生化-第08章生物氧化

第

八

章生物氧化Biological

Oxidation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。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

能量均相同。生物氧化是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。进行广泛的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体外氧化能量是突然

的。产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。糖原

三脂酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATACCO22H呼吸链H2OADP+Pi

ATP*生物氧化的一般过程生物氧化概述一、氧化反应的类型脱电子反应脱氢反应加氧反应二、生物氧化的酶类氧化酶类需氧脱氢酶不需氧脱氢酶需氧脱氢酶、不需氧脱氢酶和氧化酶受氢体辅酶（辅基）产物不需氧脱氢酶辅酶需氧脱氢酶O2FMN或FADH2O2氧化酶O2含CuH2O第一节氧化呼吸链是由具有电子传递功能的复合体组成定义代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过线粒体内膜上的多种酶和辅酶所催化的

逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electron

transfer

chain)。组成递氢体和电子传递体（2H

2H++2e）一、呼吸链（一）呼吸链的组成四种具有传递电子功能的酶复合体(complex)人线粒体呼吸链复合体*泛醌和Cyt

c

均不包含在上述四种复合体中。复合体

酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013呼吸链各复合体粒体内膜中的位置ⅢⅠⅡNADH+H+延胡索酸NAD+

琥珀酸1/2O2+2H+2H

O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-Q

e-Cytce-e-Ⅳ1.

复合体Ⅰ:

NADH-泛醌还原酶功能:将电子从NADH传递给泛醌

(ubiquinone)复合体ⅠNADH→→CoQFMN;

Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;

Fe-SN-2NAD+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•。Vit

B2FMNAMPFADNCNHNOCOH3CH3CHCOHHCOHCH3NHCOHH2COOHOP

OOHOPOCH3OOHOHNNNH2NN铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其原子可进行Fe2+

Fe3++e反应传递电子。Ⓢ表示无机硫铁硫蛋白SS无机硫半胱氨酸硫泛醌（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。复合体Ⅰ的功能NADH+H+NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-S

QH2Q2.

复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌还原酶功能:

将电子从琥珀酸传递给泛醌复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3细胞色素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。3.

复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c还原酶功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c复合体ⅢQH2→→Cytcb562;

b566;

Fe-S;

c14.

复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶功能：将电子从细胞色素c传递给氧复合体Ⅳ还原型Cyt

c→→

O2CuA→a→a3→CuB其中Cyt

a3

和CuB形成的活性部位将电子交给O2。(二）线粒体中重要的呼吸链NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cyt

c→复合体Ⅳ→O2琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cyt

c→复合体Ⅳ→O2NADH氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链ⅢⅠⅡNADH+H+延胡索酸NAD+

琥珀酸1/2O2+2H+2H

O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-Q

e-Cytce-e-Ⅳ由以下实验确定①标准氧化还原电位②拆开和重组③特异抑制剂阻断④还原状态呼吸链缓慢给氧（三）呼吸链成分的排列顺序NAD+/NADH+H+FMN/

FMNH2FAD/

FADH2Cyt

b

Fe3+/Fe2+Q10/Q10H2-0.32-0.30-0.060.04（或0.10）0.07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

Eº'

(V)Cyt

c1

Fe3+/

Fe2+0.22Cyt

c

Fe3+/Fe2+0.25Cyt

a

Fe3+

/

Fe2+0.29Cyt

a3

Fe3+

/

Fe2+0.551/2

O2/

H2O0.82电子传递链二、氧化磷酸化ATP生成的方式有两种*定义氧化磷酸化(oxidative

phosphorylation)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

(substraevelphosphorylation)是底物分子

能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。（一）氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ根据

能变化和P/O比值⊿Gº'=-nF⊿Eº'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Ⅲ2.4～2.83→Cyt

c→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ1.72→Cyt

c→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸

Cyt

c→复合体Ⅳ→O20.881细胞色素c

(Fe2+)

复合体Ⅳ→O20.61-0.681ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位电子传递链能变化NAD+~CoQ0.36V69.5KJ/mol能CoQ~Cyt

c0.21V40.5KJ/mol能Cyt

aa3~O20.53V102.3KJ/mol能区段电位变化(⊿Eº′)能变化

能否生成ATP⊿Gº′=-nF⊿Eº′(⊿Gº′是否大于30.5KJ)（二）氧化磷酸化的偶联机理1.

化学渗透假说(chemiosmotic

hypothesis)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能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。+

+

+

+-

-

-

-H+O2H2OH+线粒体膜线粒体基质e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图化学渗透假说ⅠⅡF0F1QNADH+H+延胡索酸NAD+

琥珀酸1/2O2+2H+ADP+Pi

ATPH+4H+基质侧胞液侧++

+

+

+

+4H++2H+Cytc+

++-

--

Ⅲ

-

-

-Ⅳ-

-H2O-化学渗透假说详细示意图2.

ATP合酶由亲水部分

F1

（

α3β3γδε

亚基）和疏水部分F0（a1b2c9～12亚基）组成。ATP合酶结构模式图当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合酶的工作机制三、影响氧化磷酸化的因素（一）抑制剂呼吸链抑制剂阻断呼吸链中某些部位电子传递。解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：解偶联蛋白氧化磷酸化抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素×鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥抗霉素A二巯基丙醇×、-、-N3

及H2S×各种呼吸链抑制剂的阻断位点ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）热能H+H+ADP+Pi

ATP寡霉素(oligomycin)可

质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成寡霉素ATP合酶结构模式图（二）ADP和ATP的调节作用（三）甲状腺激素Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白表达均增加。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+四、ATP高能磷酸键与高能磷酸化合物高能磷酸键水解时

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核苷二磷酸激酶的作用ATP

+

UDPATP

+

CDPATP

+

GDPADP

+

UTPADP

+

CTPADP

+

GTP腺苷酸激酶的作用ADP

+

ADP

ATP

+

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

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(

代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量的

和利用都以ATP为中心。五、通过线粒体内膜的物质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。线粒体内膜的主要转运蛋白胞

浆线粒体基质α-酮戊二酸转运蛋白酸性氨基酸转运蛋白磷酸盐转运蛋白腺苷酸转运蛋白酸转运蛋白三羧酸转运蛋白碱性氨基酸转运蛋白肉碱转运蛋白苹果酸谷氨酸H2PO4—

H+ADP酸α-酮戊二酸天冬氨酸H2PO4—

H+ATPOH-柠檬酸瓜氨酸肉

碱苹果酸鸟氨酸脂酰肉碱转运蛋白功

能（一）

胞浆中NADH的氧化胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。转运机制主要有α-磷酸甘油穿梭

(脑、骨骼肌）(α-glycerophosphate

shuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭 （肝、心）(malate-asparate

shuttle)1.

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α-磷酸甘油脱氢酶呼吸链磷酸二羟CH2O-

PiCH2OHC=OCH2O-

PiCH2OHC=OCH2O-

Piα-磷酸甘油CH2OHCHOHCH2O-

PiCH2OHCHOH2.

苹果酸-天冬氨酸穿梭机制NAD+-OOC-CH2-C-COO-OOH-OOC-CH2-C-COO-HNADH+H+NAD+谷氨酸-天冬氨酸转运体苹果酸-α-酮戊二酸转运体OH-OOC-CH2-C-COO-H苹果酸-OOC-CH2-C-COO-O草酰乙酸NADH+H+O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-α-酮戊二酸-OOC-CH2-CH2-C-COO-3H

N+H谷氨酸苹果酸脱氢酶谷草转氨酶胞液线粒体内膜基质呼吸链-2OOC-CH

-C-COO-+H3NH天冬氨酸-OOC-CH2-C-COO-3H

N+H-2

2OOC-CH

-CH

-C-COO-+H3NH第二节其他氧化酶系The

Others

Oxidation

EnzymeSystems一、微粒体中的酶类（一）加单氧酶(monoxygenase)*

催化的反应：RH

+

NADPH+

H++O2