第九章生物氧化

1、第八章第八章 生物氧化生物氧化biological oxidation2006-8第九章 生物氧化2导导 学学掌握生物氧化的概念与特点；体内重要的呼掌握生物氧化的概念与特点；体内重要的呼吸链的组成、排列顺序及其作用；吸链的组成、排列顺序及其作用；ATP的生的生成方式。成方式。熟悉影响氧化磷酸化的因素；熟悉影响氧化磷酸化的因素；ATP的利用与的利用与贮存。贮存。了解确定呼吸链排列顺序的实验依据；非线了解确定呼吸链排列顺序的实验依据；非线粒体氧化体系。粒体氧化体系。2006-8第九章 生物氧化3教学内容教学内容第一节第一节 概述概述第二节第二节 线粒体氧化体系线粒体氧化体系第三节第三节 生物氧化与

2、能量代谢生物氧化与能量代谢第四节第四节 非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系2006-8第九章 生物氧化4第一节第一节 概述概述2006-8第九章 生物氧化5一、生物氧化的概念一、生物氧化的概念H2O + CO2 + 能量能量生物体生物体 营养物营养物 （糖、脂、蛋白质）（糖、脂、蛋白质）O又称细胞呼吸或组织呼吸又称细胞呼吸或组织呼吸2006-8第九章 生物氧化6一、生物氧化的概念一、生物氧化的概念 线粒体内氧化：有线粒体内氧化：有ATP生成生成 非线粒体氧化：无非线粒体氧化：无ATP生成，与生物转化有关生成，与生物转化有关2006-8第九章 生物氧化7二、生物氧化特点二、生物氧化特点 条件温和（

3、条件温和（3737C C，近，近中性）中性） 酶催化酶催化 逐步释放能量逐步释放能量 有机酸脱羧生成有机酸脱羧生成 C CO O2 2 有机物脱氢经呼吸链生成有机物脱氢经呼吸链生成 H H2 2O O2006-8第九章 生物氧化8三、生物氧化的方式三、生物氧化的方式（一）（一）CO2的生成的生成有机酸脱羧有机酸脱羧 单纯脱羧单纯脱羧-单纯脱羧单纯脱羧-单纯脱羧单纯脱羧 氧化脱羧氧化脱羧-氧化脱羧氧化脱羧-氧化脱羧氧化脱羧HOOCCH2-CH-COOHH3C-C-COOH + CO2O=OH苹果酸酶苹果酸酶NADP+NADPH + H+苹果酸苹果酸丙酮酸丙酮酸COOHR-CH-NH2R-CH2-

4、NH2 + CO2氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶-氨基酸氨基酸胺胺HOOCCH2-C-COOHO=H3C-C-COOH + CO2O=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H3C-C-COOH + HSCoAO=H3C-C-SCoA + CO2O=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CoA2006-8第九章 生物氧化9三、生物氧化的方式三、生物氧化的方式（二）（二）H2O的生成的生成代谢物（代谢物（AH2） 2H酶与辅酶酶与辅酶O2H2O2006-8第九章 生物氧化10三、生物氧化的方式三、生物氧化的方式（三）氧化的本质

5、（三）氧化的本质 加氧、脱氢、加水脱氢、脱电子加氧、脱氢、加水脱氢、脱电子2006-8第九章 生物氧化11第二节第二节 线粒体氧化体系线粒体氧化体系2006-8第九章 生物氧化12一、一、 呼吸链呼吸链 (respiratory chain)概念：概念： 定位于线粒体内膜上的一组排列有序的递氢体定位于线粒体内膜上的一组排列有序的递氢体和递电子体（酶与辅酶）构成的链状传递体系，和递电子体（酶与辅酶）构成的链状传递体系，也称也称电子传递链。电子传递链。(electron transport chain)2006-8第九章 生物氧化13线粒体内膜上的酶与辅酶组成的复合体线粒体内膜上的酶与辅酶组成的复

6、合体 复合体复合体NADH泛醌还原酶泛醌还原酶 复合体复合体 琥珀酸泛醌还原酶琥珀酸泛醌还原酶 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2006-8第九章 生物氧化14 （一）呼吸链主要成分和作用（一）呼吸链主要成分和作用（递氢体（递氢体 或或 递电子体）递电子体） 烟酰胺脱氢酶烟酰胺脱氢酶 （NAD+、NADP+） 黄素蛋白黄素蛋白 （FMN、FAD） 铁硫蛋白铁硫蛋白 （Fe-S） 泛醌泛醌 （CoQ） 细胞色素类细胞色素类 （Cyt）2006-8第九章 生物氧化15辅酶辅酶 NAD+NADP+1、 烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类作用：递氢体作用：递氢

7、体2006-8第九章 生物氧化16 呼吸链呼吸链 2H + NAD+ NADH + H+ 传递给传递给 FMN递氢机制递氢机制2006-8第九章 生物氧化17 FMNNADH脱氢酶脱氢酶的辅基的辅基 辅基辅基 FAD 琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶的辅基的辅基2、 黄素蛋白酶类黄素蛋白酶类 作用：递氢体作用：递氢体2006-8第九章 生物氧化18 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递氢机制递氢机制2006-8第九章 生物氧化193 3、 铁硫蛋白铁硫蛋白 （Fe-S）Fe2+Fe3+ + e-递电子机制递电子

8、机制作用作用递电子体递电子体2006-8第九章 生物氧化20作用作用递氢体递氢体递氢机制递氢机制4、 泛醌（人体内：泛醌（人体内： CoQ10）2006-8第九章 生物氧化21 FMNH2 CoQ2H2e 2H+传递给一系列传递给一系列Cyt类进一步传递类进一步传递在呼吸链中在呼吸链中:（Fe-S） FADH2（Fe-S）2006-8第九章 生物氧化225、细胞色素类、细胞色素类( Cytochromes, Cyt. ) 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：三大类：CytbCytb、 Cytc Cytc1 1、 Cytc Cytc、 Cytaa Cyta

9、a3 3组成呼吸链的细胞色素组成呼吸链的细胞色素:细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶Cyta3 1/2O2 O2-2e2006-8第九章 生物氧化23Cyt C的结构的结构Fe2+Fe3+ + e-递电子体：递电子体：2006-8第九章 生物氧化24CoQCoQH22 F e3 +2 F e2 +2 F e3 +2 F e2 +2 F e2 +2 F e3 +2 F e3 +2 F e2 +C y t bFe-SC y t c1C y t cC o Q - C y t c 还 原 酶2006-8第九章 生物氧化25复合体：细胞色素氧化酶功能：将电子从C y t c 最终传递到O2组成：C y t a

10、 、C y t a3、C u212 F e3 +2 F e2 +2 F e2 +2 F e3 +2 Cu2 +2 Cu+CytcCy t a2 F e2 +2 F e3 +Cy t a3H2O细胞色素氧化酶O2Cyta3 1/2O2 O2-2e与与CO，CN-结合，失去传递电子能力结合，失去传递电子能力细胞色素细胞色素氧化酶氧化酶2006-8第九章 生物氧化26线粒体呼吸链四大复合体线粒体呼吸链四大复合体FMN,Fe-S复合体复合体FAD,Fe-S复合体复合体Cytb,Fe-S,Cytc1复合体复合体Cytaa3,Cu复合体复合体2006-8第九章 生物氧化27（二）呼吸练各成分在线粒体内膜上

11、的定位（二）呼吸练各成分在线粒体内膜上的定位2006-8第九章 生物氧化28二、体内重要呼吸链的排列顺序二、体内重要呼吸链的排列顺序 NADH NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 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）体内的两条呼吸链：体内的两条呼吸链：2006-8第九章 生物氧化29体内两条重要的呼吸链体内两条重要的呼吸链2006-8第九章 生物氧化30NADHFMNCoQCytbCytc1CytcCytaa31/2O2（Fe-S）（Fe-S）2H2H+ 2eO2-H2O FAD (Fe-S) 琥珀酸琥珀酸2 2、琥珀酸氧化呼吸链、琥珀酸氧化呼吸链1、N

12、ADH氧化呼吸链氧化呼吸链CoQCytbCytc1CytcCytaa31/2O2（Fe-S）2006-8第九章 生物氧化31三、胞液中的三、胞液中的NADH的氧化的氧化 胞液中生成的胞液中生成的NADH不能自由通透线粒体内膜，不能自由通透线粒体内膜，必须经过转运机制进入线粒体必须经过转运机制进入线粒体1. 甘油甘油-3-磷酸穿梭作用（神经组织和骨骼肌）磷酸穿梭作用（神经组织和骨骼肌）2. 苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭作用（肝和心肌）天冬氨酸穿梭作用（肝和心肌）2006-8第九章 生物氧化32甘油甘油-3-磷酸穿梭机制示意图磷酸穿梭机制示意图2ATPNADH+H+3-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭2AT

13、P神经组织和骨骼肌神经组织和骨骼肌FADH22006-8第九章 生物氧化33苹果酸苹果酸天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭3ATPNADH+H+苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 3ATP肝和心肌肝和心肌 NADH+H+2006-8第九章 生物氧化34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， 维持体温；维持体温； 糖糖 脂类脂类 蛋白质蛋白质 约约40%以化学能形式形成以化学能形式形成 高能化合物高能化合物 (如，如，ATP)，以驱动各种生命活动。以驱动各种生命活动。 2006-8第九章 生物氧化35营养物质的氧化分解过程营养物质的氧化分解过程糖

14、原糖原 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质葡萄糖葡萄糖 脂肪酸脂肪酸 氨基酸氨基酸 甘油甘油乙酰辅酶乙酰辅酶ATCA2H1/2O2ADPPiATPH2O2006-8第九章 生物氧化36一、高能化合物的种类一、高能化合物的种类J 水解时释放的自由能水解时释放的自由能 30 KJ/mol 的含有磷酸键的含有磷酸键 或硫酯键的化合物或硫酯键的化合物J 高能硫酯化合物高能硫酯化合物CH3COSCoAJ 高能磷酸化合物高能磷酸化合物COOHC-OPCH2= =ATP ADP2006-8第九章 生物氧化37二、二、ATP的生成的生成ATP与高能磷酸键OOOPOOPOO-ATPADPAMPOOPNNNNNH2OOHOH

15、CH2O2006-8第九章 生物氧化38（一）底物水平磷酸化（一）底物水平磷酸化(substrate level phosphrylation) 在分解代谢过程中，底物因脱氢、脱水等作用在分解代谢过程中，底物因脱氢、脱水等作用而使能量在分子内部重新分布，形成高能化合而使能量在分子内部重新分布，形成高能化合物，然后将高能键转移给物，然后将高能键转移给ADP（GDP）形成）形成ATP（GTP）的过程。）的过程。2006-8第九章 生物氧化39底物水平磷酸化底物水平磷酸化12006-8第九章 生物氧化40底物水平磷酸化底物水平磷酸化22006-8第九章 生物氧化41底物水平磷酸化底物水平磷酸化320

16、06-8第九章 生物氧化42（二）（二） 氧化磷酸化氧化磷酸化（oxidative phosphorylation） 生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经呼吸链氧生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经呼吸链氧化生成水时，所释放的能量能够偶联化生成水时，所释放的能量能够偶联ADP磷酸磷酸化生成化生成ATP的过程。的过程。2006-8第九章 生物氧化43底物底物 2H H2O 底物氧化底物氧化 偶联偶联 能量能量ADP+H3PO4 ATP ADP磷酸化磷酸化 释放释放 自由能自由能1、氧化磷酸化及其偶联、氧化磷酸化及其偶联2006-8第九章 生物氧化442、氧化磷酸化偶联部位、氧化磷酸化偶联部位I 计算各阶

17、段释放的自由能计算各阶段释放的自由能I P/OP/O比值的测定比值的测定 每消耗每消耗1 1molmol原子氧时原子氧时ADPADP磷酸化摄取无磷酸化摄取无机磷酸的摩尔数（即合成的机磷酸的摩尔数（即合成的ATPATP的摩尔数）的摩尔数）氧化磷酸化偶联部位即氧化磷酸化偶联部位即ATP生成部位生成部位推测偶联部位推测偶联部位2006-8第九章 生物氧化45线粒体离体实验测得的一些底物的线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值比值底物底物呼吸链的组成呼吸链的组成P/O比值比值生成生成ATP数数-羟丁酸羟丁酸NAD+FMNQCytbc1 caa3 O22.42.83琥珀酸琥珀酸FADQCytbc1 c

18、aa3 O21.72抗坏血酸抗坏血酸CytcCytaa3O20.881Cytc（Fe2+）Cytaa3O20.610.681推测呼吸链偶联部位：推测呼吸链偶联部位： NADHQ ，QCytc ， Cytaa3O22006-8第九章 生物氧化46呼吸链各部位释放的自由能呼吸链各部位释放的自由能 （kj/mol） 52.1 40.5 102.3NADH：3ATP FADH2：2ATP2006-8第九章 生物氧化473、氧化磷酸化作用机理、氧化磷酸化作用机理线粒体线粒体(mitochondrion)结构：结构：线粒体内膜和脊上有许多球状小体突出：线粒体内膜和脊上有许多球状小体突出： ATP合成酶系合

19、成酶系2006-8第九章 生物氧化482006-8第九章 生物氧化492006-8第九章 生物氧化50 2006-8第九章 生物氧化51三、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（inhibitor） ADP的调节的调节 甲状腺素甲状腺素（thyroxine）的调节的调节 线粒体线粒体（mitochondrial）DNA突变突变（mutation）2006-8第九章 生物氧化521、抑制剂、抑制剂呼吸链抑制呼吸链抑制机理：阻断氢与电子的传递机理：阻断氢与电子的传递2006-8第九章 生物氧化53作用机理：作用机理： 破坏内膜两侧的电化学梯度而使氧化磷酸化偶联破坏内膜两侧的电

20、化学梯度而使氧化磷酸化偶联脱离。氧化照常进行，脱离。氧化照常进行，ATPATP不能生成。不能生成。1、抑制剂、抑制剂解偶联剂解偶联剂 解除偶联解除偶联2 2，4-4-二硝基二硝基苯酚（苯酚（DNPDNP）2006-8第九章 生物氧化542、ADP的调节的调节 ADP/ATP 氧化磷酸化氧化磷酸化 ADP/ATP 氧化磷酸化氧化磷酸化2006-8第九章 生物氧化55 Na Na+ +-K-K+ +-ATP-ATP酶酶 ATPATP水解水解氧化磷酸化氧化磷酸化ATPATP合成合成耗氧量和产热量耗氧量和产热量3、甲状腺激素的调节、甲状腺激素的调节（）（） 甲状腺激素甲状腺激素（thyroxine）2

21、006-8第九章 生物氧化564、线粒体、线粒体DNA突变突变 mtDNA编码呼吸链复合体蛋白的部分多肽链编码呼吸链复合体蛋白的部分多肽链mtDNA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mtDNA病病 （mitochondrial DNA） 多种疾病多种疾病2006-8第九章 生物氧化57四、四、 ATP的利用、转移与贮存的利用、转移与贮存 ATP + H2O ADP + Pi + 30.5 Kj2006-8第九章 生物氧化58ATP的生成和利用的生成和利用2006-8第九章 生物氧化59高能键的转移高能键的转移ATP + UDPCDPGDPADP + UTP（糖原合成）糖

22、原合成）CTP（磷脂合成）磷脂合成）GTP（蛋白质合成）蛋白质合成）2006-8第九章 生物氧化60 能量的储存（磷酸肌酸的生成）能量的储存（磷酸肌酸的生成）肌肉和脑组织中能量的贮存形式肌肉和脑组织中能量的贮存形式2006-8第九章 生物氧化61第五节第五节 非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系RH + ORH + O2 2 + NADPH + H + NADPH + H+ +ROH + NADPROH + NADP+ + + H + H2 2O O加单氧酶系加单氧酶系一、微粒体氧化体系一、微粒体氧化体系 加单氧酶系加单氧酶系, monooxygenases, MOA （羟化酶）（羟化酶） Cytp4502006-8第九章 生物氧化62二、过氧化物酶体氧化体系二、过氧化物酶体氧化体系（一）过氧化氢酶（一）过氧化氢酶（catalase, C