第五章生物氧化

第五章生物氧化 第一节概述一、生物氧化：生物体内有机物氧化分解，产生CO2、H2O、释放能量的过程。特点： 1. 化学本质上与体外氧化一样。 2. 在细胞内进行：常温、常压、pH近中性、多水环境。 3. 氧化反应分阶段进行，能量逐步释放：大部分转移到ATP中去，一部分以热能散发，少量产生H2O。 4. 在酶催化下进行，需要辅因子/中间传递体。

二、生物氧化中CO2的生成： 代谢物脱氢、加水——>含羧基的化合物直接脱羧：特殊脱羧酶催化氧化脱羧：脱羧伴随着氧化(脱氢) 三、生物氧化中H2O 的生成：代谢物脱下的氢与吸入的氧结合形成水。四、自由能和氧还电位五、高能键水解时释放 >20.92 kJ/mol自由能。

第二节呼吸链 (respiratory chain) 1. Concept：呼吸链是生物体内氧化还原链的一种，也叫电子传递链(electron-transport chain)。氧化还原链:由 (被氧化的)代谢物、供氢体、传递体、最终受氢体及相应的酶系统组成的代谢途径。包含：呼吸链、微粒体氧化体系、过氧化物酶氧化体系、抗坏血酸氧化体系和多酚氧化酶体系(in plants)。其中，呼吸链有ATP产生，将重点讲述。

第二节呼吸链 (respiratory chain) 1. Concept： • 呼吸链的最终受氢体：氧。 产生H2O。 • 呼吸链的中间传递体：H、H+、e三种。 • 呼吸链的分类：根据最初供氢体<辅因子>的不同，分为两类 NADH+H+ respiratory chain FADH2 respiratory chain

1. Concept：

2. components of respiratory chain： 1). Intracellular site

2. components of respiratory chain：

2. components of respiratory chain： 2). 5 components: • 烟酰胺脱氢酶类: 辅酶为NAD+ \ NADP+ • 黄素脱氢酶类: 辅基FMN \ FAD (分别为NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶的辅基，都含有Fe2+) • Fe S 蛋白: 非血红素的Fe、对酸不稳定的S (单个电子的传递体) • 辅酶Q: 唯一的非蛋白成分。广泛存在于生物中的(泛醌)、脂溶性的酚类物质，侧链以异戊二烯为单位。递氢体：醌2H酚 • 细胞色素蛋白 (see also next page)

2. components of respiratory chain： • 细胞色素蛋白(cytochromes) 以血红素(含铁卟啉)为辅基的色素蛋白，是单个电子的传递体。 • 种类： cyt b、cyt c1、cyt c、cyt aa3。 5种cyt均含铁，cyt a3还含Cu+；除cyt c外，均与线粒体(mitochondrion)紧密结合。 • 形成2个酶： CoQH2-cyt c 还原酶：含cyt b、FeS、cyt c。作用：催化电子由CoQH2传递给cyt c。 Cyt c 氧化酶：含cyt aa3。作用：将电子由cyt c 传递给cyt aa3。

3). Sequences of transporters in respiratory chain Complex I SNADHFMNFeSCoQ SuccinateFAD cyt bFeScyt b1 cyt ccyt aa3O2 Complex II Complex III Complex IV

Respiratory Chain(see also Fig 6.6 on p189)

4. Product of ATP 3 steps: (3 enzyme complex) NADH  CoQ (NADH的电势为-3.2V) CoQ  cyt c Cyt c  O2 呼吸链的电位由低到高(负正) 还原电势越负，则越容易失去电子。

4. Product of ATP

5. Inhibition of electron transport • 抑制剂的作用部位： (中断电子传递) • 此前为还原状态，此后为氧化状态。 • 常见的三类抑制剂及其作用部位： • 1) 鱼藤酮、阿米妥、戊巴比妥 (麻醉剂) • 阻断电子由FMN  CoQ的传递 • 2) 抗霉素A • 抑制电子从cyt b  cyt c1 • 2条呼吸链均无ATP产生 • 3) 氰化物、叠氮化物、CO、H2S (致命) • 抑制电子从cyt aa3  O2

4. Oxidation of NADH in cytoplasm • Reason: NADH could not cross through the membrane of mitochondrion. • 2 Shuttles: (Fig.) 苹果酸穿梭 (肝脏和心肌细胞) 3-P甘油穿梭 (肌肉和大脑细胞) NB: isoenzyme

第三节氧化磷酸化作用 (Oxidative phosphorylation) • Concept: 1). 氧化磷酸化指代谢物氧化脱下来的H与呼吸链的ADP磷酸化生成ATP相偶联。 2). 分类 A.呼吸链的磷酸化作用 (需要氧) B. 底物水平的磷酸化作用 (不需要氧，有氧化和非氧化2种方式) 3). P/O 每消耗1mol氧原子所消耗无机P的mol数。

[ATP]+0.5[ADP] [ATP]+[ADP]+[AMP] 1. Concept: 4). 能荷(energy charge) (Atkinson, 1968) 在总的腺苷酸中所负荷(含有)的高能磷酸基的量。即

2. Mechanism of Oxidative phosphorylation 1). 化学渗透假说 2). 电子传递和 ATP生成偶联及调节 3). 呼吸链磷酸化解偶联及抑制

1). 化学渗透假说 (chemiosmotic hypothesis) Coupling hypothesis: chemical or conformational ~ (omitted) Key points of chemiosmotic hypothesis (Mitchell, 1961) • 呼吸链中的电子传递体在线粒体内膜中有着特定的不对称分布，递氢体与递电子体是间隔交替排列的，催化反应是定向的。 • 在电子-氢的传递中，复合物起着质子泵的作用，将H+从内膜内侧基质泵向内膜外侧，将(2e)电子传给其后的电子传递体。 内膜两侧产生[H+]差质子浓度梯度、电位梯度(差) • 线粒体内膜对H+不透性形成质子浓度梯度(跨膜质子电化学梯度)，使内膜内负外正。这种质子电化学梯度是推动ATP合成的原动力。

Key points of chemiosmotic hypothesis(Mitchell, 1961) ---- cont. • 强大的质子流通过镶嵌在线粒体内膜上的F0F1ATP合成酶(三联体)进入基质时释放的自由能推动ATP合成。 • ATP合成酶复合体结构： 1)头部 F1催化ATP合成 2)柄部(OSCP)是能量转换通道，控制质子的流动速度 对寡酶素蛋白敏感 = = = >？ 3)后基部(F0)横跨线粒体内膜，起到质子通道的作用  ATP生成与电子传递偶联。

Experimental evidences for the hypothesis • 线粒体悬浮于无氧的缓冲液中，通入O2，介质很快酸化。且每消耗1个O就移出4个(底物经FAD氧化)或6个(底物经NAD+氧化)H+。 • 将(内外翻转的)线粒体小泡悬浮于无氧的缓冲液中，通入O2，介质pH值上升。 • 质子不能自由穿过线粒体内膜，氧化磷酸化作用要求内膜完整。跨膜H+浓度梯度和电位梯度不能形成(或一旦破坏)，氧化磷酸化作用就不能进行(或受到破坏)。 • 将嗜盐菌的紫膜蛋白和线粒体F0F1ATP合成酶嵌入脂质体，悬浮在含ADP和Pi的溶液中，照光，紫膜蛋白会摄取H+，生成ATP。

2). 电子传递和 ATP生成偶联及调节 了解寡酶素作用机制后，可知(寡酶素)抑制ATP生成，会间接抑制呼吸链电子传递。 偶联及其调节偶联关系：ATP生成必须以电子传递为前提，只有ATP 生成才能推动电子传递。生物氧化磷酸化的条件：电子传递、O2、ADP、Pi cf 能荷

3). 呼吸链磷酸化解偶联及抑制 此两种抑制剂对底物水平的磷酸化无影响 A.解偶联剂只抑制或破坏ATP生成，但不抑制电子传递过程。即泵出的H+经解偶联剂带回内侧，而不经ATP合成酶，无ATP形成。能量以热能形式散失。----any examples? 如：DNP (2,4二硝基(苯)酚)，可作氢的载体，使H+返回内膜。 电子传递可进行，但无ATP生成。即解偶联。 B.呼吸链磷酸化的抑制剂直接抑制ATP生成，间接抑制电子传递如：寡酶素(已介绍) cf 前述呼吸链的三种抑制剂。

第五章 生物氧化