药学本科生物化学6 生物氧化

第六章生物氧化BiologicalOxidation物质在生物体内进行氧化称生物氧化

主要指糖、脂肪、蛋白质等营养物质在体内氧化分解时逐步释放能量，并最终生成CO2

和H2O的过程概述生物氧化与体外氧化之相同点：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生物氧化中物质的氧化方式：（一）

加氧（二）脱氢(最主要)（三）

失电子Cu+O2

CuO12COOHC=O+2HCH3（2H++2e）

COOH

HO－CH

CH3Fe2+

Fe3++e生物氧化与体外氧化的不同点反应条件

温和剧烈反应过程

逐步进行的酶促反应一步完成能量释放

逐步进行瞬间释放CO2生成方式

有机酸脱羧碳和氧结合

生物氧化体外氧化糖原三酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoA

TAC

2H呼吸链H2OADP+Pi

ATPCO2生物氧化的一般过程生物氧化这一章主要解决的问题水如何生成?能量如何生成?CO2如何生成?-----呼吸链-----ATP的生成-----有机酸脱羧第一节

生成ATP的氧化体系代谢物脱下的成对氢原子，经线粒体内膜中按次序排列的多种酶和辅酶所催化的连锁递氢和递电子反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratorychain)，或电子传递链(electrontransferchain)组成递氢体和电子传递体（2H

2H++2e）一、呼吸链R=H:NAD+;

（辅酶I，COI）

R=H2PO3:NADP+

；（辅酶II，COII）

1.烟酰胺辅酶(一)呼吸链的组成烟酰胺辅酶的作用原理+H+

e+

H++

H+2HHHeH+HNAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2HNAD(P)+NAD(P)H2HVitB2FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）AMPⅠⅡⅢFMN（黄素单核苷酸）2.黄素蛋白黄素辅基的作用原理+HNNOOCH3CH3NR︱NHHHNNOOCH3CH3NR︱NHH+HFAD/FMN

FADH2/FMNH2+2H-2H-H-H3.铁硫蛋白蛋白质Fe2+

Fe3+-e+e4.泛醌（CoQ,UQ,Q）

Q

QH22H++2e2H++2e5.细胞色素类（cytochroes,

Cyt）●一类以铁卟啉为辅基的蛋白质。在生物氧化反应中，其铁离子可在Fe2+和Fe3+之间转变而传递电子●细胞色素可存在于线粒体内膜，也可存在于微粒体●存在于线粒体内膜的细胞色素有Cytaa3，Cytb（b560，b562，b566），Cytc，Cytc1

人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-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941113复合体酶名称复合体Ⅰ复合体复合体复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数413(二)呼吸链成分的排列顺序复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ完全镶嵌在线粒体内膜中复合体Ⅱ镶嵌在内膜的内侧ⅢⅠ

Ⅱ

Ⅳ

Cytc

Q胞液侧基质侧线粒体内膜1.复合体Ⅰ:NADH-泛醌还原酶

将电子从NADH传递给泛醌

(ubiquinone)NADHCoQ

FMN;Fe-S复合体I注意！！复合体I不包含泛醌每传递一对电子，由基质泵出4H+到胞质NADH+H+

NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2底物脱氢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琥珀酸

CoQFAD;

Fe-S;

b560复合体II每传递一对电子，由基质到胞质无H+泵出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复合体ⅢQH2Cytc

b562;b566;c1注意！复合体III不包含Cytc每传递一对电子，由基质泵出4H+到胞质CoQH2CoQH24.复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶

功能：将电子从细胞色素c传递给氧其中Cyta3

和CuB形成的活性部位将电子交给O2复合体Ⅳ还原型CytcO2CuA→a→a3→CuB每传递一对电子，由基质泵出2H+到胞质细胞色素的传递方向

笔洗一洗AA散

b、c1、c、aa3洗一洗

1．NADH氧化呼吸链丙

酮

酸

α-酮戊二酸

硫辛酸

FAD

2e

异柠檬酸

苹

果

酸

谷氨酸

NAD+→[FMN(Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3

β-羟丁酸

2H

1/2O2

β-羟脂酰CoA

复合体I

2H+

H2O

复合体III复合体IV(三)主要的呼吸链2.琥珀酸氧化呼吸链

(又称FADH2氧化呼吸链)(FAD)琥珀酸脂酰CoAα-磷酸甘油

(Fe-S)→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2

复合体III复合体IV复合体IINADH氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链

唯一能将电子传给氧的细胞色素笔洗一洗AA散

b、c1、c、aa3两种呼吸链的比较:相同点:

1.将2H传递给½O2生成H2O2.2H和½O2消耗，其它可反复使用

3.CoQ是两种呼吸链的汇合点不同点:

NADH呼吸链FADH2呼吸链

普遍程度较普遍次要起始物

NADHFADH2ATP2.51.5Why?二、ATPOOCH2OHOHPOOHOOOHOP~OOHHOP~高能键高能磷酸键高能硫酯键水解时释放的能量>21kJ/mol的键含有高能键的化合物称为高能化合物高能磷酸化合物：ATP、GTP、磷酸肌酸等高能硫酯化合物：乙酰辅酶A、琥珀酰辅酶A等

在生物体内，除了可直接使用ATP供能外，还用使用其他形式的高能磷酸键供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白质的合成等

核苷单磷酸激酶

NMP+ATPNDP+ADP

核苷二磷酸激酶

NDP+ATPNTP+ADP(一)高能键的转移和贮存

磷酸肌酸（C～P）是肌肉和脑组织中能量的贮存形式。但磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用，而必须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理活动之需。这一反应过程由肌酸激酶（CPK）催化完成

C～P+ADPC+ATPCPK(二)ATP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(三)ATP的生成方式

1.底物水平磷酸化把底物分子中高能磷酸键（或高能硫酯键）的能量转交给ADP（或GDP）而生成ATP（或GTP）的过程主要存在于三个反应步骤

1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP

磷酸烯醇式丙酮酸+ADP

烯醇式丙酮酸+ATP

琥珀酰CoA+H3PO4+GDP

琥珀酸+CoA+GTP

磷酸甘油酸激酶丙酮酸激酶琥珀酰CoA合成酶底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：

氧化磷酸化是指在物质代谢过程中脱下的氢，经呼吸链递氢递电子释放能量，伴有ADP磷酸化生成ATP的过程，又称为偶联磷酸化

2.氧化磷酸化呼吸链AH22H(2H++2e)A能量ADP+PiATPO212氧化磷酸化偶联H2O在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化生成ATP的过程称为氧化磷酸化三、ATP的偶联生成(氧化磷酸化)

P/O值是指物质氧化时,每消耗1mol氧原子所消耗的无机磷的mol数,即生成ATP的mol数ADP+H3PO4ATP实质：每消耗1mol氧原子所产生的ATP的mol数P/O值==消耗Pmol数消耗Omol数

消耗ADPmol数

消耗Omol数生成ATPmol数消耗Omol数=(一)氧化磷酸化的偶联部位(1)测定P/O值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值生成ATP数1.β-羟丁酸NAD+→FMN→CoQ→Cytc→O2

2.4～2.82.5琥珀酸FAD→CoQ→Cytc→O21.71.5抗坏血酸Cytc→Cytaa3→O2

0.880.5Cytc(Fe2+)Cytaa3→O20.61～0.680.52.3.4.比较1、2，第一个偶联部位NADH

→CoQ

之间比较2、3，第二个偶联部位CoQ

→Cytc

之间比较3、4，第三个偶联部位Cytaa3

→O2之间(2)计算自由能变化ADP+PiATP△G0′=30.5kJ/mol△G0′=-nF△E0′△G0′<0放能

△G0′>0吸能△G0′=0无能变化呼吸链电子传递时△G0′的变化部位△E0′△G0(kJ/mol)NAD+-CoQ0.36V-69.5能CoQ-Cytc0.31V-40.5能Cytaa3-O20.58V-102.3能能否生成ATP氧化磷酸化偶联部位：ATPATP

ATP

合成1ATP，需要消耗4H+的跨膜势能NADH氧化呼吸链每传递一对电子，共泵出10H+，可生成2.5ATP琥珀酸氧化呼吸链每传递一对电子，共泵出6H+，可生成1.5ATP(二)氧化与磷酸化的偶联机制呼吸链中复合体I、III、IV具有质子泵功能电子经呼吸链传递时，可将质子从线粒体内膜的基质侧泵到胞浆侧，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生成ATP——化学渗透假说ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcCoQ

NADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+H+内膜外侧基质侧++++++++++---------化学渗透学说详细示意图：ATP合酶：ATP合酶结构模式图具酶活的F1α3β3γδε亚基质子通道

F0a1b2c9～12亚基当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间的通道回流时，回流能量驱动γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生周期性改变ATP合酶的工作机制四.影响氧化磷酸化的因素（一）ADP（二）甲状腺激素（三）抑制剂（一）ADPADP/ATP↓：抑制氧化磷酸化，ATP生成↓ADP/ATP↑：促进氧化磷酸化，ATP生成↑H2O+NAD+NADH+H+

+

O212ADP+PiATP氧化磷酸化

（二）甲状腺激素

甲状腺激素可以激活细胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ADP/ATP比值增大，氧化磷酸化速度加快（三）抑制剂1.氧化磷酸化抑制剂

使ATP合酶构象改变阻断质子回流如：寡霉素2.解偶联剂破坏内膜两侧的电化学梯度如：解偶联蛋白

3.电子传递抑制剂

在特异部位阻断呼吸链的电子传递

如：鱼藤酮、抗霉素A、CO、CN-等鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×抗霉素A二巯基丙醇×CO、CN-及H2S×各种呼吸链抑制剂的阻断位点：ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcCoQ

NADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+H+内膜外侧基质侧线粒体内2H的氧化磷酸化：CoQ

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：1.α-磷酸甘油穿梭2.苹果酸-天冬氨酸穿梭

五、通过线粒体内膜的物质转运（一）胞浆中NADH的氧化

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α-磷酸甘油穿梭机制(1.5ATP)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