1、1第 五 章 生 物 氧 化第一节 概 述一、生物氧化(biological oxidation)把营养物质,例如糖、脂肪和蛋白质在体内分解,消耗氧气,生成 CO2 和 H2O 同时产生能量的过程称为生物氧化(biological oxidation)。生物氧化并不是某一物质单独的代谢途径,而是营养物质分解氧化的共同的代谢过程。生物氧化也包括机体对药物与毒物的氧化分解过程。二、生物氧化特点(1)生物氧化是营养物质在细胞内有水存在的环境中进行,机体内的代谢物主要以脱氢、脱羧、水化、加成和化学键的断裂等方式分解,而有机物在体外的燃 烧则需要干燥的环境;(2)生物氧化的反应介质是胞液,其 pH 接近
2、中性;(3)生物氧化中能量的生成是逐步的,并且可以转变成为可以利用的化学能,如 ATP。(4)生物氧化的部位:真核生物的生物氧化发生在线粒体(mitochondria)中,而原核生物 则在细胞膜上。线粒体的特殊结构及其特殊的酶系统,都 为生物氧化提供了便利的条件。三羧酸循环酶系存在于线粒体,由此生成的 NADH+H+ 和 FADH2 可以直接进入呼吸链(respiratory chain)与氧反应生成 H2O,同时伴有 ATP 的合成。第二节 呼吸链(电子传递链)生物氧化中大部分 H2O 是通过呼吸链(respiratory chain )生成的。呼吸链是指排列在线粒体内膜上的一个有多种脱氢酶
3、以及氢和电子传递体组成的氧化还原系统。在生物氧化过程中,底物脱下的 氢(可以表示为 H+e)通过一系列递氢体和电子传递体的顺次传递,最终与氧结合生成水,并释放能量。在这个过程消耗了氧,所以称之为呼吸链。(一)呼吸链的组成除前面提到的不需氧脱氢酶外, 组成呼吸链的递氢体与电 子传递体主要有 NADH 脱氢酶(它以 FMN 为辅 基,又称黄素蛋白)、 铁硫蛋白、各种含 Fe3+的细胞色素以及含 Cu2+的细胞色素c 氧化酶等。2 FMN 黄素单核苷酸(flavin mononucleotide)在呼吸链中作为 NADH 脱氢酶的辅基。 CoQ 辅酶 Q(coenzyme Q),又称泛醌(ubiqu
4、inone)。它是依靠醌式结构与酚式结构之间的变化来传递氢的,是一种递氢 体。 铁硫中心 铁硫中心(iron-sulfur center )又叫铁硫簇(iron-sulfur clusters),是铁硫蛋白(iron-sulfur protein)的活性中心。铁硫蛋白又称为非血红素铁蛋白(nonheme iron protein)。铁硫中心有一铁一硫(Fe-S),二铁 二硫(2Fe-2S)和四铁四硫(4Fe-4S )几种不同类型,通 过铁原子的化合价的变化(Fe3 +/Fe2+)传递电子。 细胞色素 细胞色素是一类含有血红素(heme)铁卟啉(iron porphyrin)的蛋白质,它也是借助
5、铁原子化学价的互变传递电子。根据其在可 见光范围 的吸收光谱分为 a,b,c 三类。呼吸链末端的是细胞色素 aa3(Cytaa3),也称为细胞色素氧化酶(cytochrome oxidase)或细胞色素 C 氧化酶(cytochrome C oxidase)或末端氧化酶(terminal oxidase)除了含有血红素铁蛋白以外,还含 Cu2+。细胞色素 a 通 过 Cu2+将获得的电子直接传递给氧原子,使其变成氧离子(O 2-)。(二)两条呼吸链及其排列顺序线粒体内膜上的脱氢酶与递氢体和电子传递体组成了四种复合物,形成了两条既有 联系又独立的呼吸链(表 5-1)。复合物的成分为 NADH-Q
6、 还原酶(NADH-Q reductase);复合物为琥珀酸-Q 还原酶(succinate-Q reductase);复合物为 Q-细胞色素 c 还原酶(Q-cytochrome c reductase);复合物为细胞色素 c 氧化酶(cytochrome c oxidase )。表 5-1 呼吸链复合体复合物 酶名称 亚基 辅基 NADH-Q 还原酶 39 FMN,FeS 琥珀酸-Q 还原 酶 4 FAD,FeS,铁卟啉 Q-细胞色素 c 还原酶 10 铁卟啉,FeS 细胞色素 c 氧化酶 13 铁卟啉,Cu 2+1. NADH 呼吸链或长呼吸链:由复合物、 组合组成以 NADH 为首的传
7、递链,排列顺序如下:2. 琥珀酸脱氢酶(也称 FAD 呼吸链)或短呼吸链:由复合物、组合组成以琥珀酸脱氢酶为首的传递链,排列顺序如下:3这两条呼吸链的和复合物是共同的。呼吸 链传递氢和 电子的机制如图所示。图 5-1 呼吸链电子传递机制3. 呼标准氧化还原 电位吸链中各个递氢体与电子传递体的位置是根据各个氧化还原对的标准氧化还原电位从低到高排列的(见表 5-2 所列出的数据),与按照自由能由高到低的排列顺序可以得到有同样的结果。表 5-2 呼吸链中各氧化还原对的标准氧化还原电位氧化还原对 0ENAD+ / NADH+H+ -0.32FMN / FMNH2 -0.30FAD / FADH2 -0
8、.06Cytb Fe3+ / Fe2+ -0.04(或 0.10)Q10 / Q10H2 0.07Cytc1 Fe3+ / Fe2+ 0.22Cytc Fe3+ / Fe2+ 0.25Cyta Fe3+ / Fe2+ 0.29Cyta3 Cu2+ / Cu+ 0.55 O2 / H2O 0.82(三)呼吸链的抑制作用呼吸链是一个由各种递氢体和电子传递体按一定的顺序所组成的传递链,因此,只要其中某一个传递体受到抑制,将阻断整个 传递链, 这就是呼吸链 的抑制作用。能够阻断呼吸链中某部位的电子传递的物质称为电子传递抑制剂。常 见的电子传递 抑制剂有:1. 阻断 NADHCoQ 氢和电子传递的有鱼藤
9、酮(rotenone)、安密妥(amytal)和杀粉蝶菌素(piericidin)。2. 阻断 CoQCytc 1电子传递 的有抗霉素 A(antimycin A)。它是由链霉素分离出来的一种4抗生素,可干扰细胞色素还原 酶中的电子传递。3. 阻断 Cytaa3O 2电子传递的有氰化物(cyanide,CN -),如氰化钾(KCN)、氰化钠(NaCN),叠氮化物(azide,N 3-)和一氧化碳(CO)。(四)胞液 NADH 进入线粒体的穿梭机制1. -磷酸甘油穿梭 此穿梭过程主要是依靠胞液中的 -磷酸甘油脱 氢酶(glycerol-phosphate dehydrogenase)的催化。2. 苹果酸穿梭 同上述穿梭机制不同,苹果酸穿梭机制是依靠位于胞液和线粒体中的苹果酸脱氢酶(malate dehydrogenase)来实现转移 NADH 进入线粒体的。