第七章生物氧化.doc

第六章 生物氧化第一節(jié) 概述一、生物氧化的意義生物機(jī)體在生命過程中需要能量，如生物合成、物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、運(yùn)動、思維和信息傳遞等都需要消耗能量，這些能量從哪里來呢？能量的來源，主要依靠生物體內(nèi)糖、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)化合物在體內(nèi)的氧化。有機(jī)物質(zhì)在生物細(xì)胞內(nèi)氧化分解，最終徹底氧化成二氧化碳和水，并釋放能量的過程，稱為生物氧化。生物氧化是在細(xì)胞中進(jìn)行的，所以生物氧化又稱為細(xì)胞呼吸。生物氧化為機(jī)體生命活動所需要的能量。真核生物細(xì)胞的生物氧化在線粒體中進(jìn)行，原核生物細(xì)胞，生物氧化在細(xì)胞質(zhì)膜上進(jìn)行。二、生物氧化的特點(diǎn)生物氧化與體外物質(zhì)氧化或燃燒的化學(xué)本質(zhì)是相同的，最終產(chǎn)物是二氧化碳和水，所釋放的能量也相等。但生物氧化與非生物氧化所進(jìn)行的方式不同，其特點(diǎn)為：1、生物氧化在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，是在體溫和接近中性PH和有水的環(huán)境進(jìn)行的，是在一系列酶、輔酶和傳遞體的作用下逐步進(jìn)行的，每一步反應(yīng)都放出一部分能量，逐步釋放的能量的總和與同一氧化反應(yīng)在體內(nèi)進(jìn)行是相同。這樣不會因氧化過程中能量驟然釋放，體溫突然上升而損害機(jī)體，而且釋放的能量也能有效地利用。2、生物氧化過程所釋放的能量通常先貯存在一些高能化合物如ATP中，ATP相當(dāng)于生物體內(nèi)的能量轉(zhuǎn)運(yùn)站。3、有機(jī)化合物在體內(nèi)外是碳在氧中燃燒，產(chǎn)生二氧化碳，而生物氧化是通過羧酸脫羧作用產(chǎn)生二氧化碳。第二節(jié) 線粒體氧化體系生物體內(nèi)存在多種氧化體系，其中最重要的是存在與線粒體中線粒體氧化體系。此外還有微粒體氧化體系、過氧化體氧化體系、細(xì)菌的生物氧化體系等。一、呼吸鏈的概念在生物氧化過程中，代謝物的氫由脫氫酶激活，脫下來的氫經(jīng)過幾種傳遞體的傳遞，將電子傳遞到細(xì)胞色素體系，最后將電子傳遞給氧，活化的氫（H+）和活化的氧（O2-）結(jié)合成水，在這個(gè)過程中構(gòu)成的傳遞鏈稱為電子傳遞鏈，或呼吸鏈。二、呼吸鏈的組成構(gòu)成呼吸鏈的成分有20多種。大致可將它們分成五類。即以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶類；以FAD或FMN為輔基的黃素蛋白酶類；鐵硫蛋白類；泛醌和細(xì)胞色素類。依具體功能又可分為遞氫體和遞電子體。（一）遞氫體在呼吸鏈中即可接受氫又可把所接受的氫傳遞給另一種物質(zhì)的成分叫遞氫體，包括：1、NAD+和NADP+NAD+和NADP+是不需氧脫氫酶的輔酶。它們分別可與不同的酶蛋白組成多種功能各異的不需氧脫氫酶。輔酶分子能可逆地加氫和脫氫。2、FAD和FMNFAD和FMN是黃素蛋白（又稱黃素酶）類的輔基。它們能可逆地加氫和脫氫。3、泛醌泛醌（Q），因廣泛分布與生物界并具有醌的結(jié)構(gòu)而得名。它以1，4-苯醌作為傳遞H+和e的反應(yīng)核心，氧化還原過程是先接受一個(gè)H+和e變成半醌，在接受一個(gè)H+和e變成氫醌。氧化還原總反應(yīng)為：（二）遞電子體 既能接受電子又能將電子傳遞出去的物質(zhì)叫做遞電子體。呼吸鏈中的遞電子體包括兩類。1、鐵硫蛋白類 鐵硫蛋白（Fe-S）是存在于線粒體內(nèi)膜上的一類與電子傳遞有關(guān)的蛋白質(zhì)?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的鐵硫蛋白有九種，各種鐵硫蛋白中均含有鐵和對硫不穩(wěn)定的硫，用硫酸處理可釋放出H2S。Fe-S代表鐵硫蛋白電子傳遞的反應(yīng)中心，即稱鐵硫中心。Fe-S中的Fe均與蛋白質(zhì)分子中半胱氨酸殘基上的-SH中的S結(jié)合。 鐵硫中心的Fe原子能可逆地獲得和丟失電子，在呼吸鏈中起到傳遞電子的作用：2、細(xì)胞色素類細(xì)胞色素（Cyt）是廣泛分布于需氧生物線粒體內(nèi)膜上的一類傳遞電子的色素蛋白，其輔基為含鐵卟啉的衍生物。參與線粒體生物氧化體系的有Cyta、a3、b、c和c3。Cyta、b和c的輔基分別是血紅素A、B和C。細(xì)胞色素電子傳遞作用就是依靠分子中鐵離子化合價(jià)的可逆變化而實(shí)現(xiàn)的。目前尚不能將Cyta和a3分開，故將它們合稱為細(xì)胞色素氧化酶。它們靠分子中所含的銅的氧化還原變化（ ）來實(shí)現(xiàn)電子傳遞作用。三、呼吸鏈中傳遞體的排列順序呼吸鏈中氫和電子的傳遞有嚴(yán)格的順序和方向，這些順序和方向是根據(jù)各種遞氫體和遞電子體的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位數(shù)值的測定，并利用某些特異的抑制劑切斷其中的電子流后，再測定電子傳遞鏈中各組分的氧化還原態(tài)，以及在體外將電子傳遞體重新組成呼吸鏈等實(shí)驗(yàn)而得到結(jié)論。用去垢劑溫和處理線粒體內(nèi)膜，可以得到四種電子傳遞復(fù)合體，每一種復(fù)合體代表完整呼吸鏈的一部分，具有各自獨(dú)特的功能。復(fù)合體：指呼吸鏈從NAD+到泛醌之間的組分，整個(gè)復(fù)和物嵌在線粒體內(nèi)膜上。NADH脫下的氫經(jīng)復(fù)合體中FMN、鐵硫蛋白等傳遞給Q，與此同時(shí)拌有質(zhì)子從線粒體基質(zhì)轉(zhuǎn)移到線粒體外（膜間隙）。復(fù)合體：介于琥珀酸到泛醌之間，能將2H從琥珀酸傳給FAD，然后經(jīng)鐵硫蛋白傳遞至Q。Q可以接受復(fù)合體和傳遞的氫，將質(zhì)子釋放到線粒體基質(zhì)中，將電子傳遞給復(fù)合體。復(fù)合體：從Q到細(xì)胞色素C之間的呼吸鏈組分，包含Cytb、c1、鐵硫蛋白以及其他多種蛋白質(zhì)。復(fù)合體在Q和細(xì)胞色素之間傳遞電子，與此同時(shí)拌有質(zhì)子從線粒體基質(zhì)中轉(zhuǎn)移到線粒體外。復(fù)合體：又稱細(xì)胞色素氧化酶，包括細(xì)胞色素Cytaa3，電子從細(xì)胞色素C通過復(fù)合體傳遞給氧，同時(shí)引起質(zhì)子從線粒體基質(zhì)向外流動。因此，代謝物氧化脫下的氫及電子在四個(gè)復(fù)合體中的傳遞順序是：代謝物脫下的氫及電子經(jīng)復(fù)合體或傳遞給Q，Q將氫釋放在線粒體基質(zhì)中，將電子傳遞給復(fù)合體，復(fù)合體再將電子轉(zhuǎn)移給復(fù)合體，最后將電子傳遞給氧。這樣活化的氧可與基質(zhì)中的氫結(jié)合成水。整個(gè)呼吸鏈電子傳遞的同時(shí)，伴有質(zhì)子從線粒體基質(zhì)流向線粒體外，從而產(chǎn)生質(zhì)子跨膜梯度，形成膜電位，導(dǎo)致ATP的生成。四、呼吸鏈的類型呼吸鏈按其組成成分、排列順序和功能上的差異分為兩種。1、NADH呼吸鏈該呼吸鏈由還原型輔酶I作為起始而得名。是人和動物細(xì)胞內(nèi)的主要呼吸。這是因?yàn)橛袡C(jī)物質(zhì)在氧化過程中的大多數(shù)脫氫酶都是以NAD+作用輔酶的緣故。NADH呼吸鏈的組分和排列順序如圖：2、FAD呼吸鏈 該呼吸鏈以FADH2起始而得名。體內(nèi)尚有許多代謝物以FAD為輔基的酶參與脫氫氧化作用。FAD呼吸鏈個(gè)組分和排列順序如圖：五、呼吸鏈的作用無論是NADH呼吸鏈還是FAD呼吸鏈，都可將代謝物上脫下的氫與氧結(jié)合生成水，同時(shí)為機(jī)體生命活動提供能量。（一）代謝水的生成根據(jù)兩種呼吸鏈顯示，呼吸攝入的氧與氫反應(yīng)生成水。也就是說代謝物脫下的氫（2H+e），通過遞氫體和遞電子體最終使氧激活（1/2O2+2eO2-），活化的氧與基質(zhì)中的2個(gè)氫化合成水，完成呼吸鏈的一次全程傳遞。這種方式生成的水稱代謝水。若無氧的存在，呼吸鏈也就無法進(jìn)行。需氧生物不能生存的主要原因就是呼吸鏈對氧的絕對需求，呼吸鏈的正常傳遞為機(jī)體提供了足夠的能量。（二）能量的生成體內(nèi)ATP形成有兩種方式，與呼吸鏈有關(guān)的是氧化磷酸化方式。1、氧化磷酸化：供機(jī)體生命活動的能量主要來自氧化磷酸化作用。1）定義：代謝物脫下的氫在呼吸鏈一系列氫轉(zhuǎn)移和電子傳遞的氧化過程中釋放能量使ADP磷酸化生成ATP的過程。2）氧化磷酸化的偶聯(lián)部位：實(shí)驗(yàn)證明，代謝物脫下的氫經(jīng)NADH呼吸鏈氧化生成水的P/O比值為3（P/O即為無機(jī)磷酸消耗的摩爾數(shù)與氧原子消耗的摩爾數(shù)之比），即消耗1摩爾氧可生成3摩爾ATP，經(jīng)FAD呼吸鏈氧化生成水的P/O，即消耗1摩爾氧原子可生成2摩爾ATP。這樣，在NAD呼吸鏈中存在著兩個(gè)磷酸化偶聯(lián)部位。3）氧化磷酸化機(jī)制目前被普遍接受的是化學(xué)滲透學(xué)說。該學(xué)說主要論點(diǎn)是呼吸鏈存在與于線粒體內(nèi)膜上，當(dāng)進(jìn)行氧化時(shí)，呼吸鏈中的復(fù)合體起質(zhì)子泵作用，質(zhì)子被泵出線粒體內(nèi)膜的外側(cè)，形成質(zhì)子濃度的內(nèi)低外高的濃度梯度，這樣造成了膜內(nèi)外兩側(cè)跨膜的化學(xué)電位差，其中蘊(yùn)藏著電化學(xué)能量，此能量能使ADP磷酸化生成ATP。4）氧化磷酸化的影響因素影響呼吸鏈的任何因素都影響氧化磷酸化的正常進(jìn)行，可將這些因素可分為三種類型：A：呼吸鏈抑制劑 這些物質(zhì)以專一的結(jié)合部位抑制呼吸鏈的正常傳遞，影響氧化磷酸化作用，從而妨礙或破壞能量的供給，如：阿米妥（麻醉藥）、魚藤酮（殺蟲劑）、大黃酸等抑制NADHQ之間的氫傳遞，抗霉素A抑制QCytc之間的電子傳遞，氰化物、疊氮化物、CO和H2S則抑制細(xì)胞Cytaa3與氧之間的電子傳遞。B：解偶聯(lián)劑 這些物質(zhì)并不影響呼吸鏈中的電子傳遞，而解除氧化磷酸化的偶聯(lián)作用。如：2，4-二硝基苯酚（DNP），使ADP不能磷酸化形成ATP。又如：感冒或患某種傳染性疾病時(shí)，體溫升高就是細(xì)菌或病毒產(chǎn)生某種解偶聯(lián)劑，影響氧化磷酸化的正常進(jìn)行，導(dǎo)致較多的能量轉(zhuǎn)變成熱能。C：離子載體抑制劑 這些物質(zhì)可與K+、Na+形成脂溶性復(fù)和物，將線粒體內(nèi)的K+、Na+轉(zhuǎn)移到胞液，在轉(zhuǎn)移過程中消耗了能量，從而抑制了ADP磷酸化生成ATP的作用。這些抑制劑主要有短桿菌肽、纈霉素等。2、底物磷酸化底物分子內(nèi)部能量重新分布形成高能磷酸酯鍵拌有ADP磷酸化生成ATP的作用，稱為底物磷酸化。底物磷酸化與呼吸鏈的電子傳遞無關(guān)。例如：六、能量的貯存與利用生物體內(nèi)能量的生成、貯存和利用總是圍繞ADP磷酸化的吸能反應(yīng)和ATP水解放能反應(yīng)進(jìn)行的。1、能量貯存機(jī)體能量供大于求時(shí)，ATP在磷酸肌酸那的作用下，將其所含的能量轉(zhuǎn)移給肌酸C，以磷酸肌酸（CP）形式貯存。因此，磷酸肌酸是生物體能量的貯存形式。2、能量的利用機(jī)體能量供不應(yīng)求時(shí)，在酶的作用下，磷酸肌酸可將貯存的能量交給ADP磷酸化生成ATP以供能量所需。ATP是能量的直接供應(yīng)者。第三節(jié) 非線粒體氧化體系線粒體以外的氧化體系被稱為為非線粒體氧化體系，包括微粒體氧化體系，過氧化體氧化體系等。該體系與能量生成無關(guān)，但具有特定的生理功能。一、微粒體氧化體系微粒體氧化體系存在于細(xì)胞的光滑內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上。其組成成分復(fù)雜，目前尚不完全，根據(jù)催化底物氧化反應(yīng)情況不同，可將它們分為兩種類型。1、加單氧酶系加單氧酶是由NADP-細(xì)胞色素P450還原酶、細(xì)胞色素 P450、FAD等組成的一種復(fù)雜酶系。其催化作用使氧分子中的一個(gè)氧原子被加到底物分子上，而另一氧原子與NADPH+ H+上的兩個(gè)質(zhì)子化合成水。因催化作用具有雙重功能又稱為混合功能氧化酶，又因催化底物發(fā)生羥化反應(yīng)，也稱為羥化酶。RH+NADPH+H+O2ROH+NADP+H2O加單氧酶的主要功能是：參與體內(nèi)正常的物質(zhì)代謝。如腎上腺皮質(zhì)類固醇的羥化、類固醇激素的合成、維生素D3的羥化以及膽汁酸、膽色素的形成等反應(yīng)都與其有關(guān)；參與某些毒物（如苯胺）和藥物（如嗎啡等）解毒轉(zhuǎn)化和代謝清除反應(yīng)。2、加雙氧酶系加雙氧酶又稱轉(zhuǎn)化酶。催化兩個(gè)氧原子直接加到底物分子特定的雙鍵上，使該底物分子分解成兩部分。其催化的反應(yīng)通式可表示為：二、過氧化體氧化體系1、過氧化氫的生成 過氧化體中含較多的需氧脫氫酶，它們可分別催化L-氨基酸、D-氨基酸、黃嘌呤等物質(zhì)脫氫酶氧化，產(chǎn)生過氧化氫。由于多種需氧脫氫酶的催化作用使機(jī)體產(chǎn)生了大量的過氧化氫，造成對機(jī)體的影響。2、過氧化氫對機(jī)體的影響 過氧化氫對機(jī)體的作用有兩重性。有利的方面表現(xiàn)在：在粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中可殺死吞噬進(jìn)來的有害細(xì)菌。在甲狀腺中參與酪氨酸的碘化反應(yīng)有利于甲狀腺素的合成等。然而，過氧化氫具有毒性，產(chǎn)生過多對機(jī)體會造成危害：氧化含巰基的酶或蛋白，導(dǎo)致它們喪失活性。氧化生物膜中的不飽和脂肪酸形成過氧化脂質(zhì)，損傷膜功能。過氧化脂質(zhì)與蛋白質(zhì)結(jié)合后進(jìn)入溶酶體，難以分解排除，積累成脂褐色素顆粒。3、機(jī)體對過氧化氫的處理和利用 在過氧化體中存在著能分解過氧化氫的酶類。它們可將過氧化氫轉(zhuǎn)化為機(jī)體無害的物質(zhì)重新利用起來。1）過氧化氫酶 過氧化氫酶又稱觸酶，是含鐵卟啉的結(jié)合酶，能催化過氧化氫分解成水和氧：2）過氧化物酶 過氧化物酶也是含鐵卟啉的結(jié)合酶。它可催化酚類或胺類物質(zhì)脫氫，并使脫下的氫與H2O2反應(yīng)生成水。反應(yīng)如下：3）谷胱甘肽過氧化物酶 在許多組織細(xì)胞中（尤其是紅細(xì)胞中）存在著含硒的谷光甘肽過氧化物酶?？纱呋€原型谷胱甘肽（G-SH）與過氧化氫反應(yīng)，使過氧化氫分解，從而保護(hù)膜脂和紅細(xì)胞免受氧化，維持它們的正常功能。三、自由基與超氧化物歧化酶1、自由基的概念大多數(shù)化學(xué)鍵由雙電子組成。這些鍵在斷裂時(shí)有兩種方式：一種是異裂后使兩電子全部分配給裂解后的產(chǎn)物之一而形成離子（A：BA+ + ：B-）；另一種是均裂后將兩電子平均分配給裂解后的兩部分，生成在水溶液中呈均一態(tài)的具有未配對電子的產(chǎn)物（A：BA。 + B。）。常將帶有未配對電子的原子或化學(xué)基團(tuán)稱自由基。如：NO（O=N。）、I。、HO。、O2。-等均為帶有未配對電子的自由基。2、自由基的危害生物體在代謝過程中產(chǎn)生的自由基主要是超氧化陰離子（O2。-）和羥基自由基（HO。）及其它們的活性衍生物。在生理?xiàng)l件下，生物體內(nèi)96%-99%的氧通過呼吸鏈中的細(xì)胞色素氧化酶催化而還原成水，近1%-4%的氧產(chǎn)生超氧化陰離子、羥基自由基和過氧化氫。當(dāng)線粒體的結(jié)構(gòu)受到影響時(shí)，氧自由基的產(chǎn)量