第四章生物氧化

第四章生物氧化BiologicalOxidation1目录第一节生物氧化概述第二节线粒体氧化体系第三节氧化磷酸化作用第四节其它氧化体系（自学）2物质在生物体内进行的氧化称为生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等有机物质在生物体内彻底氧化分解最终生成CO2和H2O并逐步释放能量的过程。亦称“组织氧化”、“细胞呼吸”或“细胞氧化”。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能一、生物氧化的概念第一节生物氧化概述3CO2的生成直接脱羧：氨基酸脱羧酶氧化脱羧：丙酮酸脱氢酶复合物水的生成：脱下来的氢传递给氧CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脱氢酶1\2O2NAD+电子传递链

H2O2eO=2H+4（一）本质生物氧化的本质是电子的得失，它有三种方式：脱氢、加氧、失电子二、生物氧化的本质及过程

脱氢5加氧失电子

加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化的生成水的反应。6【甲烷单加氧酶】CH4+NADH+O2

CH3-OH+NAD++H2OFe2+Fe3++e糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATCA2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2*生物氧化的一般过程7三、生物氧化的特点

体内氧化体外氧化（1）物质氧化方式：脱氢、加氧、失电子（2）物质氧化时消耗的氧量、得到的产物和能量相同。1、生物氧化与体外氧化的相同点82、生物氧化的特点在细胞内进行，是在体温、近中性pH和有水的温和环境中，在一系列酶、辅酶和电子传递体的参与。反应分阶段进行，能量逐步释放，避免了能量骤然释放对机体的损害,使生物体能充分、有效地利用释放的能量；生物氧化过程中释放的化学能通常被偶联的磷酸化反应所利用

,贮存于高能磷酸化合物(如

ATP)中用于各种生命活动；真核细胞，生物氧化多在线粒体内进行，在不含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行。

9第二节

呼吸链一、线粒体结构特点二、呼吸链的概念三、呼吸链的组成成份四、呼吸链中传递体的排列顺序五、两条主要的呼吸链10

构成呼吸链的递氢体或递电子体通常以复合体的形式存在于线粒体内膜上。一、线粒体结构特点

在生物氧化体系中，传递氢的酶或辅酶称为递氢体，传递电子的酶或辅酶称为递电子体。11二、呼吸链的概念

呼吸链又叫电子传递体系或电子传递链，它是代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的位于线粒体内膜上的氢传递体和电子传递体传递，最后传递给被激活的氧原子而生成水的全部体系。在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上，原核生物中，它位于细胞膜上。12三、呼吸链的组成成份烟酰胺脱氢酶：递氢体黄素蛋白酶类：递氢体铁-硫蛋白：单电子传递体辅酶Ｑ：递氢体细胞色素类：单电子传递体131、烟酰胺脱氢酶类

特点：以NAD+

或NADP+为辅酶，存在于线粒体基质或胞液中。

传递氢机理:

142、黄素蛋白酶类

特点：以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白递氢机理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2153、铁硫蛋白特点：铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，Fe与无机硫或蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基相连结。传递电子机理：Fe3+

Fe2+-e+e164、泛醌（CoQ）

特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动

+2H

传递氢机理：CoQCoQH2

－2H175、细胞色素

传递电子机理：

+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+

－e－e

特点：以血红素（铁卟啉）为辅基的色素蛋白。类别:根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c、c1、a和a3)，a和a3以复合物物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu

，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。18bc1caa3O2电子传递顺序：细胞色素c的结构Cytc和c1的血红素与蛋白部分共价结合。

19

复合体

酶名称

亚基

辅基ⅠNADH-COQ还原酶39FMN，FeSⅡ

琥珀酸-COQ还原酶4FAD，FeS，铁卟啉ⅢCoQ-细胞色素c还原酶10

铁卟啉，FeSⅣ

细胞色素c氧化酶13

铁卟啉，Cu2+

呼吸链含有4种复合体由以上五种传递体组成4个复合体和2个单独成分。20ⅣCytcoxNADH+H+NAD+1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜ⅠQH2Q

Ⅱ延胡索酸琥珀酸QH2Q

4H+4H+Ⅲ4H+4H+CytcoxCytcredCytcred4H+4H+电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置21复合体Ⅰ:NADH-COQ（泛醌）还原酶

功能:

将电子从NADH传递给泛醌NADH+H+

NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH222复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌还原酶

功能:

将电子从琥珀酸传递给泛醌

复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S323复合体Ⅲ:QH2（泛醌）-细胞色素c还原酶

功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c

复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c124复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶

功能：将电子从细胞色素c传递给氧

复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB25

通过四个方面的实验可确定呼吸链各组分的排列顺序：

①测定电子传递链各组分的标准氧化还原电位②在体外将电子传递链各组分进行分离纯化③加入电子传递链的专一性抑制剂或人工供体及受体

④测定各组分特征的吸收光谱四、呼吸链组分的排列顺序26胞液侧

基质侧

线粒体内膜

各复合体的排列顺序及电子传递方式Q

1/2O2+2H+H2OⅢⅠ

Ⅱ

Ⅳ

延胡索酸

琥珀酸

e-Cytce-e-e-e-NADH+H+NAD+27NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链五、两条主要的呼吸链2829两条电子传递链的关系30第三节氧化磷酸化作用1.底物水平磷酸化：

底物分子氧化过程中内部能量重新分布，生成高能键，由此高能键提供能量使ADP直接磷酸化生成ATP或GDP直接磷酸化生成GTP的过程。一、生物体内ATP的生成方式31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+ATP磷酸甘油酸激酶丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA+Pi+GDP琥珀酸+CoA+GTP32

在生物氧化过程中，底物脱氢产生NADH

和FADH2,经呼吸链传递给氧生成水的同时，所释放的自由能使ADP磷酸化生成ATP，这种氧化反应与磷酸化反应相偶联的作用称为氧化磷酸化。氧化磷酸化是电子传递与ATP形成的偶联。2.氧化磷酸化：ADP+PiATP+H2O生物氧化过程中释放出的自由能33二、氧化磷酸化的偶联部位

物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子，所消耗的无机磷原子的摩尔数。1、磷氧比(P/O)：

由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。34NADH呼吸链的P/O为2.5，FADH2呼吸链的P/O为1.5。一对电子通过NADH（NADPH）电子传递链可泵出10个质子；一对电子通过FADH2电子传递链可泵出6个质子。每合成一个ATP需3个质子通过ATP合酶，把ATP从线粒体基质运送到胞液要消耗一个质子，所以每形成一个ATP就需要4个质子的流动352、偶联部位

偶联部位有3个：

NADH→CoQ，CoQ→Cytc及Cytaa3→O2

ATPATP

ATP36三、氧化磷酸化的偶联机理化学偶联假说1953年E.C.Slater提出构象偶联假说1964年P.D.Boyer提出化学渗透假说

1961年Peter.Mitchell

提出目前公认的机制是1961年由Mitchell提出的化学渗透学说37递氢体和递电子体交替排列，有序定位于完整的线粒体内膜上。呼吸链中复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ中的递氢体具有质子泵的作用，将质子泵到线粒体膜外侧，电子传给随后的电子传递体。完整的线粒体内膜有选择透性，H+不能自由通过。在质子泵的作用下产生了跨膜的质子浓度梯度和电位梯度。又叫质子推动力。质子推动力可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP。1、化学渗透学说主要内容：38ⅢⅠⅡⅣFoF1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+H+胞液侧基质侧++++++++++---------化学渗透假说详细示意图39内膜FoF1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基质膜间隙电子传递链40412.ATP合酶由亲水部分F1（α3β3γδε亚基）和疏水部分Fo（a1b2c9～12亚基）组成。42

F1主要作用是催化ATP形成；

Fo镶嵌在线粒体的内膜上，作为质子通道。Fo中的一个亚基称为寡霉素敏感蛋白质（OSCP）OSCP43

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比值四、影响氧化磷酸化的因素44（二）呼吸链电子传递抑制剂

它的特点是可抑制呼吸链的某一环节，使呼吸链中断。因底物的氧化作用受阻，偶联的磷酸化作用无法进行，ATP的生成随之减少。这类物质和化学药品大多对人类或哺乳动物乃至需氧生物具有极强的毒性。1、定义

是能够专一性阻断呼吸链中某些部位电子传递的物质。452、种类氰化物、叠氮化物、CO、H2S

:阻断Cytaa3向O2的传递鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶素A：阻断从NADH向CoQ的传递抗霉素A和二巯基丙醇：阻断Cytb向Cytc1的电子传递46鱼藤酮杀粉蝶菌素（粉蝶霉素A）安密妥（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47（三）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的磷酸化的试剂称为解偶联剂。1、定义

增大了线粒体内膜对H+的通透性，破坏了质子浓度梯度，从而使氧化过程释放的能量不能用于ATP的合成反应2、作用机理483、举列主要的解偶联剂有2,4-二硝基苯酚（DNP）（1）2,4-二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外49（2）解偶联蛋白作用机制ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP50（四）氧化磷酸化抑制剂

直接干扰ATP的生成，结果即阻断了呼吸链的电子传递又抑制了ATP的形成的物质。

1、定义2、作用机理

直接作用于线粒体内膜上的ATP合酶，从而使线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高。51

寡霉素(oligomycin)可阻止质子从Fo质子通道回流，抑制ATP生成寡霉素3、举列52（五）离子载体抑制剂

指那些能与某种离子结合，并作为这些离子的载体携带离子穿过线粒体内膜的脂双层进入线粒体的化合物实质是破坏了膜两侧的电位梯度。1、定义2、作用机理

结合除H+以处的一价阳离子,如缬氨霉素结合K+离子,短杆菌肽结合K+、Na+及其它一价离子等。3、举列53氧化磷酸化的抑制剂总结54五、高能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（一）定义高能化合物

水解时释放的自由能大于等于ATP水解生成ADP的标准自由能变化(-30.5kJ/mol)的化合物55（二）高能化合物的种类5657（三）重要的高能化合物---ATPATP（三磷酸腺苷）焦磷酸58ATP分子中的高能磷酸键键△G0′＝－14.3KJ键△G0′＝－27.6KJ

键△G0′＝－30.5KJ机械能--运动化学能--合成渗透能--分泌吸收电能--生物电热能--体温光能--生物发光ATP是生物系统能量交换的中心荧火虫1、ATP的特殊作用60ATP循环ATP

ADP

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)61

磷酸肌酸是骨骼肌和脑组织中能量的贮存形式。62多磷酸核苷间的能量转移

在生物体内，除了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+ADP6364磷酸基团转移的载体2、能荷

能荷(energycharge)(Atkinson,1968)

在总的腺苷酸中所负荷(含有)的高能磷酸基的量。[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]能荷=当全部腺苷酸都是ATP时,能荷=1;当全部腺苷酸都是AMP时,能荷=0.65

能荷，反映细胞能量水平。能荷对代谢的调节可通过ATP、ADP和AMP作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节来实现。能荷相对速率ATP的利用途径

ATP的生成途径能荷对ATP的生成途径和ATP的利用途径相对速率的影响66

磷酸甘油穿梭系统

主要存在于脑和骨骼肌中

苹果酸—天冬氨酸穿梭系统主要存在于肝和心肌中

酵解（细胞质）氧化磷酸化

（线粒体）六、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用67

线粒体内膜

线粒体外膜膜间腔

线粒体基质

FADH2

NAD+

FAD

-磷酸甘油脱氢酶

FADH2呼吸链

磷酸二羟丙酮

-磷酸甘油

NADH+H+