生物化学-第六章生物氧化

第六章生物氧化Biologicaloxidation我们整体行为\单个细胞的能量从何而来的问题?食物的摄入ATP的获得机械能(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)（一）新陈代谢的概念新陈代谢

合成代谢（同化作用）

分解代谢（异化作用）生物小分子合成为生物大分子需要能量释放能量生物大分子分解为生物小分子能量代谢物质代谢新陈代谢的共同特点：1.由酶催化，反应条件温和。2.诸多反应有严格的顺序，彼此协调。3.对周围环境高度适应。4.是长期进化形成的，生物界其基本过程十分相似。琥珀酰CoA延胡索酸草酰乙酸α-酮戊二酸柠檬酸乙酰CoA丙酮酸PEP磷酸丙糖葡萄糖或糖原糖α-磷酸甘油脂肪酸脂肪甘油三酯乙酰乙酰CoA丙氨酸半胱氨酸丝氨酸苏氨酸色氨酸异亮氨酸亮氨酸色氨酸天冬氨酸天冬酰胺苯丙氨酸酪氨酸异亮氨酸甲硫氨酸丝氨酸苏氨酸缬氨酸酮体亮氨酸赖氨酸酪氨酸色氨酸苯丙氨酸谷氨酸精氨酸谷氨酰胺组氨酸缬氨酸CO2CO2氨基酸、糖及脂肪代谢的联系TAC目录糖原甘油三酯蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoA

呼吸链H2O

ADP+PiATP

CO2

2H

TAC共同中间产物共同最终代谢通路三大营养素第1节生物氧化概述第2节呼吸链与氧化磷酸化第3节呼吸链功能调节第一节生物氧化概述ReactionsandOxidative-ReductiveEnzymesinBiologicalOxidation

一、体内进行的氧化还原反应就是生物氧化泛指在生物体内发生的任何氧化还原反应，也包括营养物和生物分子在生物体（细胞）内进行的氧化还原作用。营养物和生物分子经历氧化还原反应被彻底分解，产生H2O、CO2，并伴有ATP的生成，或转化为其它分子,此过程需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称细胞呼吸(cellularrespiration)。

*生物氧化（biologicaloxidation）

……一般来说，呼吸就是一种缓慢的碳和氢的燃烧作用，这完全类似在一盏煤油灯和蜡烛中发生的事，从这个角度看，呼吸着的动物是真正的可燃体，它们燃烧并消耗他们自己……一个人因此可以说，从降生到这个世界并开始呼吸开始，生命的火炬的点亮了他自己，直到死亡火炬才会熄灭…法国大革命糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能二、

生物氧化的一般过程*生物氧化特点：生物分子在体内的反应条件温和，逐步反应，逐步释能，常伴有分解释能反应与需能反应偶联，或能量形式的转换。

2.脱氢反应

乳酸丙酮酸CH3CH(OH)COOHCH3COCOOH+2H3.失电子反应Fe2+Fe3++e-1.加氧反应RCHO+1/2O2RCOOH

醛酸

为细胞内恒定条件下酶促反应逐步进行，能量逐步释放，生成ATP。加水脱氢反应使物质间接获得氧，脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。生物氧化体外氧化

为不恒定条件下非酶促反应，能量以热能形式突然释放。产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。

氧化方式均为加氧、脱氢、失电子。

耗氧、释放能量、终产物（CO2，H2O）均相同。不同点相同点一般将∆Gº大于ATP（包括ATP），或∆Gº大于21kJ/mol的磷酸化合物称为高能磷酸化合物。用符号~P表示高能磷酸键。（一）高能磷酸化合物的磷酰基水解时释放出大量自由能高能磷酸化合物:三、ATP:能量货币几种常见的高能化合物（二）ATP是最重要的高能磷酸化合物体内许多代谢物的“活化”反应（吸能）大多直接或间接地与ATP酸酐键的水解放能反应相偶联，使“活化”反应能顺利进行。OCH2HOHOHOHHOHHOHHH葡萄糖ATPADPMg2+己糖激酶(hexokinase)OHOHOHHOHHOHHOCH2H6-磷酸葡萄糖PP磷酸肌酸作为肌和脑中能量的一种储存形式ATP充足ATP不足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)生物体内能量的转换都是以ATP为中心的。人体内ATP的来源和去路（ATP循环）:在生物体内，除了可直接使用ATP供能外，还使用其他形式的高能磷酸键供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白质的合成等。核苷单磷酸激酶NMP+ATPNDP+ADP核苷二磷酸激酶NDP+ATPNTP+ADP（三）多磷酸核苷间的能量转移高能键转移ATP+UDPCDPGDPADP+UTP（糖原合成）CTP（磷脂合成）GTP（蛋白质合成）第二节

呼吸链与氧化磷酸化呼吸链学习的关键点营养物氧化电子传递质子泵流ATP合成真核细胞ATP的生成主要发生在线粒体中。营养物质经脱氢酶催化脱下的成对氢原子（NADH+H+，FADH2），再通过位于线粒体内膜上多种酶和辅酶催化的氧化还原连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水。氧化反应逐步释放的能量可同时驱动质子跨膜转移到内膜外侧，形成跨线粒体内膜的质子梯度，该梯度势能再促进ATP的生成。营养物氧化、电子传递、质子泵流和ATP合成等过程结合偶联成一个整体,高效完成线粒体的呼吸作用。一、总述呼吸链的定义在线粒体内膜中，代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧分子，并与之结合生成水的全部体系称呼吸链或电子传递链。呼吸链就是由电子传递体组成的氧化还原体系组成电子传递体呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置人线粒体呼吸链酶复合体1.复合体Ⅰ将NADH+H+中的两个质子/电子传递给泛醌（ubiquinone）

复合体Ⅰ又称NADH-泛醌氧化还原酶,以FMN、Fe-S为辅基复合体Ⅰ电子传递：每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体Ⅰ有质子泵功能FMN:黄素单核苷酸FeS:

铁硫中心，铁硫簇CoQ：泛醌NADH→→CoQFMN→Fe-SNAD+（NADP+）

的加氢和脱氢反应

氧化还原反应的变化发生在五价氮和三价氮之间。NAD+:氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸FMN的加氢和脱氢反应

FMN结构中含核黄素，功能部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN•。FMN:黄素单核苷酸还原型FMNFMNH.氧化型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。Ⓢ表示无机硫铁硫簇(iron-sulfurcluster

)的结构泛醌（CoenzymeQ

,CoQ,Q）由10个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），在线粒体中能够自由扩散.氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。泛醌的加氢和脱氢反应

目前推测复合体Ⅰ中电子传递顺序如下：NADH+H+

NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2复合体Ⅱ是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸-泛醌还原酶,

4个亚基组成，以FAD、Fe-S为辅基电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S→CoQ释放的自由能小,复合体Ⅱ没有H+泵的功能2.复合体Ⅱ将质子/电子从琥珀酸传递到泛醌。FAD:黄素腺嘌呤二核苷酸FAD:黄素腺嘌呤二核苷酸泛醌的结合位点:QP,QN复合体Ⅲ又叫泛醌-细胞色素C还原酶或细胞色素b-c1复合体，主要含有(1)带有2个血红素的细胞色素b(b562,b566);

(2)带有血红素的细胞色素c1;

(3)带有2Fe-2S中心的可移动的铁硫蛋白(Rieskeprotein)3.复合体Ⅲ将电子从泛醌传递给细胞色素c

复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体Ⅲ电子传递过程：CoQH2→(CytbL→CytbH)→Fe-S→Cytc1→Cytc细胞色素（Cytochrome，Cyt）

细胞色素是一类以血红素（heme）为辅基的电子传递蛋白，根据它们吸收光谱不同而分类。各种还原型细胞色素的主要光吸收峰细胞色素波长（nm）αβγa600439b562532429c550521415c1554524418CH3蛋白质H3CH3CNNNNFe3+CH3CH-CH3CH-CH3SCysSCysCOOHCH2CH2COOHCH2CH2细胞色素c的结构铁卟啉4.复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧复合体Ⅳ又称细胞色素c氧化酶,由13个亚基组成。起主要作用的是亚基I，II,III,其余起调节作用亚基II含有2个Cu离子,与半胱氨酸的巯基结合,组成双核中心,称为CuA中心亚基I含有2个含血红素的a,a3亚基I含有1个Cu离子,细胞色素a3与CuB形成a3-CuB中心

复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB其中Cyta3

和CuB形成的活性部位将电子交给O2。复合体IV有质子泵功能

呼吸链组分的顺序是根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位（E0´）、由低到高排列的，即电子总是从低电位组分向高电位组分传递。标准氧化还原电位拆开和重组特异抑制剂阻断还原状态呼吸链缓慢给氧

由以下实验确定（二）呼吸链组分的排列顺序呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位氧化还原对E0′

(V)氧化还原对E0′

(V)NAD+/NADN+H+－0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2－0.219CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2－0.219CytaFe3+/Fe2+0.29CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyta3Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.06(0.045)1/2O2/H2O0.816氧化呼吸链的组成⑴NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2⑵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→O2胞液侧

基质侧

线粒体内膜

氧化呼吸链的排列顺序Q

1/2O2+2H+H2OⅢⅠ

Ⅱ

Ⅳ

延胡索酸

琥珀酸

e-Cytce-e-e-e-NADH+H+NAD+两条电子传递链的关系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)氧化磷酸化和底物水平磷酸化的异同点?三、呼吸链释能与ADP磷酸化生成ATP的过程偶联进行*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。底物水平磷酸化见于下列三个反应：1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP3-磷酸甘油酸激酶

⑴

⑵丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP⑶琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP1.P/O比值：通过测定在氧化磷酸化过程中，氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系，可以反映底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系。每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷原子的摩尔数称为P/O比值。（一）复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ是氧化磷酸化偶联部位底物呼吸链的组成P/O比值可能生成的ATP数β-羟丁酸NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ2.52.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ1.51.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O20.881细胞色素c(Fe2+)复合体Ⅳ→O20.61～0.6812.根据电子传递时自由能变化确定偶联部位⊿Gº'=-nF⊿Eº'电子传递链自由能变化

氧化磷酸化偶联部位（二）氧化磷酸化偶联的机制是跨线粒体内膜质子梯度偶联ATP生成化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)

电子经呼吸链传递时，驱动质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，从而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。1.呼吸链氧化驱动产生跨线粒体内膜的质子梯度

ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液侧

基质侧++++++++++---------电子传递过程复合体Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有质子泵功能

●形成膜化学梯度H+浓度

pH下降

跨膜电位差能量储存●H+顺电化学梯度回流

ADPATPF1-F0复合体●ATP合酶●形成膜化学梯度H+浓度

pH下降

跨膜电位差能量储存●H+顺电化学梯度回流

ADPATP●ATP合酶-F1-F0复合体能量化学渗透假说的基本要点1、呼吸链中递氢体与递电子体交替排列，并在膜中有固定位置，催化的反应是定向的，取决于电子走向。

2、电子经呼吸链传递时可将质子从线粒体内膜的基质泵到内膜外侧，产生膜内外质子电化学梯度（氢离子浓度梯度和跨膜电位差），以此储存能量。

3、当质子顺浓度梯度回流时驱动ATP合酶，利用ADP和Pi合成ATP。

线粒体基质

线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图质子梯度的形成机制质子的转移主要通过氧化呼吸链在递氢或递电子过程中。每传递两个氢原子，就可向膜间腔释放10个质子。质子梯度的形成（三）ATP合酶利用质子顺浓度梯度回流时释放的能量合成ATP

1.ATP合酶（ATPsynthase）由F1

和F0组成F1：亲水部分（动物：α3β3γδε亚基复合体，OSCP、IF1

亚基），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。F0：疏水部分（ab2c9~12亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道。（四）线粒体内膜选择性地转运代谢物线粒体外膜孔蛋白，<10kDa的物质通过线粒体内膜不同的转运体,对物质有选择性1.胞质中NADH的氧化(线粒体外NADH的氧化)机制:①

、α-磷酸甘油穿梭

(glycerophosphateshuttle)

②、苹果酸-天冬氨酸穿梭

(malate-asparateshuttle)胞液中的3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油或乳酸脱氢，均可产生NADH。这些NADH可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷酸化，产生H2O和ATP。（一）磷酸甘油穿梭系统主要存在于脑和骨骼肌中。NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，由于经琥珀酸氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故只能产生1.5分子ATP。

线粒体内膜

线粒体外膜膜间腔

线粒体基质磷酸甘油穿梭系统

FADH2

NAD+

FAD

-磷酸甘油脱氢酶

琥珀酸氧化呼吸链

磷酸二羟丙酮

-磷酸甘油

NADH+H+-磷酸甘油脱氢酶α-磷酸甘油穿梭

特点：线粒体内外的α-磷酸甘油脱氢酶的辅酶不同胞液-----NAD+

线粒体---FADFADH2经琥珀酸氧化呼吸链2ATP

主要存在于骨骼肌、神经细胞

（二）苹果酸穿梭系统主要存在于肝和心肌中。胞液中NADH+H+的一对氢原子经此穿梭系统带入一对氢原子，由于经NADH氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故可生成2.5分子ATP。谷氨酸-天冬氨酸转运体苹果酸--酮戊二酸转运体

胞液

基质

NADH+H+

NAD+NADH+H+NAD+

苹果酸草酰乙酸

谷氨酸苹果酸脱氢酶谷草转氨酶NADH呼吸链

天冬氨酸

苹果酸穿梭系统-酮戊二酸

苹果酸穿梭系统

3ATP第三节呼吸链功能调节ATP/ADP的调节甲状腺素的调节抑制剂影响氧化磷酸化的因素ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；反之，当ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢。（一）ATP/ADP比值

（二）甲状腺激素甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的速度。其原因是甲状腺激素可以激活细胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，导致ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。Na+-K+-ATP酶生成ATP水解↑氧化磷酸化↑ATP合成↑耗氧量和产热量↑诱导甲状腺素甲亢是由于人体内的甲状腺合成和分泌过多的甲状腺激素引起身体神经、心血管、消化等系统的兴奋性增高和代谢亢进为主要表现的一组内分泌疾病的总称。它是内分泌病中的常见病.

甲状腺功能亢进症甲状腺毒症甲状腺肿大眼征特殊临床表现及类型临床表现1）高热:T>39℃2）心率>140bpm3）大汗4）大量失水、休克5）消化道症状：厌食、恶心、呕吐、腹泻6）CNS症状：烦躁不安、谵妄、嗜睡或昏迷（三）药物和毒物1．呼吸链抑制剂：能够抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或毒物称为呼吸链抑制剂。能够抑制第一位点的有异戊巴比妥、粉蝶霉素A、鱼藤酮等；能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇；能够抑制第三位点的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×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2．解偶联剂：不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，但能使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化的药物或毒物称为解偶联剂。解偶联剂通常引起线粒体内膜对质子的通透性增加，从而降低或消除线粒体内膜两侧的电化学势，抑制ATP的合成。主要的解偶联剂有2,4-二硝基苯酚。解偶联蛋白作用机制ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白