第七章 生物氧化

第七章生物氧化

生物氧化的场所线粒体生物氧化产生ATP微粒体生物氧化不产生ATP

与物质合成有关与生物转化有关过氧化物酶体系产生H2O2,利用H2O2

生物氧化的内容1、生物氧化中H2O的生成2、ATP生成3、能量的转移与利用4、生物氧化中CO2的生成第一节生物氧化的概述一、生物氧化的方式与特点物质在生物体内的氧化方式具有一般氧化还原反应的共同规律。在化学反应中失电子、脱氢、加氧都属于氧化；得电子、加氢、脱氧都属于还原。（一）生物氧化方式

方式氧化：加氧、脱氢、失电子还原：脱氧、加氢、得电子1、加氧反应：在底物分子中直接加上氧原子或氧分子。

+1/2O2__OH2、脱氢反应从底物分子脱下一对氢（2H）CH2CH(OH)COOHCH2COCOOH

2H注意：体内加水脱氢也是一种重要的脱氢反应。H2OOHCH3CHOCH3CHOH2H

CH3COOH增加化学反应中的脱氢机会，脱氢机会越多产生能量越多。为什么？如GS的氧化。

C6H12O63、脱电子反应：Fe2+Fe3+

e-

体内没有游离的电子或原子，一种物质脱氢，另一种物质得到氢，一种物质失电子，另一种物质就得电子，也就是一种被氧化，另一种必然被还原。

接受电子或氢原子受电子体、受氢体提供电子或氢原子供电子体、供氢体还原型

AH2B氧化型

氧化型

ABH2还原型

（二）生物氧化的特点体内的生物氧化与体外的物质燃烧，在本质上都属于氧化过程，都消耗O2，产生CO2同时放出能量。但由于生物氧化是在生物体内进行，氧化还原反应进行的环境、条件、方式等都具有与体外燃烧不同的特点。物

体内的生物氧化有H2O参加（1）提供生物氧化的环境（2）直接参与生物氧化体内最主要的氧化方式是脱氢（加水脱氢）糖、脂、蛋白质最终产物

H2OCO2

能量二、催化生物氧化的主要酶类参与体内生物氧化的酶分为：氧化酶类、需氧脱氢酶类、不需氧脱氢酶类等。（一）氧化酶类1、特点：（1）这类酶催化代谢物脱氢，可以直接传递给O2分子,进一步生成H2O。（2）一般氧化酶的辅基中常含有金属离子：Cu2+Fe2+等。如：细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶等2、作用方式2H+2e-

SH22Cu2+O=+2H+

H2O

氧化酶

S2Cu+1/2O2

（二）需氧脱氢酶1、特点：（1）这类酶催化代谢物脱氢，直接将氢传递给O2，生成的是H2O2,而不是H2O。（2）常见于：L-氨基酸氧化酶、黄嘌呤氧化酶。因为这些酶的辅基是FMN或FAD，所以也称为黄素酶。2、作用方式

SH2FMNH2O2(FAD)

需氧脱氢酶

SFMNH2O2(FADH2)（三）不需氧脱氢酶1、特点：（1）这类脱氢酶催化代谢物脱氢，但不能直接以氧为受氢体，而是将代谢物脱下的2H经过一系列的传递，最后才能将2H传递给O2，生成产物为H2O。（2）体内这类脱氢酶含量及种类最多。（3）不需氧脱氢酶

以NAD或NADP为辅酶脱氢酶以FMN或FAD为辅基脱氢酶以NAD或NADP为辅酶脱氢酶乳酸脱氢酶苹果酸脱氢酶柠檬酸脱氢酶

6-磷酸葡萄糖脱氢酶以FMN或FAD为辅基脱氢酶琥珀酸脱氢酶

NADH脱氢酶2、作用方式：SH2S2H1/2O2H2O(四）其它酶类1、加氧酶加单氧酶加双氧酶2、过氧化氢酶3、过氧化物酶第二节线粒体内膜上的呼吸链物质在生物氧化中H2O是怎样生成的？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。由于此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递连称为呼吸链。何谓呼吸链？呼吸链定义：生物氧化过程，代谢物分子中的氢经过脱氢酶催化，脱下的成对氢原子（2H）在线粒体通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合成水。由于此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链。重点呼吸链特点：1、代谢物脱下的2H,在线粒体中由许多酶和辅酶构成递氢体及递电子体，按一定顺序构成一条连锁反应体系，称为呼吸链。2、不论是递氢体或递电子体都起到传递电子的作用，因此也称为电子传递体。

2H

2H++2e-一、呼吸链的组成成分及作用通过大量的研究证明，呼吸链的组成成分有20多种，根据功能分为五大类：NAD+或NADP+黄素酶铁硫蛋白辅酶Q细胞色素酶系（一）以NAD+或NADP+为辅酶脱氢酶类NAD+

尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶Ⅰ）NADP+尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶Ⅱ)

酶蛋白脱氢酶

辅酶NAD+（辅酶Ⅰ）COⅠNADP+(辅酶Ⅱ)

COⅡ(1)形式：氧化型NAD+NADP+

还原型NADH+H+NADPH+H+(2)尼克酰胺部分可以可逆的加氢还原而脱氢氧化。（3）

NAD+

是呼吸链中第一个递氢体。（二）黄素酶黄素蛋白也属于一类氧化还原酶，其辅基中含有核黄素（VitB2),因此黄素蛋白又称为黄素酶。黄素蛋白酶蛋白（黄素酶）辅基FMNFAD维生素B2（核黄素）体内辅酶形式为

黄素单核苷酸(FMN)黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)FMN和FAD发挥功能的部位是核黄素结构中的异咯嗪环，在该环上可以进行可逆地加氢或脱氢反应。NADH脱氢酶酶蛋白

FMN琥珀酸脱氢酶酶蛋白

FAD脂肪酰COA酶蛋白

FAD特点1、FMN与FAD的异咯嗪环第1位、第10位两个N原子能够可逆的进行加氢还原，脱氢氧化。2、呼吸链中第二个递氢体。3、传递了两个氢原子。（三）铁硫蛋白（铁硫中心）铁硫蛋白是存在于线粒体内膜上的一类与传递电子有关的蛋白质，该蛋白以铁硫族（Fe–S）为辅基，Fe–S含有等量铁原子和硫原子，通过其中的铁原子与铁硫蛋白中半胱氨酸的巯基(-SH)硫相连接。铁硫蛋白结构特点：铁硫蛋白中的铁原子与铁硫蛋白中蛋白质部分的半胱氨酸残基的硫相连接。常见的铁硫蛋白有三种组合方式：1、单个铁原子与四个半胱氨酸的SH的S相连接。蛋白质半胱氨酸2、两个铁原子、两个无机硫原子组成，其中每个铁原子还各与两个半胱氨酸巯基硫相连。蛋白质3、由4个铁原子与四个无机硫原子相连铁与硫相间排列在一个正六面体的8个顶角端；此外4个铁原子还各与与一个半胱氨酸残基上的巯基相连。作用特点1、铁硫蛋白中的铁原子能够可逆进行失电子氧化反应而得电子还原反应。

Fe2+-eFe3++e2、铁硫蛋白在呼吸链中是电子传递体。3、铁硫蛋白每次只能传递一个电子，为单电子传递体。4、铁硫蛋白中的铁将FMNH2中的电子传递给泛醌。（四）泛醌即辅酶Q（COQ）泛醌是一种脂溶性醌类化合物。因为广泛存在于生物界并有醌的结构，因此称为泛醌。泛醌有一个很长的侧链，不同来源的泛醌侧链不同。特点：1、分子中苯醌结构可以可逆的加氢还原，脱氢氧化。2、泛醌属于呼吸链中的递氢体.泛醌主要接受黄素蛋白与铁硫蛋白传递过来一个质子和一个电子还原成半醌，再接受一个质子和一个电子还原成二氢泛醌。

泛醌COQ泛醌H半醌型

二氢泛醌二氢泛醌又可以脱去2个质子和2个电子而被氧化成泛醌，将2个电子进一步再传递给细胞色素系，将质子留在环境中。（五）细胞色素酶系

1926年凯林在昆虫翅膀肌肉中发现了一类有颜色的物质，定名为细胞色素（简称Cyt)目前已发现有很多种，根据其吸收光谱的不同可分为三大类，即细胞色素A、B、C、（Cyta、Cytb、Cytc）。b、c、c1、

a和a31、分类

线粒体bc1

caa3（重点）微粒体b5p4502、组成细胞色素酶蛋白（b、c1、c、aa3）辅基（铁卟啉）

3、特点：（1）细胞色素a与a3不易分离

细胞色素aa3

（2）细胞色素aa3

细胞色素氧化酶（3）细胞色素aa3

中除有2个铁原子，还有2个铜原子。（4）传递电子的顺序CytbCytc1CytcCytaa3

bc1caa3（5）细胞色素类为电子传递体，主要是通过细胞色素中的铁原子进行氧化还原反应。2Cyt-Fe3++2e-

还原2Cyt-Fe2+

氧化

2e-

（6）

细胞色素C

能溶于水，便于提纯，已应用于临床。（7）细胞色素属于电子传递体。通过用胆酸、脱氧胆酸等反复处理线粒体内膜，可将呼吸链分离得到四种仍具有传递电子功能的酶复合体，其中复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ完全镶嵌在线粒体内膜中，复合体Ⅱ镶嵌在内膜的内侧。1、复合体Ⅰ

NADH-泛醌还原酶该复合物是将电子从NADHFMN

铁硫蛋白泛醌2、复合体Ⅱ

琥珀酸-泛醌还原酶该复合物是将电子从琥珀酸

FAD

铁硫蛋白泛醌NADH-泛醌还原酶复合体Ⅱ的功能琥珀酸-泛醌还原酶3、复合体Ⅲ

泛醌细胞色素C还原酶该复合物是将电子从泛醌

Cytb

Cytc1

Cytc

4、复合体Ⅳ

细胞色素氧化酶该复合物是将电子从

Cytc

Cytaa3

特点1、其中复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ完全镶嵌在线粒体内膜中，复合体Ⅱ镶嵌在内膜的内侧。2、泛醌与Cytc不在复合体中。二、重要的呼吸链

NADH氧化呼吸链

琥珀酸氧化呼吸链重要（一）（二）琥珀酸氧化呼吸链苹果酸、异柠檬酸、丙酮酸等琥珀酸、-磷酸甘油、脂酰COA

重点：1、体内两条重要呼吸链

NADH氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链2、两条呼吸链的组成特点3、呼吸链电子的传递顺序bc1caa34、NAD2H进入

NADH氧化呼吸链

FAD2H进入琥珀酸氧化呼吸链5、NADPH2

转变

NADH2进入

NADH氧化呼吸链6、线粒体中两条呼吸链都经过COQ，因此COQ称为线粒体中不同作用物氧化呼吸链的汇合点。两条呼吸链交汇点COQ7、H2O生成代谢物脱氢氢与电子的传递分子氧激活

H2O的生成第三节氧化磷酸化与ATP生成

生物氧化不仅消耗O2,产生CO2

和H2O,更重要的是有能量的释放。生物氧化过程中所释放的能量大约40%以化学能形式贮存在ATP及其它高能化合物中，其中ATP是机体各种生命活动及代谢过程中主要供能的高能化合物。一、高能化合物（一）高能键与低能键

~

高能键水解产生能量高于21KJ/mol—

低能键水解产生能量低于21KJ/mol（二）高能化合物ATP二、ATP的生成ATP生成方式底物水平磷酸化氧化磷酸化80%重点

？（一）底物水平磷酸化代谢物在氧化分解过程中，有少数反应因脱氢或脱水而引起分子内部能量重新分布，产生高能键，然后将高能键转给ADP生成ATP的过程称为底物水平磷酸化。特点：通过底物水平磷酸化产生ATP的方式体内共有三步反应。（糖代谢）1，3二磷酸甘油酸+ADP

磷酸甘油激酶

3-磷酸甘油酸+ATP磷酸烯醇式丙酮酸+ADP

丙酮酸激酶丙酮酸+ATP琥珀酰COA+GDP

琥珀酰COA合成酶琥珀酸+

GTP（二）氧化磷酸化1、氧化磷酸化的概念代谢物脱下的2H，经呼吸链氧化生成水时所释放的能量与ADP磷酸化生成ATP储能相偶联的过程称为氧化磷酸化。重点2、氧化磷酸化的偶联部位氧化磷酸化过程中ATP产生的部位是根据P/O比值和自由能的变化确定的。（1）P/O比值：氧化磷酸化过程中，无机磷原子消耗的摩尔数与氧原子消耗的摩尔数之间的比例称为P/O比值。通过P/O比值可以了解物质氧化时每消耗1摩尔数氧原子生成ATP数。实验测定发现，代谢物脱下2H，经NADH呼吸链氧化，P/O比值为3。代谢物脱下2H，经琥珀酸氧化呼吸链氧化，P/O比值为2。（2）自由能变化每水解一分子ATP释放30.5KJ/mol

3、氧化磷酸化偶联机制（1）化学渗透学说化学渗透学说是英国科学家经过大量的实验提出的。其要点：①电子经过呼吸链传递的同时，质子（H+）可以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（H+浓度梯度和跨膜电位差），以储存能量。重点当质子（H+)顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP内膜外侧H+升高H+回流H+浓度升高时（2）ATP合酶在线粒体内膜上存在着利用呼吸链所释放的能量催化ADP与pi生成ATP的酶。

ATP合酶结构疏水的F0部位亲水的F1部位F1部位：催化ADP生成ATP。F0部位：与H+顺浓度梯度回流有关。促进H+的回流促进ADP生成ATP4、影响氧化磷酸化的因素（1）ADP/ATP比值的调节剧烈运动ATPADP促进氧化磷酸化促进三羧酸循环

休息ATPADP抑制氧化磷酸化抑制三羧酸循环节约能源物质意义：合理进行氧化磷酸化，防止能源浪费。重点（2）激素的调节：甲状腺激素是调节氧化磷酸化的重要激素。甲状腺激素诱导Na+、K+-ATP酶ATP分解导致ATPADP引起氧化磷酸化甲状腺机能亢进

甲状腺素氧化磷酸化导致产热多、出汗多、基础代谢率高（3）抑制剂的作用①呼吸链抑制剂阻断呼吸链上某一部位的电子传递，使物质氧化过程中断，磷酸化也无法进行，因此呼吸链抑制剂同样抑制氧化磷酸化。如：鱼藤酮、阿米妥、抗霉素A、氰化物（CN)、CO等。这些物质均为毒性物质，可以使细胞内呼吸停止，严重时导致细胞活动停止，机体死亡。如：氰化物中毒②解偶联剂解偶联剂的作用是使机体氧化过程照常进行，但抑制ADP磷酸化生成ATP的作用，使氧化过程产生的能量不能产生ATP，而是以热能形式散发。感冒或某些传染性疾病时体温升高，就是由于细菌或病毒产生的解偶联剂所致。最常见的解偶联剂是2.4-二硝基苯酚、双香豆素等。③磷酸化抑制剂如寡霉素等。它们作用于ATP合酶，使ADP不能磷酸生成ATP，又抑制由ADP所刺激的氧的利用。磷酸化抑制剂对电子传递没有直接抑制效应。三、高能化合物的转移、储存和利用机体能量的释放、储存和利用都以ATP为中心。ATP是生物界普遍的供能物质，体内能量代谢的重要反应是ADP/ATP转换，ADP吸收能量磷酸化生成ATP,ATP水解放出能量产生ADP。释放的能量用于各种生命活动如：呼吸、泌尿、神经传导、合成代谢、肌肉收缩等。

（一）能量的转移ATP+UDPADP+UTP

参与糖原合成ATP+CDPADP+CTP

参与磷脂合成ATP+GDPADP+GTP

参与蛋白质合成（二）能量的储存1、磷酸肌酸是脑、肌肉组织能量贮存形式2、经常锻炼，肌肉中磷酸肌酸含量升高3、肌无力症，磷酸肌酸含量下降。第四节线粒体外氧化体系一、微粒体中的氧化酶微粒体氧化体系的特点：1、耗O2量少，不伴有ATP的生成2、主要与某些物质的合成有关，如：类固醇激素、VitD3、胆汁酸等生物合成有关。3、与毒物和某些药物的生物转化有关。4、微粒体中的氧化酶加单氧酶（混合功能氧化酶）

加双氧酶加单氧酶在肝、肾上腺的微粒体中含量最多，主要参与类固醇激素、胆汁酸及胆色素的生成，同时参与药物、毒物的生物转化过程。（二）加双氧酶加双氧酶可以催化两个氧原子直接加到底物分子中带双键的2个碳原子上。R+O2RO2或R1=R2R1O+R2O-胡萝卜素在加双氧酶的作用下，碳碳双键断裂形成两分子视黄醛。

临床上判断粪便中有无隐血时，就是利用白细胞中含有过氧化物酶的活性，将联苯胺氧化成蓝色化合物。H2O2的产生对机体有有利方面，也有有害的方面。有利：1、在嗜中性粒细胞中H2O2可以杀死侵入的细胞。

2、甲状腺产生的H2O2与甲状腺素的合成有关。有害：1、氧化体内含有巯基的酶、蛋白质使之失去活性。

2、损伤生物膜。

三、超氧化物岐化酶1、在呼吸链电子传递中及其它物质氧化时，经常产生一些超氧离子，可以进一步生成H2O2和羟自由基，它们的化学性质活泼，可以使磷脂与脂肪酸氧化时产生过氧