第6章　生物氧化 Biological oxidation 主讲老师：王玉

概述 *生物氧化的概念 糖 脂肪 ADP+Pi 蛋白质 能量 ATP 热能 概述 　 *生物氧化的概念 营养物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内氧化分解最终生成CO2 和 H2O，并释放能量的过程。 糖 脂肪 蛋白质 CO2和H2O O2 能量 ADP+Pi ATP 热能

* 生物氧化的一般过程 乙酰CoA 氧化磷酸化 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 三羧酸循环 CO2 ADP+Pi ATP 2H H2O 呼吸链

*生物氧化的特点 生物氧化与体外氧化之相同点 生物氧化遵循氧化还原反应的一般规律； 物质在体内外氧化时耗氧量、终产物（CO2, H2O）和释放总能量均相同

生物氧化与体外氧化之不同点 生物氧化 体外氧化 是在细胞内温和的环境中（体温，近中性pH，有水），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放； 底物脱氢，经一系列反应与氧结合生成H2O，有机酸脱羧生成CO2。 能量突然释放。 产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。

6.1 生成ATP的氧化磷酸化体系 6.1.1 呼吸链（respiratory chain） 在线粒体内膜上由递氢体和递电子体按一定的顺序排列，能将氢传递给氧生成水的氧化还原体系也称电子传递链（electron transfer chain）。 组 成：递氢体、电子传递体

* 泛醌 和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。 6.1.1.1　氧化呼吸链由4种复合体组成 复合体 酶名称 复合体Ⅰ NADH-泛醌还原酶 复合体Ⅱ 琥珀酸-泛醌还原酶 复合体Ⅲ 细胞色素b-c1还原酶 复合体Ⅳ 细胞色素c氧化酶 * 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 基质侧 线粒体内膜 Cytc Ⅲ Ⅰ Ⅱ Ⅳ Q

6.1. 1.2　复合体的主要组分 构成呼吸链的递氢体和电子传递体主要分为五类： 1．尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）或称辅酶I（CoI） 　　为体内很多脱氢酶的辅酶，是连接代谢物与呼吸链的重要环节；分子中含尼克酰胺（即维生素PP） ,参与递氢作用。

2．黄素蛋白 　　黄素蛋白辅基有两种，一种为黄素单核苷酸（FMN），另一种为黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），两者均含核黄素（即维生素B2），在FAD、FMN分子中的异咯嗪环部分可以进行可逆的脱氢加氢反应。 FMN FMNH FMNH2

3． 铁硫蛋白 　　是存在于线粒体内膜上的一类与传递电子有关的蛋白质，其特点是铁硫蛋白中辅基铁硫簇（Fe-S）含有铁原子和硫原子。 铁硫蛋白由于铁的氧化、还原而达到传递电子作用。 Fe2+ Fe3+ +e -e

4．泛醌（ubiquinone,UQ或Q）亦称辅酶Q 为一脂溶性醌类化合物，带有一很长的侧链，由多个异戊二烯（isoprene）单位构成。 泛醌 泛醌H· 二氢泛醌

5． 细胞色素体系（cytochromes，cyt） 特 点：是一类含有铁卟啉辅基的蛋白，属于递电子体， 均有特殊吸收光谱而呈现颜色。 分 类：根据吸收光谱不同，参与呼吸链组成的细胞色素有 Cyta、 Cytb、Cytc三类。 线粒体内膜中有细胞色素b（b562，b566）、c1、c、a、a3。 　　细胞色素的铁卟啉辅基所含铁原子可有Fe2+←→Fe3++e的互变，因此起到传递电子的作用。

6.1.1.3　呼吸链组分的排列顺序

实验依据： 1．根据呼吸链各组分的氧化还原电位，由低到高的排列顺序（电位低，容易失去电子）。 2．利用呼吸链各组分特有的吸收光谱。 3．利用特异的抑制剂阻断某一组分的电子传递，在阻断部位以前的组分处于还原状态，后面组分处于氧化状态。 4．体外重组呼吸链，鉴定四种复合体的组成和排列。

6.1.1.4　主要的呼吸链 两条氧化呼吸链 1.NADH氧化呼吸链： 　　　由复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成。 2.琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）: 　　　由复合体Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成。 NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2 琥珀酸 →复合体Ⅱ →Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2

FADH2氧化呼吸链 NADH氧化呼吸链

6.1.2　氧化磷酸化 概念： 代谢物脱下的氢经呼吸链传递生成水，同时逐步释放能量使ADP磷酸化生成ATP的过程称氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）。

生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心 糖 脂肪 蛋白质 CO2和H2O O2 能量 ADP+Pi ATP 热能

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)与脱氢反应偶联，生成底物分子的高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。不经电子传递。

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

1．P/O 比值测定：物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数。 β-羟丁酸 抗坏血酸 细胞色素C（Fe2+） P/O=2.4~2.8 生成3ATP P/O=1.7 生成2ATP P/O=0.88 生成1ATP

2．计算各阶段所释放的自由能 NAD+~CoQ 0.33V 63.7KJ/mol 能 自由能变化 能否生成ATP 区段 电位变化 ⊿G°′=-nF⊿E°′ 能否生成ATP （⊿G°′是否大于30.5KJ） 区段 电位变化 （⊿E°′） NAD+~CoQ 　　　　0.33V　　　　63.7KJ/mol　　　　　　能 CoQ~Cytc　　　　0.31V　　　　59.8KJ/mol　　　　　　能 Cytaa3~O2　　　　　　0.58V　　　　110KJ/mol　　　　　　能 ATP

6.1.2.3　氧化磷酸化的偶联机制 化学渗透假说（chemiosmotic theory） 　　电子经呼吸链传递时，释放的能量可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧，产生膜内外电化学梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差）。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP 。

- - - - - - - - - 电子传递过程复合体Ⅰ (4H+) 、Ⅲ (4 H+)和Ⅳ (2H+)有质子泵功能。 胞液侧 Ⅱ Ⅳ F0 F1 Cyt c Q + + + + + + + + + + - - - - - - - - - H+ NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 基质侧 ADP+Pi ATP

ATP合酶 F1：亲水部分 （α3β3γδε亚基复合体，OSCP、IF1 亚基），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。 F0：疏水部分（ab2c9~12亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道 。

ATP合酶的工作机制 ATP合成的结合变构机制(binding change mechanism) 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

6.1.3 氧化磷酸化抑制剂 1．呼吸链抑制剂:阻断呼吸链中的电子传递过程 CO、CN-、 N3-及H2S 抗霉素A 二巯基丙醇 × × × 6.1.3 　氧化磷酸化抑制剂 1．呼吸链抑制剂:阻断呼吸链中的电子传递过程 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

2．解偶联剂 　　　　—— 破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度 特点：电子传递过程不受抑制； 　　　ADP的磷酸化受到抑制。 　　　由电化学梯度储存的能量以热能形式释放。 举例: 　　　二硝基苯酚　　解偶联蛋白

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

3．ATP合酶抑制剂： 　　对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用 例：寡霉素（oligomycin） 结合于ATP合酶F0亚基 的寡霉素敏感蛋（OSCP） 寡霉素

6.1.4　ATP在能量的生成、利用、转移和储存中 起核心作用

体内化合物的高能键形式主要有二类： 高能磷酸键：如三磷酸腺苷―ATP ~ 高能硫酯键：如乙酰CoA CH3−C~SCoA O =

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

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。

ATP ADP ATP的生成和利用（ATP循环） 肌酸 磷酸 ~P 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 ~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

6.1.5　线粒体内膜对各种物质进行选择性转运 　　胞液中生成的NADH（如3-磷酸甘油醛脱氢反应，乳酸脱氢反应等）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（glycerophosphate shuttle） 　　苹果酸-天冬氨酸穿梭（malate-asparate shuttle）

1．α-磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中

2．苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中

小结 2H 氢是如何氧化的 ATP是如何生成的 A AH2 脱氢酶 NADH+H+ （或FADH2 ） NAD+ （或FAD ） 呼吸链 ADP+Pi ATP 1/2O2 H2O 氧化过程 磷酸化过程 氧化磷酸化

6.2　其他不生成ATP的氧化体系 　　线粒体外（如内质网、微粒体等）的氧化不伴有ATP的生成，主要与药物、毒物或代谢物的生物转化有关