第六章 生物氧化

生物氧化（biological oxidation）： 生物氧化是指物质在生物体内氧化的过程。（细胞呼吸） O2 糖、脂肪、蛋白质 CO2、H2O 释放能量，部分合成ATP

生物氧化与体外氧化的异同： 终末产物、释放总能量相同； 氧化方式与条件、能量释放方式不同。 生物氧化的方式： 加氧、脱氢、脱电子。 CO2的生成——有机酸脱羧； H2O的生成——代谢物氧化脱下的氢和电子经呼吸链传递给氧结合生成。 线粒体氧化伴有ATP生成。

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

第一节 生成ATP的氧化体系 一、呼吸链（respiratory chain）：各种递氢体和递电子体按照一定的顺序排列在线粒体内膜，通过一系列连锁进行的氧化还原反应将代谢物氧化脱下的氢和电子传递给氧生成水的过程。 递氢体和递电子体一般是线粒体内膜的一些传递氢和电子的酶或辅酶。

SH2 S ½ O2 2H++2e 2e O2-- 2H+ 呼 吸 链 能 量 H2O ADP ATP Pi

（一）呼吸链的组成： 四个线粒体内膜电子传递的酶复合体：

人线粒体呼吸链复合体 复合体 酶 名 称 多肽数 组 成 Ⅰ NADH-泛醌 39 黄素蛋白（ FMN） 还原酶 铁硫蛋白（Fe-S） Ⅱ 琥珀酸—泛醌 4 黄素蛋白（ FAD） Cyt b560（铁卟啉） Ⅲ 泛醌—Cyt C 10 Cyt b562、b566、c1 还原酶 （铁卟啉） 铁硫蛋白（Fe-S） Ⅳ CytC氧化酶 13 Cytaa3（铁卟啉、Cu）

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

☆复合体Ⅰ （ NADH-泛醌还原酶） ： 组成：黄素蛋白（辅基FMN）和铁硫蛋白 活性： NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2 还原型Fe-S 氧化型Fe-S Q QH2

NAD+（ NADP+ ） NADH+H+（ NADPH+H+ ） 脱氢酶辅酶。 NAD+（ NADP+ ） 氧化型 SH2 NADH+H+（ NADPH+H+ ） 还原型 S

H 磷酸化为NADP+

H+

H

2、黄素蛋白辅基FMN（黄素单核苷酸）： 脱氢酶辅基。 FMN (氧化型) SH2 FMNH2 ( 还原型) S

H 1 异咯嗪 H 2

3、铁硫蛋白： 辅基铁硫簇（iron-sulfur cluster，Fe-S） 含等量的Fe和S， S S S Fe Fe S S S Fe2S2

S Fe —S-CH2 CH2-S— S Fe S Fe CH2-S— S Fe —S-CH2 铁硫族（Fe4S4)

Fe-S的作用：传递电子 Fe2+ Fe3++e 在呼吸链中铁硫蛋白与黄素蛋白或细胞色素b形成复合体存在。

4、泛醌（ubiquinone，UQ，Q） 作用：递氢体。

☆复合体Ⅱ （琥珀酸-泛醌还原酶） 组成：黄素蛋白（辅基FAD ）、铁硫蛋白、细胞色素b560， 活性： 琥珀酸 Q 延胡索酸 QH2 FAD、 Fe-S、Cyt 、b560 FANH2

5、FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）： FAD （氧化型） SH2 FADH2 （还原型） S

H FADH2 H

6、细胞色素（cytochrome Cyt） 细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类。 细胞色素的作用：单电子传递体。 Cyt-Fe3+ + e Cyt-Fe2+ 根据吸收光谱的不同进行分类：

☆ Cyt a：a、a3，二者结合紧密，难以分开，称作Cyt aa3，是唯一能将电子传递给氧的细胞色素，含两个铁卟啉和两个Cu，Cu也参与电子传递。 Cu+ Cu2++e ☆ Cyt b：呼吸链 Cyt b包括b562、b566和b560 。

不同细胞色素的差别主要是铁卟啉的侧链和铁卟啉与蛋白质的连接方式不同 ☆ Cyt c：包括Cyt c和Cyt c1。 Cyt c1存在于复合体Ⅲ。 Cyt c 分子量小，与线粒体内膜结合疏松，易于分离，不包括在复合体中。 Cyt的辅基铁卟啉： 不同细胞色素的差别主要是铁卟啉的侧链和铁卟啉与蛋白质的连接方式不同

乙烯基被多聚异戊烯取代 甲基被 甲酰基 取代

非共价键结合蛋白半胱氨酸-SH

硫醚键与蛋白质相连

☆复合体Ⅲ（泛醌-Cyt c还原酶） 构成：Cytb562、b566 、Cyt c1、铁硫蛋白 作用： QH2 2Cyt c-Fe3+ Q 2Cyt c-Fe2+ 2H+ 2e Cytb562、b566 、 Fe-S 、 Cyt c1

组成：Cyta、a3，Cu 作用： CytC-Fe3+ 1/2O2 ☆复合体Ⅳ（细胞色素c氧化酶） CuA Cyta Cyta3 CuB

（二）呼吸链成分的排列顺序 两条氧化呼吸链： 琥珀酸、3-磷酸甘油、脂酰CoA FAD Fe-S，b560 苹果酸、异柠檬酸、β-羟丁酸等 NADH→FMN→Fe-S→Q→b562、b 566、Fe-S、C1 →C →aa3 →O2 苹果酸、异柠檬酸、β-羟丁酸等 琥珀酸氧化呼吸链 NADH氧化呼吸链 Cu

呼吸链成分排列顺序的依据： ⑴根据递氢体、递电子体的标准氧化还原电位（E0‘）的大小。 E0'越小，给出电子的倾向越大，在呼吸链中的位置越是远离氧， E0'越大，接受电子的倾向越大，在呼吸链中越接近氧。

⑶利用呼吸链特异抑制剂部分阻断电子传递。 ⑵体外将呼吸链拆开和重组可鉴定呼吸链 四种复合体的组成和排列顺序。 ⑶利用呼吸链特异抑制剂部分阻断电子传递。 鱼藤酮、异戊巴比妥 抗霉素A CO、CN-、 N3-、H2S NADH→FMN→Fe-S→Q→b562→b 566→Fe-S→C1 →C →aa3 →O2 ★阻断的上游递氢（e）体为还原型；下游为氧化型。

⑷利用呼吸链各组分特有的吸收光谱：离体线粒体，无氧而有过量底物（还原状态），缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序。 NAD+ 260nm NADH 340nm 氧化型FP 370和450nm 还原型 370nm 氧化型cyt 消失 还原型cyt 各有特殊 吸收光谱

二、氧化磷酸化（oxidative phosphrylation） 体内ATP的生成有两种方式： ★底物水平磷酸化：代谢物分子的能量直接转移给ADP（GDP）使之磷酸化为ATP（GTP）的过程。 ★氧化磷酸化：呼吸链传递电子的过程（氧化）中释放的能量使ADP磷酸化为ATP的过程。偶联磷酸化。

（一）氧化磷酸化偶联部位： 确定偶联部位的方法： 1、P/O比值： ★ P/O比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。 ★ P/O比值也就是ATP生成的mol数。 2H+1/2 O2（O）→H2O ADP+H3PO4 →ATP

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 ATP 比值 生成数 β-羟丁酸 NAD→FMN→Q→cyt→O2 2.4～2.8 3 琥珀酸 FAD→Q→cyt→ O2 1.7 2 抗坏血酸 cyt c →cytaa3→ O2 0.88 1 CytC-Fe2+ cytaa3 → O2 0.61～0.68 1

2、计算标准自由能变化（⊿G0'）： ★⊿G0'= -nF ⊿E0' n：传递电子数； F：法拉第常数（96.5kJ/mol.V）； ⊿E0'：半反应的标准电位变化 ★ADP+Pi→ATP ⊿G0'= 30.5kJ/mol 呼吸链传递电子，⊿G0‘﹥ 30.5kJ/mol的部位有氧化磷酸化的偶联，其余部位释放的能量以热形式散失。

电子传递链自由能变化

氧化磷酸化的偶联部位： ⊿G0'=69.5 ⊿G0'=40.5 ⊿G0'=102.3 Ⅱ Ⅲ

（二）氧化磷酸化的机制： 1、化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis）： ★呼吸链兼有H+泵作用（由内向外）； ★线粒体内膜跨膜【H+】梯度（内低外高）和跨膜电位差（内负外正）形成并储存了能量； ★ H+经ATP合酶的H+通道顺浓度梯度回流驱动ATP的合成。

复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ有质子泵作用

Fe-S Fe-S 线粒体基质 b566 b562 ½ O2+2H+ 胞液 a Cu a3 H2O NADH+H+ FMNH2 NAD+ QH2 2H+ 2e 线粒体基质 b566 b562 2H+ QH2 2H+ 2e Fe-S C1 ½ O2+2H+ 胞液 C a Cu a3 H2O

化学渗透假说详细示意图 - - - - - - - - - 胞液侧 Q H+ + + + + + + + + + + 延胡索酸 琥珀酸 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（ATP synthase） 复合体Ⅴ ☆F1（亲水部分）： 亚基组成-α3 β3 γδε。 β 催化ATP合成。 ☆F0（疏水部分）： a1b2c 9～12亚基组成，跨膜H+通道。 ☆F1 、F0之间的柄部存在寡霉素敏感蛋白（OSCP），结合寡霉素后抑制ATP合酶活性。

δ εγ a c b F1 F0

☆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。

三、影响氧化磷酸化的因素： （一）抑制剂： 呼吸链抑制剂：阻断呼吸链中某些部位电子传递的化合物。不同呼吸链抑制剂作用于呼吸链不同部位。 鱼藤酮、异戊巴比妥、粉蝶霉素A： 复合体Ⅰ的Fe-S； 抗霉素A、二巯基丙醇： 复合体Ⅲ Cytb→CytC1之间； CO、CN-、N3-、H2S ：Cytaa3

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

解偶联剂： ☆使氧化与磷酸化的偶联过程脱离。基本机制是破坏线粒体内膜两侧的电化学梯度。 ☆解偶联剂二硝基苯酚（DNP）。 ☆棕色脂肪组织（及肌肉等组织）线粒体内膜中存在的解偶联蛋白可在线粒体内膜形成H+通道； ☆FFA促进H+经解偶联蛋白通道向线粒体基质返流。

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

氧化磷酸化抑制剂：对电子传递和ATP合酶均有抑制。如寡霉素。

寡霉素

Cu2 鱼藤酮 抗霉素A CO、CN-、 异戊巴比妥 N3-、H2S H+m H+c H+m H+c H+m H+c H+m H+c NADH→FMN→Fe-S→Q→b562→b 566→Fe-S→C1 →C →aa3 →O2 Cu2 琥珀酸 FAD Fe-S， b560 H+m H+c H+m H+c H+m H+c H+m 跨膜电化学梯度 H+c 解偶联剂： 使H+c→H+m 寡霉素 F1F0OSCP 阻止H+回流 ADP+Pi ATP

加入底物： 耗氧量变化 不明显；加入ADP 耗氧量↑↑ 缺乏ADP时耗氧量低 继续加入 ADP，耗氧↑ 耗氧↓？ 耗氧↓？

（二）ADP的调节作用：使ATP的生成速度适应生理需要。 呼吸控制率（RCR）：加入ADP后的耗氧速率与仅有底物时的耗氧速率之比。作为观察氧化磷酸化程度的敏感指标。

（三）甲状腺素的作用 诱导Na+，K+--ATP酶的合成，促进ATP→ADP+Pi，ADP↑促进氧化磷酸化。 T3促进解偶联蛋白基因表达，引起耗氧和产热均增加。 （四）线粒体DNA（mtDNA）突变： 线粒体DNA编码13条呼吸链复合体多肽链、22tRNA基因、2rRNA基因。 mtDNA的突变可影响氧化磷酸化，ATP生成减少而致病。

四、ATP和高能化合物 （一）高能化合物：水解时释放能量较多（大于21KJ/mol）的化合物。习惯上认为高能化合物含有高能键（高能磷酸键、高能硫酯键）。 ATP是最重要的高能化合物 O- - - O- O- O-

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

ATP ADP （二）ATP的生成和利用 肌酸 磷酸 生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。 ~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) 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。

ATP通过氧化磷酸化和底物水平磷酸化生成。 ☆ATP+H2O→ADP+Pi ☆ATP+S→S-P+ADP ☆ATP+RCOOH+CoA→ RCO～SCoA+AMP+PPi

☆ ATP+ →ADP+ UDPGDPCDP UTP（糖原合成）GTP（蛋白合成）CTP（磷脂合成）

磷酸肌酸——肌肉和脑组织能量储存形式。 NH2 HN～P C=NH C=NH ATP+ H3C-N H3C-N +ADP CH2 CH2 COOH COOH 肌酸 磷酸肌酸 肌酸激酶

ADP 的利用： ATP消耗过多时 腺苷酸激酶 ADP+ADP AMP+ATP

五、通过线粒体内膜的物质转运 线粒体外膜通透性较高，允许分子量1000以内的物质通过。 线粒体内膜具有选择性通透性，主要依赖内膜中不同的转运载体转运物质。

线粒体内膜的主要转运蛋白

（一）胞液中NADH的氧化： 胞液中3-磷酸甘油等脱氢生成的NADH+H+在细胞有氧情况下进入线粒体氧化并产生ATP。 NADH +H+需经2种转运机制进入线粒体，再通过呼吸链进行氧化磷酸化。 1、α-磷酸甘油穿梭：主要存在于脑和骨骼肌。经此途径每1 NADH +H+氧化产生2ATP。

磷酸二羟丙酮 磷酸二羟丙酮 FAD α-磷酸甘油 α-磷酸甘油 NAD+ 呼吸链 NADH+H+ α-磷酸甘油 脱氢酶 FADH2 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：主要存在于肝和心肌。经此途径每1 NADH +H+氧化产生3ATP。

天冬氨酸 呼吸链 天冬氨酸 草酰乙酸 草酰乙酸 谷氨酸 NADH +H+ NADH +H+ α-酮戊二酸 α-酮戊二酸 NAD+ NAD+ 谷氨酸- 天冬氨酸 转运体 天冬氨酸 呼吸链 天冬氨酸 天冬氨酸 谷氨酸- 草酰乙酸 草酰乙酸 谷氨酸 NADH +H+ NADH +H+ 谷氨酸 线 粒 体 内 膜 谷草转 氨酶 苹果酸 脱氢酶 α-酮戊二酸 α-酮戊二酸 NAD+ NAD+ α-酮戊二酸 苹果酸 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 腺苷酸转运蛋白(adenine nucleotide transporter) 参与ADP与ATP反向转运。

ADP3- ADP3- ATP4- H+ H+ H2PO4- H2PO4- 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 90%以上的线粒体蛋白质由核DNA编码，线粒体外合成。 线粒体基质蛋白质的转运。 定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白经加工肽酶作用后暴露新的氨基端疏水肽段，引导多肽链重新穿过内膜，此疏水肽段被膜间隙的酶切除，才能形成成熟的蛋白质。

胞液 前体蛋白 解折叠酶使前体蛋白结构松散 受体 总插入蛋白 接触位点 加工肽酶去除前导序列 NH2 成熟的基质蛋白质 线粒体基质

第二节 其他氧化体系 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

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 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

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

需NADPH提供电子，黄素蛋白（辅基FAD）、铁氧还蛋白（辅基Fe-S）Cyt-P450传递电子。 四、微粒体氧化酶： 加单氧酶（混合功能氧化酶、羟化酶）： ☆利用氧分子在代谢物中加入一个氧原子； 需NADPH提供电子，黄素蛋白（辅基FAD）、铁氧还蛋白（辅基Fe-S）Cyt-P450传递电子。 ☆参与类固醇激素、胆汁酸及胆色素的生成和生物转化作用。 RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O

O2 RH.P450.Fe2+ ② ③ RH.P450.Fe2+.O2 RH.P450.Fe3+ FAD ① NADPH +H+ 2（Fe2S2）2+ 2e ④ RH NADP+ 2（Fe2S2）3+ FAD.2H RH.P450.Fe3+.O2- P450.Fe3+ H2O 2H+ RH.P450.Fe2+.O2- R-OH ⑤ ⑥

（二）加双氧酶：利用氧分子在代谢物中加入2个氧原子。 例 如： (O2) 色氨酸吡咯酶

复习思考题 1、物质在体内和体外氧化有何异同？ 2、何谓呼吸链？试述其组成和排列顺序。 3、试述ATP的生成方式、过程以及ATP的利用方式。 4、何谓穿梭系统？体内有哪些穿梭系统？各有何作用？ 5、过氧化氢酶、过氧化物酶、SOD、加单氧酶有何作用？辅助因子各有哪些？

6、呼吸链抑制剂、解偶联剂、氧化磷酸化抑制剂有何不同？代表性化合物各有哪些？ 7、有哪些方法可证明氧化磷酸化的偶联部位？ 8、解释名词： 生物氧化、呼吸链、氧化磷酸化、 P/O比值、呼吸控制率、底物水平磷酸化。 9、维生素在生物氧化中有哪些作用？