生物氧化春讲解

内容提纲概述ATP的生成和储存利用线粒体氧化体系

呼吸链的组成及利用

体内重要的呼吸链胞浆中NADH的氧化非线粒体氧化体系1第一页，共一百零一页。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

第一节概述2第二页，共一百零一页。生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、脱电子，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。3第三页，共一百零一页。生物氧化体外氧化在细胞内温和的水溶液环境中（体温，pH接近中性），由一系列酶的催化下逐步进行体外燃烧能量逐步释放，有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率生物氧化中生成的H2O由脱下的氢与氧结合产生，CO2由有机酸脱羧产生能量是突然释放的。产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。速度受体内多种因素调控不受调节生物氧化与体外氧化之不同点4第四页，共一百零一页。生物氧化过程中CO2的生成（一）a-单纯脱羧氨基酸脱羧酶R－CH－COOHNH2a-氨基酸R－CH2NH2+CO2胺5第五页，共一百零一页。（二）a-氧化脱羧CH3－C－COOHOCH3CO～SCoA+CO2丙酮酸脱氢酶复合体HSCoANAD+NADH+H+生物氧化过程中CO2的生成6第六页，共一百零一页。（三）b-单纯脱羧+CO2CH2－COOHCOCOOHCH2CO～COOHP磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶GTPGDP

生物氧化过程中CO2的生成7第七页，共一百零一页。（四）b-氧化脱羧+CO2异柠檬酸脱氢酶NAD+NADH+H+CHOH－COOHCH－COOHCH2－COOHCHOH－COOHCH2CH2－COOH

生物氧化过程中CO2的生成8第八页，共一百零一页。

第三节ATP的生成和储存利用高能化合物ATP的生成高能化合物与能量的储存和利用底物水平磷酸化氧化磷酸化9第九页，共一百零一页。一、高能化合物★生物体能量代谢的特点：生物体不能承受能量大量增加、能量大量释放的化学过程，所以代谢反应都是依序进行，能量逐步得失的反应生物体不直接利用营养物质的化学能，需要使之转移成细胞可以利用的能量形式ATP是最重要的高能化合物，是细胞可以直接利用的最主要能量形式10第十页，共一百零一页。

生物化学中把化合物水解时释放的能量大于21kJ/mol者,所含的化学键称为高能键，以“～”表示。

含有高能键的化合物称为高能化合物。在体内所有高能化合物中，以高能磷酸化合物种类最多，其中又以ATP最为重要。11第十一页，共一百零一页。12第十二页，共一百零一页。二、ATP的生成（一）底物水平磷酸化定义：代谢物在氧化分解过程中，因脱氢或脱水而引起分子内能量重新分布，产生高能键，然后将高能键转移给ADP生成ATP的过程，称为底物水平磷酸化(substratephosphorylation)。13第十三页，共一百零一页。底物水平磷酸化反应(1)1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶ADPATP(2)磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸ADPATP丙酮酸激酶(3)琥珀酰CoA琥珀酸+HSCoA琥珀酰COA合成酶GDP+PiGTP*14第十四页，共一百零一页。（二）氧化磷酸化定义：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。氧化磷酸化是体内生成ATP的最主要方式。*15第十五页，共一百零一页。

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三、高能化合物与能量的储存和利用16第十六页，共一百零一页。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。17第十七页，共一百零一页。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。18第十八页，共一百零一页。

第二节线粒体氧化体系氧化呼吸链氧化磷酸化影响氧化磷酸化的因素概念组成排列顺序概念偶联部位偶联机制19第十九页，共一百零一页。氧化呼吸链

定义指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具有电子传递功能的酶复合体，可通过连锁的氧化还原反应将代谢物脱下的成对氢原子最终传递给氧生成水。这一系列酶和辅酶称为氧化呼吸链(oxidativerespiratorychain)，又称电子传递链(electrontransferchain)。定位：线粒体内膜组成：递氢体和递电子体（2H

2H++2e）20第二十页，共一百零一页。线粒体结构示意图膜间隙基质侧ATP合酶21第二十一页，共一百零一页。22第二十二页，共一百零一页。一、呼吸链的组成及作用（一）

以NAD+为辅酶的脱氢酶类

作为脱氢酶的辅酶，NAD+或NADP+分子中烟酰胺的氮可接受一个电子，其对侧的碳原子能进行可逆的加氢和脱氢反应，故此类酶在呼吸链中属于递氢体，在加氢反应时接收一个氢原子和一个电子。23第二十三页，共一百零一页。+H+H++e+H＋NAD+NADH24第二十四页，共一百零一页。

（二）黄素蛋白（flavinprotein，FP）

黄素蛋白的辅基有两种：FMN和FAD，其分子中的异咯嗪环可以进行可逆的加氢和脱氢反应，故黄素蛋白在呼吸链中属于递氢体，在加氢反应时接收2个氢原子。25第二十五页，共一百零一页。26第二十六页，共一百零一页。

（三）铁硫蛋白（iron-sulfurprotein）

铁硫蛋白以铁硫簇（Fe-S）为辅基，Fe-S含有等量的铁原子和硫原子，其中铁原子可以进行可逆的得失电子反应(Fe2+

Fe3++e

)，故铁硫蛋白在呼吸链中属于单电子传递体。27第二十七页，共一百零一页。表示无机硫S28第二十八页，共一百零一页。铁硫蛋白的结构示意图

FeSFe2S2Fe4S429第二十九页，共一百零一页。（四）泛醌（ubiquinone，Q）

在呼吸链传递过程中，泛醌接受黄素蛋白和铁硫蛋白复合物传递来的质子和电子还原成还原型，又可脱去质子和电子成氧化型，故泛醌在呼吸链中属于递氢体。30第三十页，共一百零一页。

泛醌是脂溶性化合物，在呼吸链中不与蛋白质结合而以游离的形式存在，能在线粒体内膜中自由扩散，将呼吸链传递过程联系起来。31第三十一页，共一百零一页。（五）细胞色素（cytochromes，Cyt）细胞色素是一类含血红素（铁卟啉）辅基的单电子传递蛋白，根据它们吸收光谱不同而分类。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各有不同。32第三十二页，共一百零一页。33第三十三页，共一百零一页。细胞色素c的分子结构34第三十四页，共一百零一页。

呼吸链中包括细胞色素a、a3、b、c和c1，其电子传递顺序是Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2。Fe2+

Fe3++eCu+

Cu2++e

由于Cyta和Cyta3结合紧密，很难分开，故将Cyta和Cyta3

合称为Cytaa3。Cytaa3中除了有2个铁卟啉辅基外，还有铜离子可进行传递电子的反应。35第三十五页，共一百零一页。泛醌和Cytc均不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体36第三十六页，共一百零一页。线粒体呼吸链复合体FMN,Fe-S复合体ⅠFAD,Fe-S,Cytb复合体ⅡCytb,Fe-S,Cytc1复合体ⅢCytaa3,Cu复合体Ⅳ37第三十七页，共一百零一页。Ⅳ1/2O2+2H+H2O膜间隙基质侧线粒体内膜ⅠQH2

QⅡ延胡索酸琥珀酸QH2Q

NADH+H+NAD+4H+4H+Ⅲ4H+4H+CytcoxCytcoxCytcredCytcred2H+2H+电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置38第三十八页，共一百零一页。1.复合体Ⅰ:NADH-泛醌还原酶

功能:

将电子从NADH传递给泛醌组成：黄素蛋白、铁硫蛋白、疏水蛋白

复合体Ⅰ的电子传递：NADH+H+

FMNNAD+FMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2

复合体Ⅰ有质子泵功能，每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到膜间隙39第三十九页，共一百零一页。复合体Ⅰ,NADH-泛醌还原酶功能：将电子从NADH→泛醌复合体Ⅰ40第四十页，共一百零一页。2.复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌还原酶

功能:

将电子从琥珀酸传递给泛醌

组成：黄素蛋白、铁硫蛋白复合体Ⅱ的电子传递：琥珀酸

FAD延胡索酸

FADH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2

复合体II没有质子泵功能41第四十一页，共一百零一页。复合体Ⅱ,琥珀酸-泛醌还原酶复合体Ⅱ膜间隙功能：将电子从琥珀酸→泛醌42第四十二页，共一百零一页。3.复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c还原酶功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c组成：细胞色素b(b562,b566)细胞色素c1、铁硫蛋白复合体Ⅲ的电子传递：QH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1

泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集氢和电子并穿梭传递到复合体Ⅲ。

复合体Ⅲ也有质子泵功能，每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到膜间隙43第四十三页，共一百零一页。复合体Ⅲ，泛醌-细胞色素c还原酶

功能：将电子从泛醌→Cytc复合体Ⅲ膜间隙44第四十四页，共一百零一页。4.复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶功能：将电子从细胞色素c传递给氧复合体Ⅳ的电子传递：还原型Cytc→→O2CuA→a→a3-CuB

复合体Ⅳ也有质子泵功能，每传递2个电子使2个H+跨内膜向膜间隙转移。

45第四十五页，共一百零一页。复合体Ⅳ，细胞色素c氧化酶功能：将电子从Cytc→O2内外膜间隙侧复合体Ⅳ46第四十六页，共一百零一页。ⅢⅠⅡⅣNADH+H+NAD+e-e-e-e-e-延胡索酸

琥珀酸

1/2O2+2H+H2OCytc

Q

膜间隙线粒体内膜

基质侧呼吸链中复合体I～IV四个蛋白复合体：复合体I～IV两个可灵活移动的成分：泛醌（CoQ）和Cytc47第四十七页，共一百零一页。二、呼吸链中电子传递体的排列顺序

由以下实验确定①标准氧化还原电位（由低到高）②吸收光谱③特异抑制剂阻断④拆开和重组呼吸链各组分的排列顺序48第四十八页，共一百零一页。与呼吸链相关的电子传递体的标准氧化还原电位49第四十九页，共一百零一页。1.NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22.FADH2氧化呼吸链

琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O250三、体内重要的呼吸链第五十页，共一百零一页。FMNFMNH2QQH2NAD+SH2NADH+H+

SCyt-Fe2+

Cyt-Fe3+

2e2H+(b-c1)Cyt-Fe3+

Cyt-Fe2+

c2eCyt-Fe2+

Cyt-Fe3+

(a-a3)2e½

O2O2-H2O延胡索酸FADH2琥珀酸FADQH2Q2eNADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链或琥珀酸氧化呼吸链51第五十一页，共一百零一页。①将H传递给O2生成水；②H和O2消耗，其它可反复使用；③CoQ是两种呼吸链的汇合点。相同点：两种呼吸链的比较：不同点：52第五十二页，共一百零一页。四、胞液中NADH的氧化胞液中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：

α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)

苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)53第五十三页，共一百零一页。1.α-磷酸甘油穿梭机制主要存在于脑和骨骼肌中54第五十四页，共一百零一页。

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-磷酸甘油线粒体α-磷酸甘油脱氢酶55第五十五页，共一百零一页。2.苹果酸-天冬氨酸穿梭机制主要存在于心肌和肝脏中56第五十六页，共一百零一页。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57第五十七页，共一百零一页。四、氧化磷酸化*定义氧化磷酸化(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。

两个过程的偶联：即还原当量的氧化过程和ADP磷酸化过程氧化磷酸化是体内ATP生成的主要方式58第五十八页，共一百零一页。（一）氧化磷酸化偶联部位

根据P/O比值和自由能变化，可以大致确定氧化磷酸化的偶联部位，即ATP生成的部位。59第五十九页，共一百零一页。P/O比值指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷的摩尔数（或ADP摩尔数），即生成的ATP数。ADP+PiATP2H→→→OH2O？n

＝nnn60第六十页，共一百零一页。

根据上述实验结果，推定NADH与UQ之间（复合体I），UQ与Cytc之间（复合体III）和复合体IV存在着偶联部位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比值生成的ATP数β-羟丁酸NAD+→复合体Ⅰ→UQ→复合体Ⅲ2.4~2.82.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→UQ→复合体Ⅲ1.71.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O20.880.5细胞色素c(Fe2+)复合体Ⅳ→O20.61~0.680.561第六十一页，共一百零一页。~PNADH2FMN(Fe-S)CoQCytbCytc1CytcCytaa3½O2ADPATPFP(FAD)(Fe-S)~PADPATP~PADPATP62自由能变化第六十二页，共一百零一页。（二）氧化磷酸化偶联机制1.化学渗透假说（chemiosmotichypothesis）

其基本要点是：呼吸链中复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ具有质子泵功能，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外侧，由于内膜对质子的不通透特性，造成膜内、外质子电化学梯度，以此储存能量。当质子顺梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。63第六十三页，共一百零一页。氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；线粒体内膜对H+、OH－、K＋、Cl－离子是不通透的；电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度；增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而线粒体内膜加入使质子通过物质可减少内膜质子梯度，结果电子虽可以传递，但ATP生成减少。★

化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。64第六十四页，共一百零一页。线粒体基质

线粒体内膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图65第六十五页，共一百零一页。2.ATP合酶(ATPsynthase)ATP合酶结构组成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。

FO：疏水部分（ab2c12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66第六十六页，共一百零一页。★

ATP合酶组成可旋转的发动机样结构FO的2个b亚基的一端锚定a亚基，另一端通过F1的δ和α3β3稳固结合，使a、b2和α3β3、δ亚基组成稳定的定子部分。部分γ和ε亚基共同形成穿过α3β3间中轴，γ还与1个β亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的c亚基环紧密结合。c亚基环、γ和ε亚基组成转子部分。质子顺梯度向基质回流时，转子部分相对定子部分旋转，使ATP合酶利用释放的能量合成ATP。

67第六十七页，共一百零一页。ATP合酶（ATPsynthase）结构模式图68第六十八页，共一百零一页。当H+顺浓度递度经Fo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O:开放型L:疏松型T:紧密型69第六十九页，共一百零一页。ATP合酶的工作机制70第七十页，共一百零一页。ATP合酶的工作机制71第七十一页，共一百零一页。ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+H+膜间隙基质侧++++++++++---------化学渗透假说详细示意图72第七十二页，共一百零一页。五、影响氧化磷酸化的因素（一）氧化磷酸化的抑制剂（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：

破坏内膜两侧的质子电化学梯度，从而使氧化与磷酸化偶联过程脱离（3）ATP合酶抑制剂：对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用73第七十三页，共一百零一页。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、二巯基丙醇阻断Cytb传递电子到Cytc1。复合体Ⅳ抑制剂：

CN－、CO、H2S及N3－抑制细胞色素氧化酶，阻断电子传递给O2。（1）呼吸链抑制剂74第七十四页，共一百零一页。各种呼吸链抑制剂的阻断位点NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc1→CytcCytaa3O2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××萎锈灵75第七十五页，共一百零一页。常见的解偶联剂包括：2,4-二硝基苯酚，解偶联蛋白。

作用机制：

H＋膜内外电化学梯度电子传递使H＋跨膜转移H＋经ATP合酶的F0

单元回流ATP合成H＋经从其它途径回流能量以热能散失，不能合成ATP76（2）解偶联剂第七十六页，共一百零一页。解偶联蛋白（UCP1）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+PiATP77第七十七页，共一百零一页。问题：给实验大鼠注射DNP（二硝基苯酚）后大鼠体温明显升高，其机制何在？注：DNP为脂溶性物质，可使线粒体内膜通透性增高答案：DNP为解偶联物质，破坏破坏内膜两侧的质子电化学梯度，从而使氧化与磷酸化偶联过程脱离，能量以热的形式释放。78第七十八页，共一百零一页。——寡霉素(oligomycin)

可阻止质子从Fo质子通道回流，抑制ATP生成ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧H+H+ADP+PiATP寡霉素79（3）ATP合酶抑制剂第七十九页，共一百零一页。（二）ADP和ATP浓度的调节能量缺乏→ADP/ATP↑→氧化磷酸化↑→NADH↓→

TCA循环↑；（三）激素的调节甲状腺激素可活化Na+,K+–ATP酶，同时使解偶联蛋白基因表达增加。（四）线粒体DNA突变的影响

与线粒体DNA病及衰老有关。80第八十页，共一百零一页。非线粒体氧化体系特点：①不生成ATP；②主要与体内代谢物、药物和毒物的生物转化有关。81第八十一页，共一百零一页。微粒体氧化体系加单氧酶加双氧酶活性氧清除体系过氧化氢酶谷胱甘肽过氧化物酶超氧化物歧化酶82第八十二页，共一百零一页。一、微粒体氧化体系（加氧酶系）

微粒体细胞色素P450加单氧酶催化O2中的一个氧原子加到底物分子上（羟化），另一个氧原子被氢（来自NADPH+H+）还原形成H2O，故又称混合功能氧化酶（mixed-functionoxidase）或羟化酶(hydroxylase)，所催化的反应可简示为：

RH+NADPH+H++O2

→ROH+NADP++H2O（一）细胞色素P450加单氧酶（cytochromeP450monooxygenase）上述反应需要细胞色素P450(CytP450)参与83第八十三页，共一百零一页。Fe3+•O22-84第八十四页，共一百零一页。（二）加双氧酶

加双氧酶催化氧分子中2个氧原子加到作用物中特定双键的2个碳原子上。

例如：(O2)

色氨酸吡咯酶85第八十五页，共一百零一页。β-胡萝卜素-15，15′-加氧酶O286第八十六页，共一百零一页。

体内生物氧化过程中可产生一系列氧化功能很强的氧化物，如O2-

、H2O2、羟自由基等（•OH），统称为活性氧类（reactiveoxygenspecies，ROS）。O2

O2-

H2O2·OH

H2Oe-e-+2H+e-+H+e-+H+H2O87二、活性氧清除体系第八十七页，共一百零一页。

活性氧类化学性质活泼，可引起蛋白质、DNA等生物大分子的氧化损伤，甚至破坏细胞的正常结构和功能，从而引起相应疾病。机体可以通过过氧化酶及时清除活性氧，防止其累积造成有害影响。88第八十八页，共一百零一页。1.过氧化氢酶（catalase）

又称触酶，其辅基含有4个血红素（一）过氧化物酶体氧化体系2H2O2

2H2O+O2

过氧化氢酶

89