复旦大学生化课件生物氧化2.ppt

1、生生物物氧氧化化BiologicalOxidation生物氧化生物氧化（BiologicalOxidation）一一.生物氧化的概念及意义生物氧化的概念及意义二二.生物氧化的特点生物氧化的特点三三.生物氧化的方式生物氧化的方式四四.生物氧化体系生物氧化体系呼吸链呼吸链五五.能量的释放、转移、储存及利用能量的释放、转移、储存及利用六六.非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系 生物氧化生物氧化BiologicalOxidation生物氧化是指生物氧化是指糖类糖类、脂类脂类和和蛋白蛋白质质等在生物等在生物活细胞活细胞内进行的一系内进行的一系列的列的氧化分解氧化分解作用，最终生成作用，最终生成H2O和和CO

2、2，同时，同时释放能量释放能量的过的过程，又称程，又称细胞呼吸或组织呼吸细胞呼吸或组织呼吸。相当于相当于分解（异化）分解（异化）作用。作用。线粒体是生物氧化的场所线粒体是生物氧化的场所1948年，年，EugeneKennedy和和AlbertLehninger发现发现线粒体线粒体是真核生物是真核生物生物氧化及氧化磷酸化生物氧化及氧化磷酸化的场所，开始了生物能研究的新世代。的场所，开始了生物能研究的新世代。线粒体有线粒体有两层膜两层膜，外膜对小分子，外膜对小分子（Mr 5000）和离子为自由透过。）和离子为自由透过。内膜对大多内膜对大多数小分子及离子不透过（包括数小分子及离子不透过（包括H+），

3、只有内膜），只有内膜上存在特异运输体的物质可以透过。上存在特异运输体的物质可以透过。内膜上含内膜上含有有呼吸链和呼吸链和ATP合成酶合成酶。线粒体线粒体基质基质含有丙酮酸脱氢酶复合物和柠檬含有丙酮酸脱氢酶复合物和柠檬酸循环途径、脂肪酸酸循环途径、脂肪酸-氧化途径、氨基酸氧化途氧化途径、氨基酸氧化途径及径及酵解以外酵解以外所有能量物质氧化途径所有能量物质氧化途径。AlbertLehninger1917-1986EugeneKennedy1919-线线粒粒体体的的生生物物化化学学Theoutermembraneisarelativelysimplephospholipidbilayer,conta

4、iningproteinstructurescalledporins 孔孔(道道)蛋白蛋白 whichrenderitpermeabletomoleculesofabout10kilodaltonsorless(thesizeofthesmallestproteins).Ions,nutrientmolecules,ATP,ADP,etc.canpassthroughtheoutermembranewithease.Theinnermembraneisfreelypermeableonlytooxygen,carbondioxide,andwater.Itsstructureishighlyc

5、omplex,includingallofthecomplexesoftheelectrontransportsystem,theATPsynthetasecomplex,andtransportproteins.Thewrinkles,orfolds,areorganizedintolamillae(layers),calledthecristae(脊，嵴脊，嵴).Thecristaegreatlyincreasethetotalsurfaceareaoftheinnermembrane.Thelargersurfaceareamakesroomformanymoreoftheabove-n

6、amedstructuresthaniftheinnermembranewereshapedliketheoutermembrane.Themembranescreatetwocompartments.Theintermembranespace,asimplied,istheregionbetweentheinnerandoutermembranes.Ithasanimportantroleintheprimaryfunctionofmitochondria,whichisoxidativephosphorylation.Thematrixcontainstheenzymesthatarere

7、sponsibleforthecitricacidcycle,-oxidation,AAoxidationandetc.ThematrixalsocontainsdissolvedO2,H2O,CO2,therecyclableintermediatesthatserveasenergyshuttles,andmuchmore.Becauseofthefoldsofthecristae,nopartofthematrixisfarfromtheinnermembrane.Thereforematrixcomponentscanquicklyreachinnermembranecomplexes

8、andtransportproteins.生物氧化的特点生物氧化的特点与无机氧化（燃烧）相比，生物氧化与无机氧化（燃烧）相比，生物氧化与无机氧化从与无机氧化从氧化的物质、释放出的总能氧化的物质、释放出的总能量及终产物都相同量及终产物都相同。但两者的表现形式和。但两者的表现形式和条件不同。条件不同。具体表现在：具体表现在：体外燃烧体外燃烧：(CH)+O2H2O+CO2+热能。热能。H2O的生成为的生成为氢和氧的直接化合氢和氧的直接化合CO2的生成为的生成为碳和氧的直接化合碳和氧的直接化合能量为能量为骤然释放骤然释放，以，以光和热光和热的形式的形式生物氧化的特点生物氧化的特点cont.生生物氧化物

9、氧化(CH)+O2H2O+CO2+热能热能H2O的的生生成成在在酶酶的的作作用用下下脱脱氢氢，H经经一一系系列列的的递递氢氢和和递递电电子子反反应应，最最终终与与O2接接合合生成生成H2O。CO2为有机物在为有机物在酶的作用下脱羧酶的作用下脱羧形成。形成。生生物物氧氧化化要要求求条条件件温温和和，为为逐逐步步氧氧化化。能能量量的的释释放放是是一一步步一一步步缓缓慢慢释释放放，释释放放的的能能量量以以高高能能磷磷酸酸键键的的形形式式贮贮存存，不不会会使周围温度升高而伤害有机体。使周围温度升高而伤害有机体。反应条件反应条件温温和和剧剧烈烈反应过程反应过程逐步进行的酶促反应逐步进行的酶促反应一步完成

10、一步完成能量释放能量释放逐步进行逐步进行瞬间释放瞬间释放CO2生成方式生成方式有机酸脱羧有机酸脱羧碳和氧结合碳和氧结合H2O需需要要不需要不需要生物氧化生物氧化 体外燃烧体外燃烧生物氧化和体外燃烧的比较生物氧化和体外燃烧的比较脱羧脱羧DecarboxylationCO2的的生生成成方方式式：有有机机物物在在酶酶的的作作用用下下脱羧脱羧(decarboxylation)生成。生成。根据根据脱羧的部位脱羧的部位分为：分为：-decarboxylation-decarboxylation根据根据脱羧的性质脱羧的性质分为：分为：简单脱羧（简单脱羧（simpledecarboxylation）氧化脱羧氧

11、化脱羧（oxidativedecarboxylation）直接脱羧基作用直接脱羧基作用(Directdecarboxylation)氧化脱羧基作用氧化脱羧基作用(Oxidativedecarboxylation)丙酮酸脱氢酶复合物丙酮酸脱氢酶复合物+几个重要的几个重要的CO2生成反应生成反应生物氧化中的生物氧化中的CO2是由糖、脂、蛋白质等有是由糖、脂、蛋白质等有机物转变成机物转变成含羧基的化合物含羧基的化合物后后脱羧脱羧产生的。产生的。1、丙酮酸直接脱羧、丙酮酸直接脱羧(乙醇发酵）乙醇发酵）2、丙酮酸氧化脱羧（生成乙酰、丙酮酸氧化脱羧（生成乙酰CoA）3、TCA循环中循环中-酮戊二酸的生成酮

12、戊二酸的生成(异柠檬酸氧化脱羧）异柠檬酸氧化脱羧）4、TCA循环中琥珀酰循环中琥珀酰CoA的生成（的生成（-酮戊二酸氧化酮戊二酸氧化脱羧）脱羧）5、草酰乙酸脱羧生成丙酮酸、草酰乙酸脱羧生成丙酮酸(直接脱羧）直接脱羧）6、苹果酸脱羧生成丙酮酸（氧化脱羧）、苹果酸脱羧生成丙酮酸（氧化脱羧）氧化氧化（Oxidation)（1）加氧加氧（氧化）（氧化）（oxidation）RCHO+O2RCOOH（2）脱氢脱氢（dehydrogenation）RCH2OH2HRCHOCH3CHO+H2O CH3CH(OH)(OH)CH3COOH+2H（3）脱电子脱电子（deelectronation）Fe2+-eFe

13、3+脱氢酶脱氢酶(Dehydrogenase)使代谢物的氢活化、脱离，并将之传递给其他受氢使代谢物的氢活化、脱离，并将之传递给其他受氢体或传递体。体或传递体。氧化酶氧化酶(Oxidase)生物氧化中，以氧直接为受氢体的氧化还原酶类称生物氧化中，以氧直接为受氢体的氧化还原酶类称为氧化酶。为氧化酶。加氧酶加氧酶(Oxygenase)催化加氧反应的酶。催化加氧反应的酶。传递体传递体(Carrier)生物氧化过程中，起着中间传递氢或电子作用的物生物氧化过程中，起着中间传递氢或电子作用的物质，它们既不能使代谢物脱氢，也不能使氢活化。质，它们既不能使代谢物脱氢，也不能使氢活化。参与生物氧化的酶类参与生物氧

14、化的酶类脱氢酶脱氢酶（Dehydrogenase)催化：催化：DH+RD+RH绝大多数脱氢酶需要绝大多数脱氢酶需要CoI或或CoII作为辅酶作为辅酶。3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛+NAD+磷酸磷酸1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸+NADH+H+丙酮酸丙酮酸+NADH+H+乳酸乳酸+NAD+也有以也有以黄素核苷酸（黄素核苷酸（FMN或或FAD）作为辅酶）作为辅酶的。的。琥珀酸琥珀酸+FAD延胡索酸延胡索酸+FADH2NADH+H+FMNNAD+FMNH2以烟酰胺核苷酸为辅基的脱氢酶以烟酰胺核苷酸为辅基的脱氢酶以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶氧化酶氧化酶(Oxidase)（1）催化

15、：）催化：RH+O2R+H2O2产物是产物是H2O2；需要；需要黄素核苷酸作为辅基黄素核苷酸作为辅基。葡萄糖葡萄糖+O2+H2O葡萄糖酸内酯葡萄糖酸内酯+H2O2（2）催化：）催化：RH+O2R+H2O作用产物之一是作用产物之一是H2O，不是不是H2O2；包括两种类型：；包括两种类型：金金属蛋白属蛋白，如抗坏血酸氧化酶，含铜，如抗坏血酸氧化酶，含铜L-抗坏血酸抗坏血酸+O2脱氢抗坏血酸脱氢抗坏血酸+H2O另一类是另一类是细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶，催化：，催化：4Cytc-Fe2+O24Cytc-Fe3+H2O过氧化物酶过氧化物酶（Peroxidase)催化催化H2O2等作为氧化剂等作为氧化

16、剂的氧化还原反应，存在于的氧化还原反应，存在于过氧化物酶体，负责过氧化物酶体，负责H2O2和过氧化物的分解与转化。和过氧化物的分解与转化。如：如：以以血红素为辅基血红素为辅基的过氧化物酶和过氧化氢酶；的过氧化物酶和过氧化氢酶；以以FAD为辅基为辅基的的NAD(P)过氧化物酶；过氧化物酶；谷胱甘肽过氧化物酶，有的谷胱甘肽过氧化物酶，有的含硒含硒，有的则，有的则不含不含，但都以，但都以H2O2以外的过氧化物（如脂质过氧化物）为氧化剂。以外的过氧化物（如脂质过氧化物）为氧化剂。分别催化的反应包括：分别催化的反应包括：2H2O22H2O+O2(过氧化氢酶）过氧化氢酶）RH+H2O22H2O+R(过氧化物酶）过氧化物酶）2GSH+ROOH(H2O2)ROH+GSSG超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶（Superoxidedismutase,SOD)一种与一种与阻断过氧化物生成阻断过氧化物生成有关的特殊氧化酶。有关的特殊氧化酶。生物体的生物体的自由基清除剂自由基清除剂。分为CuZn-SOD、Mn-SOD和Fe-SOD三种。2O=+2H+H2O2+O2作用是作用是清除超氧负离子自由基清除超氧负离子自由基。