙酮酸中，水解后可释放出61.9kJ/mol的自由能。
• 4．磷酸胍键：见于磷酸肌酸中，水解后可释放出43.9kJ/mol的自由能。

第45页：几种常见的高能化合物

几种常见的高能化合物

第46页：几种常见的高能化合物（续）

磷酸肌酸（creatine phosphate, C～P）是骨骼肌和脑组织中能量的贮存形式。磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用，必须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理活动之需。反应过程由磷酸肌酸激酶（CPK）催化完成。

第47页：磷酸肌酸激酶的作用

磷酸肌酸激酶的作用

第48页：磷酸肌酸激酶的作用（续）

（二）ATP循环ATP是生物界普遍使用的供能物质，有“通用货币”之称。ATP分子中含有两个高能磷酸酐键（A-P~P~P），均可以水解供能。ATP水解为ADP并供出能量之后，又可通过氧化磷酸化重新合成，从而形成ATP循环。

第49页：磷酸肌酸激酶的作用（续）

ATP循环ATPADP肌酸磷酸肌酸氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)

第50页：多磷酸核苷间的能量转移在生物体内

（三）多磷酸核苷间的能量转移在生物体内，除了可直接使用ATP供能外，还使用其他形式的高能磷酸键供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白质的合成等。核苷单磷酸激酶NMP + ATPNDP+ ADP核苷二磷酸激酶NDP + ATPNTP+ ADP

第51页：线粒体外

五、线粒体外NADH的穿梭胞液中的3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油或乳酸脱氢，均可产生NADH。这些NADH可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷酸化，产生H2O和ATP。

第52页：磷酸甘油穿梭系统主要存在于脑和骨骼肌

（一）磷酸甘油穿梭系统主要存在于脑和骨骼肌中。NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，由于经琥珀酸氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故只能产生2分子ATP。

第53页：线粒体内膜线粒体外膜膜间腔线粒体基质

线粒体内膜线粒体外膜膜间腔线粒体基质磷酸甘油穿梭系统FADH2NAD+ FADα-磷酸甘油脱氢酶琥珀酸氧化呼吸链磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油NADH+H+ α-磷酸甘油脱氢酶

第54页：苹果酸穿梭系统主要存在于肝和心肌中

（二）苹果酸穿梭系统主要存在于肝和心肌中。胞液中NADH+H+的一对氢原子经此穿梭系统带入一对氢原子，由于经NADH氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故可生成3分子ATP。

第55页：谷氨酸-天冬氨酸转运体苹果酸-α-酮

谷氨酸-天冬氨酸转运体苹果酸-α-酮戊二酸转运体胞液基质NADH +H+ NAD+NADH +H+ NAD+苹果酸草酰乙酸α-酮戊二酸谷氨酸苹果酸脱氢酶谷草转氨酶NADH呼吸链天冬氨酸苹果酸穿梭系统

第56页：二氧化碳的生成在生物体内

六、二氧化碳的生成在生物体内，CO2是通过有机酸的脱羧作用生成的。按照羧基所连接的位置不同，可将有机酸的脱羧作用分为α-脱羧和β-脱羧。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单纯脱羧和氧化脱羧。

第57页：二氧化碳的生成在生物体内（续）

1. •–单纯脱羧：见于氨基酸的脱羧作用。•R-CH-COOHNH2氨基酸脱羧酶R-CH2-NH2+ CO2氨基酸胺α

第58页：–单纯脱羧

2. •–单纯脱羧：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丙酮酸β

第59页：α-氧化脱羧

3. α-氧化脱羧：见于丙酮酸的脱氢与脱羧作用。•丙酮酸脱氢酶系CH3-CO-COOH+ HSCoACH3CO~SCoA + CO2NAD+NADH+H+丙酮酸乙酰CoAα

第60页：–氧化脱羧

4. •–氧化脱羧：见于苹果酸的脱氢与脱羧作用。CO-COOH + CO2CH3CH2-COOHOHCH-COOHNADP+NADPH+ H+苹果酸丙酮酸苹果酸酶β

第61页：第二节 其他氧化体系

第二节其他氧化体系Section 2 The Others Oxidation Enzyme Systems

第62页：不需氧脱氢酶

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O2作为直接受氢体的脱氢酶称为不需氧脱氢酶。能以O2作为直接受氢体的酶称为需氧脱氢酶或氧化酶。氧化酶能直接利用O2为受氢体，产物为H2O；而需氧脱氢酶通常以FAD或FMN为辅基，但可催化底物脱氢并以氧为受氢体，产物为H2O2。

第63页：过氧化物酶体中的氧化酶类过氧化氢酶

二、过氧化物酶体中的氧化酶类过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基为血红素，可催化H2O2的分解反应：2H2O2 2H2O + O2过氧化氢酶（一）过氧化氢酶

第64页：过氧化物酶

过氧化物酶(perioxidase)也以血红素为辅基，可催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物：R + H2O2RO + H2O RH2+ H2O2R + 2H2O 过氧化物酶过氧化物酶（二）过氧化物酶

第65页：超氧物歧化酶呼吸链

三、超氧物歧化酶呼吸链电子传递过程或体内某些物质（如黄嘌呤）氧化时，均可产生超氧离子（O2¯）。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过氧化脂质，损伤生物膜。·

第66页：超氧物歧化酶呼吸链（续）

超氧物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）可催化一分子超氧离子氧化生成O2，而另一分子超氧离子还原生成H2O2：H2O + O2 过氧化氢酶SOD2O2﹣+ 2H+H2O2 + O2 ·

第67页：超氧物歧化酶呼吸链（续）

在真核细胞中存在两种超氧物歧化酶同工酶。一种见于胞液中，以Cu2+、Zn2+作为辅基，称为CuZn-SOD；另一种见于线粒体中，以Mn2+作为辅基，称为Mn-SOD。

第68页：超氧物歧化酶呼吸链（续）

四、微粒体中的氧化酶类加单氧酶(monooxygenase)，又称为混合功能氧化酶(mixed-function oxidase)，催化氧分子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Cyt P450参与。RH + NADPH + H+ + O2ROH + NADP+ + H2O （一）加单氧酶

第69页：超氧物歧化酶呼吸链（续）

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

第70页：加双氧酶催化

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，引起碳链或碳环的断裂，如色氨酸吡咯酶。(O2)色氨酸吡咯酶（二）加双氧酶