中国海洋大学生物化学课件第十七章 生物氧化讲义

第十七章生物氧化目的和要求：了解生物氧化的概念和生物氧化体系的类型；掌握电子传递链的组成成分的结构和电子传递过程；掌握ATP合酶的结构、氧化磷酸化的机制和电子传递和氧化磷酸化的耦联机制，细胞溶胶内NADH再氧化途径，会计算葡萄糖等物质完全氧化能量代谢；了解电子传递抑制剂和氧化磷酸化解偶联剂类型和作用。

一、生物氧化概论㈠、生物氧化的涵义一切生物都靠能量维持生存，生物体所需的能量大都来自体内糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化人们把有机分子糖、脂、蛋白质等在活细胞内氧化分解，产生CO2、H2O 并释放能量形成ATP 的过程称生物氧化。

㈡、生物氧化的特点体温条件下，有机分子经系列酶促反应，逐步氧化释能，可以使放出的能量得到最有效的利用。

在氧化过程中产生的能量一般都贮存在一些特殊的化合物中，主要是ATP。

二、生物氧化体系的类型㈠、无传递体的生物氧化体系(一酶体系)代谢经氧化酶或需氧脱氢酶作用后，直接以1 分子氧为受体生成H2O 或H2O2；由需O2 脱氢酶催化产生的H2O2，可用来氧化体内的其它物质或分解为H2O 及O2⒈氧化酶体系氧化酶的作用为其分子中的金属离子(如Cu2+) 直接从代谢物中脱出氢取得电子；将电子传给分子氧使之活化，活化氧(O2-)与游离在溶液中的H+结合成水由氧化酶催化的反应不能在无氧情况下进行，因为不能用其它受氢体代替氧，如：多酚氧化酶和抗坏血酸酶⒉需氧脱氢酶体系需氧脱氢酶能激活代谢物中的氢，将脱出的氢和一对电子传递给脱氢酶的辅酶；有氧条件下，还原态辅酶(FMNH2 和FADH2)能将由氢放出的2 个电子传给分子氧使之活化成过氧离子；无氧条件下,还原态辅酶(FMNH2 和FADH2)能将由氢放出的2 个电子传给亚甲蓝或醌为受氢体而使反应㈡、进行需传递体的生物氧化体系生物体内的主要氧化体系，由不需氧脱氢酶及一种或一种以上的传递体参加反应，电子传递过程:还原型辅酶或辅基通过电子传递再氧化，这个过程称电子传递过程⒈电子传递链电子传递链：电子从还原型辅酶或辅基通过一系列电子亲和力递增顺序排列的电子载体传递到分子氧所经历的途径。

NADH 呼吸链：是由NAD-脱氢酶或-NADP 脱氢酶、黄酶、辅酶，细胞色素体系和一些铁硫蛋白组成的氧化还原体系。

FADH2 呼吸链：与NADH 呼吸链相比，底物脱下的氢不经NAD 而直接交给黄酶的辅基FAD，即少了NADH 呼吸链中的前面的一个组分；线粒体酶参与物质代谢的酶类: 三羧酸循环,脂肪酸氧化；电子传递相关酶:电子传递到氧分子,形成水,释放出自由能。

ATP 合酶：合成ATP；物质能量运输有关酶或蛋白类,ATP/ADP 交换体。

⒉电子传递链的特点电子载体按照亲电子力递增的顺序排列，电势自高向低；电子传递过程中伴随着自由能的释放，释放的自由能可用来合成ATP；原核细胞存在于质膜上，真核细胞存在于线粒体上的内膜上；生物体有两条典型的电子传递链即NADH 呼吸链和FADH2 呼吸链；三、电子传递链的组成和性质㈠、NADH-Q 还原酶NADH 脱氢酶，复合体I，相对分子量850kD，至少34 条多肽链；辅基，FMN, Fe-S,UQ电子传递过程：NADH→FMNH2；NADH+H++FMN→FMNH2+NAD+；FMNH2→Fe-S2Fe3+→2Fe2+；FeS→QH2；是否有Q 的循环过程？释放自由能的过程,-69.5KJ/mol,将四个质子排出细胞基质。

㈡、辅酶Q泛醌, 脂溶性辅酶, 可与膜结合或游离。

CoQ 不但可接受NADH 脱氢酶的氢，还接受线粒体其它黄素酶类脱下的电子和氢，在电子传递链中居于中心位置。

呼吸链中是一个和蛋白质结合不紧的辅酶，使它在黄素蛋白类和细胞色素之间能够作为一种灵活的载体而起作用。

电子除以上两种来源外，还可以接受来自3-磷酸甘油脱氢酶FADH2，或脂酰COA 脱氢酶FADH2转移来的一对电子。

㈢、琥珀酸-Q 还原酶复合体II，嵌在线粒体内膜内的酶蛋白，完整酶包括琥珀酸脱氢酶，辅基FAD Fe-S, 和（或）Cytb562 电子传递过程㈣、细胞色素还原酶复合体III, 辅酶Q-细胞色素c 还原酶,细胞色素bc1 复合体,bc1，辅基:血红素b562 b566 c1和Fe-S电子转移途径：QH2(e)→Fe-S→cytC1→cytC，Q- (e)→b566→b562→QH2 Q 循环作用：将电子从QH2 转移到细胞色素C；标准自由能释放-36.7Kj/mol，将四个质子排出基质。

细胞色素：一类含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称；还原型的细胞色素具有明显的可见光谱吸收现象,αβγ三条吸收峰,根据吸收峰的差异分为a,b,c 三类；每一类中根据其血红素辅基α吸收峰的差异(b566,b562;c,c1)或在蛋白质分子中的分布位置(a,a3)分为不同类别㈤、细胞色素C球形蛋白,13 000;唯一能溶于水的细胞色素;了解最透彻的细胞色素蛋白；Fe 与甲硫氨酸残基的硫原子和组氨酸的氮原子相连;血红素基团由赖氨酸残基形成环状包围,可与细胞色素还原酶或细胞色素氧化酶的负电荷部位结合,进而引起电子转移到Fe-S；无血红素细胞色素c(细胞溶胶)可通过线粒体外膜蛋白通道自由扩散到内外膜间隙,在细胞色素c 血红素裂合酶催化下与血红素结合,引起构象变化,被锁在内外膜间,成为成熟的细胞色素c；作用：复合体III 和IV 间传递电子㈥、细胞色素氧化酶细胞色素c 氧化酶,复合体IV,跨膜蛋白,十个亚基组成；四个氧化还原中心:血红素a,a3(所处位置不同)和两个铜离子Cu A,Cu B(结合蛋白不同)；组成两个单位或簇:血红素a-Cu A 位于亚基II; 血红素a3-Cu B 位于亚基IcytC→Cu A→cyta→cyta3→Cu B→O2标准自由能释放：-112kJ/mol，一对电子传递将2 个质子排出基质。

电子传递的总路线，为什么为什么是这样一个顺序呢？与物理学电流形成一致。

四、电子传递的抑制剂能够阻断电子传递链中某部位电子传递的物质,称为电子传递链；利用专一性的电子传递抑制剂选择性地阻断电子传递链中某个步骤，再测定各个组分的氧化-还原态情况，是研究的传递链顺序的一种重要方法鱼藤酮,安密妥,杀粉蝶菌素,阻断电子由NADH 向CoQ 的传递抗菌素链霉菌分离的抗菌素,抑制电子传递b 到c1 的传递作用氰化物,硫化氢,叠氮化合物,CO，阻断电子由aa3 传向分子氧五、氧化磷酸化氧化磷酸化：与生物氧化作用相伴而产生,将生物氧化过程中释放的自由能用于使ADP 和无机磷酸生成高能ATP的作用,是需氧细胞生命活动的主要能量来源底物水平磷酸化：物质代谢过程中,直接由一个代谢中间产物上的磷酸基团转移到ADP 分子上,形成ATP的作用光合磷酸化：在光合作用相伴而产生的,将电子传递过程中释放的自由能用于使ADP 和无机磷酸生成高能ATP的作用㈠、氧化磷酸化学说⒈三种偶联假说⑴P/O 比：指当一对电子通过呼吸链传至氧所产生的ATP 的摩尔数能量偶联假说：化学偶联假说、构想偶联假说、化学渗透假说⑵化学偶联假说：1953 年,Edward Slater 最先提出,电子传递过程中产生了一种高能共价化合物,高能化合物将能量转移给ADP合成ATP,但磷酸化作用中一直未找到任何一种活泼的高能中间化合物。

⑶构象偶联学说：1964 年,Paul Boyer 最先提出,电子传递链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能形式，这种高能形式通过ATP 的合成而恢复其原来的构象。

至今未能找到有力的实验证据，但仍可能包含由不同形式的构象偶联现象。

⑷化学渗透假说：1961 年，英国生物化学家Peter Mitchell 最先提出的,后与Moyle 修改。

电子传递释放出的自由能和ATP合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。

电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，形成跨线粒体内膜的H+电化学梯度，驱动ATP的合成。

1978 年，诺贝尔化学奖。

化学渗透学说的评价线粒体内膜对H+,OH-,K+和Cl-等离子不通透；需要封闭的线粒体内膜存在；破坏H+浓度梯度的形成必然引起破坏氧化磷酸化的进行；电子传递的电子流能够将H+从线粒体内逐出到线粒体膜间隙；膜表面不仅能滞留大量电子,而且在一定条件下,质子沿膜表面迅速的转移,其速度超过在水相中的速度；质子的泵出和质子的泵入速度大致相同；跨膜质子电势和质子跨膜循环在能量偶联中起关键作用得到共识；质子如何通过电子传递链而被逐出的?目前仍然是疑问.⒉质子梯度的形成⑴氧化还原回路机制⑵质子泵机制蛋白质构象变化,侧链基团交替暴露在内膜的内外侧,质子发生移位㈡、ATP合酶结构F0F1-ATP 酶哑铃形⒈F1单元：球形结构,直径8.5-9.0nm，五种不同多肽链组成，α3β3γδε，相对分子量378 000，催化部位β亚基上，δ亚基是F0 和F1 相连必须的。

⒉F0 单元：跨膜的疏水蛋白，质子通道，a、b、c 三种亚基；四种多肽链组成，相对分子量25 000、21 000、12 000 和8 000,9-12 条8 000 肽链可能组成c,寡霉素和二环己基碳二亚胺结合位点，抑制质子通过F0柄部: 寡霉素敏感性付与蛋白和偶合因子6 两种蛋白。

㈢、结合变化机制F1 的3 个β亚基存在三种互不相同的状态L, 与底物结合松弛，对底物无催化能力；T，紧密结合，具催化能力；O，开放形式底物亲和力极低；构象变化是连续发生的；驱动力：质子动力和膜电势；三个H+通过F0-F1 接头处，导致合成一个ATP 分子。

Paul Boyer 提出结合变化机制, 1997 年与JohnWalker 诺贝尔化学奖㈣、电子传递和氧化磷酸耦联机制目前对氧化磷酸机理的认识一对经电子传递链转移质子的数量：复合体I 四个电子；复合体II 0 个电子；复合体III 两个电子；复合体IV 四个电子ATP 合酶对电子的利用：产生一分子的ATP 共需要四分子质子跨膜运输，其中三分子用来驱动ATP 的合成，一分子用于驱动ADP，ATP 等跨膜运输。

一分子NADH 经电子传递和氧化磷酸化共产生2.5 分子ATP；一分子FADH2 经电子传递和氧化磷酸化共产生1.5 分子ATP㈤、氧化磷酸化的解偶联和抑制⒈特殊试剂的解偶联作用⑴解偶联剂：使电子传递和ATP 形成两个过程分离。

它只抑制ATP 的形成过程，不抑制电子传递过程，使电子传递所产生的自由能变为热能，如二硝基苯酚。

⑵氧化磷酸化抑制剂：既抑制氧的利用又抑制ATP 的形成,但不直接抑制电子传递链上的载体作用，其抑制作用是直接干扰ATP 的生成过程，结果也使电子传递不能进行，寡霉素就属于这一类抑制剂。

⑶离子载体抑制剂：一类脂溶性物质,能与某些离子结合,并作为它们的载体使这些离子能够穿过膜，它和解偶联剂的区别在于它是作为H+以外的其它一价阳离子的载体,如缬氨霉素能够结合K+ 离子,与之形成脂溶性复合物,从而很容易地使K+通过膜⒉机体特殊组织正常的生理现象⑴褐色脂肪组织: 甘油三酯和大量线粒体；线粒体内膜上有产热素蛋白存在,控制内膜对质子的通透性；产热素受游离脂肪酸激活,被嘌呤核苷酸抑制；正肾上腺激素通过信号转导激活细胞内脂酶活性,促进甘油三酯的水解,游离脂肪酸浓度升高；维持体温有重要的生理意义。