高中生物竞赛：生物化学第七章生物氧化课件

第七章生物氧化BiologicalOxidation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。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能*生物氧化的概念*

生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放有利于有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。*

生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化体外氧化能量是突然释放的。产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2*生物氧化的一般过程第一节

生成ATP的氧化体系

TheOxidationSystemofATPProducing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(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。组成递氢体和电子传递体（2H2H++2e）一、呼吸链

呼吸链的三种类型

原核细胞的细胞膜和真核细胞的线粒体内膜，通过氧化磷酸化产生ATP：NADH呼吸链、FADH2呼吸链真核细胞内质网，参与某些代谢物的合成或降解，不产生ATP：细胞色素P450呼吸链呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置（一）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Cytc

均不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN•。铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。（非血红素铁）Ⓢ表示无机硫

铁硫蛋白SS无机硫半胱氨酸硫泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。细胞色素细胞色素是一类以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。（血红素铁）复合体I：NADH-CoQ还原酶NADH脱氢酶是主要成分NADHFMNFe-SCoQ4个质子泵入线粒体膜间隙NADHdehydrogenase(ComplexI)NADH+5H+N+QNAD++QH2+4H+P复合物II：琥珀酸-CoQ还原酶琥珀酸脱氢酶是主要成分琥珀酸FADFe-S蛋白CytbCoQ无质子泵出StructureofComplexII(succinatedehydrogenase)ofE.coli

复合体III：CoQ-细胞色素c还原酶CoQCytbFe-S蛋白Cytc1Cytc4个质子泵出ElectronpathinComplexIII复合体IV:细胞色素c氧化酶CytcCuACytaCuB-a3O22个质子泵出4Cytc(reduced)+8H+N+O24Cytc(oxidized)+4H+P+2H2O

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（二）呼吸链成分的排列顺序1.NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22.琥珀酸氧化呼吸链

琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链

二、氧化磷酸化*定义氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)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(substratelevelphosphorylation)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）氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ根据自由能变化和P/O比值⊿Gº'=-nF⊿Eº'氧化磷酸化的效率可以通过测定P/O值来确定。P/O值是指电子传递过程中，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷酸的摩尔数。消耗的氧原子数目相当于传递给氧气的电子数的1/2，消耗的无机磷酸等于氧化磷酸化产生的ATP。ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位电子传递链自由能变化

（二）氧化磷酸化的偶联机理1.化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)

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。Summaryoftheflowofelectronsandprotonsthroughthefourcomplexesoftherespiratorychain*****Summaryoftheflowofelectronsandprotonsthroughthefourcomplexesoftherespiratorychain*****NADH呼吸链FADH2呼吸链每对电子通过复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ可导致10个（4＋4＋2）质子从基质泵出；来自复合体Ⅱ中的FADH2的电子绕过复合体Ⅰ进入电子传递链只能导致6个（4＋2）质子跨膜移动。大多数实验测量表明：每合成1分子ATP

大约需要3个质子通过FoF1-ATP

酶；同时，从细胞质转运合成ATP

所需的Pi至线粒体基质要消耗1个质子。即:每合成1个ATP

需消耗4个质子。因此，1

对H(即2e)经NADH呼吸链生成2.5

个ATP，经FADH2呼吸链生成1.5

个ATP。化学渗透学说图解AnartificiallyimposedprotongradientcandriveATPsynthesis!MitochondrialgenesandmutationsLHON:Leber’shereditaryopticneuropathyBacterialrespiratorychain2.ATP合酶由亲水部分F1（α3β3γδε亚基）和疏水部分F0（a1b2c9～12亚基）组成。ATP合酶结构模式图TheATPsynthasecomprisesaprotonchannel(Fo)andaATPase(F1)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Binding-changemodelforATPsynthaseb-ATPb-ADPb-empty三、影响氧化磷酸化的因素1.呼吸链抑制剂

阻断呼吸链中某些部位电子传递。2.解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。（DNP）如：解偶联蛋白3.氧化磷酸化抑制剂

对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素（一）抑制剂鱼藤酮粉蝶霉素A安密妥×抗霉素A二巯基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各种呼吸链抑制剂的阻断位点

寡霉素(oligomycin)可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生；H+电化学梯度异常增高抑制电子传递的氧化过程寡霉素ATP合酶结构模式图解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATPDNP解偶联的化学机制

线粒体中的UCP1利用细胞的能量产生热量。

如果UCP1在小鼠中被“关闭”，动物将会冻僵。

如果没有这个蛋白，冬眠的动物将不能在冬季生存。Plosone,2013,Oct28;8(10):e77786解耦联蛋白UCP产热素的作用图解不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响

氧化磷酸化的抑制剂抑制类型抑制剂名称作用位点或作用机制呼吸链抑制剂鱼藤酮、安米妥、杀粉菌素萎锈灵抗霉素A氰化物、CO、H2S、叠氮化物复合体I复合体II复合体III复合体IVF1F0-ATP合酶抑制剂Aurovertin寡霉素、venturicidinDCCD抑制F1抑制F0阻止质子通过质子F0通道解偶联剂DNP、FCCP缬氨霉素生热素脂溶性质子载体钾离子载体，破坏电势能质子通道ATP/ADP交换体抑制剂苍术苷、米酵菌酸抑制线粒体基质内的ATP与细胞质内的ADP之间交换（二）ADP的调节作用呼吸控制率(respiratorycontrolratio,RCR)（三）甲状腺激素Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。（四）线粒体DNA突变

与线粒体DNA病及衰老有关。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+目录四、ATP高能磷酸键与高能磷酸化合物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。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物

核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶的作用

ADP+ADPATP+AMP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的生成和利用ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~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)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。五、通过线粒体内膜的物质转运线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。

线粒体内膜的主要转运蛋白

（一）胞浆中NADH的氧化胞浆中NADH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(α-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)1.

α-磷酸甘油穿梭机制主要存在于骨骼肌和脑中

NADH+H+FADH2NAD+FAD

线粒体内膜

线粒体外膜膜间隙

线粒体基质α-磷酸甘油脱氢酶呼吸链磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油2.

苹果酸-天冬氨酸穿梭机制主要存在于心肌、肝、肾中NADH+H+NAD+NADH+H+NAD+谷氨酸-天冬氨酸转运体苹果酸-α-酮戊二酸转运体苹果酸草酰乙酸α-酮戊二酸谷氨酸苹果酸脱氢酶谷草转氨酶胞液线粒体内膜基质呼吸链天冬氨酸

（二）腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白(adeninenucleotidetransporter)

参与ADP与ATP反向转运。ATP4-F0F1胞液侧基质侧腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白ADP3-H2PO4-ATP4-H+H+H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-ATP-ADP转位酶ATP必须运输出线粒体

ATP离开,ADP进入线粒体-通过一种“转位酶"ATP离开是有利的，因为细胞液比基质要"+"然而ATP出去和ADP进入有1个负电荷的净转移——相当于有1个质子进入基质。所以每1个ATP的输出消耗1个H+

1个ATP合成大概需要消耗3H+

于是，合成及加上输出1ATP=4H+

1NADH2.5ATP1FADH21.5ATP第二节

其他氧化酶系TheOthersOxidationEnzymeSystems一、需氧脱氢酶和氧化酶75FADorFMN为辅酶或辅基的脱氢酶类（黄素酶）受氢体的不同分为2类

⑴需氧黄酶（Aerobicflavoenzyme）氧为直接受氢体，2H＋O2H2O2

S-2HFMNorFADH2O2

需氧黄酶

SFMNH2orFADH2O2

（已氧化代谢物）

e.g.氨基酸氧化酶或氨基酸脱氢酶----2H

2H----76

⑵不需氧黄酶（Anaerobicflavoenzyme）

不是氧为直接受氢体，催化底物脱下的氢先传给中间传递体，再传给分子氧而生成水。

S-2HFMNorFAD传递体-2H½O2

不需氧黄酶

SFMNH2

传递体H2OorFADH2

e.g.琥珀酸脱氢酶（FAD）、脂肪酰CoA脱氢酶（FAD)等。

2H----

2H----

2H----77

NADorNADP为辅酶的脱氢酶（不需氧脱氢酶）

S-2HNAD+orNADP+

传递体-2H½O2

需氧脱氢酶

SNADH+H+or

传递体H2ONADPH+H+

2H----

2H----

2H----78

氧化酶类（Oxidases）

以氧为直接受氢体的氧化还原酶类。

S-2H2Cu2+or2Fe3+O2-H2O(或者传递体－2H)

S2Cu+or2Fe2+½O2

已氧化底物

(或者已氧化传递体)