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

第一节 概 述 1. 生物氧化的概念 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。 糖 脂肪 蛋白质 第一节 概 述 1. 生物氧化的概念 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。 糖 脂肪 蛋白质 CO2和H2O O2 能量 ADP+Pi ATP 热能

2. 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。 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。

3. 生物氧化与体外氧化之不同点 生物氧化 体外氧化 能量是突然释放的。 产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。 是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放有利于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 质能间接获得氧，并增加脱氢 的机会；脱下的氢与氧结合产 生H2O，有机酸脱羧产生CO2。

3. 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 阶段II 乙酰CoA TAC CO2 ADP+Pi ATP 2H H2O 呼吸链 阶段III

第二节 线粒体氧化体系 The Oxidation System of ATP Producing

线粒体立体图

生物体内的动力厂:线粒体

一、呼吸链或电子传递链 1.定义 位于线粒体内膜、按一定顺序排列的、传递电子的蛋白质复合体,称为呼吸链(respiratory chain)又称电子传递链(electron transfer chain)。 蛋白质复合体：递氢体和电子传递体（2H  2H+ + 2e） ！！！

2. 呼吸链的组成 复合体 多肽链数 酶名称 辅基 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 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ NADH - 泛醌还原酶 琥珀酸 泛醌 细胞色素 C 还原酶 c 氧化酶 辅基 FMN ， Fe S FAD 铁卟啉， Cu 多肽链数 39 4 10 13 * 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+

铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+  Fe3++e 反应传递电子。 ）。                                                                                                         

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。

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铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，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→ →Cytc 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。

3 呼吸链成分的排列顺序 NADH氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链 NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2 3 呼吸链成分的排列顺序 NADH氧化呼吸链 NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 →复合体Ⅱ →Q →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，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。

1 氧化磷酸化偶联部位 氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ 根据自由能变化和P/O比值 ⊿Gº'=-nF⊿Eº'

电子传递链自由能变化 氧化磷酸化偶联部位 Cyt aa ~O 0.53V 102.3KJ/mol 能 NAD ~CoQ 区段 电位变化 ( ⊿ E º ′ ) 自由能变化 G = - nF 能否生成 ATP 是否大于30.5KJ Cyt aa 3 ~O 2 0.53V 102.3KJ/mol 能 NAD + ~CoQ 0.36V 69.5KJ/mol CoQ~Cyt c 0.21V 40.5KJ/mol 氧化磷酸化偶联部位 ATP ATP ATP

2 氧化磷酸化的偶联机理 ① 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 2 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 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

化学渗透学说

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

3 影响氧化磷酸化的因素 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。 3 影响氧化磷酸化的因素 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 解偶联剂:电子传递链正常,所释放的能量不能合成ATP;抑制剂:电子传递链被打断.

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

4、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

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。

三、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)

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

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

第三节 非线粒体氧化体系 The Others Oxidation Enzyme Systems 自学 第三节 非线粒体氧化体系 The Others Oxidation Enzyme Systems 自学

一、需氧脱氢酶和氧化酶 受 氢 体 辅 酶 （ 基 ） 产 物 不 需 氧 脱 O 2 FMN 或 FAD H 化 含 Cu H

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) NADP+ 2G –SH 谷胱甘肽过氧化物酶 谷胱甘肽还原酶 H2O (ROH+H2O) NADPH+H+ G –S – S – G * 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

思考题 1. 何为生物氧化(biological oxidation) ？有何特点？分几个阶段？ 2. 何为电子传递链(respiratory chain) ,其组成及排列顺序如何？ 3. 分子NADH+H+通过氧化磷酸化可以产生几分子ATP? 4. 何为氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）?底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation） 5. 何为磷氧比P/O（P/O） 6. 常见的电子传递抑制剂有哪些？它们的作用机制是什么? 7. 氰化物为什么能引起细胞窒息死亡？ 8. 1分子的NADH+H+经过电子传递链可以产生几分子的ATP? 9. 在体内ATP有哪些生理作用？ 10.为什么给小鼠注射2,4-二硝基苯酚（DNP）后,其体温升高. 11.什么是铁硫蛋白？其生理功能是什么？ 12. 何为能荷？能荷与代谢调节有什么关系？ 13. 氧化作用和磷酸化作用是怎样偶联的？化学渗透假说主要说明什么问题?