复旦生化-课件16生物氧化

生物氧化

BiologicalOxidation分解代谢的各个阶段生物氧化

（BiologicalOxidation）一.生物氧化的概念及意义二.生物氧化的特点三.生物氧化的方式四.生物氧化体系—呼吸链五.能量的释放、转移、储存及利用六.非线粒体氧化体系生物氧化[BiologicalOxidation]生物氧化是指糖类、脂类和蛋白质等在生物活细胞内进行的一系列的氧化分解作用，最终生成H2O和CO2，同时释放能量的过程，又称细胞呼吸或组织呼吸。相当于分解（异化）作用。线粒体是生物氧化的场所

1948年，EugeneKennedy和AlbertLehninger发现线粒体是真核生物生物氧化及氧化磷酸化的场所，开始了生物能研究的新世代。线粒体有两层膜，外膜对小分子（Mr5000）和离子为自由透过。内膜对大多数小分子及离子不透过（包括H+），只有内膜上存在特异运输体的物质可以透过。内膜上含有呼吸链和ATP合成酶。线粒体基质含有丙酮酸脱氢酶复合物和柠檬酸循环途径、脂肪酸-氧化途径、氨基酸氧化途径及酵解以外所有能量物质氧化途径。AlbertLehninger

1917-1986EugeneKennedy1919-线粒体的生物化学生物氧化的特点

与无机氧化（燃烧）相比，生物氧化与无机氧化从氧化的物质、释放出的总能量及终产物都相同。但两者的表现形式和条件不同。具体表现在：体外燃烧

：(CH)+O2H2O+CO2+热能。H2O的生成为氢和氧的直接化合CO2的生成为碳和氧的直接化合能量为骤然释放，以光和热的形式生物氧化的特点[cont.]

生物氧化

(CH)+O2H2O+CO2+热能

H2O的生成在酶的作用下脱氢，H经一系列的递氢和递电子反应，最终与O2接合生成H2O。

CO2为有机物在酶的作用下脱羧形成。生物氧化要求条件温和，为逐步氧化。能量的释放是一步一步缓慢释放，释放的能量以高能磷酸键的形式贮存，不会使周围温度升高而伤害有机体。反应条件

温和剧烈反应过程逐步进行的酶促反应一步完成能量释放逐步进行瞬间释放CO2生成方式

有机酸脱羧碳和氧结合H2O需要不需要

生物氧化体外燃烧生物氧化和体外燃烧的比较脱羧

[Decarboxylation]CO2的生成方式：有机物在酶的作用下脱羧(decarboxylation)生成。根据脱羧的部位分为： -decarboxylation

-decarboxylation

根据脱羧的性质分为：简单脱羧（simpledecarboxylation）氧化脱羧（oxidativedecarboxylation）直接脱羧基作用

(Directdecarboxylation)丙酮酸脱羧酶草酰乙酸脱羧酶氧化脱羧基作用

(Oxidativedecarboxylation)丙酮酸脱氢酶复合物+几个重要的CO2生成反应

生物氧化中的CO2是由糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的化合物后脱羧产生的。1、丙酮酸直接脱羧(乙醇发酵）2、丙酮酸氧化脱羧（生成乙酰CoA）3、TCA循环中-酮戊二酸的生成(异柠檬酸氧化脱羧）4、TCA循环中琥珀酰~CoA的生成（-酮戊二酸氧化脱羧）5、草酰乙酸脱羧生成丙酮酸(直接脱羧）6、苹果酸脱羧生成丙酮酸（氧化脱羧）氧化（Oxidation)（1）加氧（氧化）（oxidation）

RCHO+½O2RCOOH（2）脱氢（dehydrogenation）

RCH2OH–2HRCHOCH3CHO+H2OCH3CH(OH)(OH)

CH3COOH+2H（3）脱电子（deelectronation）

Fe2+-eFe3+脱氢酶(Dehydrogenase)

使代谢物的氢活化、脱离，并将之传递给其他受氢体或传递体。氧化酶(Oxidase)

生物氧化中，以氧直接为受氢体的氧化还原酶类称为氧化酶。加氧酶(Oxygenase)

催化加氧反应的酶。传递体(Carrier)

生物氧化过程中，起着中间传递氢或电子作用的物质，它们既不能使代谢物脱氢，也不能使氢活化。参与生物氧化的酶类脱氢酶（Dehydrogenase)

催化：DH+RD+RH绝大多数脱氢酶需要CoI或CoII作为辅酶。

3-磷酸甘油醛+NAD++磷酸

1,3-二磷酸甘油酸+NADH+H+

丙酮酸+NADH+H+乳酸+NAD+也有以黄素核苷酸（FMN或FAD）作为辅酶的。

琥珀酸+FAD延胡索酸+FADH2

NADH+H++FMNNAD++FMNH2氧化酶(Oxidase)（1）催化：RH+O2R+H2O2

产物是H2O2；需要黄素核苷酸作为辅基。

葡萄糖+O2+H2O葡萄糖酸内酯+H2O2（2）催化：RH+O2R+H2O

作用产物之一是H2O，不是H2O2；包括两种类型：金属蛋白，如抗坏血酸氧化酶，含铜

L-抗坏血酸+O2脱氢抗坏血酸+H2O

一类是细胞色素氧化酶，催化：

4Cytc-Fe2++O24Cytc-Fe3++H2O过氧化物酶（Peroxidase)

催化H2O2等作为氧化剂的氧化还原反应，主要存在于过氧化物酶体，负责H2O2和过氧化物的分解与转化。如：以血红素为辅基的过氧化物酶和过氧化氢酶；以FAD为辅基的NAD(P)过氧化物酶；谷胱甘肽过氧化物酶，有的含硒，有的则不含，主要的功能是将脂类过氧化物还原为相应的醇，同时催化谷胱甘肽转变为氧化型。2H2O22H2O+O2(过氧化氢酶）

RH+H2O22H2O+R(过氧化物酶）

2GSH+ROOHROH+GSSG超氧化物歧化酶

（Superoxidedismutase,SOD)

一种与阻断过氧化物生成有关的特殊氧化酶。生物体的自由基清除剂。分为CuZn-SOD、Mn-SOD和Fe-SOD三种。

2O=+2H+

H2O2+O2

作用是清除超氧负离子自由基。超氧自由基是带有不配对电子的氧分子，十分活跃，可与多种生物分子反应，引发脂质过氧化，造成膜损伤；使DNA断裂，导致基因突变；与炎症、衰老、肿瘤等密切相关。氧合酶（Oxygenase)

与氧化酶不同，氧合酶催化氧原子直接参入有机分子。(A)催化两个氧原子参入[dioxygenase]，需要铁离子或NADP作为辅助因子，往往伴随开环。儿茶酚+O2顺，顺-己二烯二酸

(B)催化一个氧原子参入(monooxygenase)L-乳酸+O2

乙酸+CO2+H2O

这类酶有的是黄素蛋白，反应过程包含脱羧。电子传递体

（ElectronTransfer）

它们通过自身的还原和氧化，将脱氢酶和氧化酶连接起来组成呼吸链，在生物氧化和氧化磷酸化过程中发挥重要作用，主要包括黄素蛋白、铁硫蛋白、CoQ和细胞色素复合物。生物氧化体系—呼吸链(RespiratoryChain)

生物氧化体系解决的是有机物脱氢及氢的去路问题，即解决有机物是如何通过一系列特异性的酶催化的反应脱氢、递氢和递电子，把氢交给氧生成水，并产生ATP的问题。整个氢的传递和电子的传递过程以及参与这一系列催化反应的酶与辅酶及其他中间递体一个接一个，组成链状反应体系，如同接力棒一样，这种形式的反应——呼吸链。递氢体:呼吸链中参与传递H的辅酶或辅基。递电子体:呼吸链中参与传递电子的辅酶或辅基。人体最普遍最重要的呼吸链以:

NAD+(CoI)或NADP+(CoII)为辅酶的脱氢酶、黄素蛋白（黄酶yellowenzyme,flavoprotein,FP）、辅酶Q

(CoQ,泛醌，ubiquinone)及

细胞色素复合物(cytochromecomplex)组成两条呼吸链：

S.NAD+FP1CoQbc1c(a+a3)1/2O2

FP2

S.NADH氧化呼吸链（电子传递链）电子传递链的类型琥珀酸氧化呼吸链（FADH2电子传递链）呼吸链的组成及作用机理1、烟酰胺脱氢酶类[nicotinamidedehydrogenases]

[或称吡啶脱氢酶类，pyridinedehydrogenases]，以NAD+及NADP+为辅酶。2、黄素酶类[flavoprotein,flavin-linkeddehydrogenase,NADHdehydrogenase]黄素单核苷酸(FMN)黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)3、辅酶Q

(coenzymeQ,CoQ)

(泛醌，ubiquinone)4、

细胞色素类[cytochromes]Cytb,Cytc1,Cytc,Cyta1a3烟酰胺[吡啶]脱氢酶类

许多代谢（中间）物的脱氢都通过脱氢酶的作用，是催化底物脱氢的一类酶，辅酶大多相同，有两种：NAD+（CoI）（nicotinamideadeninedinucleotide）、

NADP+

(CoII):(nicotinamideadeninedinucleotidephosphate)。

还原型代谢物+NAD+氧化型代谢物+NADH+H+

还原型代谢物+NADP+氧化型代谢物+NADPH+H+

这些脱氢酶有些分布在胞质中，有些分布在线粒体中，有些则胞质和线粒体中兼有。NAD（P）H相连的脱氢酶

催化的一些重要反应黄素酶类

这类酶是与黄素相关的脱氢酶，也称为黄素蛋白，辅基中因含核黄素得名，线粒体中可能与一种铁硫蛋白（Iron-sulfurprotein，Fe-S）组成复合体。

种类多，酶蛋白不同，但辅基只有两种：

黄素单核苷酸[FMN]是NADH脱氢酶（FP1）的辅基。NADH+H++E-FMNNAD++E-FMNH2

黄素腺嘌呤二核苷酸[FAD]是琥珀酸脱氢酶（FP2）的辅基。此类酶催化由NADH、琥珀酸、脂酰CoA及3-磷酸甘油分子上的脱氢，生成FMNH2或FADH2。铁-硫中心[Iron-sulfurCenter]

铁与无机硫原子和/或蛋白质Cys残基的硫原子相连。铁硫中心（Fe-S）最简单的是单个铁原子与4个Cys的-SH相连，更复杂的是有2个或4个铁原子。所有的铁硫蛋白参与一个电子的转移，其中的铁原子或被氧化、或被还原，线粒体中至少有8个铁硫蛋白参与电子传递。辅酶Q（CoenzymeQ，CoQ）

又称泛醌(Ubiquinone)，脂溶性醌类化合物，有一个长的异戊二烯侧链，因广泛存在得名。呼吸链中是参入到线粒体内膜的电子载体。

CoQ在呼吸链中接受黄素酶的H，本身被还原为氢醌，再把电子传递给Cyt体系被氧化，接受1e变为自由基半醌，接受2e变为氢醌（QH2）。

CoQ不仅接受NADH脱氢酶的H，还接受线粒体其他脱氢酶的H，如琥珀酸脱氢酶，脂酰CoA脱氢酶及其他黄素脱氢酶脱下的H，在电子传递链中处于中心地位。氧化型泛醌自由基半醌氢（质）醌细胞色素类(Cytochromes)

细胞色素是含铁的电子传递体，铁原子处于卟啉结构中心，构成血红素(heme)。细胞色素类都以血红素作为辅基，使这类蛋白质呈现红色或褐色。细胞色素类在呼吸链中将电子从辅酶Q传递到O2。

D.Kailin根据吸收光谱将它们分成a、b、c三类。线粒体的电子传递链至少含有5种不同的细胞色素：b、c1、c、a1、a3。

细胞色素b、c、a呼吸链功能

复合物的分离两条重要的氧化呼吸链(I)(II)ComplexI：NADH到CoQ

NADH脱氢酶复合物，也称NADH：泛醌氧化还原酶，是一个大的酶复合物，由42条不同的多肽链组成，包括含FMN黄素蛋白和至少6个铁硫中心。高分辨率电子显微镜显示复合物I为L形，L的一个臂在膜内，另一臂伸展到基质中。 复合物I催化两个同时发生的偶联过程：（1）NADH+H++QNAD++QH2（2）4个质子由基质转到内膜外 因此，复合物I是由电子转移能所驱动的质子泵，结果内膜基质面变负，内膜外侧变正。复合物

I(ComplexI):NADH+H+NAD+FMNFMNH2Fe2+-SFe3+-SCoQCoQH2NADPH+NAD+NADP++NADHNADPH可将电子传递给NAD+电子传递的方向为：NADH→FMN→Fe-S→QComplexII：琥珀酸到泛醌

也称琥珀酸脱氢酶，是TCA循环中唯一的一个线粒体内膜结合的酶，虽比复合物I小而简单，但含有两类辅基和至少4种不同的蛋白质，与FAD及有4个铁原子的Fe-S中心共价结合。电子由琥珀酸流向FAD，然后通过Fe-S中心到泛醌。

呼吸链上还有其他底物的电子流经Q，但不经过复合物II，如脂酰CoA脱氢酶、3-磷酸甘油脱氢酶等。ETF:Electron-transferringFlavoproteinComplexIISuccinateFumarateFADFADH2Fe2+-SFe3+-SCoQCoQH2电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q反应结果为：琥珀酸+Q→延胡索酸+QH2

ComplexIII：CoQtoCytc

又称Cytbc1复合物或泛醌：细胞色素c氧化还原酶。偶联催化电子由氢醌到Cytc的转移和质子由膜内基质向膜外空间的运输。 复合物III和IV结构的确定（1995-1998，X-射线晶体学）是线粒体电子转移研究的里程碑。复合物III是一个由相同单体组成的二聚体，每个单体含有11个不同的亚基。ComplexIII:UbiquinonetoCytc

复合物III的功能核心有三部分：含2Fe-2S的铁硫蛋白，Cytb（有两个血红素bH和bL

），和带血红素的Cytc1。

有功能的二聚体单位中，Cytc1和铁硫蛋白突出P面，与膜间空间的Cytc作用，复合物有两个泛醌结合位点QN和QP（两个阻止氧化磷酸化作用的药物作用位点-可阻止QN面电子由bH流向Q以及QP的电子由QH2流向铁硫蛋白）。单体间的界面形成两个口袋，每个口袋含来自1个单体的QP和另一个单体的QN。泛醌在这些掩蔽的袋中移动。ComplexIII：泛醌到CytC

（Cytplex或泛醌：CytC氧化还原酶）单体二聚体功能单位抗霉素AntimycinA粘色唑Myxothizol电子：Qbc1c总的反应结果为：2还原态cytc1+QH2+2H+（M）→2氧化态cytc1+Q+4H+（P）Q循环示意图（引自Lodish等1999）Q循环Q循环（TheQCycle)

电子经复合物III的流动模型--Q循环的反应为：

QH2+2cytc1（氧化型）+2HN+Q+2cytc1(还原型）+4Hp+

膜的P侧，2QH2被氧化为2Q，释放4H+到内膜外空间，2个QH2提供2e到cytc1（通过Fe-S中心），另2e到Q分子（通过cytb），再还原成QH2，还原反应还从基质中利用2H+。转移的净效应：

QH2被氧化成Q，2cytc被还原。ComplexIV：CytctoO2

又称细胞色素氧化酶，呼吸链的最后一步，把Cytc的电子转移给O2，生成H2O。一个大的酶复合物[线粒体内膜上,13个亚基，Mr204000]，作用是电子传递和质子泵。三个亚基对于功能至关重要。电子传递为：cytc-CuA-a-a3-CuB-O2，每4e通过复合物时，酶从基质中消耗4个“底物”H+，生成2H2O，每通过1e，利用氧化还原反应的能量泵出1H+到内膜外空间。

4cytc(reduced)+8H+N+O24cytc(oxidized)+4H+P+2H2O两条重要的氧化呼吸链(I)(II)线粒体电子传递链蛋白质组成电子和质子通过呼吸链

四个复合物流动的总结

电子从复合物I或II到达辅酶Q，承担了电子和质子的流动载体。再将电子传递给复合物III，后者将它们传递给流动的连接器—细胞色素c。然后复合物IV由还原的细胞色素c将电子传递给O2。电子流经复合物I、III和IV的过程伴随质子从基质流向膜外空间。脂肪酸-氧化产生的电子也可以通过辅酶Q进入呼吸链。电子传递顺序的证据1、从NADH到O2，每一电子传递体的氧化还原电势逐步增加。

-0.32-0.060.00+0.26+0.28+0.82NAD+FP1CoQbc1caa3O2

数值愈低，失去电子的倾向愈大，愈易成为还原剂而处于呼吸链的前面。电子按氧化还原电位从低向高传递，能量逐级释放。电子传递顺序的证据2、用分离的电子传递体重组，NADH可使NADH脱氢酶还原，但不能直接使cytb、c或aa3还原。还原型NADH脱氢酶不能直接与cytc起作用，必须经过辅酶Q和cytb和c1后才能再与cytc起作用。3、分离到的线粒体传递体复合物，在传递功能上都是有顺序地联在一起的。如cytb、c1和一个铁-硫蛋白等。电子传递的抑制剂

能阻断呼吸链某一部位电子传递的物质为电子传递抑制剂。利用专一性电子传递抑制剂选择性地阻断某个传递过程，再测定链中各组分的氧化-还原态情况，是研究电子传递顺序的有效的重要方法。1、鱼藤酮(rotenone)、安密妥(amytal)、杀粉蝶菌素(piericidin)，阻断电子由NADH向CoQ的传递。2、抗霉素A(antimycinA)，抑制b到c1的电子传递。3、氰化物、硫化氢、叠氮化物、CO等，阻断电子由cytaa3到氧的传递。决定电子载体顺序的方法电子传递、质子梯度及ATP合成呼吸链中ATP的产生氧化磷酸化

（OxidativePhosphorylation)

生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经呼吸链氧化为水时所释放的能量转移给ADP形成ATP的过程。实际上是氧化作用与氧化作用过程释放的能量用于形成ATP过程（磷酸化作用）两种作用的偶联反应。高能磷酸键的形成及转移

氧化磷酸化（Coupledoxidativephosphorylation)磷氧比（P/O）1940，S.Ochoa提出，代谢物脱下的氢经呼吸链氧化生成水，一对电子（2H）经呼吸链传递到O2生成水所产生的ATP分子的数目（即消耗1个原子氧所产生ATP的数目）称为磷氧比(P/O)。代谢物脱下的2H经NADH氧化呼吸链被氧化为水时，生成3ATP（P/O3），而经琥珀酸氧化呼吸链氧化为水时，生成2ATP（P/O2）。

现在普遍认为，2H经NADH氧化呼吸链被氧化为水时，生成2.5ATP；而经琥珀酸氧化呼吸链氧化为水时，生成1.5ATP

。氧化磷酸化偶联的部位影响氧化磷酸化作用的因素（1）ADP-Pi、ATP的调节作用ADP/ATP小，减缓、表现为抑制作用；ADP/ATP

大，加快、表现为促进作用.（2）激素的调节作用Thyroxine(+)Na+、K+-ATPase,加快ATPADP+Pi,ADP进入线粒体的数量增加，氧化磷酸化加快，耗氧及产热增多—甲状腺机能亢进(hyperthyroidism)，患者BMR(basalmetabolicrate)增高。影响氧化磷酸化作用的因素（续）（3）抑制剂（inhibitors)的作用A.解偶联剂[uncoupler]的作用[2,4-dinitrophenol,DNP]，解除偶联作用。B.寡霉素[oligomycin]，抑制氧的利用和ATP的形成。C.CO的作用，与还原型Cyt氧化酶结合。D.CN-的作用，与氧化型Cyt氧化酶结合，生成高铁Cyt氧化酶,酶失活，电子不能传给O2，呼吸中断。E.

异巴比妥和鱼藤酮的作用，抑制FP1CoQ的传递。F.Antimycin(antitoxin)A的作用，抑制Cyt

bc的传递。G.离子载体抑制剂（ionophores)解偶联剂的作用机理pH为7时，DNP以解离形式存在，脂不溶性，不能过膜。接受质子成为非解离形式，脂溶性，可过膜。质子被带入膜内，打破跨膜的质子梯度。质子梯度不用于ATP形成，P/O下降。2，4-二硝基苯酚的作用机理解偶联蛋白

（Uncouplingproteins,UCPs)

解偶联蛋白是线粒体内膜上参与机体产热的重要转运蛋白质。UCPs被激活时，形成质子通道，可引起线粒体内膜上的质子转运速度加快，使ATP合成依赖的线粒体内膜上的电化学梯度改变，氧化磷酸化被解偶联，不能合成ATP，产能转化为产热。UCPs被认为是参与能量代谢的重要靶蛋白。 机体产热与能量平衡、代谢、体重调节有着密不可分的关系，推测UCPs可能与肥胖、胰岛素抵抗及糖尿病的发生发展相关。但对于UCPs生理功能的组织特异性及其主要的体内的调控因素仍不十分清楚。 目前作为肥胖药物研究的靶蛋白非常热门。氧化磷酸化作用的机理

(1)

化学偶联假说（chemicalcouplinghypothesis），认为电子传递和ATP生成的偶联是通过一系列连续的化学反应形成一个高能的共价中间物，被用于ATP的形成。

(2)构象偶联假说（conformationalcouplinghypothesis），认为电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋白组分发生了构象变化而形成一种高能形式，进一步使F0F1-ATP酶高能化，用于ATP的生成。氧化磷酸化作用的机理

(3)

化学渗透假说（chemiosmotichypothesis），认为电子传递的结果把H+从线粒体内膜基质泵到膜外空间形成一个跨内膜的H+梯度，这种H+梯度渗透能（质子推动力，质力）用于驱动ATP的生成。由英国科学家P.Michell(1961)提出，获1978年诺贝尔化学奖。化学渗透假说模式图（Chemiosmotichypothesis）

化学渗透假说示意图化学渗透模型（ChemiosmoticModel)ATP合成酶

[ATPsynthase]

位于线粒体内膜的内表面，又称F1/F0-ATP合成酶。F1由5种亚基组成，为酶复合物的球状头部，也是活性中心，位于内膜基质表面。F0横贯内膜，含有质子通道，由4种亚基组成。线粒体ATP合成酶复合物F1复合物F1结晶ATP结合位点ADP结合位点侧视俯视线粒体ATP合成酶复合物F0F1结构酵母F0F1结构F0F1复合物结构能量的转移、贮存和利用

代谢物氧化最终都将能量转移给ADP形成ATP才能被生命活动所利用。

ATP水解释放的能量除供机体活动外，有一部分能量可通过高能键的形式转移给肌酸生成磷酸肌酸(phosphocreatine),是肌肉及脑组织中的能量贮存形式。 生物体内有诸多合成反应所需能量分子并非直接为ATP，如糖元合成所需能量物质为UTP，磷脂合成则需CTP，而蛋白质合成需要GTP。究其根源，这些高能化合物还是来源于ATP,ATP+NDPADP+NTP。磷酸肌酸作为能量储