第五章生物氧化

1、v 生物氧化生物氧化是指是指三大三大营养物质在生物体内进行氧化分解的过程；营养物质在生物体内进行氧化分解的过程；狭义的生物氧化狭义的生物氧化主要是指糖、脂肪、蛋白质等在体内彻底氧主要是指糖、脂肪、蛋白质等在体内彻底氧化分解生成化分解生成COCO2 2和和H H2 2O O，并释放大量能量的过程。，并释放大量能量的过程。v 生物氧化主要在线粒体中进行，所释放的能量用于合成生物氧化主要在线粒体中进行，所释放的能量用于合成ATPATP和和维持体温（维持体温（生成生成ATPATP氧化体系氧化体系）；线粒体外也可以进行氧化，）；线粒体外也可以进行氧化，但氧化释放的能量主要供非营养物质的生物转化（但氧化释

2、放的能量主要供非营养物质的生物转化（不生成不生成ATPATP氧化体系氧化体系）。）。v ATPATP是生物体内能量生成、利用、转移的核心，其生成方式有是生物体内能量生成、利用、转移的核心，其生成方式有两种：两种：底物水平磷酸化底物水平磷酸化和和氧化磷酸化氧化磷酸化。生物氧化的特点：生物氧化的特点：v 生物氧化是生物氧化是在体温条件下进行的在体温条件下进行的酶促反应过程，反应条件温酶促反应过程，反应条件温和（和（3737、pHpH近中性）；近中性）；v 生物氧化产生的能量是逐步释放的，生物氧化产生的能量是逐步释放的，不会引起体温突然升高，不会引起体温突然升高，有利于有利于ATPATP的生成，使释

3、放的能量得到最有效的利用的生成，使释放的能量得到最有效的利用；v 生物氧化代谢终产物生物氧化代谢终产物COCO2 2来自于有机酸脱羧来自于有机酸脱羧反应反应，H H2 2O O则是由则是由代谢代谢物分子脱下的氢与氧结合而生成的。物分子脱下的氢与氧结合而生成的。H H2 2N NC CCOOHCOOHR RH HH H2 2N NC CH HR RH HCOCO2 2氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶COCOCOOHCOOHCHCH2 2COOHCOOHCOCOCOOHCOOHCHCH3 3COCO2 2丙酮酸丙酮酸脱羧脱羧酶酶+ HS+ HSCoACoANADNAD+ +COCO2 2丙酮酸脱氢酶复合体

4、丙酮酸脱氢酶复合体NADH+HNADH+H+ +CHCH3 3COCOSCoASCoACHCHCOOHCOOHCHCH2 2COOHCOOHOHOHC CCOOHCOOHCHCH3 3O ONADPNADP+ +COCO2 2苹果酸酶苹果酸酶NADPH+HNADPH+H+ +C CCOOHCOOHCHCH3 3O O糖原糖原葡萄糖葡萄糖甘油三酯甘油三酯脂肪酸脂肪酸 + + 甘油甘油蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoACoACOCO2 22H2HADP+PiADP+PiATPATPH H2 2O O呼吸链呼吸链TACTAC第一阶段第一阶段第二阶段第二阶段第三阶段第三阶段一、呼吸链一、呼吸链（一

5、）呼吸链的概念（一）呼吸链的概念v 线粒体内膜上存在着一系列按顺序排列的酶和辅酶，它们可将代线粒体内膜上存在着一系列按顺序排列的酶和辅酶，它们可将代谢物脱下的氢通过连锁的电子传递反应，最终与谢物脱下的氢通过连锁的电子传递反应，最终与O O2 2结合生成结合生成H H2 2O O，逐步释放的能量可驱动逐步释放的能量可驱动ATPATP生成，此过程与细胞呼吸摄氧有关，生成，此过程与细胞呼吸摄氧有关，所以所以称为称为（氧化）（氧化）呼吸链呼吸链；v 传递链上的酶与辅酶都具有传递电子的作用，所以氧化呼吸链也传递链上的酶与辅酶都具有传递电子的作用，所以氧化呼吸链也称为称为电子传递链电子传递链。v 线粒体内

6、膜蛋白质用胆酸等去污剂处理及离子交换层析分离，线粒体内膜蛋白质用胆酸等去污剂处理及离子交换层析分离，纯化出内膜的呼吸链成分，得到纯化出内膜的呼吸链成分，得到4 4种不同蛋白质种不同蛋白质- -酶复合体。酶复合体。复合体复合体酶酶 名名 称称多肽链数多肽链数辅辅 基基结合位点结合位点复合体复合体NADH-UQNADH-UQ还原酶还原酶4242FMNFMN、Fe-SFe-SNADHNADH、CoQCoQ复合体复合体琥珀酸琥珀酸-UQ-UQ还原酶还原酶4 4FADFAD、Fe-SFe-S琥珀酸、琥珀酸、CoQCoQ复合体复合体UQ-UQ-细胞色素细胞色素C C还原酶还原酶1111血红素血红素b b、

7、c c1 1Fe-SFe-SCyt cCyt c细胞色素细胞色素c c 1 1血红素血红素c cCytcCytc1 1、CytaCyta复合体复合体细胞色素细胞色素C C氧化酶氧化酶1313血红素血红素a a、CuCuCytCytc c1 1、复合体、复合体（NADH-NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶) )v 复合体复合体由三部分组成，呈由三部分组成，呈“L”L”形：竖臂突出入线粒体基质，形：竖臂突出入线粒体基质，包括含包括含FMNFMN的黄素蛋白和的黄素蛋白和2 2个铁硫中心；嵌于内膜的横臂含有个铁硫中心；嵌于内膜的横臂含有一个铁硫中心。一个铁硫中心。v 电子传递过程：电子传递过程：NADHN

8、ADHFMNFMN2Fe-2S2Fe-2SCoQCoQ( (复合体复合体内内) 4Fe-4S 4Fe-4SCoQ CoQ ( (内膜内内膜内) )，同时偶联将，同时偶联将4 4个个H H+ +从内膜基质侧泵到从内膜基质侧泵到内膜胞质侧。内膜胞质侧。+ +5 5 N NCONHCONH2 2R R+ H + H+ H + H+ + + e + eCONHCONH2 2H HH HR R+ H+ H+ +NADNAD+ +或或NADPNADP+ + （氧化型）（氧化型）NADHNADH或或NADPHNADPH（还原型）（还原型）+ +3 3 N N2 2、复合体、复合体（琥珀酸（琥珀酸- -泛醌还

9、原酶）泛醌还原酶）v 复合体复合体是三羧酸循环中琥珀酸脱氢酶，其功能是将电子从是三羧酸循环中琥珀酸脱氢酶，其功能是将电子从琥珀酸传递给泛醌。琥珀酸传递给泛醌。v 复合体复合体以以FADFAD作为辅基，由作为辅基，由4 4个亚基组成：个亚基组成：2 2个铁硫蛋白和个铁硫蛋白和2 2个疏水小亚基，锚定于内膜基质侧。个疏水小亚基，锚定于内膜基质侧。v 电子传递过程：电子传递过程：琥珀酸琥珀酸FADFADFe-SFe-SCoQ CoQ ( (内膜内内膜内) )，没有，没有H H+ +从内膜基质侧泵到内膜胞质侧。从内膜基质侧泵到内膜胞质侧。3 3、泛醌、泛醌v 复合体复合体、均可将电子传递到线粒体内膜中

10、的均可将电子传递到线粒体内膜中的泛醌。泛醌。v 泛醌又称为辅酶泛醌又称为辅酶Q Q（CoQCoQ），是一种脂溶性的醌类化合物。），是一种脂溶性的醌类化合物。4 4、复合体、复合体（泛醌（泛醌- -细胞色素细胞色素c c还原酶）还原酶）v 复合体复合体又称为又称为细胞色素细胞色素b-cb-c1 1复合体复合体，为二聚体，呈梨形，每，为二聚体，呈梨形，每个单体含有个单体含有1111个多肽，含有细胞色素个多肽，含有细胞色素b b562562（b bH H）和）和b b566566（b bL L）、）、细胞色素细胞色素c c1 1和一种可移动的铁硫蛋白。和一种可移动的铁硫蛋白。v 复合体复合体的电子传

11、递过程通过的电子传递过程通过“Q Q循环循环”实现，最终电子从泛实现，最终电子从泛醌经铁硫蛋白传递给醌经铁硫蛋白传递给CytcCytc1 1, ,同时向膜间隙释放同时向膜间隙释放4 4个个H H+ +。v 电子传递过程：电子传递过程：CoQ CoQ ( (内膜内内膜内)Fe-SFe-SCytbCytb566566CytbCytb562562 CytcCytc1 1CytcCytcv 细胞色素细胞色素c c（CytcCytc）位于线粒体内膜的外表面，位于线粒体内膜的外表面，是唯一能是唯一能溶于水的细胞色素溶于水的细胞色素。v CytcCytc交互地与复合体交互地与复合体的细胞色素的细胞色素c1c

12、1和复合体和复合体接触，接触，可可将从将从CytcCytc1 1获得的电子传递到复合体获得的电子传递到复合体。5 5、细胞色素、细胞色素c c6 6、复合体、复合体（细胞色素（细胞色素c c氧化酶）氧化酶）v 复合体复合体包含包含1313亚基，其中亚基，其中亚基由线粒体编码，包含所有亚基由线粒体编码，包含所有必需的必需的FeFe、CuCu离子位点，其余离子位点，其余1010个亚基起调节作用。个亚基起调节作用。v 电子传递过程：电子传递过程：CytcCytcCuCuA A- -CytaCytaCytaCyta3 3 - -CuCuB BO O2 2。v 复合体复合体也有质子泵功能，相当每也有质子

13、泵功能，相当每2 2个个 电子传递过程使电子传递过程使2 2个个H H+ +跨内膜向胞质侧跨内膜向胞质侧 转移。转移。v 根据呼吸根据呼吸链链各组分的标准氧化还原电位各组分的标准氧化还原电位v 利用呼吸链各组分特有的吸收光谱，利用呼吸链各组分特有的吸收光谱，以离体线粒体无氧时处以离体线粒体无氧时处于还原态为对照，于还原态为对照，缓慢给氧缓慢给氧后后观察各组分被氧化的顺序观察各组分被氧化的顺序v 底物存在时，利用呼吸链特异的抑制剂阻断某一组分的电子底物存在时，利用呼吸链特异的抑制剂阻断某一组分的电子传递传递v 在体外将呼吸链拆开和重组在体外将呼吸链拆开和重组实验实验还原型还原型氧化型氧化型传递电

14、子数传递电子数E E00（V V）* *NADNAD+ +NADH+HNADH+H+ +2 2-0.32-0.32FMNFMNFMNHFMNH2 22 2-0.30-0.30FADFADFADHFADH2 22 2-0.22-0.22Q QQHQH2 22 20.100.10Cyt bCyt b（FeFe3+3+）Cyt bCyt b（FeFe2+2+）1 10.070.07Cyt CCyt C1 1（FeFe3+3+）Cyt CCyt C1 1（FeFe2+2+）1 10.220.22Cyt CCyt C（FeFe3+3+）Cyt CCyt C（FeFe2+2+）1 10.250.25Cyt

15、 aCyt a（FeFe3+3+）Cyt aCyt a（FeFe2+2+）1 10.290.29Cyt aCyt a3 3（FeFe3+3+）Cyt aCyt a3 3（FeFe2+2+）1 10.550.551/2O1/2O2 2+2H+2H+ +H H2 2O O2 20.820.82（1 1）NADHNADH氧化呼吸链氧化呼吸链 NADHNADH复合体复合体CoQCoQ复合体复合体CytcCytc复合体复合体O O2 2（2 2）琥珀酸氧化呼吸链（）琥珀酸氧化呼吸链（FADHFADH2 2氧化呼吸链）氧化呼吸链） 琥珀酸琥珀酸复合体复合体CoQCoQ复合体复合体CytcCytc复合体复合

16、体O O2 2v ATPATP是体内供能的主要高能化合物，其在细胞内生成的方式是体内供能的主要高能化合物，其在细胞内生成的方式主要有主要有底物水平磷酸化底物水平磷酸化和和氧化磷酸化氧化磷酸化两种方式。两种方式。v 代谢物脱下的氢，经线粒体代谢物脱下的氢，经线粒体内膜电子传递内膜电子传递链传递链传递并并释放能量，释放能量，偶联驱动偶联驱动ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP的的过程过程，称为称为氧化磷酸化氧化磷酸化（又称（又称偶联磷酸化偶联磷酸化）。）。v P/OP/O比值比值是指是指在在氧化磷酸化过程中，每消耗氧化磷酸化过程中，每消耗1 1摩尔摩尔氧原子氧原子所所消消耗的无机磷酸的摩尔

17、数，即所能合成耗的无机磷酸的摩尔数，即所能合成ATPATP的摩尔数（或一对的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成的电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成的ATPATP分子数）分子数）。v 近年研究认为，每近年研究认为，每4 4个质子从线粒体膜间隙回流基质才能驱个质子从线粒体膜间隙回流基质才能驱动动1 1分子分子ATPATP生成，故生成，故NADHNADH氧化呼吸链氧化呼吸链其其P/OP/O比值为比值为2.52.5，FADHFADH2 2氧化呼吸链氧化呼吸链P/OP/O比值为比值为1.51.5。v 19531953年，年，E.SlaterE.Slater提出了提出了“化学偶联学说化学偶联学说

18、”；v 19611961年，年，Peter MitchellPeter Mitchell提出了提出了“化学渗透学说化学渗透学说”（19781978年获得诺贝尔化学奖）。年获得诺贝尔化学奖）。 v 19641964年，年，P.BoyerP.Boyer提出了提出了“构象变化偶联学说构象变化偶联学说”。v 线粒体内膜中呼吸链的电子传递与线粒体内膜中呼吸链的电子传递与H H+ +释放相偶联，即呼吸释放相偶联，即呼吸链在传递电子时释放的能量将线粒体基质中的链在传递电子时释放的能量将线粒体基质中的H H+ +逆浓度梯逆浓度梯度泵入从线粒体膜间隙度泵入从线粒体膜间隙；v H H+ +不能自由透过线粒体内膜，

19、造成线粒体内膜外侧不能自由透过线粒体内膜，造成线粒体内膜外侧H H+ +的浓的浓度增高，基质内度增高，基质内H H+ +浓度降低，从而在线粒体内膜两侧形成浓度降低，从而在线粒体内膜两侧形成一个一个H H+ +梯度；梯度；v 当线粒体内膜外高浓度的当线粒体内膜外高浓度的H H+ +经特异通道回流线粒体基质时，经特异通道回流线粒体基质时，所释放的自由能可驱动所释放的自由能可驱动ADPADP和磷酸结合生成和磷酸结合生成ATPATP。O OT TL LADP+PiADP+PiATPATPADP+PiADP+PiATPATP2. 2. ATPATP合酶（复合体合酶（复合体）v ATPATP合酶是线粒体内

20、膜蛋白复合体，合酶是线粒体内膜蛋白复合体，包含：包含：F F0 0（疏水部分）镶嵌在线粒（疏水部分）镶嵌在线粒体内膜中和体内膜中和F F1 1 （亲水部分）为线粒（亲水部分）为线粒体内膜的基质侧颗粒状突出。体内膜的基质侧颗粒状突出。3. ATP3. ATP的生成的生成 v 19891989年年Paul BoyerPaul Boyer提出提出“结合变构结合变构机制机制”，认为，认为亚基是亚基是ATPATP合酶催合酶催化合成化合成ATPATP部位。部位。OSCP1. 1. 抑制剂抑制剂（1 1）电子传递抑制剂）电子传递抑制剂v 鱼藤酮、异戊巴比妥、粉蝶霉素鱼藤酮、异戊巴比妥、粉蝶霉素A A等阻断复

21、合体等阻断复合体中铁硫中中铁硫中心到泛醌的电子传递；心到泛醌的电子传递；v 抗霉素抗霉素A A、二巯基丙醇抑制复合体、二巯基丙醇抑制复合体中中CytbCytbH H与泛醌间的电子与泛醌间的电子传递；传递；v 氰化物、叠氮化物、氰化物、叠氮化物、COCO、H H2 2S S等能抑制细胞色素等能抑制细胞色素C C氧化酶，使氧化酶，使电子不能传递给氧。电子不能传递给氧。v 解偶联剂解偶联剂使电子传递和使电子传递和ADPADP磷酸化两个偶联过程相分离，电磷酸化两个偶联过程相分离，电子传递虽可正常进行，但子传递虽可正常进行，但ADPADP不能进行有效的磷酸化反应生不能进行有效的磷酸化反应生成成ATPAT

22、P，而电子传递过程产生的自由能以热能的形式释放，而电子传递过程产生的自由能以热能的形式释放，如：二硝基苯酚、双香豆素、缬氨霉素等。如：二硝基苯酚、双香豆素、缬氨霉素等。v 无毛无毛哺乳动物和哺乳动物和新生儿新生儿存在含有大量线粒体的棕色脂肪组存在含有大量线粒体的棕色脂肪组织，该组织线粒体内膜含解偶联蛋白织，该组织线粒体内膜含解偶联蛋白-1-1（产热素产热素），能将），能将质子转运回基质。质子转运回基质。v 氧化磷酸化抑制剂对电子传递及氧化磷酸化抑制剂对电子传递及ADPADP磷酸化均有抑制作用。磷酸化均有抑制作用。v 寡霉素寡霉素可阻止质子从可阻止质子从F F0 0质子通道回流，抑制质子通道回流

23、，抑制ATPATP的生成。此的生成。此时由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质时由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。子泵的功能，继而抑制电子传递。v 二环己基碳二亚胺二环己基碳二亚胺可与可与F F0 0结合蛋白结合，阻止结合蛋白结合，阻止H H+ +通过质子半通过质子半通道回流，抑制通道回流，抑制ATPATP合成。合成。2. ADP2. ADP调节调节3. 3. 甲状腺激素甲状腺激素4. 4. 线粒体线粒体DNADNA突变突变三、细胞质中三、细胞质中NADHNADH的氧化作用的氧化作用v线粒体内生成的线粒体内生成的NADHNADH可直接进入呼

24、吸链的氧化磷酸化过程，可直接进入呼吸链的氧化磷酸化过程，但在胞液中产生的但在胞液中产生的NADHNADH不能自由透过线粒体内膜。不能自由透过线粒体内膜。v胞液中胞液中NADHNADH通过通过-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭（脑、骨骼肌）和（脑、骨骼肌）和苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭（肝、心肌）进入线粒体。（肝、心肌）进入线粒体。-磷酸甘油穿梭作用磷酸甘油穿梭作用苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭作用天冬氨酸穿梭作用腺苷酸腺苷酸转运蛋白转运蛋白磷酸盐磷酸盐转运蛋白转运蛋白H H2 2POPO4 4- -H H2 2POPO4 4- -H H+ +H H+ +ADPADP3-3-ATPATP4

25、-4-ADPADP3-3-ATPATP4-4-H H2 2O O胞浆侧胞浆侧基质侧基质侧四、四、ATPATP与与能量代谢能量代谢v 细胞生物大分子体系多通过弱键能的非共价键维系，代谢细胞生物大分子体系多通过弱键能的非共价键维系，代谢反应都是依序进行、能量逐步得失的反应；反应都是依序进行、能量逐步得失的反应；v 生物体不直接利用营养物质的化学能，而需要使之转移成生物体不直接利用营养物质的化学能，而需要使之转移成细胞可以利用的能量形式，即细胞可以利用的能量形式，即ATPATP等高能有机磷酸化合物的等高能有机磷酸化合物的化学能；化学能；v 磷酸基团水解时释放的出的能量在磷酸基团水解时释放的出的能量在

26、20.92kJ/mol20.92kJ/mol以上的磷酸以上的磷酸化合物才能称为高能磷酸化合物。化合物才能称为高能磷酸化合物。（二）（二）ATPATP是体内能量捕获和释放利用的重要分子；是体内能量捕获和释放利用的重要分子；（三）磷酸肌酸是高能键能量的储存形式；（三）磷酸肌酸是高能键能量的储存形式；（四）（四）ATPATP循环循环ATP + AMPATP + AMP腺苷酸激酶腺苷酸激酶2ADP2ADPNDP + ATPNDP + ATPNTP + ADPNTP + ADP核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶肌酸激酶肌酸激酶+ ADP+ ADPNHNH2 2C NHC NHCHCH3 3 N NCHCH3 3COOHCOOHN NP PC NHC NHCHCH3 3 N NCHCH3 3COOHCOOHH H第第三三节节非线粒体非线粒体氧化体系氧化体系v 细胞色素细胞色素P P450450单加氧酶催化向氧分子中的一个氧原子加到单