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

* 概 念 物质在生物体内进行氧化称生物氧化，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。此过程需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称细胞呼吸(cellular respiration)。

* 生物氧化与体外氧化相同点 氧化方式 消耗氧量、终产物（CO2，H2O）、释放的能量

生物氧化 反应条件：在细胞内温和的环境中 一系列酶促反应逐步进行 能量逐步释放有利于ATP生成 进行广泛脱氢反应 脱下的氢与氧结合产生H2O 有机酸脱羧产生CO2 生物氧化

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

一、ATP 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

ATP + UDP ADP + UTP ATP + CDP ADP + CTP ATP + GDP ADP + GTP 核苷二磷酸激酶 磷酸肌酸作为肌和脑组织 的一种能量贮存形式

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。

二、氧化磷酸化 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。 (oxidative phosphorylation) 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。

（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，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratory chain)，又称电子传递链(electron transfer chain)。 2H  2H+ + 2e

1、 呼 吸 链 的 组 成

四种具有传递电子功能的酶复合体(complex) * 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

胞液侧 线粒体 内膜 基质侧

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

泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）

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

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。

2、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 ② 拆开和重组 ③ 特异抑制剂阻断 ④ 还原状态呼吸链缓慢给氧

NADH氧化呼吸链 FADH2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

电子传递链

（二）氧化磷酸化偶联部位

电子传递链自由能变化 氧化磷酸化偶联部位 ATP ATP ATP

1. 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) （三） 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

2. ATP合酶 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

（四）影响氧化磷酸化的因素 1. 抑制剂 ◆ 呼吸链抑制剂 ◆ 解偶联剂 ◆ 氧化磷酸化抑制剂

各种呼吸链抑制剂的阻断位点

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）

寡霉素(oligomycin) 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 Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。

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+

三、通过线粒体内膜的物质转运

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

1. α-磷酸甘油穿梭机制

2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制

（二）腺苷酸转运蛋白 (adenine nucleotide transporter) 参与ADP与ATP 反向转运

（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。

（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