第24章生物氧化

第二十四章生物氧化维持生命活动的能量来源光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。化学能：动物和多数微生物，通过生物氧化作用将有机物质存储的化学能释放出来，并转变成生物能（ATP传递）。ATP生成形式光和磷酸化非氧化磷酸化氧化磷酸化（呼吸链氧化磷酸化底物氧化磷酸化）生物氧化（biologicaloxidation）有机物质在生物体内的氧化作用在组织细胞中进行通常需要消耗氧，生成CO2呼吸作用有机物质最终被氧化成CO2和水释放出能量（呼吸链氧化磷酸化,底物氧化磷酸化）脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位

生物体内能量产生的三个阶段生物氧化的特点1、酶促氧化过程、反应条件温和2、氧化与还原相偶联3、质子和电子由载体传递到氧生成水4、分步进行：有利于提高能量利用率5、氧化磷酸化源于有机酸的脱羧作用（α、β-脱羧）α单纯脱羧：有机酸不经氧化作用α氨基酸

胺+CO2

脱羧酶生物氧化中CO2的生成方式氧化脱羧基作用：同时发生氧化/脱氢作用丙酮酸CO2+NADH+H+氧化脱羧酶系α氧化脱羧β-单纯脱羧草酰乙酸磷酸烯醇丙酮酸β-氧化脱羧③异柠檬酸氧化形成α酮戊二酸OxidationofIsocitratetoα-KetoglutarateandCO2

2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)烯醇化酶生物氧化中水的生成方式底物脱水

（1）代谢脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，在此过程中有ATP的产生（狭义的生物氧化）；（2）酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜；传递氢的酶和辅酶——递氢体传递电子的酶和辅酶——递电子体（3）此过程与细胞呼吸有关，此传递链称为呼吸链。递氢体、递电子体都起传递电子的作用，又称电子传递体。由呼吸链生成水氧化反应类型脱氢生物氧化中，脱氢反应占有重要地位它是许多有机物质生物氧化的重要步骤催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。琥珀酸脱氢乳酸脱氢酶加水脱氢加水脱氢方式为代谢物提供了更多的脱氢机会，使生物获取更多的能量。C6H12O6脱6次每2个氢原子氧化成水生成2.5分子ATP

包括：加氧酶催化的加氧反应氧化酶催化的生成水的反应加氧酶催化氧分子直接加入到有机分子中如：甲烷单加氧酶

CH4+NADH+H++O2

CH3-OH+NAD++H2O氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后以这种形式进行氧化。氧直接参加的氧化反应只有电子得失的反应，也是氧化还原反应1、脱氢酶使代谢物的氢活化、脱落，传递给受氢体或中间传递体根据脱氢酶所含辅助因子的不同分为：（1）以黄素核苷酸为辅助因子的～（又称为黄素酶）氧化态FAM/FAD：黄色，450nm处吸收峰还原态FAMH2/FADH2：无色参与生物氧化的酶类代谢物-2HFMNH2O2FAD代谢物FMNH2O2FADH22H2H需氧黄素酶代谢物-2HFMN传递体-2H1/2O2

FAD代谢物FMNH2传递体H2O

FADH22H2H2H不需氧黄素酶（2）以烟酰胺核苷酸为辅助因子的～NAD（CoⅠ）、NADP（CoⅡ）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸代谢物-2HNAD+传递体-2H1/2O2

NADP+代谢物NADH+H+传递体H2O

NADPH+H+2H2H2H2、氧化酶：以氧为直接受氢体，一般含Cu3、加氧酶：催化加氧反应4、传递体：传递H或电子递氢体、递电子体

不能使底物脱氢，也不能使氧活化。生物氧化过程是一系列的氧化还原反应，且是放能的氧化还原反应。一、氧化—还原电势锌片溶解Zn2+进入溶液铜沉积Cu2+得电子e提供电子（还原剂）负极得到电子（氧化剂）正极ε0=E0正极—E0负极

电动势=正负极电极势之差氧化还原反应中，失去电子的物质称为还原剂，得到电子的物质称为氧化剂。还原剂失去电子的倾向（或氧化剂得到电子的倾向）的大小，则称为氧化还原电势。将任何一对氧化还原物质的氧化还原对连在一起，都有氧化还原电位的产生。如果将氧化还原物质与标准氢电极组成原电池，即可测出氧化还原电势。标准氧还原电势用E°表示。E°值愈大，获得电子的倾向愈大；E°愈小，失去电子的倾向愈大NADH+H++1/2O2====NAD++H2O

正极反应：1/2O2+2H++2e

H2O

E+°′

0.82负极反应：NAD++H++2eNADH

E-°′-0.3

线粒体脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi

小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）

共同中间产物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位生物氧化的三个阶段氧化磷酸化的P/O比

磷氧比（P／O）是指一对电子通过呼吸链传递到氧所产生ATP的分子数。但是,近年来很多实验结果都证明，以NADH作为电子供体时，测得的P/O比值大于2,所以P/O比值不一定是整数。例如，-羟丁酸经过NADH途径的P/O比值为2.4－2.6，产生的ATP数目为2.5；而琥珀酸经过FADH2的P/O比值为1.7，产生的ATP数目为1.5。

目前被广泛接受的观点是：ATP、ADP和无机磷酸通过线粒体内膜的转运是由ATP-ADP载体和磷酸转位酶催化的。已知每合成1个ATP需要3个质子通过ATP合酶。与此同时，把一个ATP分子从线粒体基质转运到胞液需要消耗1个质子，所以每形成1个分子的ATP就需要4个质子的流动。因此，如果一对电子通过NADH电子传递链可泵出10个质子，则可形成2.5个分子ATP；如果一对电子通过FADH2电子传递链有6个质子泵出，则可形成1.5个ATP分子。~10protonsarepumpedperNADH,and~6perFADH2oxidizedviatherespiratorychain.

二、电子传递和氧化呼吸链（一）电子传递过程按照电子的亲和力递增的顺序传递电子的传递仅发生在相邻传递体之间（二）呼吸链由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成的代谢途径一般称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，称为呼吸链。（三）电子传递链原核生物由于没有线粒体，所以电子的传递是在细胞膜上进行的。对于真核生物而言，电子传递链定位于线粒体内膜上，由一些氢传递体和电子传递体组成。电子传递链主要由4个部分组成，分别命名为复合体Ⅰ、复合体Ⅱ、复合体Ⅲ、复合体Ⅳ（四）电子传递链的组成成分

NADH-Q还原酶（NADH脱氢酶、复合体Ⅰ）电子传递：NADHFMNFe-SCoQ复合体Ⅰ的主要成分是NADH-Q还原酶，又叫NADH脱氢酶复合体。该酶以FMN和铁硫簇（Fe-S)为辅基，接受NADH上的氢后，FMN还原成FMNH2，FMNH2将电子交给铁硫中心，最后交给CoQ。CoQ也称泛醌，简写Q，并不参与呼吸链上复合体的形成，却是电子传递链的重要成员，其化学结构为一种脂溶性醌类化合物，由于它的脂溶性特点，在线粒体内膜上可以从复合体Ⅰ扩散到复合体Ⅲ，通过自身的氧化还原态在两个复合体之间传递质子和电子铁硫蛋白（Fe-S）

（非血红素蛋白）与电子传递有关与其他递氢体或电子传递体结合成复合物存在通过Fe3+

Fe2+变化起传递电子的作用辅酶Q

（CoQ、Q、泛醌）CoQ也称泛醌，简写Q，并不参与呼吸链上复合体的形成，却是电子传递链的重要成员，其化学结构为一种脂溶性醌类化合物，由于它的脂溶性特点，在线粒体内膜上可以从复合体Ⅰ扩散到复合体Ⅲ，通过自身的氧化还原态在两个复合体之间传递质子和电子它在传递电子的同时还起着一个质子泵的作用，将质子泵到膜间隙中，质子泵由电子传递时释放的自由能所驱动（四）电子传递链的组成成分琥珀酸—Q还原酶（复合体Ⅱ）嵌在线粒体内膜（包括琥珀酸脱氢酶）电子传递：FADH2Fe-SCoQ复合体Ⅱ又叫琥珀酸-Q还原酶或琥珀酸脱氢酶复合体，包含4个不同亚基，除含有琥珀酸脱氢酶外，还包含3个铁硫蛋白。辅基是FAD，FAD接琥珀酸上脱下的氢，然后将电子传给铁硫簇，再交给CoQ，从而进入电子传递链Ubiquinone(Q)acceptselectronsfrombothNADHandFADH2intherespiratorychain（四）电子传递链的组成成分细胞色素还原酶（复合体Ⅲ）

cytochrome,Cyt

是含铁的Pr

以血红素为辅基电子传递蛋白还原型Cyt有光谱吸收现象（分为a、b、c三类）通过Fe3+

Fe2+互变起传递电子的作用把还原型CoQ上的电子转移给细胞色素c。它含有两个b型细胞色素和一个细胞色素c1，还有一个铁硫簇CoQcytbFe-Scytc1cytc复合体ⅢReducedcytochromeshasthreeabsorptionbandsinthevisiblewavelengthsCyta:~600nmCytb:~560nmCytc:~550nm还原型CoQ上的电子转移给细胞色素c。细胞色素c是膜间隙中的一个水溶性蛋白。从复合体Ⅲ接受一个电子后，细胞色素c移动到复合体Ⅳ，将电子交给其中的铜原子，完成电子转移。（四）电子传递链的组成成分

细胞色素氧化酶（Cytc氧化酶、复合体Ⅳ）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催化4个电子将氧分子还原为水。复合体Ⅳ是由6-13个不同亚基组成的跨膜蛋白复合体。其中，亚基Ⅱ包含两个铜离子，亚基Ⅱ上的铜称为CuA。亚基Ⅰ上的铜离子称为CuB，Cyta3和CuB形成了一个双核中心。这个双核中心的作用是接受血红素a上传递来的电子，并将电子传递给结合在Cyta3上的氧分子。（五）电子传递抑制剂——阻断呼吸链中某部位电子传递的物质；氧化作用受阻、能量释放减少鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素阻断电子由NADH向CoQ的传递；抗霉素A抑制电子从Cytb到Cytc1的传递；氰化物、叠氮化物、CO等阻断电子由Cytaa3传递到氧1、鱼藤酮等阻断从NADH向CoQ的传递

鱼藤酮（rotenone）、安密妥（amytal）、杀粉蝶菌素（piericidine）等。它们的作用是抑制复合物I，阻断电子由NADH向CoQ的传递，但不影响FADH2到CoQ的氢传递。鱼藤酮是一种极毒的植物毒素，常用作杀虫剂。2、抗霉素A阻断复合物III的电子传递抗霉素A（antimycinA），它是从灰色链球菌分离出的一种抗生素，抑制复合物Ⅲ的电子传递，即阻断细胞色素还原酶中电子的传递，从而抑制了电子从还原型的CoQ（QH2）到细胞色素c1的传递。3、氰化物、叠氮化物、CO、H2S

阻断复合物IV向O2的传递

氰化物（cyanide,CN－）、叠氮化物（azide,N3－）、一氧化碳（carbonmonoxide,CO）和硫化氢(hydrogensulphide)，这些抑制剂均能阻断电子在细胞色素氧化酶的传递，即阻断细胞色素aa3至O2的电子传递，其中氰化物（CN－）和叠氮化物（N3－）能与血红素a3的高铁形式（ferricform）作用而形成复合物,而一氧化碳（CO）则抑制血红素a3的亚铁形式（ferrousform）。三、氧化磷酸化作用代谢物的氧化（脱氢）作用与ADP的磷酸化反应偶联生成ATP的过程。部位：线粒体内膜（真核）胞浆膜（原核细胞）数目、形状因细胞而异

代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP（即ADP+Pi→ATP）,这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。类别：

底物水平磷酸化电子传递水平磷酸化ADP+PiATP+H2O生物氧化过程中释放出的自由能底物水平磷酸化：代谢物通过氧化形成的高能磷酸化合物直接将磷酸基团转移给ADP，使之磷酸化生成ATP。氧化磷酸化：NADH或FADH2将电子传递给O2的过程与ADP的磷酸化相偶联，使电子传递过程中释放出的能量用于ATP的生成。氧化磷酸化的过程需要氧气作为最终的电子受体，它是需氧生物合成ATP的主要途径。

（二）氧化磷酸化的偶联机制1、ATP的合成部位NADH氧化过程中有三个反应G’值大于30.5kJ/molNADHFMNcytbcytc1cytaa3

O2-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/mol复合物ⅣCytc氧化酶复合物Ⅲ泛醌Cytc还原酶复合物ⅠNADH脱氢酶电子通过线粒体呼吸链传递到O2的过程中，释放出大量能量；这种电子传递过程的释能反应与ADP和磷酸合成ATP的需能反应相偶联，是ATP形成的基本机制。三、氧化磷酸化作用的机理1、有关氧化磷酸化机理的几种假说化学偶联假说构象偶联假说化学渗透假说

（1）化学偶联假说（1953年）chemicalcouplinghypothesis

认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的化学反应形成高能共价中间物，最后将其能量转移到ADP中形成ATP。

（2）构象偶联假说（1964）

conformationalcouplinghypothesis

认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能构象，这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。迄今未能分离出这种高能蛋白质。但在电子传递过程中蛋白质组分的构象变化还是存在的。

英国生物化学家PeterDMitchell在1961年提出化学渗透假说，他认为电子传递释放出的自由能及ATP合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。也就是说，电子传递释放的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H+电化学梯度。这个梯度的电化学势驱动ATP合成。由于该假说提出后逐渐拥有越来越多的实验证据，因而成为目前解释氧化磷酸化偶联机理最为公认的一种假说，并且PeterMitchell因提出该假说而获得了1978年的诺贝尔化学奖。

(3)化学渗透学说Chemiosmotichypothesisa.线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵b.电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧（内膜对H+是不通透的），在膜内外侧产生了跨膜质子梯度和电位梯度c.

在膜内外势能差的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP合酶组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP

由上述化学渗透假说可知，该模型必需具备两个条件：一是线粒体内膜必须是质子不能透过的封闭系统，否则质子梯度将不复存在；二是要求呼吸链和ATP合酶在线粒体内膜中定向地组织在一起，并定向地传递质子、电子和进行氧化磷酸化反应。

化学渗透假说的实验证据①氧化磷酸化作用需要封闭的线粒体内膜存在。②线粒体内膜对H+、OH－、K+、Cl－等离子都是不通透的。③破坏H+浓度梯度的形成都必将破坏氧化磷酸化作用的进行。④线粒体内膜上的电子传递能够将H+从基质运输到膜间隙。⑤人造的脂质小泡上重组细菌紫膜质和F1FoATP合酶后，在照光时有ATP的合成。质子转移的两种假设机制（1）氧化－还原回路机制

该机制由Mitchell提出。他认为电子传递链中有一些电子传递体既可以传递电子，也可以结合H+，当它们被还原时，在膜内侧结合H+，而被氧化时，在膜外侧释放H+，这样就把H+从膜内运到了膜外。

（2）质子泵机制

这个机制的内容是，电子传递导致复合体构象的变化，氨基酸残基在膜内侧结合H+，构象变化后在膜外侧释放H+，从而把H+从膜内侧运到膜外。质子转移的两种假设机制

解偶联剂（uncoupler）是指那些不阻断呼吸链的电子传递，但能抑制ADP通过磷酸化作用转化为ATP的化合物。它们也被称为氧化磷酸化解偶联剂。最早发现的一个解偶联剂是2,4-二硝基苯酚（2,4-dinitrophenol,DNP），它是一种弱酸性亲脂化合物，在pH7条件下，DNP以解离形式存在，不能通过线粒体内膜。但是在酸性环境中，DNP转变为脂溶性的非解离形式，可携带质子透过线粒体内膜，这样就破坏了电子传递形成的跨膜质子电化学梯度。氧化磷酸化的解偶联和抑制

在解偶联剂存在时，电子沿呼吸链的传递能正常进行，但不能偶联产生ATP，这样就使电子传递所产生的自由能以热能的形式被消耗。由于DNP解偶联剂只专一性地抑制与呼吸链相偶联的ATP的形成过程，因此，它不会影响底物水平的磷酸化。1．解偶联剂（uncouplers）

NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外

这类化合物直接作用于ATP合酶复合体，从而抑制ATP的合成。

它们使膜外质子不能通过ATP合酶复合体返回膜内，使膜内质子继续泵出到膜外显然越来越困难，最后不得不停止，所以这类抑制剂间接抑制了电子传递和分子氧的消耗。

寡霉素属于此类抑制剂，它与F0的一个亚基结合而抑制F1。2．氧化磷酸化抑制剂（inhibitors）3.离子载体抑制剂

离子载体抑制剂（ionophore）是指那些能与某种离子结合，并作为这些离子的载体携带离子穿过线粒体内膜的脂双层进入线粒体的化合物。这类抑制剂均是脂溶性物质，它们与解偶联剂的区别在于它们能结合除H+以外的其它一价阳离子，例如缬氨霉素（Valinomycin）可结合K+，短杆菌肽可结合K+、Na+和其它一价阳离子穿过线粒体内膜。因此离子载体抑制剂增大了线粒体内膜对一价阳离子的通透性，从而破坏了膜两侧的电位梯度，最终导致氧化磷酸化过程被抑制。

该假说是1964年由美国生物化学家PaulBoyer最先提出，他认为电子传递过程中，线粒体内膜上的蛋白质组分发生了构象变化，转变成一种高能形态。这种高能形态通过将能量转移到ADP合成ATP后，又得以恢复其原来的构象。随着人们对ATP合酶结构的研究和认识不断深入，在构象偶联假说的基础上形成了ATP合酶结合变化和旋转催化假说。

ATP酶-构象偶联假说ATP合成机制——ATP酶复合体线粒体内膜表面有一层规则地间隔排列着的球状颗粒，称为ATP酶复合体/ATP合酶，是ATP合成的场所。结构：头部：ATP合酶（F1）柄部：棒状Pr，对寡霉素敏感（OSCP）基底部：疏水Pr，与内膜连接（FO）OSCP:寡霉素敏感性付予蛋白头部含5种不同的亚基（3、3、1、1

、1

）OSCP是能量转换通道F0与线粒体电子传递系统连接（质子通道）F1和Fo的亚基组成

F1由5种肽链组成，α3β3γδε。Fo由3种疏水亚基组成，a1b2c9-12。Fo形成跨膜的管道，质子通过此管道流回到膜内侧时驱动ATP合成。F1的α、β、γ、δ和ε亚基分别由510、482、272、146和50个氨基酸残基组成，F1的总分子量为371kD。α、β亚基是同源的，每一个亚基结合有1个ATP，催化位点在β亚基上，α亚基上ATP结合位点的功能还不清楚，因为缺失这个位点并不影响F1的活性。

当质子推动力驱使H+经F0质子通道进入时，F0组分质子化而发生构象改变，积累足够的扭矩力，推动γε相对α3β3旋转120°，使处于T态的催化部位释放ATP变成O态，同时L态催化部位上生成ATP变为T态，O态结合ADP+Pi变为L态侧面观顶面观无质子梯度质子梯度的作用：不是形成ATP；而是使ATP从酶分子释放结合变化机制（binding-changemechanism）O：开放形式，对底物亲和力极低L：与底物结合松弛，无催化能力T：与底物结合紧密，有催化活性Rotationoftheg

subunitandtheringofcsubunitsintheFoF1complexwasobservedbyinvitrostudiesusingfluorescencemicroscopy(五)线粒体两条呼吸链NADH氧化呼吸链——细胞内主要的呼吸链FADH2氧化呼吸链由琥珀酸脱氢酶复合体、CoQ和Cyt组成

FAD、Fe-S、Cytb558需要氧的参与；消耗氧、ADP和无机磷酸生成ATP；

电子传递水平的磷酸化线粒体外NADH的氧化磷酸化作用（穿梭系统）酵解（细胞质）氧化磷酸化

（线粒体）

线粒体外的NADH通过间接的途径——穿梭机制进入线粒体。动物细胞内已知有两个穿梭系统：

磷酸甘油穿梭系统，主要存在于肌细胞；

苹果酸穿梭系统，主要存在于肝细胞。

胞浆中甘油-3-磷酸脱氢酶甘油-3-磷酸磷酸二羟丙酮线粒体中甘油-3-磷酸脱氢酶NADH逆浓度梯度进入呼吸链苹果酸通过苹果酸-α-酮戊二酸载体进入线粒体基质（八）氧化磷酸化的调控ATP的生成以电子传递为