生 物 氧 化 Biological Oxidation 第 六 章 生 物 氧 化 Biological Oxidation

* 生物氧化的概念 物质在生物体内进行的氧化称生物氧化，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。又称为细胞呼吸。 糖 脂肪 蛋白质 O2 CO2和H2O ADP+Pi 能量 ATP 热能

* 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。

* 生物氧化与体外氧化之不同点 生物氧化 体外氧化 是在高温高压干燥强酸强碱环境中进行的，同时发光发热；突然连续释放能量，释放的能量几乎以热能的形式散发 产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。 是在细胞内恒温恒压pH近中性的水环境中，在一系列酶促反应逐步进行，能量逐级释放有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。 进行广泛的加水脱氢反应使物 质间接获得氧，并增加脱氢的 机会；脱下的氢最终与氧结合 产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。

* 生物氧化的一般过程 乙酰CoA TAC 糖原 三酯酰甘油 蛋白质 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 CO2 ADP+Pi ATP 2H H2O 呼吸链

第一节 生成ATP的氧化体系 The Oxidation System of ATP Producing

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，这一系列酶和辅酶所组成的氢原子传递链称为呼吸链(respiratory chain)又称电子传递链(electron transfer chain)。 组成 递氢体和电子传递体（2H  2H+ + 2e）

（一）呼吸链的组成 四种具有传递电子功能的酶复合体(complex) 人线粒体呼吸链复合体 * 泛醌 和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。

呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置

Cytc e- 胞液侧 Ⅲ Q 线粒体内膜 Ⅱ Ⅳ Ⅰ 延胡索酸 琥珀酸 基质侧 NADH+H+ NAD+ 1/2O2+2H+ H2O

1. 复合体Ⅰ: NADH-泛醌还原酶 功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone) 复合体Ⅰ NADH→ →CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2

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。 作用：传递一个H和一个e，一般称为递氢体。

FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环的N1和N10，氧化还原反应时，可产生不稳定的中间产物是FMN• 。作用：传递2个H原子，为递氢体。

铁硫蛋白(Fe-S)中辅基铁硫簇含有非血红素铁原子和对酸不稳定的硫原子，其中铁原子可进行Fe2+  Fe3++e 反应传递电子，其作用为单电子递体。 Ⓢ 表示无机硫

铁硫蛋白 S 无机硫 半胱氨酸硫

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，再接受一个电子和一个质子，还原成二氢泛醌，其作用为递氢体。

NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2 还原型Fe-S 氧化型Fe-S Q QH2 复合体Ⅰ的功能

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 复合体Ⅱ 琥珀酸→ →CoQ 功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体Ⅱ 琥珀酸→ →CoQ Fe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3

细 胞 色 素 细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，为单电子递体。根据它们吸收光谱不同而分类。

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Ⅲ QH2→ →Cyt c b562; b566; Fe-S; c1

其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。 复合体Ⅳ 还原型Cyt c → → O2 CuA→a→a3→CuB 其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。

（二）呼吸链成分的排列顺序 由以下实验确定： ① 标准氧化还原电位 ：由低到高的顺序排列 。 ① 标准氧化还原电位 ：由低到高的顺序排列 。 ② 在体外将呼吸链拆开和重组，鉴定四种复合物的组成与排列。 ③ 利用呼吸链特异的抑制剂阻断某一个组分的电子传递，在阻断部位以前的组分处于还原态，后面的组分处于氧化态。每个组分的氧化和还原态吸收光谱不同，根据其变化进行确定。 ④ 还原状态呼吸链缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序。

1. NADH氧化呼吸链 2. 琥珀酸氧化呼吸链 NADH →复合体Ⅰ→CoQ →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2

NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链

电子传递链

二、氧化磷酸化 * 定义 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP的过程，又称为偶联磷酸化。 底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。

（一）氧化磷酸化偶联部位 氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ 可根据自由能变化和P/O比值确定其偶联部位 ⊿Gº'=-nF⊿Eº' P/O比值：物质氧化时,每消耗1mol原子氧所消耗无机磷mol原子数（或ADPmol数），即生成ATP的mol数。

电子传递链自由能变化 氧化磷酸化偶联部位 ATP ATP ATP

（二） 氧化磷酸化的偶联机理 1. 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 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。

化学渗透假说简单示意图 线粒体基质 线粒体膜 ADP + Pi ATP O2 H2O H+ e- H+ + + + + - - - -

化学渗透假说 目 录

化学渗透假说详细示意图 - - - - - - - - - 胞液侧 + + + + + + + + + + Q 基质侧 H+ Ⅲ Ⅰ Ⅱ Ⅳ F0 F1 Cyt c Q + + + + + + + + + + - - - - - - - - - H+ 延胡索酸 琥珀酸 NADH+H+ NAD+ 1/2O2+2H+ H2O 基质侧 ADP+Pi ATP

2. 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

三、影响氧化磷酸化的因素 （一）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 使氧化与磷酸化偶联过程脱离。 如：解偶联蛋白 3. 氧化磷酸化抑制剂 对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。 如：寡霉素

各种呼吸链抑制剂的阻断位点 CO、CN-、 N3-及H2S 抗霉素A 二巯基丙醇 × × × 鱼藤酮 粉蝶霉素A 异戊巴比妥

不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响

解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体） 热能 H+ 胞液侧 Ⅳ Cyt c 解偶联 蛋白 Ⅰ Ⅲ F0 F1 Q Ⅱ 基质侧 ADP+Pi ATP

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的调节作用 （三）甲状腺激素 （四）线粒体DNA突变 呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR)：用离体线粒体进行实验，当有过量底物存在时，加入ADP后的耗氧速率与仅有底物时的耗氧速率之比。是氧化磷酸化偶联程度的一个敏感指标。 （三）甲状腺激素 Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。 （四）线粒体DNA突变 与线粒体DNA病及衰老有关。

电子传递链及氧化 磷酸化系统概貌 ΔμH+ 跨膜质子电化学梯度；H+m内膜基质侧H+；H+c 内膜胞液侧H+ 目 录

四、ATP 高能磷酸键与高能磷酸化合物 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 除此之外还有其他的高能化合物如乙酰辅酶A、酯酰辅酶A等。

核苷二磷酸激酶的作用 ATP + UDP ADP + UTP ATP + CDP ADP + CTP ATP + GDP ADP + GTP 腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP

磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。 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。

生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。 肌酸 磷酸 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) ADP 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。

五、通过线粒体内膜的物质转运 线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。

线粒体内膜的主要转运蛋白

（一） 胞浆中NADH的氧化 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。 转运机制主要有 α-磷酸甘油穿梭 (α-glycerophosphate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)

1. α-磷酸甘油穿梭机制

NADH+H+ 磷酸二羟丙酮 呼吸链 α-磷酸甘油 脱氢酶 FADH2 FAD α-磷酸甘油 NAD+ 线粒体 外膜 线粒体 内膜 线粒体 基质 膜间隙

2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制

呼吸链 NADH +H+ NAD+ NADH +H+ 线 粒 体 内 膜 NAD+ 胞液 基质 谷氨酸- 天冬氨酸 转运体 天冬氨酸 草酰乙酸 谷草转 氨酶 谷氨酸 苹果酸 脱氢酶 NADH +H+ NAD+ NADH +H+ 线 粒 体 内 膜 α-酮戊二酸 NAD+ 苹果酸 苹果酸-α-酮 戊二酸转运体 胞液 基质

（二） 腺苷酸转运蛋白

H+ ADP3- ADP3- ATP4- H+ H2PO4- H2PO4- ATP4- F0 F1 胞液侧 基质侧 腺苷酸 转运蛋白 磷酸 ATP4-

（三）线粒体蛋白质的跨膜转运 外膜表面解折叠 → 被位于外膜上的受体识别 → 转移到总插入蛋白 → 从氨基端开始通过线粒体内、外膜之间的接触位点 → 进入线粒体基质 → 切除导向序列

第二节 其他氧化酶系 The Others Oxidation Enzyme Systems 第二节 其他氧化酶系 The Others Oxidation Enzyme Systems

一、需氧脱氢酶和氧化酶

二、过氧化物酶体中的酶类 （一）过氧化氢酶(catalase) 又称触酶，其辅基含4个血红素 2H2O2 2H2O + O2 过氧化氢酶

（二）过氧化物酶(perioxidase) 以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物 R + H2O2 RO + H2O RH2+ H2O2 R + 2H2O 过氧化物酶

SOD：超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase) 三、超氧化物歧化酶 反应氧族 超氧离子(O2﹣)、H2O2、羟自由基(•OH)的统称。 SOD 2O2﹣+ 2H+ H2O2 + O2 过氧化氢酶 H2O + O2 SOD：超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase)

3. 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶 * 此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤 H2O2 (ROOH) NADP+ 2G –SH 3. 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶 H2O2 (ROOH) 2G –SH NADP+ 谷胱甘肽过氧化物酶 谷胱甘肽还原酶 H2O (ROH+H2O) G –S – S – G NADPH+H+ * 此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤

四、微粒体中的酶类 （一）加单氧酶(monoxygenase) * 催化的反应： RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O 故又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase) 或羟化酶(hydroxylase)。 上述反应需要细胞色素P450 (Cyt P450)参与。

目 录

（二）加双氧酶 此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底物中带双键的2个碳原子上。 例 如： (O2) 色氨酸吡咯酶