第六章-生物氧化课件

第六章生物氧化BiologicalOxidation主讲教师：王爱红延大医学院生物化学教研室第六章生物氧化1物质在生物体内进行氧化称生物氧化(biologicaloxidation)，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物质在生物体内进行氧化称生物氧化(biologicalox2氧化方式：加氧、脱氢、失去电子氧化结果：

耗氧量、最终产物（CO2和H2O）和释放总能量均相同。体外：C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2876kJ/mol体内：C6H12O6+6O2

+32ADP+32Pi→6CO2+6H2O+32ATP+1900kJ/mol生物氧化与体外氧化之相同点氧化方式：加氧、脱氢、失去电子氧化结果：体外：C6H12O63生物氧化特点:1.条件温和

(体温、pH近中性的体液环境中)2.逐步释放能量(化学能、热能)不会导致高热3.H2O参与4.H2O、CO2的生成不同于体外生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化特点:1.条件温和(体温、pH近中性的体液环境中4生物氧化中CO2的生成:有机酸的脱羧基作用单纯脱羧:氧化脱羧:R-CH-COOH

׀

NH2R-CH2-NH2+CO2CH3-CO-COOH+HSCoA+NAD+→CH3-CO~SCoA+CO2+NADH+H+

生物氧化中CO2的生成:有机酸的脱羧基作用单纯脱羧:氧化脱5生物氧化的一般过程（三个阶段）：糖原脂肪蛋白质↓↓↓葡萄糖脂肪酸+甘油氨基酸ⅠⅡⅢ乙酰辅酶A三羧酸循环2H++2e→→→O2辅酶AADP+PiATPCO2生物氧化的一般过程（三个阶段）：糖原6第一节生成ATP的氧化磷酸化体系一、氧化呼吸链

代谢物脱下的成对氢原子通过线粒体内膜上按一定顺序排列的酶和辅酶的逐步传递（氧化还原反应），最终与氧结合生成水，此传递链称氧化呼吸链（电子传递链）。组成：递氢体（2H→2H++2e）、递电子体←第一节生成ATP的氧化磷酸化体系一、氧化呼吸链7递氢体：传递氢的酶或辅酶称为递氢体。递电子体：传递电子的酶或辅酶称为递电子体。线粒体内膜超声波胆酸、脱氧胆酸复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体Ⅳ与Q连接Cytc连接递氢体：传递氢的酶或辅酶称为递氢体。递电子体：传递电子的酶或8呼吸链各组分在线粒体内膜上的位置ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成呼吸链各组分在线粒体内膜上的位置ⅢⅠⅡⅣCytcQ9呼吸链的组成：复合体酶名称多肽链数功能辅基复合体ⅠNADH-泛醌还原酶

39FMN、Fe-S复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶4FAD、Fe-S复合体Ⅲ

泛醌-细胞色素C还原酶

11铁卟啉、Fe-S复合体Ⅳ细胞色素C氧化酶

13铁卟啉、Cu

泛醌不包含在上述四种复合体中。呼吸链的组成：复合体酶名称多肽功能辅基复合体Ⅰ10复合体Ⅰ又称NADH-泛醌还原酶。复合体Ⅰ电子传递：NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQ每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体Ⅰ有质子泵功能。1、复合体Ⅰ作用是将NADH+H+中的电子传递给泛醌(ubiquinone)复合体Ⅰ又称NADH-泛醌还原酶。1、复合体Ⅰ作用是将NAD11NAD+、NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+、NADP+的结构R=H:NAD+;12NAD+（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。NAD+为双电子传递体NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还13FMN中发挥功能的部位是核黄素的异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMNH•。异咯嗪环HFMN为单、双电子传递体FMN中发挥功能的部位是核黄素的异咯嗪环，氧14

铁硫蛋白

SS无机硫半胱氨酸硫铁硫蛋白SS无机硫半胱氨酸硫15铁硫蛋白的结构（铁硫中心）：Fe2+Fe3++eFe2S2、Fe4S4单电子传递体是复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的辅基蛋白质铁硫蛋白的结构（铁硫中心）：Fe2+Fe16Q不仅接受NADH脱氢酶的H，还接受线粒体其他脱氢酶的H，如琥珀酸脱氢酶，脂酰CoA脱氢酶及其他黄素脱氢酶脱下的H，在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。泛醌（辅酶Q）为醌类化合物。侧链长（异戊二烯），呈脂溶性。但整个分子较小，在线粒体内膜流动性大，可穿梭于呼吸链不同组分之间。Q不仅接受NADH脱氢酶的H，还接受线粒体其他脱氢酶的H，如17Q10递氢体(递电子体)Q10H2泵2H+至线粒体内膜胞液侧递2e给细胞色素bQ10递氢体(递电子体)Q10H2泵2H+至线粒体18复合体Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2复合体Ⅰ的功能NADH+H+NAD+FMNFMNH2还19复合体Ⅱ是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸-泛醌还原酶。电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S→CoQ复合体Ⅱ没有H+泵的功能。脂酰CoA脱氢酶、α-磷酸甘油脱氢酶、胆碱脱氢酶2、复合体Ⅱ功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。复合体Ⅱ是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸-泛醌还原酶20第六章-生物氧化课件213、复合体Ⅲ功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c。复合体Ⅲ又叫泛醌-细胞色素C还原酶，细胞色素b-c1复合体，含有细胞色素b(b562,b566)、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白。泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体Ⅲ。电子传递过程：CoQH2→(CytbL→CytbH)→Fe-S→Cytc1→Cytc3、复合体Ⅲ功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c。复合体22细胞色素(cytochrome,Cyt)

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。Fe2+Fe3++e细胞色素(cytochrome,Cyt)细胞色素是一类以23Cytc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呈水溶性，与线粒体内膜外表面结合不紧密，极易与线粒体24复合体Ⅲ每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体Ⅲ也有质子泵作用。复合体Ⅲ每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体Ⅲ也有25复合体Ⅳ又称细胞色素C氧化酶。电子传递：Cytc→CuA→Cyta→Cyta3–CuB→O2Cyta3–CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。4、复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧Cu+Cu2++e复合体Ⅳ又称细胞色素C氧化酶。4、复合体Ⅳ将电子从细胞色素C26复合体Ⅳ的电子传递过程复合体Ⅳ的电子传递过程27细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水的过程，有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合，不会引起细胞损伤。细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水的过程，28标准氧化还原电位拆开和重组特异抑制剂阻断还原状态呼吸链缓慢给氧（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列

由以下实验确定:标准氧化还原电位（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的29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E0‘(V)氧化还原对E0‘(V)NAD+/NADN+H+－0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2－0.219CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2－0.219CytaFe3+/Fe2+0.29CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyta3Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.816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E0‘(V301.NADH氧化呼吸链2.琥珀酸氧化呼吸链(FADH2氧化呼吸链)NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O21.NADH氧化呼吸链2.琥珀酸氧化呼吸链(FADH2氧化呼31NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc1→CytcCytaa3CuACuBO2NADH氧化呼吸链

FADH2氧化呼吸链NADHFMN琥珀酸FADCoQCytb→Cytc1→C32二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化生成ATP偶联

氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是代谢物脱下的氢经呼吸链传递给氧生成水的同时伴ADP磷酸化成ATP的作用，也叫偶联磷酸化。(线粒体)底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)与脱氢反应偶联，将高能代谢物分子中能量转移至ADP(GDP)，生成ATP(GTP)的过程。(线粒体、胞液)ATP生成方式二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化生成ATP偶联33底物·2H→→→→1/2O2→H2O2H+呼吸链氧化磷酸化偶联高能磷酸键的形成及转移自由能(供机体生理活动需要)释放ADP+H3PO4ATP能量底物·2H→→→→1/2O2→H2O2H+呼吸链氧化磷酸化34（一）氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内根据P/O比值自由能变化:⊿Gº'=-nF⊿Eº'氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ（一）氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内根据P/O比值氧351、P/O比值指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。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Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→

O22.4～2.82.5琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→

复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→

O21.71.5抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→

O20.881细胞色素c复合体Ⅳ→

O20.61～0.6811、P/O比值指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生362、自由能变化根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化(△G0′)与还原电位变化(△E0′)之间有以下关系：n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/mol·V)△G0′=-nF△E0′2、自由能变化根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化(△37

电位差ΔGº′(kJ/mol)从NAD+到CoQ0.36V69.5CoQ到Cytc0.21V40.5Cytaa3到O20.53V102.3生成每摩尔ATP需能约30.5kJ。电子传递链自由能变化

38ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位NADHFMN琥珀39(二)氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度1、化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)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储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。(二)氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度1、化学40线粒体基质线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图线粒体基质线粒体膜++++---41ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液侧

基质侧++++++++++---------电子传递过程复合体Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有质子泵功能。

ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+42（三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催化ATP合成

F1：亲水部分（动物：α3β3γδε亚基复合体，OSCP、IF1

亚基），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。

F0：疏水部分（ab2c9~12亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道。ATP合酶结构组成（三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催化ATP合成43第六章-生物氧化课件44ATP合酶的工作机制当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合酶的工作机制当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之45氧化磷酸化机制电子传递胞浆侧线粒体内膜线粒体基质++++++++++---------高的H+低的H+H+H+ATP合酶ADP+PiATP氧化磷酸化机制电子传递胞浆侧线粒体内膜46三、氧化磷酸化作用可受某些内外源因素影响（一）有3类氧化磷酸化抑制剂1、呼吸链抑制剂阻断氧化磷酸化的电子传递过程复合体Ⅰ抑制剂：鱼藤酮、粉蝶霉素A及异戊巴比妥等阻断传递电子到泛醌。复合体Ⅱ的抑制剂：萎锈灵。复合体Ⅲ抑制剂：抗霉素A阻断CytbH传递电子到泛醌(QN)

。复合体Ⅳ抑制剂：CN－、N3－紧密结合中氧化型Cyta3，阻断电子由Cyta到CuB-Cyta3间传递。CO与还原型Cyta3结合，阻断电子传递给O2。三、氧化磷酸化作用可受某些内外源因素影响（一）有3类氧化磷酸47各种呼吸链抑制剂的阻断位点鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×抗霉素A二巯基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×萎秀灵三氟丙酮×各种呼吸链抑制剂的阻断位点鱼藤酮×抗霉素A×CO、CN-、×482、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制。如：二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)；解偶联蛋白(uncouplingprotein，UCP1)。2、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度解偶联剂(49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+PiATP解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）ⅢⅠⅡF0F50寡霉素(oligomycin)

寡霉素ATP合酶结构模式图可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。3、ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成寡霉素(oligomycin)寡霉素ATP合酶结构模式图51ADP／ATP升高，氧化磷酸化速率加快。ADP／ATP降低，氧化磷酸化速率减慢。（二）ADP是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素

（二）ADP是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素52诱导Na+-K+ATP酶合成，ADP↑,

氧化磷酸化加快，耗氧量增加。促进解偶联蛋白基因表达，产热增加。(三)甲状腺素：线粒体DNA是裸露的环状双螺旋结构，突变率高(10-20倍)。(四)线粒体DNA突变：诱导Na+-K+ATP酶合成，ADP↑,氧化磷酸化加快，耗53四、ATP在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用高能磷酸键水解时释放的能量大于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四、ATP在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用高能磷酸54化合物△E0′kJ/mol(kcal/mol)磷酸烯醇式丙酮酸－61.9(－14.8)氨基甲酰磷酸－51.4(－12.3)1，3-二磷酸甘油酸－49.3(－11.8)磷酸肌酸－43.1(－10.3)ATP→ADP＋Pi－30.5(－7.3)乙酰辅酶A－31.5(－7.5)ADP→AMP＋Pi－27.6(－6.6)焦磷酸－27.6(－6.6)1-磷酸葡萄糖－20.9(－5.0)一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能化合物△E0′kJ/mol(kcal/mol)磷酸烯醇式丙酮55ATP的作用NDP+ATPNTP+ADP1.提供物质代谢中所需能量。2.补充其他核苷三磷酸。两个高能磷酸键，末端磷酸酯键水解最重要UTP-糖原合成CTP-磷脂合成GTP-蛋白质合成NTP核苷二磷酸激酶ATP的作用NDP+ATPNTP+ADP1.提供物质代谢56

NH2

│C=NH

│N-CH3

│CH2

│COOH

肌酸ATPADPH2PO3

~NH2

│C=NH

│N-CH3

│CH2

│COOH磷酸肌酸CK心、脑、骨骼肌磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。NH2ATPADPH2PO3~NH257

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。ATP的生成和利用ATPADP肌酸磷酸58五、线粒体内膜对各种物质进行选择性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。五、线粒体内膜对各种物质进行选择性转运线粒体外膜通透性高，线59转运蛋白进入线粒体出线粒体ATP-ADP转位酶ADP3-ATP4-磷酸盐转运蛋白H2PO4-+H+二羧酸转运蛋白HPO42-苹果酸α-酮戊二酸转运蛋白苹果酸α-酮戊二酸天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白谷氨酸天冬氨酸单羧酸转运蛋白丙酮酸OH-三羧酸转运蛋白苹果酸柠檬酸碱性氨基酸转运蛋白鸟氨酸瓜氨酸肉碱转运蛋白脂酰肉碱肉碱线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运

转运蛋白进入线粒体出线粒体ATP-ADP转位酶ADP3-AT60（一）胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链胞浆中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。α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)转运机制：（一）胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链胞浆中N61

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丙酮α-磷酸甘油1、α-磷酸甘油穿梭（脑和骨骼肌）NADH+H+FADH2NAD+FAD62NADH+H+NAD+NADH+H+NAD+谷氨酸-天冬氨酸转运体苹果酸-α-酮戊二酸转运体苹果酸草酰乙酸α-酮戊二酸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天冬氨酸2、苹果酸-天冬氨酸穿梭（肝和心肌）NADHNAD+NADHNAD+谷氨酸-苹果63胞浆侧H2PO4-H2PO4-H+H+ADP3-ADP3-ATP4-ATP4-基质侧内膜H2O（二）ATP-ADP转位酶促进ADP进入和ATP移出紧密偶联磷酸盐转运蛋白腺苷酸转运蛋白胞浆侧H2PO4-H2PO4-H+H+ADP3-ADP3-A64第二节

其他不生成ATP的氧化体系第二节65一、抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的功能反应活性氧类(reactiveoxygenspecies,ROS)O2e-O·-2e-+2H+H2O2e-+H+OH·H2Oe-+H+H2O反应活性氧类一、抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的功能反应活性氧类(rea66ROS主要来源线粒体：超氧阴离子O·-2，是体内O·-2的主要来源；O·-2在线粒体中再生成H2O2和·OH。过氧化酶体：FAD将从脂肪酸等底物获得的电子交给O2生成H2O2和羟自由基·OH。胞浆需氧脱氢酶（如黄嘌呤氧化酶等）也可催化生成O·-2。细菌感染、组织缺氧等病理过程，环境、药物等外源因素也可导致细胞产生活性氧类。ROS主要来源线粒体：超氧阴离子O·-2，是体内O·-2的主67不需氧脱氢酶、需氧脱氢酶、氧化酶受氢体辅酶（辅基）产物不需氧脱氢酶辅酶NAD+或NADP+

FMN或FAD

需氧脱氢酶

O2FMN或FADH2O2氧化酶

O2含CuH2O不需氧脱氢酶、需氧脱氢酶、氧化酶受68抗氧化酶体系1、过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含4个血红素2H2O22H2O+O2

过氧化氢酶

H2O2作用杀菌2I-→I2→酪氨酸碘化→T3H2O2毒性氧化-SH酶、-SH蛋白氧化PL中不饱和FA→脂质过氧化→膜损伤抗氧化酶体系1、过氧化氢酶(catalase)2H2O269可去除细胞生长和代谢产生的H2O2和过氧化物(R-O-OH)，是体内防止活性氧类损伤主要的酶。2、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathioneperoxidase，GPx)H2O2+2GSH→2H2O+GS-SG2GSH+R-O-OH→GS-SG+H2O+R-OH可去除细胞生长和代谢产生的H2O2和过氧化物(R-O-OH)70

谷胱甘肽过氧化物酶

H2O