Chapter 07 Biological Oxidation Chapter 07 Biological Oxidation *For all materails from website and other references, the copyright belongs to the original author 1

Section 1 decarboxylation (脱羧基作用) direct decarboxylation(直接脱羧基作用) oxidative decarboxylation(氧化脱羧基作用)

1. direct decarboxylation

2. oxidative decarboxylation

Section 2 Electron Transport and Oxidative Phosphorylation Electron transport and oxidative phosphorylation re-oxidize NADH and FADH2 and trap the energy released as ATP. In eukaryotes, electron transport and oxidative phosphorylation occur in the inner membrane of mitochondria whereas in prokaryotes the process occurs in the plasma membrane.

Electrons

Enzymes in biological oxidation Dehydrogenase (脱氢酶); 使代谢物的氢活化、脱落，并将之传递给其他受氢体或传递体。 Oxidase (氧化酶); 在生物氧化中，以氧直接为受氢体的氧化还原酶类称为氧化酶。 Oxigendase (加氧酶); 催化加氧反应的酶。 Carrier (传递体). 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。

Dehydrogenase(FMN co-enzyme) 以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶

Dehydrogenase(NAD co-enzyme) 以烟酰胺核苷酸为辅基的脱氢酶

Oxidase (氧化酶)

Biologcial oxidation system in mitochondria Respiratory Chain(呼吸链)：由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶系统组成的这种代谢途径一般称为生物氧化还原链，如果受氢体是氧，则称为呼吸链(Respiratory Chain)

Constituents of respiratory chain 至今发现构成呼吸链的组成成分有20多种，可分为5类： 以NAD或NADP为辅酶的脱氢酶； 以FMN或FAD为辅酶的黄素酶； 铁硫蛋白(iron-sulfur protein)：存在于线粒体内膜上与传递电子有关的蛋白质; 辅酶Q(CoQ)：它是呼吸链中的一种递氢体； 细胞色素(Cytochrome 简写为Cyt)：属于色蛋白的结合蛋白，其辅基是含铁卟啉的衍生物。

铁硫蛋白(Iron-sulfur protin)

辅酶Q(CoQ)

细胞色素(Cytochrom)

呼吸链中各组分的排列顺序 NADP在线粒体外生成,主要用于合成代谢， 线粒体少量生成的NADP，它在转氢酶的作 用下将氢先转给NAD。

细胞色素体系

琥珀酸氧化呼吸链

线粒体中某些底物氧化的呼吸链

Biological oxidation system outside Mitochondria 微粒体或过氧化体中的氧化体系、高等植物中的一些氧化体系属非线粒体氧化体系

微粒体加氧氧化体系

过氧化体氧化体系

呼吸链末端过氧化氢的生成

过氧化氢的处理和利用

ATP是细胞中重要的高能化合物 是产能反应和需能反应重要的能量介质; 作为磷酸基团供体参与磷酸化反应; ATP+H20ADP+Pi G0’=-30.5kJ/mol ADP+H20AMP+Pi G0’=-30.5kJ/mol 作为磷酸基团供体参与磷酸化反应; 葡萄糖+ATP ----葡萄糖-6-磷酸+ADP ATP参加高能磷酸基团转移的反应. 肌酸+ATP ----磷酸肌酸(一种高能化合物)+ADP

高能磷酸键的生成机制 氧化磷酸化作用：代谢物的氧化脱氢作用与ADP的磷酸化相偶联而生成ATP的过程。 根据是否需要氧分子参加，又可分为呼吸链磷酸化和底物水平磷酸化。 非氧化磷酸化：这种磷酸化既没有氧参加反应，也没有脱氢。

呼吸链磷酸化 标准电极电位 NAD+/NADH+H+： E0’＝-0.32V FMN/FMNH2：E0’＝-0.03V NADH→FMN： G0’ =-nF E0’ =-2x23.063x[(-0.03)-(-0.32) ] x4.184 =-55.6(kJ/mol) Cytb→Cytc： G0’ =-34.7 (kJ/mol) Cytaa3→O2： G0’ =-102.1(kJ/mol)

氧化与磷酸化的偶联部位

底物磷酸化

氧化磷酸化的机制

←NAD-

Problem : Acidity During Electron Transport What cellular compartment becomes acidic (high concentration of hydrogen ions) during mitochondrial electron transport? A. Mitochondrial stroma B. Cytoplasm C. Endoplasmic reticulum D. Space between inner and outer mitochondrial membranes E. Thylakoid membranes

Problem: Dinitrophenol[二硝基酚] Dinitrophenol is an uncoupler, or has the ability to separate the flow of electrons and the pumping of H+ ions for ATP synthesis. This means that the energy from electron transfer cannot be used for ATP synthesis. 50 yrs ago, DNP was given as a drug to help patients lose weight. Why does this work? Why would this be dangerous? A. Uncoupling the electron transport chain would inhibit fermentation and decrease ATP production, a potentially dangerous situation. B. If electron transport doesn't produce ATP, then much more sugar must be metabolized for energy needs. Very low production of ATP would be lethal.

Problem : Effect of pH on Mitochondria If you isolate mitochondria and place them in buffer with a low pH they begin to manufacture ATP. Why? A. Low pH increases the concentration of base causing mitochondria to pump out H+ to the inter membrane space leading to ATP production. B. The high external acid concentration causes an increase in H+ in the inter membrane space leading to increased ATP production by ATP synthetase. C. Low pH increases the acid concentration in the mitochondrial matrix, a condition that normally causes ATP production. D. Low pH increases the OH- concentration in the matrix resulting in ATP production by ATP synthetase.

Answer B. The high external acid concentration causes an increase in H+ in the inter membrane space leading to increased ATP production by ATP synthetase. Mitochondrial production of ATP requires a concentration gradient of H+, with a high concentration at the inter membrane space and a low concentration in the matrix. The inner membrane is impermeable to H+, but the outer membrane of the mitochondria will allow H+ to pass through. Thus, placing mitochondria in a low pH buffer produces a H+ gradient that can generate ATP through ATP synthetase.

线粒体外的氧化磷酸化

线粒体外的氧化磷酸化

线粒体外的氧化磷酸化 1

补充材料: 线粒体(呼吸链)与疾病

线粒体与肿瘤 肿瘤细胞线粒体氧化供能降低 呼吸链上ＦＭＮ，ＣoQ含量下降 　　原因：肿瘤细胞线粒体肿胀，内膜缺损等结构改变－－－导致电子传递功能下降

缺血性损伤 缺血时： 细胞内ATP下降到０ （通常在一分钟内） 结 果： 线粒体失去控制； ３０分钟以上，内膜结构和功能 　　　　　　（通常在一分钟内） 　结　果：　线粒体失去控制； 　　　　　　３０分钟以上，内膜结构和功能　 　　　　　　发生变化，呼吸链破坏，导致细 　　　　　　胞死亡．

线粒体DNA突变 （mitochondira DNA, mt DNA) 线粒体脑肌病 　　mtDNA 3243 A-G 肌阵挛性癫痫 　　mtDNA 8344 A-G------线粒体蛋白质合成障碍，复合体I 和IV合成下降． 线粒体肌病 　　mtDNA 3260 A-G 肥厚性心肌病 复合体I 和ＩＶ缺损程度和mtDNA突变程度成正比

感觉性耳聋： 　氨基甙类抗生素导致的耳聋 　mtDNA 突变 药物毒物对呼吸链的影响 　一些生物制品的作用机制 　１．氯丙嗪，甲状腺素－蛋白质合成增加 　２．生长素，胰岛素，催产素－－mt膨大 　３．氰化物，叠氮钠－－－mt形态改变 　４．溴化乙锭－－抑制mtDNA 复制mtRNA 合成

生物氧化理论在药物治疗中的应用 　１．细胞色素C 应用范围：组织缺氧的急救药和辅助用药 如：CO中毒，新生儿窒息，高山缺氧，肺功能不全，心肌炎，心绞痛等． 　２．辅酶Q: 肌肉萎缩,牙周病,高血压,肿瘤等 3. 辅酶I: 进行性肌肉萎缩和肝脏疾病

线粒体疾病的总结和展望 补充疗法 　添加呼吸链上所需要的辅酶 选择疗法 　加药物排斥突变的线粒体 基因治疗 线粒体移植

选择题练习 生物氧化

1. 呼吸链存在于（ ） A 细胞膜 B 线粒体外膜 C 线粒体内膜 D 微粒体 E 过氧化物酶体

2. 下列哪种物质不是NADH氧化呼吸链的组分？ A. FMN B. FAD C. 泛醌 D. 铁硫蛋白 E. 细胞色素c

3. ATP生成的主要方式是（ ） A 肌酸磷酸化 B 氧化磷酸化 C 糖的磷酸化 D 底物水平磷酸化 E 高能化合物之间的转化

4 由琥珀酸脱下的一对氢，经呼吸链氧化可产生（ ）分子ATP B 2 C 3 D 4 E 0

5 下例关于高能磷酸键的叙述，正确的是（ ） A 所有高能键都是磷酸键 B 高能磷酸键只存在于ATP C 高能磷酸键仅在呼吸链中偶联 D 有ATP参与的反应也可逆向进行 E 所有的生化转变都需要ATP参与

6. 下列哪种酶以氧为受氢体催化底物氧化生成水？ A 丙酮酸脱氢酶 B 琥珀酸脱氢酶 C 黄嘌呤氧化酶 D 细胞色素c氧化酶 E SOD

7. 关于线粒体内膜外H+浓度叙述正确的是( ) A 浓度高于线粒体内 B 浓度低于线粒体内 C 可自由进入线粒体 D 进入线粒体需主动转运 E 进入线粒体需载体转运

8. 参与呼吸链电子传递的金属离子是( ) A 铁离子 B 钴离子 C 镁离子 D 锌离子 E 以上都不是

9. 呼吸链中,不具有质子泵功能的是( ) A 复合体Ⅰ B 复合体Ⅱ C 复合体Ⅲ D 复合体Ⅳ E 以上都不是

10. 关于超氧化物歧化酶,哪项是不正确的( ) A 可催化产生超氧离子 B 可消除超氧离子 C 可催化产生过氧花氢 D 含金属离子辅基 E 存在于胞液和线粒体中

11. Except iron, Cyt aa3 contain ( ) ion. A Zn B Mg C Cu D Mn E K

12. Which one can be inhibited by CO in respiratory chain ? A FAD B FMN C Fe-S D Cyt aa3 E Cyt c

13. Which one is uncoupler? A CO B piericidin A C KCN D 2,4-dinitrophenol E H2S

14. The right electron tansferation sequence is ( ) A b→c→c1→aa3→O2 B c1→c→b→aa3→O2 C c→c1→b→aa3→O2 D c→b→c1→aa3→O2 E b→c1→c→aa3→O2

15. 关于ATP合成酶，叙述正确的是（ ） A 位于线粒体内膜，又称复合体Ⅴ B 由F1和F0两部分组成 C F0是质子通道 D 生成ATP的催化部位在F1的亚基上 E F1呈疏水性，嵌在线粒体内膜中

16. 关于辅酶Q, 哪些叙述是正确的? A 是一种水溶性化合物 B 其属醌类化合物 C 可在线粒体内膜中迅速扩散 D 不参与呼吸链复合体 E 是NADH呼吸链与琥珀酸呼吸链的交汇点

17. 关于细胞色素,叙述正确的是( ) A 均以铁卟啉为辅基 B 有色 C 均为电子传递体 D 均可被氰化物抑制 E 本质是蛋白质

18. 下列物质属于高能化合物的是（ ） A 乙酰辅酶A B GTP C 磷酸肌酸 D 磷酸二羟丙酮 E 磷酸烯醇式丙酮酸

19. Which make Fe-S as prosthetic group in the respiratory chain? A Complex Ⅰ B Complex Ⅱ C Complex Ⅲ D Complex Ⅳ E Cyt c

20. Where does the phosphorylation couple with the oxidation and can produce ATP? A NADH→CoQ B CoQ→Cyt b C CoQ→Cyt c D FADH2→CoQ E Cyt aa3→O2