第六章 生物氧化2013

第六

章生物氧化物质在生物体内进行的氧化称生物氧化，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

生物氧化的主要生理意义为生物体提供能量。

生物氧化与体外氧化之相同点

体内氧化体外氧化（1）物质氧化方式：加氧、脱氢、失电子（2）物质氧化时消耗的氧量、得到的产物和能量相同。

1、相同点生物氧化与体外氧化之不同点

体内氧化体外氧化（1）反应条件：温和剧烈（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（3）产物生成：间接生成直接生成（4）能量形式：热能、ATP热能、光能糖原脂肪蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoA

TAC2H

呼吸链H2OADP+Pi

ATPCO2

过程

第一节

线粒体氧化体系

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，这种由一系列酶和辅酶组成的电子传递系统称电子传递链,因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。一、呼吸链的概念线粒体的结构

这些递氢体或递电子体往往以复合体的形式存在于线粒体内膜上。二、呼吸链的组成四种具有传递电子功能的酶复合体

*泛醌和Cytc均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两个可灵活移动的成分：泛醌（Q）和细胞色素C（一）复合体Ⅰ:NADH-泛醌还原酶

功能:将电子从NADH经FMN及铁硫蛋白传给泛醌。

复合体ⅠNADH→→CoQ

FMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2NADH泛醌还原酶NADH泛醌还原酶即复合物I，它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。

NADHQ还原酶的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。FMN的作用是接受脱氢酶脱下的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。1.烟酰胺核苷酸NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，又叫CoⅠ，起递氢体作用；NADP+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，又叫CoⅡ，主要在还原性生物合成中作为供氢体。二者的递氢部位是烟酰胺部分，为VitPP。NAD+和NADP+的结构NAD+（NADP+）的递氢机制（氧化型）（还原型）2.黄素辅基FMN：黄素单核苷酸FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸FMN和FAD中异咯嗪环起递氢体作用。异咯嗪及核醇部分为VitB2（核黄素）。

FMN

结

构异咯嗪核醇

FAD结构FMN和FAD递氢机制

（氧化型）（还原型）3.铁硫蛋白(Fe-S)又叫铁硫中心或铁硫簇。含有等量铁原子和硫原子。铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的巯基连接。铁原子可进行Fe2+

Fe3++e反应传递电子，为单电子传递体。铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。4.泛醌(UQ)即辅酶Q（

CoQ），属于脂溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链。因其为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜中分离出来，因此不包含在四种复合体中。分子中的苯醌结构能可逆地结合2个H，为递氢体。复合体Ⅰ的功能

NADH+H+

NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S

氧化型Fe-SQQH2（二）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琥珀酸-Q还原酶是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物。其活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原。琥珀酸-Q还原酶（三）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;c1复合体Ⅲ即复合物III,它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（cytc）的还原。

QH2-cytc还原酶

QH2+2cytc(Fe3+)====Q+2cytc(Fe2+)+2H+QH2-cytc还原酶的活性部分主要包括细胞色素b和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。泛醌细胞色素c还原酶是一类以铁卟啉为辅基的酶。在生物氧化反应中，通过Fe3+

Fe2+

的互变起传递电子的作用。细胞色素为单电子传递体。细胞色素可存在于线粒体内膜，也可存在于微粒体。存在于线粒体内膜的细胞色素有Cytaa3、b（b560，b562，b566）、c、c1；而存在于微粒体的细胞色素有CytP450和Cytb5。细胞色素根据其铁卟啉辅基的结构以及吸收光谱的不同而分类。

5.细胞色素类（Cyt）铁卟啉辅基的分子结构

它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。细胞色素c（cytc）（四）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Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB其中Cyta3

和CuB形成的活性部位将电子交给O2。即复合物IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，活性部分主要包括cyta和a3。细胞色素c氧化酶cyta和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cytaa3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生

Cu+

Cu2+

的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。

线粒体呼吸链组成小结尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD＋或CoI）黄素单核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸（FMN和FAD）铁硫蛋白（铁硫中心）泛醌（CoQ）细胞色素（Cyta

、Cytb、Cytc）呼吸链各复合物之间的相互关系

三、呼吸链的作用是接受还原性辅酶上的氢原子对(2H++2e)，使辅酶分子氧化，并将电子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧负离子(O2-)与质子对(2H+)结合，生成水。电子对在传递过程中逐步氧化放能，所释放的能量驱动ADP和无机磷发生磷酸化反应，生成ATP。

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四、呼吸链成分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呼吸链的排列顺序：各成分按低氧还电位→高氧还电位电子传递方向：低氧还电位→高氧还电位（释放能量）1.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→O2氧化呼吸链的种类及组成1.NADH氧化呼吸链2.琥珀酸氧化呼吸链

线粒体内重要代

谢物氧化的途径

NADH氧化呼吸链：NAD+→[FMN(Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3

丙酮酸

-酮戊二酸

硫辛酸

FAD

1/2O2

H2O

异柠檬酸苹果酸谷氨酸

-羟丁酸

-羟脂酰CoA

2e

2H

2H+

琥珀酸氧化呼吸链：琥珀酸→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2FAD(Fe-S)

Cytb-磷酸甘油脂肪酰CoA[FAD(FP)]H2O

2e

2H+

五、氧化磷酸化

1、底物水平磷酸化：直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子中的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷酸。

（一）生物体内ATP的生成方式：底物水平磷酸化见于下列三个反应：1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP3-磷酸甘油酸激酶

⑴

⑵丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP⑶琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP2.氧化磷酸化：在线粒体中，底物分子脱下的氢原子经递氢体系传递给氧，在此过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP，这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化。（二）氧化磷酸化的偶联部位：1.P/O比值：通过测定在氧化磷酸化过程中，氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系，可以反映底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系。每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数称为P/O比值。

P/O比值

每消耗1mol氧原子，所消耗的无机磷摩尔数一对电子通过呼吸链P/O比值：一对电子通过呼吸链时生成ATP的个数。

1个氧原子2e+OO2-ADP+PiATP无机磷个数生成ATP的个数线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值合成1molATP时，需要提供的能量至少为ΔG0'=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差ΔE0'=0.2V。故在NADH氧化呼吸链中有三处可生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可生成ATP。2.自由能变化与ATP的生成部位：FAD↓NAD+→[FMN(Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2-0.32

-0.30

+0.04+0.07+0.22+0.25+0.29+0.82↓ATP↓ATP↓ATP三个偶联部位：ATPATPATP①NADH与CoQ之间；②CoQ与Cytc之间；③Cytaa3与氧之间。

NADH氧化呼吸链存在3个偶联部位，P/O比值等于3，即产生3molATP。琥珀酸氧化呼吸链存在2个偶联部位，P/O比值等于2，即产生2molATP。（三）氧化磷酸化的偶联机制：1.化学渗透假说：目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年由PeterMitchell提出的化学渗透学说。化学渗透假说的基本要点：认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。当质子顺浓度梯度回流时，这种形式的“势能”可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP。化学渗透假说ⅢⅠⅡⅣF0F1Cytc

QNADH+H+

NAD+

延胡索酸

琥珀酸

H+1/2O2+2H+

H2O

ADP+Pi

ATP

H+H+H+胞液侧

基质侧

++++++++++---------化学渗透假说详细示意图每传递两个氢原子，就可向膜间腔释放10个质子。质子梯度的形成

ATP的合成：当质子从膜间腔返回基质中时，这种“势能”可被位于线粒体内膜上的ATP合酶利用以合成ATP。膜间腔基质ATP合酶的分子结构由亲水部分F1(33亚基)和疏水部分F0(a1b2c9~12亚基)组成。ATP合成酶ATP4-F0F1胞液侧基质侧腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白ADP3-H2PO4-ATP4-3H+3H+H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-每分子ATP在线粒体中生成并转运到胞浆需4个H＋回流进入线粒体基质中。（四）氧化磷酸化的影响因素1、ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；当ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢。2、甲状腺激素：间接影响氧化磷酸化的速度。其原因是甲状腺激素可以激活细胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。3、药物和毒物：（1）呼吸链抑制剂：能够抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或毒物称为呼吸链抑制剂。能够抑制第一位点的有异戊巴比妥、粉蝶霉素A、鱼藤酮等；能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇；能够抑制第三位点的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。呼吸链抑制剂作用位点：琥珀酸FANAD+FMNCoQbc1caa3O2丙二酸鱼藤酮阿米妥抗霉素AH2SCOCN作用：阻断电子传递D（2）解偶联剂：不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，但能使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化的药物或毒物称为解偶联剂。解偶联剂通常引起线粒体内膜对质子的通透性增加，从而使线粒体内膜两侧的质子梯度不能形成。主要的解偶联剂有2,4-二硝基酚。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+Pi

ATP（3）氧化磷酸化抑制剂：能抑制ATP合酶的质子回流，从而使线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高，对呼吸链的电子传递和ADP磷酸化均产生抑制作用的药物和毒物称为氧化磷酸化抑制剂，如寡霉素。

寡霉素(oligomycin)可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成寡霉素氧化磷酸化的抑制剂六、高能磷酸键的储存与释放生物化学中常将水解时释放的能量>20kJ/mol的磷酸键称为高能磷酸键。生物体内的高能磷酸键主要有以下几种类型：1．磷酸酐键：包括各种多磷酸核苷类化合物，如ADP，ATP，GDP，GTP，CDP，CTP，GDP，GTP及PPi等，水解后可释放出30.5kJ/mol的自由能。（一）高能磷酸键的类型：2．混合酐键：由磷酸与羧酸脱水后形成的酐键，主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。在标准条件下水解可释放出61.9kJ/mol的自由能。3．烯醇磷酸键：见于磷酸烯醇式丙酮酸中，水解后可释放出61.9kJ/mol的自由能。4．磷酸胍键：见于磷酸肌酸中，水解后可释放出43.9kJ/mol的自由能。几种常见的高能化合物磷酸肌酸（C～P）是肌肉和脑组织中能量的贮存形式。磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用，必须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理活动之需。反应过程由磷酸肌酸激酶（CPK）催化完成。磷酸肌酸激酶的作用（二）ATP循环：ATP是生物界普遍使用的供能物质，有“通用货币”之称。ATP分子中含有两个高能磷酸酐键（A-P－P－P），均可以水解供能。ATP水解为ADP并供出能量之后，又可通过氧化磷酸化重新合成，从而形成ATP循环。

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。（三）多磷酸核苷间的能量转移：

在生物体内，除了可直接使用ATP供能外，还用使用其他形式的高能磷酸键供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白质的合成等。核苷单磷酸激酶NMP+ATPNDP+ADP核苷二磷酸激酶NDP+

ATPNTP

+ADP七、线粒体外NADH的穿梭胞液中的3-磷酸甘油醛或乳酸脱氢，均可产生NADH。这些NADH可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷酸化，产生H2O和ATP。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：主要存在于脑和骨骼肌中。(α-glycerophosphateshuttle)产生2分子ATP。苹果酸-天冬氨酸穿梭

：主要存在于肝和心肌中。(malate-asparateshuttle)生成3分子ATP。1.α-磷酸甘油穿梭机制2.苹果酸-天冬氨酸穿梭机制α-磷酸甘油穿梭苹果酸-天冬氨酸穿梭穿梭物质α-磷酸甘油磷酸二羟丙酮

苹果酸、谷氨酸天冬氨酸、α-酮戊二酸进入线粒体后转变成的物质FADH2NADH+H+进入呼吸链琥珀酸氧化呼吸链NADH

氧化呼吸链生成ATP数3存在组织某些肌肉、神经组织肝脏和心肌组织相同点将胞浆中NADH的还原当量转送到线粒体内2

两种穿梭系统的比较八、二氧化碳的生成在生物体内，二氧化碳是通过有机酸的脱羧作用生成的。按照羧基所连接的位置不同，可将有机酸的脱羧作用分为-脱羧和-脱羧。按照脱羧时是否伴有氧化作用，可将有机酸的脱羧作用分为单纯脱羧和氧化脱羧。1.–单纯脱羧：见于氨基酸的脱羧作用。R-CH-COOHNH2氨基酸脱羧酶R-CH2-NH2+

CO2氨基酸胺2.–单纯脱羧：见于草酰乙酸的脱羧作用。+

CO2CH2-COOH│CO-COOHCH3│CO-COOH草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸丙酮酸3.-氧化脱羧：见于丙酮酸的脱氢与脱羧作用。丙酮酸脱氢酶系CH3-CO-COOH

+HSCoACH3CO~SCoA+

CO2NAD+NADH+H+丙酮酸乙酰CoA4.–氧化脱羧：见于苹果酸的脱氢与脱羧作用。CO-COOH+

CO2CH3CH2-COOHOHCH-COOHNADP+

NADPH+H+苹果酸丙酮酸苹果酸酶

第二节非线粒体氧化酶系

一、微粒体中的酶类（存在于细胞的光滑内质网上）

（一）加单氧酶(monoxygenase)*催化的反应：RH+NADPH+H++O2ROH+NADP++H2O又称混合功能氧化酶或羟化酶。上述反应需要细胞色素P450(CytP450)参与。CytP450属Cytb类，与CO结合后在450nm处出现最大吸收峰。（二）加双氧酶

此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底物中带双键的2个碳原子上。(O2)

色氨酸吡咯酶二、过氧化物酶体中的酶类

（一）过氧化氢及超氧离子的生成

在生物氧化过程中，呼吸链末端每分子氧必须接受4个电子才能完全还原，生成2O2－，可以与H＋结合生成水，如果电子供给不足，则生成过氧化基团O22－或超氧离子。

O2＋4e2O2－

2H2OO2＋2eO22－

H2O2