生物化学 第六章生物氧化

第六章生物氧化BiologicalOxidation生物氧化主要包括三方面的内容细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的C变成CO2----CO2如何形成？脱羧反应在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2O----H2O如何形成？电子传递链当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP----能量如何产生？底物水平磷酸化和氧化磷酸化学习知识点1、生物氧化的概念及特点：生物氧化是体内物质进行氧化，最终产生二氧化碳和水，并释放能量的过程。生物氧化和体外的氧化还原反应有其相似之处，但也有独特之处。2、呼吸链是物质彻底氧化为水的重要体系，它们是由NAD+、NADP+、FAD、FMN、铁硫蛋白、辅酶Q和细胞色素体系等组成。3、体内产生ATP的方式有底物水平的磷酸化和氧化磷酸化两种方式。其后者产生ATP的机理可由化学渗透学说来解释。电子传递链可被抑制。4、线粒体外的NADH可有苹果酸穿梭和磷酸甘油穿梭带入线粒体内。要求掌握呼吸链的组成，各个组分的排列顺序。掌握氧化磷酸化的定义，P/O比值，影响氧化磷酸化的因素。熟悉通过线粒体内膜的物质转运。了解其他氧化体系。了解氧化磷酸化的偶联机制。物质在生物体内进行氧化称生物氧化(biologicaloxidation)，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。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能生物氧化的概念生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物(CO2，H2O)和释放能量均相同。反应环境温和，酶促反应逐步进行，能量逐步释放，能量容易捕获，ATP生成效率高。通过加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。

生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化体外氧化能量突然释放。物质中的碳和氢直接氧结合生成CO2和H2O

。第一节

生成ATP的氧化磷酸化体系TheOxidativePhosphorylationSystemwithATPProducing指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具有电子传递功能的酶复合体，可通过连锁的氧化还原将代谢物脱下的氢最终传递给氧生成水。这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。一、呼吸链定义递氢体和电子传递体（2H2H++2e）组成酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存在形式，所含各组分具体完成电子传递过程。电子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒体内膜，转变为跨内膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物合成。

（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称质量(kD)多肽链数功能辅基含结合位点复合体ⅠNADH-泛醌还原酶85039FMN，Fe-SNADH（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅲ泛醌-细胞色素C还原酶25011血红素bL,bH,c1,Fe-SCytc（膜间隙侧）细胞色素c131血红素cCytc1，Cyta复合体Ⅳ细胞色素C氧化酶16213血红素a，a3，CuA,CuBCytc（膜间隙侧）

泛醌不包含在上述四种复合体中。呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置复合体Ⅰ又称NADH-泛醌还原酶。复合体Ⅰ电子传递：NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQ每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体Ⅰ有质子泵功能。1、复合体Ⅰ作用是将NADH+H+中的电子传递给泛醌(ubiquinone)NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN·。在可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态，属于单、双电子传递体。

铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+Fe3++e

反应传递电子。属于单电子传递体。

Ⓢ表示无机硫

铁硫蛋白SS无机硫半胱氨酸硫（铁硫中心与蛋白质结合称为铁硫蛋白）泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。内膜中可移动电子载体，在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。

复合体Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+

FMNFMNH2还原型Fe-S

氧化型Fe-S

QQH2复合体Ⅱ是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸-泛醌还原酶。电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S→CoQ复合体Ⅱ没有H+泵的功能。2、复合体Ⅱ功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。3、复合体Ⅲ功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c。复合体Ⅲ又叫泛醌-细胞色素C还原酶，细胞色素b-c1复合体。含有细胞色素b(b562,b566)、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白(Rieskeprotein)。泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体Ⅲ。

复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1细胞色素(cytochrome,Cyt)细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。细胞色素是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质（有颜色），主要通过辅基中Fe3+

Fe2+

的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子。复合体Ⅲ的电子传递通过“Q循环”实现。复合体Ⅲ每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体Ⅲ也有质子泵作用。Cytc是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体Ⅳ。复合体Ⅳ又称细胞色素C氧化酶(cytochromecoxidase)。Cyta3–CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。4、复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧

复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB复合体Ⅳ的电子传递过程标准氧化还原电位拆开和重组特异抑制剂阻断还原状态呼吸链缓慢给氧（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列

由以下实验确定:呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位氧化还原对E0‘(V)氧化还原对E0‘(V)NAD+/NADN+H+－0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2－0.219CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2－0.219CytaFe3+/Fe2+0.29CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyta3Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.8161、NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22、琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc1→CytcCytaa3O2NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化生成ATP偶联氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)与脱氢（脱水）反应偶联，生成底物分子的高能键，使ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的过程。不经电子传递。ATP生成方式（一）氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内根据P/O比值自由能变化:⊿Gº'=-nF⊿Eº'氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值底物呼吸链的组成P/O比值可能生成的ATP数β-羟丁酸NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ2.4-2.82.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ1.71.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O20.881细胞色素c(Fe2+)复合体Ⅳ→O20.61-0.6811、P/O比值指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。2、自由能变化根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化(△G0′)与还原电位变化(△E0′)之间有以下关系：n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/mol·V)△G0′=-nF△E0′电子传递链自由能变化

ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2(二)氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度1、化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；线粒体内膜对H+、OH－、K＋、Cl－离子是不通透的；电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度；增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而线粒体内膜加入使质子通过物质可减少内膜质子梯度，结果电子虽可以传递，但ATP生成减少。化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。线粒体基质

线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液侧

基质侧++++++++++---------电子传递过程复合体Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有质子泵功能。

化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响（三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催化ATP合成

F1：亲水部分（动物：α3β3γδε亚基复合体，OSCP、IF1

亚基），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。

F0：疏水部分（ab2c9~12亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道。ATP合酶结构组成ATP合酶组成可旋转的发动机样结构F0的2个b亚基的一端锚定F1的α亚基，另一端通过δ和α3β3稳固结合，使a、b2和α3β3、δ亚基组成稳定的定子部分。部分γ和ε亚基共同形成穿过α3β3间中轴，γ还与1个β亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的c亚基环紧密结合。c亚基环、γ和ε亚基组成转子部分。质子顺梯度向基质回流时，转子部分相对定子部分旋转，使ATP合酶利用释放的能量合成ATP。

图６－１３ＡＴＰ合酶和质子的跨膜流动机制模式图当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。ATP合酶的工作机制ATP合成的结合变构机制(bindingchangemechanism)1、抑制剂三、影响氧化磷酸化的因素

复合物I:

鱼藤酮、粉蝶霉素A、异戊巴比妥等；

复合物II:

噻吩甲酰三氟丙酮、丙二酸、萎锈灵

复合物III：抗霉素A（antimycinA）等

复合物IV：CO、CN-、N3等（1）呼吸链抑制剂：抑制电子传递鱼藤酮粉蝶霉素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噻吩甲酰三氟丙酮萎锈灵×2、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度

解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制。如：二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)；解偶联蛋白(uncouplingprotein，UCP1)。解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP3、ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin)可结合F0单位，二环己基碳二亚胺(dicyclohexylcarbodiimide,DCCP)共价结合F0的c亚基谷氨酸残基，阻断质子从F0质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。

寡霉素(oligomycin)寡霉素ATP合酶结构模式图可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。（二）ADP的调节作用

主要调节因素：ADP/ATP比值Na+-K+–ATP酶活性

ATP分解ADP/ATP

氧化磷酸化甲状腺素:Na+，K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。（三）甲状腺激素（四）线粒体DNA突变裸露环状双螺旋结构，缺乏保护/修复系统突变影响氧化磷酸化功能，ATP减少症状取决于突变程度+各器官对ATP的需求

e.gDM、高血压、高胆固醇、Mg++降低母系遗传病，随年龄增长而出现不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响

电子传递链及氧化磷酸化系统概貌ΔμH+跨膜质子电化学梯度；H+m内膜基质侧H+；H+c

内膜胞液侧H+噻吩甲酰三氟丙酮四、ATP在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用高能磷酸键水解时释放的能量大于21kJ/mol的磷酸酯键，常表示为P。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物化合物△G0′kJ/mol(kcal/mol)磷酸烯醇式丙酮酸－61.9(－14.8)氨基甲酰磷酸－51.4(－12.3)1，3-二磷酸甘油酸－49.3(－11.8)磷酸肌酸－43.1(－10.3)ATP→ADP＋Pi－30.5(－7.3)乙酰辅酶A－31.5(－7.5)ADP→AMP＋Pi－27.6(－6.6)焦磷酸－27.6(－6.6)1-磷酸葡萄糖－20.9(－5.0)一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能

核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶的作用

ADP+ADPATP+AMP肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。

ATP的生成和利用ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。五、线粒体内膜对各种物质进行选择性转运线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。转运蛋白进入线粒体出线粒体ATP-ADP转位酶ADP3-ATP4-磷酸盐转运蛋白H2PO4-+H+二羧酸转运蛋白HPO42-苹果酸α-酮戊二酸转运蛋白苹果酸α-酮戊二酸天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白谷氨酸天冬氨酸单羧酸转运蛋白丙酮酸OH-三羧酸转运蛋白苹果酸柠檬酸碱性氨基酸转运蛋白鸟氨酸瓜氨酸肉碱转运蛋白脂酰肉