生物化学与分子生物学课件8氧化

第六章生物氧化张晓伟

北京大学医学部生化与分子生物学系BiologicalOxidation糖

脂肪

蛋白质

CO2

和H2OO2能量ADP+PiATP热能有机物质在生物体内的氧化作用，称为生物氧化。由于生物氧化通常需要消耗氧，产生二氧化碳，故又称“细胞呼吸”。在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧化成CO2和水，并释放出能量。第一节概述生物氧化的特点生物氧化的方式生物氧化酶类能量代谢的特点Introduction一、生物氧化的特点1、细胞内条件温和(水溶液，pH7，恒温)，酶促反应生物氧化的部位：线粒体，内质网，微粒体等（1）α–单纯脱羧（2）β–单纯脱羧2、有机酸脱羧生成CO2

O‖CH3CH+CO2

O‖CH3CCOOH丙酮酸乙醛COOHC=OCH2COOHαβCOOHC=O+CO2

CH3草酰乙酸丙酮酸3、H2O的生成：H通过中间传递体间接与氧结合4、氧化与还原反应伴随发生，反应分步进行间接供氧更普遍：加水脱氢加水脱氢：水是许多生物氧化反应的氧供体，直接参予氧化反应生理意义：供能，清除有害物质5、逐步释放能量，并转换为生物体直接供能物质生物氧化体外氧化共性均有加氧、脱氢、失电子，遵循氧-还反应的一般规律消耗的氧量、最终产物(CO2，H2O)和释放能量均相同氧化条件细胞内温和条件燃烧，等氧化过程酶促反应，逐步进行非酶促，一步能量释放逐级释放，有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率突然释放氧化方式间接供氧更普遍直接加氧H2O生成H间接与氧结合生成H2OH直接与氧结合CO2有机酸脱羧C直接与氧结合生物氧化与体外氧化的异同小结1、细胞内条件温和(水溶液，pH7，恒温)2、氧化与还原相伴进行3、碳的氧化和氢的氧化非同步进行。氧化脱下来的氢质子和电子由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水；有机酸脱羧生成CO24、间接供氧更普遍：水通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应5、酶促反应分步进行。有利于温和条件下释放能量，提高能量利用率。6、逐步释放能量，并通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能。7、进行生物氧化反应的部位（1）线粒体（2）内质网、微粒体等8、生理意义：供给机体能量，转化有害废物。1.脱电子2.脱氢(最主要)3.加氧Fe2+

Fe3++eCOOHC=O+2H

CH3（2H++2e）

COOH

HO－CH

CH3Cu+O2

CuO12二、生物氧化的方式氧化磷酸化(oxidativephosphorylation):是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为呼吸链水平的磷酸化。ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTPADP+ADPATP+ADP三、ATP是生物能利用的主要形式细胞内的直接供能形式：NTP细胞内主要的直接供能形式：ATPATPADPATP循环机械能(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)~P~P氧化磷酸化底物水平磷酸化1、ATP的特殊作用：能量代谢的中心ATP在一切生物生命活动中都起重要作用，细胞核、细胞质和线粒体中都存在有ATPATP是酶促磷酸基团转移的“共同中间体”ATP是生物体内主要的直接供能物质

ATP是能量的携带者和转运者，是生物体通用的能量货币。ATP不是能量的贮存者。在脊椎动物中起贮存能量作用的ATP原是磷酸肌酸小结2、ATP的生成方式：底物水平磷酸化、呼吸链水平磷酸化（氧化磷酸化）作用物/底物水平的磷酸化(substratelevelphosphorylation)：高能化合物在反应的过程中，直接将能量转给ADP，生成ATP。氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)：是指代谢物氧化脱氢经呼吸链传递给氧生成水的同时，偶联有ADP磷酸化生成ATP的过程。又称为呼吸链水平的磷酸化。它是体内生成ATP的主要方式。第二节

氧化磷酸化（OxidativePhosphorylation）

线粒体呼吸链能量积累与转换氧化偶联ATP的合成胞液中NADH的氧化影响氧化磷酸化的因素线粒体是生物氧化的主要场所由递氢体或递电子体在线粒体内膜上按一定顺序排列组成的连锁反应体系称为电子传递链(electrontransferchain)。它与细胞摄取氧的呼吸过程相关，故又称呼吸链(respiratorychain)一、线粒体呼吸链线粒体呼吸链（一）呼吸链的主要成分1、NAD+为辅酶的脱氢酶【组分】酶蛋白、NAD+

【作用】递氢体：辅酶接受代谢物脱下的2H，传递给黄素蛋白。R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+NADH：还原型辅酶NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间2、铁硫蛋白(iron-sulfurprotein,Fe-S)

铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。【组分】含等量的铁原子和硫原子(Fe2S2，Fe4S4)铁原子与铁硫蛋白的半胱氨酸相连【作用】递电子体：单电子传递，将FMN或FAD的电子传递给泛醌。通过Fe3+

Fe2+

变化传递电子铁硫蛋白铁硫蛋白(Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物。3、泛醌(Q)或辅酶Q(CoQ）它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。递氢体：传递2H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。4、细胞色素（cyt）含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。呼吸链中主要有细胞色素a,b,c等，其辅基分别为血红素A、B和C。Cyta,b,c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。主要通过Fe3+

Fe2+互变传递电子。细胞色素c（cytc）一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外，属膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但蛋白组成有所不同。通过Fe3+

Fe2+互变传递电子。氧化型还原型细胞色素a和bCyta和a3组成一个复合体，除含有铁卟啉外，还含有铜原子。aa3可直接以O2为电子受体aa3的铜离子可发生Cu+

Cu2+

的互变，将电子传递给O2。细胞色素aa3（cytaa3）5、黄素酶-黄素蛋白（Flavoprotein）【组分】酶蛋白、FMN、FAD(它们由核黄素VitB2、磷酸、AMP组成)。【作用】进行可逆的脱氢加氢反应。【机制】异咯嗪的第1、10位N上可加氢【举例】琥珀酸脱氢酶以FAD为辅酶，将代谢物脱下的H传入呼吸链。（二）酶复合体(complex)复合体在线粒体内膜中的位置NADH泛醌还原酶(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还原酶最少含有16个多肽亚基。它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来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2进一步将电子转移给Q。NADHQ还原酶NADH+Q+H+NAD++QH2

复合体ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2NADH泛醌还原酶复合体Ⅰ的功能②琥珀酸-Q还原酶(复合物Ⅱ,CoⅡ)存在于线粒体内膜上,它比NADH-Q还原酶的结构简单，由4个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD、Cytb560和铁硫蛋白。琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原。

复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3

复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1③QH2cytc还原酶(复合物III)它是一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2的氧化和cytc的还原。QH2-cytc还原酶由9个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素b（b562、b566）和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。QH2-cytc还原酶QH2+2cytc(Fe3+)Q+2cytc(Fe2+)+2H+

复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB

④cytc氧化酶(复合物Ⅳ,CoⅣ)位于线粒体呼吸链末端，由12个多肽亚基组成。活性部分主要包括cyta和a3。NADHFP(FMN)UQCytbCytC1CytcCytaa3O2

(Fe-S)

FP(FAD-Fe-S)复合物Ⅰ复合物Ⅲ复合物Ⅳ复合物Ⅱ分别进入两条呼吸链的底物苹果酸异柠檬酸

琥珀酸β-羟丁酸

谷氨酸

FAD（Fe-S）

NAD+FMNCoQbc1caa3O2

丙酮酸

FAD

α-酮戊二酸

脂酰CoA

α-磷酸甘油由递氢体或递电子体在线粒体内膜上按一定顺序排列组成的连锁反应体系称为电子传递链(electrontransferchain)。它与细胞摄取氧的呼吸过程相关，故又称呼吸链(respiratorychain)递氢体同时也是递电子体

1、呼吸链的组成成分（主要有5类）（1）NAD+为辅酶的脱氢酶：递氢体（2）黄素酶（黄素蛋白，辅酶为FAD或FMN）：递氢体（3）铁硫蛋白（含有Fe-S）：递电子体（4）泛醌（辅酶Q）：递氢体（5）细胞色素体系：递电子体呼吸链细胞色素体系：cytaa3、b、c1、c小结2、呼吸链分类：2条主要呼吸链（1）NADH氧化呼吸链SH2(底物)→NAD→FMN→CoQ→cytb→c1→c→aa3→O2NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2（2）FADH2氧化呼吸链SH2(底物)→FAD→CoQ→cytb→c1→c→aa3→O2琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2（3）NADH和FADH2是氧化呼吸链的电子供体二.氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化偶联生成ATP

1.氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ内

ATPATPATP呼吸链偶联部位电子传递链自由能变化

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P/O：物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数。NADH呼吸链P/O=2～3。FADH2呼吸链P/O=1～2.2、氢离子落差的形成：质子泵的作用质子泵1：复合物Ⅰ质子泵2：复合物Ⅲ质子泵3：复合物Ⅳ3、能量的转换1、能量积累：氢离子浓度梯度P/O:物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数。NADH呼吸链P/O=2.5FADH2呼吸链P/O=1.5产能部位：NADH→CoQ,cytb→cytc,cytaa3→O22、能量指标：ATP小结代谢物氧化脱氢经呼吸链传递给氧生成水的同时，伴有ADP磷酸化生成ATP的过程为氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)，因氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联发生，又称偶联磷酸化。氧化磷酸化是体内生成ATP的主要方式。解偶联：有代谢物的氧化过程，不伴有ADP磷酸化的过程为氧化磷酸化的解偶联。三、氧化磷酸化ATP的合成线粒体氧化磷酸化由亲水部分F1(α3β3γδε亚基)和疏水部分F0(a1b2c9～12亚基)组成。1、ATP合酶复合体(复合物Ⅴ)

线粒体内膜表面规则排列着的球状颗粒，称为ATP合酶复合体，是ATP合成的场所。ATP合酶，由F1和F0组成。F1含有5种不同的亚基（按3、3、1、1

和1

的比例结合）。F0为一个疏水蛋白，是与线粒体电子传递系统连接的部位。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合酶的工作机制化学渗透假说2、偶联机制：（1）H+不能自由通透线粒体内膜；（2）电子传递链是一个质子泵（复合物Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ），电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，可驱动膜内侧的H+定向迁移到膜外侧，产生氢离子浓度梯度。（3）线粒体内膜内侧与外侧之间的氢离子浓度梯度具有质子梯度势能(pH)和电位梯度电能（），统称电化学势能；（4）在膜内外电化学势能的驱动下，膜外高能质子具有回流膜内的趋势，可沿着特殊通道（ATP酶的组成部分）回到膜内侧。回流释放的能量，直接驱动了ADP和磷酸合成ATP。1、氧化磷酸化ATP的生成ATP合酶复合体是ATP合成的场所。氧化磷酸化后，NADH＝2.5ATP，FADH2=1.5ATP2、化学渗透假说的要点：（1）H+不能自由通透线粒体内膜；（2）线粒体内膜的电子传递链中的复合物Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ具有质子泵的功能，可利用递氢体与递电子体之间电子传递的能量驱动H+由线粒体内膜内侧定向迁移到膜外侧，从而在线粒体内膜两侧形成质子梯度；（3）质子梯度具有电化学势能，存在质子回流线粒体内膜内的趋势；（4）质子经特定的质子通道回流线粒体膜内侧时，可推动ATP合酶催化合成ATP。小结四、胞液中NADH的氧化胞液中生成的NADH不能自由通过线粒体内膜转运胞液NADH的机制主要有：苹果酸-天冬氨酸穿梭和-磷酸甘油穿梭作用。-磷酸甘油穿梭（glycerol--phosphateshuttle）[部位]脑、骨骼肌[催化酶]磷酸甘油脱氢酶（FAD）[能量生成]经呼吸链生成1.5个ATPα-磷酸甘油穿梭机制2、苹果酸-天冬氨酸穿梭（malate-aspartateshuttle）肝、心肌1、-磷酸甘油穿梭部位：脑、骨骼肌磷酸甘油脱氢酶（FAD）能量生成：1.5个ATP2、苹果酸-天冬氨酸穿梭部位：肝、心肌催化酶：苹果酸脱氢酶（NAD+）、谷草转氨酶能量生成：2.5个ATP。

小结1、ADP与ATP的调节作用ADP/ATP↓：抑制氧化磷酸化，ATP生成↓ADP/ATP↑：促进氧化磷酸化，ATP生成↑五、影响氧化磷酸化的因素正常生理条件下，ADP是氧化磷酸化的主要调节者，ADP则氧化磷酸化。H2O+NAD+NADH+H++

O2

12ADP+PiATP氧化磷酸化Na+-K+ATP酶活性

ATP分解ADP/ATP

氧化磷酸化2、甲状腺素的作用甲状腺激素诱导Na+,K+-ATP酶的生成，使ATP分解,因ADP导致氧化。它还使解偶联蛋白基因表达和氧化释能，产热。（1）呼吸链抑制剂：抑制电子传递3、氧化磷酸化抑制剂的作用鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×抗霉素A二巯基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×破坏H+的跨膜电位：2，4-二硝基苯酚（磷酸化破坏）

ADP+PiATP

呼吸链正常_（2）解偶联剂：能够使氧化过程与磷酸化过程脱节的物质称解偶联剂，它对电子传递没有抑制作用，但能抑制ADP磷酸化生成ATP的过程。二硝基苯酚（dinitrophenol,DNP）:脂溶性物质，自由通过内膜，将H+带入基质,破坏了H+梯度.解偶联蛋白作用机制ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能

H+

H+ADP+PiATP抑制磷酸化：寡霉素H+从质子通道回流

呼吸链：跨膜电位质子泵（3）氧化磷酸化ATP合酶抑制剂【作用】对电子传递和ADP的磷酸化均有抑制。[举例]寡霉素:与ATP合酶的F0结合，破坏H+回流；影响呼吸链质子泵的功能，抑制电子传递。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ATP合酶结构模式图1、ADP的调节ADP是氧化磷酸化的主要调节者2、氧化磷酸化抑制剂的作用（1）呼吸链抑制剂：抑制电子传递异戊巴比妥：抑制复合物I的Fe-S蛋白抗霉素A:抑制CytbCytc1(复合物Ⅲ)的电子传递CO、CN-：抑制cytaa3→O2

（2）解偶联剂：使氧化磷酸化脱离2,4二硝基苯酚（DNP）：破坏H+梯度（3）ATP合酶抑制剂：抑制ADP的磷酸化和电子传递寡霉素：破坏H+回流小结第四节

其它氧化体系

一、需氧脱氢酶和氧化酶1、氧化酶：直接利用氧，产物为水，辅基含铜离子。[例]细胞色素氧化酶，抗坏血酸氧化酶等。2、需氧脱氢酶：以氧为受氢体，产物为H2O2,辅基为FMN、FAD。二、过氧化物酶体氧化体系过氧化物酶体是特殊的细胞器。[部位]肝、肾，中性粒细胞，小肠粘膜细胞[作用]含生成和分解H2O2的酶类。1、过氧化氢及超氧离子的作用和毒性[作用]中性粒细胞中的H2O2可杀死吞噬的细菌。