生物氧化课件

生物氧化

BiologicalOxidation第一节概述Introduction物质在生物体内进行的氧化称为生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等有机物质在生物体内氧化分解并逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。亦称“组织氧化”、“组织呼吸”或“细胞氧化”。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能一、生物氧化的概念

*

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、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。二、生物氧化的特点是在细胞内温和的有水环境中（体温，pH接近中性），经一系列酶促反应逐步缓慢进行，能量逐步释放，以ATP形式储存和转运，有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。物质的氧化方式是脱氢反应，脱下的氢在酶、辅酶和电子传递系统参与下经一系列传递与水结合生成H2O；二氧化碳（CO2）是由于糖、脂类和蛋白质转变成含羧基的化合物（有机酸）直接脱羧或氧化脱羧产生。*

生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化体外氧化在高温、高压以及干燥的条件下进行，是剧烈的自由基反应，能量是突发式释放的。产生的能量以光与热的形式散发在环境中。产生的CO2、H2O是由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。◆场所：真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行。生物氧化中CO2生成的方式1.

-单纯脱羧:NH2

︱

RCHCOOHRCH2NH2+CO2

氨基酸脱羧酶

2.

-氧化脱羧:3.

-氧化脱羧:糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂肪酸+甘油氨基酸乙酰CoA

TCA2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2*生物氧化的一般过程三、生物氧化中自由能变化及氧化还原电位1、自由能（Gibbs，G）的概念：是指在一个反应体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够用以作功的那一部分能量。即生物体中进行生物氧化所提供的能。恒温恒压条件下自由能变化公式为ΔG=ΔH－

TΔS意义：1)用其判断一个反应是否能发生；

2)生物体用以作功的能为体内生化反应放出的自由能；

3）生物氧化所提供的能是机体可利用的自由能。ΔG与反应途径、反应机理无关。任何反应，当：

ΔG＜0反应可自发进行，为放能反应；

ΔG

＞0反应不能自发进行，为吸能反应；

ΔG

＝0体系处于平衡状态，反应可逆。自由能和化学反应的关系

生物氧化过程包括一系列的氧化还原反应，参与氧化还原反应的每种物质都有氧化态和还原态，称为氧还对；而参与反应的每一氧还对转移电子的势能（即氧化还原体系中失去或获得电子的趋势的高低）叫做氧化还原电位，标准氧化还原电位以E0’表示。E0’值越小，供出电子的倾向越强，即还原能力越强；E0’值越大，接受电子的倾向越强。在生物体内氧化还原过程中，电子总是从E0’值较小的物质移向E0’值较大的物质，即从还原剂（电子供体）移向氧化剂（电子受体）。后者的E0’值减去前者的E0’值，叫做生化标准氧化还原电位差，用ΔE0’值表示。2、自由能变化与氧化还原电位差的关系ΔG＝－nF

ΔE0’n=转移电子差；F:法拉第常数（99.496kJ/V.mol)标准自由能变化ΔG0：标准状况下，产物自由能与反应物自由能之差。单位：kJ/molΔG’

＝ΔG0－RTln[B]/[A]ΔG0’：pH=7时，标准自由能的变化。每一化学反应有其特定的ΔG0’ΔG0’的大小依赖于反应的平衡常数K：

当ΔG0＝0时，

ΔG’＝－RTln[B]/[A]=-2.303RTlgK由此1）可从[产物]和[反应物]或反应平衡常数，计算出标准自由能变化。这在生物化学中有较大意义。2）自由能变化的可加性：如反应序列：A→B→C→D

则：反应A→D自由能变化为：

ΔG0

A-D=ΔG0

A-B+ΔG0

B-C+ΔG0

C-D

只要ΔG0总和＜0，则该途径可自发进行。一个热力学上不能进行的反应可由与此偶联的容易进行的反应驱动。第二节ATP一、ATP的形成与作用ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸机械能--运动化学能--合成渗透能--分泌吸收电能--生物电热能--体温光能--生物发光ATP是生物系统能量交换的中心荧火虫ATP的特殊作用二、生物能学一般情况下，ATP将磷酸基团转移给肌酸生成磷酸肌酸将能量贮存起来。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。磷酸肌酸与ATP的转换磷酸肌酸、磷酸精氨酸（无脊椎动物肌肉中）——贮能作用磷酸肌酸磷酸精氨酸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。体内有些合成反应不直接利用ATP供能，而是由ATP将高能磷酸键转给UDP、CDP和GDP，生成UTP、CTP、GTP，作为能量的直接来源参与合成反应。如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂合成，GTP用于蛋白质合成等。

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高能化合物的共同特点是含有容易断裂的“活泼键”，水解时可释放大于21KJ/mol的能量，常用符号

表示。二、高能化合物

生物体内的放能反应与吸能反应偶联，最基本的形式是通过高能化合物实现的。1、高能化合物的概念：指含有高能键，在标准条件下（pH=7,250C,1mol/L)发生水解时可释放大量自由能的化合物。2、高能化合物的类型：根据分子中是否含有磷酸可分为磷酸类高能化合物和非磷酸类高能化合物。必须注意：并非所有的磷酸化合物都是高能化合物。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1）磷氧键型：如ATP、磷酸烯醇式丙酮酸等2）磷氮键型：如磷酸肌酸等3）硫酯键型：如脂酰CoA等4）甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸也可根据分子结构的特点和所含高能键的特征进行分类。磷氧键型（—O~P)(1)酰基磷酸化合物1,3-磷酸甘油酸乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔酰基磷酸化合物氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔磷氮键型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。硫酯键型3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸第三节呼吸链与氧化磷酸化

TheOxidationSystemofATPProducing定义在生物氧化过程中，从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，这一系列酶和辅酶组成的连锁传递体系称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。呼吸链是代谢物上氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列电子传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的过程。组成：递氢体和电子传递体（2H

2H++2e），存在于线粒体内膜上

一、呼吸链的定义线粒体的结构嵴二、呼吸链的组成呼吸链共包括四种具有传递电子功能的酶复合体(complex，由相应酶和传递体共同组成)和两种单独成分。*Q(泛醌)和细胞色素C(Cytc)均不包含在上述四种复合体中。线粒体呼吸链复合体复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-Q还原酶琥珀酸--细胞色素C细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-琥珀酸-Q还原酶QH2-细胞色素C细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置①烟酰胺核苷酸类：主要作为一类不需氧脱氢酶的的辅酶。有NAD+和NADP+，大多脱氢酶以NAD+为辅酶。电子和氢离子一起被接受，还原型CoⅠ将氢移到NADH（黄素）脱氢酶上。呼吸链中包括5类电子载体：NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+（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。②黄素脱氢酶类

黄素脱氢酶（NADH脱氢酶）是黄素蛋白，其辅基FMN（FAD）接受2个氢原子成还原型的黄素单核苷酸。FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN•。③铁硫蛋白类NADH脱氢酶还有几个非血红素铁原子与酸不稳定的硫原子结合，组合成铁-硫中心（iron-sulfur

center)。借铁的变价（Fe3

+→Fe2

+

）接受电子并转给辅酶Q。铁-硫中心：存在于微生物、动物组织中，在NADH呼吸链中有多个不同的铁-硫中心。NADH脱氢酶复合物包括两个电子传递系统（酶，FMN，铁-硫中心）。铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+

Fe3++e反应传递电子。Ⓢ表示无机硫

铁硫蛋白SS无机硫半胱氨酸硫④辅酶Q类又称泛醌（ubiquinone，CoQ)，是脂溶性化合物，可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇（CoQH2）。所以处在呼吸链的中心地位。它与蛋白质结合不紧，可在黄素脱氢酶类与细胞色素类之间起载体作用。泛醇将电子传给细胞色素bc1复合体，H+释出。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。⑤细胞色素类（cytochromes)

是一类以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质。广泛分布于生物细胞，由于呈现颜色，故称细胞色素。其作用靠铁的变价传递电子由CoQ传到氧。a、cytbc1复合体：含ctyb

、ctyc1及铁-硫蛋白。b、cyt氧化酶：含ctya和ctya3

。除含铁还含铜（Cu2

+→Cu+

）c、cytc：在ctybc1复合体和cty氧化酶间传递电子。细胞色素细胞色素是一类以铁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。

传递体作用尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）递氢体尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）递氢体黄素蛋白（辅基为FAD和FMN）递氢体铁硫蛋白（Fe-S）单电子传递体辅酶Q递氢体细胞色素类单电子传递体复合体Ⅰ:NADH-Q（泛醌）还原酶

功能:

将电子从NADH传递给泛醌

(ubiquinone)

复合体ⅠNADH→→CoQ

FMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2由以上五种电子传递体组成4个复合体和2个单独成分。复合体Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2复合体Ⅱ:琥珀酸-Q（泛醌）还原酶

功能:

将电子从琥珀酸传递给泛醌

复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3复合体Ⅲ:QH2（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

复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1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。三、呼吸链中传递体的排列顺序实验依据：1）根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序，氧化还原电位逐渐增加，该值越大，说明越易构成氧化剂处于呼吸链的末端，越小，说明越易构成还原剂处于呼吸链的始端。2）电子亲和力增加的顺序排列；3）吸收光谱变化，氧化程度逐渐增高；4）利用电子传递抑制剂选择性阻断；5）拆开和重组6）还原状态呼吸链缓慢给氧，根据各组分氧化还原状态确定顺序呼吸链（电子传递链）电子亲和力递增的顺序ATPFADH2ATPATP1.NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2糖、脂、蛋白质等有机物在氧化分解过程中脱下的氢，大部分经此呼吸链氧化为水。例如丙酮酸、异柠檬酸、乳酸、酮戊二酸、苹果酸、谷氨酸等。2.琥珀酸氧化呼吸链

琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2一般情况下琥珀酸、a-磷酸甘油氧化脱氢生成FADH2作为这条呼吸链的最初供体。四、体内两条重要的呼吸链NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链电子传递链区别：从琥珀酸分子中脱下的氢原子不经NAD+，而直接传递给黄素酶五、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)1.α-磷酸甘油穿梭机制

NADH+H+FADH2NAD+FAD

线粒体内膜

线粒体外膜膜间隙

线粒体基质S-α-磷酸甘油脱氢酶呼吸链磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油M-α-磷酸甘油脱氢酶

-磷酸甘油穿梭系统说明：1）S-α-磷酸甘油脱氢酶和M-α-磷酸甘油脱氢酶是同工酶，前者的辅酶是NAD+，后者的辅基是FAD，因此一对氢经该穿梭作用进入呼吸链彻底氧化可产生2个ATP。

2）该穿梭作用存在于骨骼肌、脑和神经组织中。2.

苹果酸-天冬氨酸穿梭机制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S-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M-苹果酸脱氢酶苹果酸穿梭系统说明：1）S-苹果酸脱氢酶和M-苹果酸脱氢酶是同工酶，均以NAD+作为辅酶。2）一对氢经该穿梭作用进入呼吸链彻底氧化可产生3个ATP。3）该穿梭作用存在于肝脏心肌和肾脏中。六、能量的生成和利用ATP的生成：主要由：ADP+pi+能量→ATP

少数情况：AMP+ppi+能量→ATPATP是生命活动的直接供能物质，体内能量的生成就是ADP经磷酸化生成ATP的过程。能量贮存在ATP的高能磷酸键中。体内磷酸化主要有两种方式：底物磷酸化和氧化磷酸化。1、底物水平磷酸化定义：底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)是指代谢物在氧化分解过程中通过脱氢、脱水等作用使分子内部能量重新分配，能量集中产生高能键，然后使ADP磷酸化生成ATP的过程。底物被氧化时形成高能磷酸化合物的中间物，通过酶的作用使ADP生成ATP。底物磷酸化形成高能磷酸化合物的能量来自伴随底物脱氢，分子内部能量的重新分布。如：糖酵解过程产生ATP2、氧化磷酸化：1）定义：在生物氧化过程中，底物脱氢产生NADH和FMNH2经呼吸链传递氧化生成水的同时，所释放的自由能用于偶联ADP磷酸化生成ATP，这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)，又称为偶联磷酸化。氧化磷酸化是NADH和FMNH2通过氧化呼吸链的电子传递相联系的合成ATP的作用。即电子传递与ATP形成的偶联机制。2)氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ主要根据自由能变化和P/O比值确定⊿Gº'=-nF⊿Eº'ATP形成以电子传递为前提，而呼吸链只有生成ATP才能推动电子的传递，此为偶联。呼吸链上磷酸化位点：

NAD—CoQ；Cytb—Cytc；Cyta—O2氧化磷酸化的大小用P/O表示磷氧比（P/O)是指每消耗1mol原子氧时有多少摩尔原子的无机磷被酯化为有机磷，即产生多少摩尔的ATP。可间接测ATP生成量：

NADH呼吸链：P/O=3FADH呼吸链：P/O=2ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位电子传递链自由能变化

氧化磷酸化偶联部位3）氧化磷酸化的偶联机理化学偶联假说1953年E.C.Slater提出构象偶联假说1964年P.D.Boyer提出化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)

由P.Mitchell1961年提出: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。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化学渗透假说(chemiosmotic

hypothesis):

电子传递释出的能量用于形成跨膜的质子（H+

）梯度，此梯度用以驱动ATP的合成。在电子传递和磷酸化之间起偶联作用的是H+电化学梯度。化学渗透假说目录证据:1）线粒体膜上的ATP合酶（ATPsynthase)是受质子动力推动的酶。可催化ATP水解放能；又可从质子动力获能，合成ATP。ATP合成酶ATP合酶由亲水部分F1（α3β3γδε亚基）和疏水部分F0（a1b2c9～12亚基）组成。ATP合酶结构模式图当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2）H+泵分布在膜上：

NADH脱氢酶细胞色素bc1复合体细胞色素氧化酶在与这三个复合体有关的自由能变化足以将H+泵出,从而形成膜基质与膜间隙的H+

梯度。3、影响氧化磷酸化的因素1.呼吸链电子传递抑制剂

是能够专一阻断呼吸链中某些部位电子传递的物质和化学药品。它的特点是可抑制呼吸链的某一环节，使呼吸链中断。因底物的氧化作用受阻，偶联的磷酸化作用无法进行，ATP的生成随之减少。这类物质和化学药品大多对人类或哺乳动物乃至需氧生物具有极强的毒性。根据在呼吸链上的作用部位，可分为三类：（一）生物氧化抑制剂能够抑制第一位点的有阿米妥（异戊巴比妥）、粉蝶霉素A、鱼藤酮等；能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇；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+。鱼藤酮杀粉蝶菌素（粉蝶霉素A）阿米妥（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不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响

2.解偶联剂不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，而是抑制由ADP+Pi生成ATP的磷酸化作用，使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化。即使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：解偶联蛋白、双香豆素、2,4-二硝基苯酚、缬氨霉素、短杆菌肽等。3.氧化磷酸化抑制剂

直接作用于ATP合成酶复合体，对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素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

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（二）ADP、Pi与ATP的调节作用负反馈调节。当ATP高时，ADP、AMP下降，氧化磷酸化