生物氧化课件

生物氧化

BiologicalOxidation210ATPTCACycle三羧酸循环糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H

呼吸链H2OADP+PiATPCO2

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5化学反应方式：加氧、脱氢、失电子；还原当量=还原性电子载体；存在形式：NADH++H+FADH2关于生物氧化的几个概念6Chapter8BiologicalOxidation1.氧化呼吸链是由具有电子传递功能的复合体组成（√）

2.氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化偶联生成ATP（√）

3.氧化磷酸化的影响因素（√）

4.其他氧化与抗氧化体系（X）第一节

氧化呼吸链OxidativeRespiratoryChain78TheRespiratoryChain动物细胞的线粒体是生物氧化的主要场所9一、呼吸链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）

呼吸链就是由电子传递体组成的氧化还原体系1011（一）呼吸链的组成四种具有传递电子功能的酶复合体(complex)*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血红素血红素12二、呼吸链的主要成分ComponentsoftheRespiratoryChain

尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）黄素蛋白（flavoprotein,FP）铁硫蛋白（

Iron-sulfurprotein,Fe-S）泛醌（ubiquinone,UQ,Q）细胞色素（cytochrome）13以NAD+为辅酶的脱氢酶3-磷酸甘油醛脱氢酶

3-磷酸甘油醛→1,3二磷酸甘油酸乳酸脱氢酶

乳酸→

丙酮酸丙酮酸脱氢酶

丙酮酸→乙酰CoA

酮戊二酸脱氢酶

酮戊二酸→琥珀酰CoA苹果酸脱氢酶

苹果酸→草酰乙酸L--羟脂酰脱氢酶

L--羟脂酰-CoA→

--酮脂酰-CoA14异柠檬酸脱氢酶

异柠檬酸→

酮戊二酸L-谷氨酸脱氢酶

L-谷氨酸→

酮戊二酸以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶6-磷酸葡萄糖脱氢酶

6-磷酸葡萄糖→6-磷酸葡萄糖内酯6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶

6-磷酸葡萄糖酸→5-磷酸核酮糖以NADP+为辅酶的脱氢酶15（一）尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+，辅酶I）R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

双电子传递体多种脱氢酶的辅酶，接受从代谢物脱下的2H（2H++2e），传递给黄素蛋白（FP）。尼克酰胺16NAD+和NADH的相互转变HNAD+NADH17（二）黄素蛋白（Flavoprotein,FP）FAD（FMN）

+2H（2H++2e）FADH2（FMNH2）双电子传递体功能：催化代谢物脱氢，脱下的氢被FMN或FAD接受。

辅基：黄素单核苷酸（FMN）黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）18VitB2（riboflavin）FMNFAD19以FMN或FAD为辅基的脱氢酶NADH脱氢酶(FMN)

NADH→NAD+琥珀酸脱氢酶(FAD)

琥珀酸→延胡索酸脂酰-CoA脱氢酶(FAD)

脂酰-CoA→

反-∆2-烯酰-CoA以FMN为辅基的脱氢酶接受线粒体内NADH脱下的氢，继续传递；以FAD为辅基的脱氢酶可以直接将作用物脱下的氢传递进入呼吸链。20含铁原子和硫原子，每次传递一个电子，为单电子传递体（三）铁硫蛋白（Iron-sulfurprotein，Fe-S）Fe2+-e+eFe3+铁硫蛋白多与FP或细胞色素b结合成复合物存在2Fe-2S4Fe-4S21（四）泛醌（Ubiquinone,UQ,Q）

辅酶Q（CoenzymeQ,CoQ）

双电子传递体

脂溶性苯醌，侧链含多个异戊二烯单位（哺乳动物Q10）电子传递链中唯一的非蛋白质电子流动载体，非常活跃22

泛醌（Q）H++e

半醌（.QH）H++e

二氢泛醌（QH2）Havearest123（五）细胞色素（Cytochrome，Cyt）a,b,c

（线粒体内膜）（微粒体）单电子传递体Cyt-Fe2+-e+eCyt-Fe3+（还原型）（氧化型）以血红素（heme）为辅基的蛋白质主要种类：a、a3、b、c、c1

b5、P450

24Cytb辅基：b型血红素Cyta辅基：a型血红素聚异戊烯长链Cyta&b均以非共价与辅基结合甲酰基25Cytc辅基：c型血红素Cytc以硫醚键共价结合辅基26细胞色素c（Cytochromec）

13kD球形蛋白质，唯一能溶于水的细胞色素流动电子载体，可在线粒体内膜外侧移动在复合体III和IV之间传递电子27细胞色素aa3,Cytaa3

细胞色素氧化酶(cytochromeoxidase)+1/2O22Cytaa3-Fe2+2Cytaa3-Fe3++O2-唯一直接将电子传递给氧的Cyt28Cytaa32Cytaa3-Fe2++1/2O22Cytaa3-Fe3++O2-直接将电子传递给氧细胞色素氧化酶（cytochromeoxidase）29由递氢体或递电子体在线粒体内膜上按一定顺序排列组成的连锁反应体系称为电子传递链(electrontransferchain)。它与细胞摄取氧的呼吸过程相关，故又称呼吸链(respiratorychain)呼吸链的组成成分（主要有5类）（1）NAD+和NADP+为辅酶的脱氢酶：双电子传递体（2）黄素酶（黄素蛋白，辅酶为FAD或FMN）：双电子传递体（3）铁硫蛋白（含有Fe-S）：单电子传递体（4）泛醌（辅酶Q）：双电子传递体（5）细胞色素体系：单电子传递体呼吸链细胞色素体系：cytaa3、b、c1、c小结rest30三、呼吸链中电子传递体的排列顺序NADHFP(FMN)(Fe-S)CoQCytb(Fe-S)Cytc1CytcCytaa3FP(FAD)(Fe-S)O2琥珀酸31电子传递体以复合体形式存在于线粒体内膜上32呼吸链中电子传递体排列顺序的确定

电子传递体的标准还原电位

电子由还原电位低处向高处传递

分光光度法测吸收光谱

得失电子，吸收光谱改变

特异性阻断剂

阻断部位前：还原状态，后：氧化状态

分离呼吸链组分，体外重建呼吸链

正确的顺序方可传递电子333455052141535（一）复合体I（NADHtoUbiquinone）或称NADH脱氢酶（NADHdehydrogenase）NADH+H+NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2含黄素蛋白（FMN）铁硫蛋白作用催化NADH脱氢，脱下的氢经复合体I中的FMN、Fe-S蛋白传递给QNADH:Q氧化还原酶（NADH:Qoxidoreductase）（伴质子转移）36NADH电子经复合体I的传递（同时伴有质子从线粒体基质转移至膜间隙，质子泵）III4H+37（二）复合体II（SuccinatetoUbiquinone）

催化琥珀酸脱氢，脱下的氢经复合体II中FAD，Fe-S蛋白传递给Q。无质子转移即：琥珀酸脱氢酶（succinatedehydrogenase）作用38异柠檬酸

脱氢酶

酮戊二酸

脱氢酶苹果酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶39即：泛醌:细胞色素c氧化还原酶

（ubiquinone:cytochromecoxidoreductase）或称：细胞色素bc1复合体

（cytochromebc1complex）

包括Fe-S、Cytb、Cytc1

（三）复合体III（UbiquinonetoCytochromec）QQH22Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+作用

将电子从还原型Q传递给Cytc（伴质子转移）4041（四）复合体IV（CytochromectoO2）

（伴质子转移）即：细胞色素氧化酶（cytochromeoxidase）包括细胞色素a、a3及以铜离子为辅基的酶将电子从Cytc传递给1/2O2，激活氧生成O2-

，最后再与线粒体基质中的2H+结合生成H2O42复合体IV中铜离子发生Cu+↔Cu2+43四、两条主要的呼吸链（一）NADH氧化呼吸链（最常见）由辅酶I、FP（FMN）、Fe-S、CoQ、Cyt组成体内多种代谢物脱下的H通过这条链传递给氧生成H2O.44（二）FADH2氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）由FP（FAD）、Fe-S、CoQ、Cyt组成2H琥珀酸脱氢酶

-磷酸甘油脱氢酶（Mit）脂酰CoA脱氢酶O2琥珀酸脱氢酶琥珀酸延胡索酸FADFADH245RCH2-CH-CH2-CO~SCoA|

OHRCH2-CH2-CH2-CO~SCoARCH2CH=CH-CO~SCoA脂酰CoA脱氢酶

FADFADH2RCH2-C-CH2-CO~SCoA||

O

羟脂酰

CoA脱氢酶NAD+NADH+H+H2O烯酰CoA水合酶

酮脂酰CoA

硫解酶CoASHRCH2-CO~SCoA+CH3-CO~SCoA继续

氧化脂酰CoA,-烯脂酰CoA

-羟脂酰CoA

-酮脂酰CoA脂酰CoA(少2C)乙酰CoA46NADHFP(FMN)(Fe-S)CoQCytbCytc1CytcCytaa3FP(FAD)(Fe-S)O2NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链Havearest2第二节

氧化磷酸化生成ATP4748一、ATP的生理功能1、ATP是联系分解代谢与合成代谢的“能量货币”Theenergycurrencyofthelivingcell49ATP+肌酸肌酸激酶ADP+磷酸肌酸磷酸肌酸Phosphocreatine

（骨骼肌能量储存形式）2、转变成其它高能磷酸化合物

UTP、CTP、GTP

（糖原）（磷脂）（蛋白质）50二、ATP的合成ATPATP的生成方式

底物水平磷酸化氧化磷酸化

高能化合物，含高能磷酸键生物体可直接利用的能源物质substrate-levelphosphorylationoxidativephosphorylation51磷酸甘油酸激酶高能化合物放能时伴有ADP磷酸化生成ATP，与呼吸链的电子传递无关磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP丙酮酸激酶

底物水平磷酸化Substrate-levelPhosphorylation1，3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA+GDP琥珀酸+CoASH+GTPGTP+ADPGDP+ATPPi52

氧化磷酸化（主要）

OxidativePhosphorylation

代谢物氧化脱氢，脱下的氢经呼吸链传递给氧生成水，同

时释放能量，使ADP磷酸化生成ATP,氧化与磷酸化偶联。AH2A2H（2H++2e）呼吸链1/2O2H2O能量ADP+PiATP氧化反应磷酸化反应

氧化磷酸化53

氧化磷酸化偶联部位

NADHFADH2

NADH-QQCytochromeCytcCytochrome(FMN,Fe-S)

(b,Fe-S,c1)

(a,a3)复合体Ⅰ

复合体Ⅲ复合体Ⅱ

复合体ⅣATP½O2(Fe-S)NADHCoQCoQCytcCytaa3O2ATPATP54确定氧化磷酸化偶联部位的依据氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ依据：1.自由能变化:

⊿Gº'=-nF⊿Eº'2.P/O比值55ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位电子传递链自由能变化

56P/O比值每消耗1mol氧原子，所消耗的无机磷摩尔数一对电子通过呼吸链P/O比值：一对电子通过呼吸链时生成ATP的个数

1个氧原子2e+O

O2-ADP+PiATP无机磷个数生成ATP的个数5758H++e

进入呼吸链彻底氧化生成H2O

的同时ADP偶联磷酸化生成ATP。NADH+H+

H2O、2.5ATP

[O]H2O、1.5ATP

FADH2

[O]有氧氧化生成的ATP59氧化磷酸化偶联的机制PeterMitchell

（英）1961年提出1978年诺贝尔化学奖化学渗透假说chemiosmotichypothesis60化学渗透假说的要点

线粒体内膜的电子传递链具有质子泵功能，可将质子从基质侧排到内膜外（复合体I、III、IV）

线粒体内膜不允许质子回流，膜内外产生电化学梯度

（跨膜质子梯度

pH和电位梯度

）

膜内外电化学梯度驱动质子从特殊通道回到内膜基质，跨膜过程释放能量，驱动ATP合成（ATP合酶）61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62ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+H+胞液侧基质侧++++++++++---------化学渗透假说详细示意图63化学渗透假说偶联机制：（1）H+不能自由通透线粒体内膜；（2）电子传递链是一个质子泵（复合物Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ），电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，可驱动膜内侧的H+定向迁移到膜外侧，产生氢离子浓度剃度。64（3）线粒体内膜内侧与外侧之间的氢离子浓度剃度具有质子梯度势能(

pH)和电位梯度电能（

），统称电化学势能；65（4）在膜内外电化学势能的驱动下，膜外高能质子具有回流膜内的趋势，可沿着特殊通道（ATP合酶的组成部分）回到膜内侧。回流释放的能量，直接驱动了ADP和磷酸合成ATP。F166ADP＋PiATP合酶ATP合酶(ATPsynthase)(ComplexV)F1（催化）α3β3γ

Fo（质子通道）

ab2c10ATP世界上最小的“马达”质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成

ATPF1：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合酶结构组成自学：录像ATP合酶组成可旋转的发动机样结构F0的2个b亚基的一端锚定F0的a亚基，另一端通过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间的中轴，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。

自学：录像70ATP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。生成1个ATP需要3个H+回流结合变构机制（bindingchangemechanism）自学：录像ATP合酶工作原理动画自学：录像721997年诺贝尔化学奖73ATP合酶复合体是ATP合成的场所。氧化磷酸化后，NADH＝2.5个ATP，FADH2=1.5个ATP化学渗透假说的要点：（1）H+不能自由通透线粒体内膜；（2）线粒体内膜的电子传递链中的复合物Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ具有质子泵的功能，可利用递氢体与递电子体之间电子传递的能量驱动H+由线粒体内膜内侧定向迁移到膜外侧，从而在线粒体内膜两侧形成质子梯度；（3）质子剃度具有电化学势能，存在质子回流线粒体内膜内的趋势；（4）质子经特定的质子通道回流线粒体膜内侧时，可推动ATP合酶催化合成ATP。小结第三节

氧化磷酸化的影响因素

75

氧化磷酸化的调节1、能量状态

氧化磷酸化速度主要受细胞对能量需求的调节

ATP/ADP↑

氧化磷酸化↓（静止和营养好的细胞）ATP/ADP↓

氧化磷酸化↑（活动和消耗能量的细胞）

ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素OxidativePhosphorylationIsRegulatedbyCellularEnergyNeeds762、甲状腺激素ATP/ADP↓氧化磷酸化↑耗氧量和产热量↑基础代谢率↑甲亢病人基础代谢率偏高甲状腺激素可激活多种组织细胞膜上的Na+-K+-ATP酶BMR（basalmetabolicrate):

人体在安静休息和空腹状况下，测得的单位时间内人体能量消耗的水平，通常以氧消耗率为指标。77氧化磷酸化的抑制剂氧化磷酸化解偶联：只有代谢物的氧化，而不伴随ADP的磷酸化

呼吸链抑制剂

ATP合酶抑制剂解偶联剂781、呼吸链抑制剂阻断呼吸链中某部位电子传递而使氧化受阻FP(FAD)(Fe-S)NADHFP(FMN)(Fe-S)CoQCytbCytc1CytcCytaa3O2鱼藤酮粉碟霉素A异戊巴比妥抗霉素A二巯基丙醇氰化物叠氮化物H2SCO792、ATP合酶抑制剂抑制ATP合成，并影响电子在呼吸链的传递寡霉素（oligomycin）二环己基羰二亚胺（DCCD）3、解偶联剂

uncoupler

使电子传递和ATP形成两个偶联过程分离，只抑制ATP合成，不抑制电子传递2，4-二硝基苯酚（DNP）

三氟甲氧基苯腙羰基氰化物（FCCP）解偶联蛋白（uncouplers）Fo80氧化磷酸化的抑制剂：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81UncouplersofOxidativePhosphorylationAfterenteringthematrixintheprotonatedform,theycanreleaseaproton,thusdissipatingtheprotongradient.82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+PiATP83ADP是氧化磷酸化的主要调节者氧化磷酸化抑制剂的作用（1）呼吸链抑制剂：抑制电子传递异戊巴比妥：抑制复合物I的Fe-S蛋白抗霉素A:抑制Cytb

Cytc1(复合物Ⅲ)的电子传递CO、CN-：抑制cytaa3→O2（2）解偶联剂：使氧化磷酸化脱离2,4二硝基酚（DNP）：破坏H+梯度（3）ATP合酶抑制剂：抑制ADP的磷酸化和电子传递寡霉素：破坏H+回流小结84三、线粒体外NADH的氧化

线粒体外NADH需转运进入线粒体内，才能进行氧化磷酸化3-磷酸甘油穿梭

Glycerol-3-phosphateShuttle

苹果酸-天冬氨酸穿梭

Malate-aspartateShuttle85（一）α-磷酸甘油穿梭（骨骼肌、脑）86（二）苹果酸-天冬氨酸穿梭（心、肝、肾）苹果酸草酰乙酸NAD+NADH+H+

-酮戊二酸

-酮戊二酸苹果酸草酰乙酸NAD+NADH+H+谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酸VV苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶线粒体内膜胞质面基质面2.5ATP