06 第六章 生物氧化

1、第六章 生物氧化 (Biological Oxidation) 物质在生物体内进行氧化称物质在生物体内进行氧化称生物氧化生物氧化，主主 要指糖要指糖、脂肪脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释蛋白质等在体内分解时逐步释 放能量放能量，最终生成最终生成CO2和和 H2O的过程的过程。 ADP+Pi 热能热能 糖 CO2和和H2O O2 能量能量ATP 脂肪 蛋白质 第一节 概 述 (Outline) 一、一、生物氧化的方式与特点生物氧化的方式与特点 (一一)生物氧化的方式生物氧化的方式 生物氧化与物质在体外的氧化方式在化学生物氧化与物质在体外的氧化方式在化学 本质上是相同的，生物氧化的方式有加氧、脱本

2、质上是相同的，生物氧化的方式有加氧、脱 氢和失电子反应。氢和失电子反应。 2.脱氢反应脱氢反应 乳酸酸 CH3CH(OH)COOH CH3COCOOH+2H 3.失电子反应失电子反应 Fe2+Fe3+ e 1.加氧反应加氧反应 RCHO+1/2O2 RCOOH 醛酸 (二二)生物氧化的特点生物氧化的特点 为细胞内恒定条件下酶促反为细胞内恒定条件下酶促反 应逐步进行应逐步进行，能量逐步释放能量逐步释放， 生成生成ATP。 加水脱氢反应使物质间接获加水脱氢反应使物质间接获 得氧得氧，脱下的氢与氧结合产生脱下的氢与氧结合产生 H2O，有机酸脱羧产生有机酸脱羧产生CO2。 生物氧化生物氧化 体外氧化体

3、外氧化 为不恒定条件下非酶为不恒定条件下非酶 促反应促反应，能量以热能形能量以热能形 式突然释放式突然释放。 产生的产生的CO2、H2O由由 物质中的碳和氢直接与物质中的碳和氢直接与 氧结合生成氧结合生成。 氧化方式均为加氧、脱氢、失电子。氧化方式均为加氧、脱氢、失电子。 耗氧、释放能量、终产物（耗氧、释放能量、终产物（CO2，H2O）均相同。）均相同。 不同点 相同点 二、二、生物氧化的酶类生物氧化的酶类 (一一) 氧化酶类氧化酶类 细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶等属于此细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶等属于此 类酶，该类酶的亚基常含有铁、铜等金属离子。类酶，该类酶的亚基常含有铁、铜等金属离子

4、。 2H+H2O SH2 + 2e 2Cu2+ O2- S2Cu+1/2O2 SH2:底物底物S:产物产物 2H+H2O SH2 + 2Cu2+ O2- S2Cu+1/2O2 2e (二二) 需氧脱氢酶类需氧脱氢酶类 (三三) 不需氧脱氢酶类不需氧脱氢酶类 乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶等乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶等 。 L-氨基酸氧化酶、氨基酸氧化酶、 黄嘌呤氧化酶等属于此黄嘌呤氧化酶等属于此 类酶。类酶。 2H H2O2 SH2 SO2 FMN 或或 FAD FMNH2 或或 FADH2 2H SH2 S FMN(或或FAD) FMNH2(或或FADH2) SH2 S NAD+(NADP+) NA

5、DH+H+(NADPH+H+) 三、生物氧化过程中三、生物氧化过程中CO2的生成的生成 人体内人体内CO2的生成来源于有机酸的脱羧反应。的生成来源于有机酸的脱羧反应。 根据脱去的羧基在有机酸分子中的位置不同，根据脱去的羧基在有机酸分子中的位置不同， 分为分为-脱羧脱羧和和-脱羧脱羧两种；又根据脱羧是否伴有氧两种；又根据脱羧是否伴有氧 化，可分为化，可分为单纯脱羧单纯脱羧和和氧化脱羧氧化脱羧两种类型。两种类型。 (一一)-单纯脱羧单纯脱羧 胺-氨基酸 2 CO+ 2 R-CH NH2 氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶 2 NH R- CH- COOH (二二)-氧化脱羧氧化脱羧 (三三)-单纯脱羧单纯脱

6、羧 (四四)-氧化脱羧氧化脱羧 + CO2 CHOH-COOH CH-COOH CH2-COOH 异柠檬酸 CH2-COOH CH2 CO-COOH -酮戊二酸 异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶 + NADH+H + NAD 酸 草酰乙酸 CO2+CH3COCOOH 酸羧化酶酸羧化酶 COCOOH HCH2- COO 乙酰辅酶A + CO2SCoACH3CO HSCoA+ 酸 CH3COCOOH 酸脱氢酶系酸脱氢酶系 + NADH+H + NAD 第二节 呼吸链与氧酸化 代谢物脱下的成对氢原子代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种通过多种 酶和辅酶所催化的逐步传递酶和辅酶所催化的逐步传递，最终与最

7、终与 氧结合生成水氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为这一系列酶和辅酶称为呼吸链呼吸链 (respiratory chain)又称又称电子传递链电子传递链(electron transfer chain)。 一、什么是呼吸链一、什么是呼吸链 (respiratory chain and oxidative phosphorylation) 四种具有传递氢和电子功能的酶复合体。四种具有传递氢和电子功能的酶复合体。 泛醌 和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。 人线粒体呼吸链复合体人线粒体呼吸链复合体 复合体复合体酶名称酶名称 复合体复合体 复合体复合体 复合体复合体 复合体复合体 琥珀酸琥珀

8、酸- 泛醌还原酶泛醌还原酶 泛醌泛醌-细胞色素细胞色素 c 还原酶还原酶 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶 辅基辅基 FMN ，Fe-S FAD ，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉， Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数 39 4 11 13 复合体复合体 复合体复合体 复合体复合体 复合体复合体 NADH- 泛醌还原酶泛醌还原酶NADH- 泛醌还原酶泛醌还原酶 琥珀酸琥珀酸- 泛醌还原酶泛醌还原酶 泛醌泛醌-细胞色素细胞色素还原酶还原酶 FMN ，Fe-S FAD ，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉， Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各复合体在线粒体内膜中的

9、位置 e- e- e- e- e- O2 FADH2 NADH 细胞色素细胞色素C 线粒体内膜线粒体内膜 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 Q 氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。 2H2H H H H H e e H H+ + H H R H CONH 2 N+ C e e + R HH CONH2 N + H+ +H +H+ NAD(P)+ NAD(P)H+H+ +2H - 2H (一一) 复合体复合体 : NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶 (1)NAD+和和NADP+ 1.复合体复合体的组成的组成 NADHCoQ FMN; Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3; Fe-S

10、N-2 FMN结构中含核黄素结构中含核黄素，发挥功能的部位是发挥功能的部位是 异咯嗪环异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是氧化还原反应时不稳定中间产物是 FMN 。 (2)FMN (FAD) O O CH3 CH3 R N N NH N O O CH3 CH3 R N N NH N +H - H +H - H H O O CH3 CH3 R N N NH N H H FMN(或FAD)FMNH(或FADH),即FMNFMNH2(或FADH2) 氧化型或醌型半醌型还原型或氢醌型 铁硫蛋白铁硫蛋白中辅基铁硫簇铁硫蛋白铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁含有等量铁 原子和硫原子原子和硫原子

11、，其中铁原子可进行其中铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传反应传 递电子递电子。 表示无机硫 (3)铁硫蛋白铁硫蛋白 Fe Fe Fe Fe SCH2 SCH2 SCH2 SCH2 泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形成较）由多个异戊二烯连接形成较 长的疏水侧链（人长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间），氧化还原反应时可生成中间 产物半醌型泛醌。产物半醌型泛醌。 (4)辅酶辅酶Q o H3CO H3CO CH3 o R R oH O H3CO H3CO CH3 H+ +e H+ +e H3COR oH OH H3CO CH3 泛醌泛醌H二氢泛醌 氧

12、化型或醌型半醌型还原型或氢醌型 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2 还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S Q QH2 2.复合体复合体的功能的功能 (二二) 复合体复合体: : 琥珀酸琥珀酸- -泛醌还原酶泛醌还原酶 功能功能: : 将电子从琥珀酸传递给泛醌。将电子从琥珀酸传递给泛醌。 琥珀酸琥珀酸CoQ Fe-S1;b560;FAD; Fe-S2;Fe-S3 (三三) 复合体复合体: 泛醌泛醌-细胞色素细胞色素c还原酶还原酶 功能：功能：将电子从泛醌传递给细胞色素将电子从泛醌传递给细胞色素c。 QH2Cyt cb562; b566; Fe-S; c1 细胞色素c的结构 CH3

13、 蛋蛋白白质质 H3C H3C NN NN Fe3+ CH3 CH-CH3 CH-CH3 S Cys S Cys COOH CH2 CH2 COOH CH2 CH2 细胞色素细胞色素 是一类以铁卟是一类以铁卟 啉为辅基的催啉为辅基的催 化电子传递的化电子传递的 酶类，根据它酶类，根据它 们吸收光谱不们吸收光谱不 同而分类。同而分类。 1.细胞色素的结构细胞色素的结构 (四四) 复合体复合体: 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶 功能：功能：将电子从细胞色素将电子从细胞色素c传递给氧，传递给氧，其中其中Cyt a3 和和Cu B形成的活性部位将电子交给形成的活性部位将电子交给O2。 还原型还原型Cy

14、t c O2CuAaa3CuB 细胞色素a的结构 CH=CH2 CH3 HO-CH O HC H3C NN NN Fe3+ CH3 COOH CH2 CH2 COOH CH2 CH2 CH3 CH2 ( CH2-CH=C-CH2 ) H 3 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 拆开和重组拆开和重组 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧 2. NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2 3. 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2 1.排列

15、顺序确排列顺序确 定的实验依据定的实验依据 (五五) 呼吸链成分的排列顺序呼吸链成分的排列顺序 4.两条呼吸链的排列顺序两条呼吸链的排列顺序 NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链 FMN (FeS) NADH 琥珀酸 FAD (FeS) CoQ Cyt bCyt c1Cyt cCyt aa3 O2 二、氧酸化二、氧酸化 (一一)氧酸化氧酸化 (oxidative phosphorylation) 是指是指在呼吸链电子传递过程中偶联在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，磷酸化， 生成生成ATP，又称为，又称为偶联磷酸化偶联磷酸化。 是底物分子内部能量重新分布是底物分子内部能量重新分布，生成

16、高能键生成高能键， 使使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程的过程。 (三三)底物水平磷酸化底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) (二二)P/O 比值比值 氧酸化过程中，每消耗氧酸化过程中，每消耗1摩尔无机磷原子数摩尔无机磷原子数 与所消耗的氧原子摩尔数之比即与所消耗的氧原子摩尔数之比即P/O比值比值。 (四四)氧酸化偶联部位氧酸化偶联部位 1.氧酸化偶联部位氧酸化偶联部位 复合体复合体、。 2.偶联部位的确定偶联部位的确定 根据根据P/O比值和自由能变比值和自由能变 化（化（G =-nFE ）。）。 线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值 底

17、底 物物呼呼吸吸链链的的组组成成P/O比比值值可可能能生生成成的的ATP数数 羟羟丁丁酸酸NAD + 复复合合体体CoQ复复合合体体2.42.82.5 Cytc复复合合体体O2 琥琥珀珀酸酸复复合合体体CoQ复复合合体体1.7 1.5 Cytc复复合合体体O2 抗抗坏坏血血酸酸Cytc复复合合体体O20.88 1 细细胞胞色色素素c (Fe 2+ ) 复复合合体体O20.610.68 1 - 电子传递链自由能变化 区段区段 电位变化电位变化 (E) 自由能变化自由能变化 G =-nFE 能否生成能否生成ATP ( G 是否大于是否大于30.5KJ) Cyt aa3O2 0.53V 102.3K

18、J/mol 能能 NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/mol 能能 CoQCyt c 0.21V 40.5KJ/mol 能能 ATP 氧酸化偶联部位 FMN (FeS) NADH 琥珀酸 FAD (FeS) CoQ Cyt bCyt c1Cyt cCyt aa3 O2 ATPATP 线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+ e- ADP + Pi ATP 化学渗透假说简单示意图 1. 化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时电子经呼吸链传递时，可将质子可将质子（H+）从线粒从线粒

19、体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子产生膜内外质子 电化学梯度储存能量电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱当质子顺浓度梯度回流时驱 动动ADP与与Pi生成生成ATP。 (五五) 氧酸化的偶联机理氧酸化的偶联机理 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 胞液侧 基质侧 + + + + + + + + + + - - - - 化学渗透假说详细示意图 4H+ 4H+ 4H+ 4H+ 2H+ 2H+ H+ H+ 2. ATP合酶合酶 由 亲 水 部 分由 亲 水 部 分 F1(

20、33 亚 基亚 基 ) 和 疏 水 部 分和 疏 水 部 分 F0(a1b2c9 12亚基 亚基) 组成组成。 ATP合酶结构模式图 基质侧 胞液侧 线粒体 内膜 F1 F0 当当H+回流时回流时， 亚基发生旋转亚基发生旋转， 3个个亚基的构象亚基的构象 改变改变，释放能量释放能量， 使使ADP生成生成ATP。 (一一) 胞胞浆中浆中NADH的氧化的氧化 胞浆胞浆中中NADH必必须经一定须经一定转运机制转运机制进入线粒进入线粒 体，再经呼吸链进行氧酸化。体，再经呼吸链进行氧酸化。 -磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭 (-glycerophosphate shuttle) 苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬

21、氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle) 转运机制转运机制 三、线粒体内膜的物质转运三、线粒体内膜的物质转运 1. - -磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制 FADH2 NADH+H+ NAD+ CH2OH C=O CH2OP CH2OH CH-OH CH2OP CH2OH C=O CH2OP CH2OH CH-OH CH2OP FAD 胞 浆 线粒体 外膜 线粒体 内膜 线粒体 基质 膜间隙 磷酸二羟磷酸二羟 - -磷酸甘油磷酸甘油 电子传递链 2. 苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭机制机制 谷氨酸谷氨酸 NADH+H+ NAD+ COCOOH (CH2)2COO

22、H CH2COOH 苹果酸苹果酸 CHOHCOOH CHNH2COOH (CH2)2COOH 谷氨酸谷氨酸 CHNH2COOH CH2COOH 天冬氨酸天冬氨酸 COCOOH CH2COOH 草酰乙酸草酰乙酸 -酮戊二酸酮戊二酸 CH2COOH 苹果酸苹果酸 CHOHCOOH COCOOH CH2COOH 草酰乙酸草酰乙酸 NADH+H+ NAD+ COCOOH (CH2)2COOH -酮戊二酸酮戊二酸 CHNH2COOH CH2COOH 天冬氨酸天冬氨酸 CHNH2COOH (CH2)2COOH 胞浆侧 线粒体 内膜 基质侧 苹果酸脱氢酶谷草转氨酶 -酮戊二酸转运蛋白酸性氨基酸转运蛋白 (二

23、二) ADP进入与进入与ATP移出移出 腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白参与参与ADP与与ATP反向转运反向转运。 H+ H2PO4- ADP3- H2O ATP4- 基质侧胞液侧 线粒体 内膜 磷酸盐磷酸盐 载体载体 腺苷酸腺苷酸 载体载体 H2PO4- H+ ADP3- ATP4- ATP、ADP、Pi的转运 四、影响氧酸化的因素四、影响氧酸化的因素 1. 呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂阻断呼吸链中某些部位电子传阻断呼吸链中某些部位电子传 递。如鱼藤酮、化物、递。如鱼藤酮、化物、CO等。等。 2. 解偶联剂解偶联剂 使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如 解偶联蛋白、解偶联蛋白

24、、2，4-二硝基酚。二硝基酚。 3. ATP合酶抑制剂合酶抑制剂对电子传递及对电子传递及ATP合酶均有合酶均有 抑制作用。如寡霉素。抑制作用。如寡霉素。 (一一)抑制剂抑制剂 氧酸化系统及抑制剂的影响 (二二)甲状腺激素甲状腺激素 使使ATP分解加速分解加速，Na+,K+ATP酶和解偶联蛋酶和解偶联蛋 白基因表达均增加白基因表达均增加。 (三三)ADP/ATP比值的调节比值的调节 1.比值增大比值增大，氧化加快氧化加快，ATP生成增加；比值生成增加；比值 减小氧化减慢减小氧化减慢，ATP生成减少生成减少。 2.呼吸控制率呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR)

25、 指离体线粒体实验中指离体线粒体实验中，底物量很大时底物量很大时，加入加入ADP后后 的耗氧速率与加入前的耗氧速率之比的耗氧速率与加入前的耗氧速率之比。 五、高能化合物的储存和利用五、高能化合物的储存和利用 2.高能化合物：高能化合物：含有高能键的化合物，如含有高能键的化合物，如ATP、 辅酶辅酶A、磷酸肌酸等。、磷酸肌酸等。 (一一)高能化合物高能化合物 1.高能键高能键 能释放大于能释放大于 21 KJ/mol 能量的化学键，能量的化学键， 如如高能硫酯键高能硫酯键和和高能磷酸键高能磷酸键，以以 “ ”表示”表示。 磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种储存形式。 肌酸激酶肌酸激酶 肌酸 N

26、H2 NH N COOH C H3C CH2 磷酸肌酸 N NH N COOH C H3C CH2 H P +ATP +ADP 几种常见的高能化合物 通通 式式举举 例例 释放能量释放能量pH7.0，25 KJ/mol(kcal/mol) NH RCN H PO3H2 CH2 RCOPO3H2 O RCOPO3H2 O RCSCoA PO OH P O OH O OH 磷酸肌酸 磷酸烯醇式酸 乙酰磷酸 乙酰CoA ATP,GTP,UTP,CTP -43.9(-10.5) -61.9(-14.8) -41.8(-10.1) -31.4(-7.5) -30.5(-7.3) (二二)ATP的生成和利

27、用的生成和利用 ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸 肌酸肌酸 氧酸化氧酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 P P 机械能机械能( (肌肉收缩肌肉收缩) ) 渗透能渗透能( (物质主动转运物质主动转运) ) 化学能化学能( (合成代谢合成代谢) ) 电能电能( (生物电生物电) ) 热能热能( (维持体温维持体温) ) 生物体内能量的储存和利 用都以ATP为中心。 (一一)加单氧酶加单氧酶(monoxygenase) 又称混合功能氧化酶又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase) 或羟化酶或羟化酶(hydroxylase)。催化的反应：催化的反应： RH + NADPH +

28、 H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O 上述反应需要上述反应需要细胞色素细胞色素P450 (Cyt P450)参与。参与。 一、微粒体中的氧化酶类一、微粒体中的氧化酶类 第三节 其他氧化酶系 (The Others Oxidation Enzyme Systems) 除生成ATP的线粒体氧化体系外，还 有微粒体、过氧化物酶体等氧化体系。 (二二)加双氧酶加双氧酶 此酶催化氧分子中的此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底个氧原子加到底 物中带双键的物中带双键的2个碳原子上。例如：个碳原子上。例如： (O2) 色氨酸吡咯酶色氨酸吡咯酶 色氨酸甲酰犬尿酸原 O NH2 N H NH O COOH NH2 CHO OH (一一)反应活性氧类反应活性氧类(reactive oxygen