食品生物化学-4生物氧化

生物氧化biologicaloxidation概念：物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。此过程需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称细胞呼吸(cellularrespiration)。CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能4.1概述生物氧化的主要生理意义是为生物体提供能量。*生物氧化的一般过程第一阶段：多糖，脂，蛋白质等分解为构造单位——单糖、甘油与脂肪酸、氨基酸，该阶段几乎不释放化学能。第二阶段：构造单位经糖酵解、脂肪酸β氧化、氨基酸氧化等各自的降解途径分解为丙酮酸、乙酰CoA等少数几种共同的中间代谢物，这些共同的中间代谢物在不同种类物质的代谢间起着枢纽作用。该阶段释放少量的能量。第三阶段：丙酮酸、乙酰CoA等经过三羧酸循环彻底氧化为CO2、H2O。释放大量的能量。在第二、第三阶段中，氧化脱下的电子经过一个氧化的电子传递过程（氧化电子传递链）最终传给O2，并生成ATP，以这种方式生成ATP的作用称为氧化磷酸化作用，它是一种很重要的将生物氧化和能量生成相偶连的机制。生物氧化的终产物是CO2和H2O，CO2的形成是通过三羧酸循环过程，H2O则是在电子传递过程的最后阶段生成。生物氧化根据发生的部位不同，分为两类线粒体内生成ATP的氧化体系：三大营养物质的氧化分解,伴随大量ATP的生成。真核生物中，生物氧化主要是在细胞的线粒体内进行，在不含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行。线粒体外其他氧化体系：涉及生物转化,不伴随能量的产生。4.1.1线粒体的结构4.1.2生物氧化的特点4.1.3生物氧化的方式4.1.1线粒体的结构功能：进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供能量。组成：外膜、内膜、膜间隙、基质基粒：由头部F1、柄部F0和基部OSCP组成，也称为三联体或ATP酶复合体或F0F1-ATP合酶 线粒体内膜和嵴上有许多球状突出，就是ATP酶复合体或称FoF1ATP合酶，由三部分组成： ①头部 也称偶联因子F1，它位于线粒体内膜的基质侧面，由5种亚基组成，是9聚体（α3β3γδε），含有ATP合成酶活性，其中α和β亚基上有ADP和ATP的结合位点；β亚基有催化活性，称为催化亚基；γ亚基可调节质子从Fo蛋白向F1蛋白的流动，起阀门的作用。功能：催化ADP和pi发生磷酸化生成ATP。②基部 即Fo，为疏水的内在蛋白质，镶嵌在线粒体内膜中，呼吸链围绕其周围，它由4种亚基组成，这些亚基在内膜中形成了跨膜的质子通道，质子从内膜外侧经柄部流向F1蛋白。Fo中的o表示对寡霉素敏感的部位。功能：具有质子通道作用，他能传递质子通过膜到达F1的催化部位。 ③柄部 位于头部（F1）和基底部（Fo）之间，也起调节质子流的作用，柄部有三种蛋白组成，其中一种对寡霉素敏感，称为寡霉素敏感蛋白(OSCP，控制质子的流动，从而控制ATP的生成速度。),也将柄部和基底部合称为Fo。ATP合成酶复合物主要指Fo-F1蛋白。 与非生物氧化相比，生物氧化的特点为：在常温、常压、中性pH的环境中，氧化条件温和；需酶催化；底物通过一系列连续的化学反应被逐步氧化分解；能量逐步释放并主要以ATP形式贮存起来（需要时再由ATP分子中释出；另一部分是以热的形式放出。这样不会因温度迅速上升而损害机体，又可以使释放出来的能量得到最有效的利用）。4.1.2生物氧化的特点（1）物质氧化方式：加氧、脱氢、失电子遵循氧化还原反应的一般规律。（2）物质氧化时消耗的氧量、得到的产物（CO2，H2O）和能量相同。1、相同点2、不同点体内氧化体外氧化（1）反应条件：温和（体温，pH接近中性）剧烈（2）反应过程：分步反应一步反应能量逐步释放能量突然释放（有利于有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。）（3）产物生成：间接生成直接生成（4）能量形式：热能、ATP热能、光能4.1.3生物氧化的方式生物氧化中二氧化碳的生成方式：有机物在酶的作用下经脱羧产生的，α-脱羧和β-脱羧。直接脱羧和氧化脱羧。生物氧化中水的生成方式：底物氧化脱下的氢经一系列传递后与氧结合生成的。生物氧化中物质的氧化方式：加氧脱氢脱电子生物氧化中被氧化的物质称为供氢体（供电子体），被还原的物质称为受氢体（受电子体）。4.2生物能及其存在形式4.2.1高能化合物及高能键概念：是指含转移势能高的基团的化合物称高能化合物。连接这种高能基团的键称为高能键，～表示。一般将水解时每摩尔释放出自由能大于20.92kJ者称为高能化合物。生物体通过生物氧化所产生的能量，除一部分用以维持体温外，大部分可以通过磷酸化作用转移至高能磷酸化合物ATP中。ATP是生物能存在的主要形式。ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。ATP是人体内各种生命活动的主要的直接供能者，分子中含有3个磷酸酯键。ATP含有两个高能磷酸酯键(～P)，在细胞能量代谢中起能量载体的作用。但并不是所有含磷酸基团的化合物都属于高能磷酸化物，如6-磷酸葡萄糖等就属于低能磷酸化合物。低能磷酸键-P在生理环境下，ATP带有4个负电荷，与Mg2+形成复合物参与反应，“MgATP2-”是ATP的活化形式。ATP是即时性能量供体。ATP-ADP循环式生物体系中能量交换的基本模式。ATP在细胞的磷酸基团转移中起中转站（共同中间体）作用。ATP只是能量的携带者或传递者，机体内真正贮存能量的物质是肌酸，他接受了能量生成磷酸肌酸(脊椎动物)。当ATP浓度低时，磷酸肌酸又将高能磷酸基团转移给ADP生成ATP，因此，它是ATP高能磷酸基团的贮存库。无脊椎动物：磷酸精氨酸ATP的特殊作用4.2.2高能化合物的类型1、磷氧键型（1）酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸，乙酰磷酸，氨甲酰磷酸，酰基腺苷酸，氨酰腺苷酸。（2）焦磷酸化合物无机焦磷酸，ATP，ADP（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸。2、氮磷键型磷酸肌酸，磷酸精氨酸。3、硫酯键型3’-磷酸腺苷-5’-磷酰硫酸，乙酰辅酶A。4、甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸4.3呼吸链及其组成成分4.3.1呼吸链4.3.2呼吸链的组成成分4.3.3生物体内重要的呼吸链4.3.1呼吸链概念：一系列酶和辅酶按照一定的顺序排列在线粒体内膜上，可以将代谢物脱下的氢（H＋＋e）逐步传递给氧生成水同时释放能量，由于此过程与细胞摄取氧的呼吸过程有关，所以这一传递链称为呼吸链。呼吸链中传递氢的酶和辅酶称为递氢体；传递电子的酶和辅酶称为递电子体。存在部位:真核生物在线粒体,原核生物在细胞质膜.一个氢原子是由一个质子H＋和一个电子e组成的，脱去一个氢也就是失去一个质子和一个电子4.3.2呼吸链的组成成分呼吸链由许多个组分组成，参加呼吸链的氧化还原酶有五类：烟酰胺脱氢酶类黄素酶类铁硫蛋白类辅酶Q类细胞色素类烟酰胺脱氢酶类作用机制：NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变NAD+和NADP+是氧化形式，可接受一个质子和2个电子，转变为还原形式的NADH和DNDPH。氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。R＝磷酸根：FMN；R＝腺嘌呤二核苷酸：FAD黄素酶类FMN/FAD结构特点：FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环。异咯嗪环的作用：（氧化型）（还原型）是存在于线粒体内膜上的一种与电子传递有关的铁蛋白。作用机制：是借助铁的变价互变进行电子传递。Fe3++e→Fe2+，每次只传递一个电子，所以是一种单电子传递体。铁硫蛋白类(iron-sulfurprotein)辅酶Q类（简写为Q）或辅酶Q（CoQ）或泛醌：它是电子传递链中唯一不与蛋白质结合的递氢体。为一种脂溶性醌类化合物。细胞色素类（简写为cyt.）是广泛分布于需氧生物细胞线粒体内膜上的一类色素蛋白，其辅基为含铁卟啉衍生物。各种细胞色素的辅基结构略有不同。（图）作用机制：细胞色素主要是通过Fe3++e→Fe2+的互变起传递电子的作用的。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a,b,c和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素a(600nm),b(560nm),c(550nm)可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。是呼吸链中将电子从CoQ传递到O2的专一酶类。cyt.a和a3组成一个复合体，合称为细胞色素氧化酶。在Cytaa3分子中除铁卟啉外，还含有2个Cu原子，依靠其化合价的变化，把电子从a3传到O2。Cu2++e→Cu+在呼吸链中的顺序4.3.3生物体内重要的呼吸链在具有线粒体的生物中，典型的呼吸链有两种，即NADH呼吸链和FADH2呼吸链这两种呼吸链的区别：仅在于最初的受氢体不同。在NADH呼吸链中，最初的受氢体是NAD；在FADH2呼吸链中，最初的受氢体是FAD。除此之外，其余组分基本一致。NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链NADH呼吸链4.4呼吸链的排列顺序与氧化磷酸化4.4.1呼吸链的排列顺序4.4.2呼吸链抑制剂4.4.3氧化磷酸化4.4.4氧化磷酸化作用的机理4.4.5影响氧化磷酸化的因素4.4.6线粒体的穿梭系统由以下实验确定①氧化还原电位②拆开和重组③特异抑制剂阻断④吸收光谱的变化4.4.1呼吸链的排列顺序物质的氧还电位越低，越容易失去电子，传给氧还电位高的物质①标准氧化还原电位E0’在分离呼吸链各成分时，从线粒体中分离到一些传递体复合物，这些复合物在传递功能上都是按顺序连在一起，为四种脂溶性的复合体，称为呼吸链复合体。人线粒体呼吸链复合体*泛醌和Cytc均不包含在上述四种复合体中。四个蛋白复合体：复合体I～IV两个可灵活移动的成分：泛醌（Q）和细胞色素C（1）复合体Ⅰ：NADH一泛醌还原酶：该复合体将电子从NADH经FMN及铁硫蛋白传给泛醌。（2）复合体Ⅱ：琥珀酸一泛醌还原酶：该复合体将电子从琥珀酸经FAD及铁硫蛋白传递给泛醌。（3）复合体Ⅲ：泛醌一细胞色素C还原酶：该复合体将电子从泛醌经Cytb、Cytc1传给Cytc。（4）复合体Ⅳ：细胞色素C氧化酶：该复合体将电子从Cytc经Cytaa3传递给氧。四种复合体中，I、III、IV及CoQ、Cytc组成NADH呼吸链，II、III、IV及CoQ、Cytc组成FADH2呼吸链。ⅢⅠⅡⅣCytcQ胞液侧基质侧线粒体内膜呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置细胞色素还原酶细胞色素c细胞色素氧化酶O2NADH-Q还原酶FADH2琥珀酸-Q还原酶NADH辅酶QFMN、Fe-SFAD、Fe-S血红素b-562血红素b-566血红素c1血红素a血红素a3CuA和CuBFe-S4.4.2呼吸链抑制剂概念：阻断呼吸链中某些部位电子传递的物质。如：鱼藤酮、抗霉素A、CN-、N3-、CO、H2S应用：利用某种特异的抑制剂选择性地阻断呼吸链中某个部位的电子传递，是研究呼吸链中电子传递体顺序以及氧化磷酸化部位的一种重要方法。鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×抗霉素A二巯基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各种呼吸链抑制剂的阻断位点4.4.3氧化磷酸化概念：在生物氧化的过程中，代谢物脱出的氢或电子沿呼吸链向氧传递的过程中，逐步释放能量用于ADP与无机磷酸化合生成ATP。这种氧化过程放能和ADP磷酸化截获能量的偶联作用称为氧化磷酸化。这是体内生成ATP的主要方式。此外，ATP还可以通过底物水平磷酸化生成。底物水平磷酸化是指底物在氧化过程中因分子内部能量重新分布而形成了高能磷酸化合物，这种高能磷酸化合物的磷酸基团及高能键可转移到ADP上生成ATP。它与呼吸链的电子传递无关。植物叶绿体中的光合作用也涉及电子转移和能量储存，由光能生成ATP的过程称为光合磷酸化。氧化磷酸化作用：是将生物氧化过程中释放的能量转移至ATP的过程。特点：(1)是体内获得ATP的主要手段；(需氧生物95%的ATP)(2)是在线粒体内膜上进行的。氧化磷酸化偶联部位---根据自由能变化和P/O值P/O值在一定时间内，每消耗1mol（1克）氧原子所消耗的无机磷的物质的量（形成的ATP摩尔数）。⊿Gº'=-nF⊿Eº‘自由能变化ATPADP+PiATP中~P：G0’=–30.5KJ/molG0’=–nFE0’=–296.5E0’令上式=–30.5,则E0’=0.158可合成ATPNAD+CoQE0’=0.27CoQC1E0’=0.22aa3O2E0’=0.53氧化磷酸化偶联部位NADH呼吸链：3(2.5)FADH2呼吸链：2(1.5)结论：氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ4.4.4氧化磷酸化作用的机理在生物氧化中，NADH的氧化是怎样与ADP的磷酸化偶联起来形成ATP的，这一作用机制尚不够清楚。目前主要有三个学说，即化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说。得到支持较多的是化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)。化学渗透假说简单示意图线粒体膜间隙 化学渗透假说要点：  ①呼吸链中递氢体和递电子体是间隔交替排列的，且在线粒体内膜中都有特定的位置。    ②递氢体有氢泵的作用，当递氢体从内膜内侧接受从底物传来的氢后，可将其中的电子传给其后的电子传递体，而将H+泵出内膜；因此，呼吸链电子传递系统是一个主动运输质子的体系，复合体Ⅰ（4）、Ⅲ（4）、Ⅳ（2）每一个都是由电子传递驱动的质子泵。一对电子从NADH传递到分子氧可将10个质子从线粒体内膜内侧蹦到内膜外侧，FADH26个。一般，4个质子产生1个ATP ③内膜对H+不能自由通过，泵出膜外侧的H+不能自由返回膜内侧，因而使内膜外侧H+浓度高于内侧，造成H+浓度的跨膜梯度，此H+浓度差使外侧的pH较内侧低1.0单位左右，并使原有的外正内负的跨膜电位增高，此电位差中就包含着电子传递过程中所释放的能量。 ④在线粒体内膜上有ATP合成酶，当质子穿过线粒体内膜上的ATP合成酶返回基质时，释放出自由能，驱动ADP和Pi合成ATP。F0F1-ATP合酶F0横穿线粒体内膜，含有质子通道F1伸入线粒体基质中，是合成ATP的催化部位胞液侧基质侧化学渗透假说详细示意图4.4.5影响氧化磷酸化的因素4.4.5.1ADP和ATP的调节作用4.4.5.2甲状腺激素的调节作用4.4.5.3氧化磷酸化的抑制剂（1）氧化磷酸化解偶联剂（2）呼吸链抑制剂（3）离子载体解偶联作用:在完整线粒体内，电子传递与磷酸化之间紧密偶联，但这两个过程可被解偶联剂，如2,4-二硝基苯酚(DNP)解偶联，这时虽然能进行电子传递，但ATP无法合成。这一过程称为解偶联作用。在体内如果发生不可控的解偶联作用，代谢燃料会大量消耗。解偶联效应的生物利用：DNP可用作杀虫剂和木材防腐剂，作为减肥剂危害极大。在冬眠动物和适应寒冷的哺乳动物中，它是一种能够产生热以维持体温的方法。（新生儿颈背部的褐色斑块-褐色脂肪-含大量线粒体，能通过解偶联作用产生热量，保持婴儿体温）1.苹果酸-天冬氨酸穿梭机制4.4.6线粒体的穿梭系统NADH+H+NAD+谷氨酸-天冬氨酸转运体苹果酸-α-酮戊二酸转运体胞液线粒体内膜基质2.α-磷酸甘油穿梭机制NADH+H+FADH2NAD+FAD线粒体内膜线粒体外膜膜间隙线粒体基质4.5非线粒体氧化体系生物氧化主要在细胞线粒体内进行。此外，细胞的微粒体和过氧化物酶体（过氧化体）也可以进行。非线粒体氧化体系与线粒体氧化体系的区别：它在氧化过程中不伴有偶联磷酸化，不产生ATP，因而又称不产生ATP的生物氧化体系。非线粒体氧化体系主要与杀灭细菌及与代谢物或毒物的生物转化有关。一、微粒体氧化体系此体系存在于细胞的光滑内质网上。在微粒体中存在一类加氧酶(oxygenase)，参与代谢物的氧化作用。根据催化底物加氧反应情况不同，可分为单加氧酶和双加氧酶两种。1.双加氧酶(dioxygenase)又叫转氧酶。催化2个氧原子加到底物中带双键的2个碳原子上，使该底物分子分解成两部分。例如：2.单加氧酶(monoxygenase)*催化的反应：RH+NADPH+H++O2ROH+NADP++H2O又称混合功能氧化酶(mixed-functionoxidase)或羟化酶(hydroxylase)。上述反应需要细胞色素P450(CytP450)参与。 微粒体氧化酶系主要催化许多脂溶性的药物和毒物的氧化，因此又称为药物氧化酶系，通过羟化反应进行生物转化解除药物或毒物的毒性作用，所以也是肝脏解毒功能的一部分。二、过氧化体氧化体系 过氧化体又称微体，也是细胞内能进行生物氧化的细胞器。过氧化体主要含有过氧化氢酶(又称触媒，catalase)和过氧化物酶(peroxidase)，这些酶能催化另一些氧化还原反应。1.H2O2的生成   (1)过氧化氢体中需氧脱氢酶的作用 催化L-氨基酸，D-氨基酸等脱氢氧化，产物之一为H2O2。(2)呼吸链末端氧化酶或加氧酶的作用每个氧分子需接受4个电子才能完全被还原成氧离子，并进一步生成水。如果加入2个电子，则形成过氧化阴离子(O22-)，再接受2个氢离子就形成了过氧化氢。 2.机体对H2O2的处理和利用 H2O2对机体有双重作用： (1)有利方面：杀菌作用，粒细胞和吞噬细胞中的H2O2可杀死吞噬的细菌；有利于甲状腺素的合成，甲状腺上皮细胞和粒细胞中的H2O2可使I-氧化生成I2，进而使蛋白质碘化，这与甲状腺素的生成和消灭细菌有关。 (2)不利方面：氧化作用强，使一些含巯基的酶和蛋白质失活；破坏细胞膜成分，使生物膜造成严重损伤。主要是氧化生物膜磷脂分子中的多不饱和脂肪酸，损伤生物膜结构、影响生物膜的功能；还能破坏核酸和粘多糖；与组织细胞的衰老有关。 过氧化体中存在的过氧化氢酶和过氧化物酶能将H2O2转化为对机体无害的物质。3.过氧化物酶体中的酶类(1)过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含4个血红素(2)过氧化物酶(perioxidase)以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物 临床工作中判定粪便、消化液中是否有隐血时，就是利用血细胞中的过氧化物酶活性将愈创木酯或联苯胺氧化成蓝色化合物。谷胱甘肽过氧化物酶H2O2H2O2G–SHG–S–S–GNADP+NADPH+H+*此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤谷胱甘肽还原酶含硒的谷胱甘肽过氧化物酶(3)超氧化物歧化酶2O2﹣+2H+SODH2O2+O2H2O+O2过氧化氢酶SOD：超氧化物歧化酶(superoxidedismutase)超氧阴离子在SOD的催化下与2个H+作用，生成O2和H2O2。SOD是人体防御内、外环境中超氧离子对人体侵害的重要的酶。SOD广泛存在于各种组织，半衰期极短。作业与思考题1.名词解释：生物氧化、呼吸链（电子传递链）、氧化磷酸化、底物水平磷酸化、光合磷酸化、P/O值2.简述生物氧化的特点。3.生物体内重要的呼吸链有哪两种？简述其组成及作用。4.简述氧化磷酸化偶联的机制。5.氧化磷酸化偶联部位分别是？NADH和FADH2呼吸链分别偶联产生几个ATP？6.呼吸链抑制剂有哪些？简述常见抑制剂的作用（作用部位)？7.NADH是如何从细胞质透过线粒体进入呼吸链系统的？8.影响氧化磷酸化的因素有哪些？