第六章 生物氧化

第六章生物氧化第一页，共七十九页，编辑于2023年，星期四所有生命都利用太阳能第二页，共七十九页，编辑于2023年，星期四第三页，共七十九页，编辑于2023年，星期四三大营养物质氧化分解第四页，共七十九页，编辑于2023年，星期四生物氧化

糖、脂肪和蛋白质等有机物在体内的逐步氧化分解成CO2和H2O，并释放出能量的过程称为生物氧化（biologicaloxidation）。与体外燃烧不同的是，生物体内的生物氧化过程是在37℃，近于中性的含水环境中，由酶催化进行的；反应逐步释放出能量，相当一部分能量以高能磷酸酯键的形式储存起来。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化还原反应，所以又称为细胞氧化或细胞呼吸。思考：以下关于营养物质在体内氧化和体外燃烧的叙述正确的是

A．逐步释出能量

B．氧和碳原子化合产生CO2C．需要催化剂

D．彻底氧化产生相同产物E．体外燃烧释出的能量大于体内氧化

第五页，共七十九页，编辑于2023年，星期四生物氧化过程：代谢物分子脱氢，并解离成氢离子和电子;电子经过中间载体传给氧分子，激活氧;H+和O2-结合成H2O，并释放能量;第六页，共七十九页，编辑于2023年，星期四第一节生成ATP的氧化体系第七页，共七十九页，编辑于2023年，星期四一、线粒体氧化呼吸链在线粒体中，由若干递氢体或递电子体按一定顺序排列组成的，与细胞呼吸过程有关的链式反应体系称为呼吸链。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。不论递氢体还是电子传递体都起传递电子的作用,所以呼吸链又称电子传递链.第八页，共七十九页，编辑于2023年，星期四线粒体的结构第九页，共七十九页，编辑于2023年，星期四（一）呼吸链的组成呼吸链可用胆酸,脱氧等反复处理,分离成四种仍具有传递电子功能的酶复合体,复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ完全镶嵌在线粒体内膜中,复合体Ⅱ镶嵌在内膜内侧.第十页，共七十九页，编辑于2023年，星期四第十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期四1．复合体Ⅰ（NADH-泛醌还原酶）：将电子从还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（reducednicotinamideadeninedinucleotide,NADH），传递给泛醌NADHFMNFeSCoQeH+

第十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期四（1）辅酶Ⅰ和辅酶ⅡNAD+（辅酶I，coenzymeI，CoI）与NADP+（辅酶II，coenzymeII，CoII）是烟酰胺脱氢酶类的辅酶，NAD或NADP分子中烟酰胺的氮为五价,能接受电子成为三价氮.此时其对侧的碳原子可进行加氢反应.在加氢反应时只能接受1个氢原子和1个电子,将另一个H游离出来.结构如下：NAD++++第十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期四NADP+第十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期四

是一类氧化还原酶，其辅酶中含有核黄素而呈黄色，故又称黄酶。黄素蛋白的辅基有两种：黄素单核苷酸（flavinmononucleotide,FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（flavinadeninedinucleotide,FAD）。

FMN和FAD与酶蛋白结合得相当牢固。（2）黄素蛋白（fliavoprotein，ＦＰ）第十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期四黄素蛋白的作用是催化代谢物脱氢或传递氢，前者称为黄素脱氢酶，后者称为黄酶递氢体。在黄酶递氢体中最重要的是ＮＡＤＨ－泛醌还原酶。ＦＭＮ或ＦＡＤ的发挥功能的结构是异咯嗪环,可以接受一对氢原子而变成还原型ＦＭＮＨ２或ＦＡＤＨ２。第十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期四第十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期四（3）铁硫蛋白铁硫蛋白分子中含有等量的铁原子和硫原子,所以称铁硫蛋白，铁硫蛋白在线粒体内膜上常与其他递氢体或递电子体(黄素蛋白或细胞色素)构成复合物存在。铁硫蛋白分子中含有由半胱氨酸残基硫原子与铁离子形成的铁硫中心，一次可传递一个电子。在复合体Ⅰ中,其功能是将FMNH2的电子传递给泛醌.第十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期四铁硫蛋白的

分子结构铁硫蛋白分子中含有由半胱氨酸残基硫原子与铁离子形成的铁硫中心，一次可传递一个电子。第十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期四（4）泛醌（ubiquinone，Q）

泛醌是一种黄色脂溶性醌类化合物，以往曾以为它是一种辅酶，称为辅酶Q（coenzymeQ，CoQ）。后来发现它是呼吸链中唯一不与蛋白质结合的电子载体，故称为泛醌更为恰当。人和哺乳动物组织中的泛醌其侧链有10个异戊二烯单位（n=10），以Q10表示。第二十页，共七十九页，编辑于2023年，星期四泛醌接受一个电子和一个质子还原成半醌，再接受一个电子和一个质子还原成二氢泛醌，后者又可脱去电子和质子而被氧化为泛醌。将氢解离成氢离子和电子分别传递.第二十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期四泛醌接受一个电子和一个质子还原成半醌，再接受一个电子和一个质子还原成二氢泛醌，后者又可脱去电子和质子而被氧化为泛醌。第二十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期四2．复合体Ⅱ（琥珀酸-泛醌还原酶）：

琥珀酸脱氢酶+2（Fe-S）+2（Cytb560）FADHFeSCytb560CoQH+

，e琥珀酸以FAD为辅基第二十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期四细胞色素这是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的蛋白质。细胞色素可存在于线粒体内膜，也可存在于微粒体。在生物氧化反应中，其铁离子可为+2价亚铁离子，也可为+3价高铁离子。通过这种转变而传递电子。细胞色素为单电子传递体。第二十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期四各种细胞色素的主要差别在于铁卟啉辅基的侧链以及铁卟啉与蛋白质部分的连接方式。参与呼吸链组成的细胞色素有细胞色素a、b、c，每一类中又因其最大吸收峰的微小差别再分为几种亚类。存在于线粒体内膜的细胞色素有Cytaa3，Cytb（b560，b562，b566），Cytc，Cytc1；而存在于微粒体的细胞色素有CytP450和Cytb5。第二十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期四在典型的线粒体呼吸链中，其传递顺序是：

b

c1

c

aa3

O2第二十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期四细胞色素b的分子结构第二十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期四3．复合体Ⅲ（泛醌-细胞色素c还原酶）：2Cytb+Cytc1+（Fe-S）

ADPATPCoQFeScytbcytC1eH+

复合体III将电子从泛醌传递给细胞色素Ｃ。人体细胞的复合体III中含有２种细胞色素b（Ｃytb５６２，b５６６）、细胞色素Ｃ１和铁硫蛋白。Cytc呈水溶性,与线粒体内膜外表面结合不紧密,极易与线粒体内膜分离,故不包含在上述复合体中.cytC第二十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期四cytaa3cytC1/2O2eH+

4．复合体Ⅳ（细胞色素c氧化酶）：Cyta+Cyta3复合体IV将电子从细胞色素C传递给氧。人体细胞中的复合体IV中含有Cyta和Cyta3。由于两者结合紧密，很难分离，故合称为细胞色素氧化酶（Cytaa3）。在aa3分子中除铁卟啉外，尚含有2个铜原子，依靠其化合价的变化，把电子从a3传到氧，故在细胞色素体系中也是呈复合体排列的。第二十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期四（二）呼吸链成分的排列顺序：按标准氧还电位递增值确定的呼吸链各传递体的排列顺序是目前一致认可的方法。

在生物化学中，以（E0′）值来表示氧化还原剂对电子的亲和力。根据氧化还原原理（E0′）值愈低的氧还对释出电子的倾向愈大，愈容易成为还原剂，因而排列于呼吸链的前面。第三十页，共七十九页，编辑于2023年，星期四1.NADH氧化呼吸链2.琥珀酸氧化呼吸链第三十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期四1．NADH氧化呼吸链：NADH呼吸链是细胞内的主要呼吸链，因为生物氧化过程中大多数脱氢酶都是以NAD+为辅酶，代谢物脱下的氢使辅酶由氧化型（NAD+）转变为还原型（NADH）。NADH通过这条呼吸链将氢最终传递给氧而生成水，NADH呼吸链各组分的排列顺序见图：第三十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期四

第三十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期四2.琥珀酸氧化呼吸链：FAD呼吸链由黄素蛋白、泛醌、细胞色素体系、铁硫蛋白所组成，FAD呼吸链各组分的排列顺序见图：第三十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期四第三十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期四二、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。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化。第三十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期四底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：⑴3-磷酸甘油酸激酶

1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP

⑵丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP烯醇式丙酮酸+ATP

⑶琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP

琥珀酸硫激酶第三十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期四（一）氧化磷酸化的偶联部位：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。第三十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期四合成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。

FAD

↓

NAD+→[FMN(Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2

0.36V0.53V0.21V第三十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期四（二）氧化磷酸化的偶联机制：目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年由Mitchell提出的化学渗透学说。这一学说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。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。第四十页，共七十九页，编辑于2023年，星期四1．质子梯度的形成机制：

质子的转移主要通过氧化呼吸链在递氢或递电子过程中所形成的氧化还原袢来完成。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。第四十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期四首先由NADH提供1个质子和2个电子,加上线粒体基质内1个质子,使FMN还原成FMNH2.FMNH2内膜胞浆侧释放出2个质子,将2个电子Fe-S.第二个回路开始时Fe-S放出2个电子重新被氧化,将2个电子加上基质内的2个质子传递给泛醌,使泛醌还原成QH2.QH2移至内膜胞浆侧释放出2个质子,而将2个电子交给Cytb.Cytb是跨膜蛋白,将2个电子交还给泛醌,加上基质内的2个质子又使泛醌还原成QH2.QH2将2个质子向胞浆侧释出,2个电子最终依次传递给氧,并与基质内的2个质子生成水.第四十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期四质子梯度的形成第四十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期四第四十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期四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。第四十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期四2、ATP合酶ATP合酶（ATPsynthase）位于线粒体内膜的基质侧，形成许多颗粒状突起。该酶主要由F0（疏水部分）和F1（亲水部分）组成。F0含有较多的亮氨酸、丙氨酸等，是疏水蛋白，因此可以进入膜脂质，贯穿整个膜。F0构成H+通道，允许H+通过并不需要载体。第四十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期四F1主要由α3β3γδε亚基组成，其功能是催化生成ATP。β亚基有催化活性，但β亚基必须与α亚基结合才有活性；γ亚基控制质子通过。当H+顺浓度梯度经F0回流时，F1催化ADP和Pi，生成并释放ATP。第四十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期四ATP合酶的分子结构第四十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期四第四十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期四ATP合酶F1段的结构第五十页，共七十九页，编辑于2023年，星期四第五十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期四ATP合成模式图第五十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期四三、氧化磷酸化的影响因素（一）抑制剂1．呼吸链的抑制剂：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的抑制剂。第五十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期四能够抑制第一位点的有异戊巴比妥、粉蝶霉素A、鱼藤酮等；(复合体I)能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇；(复合体III)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+。(复合体IV)

第五十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期四2．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。其基本作用机制是使呼吸链传递电子过程中泵出的质子不经ATP合酶的F0质子通道回流,而通过线粒体内膜中其他的途径返回线粒体基质,破坏质子梯度.抑制ATP生成,组成的能量以热能的方式释放.主要的解偶联剂有2,4-二硝基苯酚(DNP)。脂溶性物质,进入基质侧时释出质子,返回胞浆侧时,结合质子,破坏质子梯度.内膜中解偶联蛋白在内膜上形成质子通道.质子可以通过该通道返回线粒体基质中,同时释放热能.第五十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期四3．氧化磷酸化的抑制剂：对电子传递和ADP磷酸化均有抑制作用的药物和毒物称为氧化磷酸化的抑制剂，如寡霉素。可阻止质子从F0质子通道回流,抑制ATP生成.第五十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期四第五十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期四（二）ATP/ADP比值：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；反之，当ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢。第五十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期四

（三）甲状腺激素：甲状腺激素可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。同时可使解偶联蛋白基因表达增加,因而引起耗氧和产热均增加.所以甲状腺功能亢进症患者基础代谢率增高.第五十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期四（四）线粒体DNA突变自学第六十页，共七十九页，编辑于2023年，星期四四、ATP（一）高能磷酸键的类型：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．磷酸胍键：见于磷酸肌酸中，水解后可释放出43.9kJ/mol的自由能。第六十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期四2．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。3．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49.3kJ/mol的自由能。4．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。第六十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期四（二）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第六十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期四（三）磷酸肌酸磷酸肌酸（C～P）是肌肉和脑组织中能量的贮存形式。但磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用，而必须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理活动之需。这一反应过程由肌酸磷酸激酶（CPK）催化完成。

CPKC～P+ADPC+ATP第六十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期四（四）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，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。体内ATP含量不多,但ATP循环量大.

第六十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期四五、通过线粒体内膜的物质转运

（一）胞液中NADH的氧化胞液中的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。这种转运机制主要有：α-磷酸甘油穿梭（glycerophosphateshuttle）苹果酸-天冬氨酸穿梭（malate-asparateshuttle）

第六十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期四1、磷酸甘油穿梭系统：α-磷酸甘油穿梭作用主要存在于脑和骨骼肌中。线粒体外的NADH在胞液中磷酸甘油脱氢酶的催化下，使磷酸二羟丙酮还原成α-磷酸甘油，后者通过线粒体外膜，再经位于线粒体内膜近胞液侧的磷酸甘油脱氢酶催化下氧化生成磷酸二羟丙酮和FADH2。第六十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期四磷酸二羟丙酮可穿出线粒体外膜至胞液，继续进行穿梭，而FADH2则进入琥珀酸氧化呼吸链，生成2分子ATP。

NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，只产生2分子ATP。第六十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期四1、磷酸甘油穿梭系统：α-磷酸甘油穿梭作用主要存在于脑和骨骼肌中。第六十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期四2、苹果酸穿梭系统：苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中。胞液中的NADH在苹果酸脱氢酶的作用下，使草酰乙酸还原成苹果酸，后者通过线粒体内膜上的α-酮戊二酸载体进入线粒体，又在线粒体内苹果酸脱氢酶的作用下重新生成草酰乙酸和NADH。线粒体内生成的草酰乙酸经谷草转氨酶的作用生成天冬氨酸