生物氧化新书

1、1 主主 要要 内内 容容 概述概述 线粒体氧化体系线粒体氧化体系 生物氧化与能量代生物氧化与能量代 谢谢 非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系 2 第一节第一节 概述概述 一、生物氧化概念一、生物氧化概念 H2O+CO2+能量能量 生物体内生物体内 营养物营养物 （糖、脂、蛋白质）（糖、脂、蛋白质） O 意义意义： 提供各种生命活动所需能量提供各种生命活动所需能量, 及及 维持体温。维持体温。 3 二、生物氧化的特点二、生物氧化的特点 生物氧化生物氧化 体外燃烧体外燃烧 温和环境（温和环境（3737C C近近中性）中性） 条件剧烈，高温、高压条件剧烈，高温、高压 需需酶催化酶催化 不需酶催化不需

2、酶催化 C CO O2 2是是有机酸脱羧生成有机酸脱羧生成的的 碳和氧直接化合生成碳和氧直接化合生成COCO2 2 有机物脱下的氢有机物脱下的氢, ,经呼吸链生成经呼吸链生成H H2 2O O 氢和氧直接反应形成氢和氧直接反应形成H H2 2O O 逐步释放能量逐步释放能量并形成并形成ATP ATP 能量以光和热形式骤然放出能量以光和热形式骤然放出 4 糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP * 生物氧化的一般过程 5 三、三、 生物氧化的方式生物氧化的方式 （一）（一） CO2的生成的生

3、成 (体内体内CO2是有机酸在酶的催化下脱羧产生是有机酸在酶的催化下脱羧产生 的的) COOH R-CH-NH2 R-CH2-NH2 + CO2 氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶 -氨基酸氨基酸 胺胺 1. -单纯脱羧单纯脱羧 6 H3C-C-COOH + HSCoA O= H3C-C-SCoA + CO2 O= NAD+NADH + H+ 丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系 丙酮酸丙酮酸 乙酰乙酰CoA 2. 2. 氧化脱羧氧化脱羧 7 HOOCCH2-C-COOH O= H3C-C-COOH + CO2 O= 丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶 草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸脱羧酶 草酰乙酸草酰乙酸 丙酮酸丙酮酸 3.

4、单纯脱羧单纯脱羧 8 4. 氧化脱羧氧化脱羧 HOOCCH2-CH-COOHH3C-C-COOH + CO2 O= OH 苹果酸酶苹果酸酶 NADP+NADPH + H+ 苹果酸苹果酸 丙酮酸丙酮酸 9 （二）（二） H20的生成的生成 代谢物（代谢物（AH2） 2H 2H (酶与辅酶酶与辅酶) 一系列中间传递体一系列中间传递体 O2 H2O 10 第二节第二节 线粒体氧化体系线粒体氧化体系 一、一、 呼吸链呼吸链 是定位在线粒体是定位在线粒体 内膜上内膜上的一组排列有的一组排列有 序的递氢体和递电子序的递氢体和递电子 体体(酶与辅酶酶与辅酶)构成的构成的 链状传递体系链状传递体系, 也称也称

5、 电子传递链电子传递链。 （respiratory chain） 11 (一一) 呼吸链主要成员及其作用呼吸链主要成员及其作用 烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类及其辅酶（及其辅酶（NAD+、NADP+） 黄素蛋白类黄素蛋白类及其辅基及其辅基 （FMN、FAD） 铁硫蛋白（铁硫蛋白（Fe-S） 泛醌（泛醌（Q，CoQ） 细胞色素类（细胞色素类（Cyt.） 12 1. 烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类 NAD+烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (1) 辅酶辅酶 NADP+烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 （不参与呼吸链）（不参与呼吸链） (2) 作用作用: 递氢体递氢体 13 呼吸

6、链呼吸链 2H + NAD+ NADH + H+ 传递给传递给 FMN NADPH+ H+ 不直接与呼吸链偶联，参与物质还原不直接与呼吸链偶联，参与物质还原 (3) 递氢机理递氢机理 递氢部位递氢部位 吡啶环吡啶环 14 2. 黄素蛋白酶类黄素蛋白酶类 (Flavoprotein, FP) FMN-黄素单核苷酸黄素单核苷酸 在呼吸链中在呼吸链中, FMN作为作为NADH脱氢酶脱氢酶的辅基的辅基; (1) 辅基辅基 FAD-黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸 作为作为琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶的辅基的辅基; (2) 作用作用: 递氢体递氢体 （FP1） (FP2) 15 （3）递氢机理）递氢机理

7、 功能部位功能部位 异咯嗪环的异咯嗪环的N1和和N10 NADH + H+ FMNH2 均可传递给均可传递给COQ 琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢 FADH2 呼吸链呼吸链 （Fe-S） 1 10 16 17 无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫 3.3. 铁硫蛋白类铁硫蛋白类 18 CH2-S Fe SFe S Fe SFe S CH2-S S-CH2 S-CH2 常见铁硫族常见铁硫族: Fe4-S4 或或 Fe2-S2 铁硫中心：铁硫中心： 19 FMN (Fe-S) (1) 存在形式存在形式 FAD (Fe-S).b (2) 作用作用: 递电子体递电子体 (3) 递电子机理递电子机理 Fe3+ Fe2

8、+ and Cyt.b. C1 (Fe-S) 等复合物形式等复合物形式 e e 在呼吸链中：在呼吸链中： 20 4. 泛醌（泛醌（ CoQ10 , Q10） (1) 结构结构 醌类化合物，由多个异戊二烯连接醌类化合物，由多个异戊二烯连接 形成较长的疏水侧链（人形成较长的疏水侧链（人CoQ10），）， (2) 作用作用: 递氢体递氢体 21 (3) 递氢机理递氢机理 FMNH2 CoQ2H 2e 2H+ 传递给其后的传递给其后的 一系列一系列递电子体递电子体 在呼吸链中在呼吸链中 （Fe-S） FADH2 （Fe-S） 22 5. 细胞色素类细胞色素类( Cytochromes, Cyt. )

9、是位于线粒体内的一类电子传递体，是位于线粒体内的一类电子传递体， 其辅基为铁卟啉，有特殊的吸收光谱，故其辅基为铁卟啉，有特殊的吸收光谱，故 命名细胞色素。命名细胞色素。 (1) 基本结构基本结构 （以细胞色素（以细胞色素C为例）为例） 23 N NN N Fe3+ H3C- -CH3 -CH-CH3 H3C CH2 CH2 COO- CH2 CH2 COO- 细细 胞胞 色色 素素 c H3C- Cys S H3C-CH Cys S 多肽链多肽链 蛋白质部分蛋白质部分 铁卟啉铁卟啉 24 Cyt. 主要类型主要类型 根据吸收光谱特征，根据吸收光谱特征，Cyt.类分为类分为a、b和和c三大类：三

10、大类： * Cyt.b、c1、c、a和和a3 存在于存在于线粒体内膜线粒体内膜, 作为作为呼吸链成员；呼吸链成员； Cyt.b5和和Cyt.p450 主要存在于肝细胞主要存在于肝细胞微粒体微粒体， 参与参与生物转化生物转化。 25 (2) 作用作用 递电子体递电子体 (3) 递电子机理递电子机理 Fe3+ Fe2+ e e (4) 递电子顺序递电子顺序( E0值小值小大大 ) Cyt.b c1 c a a3 O2 26 在呼吸链中细胞色素类递电子顺序在呼吸链中细胞色素类递电子顺序 2Fe2+ 2Fe3+ 2Fe3+ 2Fe2+2Fe3+ 2Fe2+2Fe3+ 2Fe2+ O2 O2- H2O

11、2e 2e 2e 2e 2e bc1 c a.a3 CoQ2H 2H+- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2e 2H+ 27 Cyt b、 c1、 c 、 a 、 Cyt a3 不能与不能与O2、 CO和和CN-等结合，等结合， 可与可与O2 结合结合 也可与也可与CO和和CN结合结合 使呼吸链中断使呼吸链中断 Cyt aa3： Cyt a与与a3不易分开，常写在一起不易分开，常写在一起 Cyt aa3 : 通过与通过与氧结合氧结合，可将电子直接传递给氧，可将电子直接传递给氧， Cyt a3 被称为被称为细胞色素氧化酶。细胞色素氧化酶。 28

12、 复合体复合体 还原型还原型Cyt c O2 CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB形成的活性部位将电子交给形成的活性部位将电子交给O2。 29 呼吸链各成分在线粒体内膜上的分布与定位呼吸链各成分在线粒体内膜上的分布与定位 复合体复合体 NADH脱氢酶脱氢酶 复合体复合体 琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 复合体复合体 泛醌泛醌CytC还原酶还原酶 复合体复合体 细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶 FMN (Fe-S) a. a3 Cyt. b. (Fe-S).c1 FAD (Fe - S) CoQ游离存在，游离存在，CytC 与线粒体内膜疏松结合易分离，与线粒体内膜疏松结合易分离， 故二者包

13、含在上述复合体中。故二者包含在上述复合体中。 30 二、二、 体内重要呼吸链的排列顺序体内重要呼吸链的排列顺序 1.1.NADH+HNADH+H+ +氧化呼吸链氧化呼吸链 ( (组成成员组成成员, ,排列顺序排列顺序, ,产生产生ATPATP数数) ) 2. 2. F FADHADH2 2氧化（或称琥珀酸氧化）呼吸链氧化（或称琥珀酸氧化）呼吸链 (组成成员组成成员, 排列顺序排列顺序, 产生产生ATP数数) 31 呼吸链的排列顺序由以下实验确定：呼吸链的排列顺序由以下实验确定： 标准氧化还原电位（标准氧化还原电位（E0） 低低（易失电子）（易失电子） 高高 拆开和重组拆开和重组 还原状态呼吸链

14、缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 32 1、 NADH+H+氧化呼吸链氧化呼吸链 NADH FMN CoQ Cyt.bc FMN CoQ Cyt.bc1 1 c a.a c a.a3 3 O O2 2 +H +H+ + (Fe-S) (Fe-S) (Fe-S) (Cu2+) 组成成员组成成员 排列顺序排列顺序 产生产生ATP: 2.5分子分子 33 2、 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链 FAD H2 CoQ Cyt.bc1 c a.a3 O2 (Fe-S) (Fe-S) (Cu2+) 组成成员组成成员 排列顺序排列顺序 产生产生ATP： 1.5分子分子 34 NAD

15、H氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链 体内两条重要呼吸链的相互联系体内两条重要呼吸链的相互联系 35 CH2OH C=O CH2O- P 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 CH2OH CHOH CH2O- P 甘油甘油-3-磷酸磷酸 NADH+H+ NAD+ QH2 Q 1/2O2 H2O 2P FAD Fe-S 线线 粒粒 体体 内内 膜膜 基质基质 胞质胞质 甘油甘油-3-磷磷 酸脱氢酶酸脱氢酶 甘油甘油-3-磷酸穿梭磷酸穿梭 （肌肉、脑） 三、三、 胞质中胞质中NADHH+的氧化的氧化 36 苹果酸天冬氨酸穿梭苹果酸天冬氨酸穿梭（心肌、肝）（心肌、肝） 苹果酸脱氢酶 苹果酸脱氢

16、酶 37 小结小结（胞质中（胞质中NADHH+的氧化）的氧化） 胞液胞液NADH+H+ 线粒体线粒体FADH2 产生产生1.5分子分子ATP 2. 苹果酸苹果酸-天冬氨酸天冬氨酸穿梭作用穿梭作用 胞液胞液NADH+H+ 线粒体线粒体NADH+H+ 产生产生2.5分子分子ATP 呼吸链呼吸链 呼吸链呼吸链 1. 甘油甘油-3-磷酸磷酸穿梭作用穿梭作用 38 第三节第三节 生物氧化与能量代谢生物氧化与能量代谢 约约60%以热能形式散失以热能形式散失 糖糖 维持体温；维持体温； 脂类脂类 蛋白质蛋白质 约约40%以化学能形式形以化学能形式形 成成高能化合物高能化合物（ATP)， 以驱动各种生命活动。

17、以驱动各种生命活动。 * 高能化合物高能化合物 （21kJ/mol） o 能量能量 39 一一. 高能化合物的种类高能化合物的种类 通式通式 举例举例 释放能量释放能量（PH7.0, 25） ( kJ/mol (kcal/mol ) 高能键符号：高能键符号： “ ” 40 二、二、ATP的生成的生成 （一）底物水平磷酸化（一）底物水平磷酸化 41 1. 1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 ADPATP 3-磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶 2. 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 ADP ATP 丙酮酸丙酮酸 丙酮酸激酶丙酮酸激酶 3. 琥珀酸单酰琥珀酸单酰CoA 琥珀酸琥珀

18、酸 + CoASH GDP H3PO4 GTP ADP ATP 糖的氧化分解过程中三次底物水平磷酸化糖的氧化分解过程中三次底物水平磷酸化 琥珀酰CoA合成酶 42 （二）（二） 氧化磷酸化氧化磷酸化 1. 氧化磷酸化及其偶联氧化磷酸化及其偶联 43 2. 氧化磷酸化的偶联部位氧化磷酸化的偶联部位 （1 1） 磷氧（磷氧（P/OP/O）比比值值 每消耗每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷摩尔数，摩尔氧原子所消耗的无机磷摩尔数， 即合成即合成ATP的摩尔数。的摩尔数。 通过加入不同底物，分别测定通过加入不同底物，分别测定P/O比值，比值， 推测推测ATP生成数（偶联部位）。生成数（偶联部位）。 44

19、呼吸链形成呼吸链形成ATP的偶联部位的偶联部位 NADH氧化呼吸链：氧化呼吸链： P/O 2.5， 有有3个偶联部位，个偶联部位， 生成生成2.5分子分子ATP； FADH2氧化呼吸链：氧化呼吸链： P/O 1.5， 有有2个偶联部位，个偶联部位， 生成生成1.5分子分子ATP。 苹果酸苹果酸 抗坏血酸抗坏血酸 45 NADH FMN CoQ Cytb c1c aa3 O2 (Fe-S) FADH2 (Fe-S) 52.1 kj/mol 40.5 kj/mol 102.3 kj/mol （2 2） 自由能变化自由能变化 呼吸链偶联部位：呼吸链偶联部位： NAD+ CoQ ; Cyt.b c ;

20、 Cyta.a3O2 46 三、影响氧化磷酸化的因素三、影响氧化磷酸化的因素 抑制剂抑制剂 ADP的调节的调节 甲状腺激素的调节甲状腺激素的调节 线粒体线粒体DNA突变突变 47 （一）抑制剂（一）抑制剂 1. 呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂 FAD.H2 (Fe-S) NADH FMN CoQ Cyt.b C1 C aa3 O2 (Fe-S) 阿米妥阿米妥 鱼藤酮鱼藤酮 (-) (-)(-) 抗霉素抗霉素A CN- CO 48 2. 解偶联剂解偶联剂 二硝基苯酚（二硝基苯酚（DNP） DNP 解除氧化与磷酸化的偶联作用解除氧化与磷酸化的偶联作用 耗耗O2量量、 耗耗Pi 量量 P/O 比值比值 A

21、TP生成生成 解偶联解偶联 49 （二）（二）ADP的调节的调节 1） 运动时：运动时：ADP/ATP 氧化磷酸化氧化磷酸化 2）休息时：）休息时：ADP/ATP 氧化磷酸化氧化磷酸化 （三）甲状腺激素的调节（三）甲状腺激素的调节 氧化磷酸化氧化磷酸化 耗耗O O2 2 量 量 ADP + Pi ADP + Pi 产热量产热量 NaNa+ +-K-K+ +-ATPase-ATPase （分解）分解） ATPATP ATPATP生成生成 (+) T3 / T4 50 （四）线粒体（四）线粒体DNA突变突变 mt DNA编码呼吸链复合体的部分多肽链及蛋白质编码呼吸链复合体的部分多肽链及蛋白质 mt

22、DNA突变突变影响氧化磷酸化影响氧化磷酸化 ATP生成减少生成减少 发生多种疾病发生多种疾病 51 四、四、ATP利用、转移和储存利用、转移和储存 ATP + H2O ADP + Pi + 30.5 Kj （一）（一） ATP的利用的利用 52 代谢物代谢物 分分 解解 氧氧 化化 CO2 H2O 能能 热能（散发热能（散发） 化学能化学能 （储能）（储能） ATP ADP Pi C CP + 能能 机械能（肌肉收缩）机械能（肌肉收缩） 化学能（合成代谢）化学能（合成代谢） 渗透能（吸收分泌）渗透能（吸收分泌） 电能（神经传导生物电）电能（神经传导生物电） 热能（维持体温）等热能（维持体温）等

23、 ATP为直接供能者为直接供能者 53 （二）（二）ATP分子中高能键的转移分子中高能键的转移 ATP + UDP CDP GDP ADP + UTP（参与糖原合成）参与糖原合成） CTP（参与磷脂合成）参与磷脂合成） GTP（参与蛋白质合成）参与蛋白质合成） 54 （三）磷酸肌酸是能量储存形式（三）磷酸肌酸是能量储存形式 H2N+ C-NH2 H3C-N CH2 COO- H2N+ H O C-NP-O- H3C-N O- CH2 COO- ATP ADP 肌酸激酶肌酸激酶 肌酸肌酸 磷酸肌酸（磷酸肌酸（CP） （储能形式）（储能形式） 55 第五节第五节 非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系

24、RH + ORH + O2 2 + NADPH + H + NADPH + H+ + ROH + NADPROH + NADP+ + + H + H2 2O O 羟化酶羟化酶（加单氧酶系加单氧酶系） 一、微粒体氧化酶系一、微粒体氧化酶系 CytPCytP450 450 （混合功能氧化酶）（混合功能氧化酶）（药物药物） 56 二、过氧化物酶体氧化酶类二、过氧化物酶体氧化酶类 （一）过氧化氢酶（一）过氧化氢酶（catalase, CAT，又称触酶又称触酶） 2H2O2 2H2O + O2 （二）过氧化物酶（二）过氧化物酶（peroxidase, POD） Ar-OH R-HO + H2O2 R-C

25、OOH + 2H2O + NH3 R-NH2 57 谷胱甘肽过氧化物酶（谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px） （催化的反应）催化的反应） H2O2 +2GSH GSSG + 2H2O ROOH + GSH ROH + H2O + GSSG 58 三、超氧化物歧化酶三、超氧化物歧化酶（SOD） SOD类型类型： 胞质胞质 Cu.Zn-SOD； 线粒体线粒体 Mn-SOD 2 O2- + 2H H2O2 + O2 CAT 2H2O + O2 SOD 59 糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP * 生物氧化的一般过程 60 （二）（二） H20的生成的生成 代谢物（代谢物（AH2） 2H 2H (酶与辅酶酶与辅酶) 一系列中间传递体一系列中间传递体 O2 H2O 61 (一一) 呼吸链主要成员及其作用呼吸链主要成员及其作