生物化学生物氧化

关于生物化学生物氧化物质在生物体内进行氧化称生物氧化，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

第2页,共89页，2024年2月25日，星期天*生物氧化与体外氧化的相同点生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。第3页,共89页，2024年2月25日，星期天是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。*

生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化体外氧化能量是突然释放的。产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。第4页,共89页，2024年2月25日，星期天*生物氧化的一般过程第5页,共89页，2024年2月25日，星期天第一节

生成ATP的氧化体系

TheOxidationSystemofATPProducing第6页,共89页，2024年2月25日，星期天定义代谢物脱下的成对氢原子（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，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。组成递氢体和电子传递体（2H

2H++2e）一、呼吸链第7页,共89页，2024年2月25日，星期天（一）呼吸链的组成人线粒体呼吸链复合体*泛醌和Cytc均不包含在上述四种复合体中。第8页,共89页，2024年2月25日，星期天呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置第9页,共89页，2024年2月25日，星期天四种复合体的排列关系第10页,共89页，2024年2月25日，星期天1.烟酰胺核苷酸NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NicotinamideAdenineDinucleotide)

，又叫CoⅠ，主要作为呼吸链的一个组分，起递氢体作用；NADP+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotin-amideAdenineDinucleotidePhosphate)

，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。第11页,共89页，2024年2月25日，星期天R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+和NADP+的结构第12页,共89页，2024年2月25日，星期天NAD+（NADP+）的递氢机制（氧化型）（还原型）第13页,共89页，2024年2月25日，星期天2.黄素辅基FMN：黄素单核苷酸(Flavin

Mononucleotide)FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸(FlavinAdenineDinucleotide)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）。第14页,共89页，2024年2月25日，星期天FMN结构异咯嗪核醇第15页,共89页，2024年2月25日，星期天

FAD结构第16页,共89页，2024年2月25日，星期天FMN和FAD递氢机制

（氧化型）（还原型）第17页,共89页，2024年2月25日，星期天3.铁硫蛋白(Iron-sulfurprotein,

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。第18页,共89页，2024年2月25日，星期天第19页,共89页，2024年2月25日，星期天SS无机硫半胱氨酸硫第20页,共89页，2024年2月25日，星期天第21页,共89页，2024年2月25日，星期天4.泛醌(ubiquinone,UQ)即辅酶Q（CoenzymeQ，

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。第22页,共89页，2024年2月25日，星期天

第23页,共89页，2024年2月25日，星期天

第24页,共89页，2024年2月25日，星期天5.细胞色素类（Cytochrome,Cyt）是一类以铁卟啉为辅基的电子传递蛋白。呼吸链中主要有a、b、c、三类。差别在于铁卟啉的侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接的方式不同。Cytb、c的铁卟啉与血红素相同；Cyta的铁卟啉为血红素A。分子中的铁通过氧化还原而传递电子，为单电子传递体。第25页,共89页，2024年2月25日，星期天第26页,共89页，2024年2月25日，星期天第27页,共89页，2024年2月25日，星期天NADH+H+

NAD+FMNFMNH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2复合体Ⅰ:NADH-泛醌还原酶NADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2功能:

将电子从NADH传递给泛醌(ubiquinone)第28页,共89页，2024年2月25日，星期天复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌还原酶琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3琥珀酸延胡索酸

FADFADH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2

功能:

将电子从琥珀酸传递给泛醌第29页,共89页，2024年2月25日，星期天复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c还原酶

QH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1

功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c第30页,共89页，2024年2月25日，星期天

复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB其中Cyta3

和CuB形成的活性部位将电子交给O2。

功能：将电子从细胞色素c传递给氧第31页,共89页，2024年2月25日，星期天

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（二）呼吸链成分的排列顺序第32页,共89页，2024年2月25日，星期天第33页,共89页，2024年2月25日，星期天抑制剂第34页,共89页，2024年2月25日，星期天1.NADH氧化呼吸链2.琥珀酸氧化呼吸链

第35页,共89页，2024年2月25日，星期天NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链第36页,共89页，2024年2月25日，星期天线粒体内重要代谢物氧化的途径第37页,共89页，2024年2月25日，星期天

二、氧化磷酸化体内ATP生成的方式：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，又称为偶联磷酸化。

底物水平磷酸化(substratelevelphos-phorylation)

是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。第38页,共89页，2024年2月25日，星期天（一）氧化磷酸化偶联部位即ATP生成的部位:复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ

根据自由能变化和P/O比值⊿Gº'=-nF⊿Eº'P/O比值：是指物质氧化时，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。

第39页,共89页，2024年2月25日，星期天第40页,共89页，2024年2月25日，星期天三个偶联部位：ATPATPATP①NADH与CoQ之间；②CoQ与Cytc之间；③Cytaa3与氧之间。第41页,共89页，2024年2月25日，星期天2.自由能变化(△G0′)：

大于30.5kJ即可生成1摩尔ATP。

△G0′＝－nF△E0′69.5kJ/mol40.5kJ/mol102.3kJ/mol第42页,共89页，2024年2月25日，星期天ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位电子传递链自由能变化

第43页,共89页，2024年2月25日，星期天

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。第44页,共89页，2024年2月25日，星期天（二）氧化磷酸化的偶联机制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。

第45页,共89页，2024年2月25日，星期天第46页,共89页，2024年2月25日，星期天线粒体基质

线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图第47页,共89页，2024年2月25日，星期天化学渗透假说第48页,共89页，2024年2月25日，星期天复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ均有质子泵作用4H+4H+4H+4H+2H+2H+内膜表面基质NADH＋H＋NAD＋琥珀酸延胡索酸½O2＋2H+H2O第49页,共89页，2024年2月25日，星期天第50页,共89页，2024年2月25日，星期天Q循环第51页,共89页，2024年2月25日，星期天Q循环第52页,共89页，2024年2月25日，星期天第53页,共89页，2024年2月25日，星期天复合体Ⅱ第54页,共89页，2024年2月25日，星期天2.ATP合酶即复合体Ⅴ。位于线粒体内膜的基质侧。第55页,共89页，2024年2月25日，星期天ATP合酶F0：为疏水蛋白质，是镶嵌在线粒体内膜中的质子通道。F1：为亲水蛋白质，由

3

3

亚基组成，催化生成ATP。OSCP：寡霉素敏感相关蛋白，位于F0与F1之间，使ATP合酶在寡霉素存在时不能生成ATP。第56页,共89页，2024年2月25日，星期天ATP合酶结构模式图第57页,共89页，2024年2月25日，星期天化学计算估计每生成1分子ATP需3个H＋从线粒体内膜外侧回流进入基质中。ATP合酶的工作机制第58页,共89页，2024年2月25日，星期天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第59页,共89页，2024年2月25日，星期天NADH氧化呼吸链每传递2H仅生成2.5分子ATP到线粒体外被利用。

FADH2氧化呼吸链每传递2H仅生成1.5分子ATP到线粒体外被利用。第60页,共89页，2024年2月25日，星期天三、影响氧化磷酸化的因素1.呼吸链抑制剂

阻断呼吸链中某些部位电子传递。2.解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：解偶联蛋白3.氧化磷酸化抑制剂

对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素（一）抑制剂第61页,共89页，2024年2月25日，星期天鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×抗霉素A二巯基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各种呼吸链抑制剂的阻断位点第62页,共89页，2024年2月25日，星期天不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响

第63页,共89页，2024年2月25日，星期天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第64页,共89页，2024年2月25日，星期天

寡霉素(oligomycin)可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成寡霉素第65页,共89页，2024年2月25日，星期天（二）ADP的调节作用是主要调节因素。［ADP］↑，氧化磷酸化↑。（三）甲状腺激素Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。（四）线粒体DNA突变

与线粒体DNA病及衰老有关。第66页,共89页，2024年2月25日，星期天电子传递链及氧化磷酸化系统概貌ΔμH+跨膜质子电化学梯度；H+m内膜基质侧H+；H+c

内膜胞液侧H+目录第67页,共89页，2024年2月25日，星期天四、ATP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。第68页,共89页，2024年2月25日，星期天ATP是人体内能量的直接供给者。第69页,共89页，2024年2月25日，星期天第70页,共89页，2024年2月25日，星期天

核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶的作用

ADP+ADPATP+AMP第71页,共89页，2024年2月25日，星期天肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。第72页,共89页，2024年2月25日，星期天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。第73页,共89页，2024年2月25日，星期天五、通过线粒体内膜的物质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。第74页,共89页，2024年2月25日，星期天

线粒体内膜的主要转运蛋白

第75页,共89页，2024年2月25日，星期天胞浆中NADH的氧化胞浆中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

-磷酸甘油穿梭(

-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)第76页,共89页，2024年2月25日，星期天1.

α-磷酸甘油穿梭机制第77页,共89页，2024年2月25日，星期天

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-磷酸甘油第78页,共89页，2024年2月25日，星期天α-磷酸甘油穿梭机制（脑和骨骼肌）第79页,共89页，2024年2月25日，星期天2.

苹果酸-天冬氨酸穿梭机制第80页,共89页，2024年2月25日，星期天NADH+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第81页,共89页，2024年2月25日，星期天第二节

其他氧化酶系TheOthersOxidationEnzymeSystems第82页,共89页，2024年2月25日，星期天一、需氧脱氢酶和氧化酶第83页,