第八章 生物氧化 biological oxidation

本章主要内容 概述 生物氧化方式 线粒体氧化体系 生物氧化与能量代谢 非线粒体氧化体系

第一节 生物氧化概述

一、生物氧化概念、意义 H2O+CO2+能量 生物体 营养物 （糖、脂、蛋白质） [O] 意义 用于生命活动 用于维持体温

二、生物氧化特点 温和环境（37C°中性） 酶催化 逐步释放能量 有机酸脱羧生成 CO2 有机物脱氢经呼吸链生成 H2O

第二节 生物氧化方式

一、生物氧化中CO2的生成方式： 有机酸脱羧 α-单纯脱羧 H3C-C-COOH + HSCoA O= H3C-C-SCoA + CO2 NAD+ NADH + H+ 丙酮酸脱氢酶系 丙酮酸 乙酰CoA HOOCCH2-CH-COOH H3C-C-COOH + CO2 O= OH 苹果酸酶 NADP+ NADPH + H+ 苹果酸 丙酮酸 HOOCCH2-C-COOH O= H3C-C-COOH + CO2 丙酮酸羧化酶 草酰乙酸脱羧酶 草酰乙酸 丙酮酸 COOH R-CH-NH2 R-CH2-NH2 + CO2 氨基酸脱羧酶 α-氨基酸 胺 ※ 单纯脱羧 β-单纯脱羧 α-氧化脱羧 ※ 氧化脱羧 β-氧化脱羧

二、生物氧化中物质的氧化方式 加氧 脱氢 加水脱氢 -e 失电子 Fe2+ Fe3+ RCHO + 1/2O2 RCOOH -2H RCH2OH RCHO CH3CH OH +H2O -2H 加水脱氢 CH3CHO CH3COOH -e 失电子 Fe2+ Fe3+

第三节 线粒体氧化体系 (mitochondrion)

一、 呼吸链(respiratory chain) 线粒体内膜上一组排列有序的递氢体和递电子体（酶与辅酶）构成的功能单位，也称电子传递链(electron transport chain)

线粒体呼吸链复合体 FMN,Fe-S 复合体Ⅰ FAD, Fe-S,Cytb 复合体Ⅱ Cytb, Fe-S,Cytc1 复合体Ⅲ Cytaa3,Cu 复合体Ⅳ

二、呼吸链主要成分和作用 递氢体 递电子体 烟酰胺(nicotinamide)脱氢酶（NAD+、NADP+） 递氢体 递电子体 烟酰胺(nicotinamide)脱氢酶（NAD+、NADP+） 黄素蛋白(flavoprotein)（FMN、FAD） 铁硫蛋白(iron-sulfur cluster)（Fe-S） 泛醌(Ubiquinone)（CoQ） 细胞色素类(Cytochrome)（Cyt）

烟酰胺(nicotinamide)核苷酸类（NAD+、NADP+） 递氢体

黄素蛋白(flavoprotein)类（FMN、FAD） 递氢体

铁硫蛋白(iron-sulfur cluster) 递电子体 传递电子方式： Fe2+ Fe3+ + e-

泛醌 （CoQ） (Ubiquinone) 递氢体

细胞色素(Cytochrome)类 组成呼吸链的细胞色素: Cytb、 Cytc1、 Cytc、 Cytaa3 细胞色素氧化酶 递电子体 Fe2+ Fe3+ + e-

N Fe3+ H3C- -CH3 -CH-CH3 CH3 CH2 COO- Cys S H3C-CH 蛋 白 质 细胞色素c辅基

细胞色素系统传递电子的过程 2e 2e 2Fe2+ 2Fe3+ 2Fe2+ 2Fe3+ O2- H2O aa3、 b c1 c 1/2O2 Cu2+ 1/2O2 2Fe3+ 2Fe2+ 2Fe3+ 2Fe2+ 2e 2e 2e

三、呼吸链主要成分的排列顺序 体内的两条呼吸链： NADH氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）

NADH FMN Q10 Cytb Cytc1 Cytc aa3 (Fe-S) (Fe-S) 琥珀酸 FAD.H2 (Fe-S) 2H 2H 2H 2H NADH FMN Q10 Cytb Cytc1 Cytc aa3 (Fe-S) (Fe-S) 2e 2e 2e 2e 2e 2H+ O2 1 2 O2- H2O

线粒体呼吸链复合体 FMN,Fe-S 复合体Ⅰ FAD, Fe-S,Cytb 复合体Ⅱ Cytb, Fe-S,Cytc1 复合体Ⅲ Cytaa3,Cu 复合体Ⅳ

四、胞液中的NADH的氧化 胞液中生成的NADH不能自由通透线粒体内膜，必须经过转运机制进入线粒体 1、α-磷酸甘油穿梭作用（神经组织和骨骼肌） 2、苹果酸-天冬氨酸穿梭作用（肝和心肌）

磷酸甘油穿梭机制示意图 2ATP 2H α-磷酸甘油穿梭 2ATP 神经组织和骨骼肌

苹果酸—天冬氨酸穿梭 3ATP 2H 苹果酸-天冬氨酸穿梭 3ATP 肝和心肌

第四节 生物氧化与能量代谢 biological oxidation and bioenergetics

营养物质的氧化分解过程 糖原 脂肪 蛋白质 Ⅰ 葡萄糖 脂肪酸 氨基酸 甘油 Ⅱ 乙酰辅酶A Ⅲ TCA 2H 1/2O2 ADP Pi 糖原 脂肪 蛋白质 Ⅰ 葡萄糖 脂肪酸 氨基酸 甘油 Ⅱ 乙酰辅酶A Ⅲ TCA 2H 1/2O2 ADP Pi ATP H2O

一、高能化合物的种类 水解时释放的自由能 ＞ 30 KJ/mol 的化合物 ATP ADP 高能磷酸化合物 高能硫脂化合物 COOH C-O～P CH2 = ATP ADP 高能磷酸化合物 高能硫脂化合物 CH3CO～SCoA

二、高能磷酸化合物ATP的形成

ATP的生成方式 1、底物水平磷酸化 2、氧化磷酸化 substrate level phosphorylation oxidative phosphorylation CHO CH2OH CH2O-P COO ～ P COOH NAD+ NADH+H+ H3PO4 ADP ATP

氧化磷酸化偶联部位确认 计算各阶段释放的自由能来推测 P/O比值的测定 每消耗1mol原子氧时ADP磷酸化摄取无机磷酸 的摩尔数（即合成的ATP的摩尔数）

线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值 呼吸链的组成 P/O比值 生成ATP数 β-羟丁酸 NAD+→FMN→Q→Cytb→c1 → c→aa3 → O2 2.4~2.8 3 琥珀酸 FAD→Q→Cytb→c1 → c→aa3 → O2 1.7 2 抗坏血酸 Cytc→Cytaa3→O2 0.88 1 Cytc（Fe2+） Cytaa3→O2 0.61~0.68 呼吸链偶联部位：NADH→Q、Q→Cytc、Cytaa3→O2

氧化磷酸化产生ATP的偶联部位 ~P ~P ~P 底物（琥珀酸） FAD （Fe-S） 底物 NAD FMN Q b c1 c aa3 O2 ADP ATP ADP ATP ADP ATP

三、氧化磷酸化作用机理 （一）线粒体(mitochondrion)结构 线粒体内膜和脊上有许多球状小体突出： ATP合成酶系

Ⅰ Ⅲ Ⅳ

四、影响氧化磷酸化的因素 抑制剂（inhibitor） ADP的调节 甲状腺素（thyroxine）的调节 线粒体（mitochondrial）DNA突变（mutation）

（一）抑制剂——呼吸链抑制 机理：阻断氢与电子的传递 NADH FMN Q b c1 c aa3 O2 Fe-S 阿米妥 抗霉素A CN、N3- 鱼藤酮 CO、H2S

（一）抑制剂——解偶联剂 常见解偶联剂：2，4-二硝基苯酚（DNP） 作用机理：破坏内膜两侧的电化学梯度而使氧 化磷酸化偶联脱离。 氧化照常进行，ATP不能生成。

（二）ADP的调节 ADP/ATP↑：氧化磷酸化↑ ADP/ATP↓：氧化磷酸化↓

（三）甲状腺素的调节 （thyroxine） 甲状腺素 诱导 Na+-K+-ATP酶生成 ATP水解↑ 氧化磷酸化↑ ATP合成↑ 耗氧量和产热量↑

（四）线粒体DNA突变 （mitochondrial DNA） mtDNA编码呼吸链复合体的多肽链及蛋白质 mtDNA突变 影响氧化磷酸化 ATP生成减少 mtDNA病 聋、盲、痴呆、肌无力、糖尿病

五、ATP利用

ATP的生成和利用 机械能（肌肉收缩） 化学能（合成代谢） 渗透能（吸收分泌） 电能（神经传导生物电） 热能（维持体温）等 代谢物 ATP 热能（散发） 分解氧化 C 能 能 C~P 化学能 （储能） ADP + CO2 H2O Pi

高能键转移 UDP CDP GDP UTP（糖原合成） CTP（磷脂合成） GTP（蛋白质合成） ATP + ADP +

磷酸肌酸的生成 H2N+ C-NH2 H3C-N CH2 COO- H2N+ H O C-N~P-OH H3C-N OH CH2 COO- ATP ADP 肌酸激酶 肌酸 磷酸肌酸（CP） 肌肉和脑组织中能量的贮存形式