06.第八章-生物氧化幻灯片

第八章生物氧化BiologicalOxidation第一节概述生物氧化

营养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热能水如何生成?CO2如何生成?能量如何生成?生物氧化与体外氧化的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。物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。一、生物氧化的特点糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoA

TAC2H

呼吸链H2OADP+PiATPCO2

二、生物氧化的一般过程三、生物氧化过程中CO２生成的方式基本方式：

有机酸脱羧分类：

α-脱羧（羧基位置在α碳原子上）

β-脱羧（羧基位置在β碳原子上）单纯脱羧（不伴氧化）氧化脱羧（伴氧化）

1.α-单纯脱羧（一）α-脱羧2.α-氧化脱羧胺α-氨基酸2CO+2R-CHNH2氨基酸脱羧酶α2NHR-CH-COOH乙酰辅酶A+CO2SCoA~CH3COHSCoA+丙酮酸αCH3COCOOH丙酮酸脱氢酶系+NADH+H+NAD（二）β-脱羧2.β-氧化脱羧1.β-单纯脱羧丙酮酸草酰乙酸CO2+CH3COCOOH丙酮酸羧化酶αβCOCOOHHCH2-COO+CO2CHOH-COOHCH-COOHCH2-COOHαβ异柠檬酸CH2-COOHCH2CO-COOHα-酮戊二酸异柠檬酸脱氢酶+NADH+H+NAD四、生物氧化的方式生物氧化与物质在体外的氧化方式在化学本质上是相同的，生物氧化的方式有加氧、脱氢和失电子反应。生物氧化的方式

1.加氧反应

2.脱氢反应(最主要)

3.脱电子反应

Fe2+

Fe3++eCOOHC=O+2H

CH3（2H++2e）

COOH

HO－CH

CH3Cu+O2

CuO12（乳酸）（丙酮酸）第二节呼吸链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）1.以NAD+、

NADP+为辅酶的脱氢酶类NAD+、

NADP+递氢体

2.黄素蛋白

FMN、FAD递氢体

3.铁硫蛋白

单电子传递体4.泛醌（辅酶Q）

递氢体5.细胞色素体系

单电子传递体一、呼吸链的组成泛醌和Cytc均不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体四种具有传递电子功能的酶复合体(complex)复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体Ⅳ琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素c还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941113复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶NADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素还原酶FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu

线粒体的结构呼吸链呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置胞液侧基质侧ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-1.复合体Ⅰ:

NADH-泛醌还原酶NADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2功能:

将电子从NADH传递给泛醌（1）复合体Ⅰ的组成R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+和NADP+的结构

NAD+和NADP+AMP尼克酰胺磷酸核糖+H+e+H++H+NAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2H2HHHeH+H尼克酰胺核苷酸的作用原理氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。FMN(FAD)黄素单核苷酸（FMN）的结构异咯嗪核糖醇磷酸FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，属双电子传递体，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN•。OOCH3CH3RNNNHNOOCH3CH3RNNNHN+H-H+H-HHOOCH3CH3RNNNHNHHFMN(或FAD)FMNH(或FADH),即FMN•

FMNH2(或FADH2)氧化型或醌型半醌型还原型或氢醌型黄素核苷酸的作用原理核黄素(黄色)FAD/FMN

FADH2/FMNH2+2H-2H-2H+2H还原型核黄素(无色)泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）泛醌在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用，是各种还原型黄素脱氢酶类的H原子进入呼吸链的汇集中心。辅酶Q的结构由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10）OCH3CH3H3COH3COO（CH2CH=CCH2）nHoH3COH3COCH3oRRoHOH3COH3COCH3·H++eH++eH3CORoHOHH3COCH3泛醌泛醌H•

二氢泛醌氧化型或醌型半醌型还原型或氢醌型辅酶Q的作用原理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。铁硫蛋白Ⓢ表示无机硫

ⓈⓈFeFeⓈFeⓈFeSCH2SCH2SCH2SCH2功能：单电子传递体Fe2S2Fe4S4不单独存在，一般与FMN或FAD形成复合物。（2）复合体Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2复合体Ⅰ电子传递：

NADH→FMN→Fe-S→CoQNADH+H+

NAD+FMN（Fe-S）FMNH2（Fe-S）QQH22.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-S3电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S→CoQ复合体Ⅱ没有H+泵的功能。3.复合体Ⅲ：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;c1电子传递过程：

CoQH2→Cytb→Fe-S→Cytc1→Cytc细胞色素c的辅基与酶蛋白的连接方式CH3蛋白质H3CH3CNNNNFe3+CH3CH-CH3CH-CH3SCysSCysCOOHCH2CH2COOHCH2CH2细胞色素（Cyt）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。细胞色素的结构Cyta辅基CH=CH2CH3HO-CHOHCH3CNNNNFe3+CH3COOHCH2CH2COOHCH2CH2CH3CH2(

CH2-CH=C-CH2)

H3CH=CH2CH3CHH3CNNNNFe3+CH3COOHCH2CH2COOHCH2CH2CH2=H3CCytb辅基Cytaa3（细胞色素氧化酶）：

Cyta与Cyta3

结合紧密，很难分开，故将Cyta和Cyta3合称Cytaa3。Cytaa3可以直接将电子传递给氧，使氧被激活为氧离子，故亦称为细胞色素氧化酶。根据它们吸收光谱不同而分类：30多种a组：a、a1、a2、a3

…b组：b、b1～7、P450…c组：c、c1、c2、c3…Cyt在呼吸链中的作用：传递电子2Cyt-Fe3++2e2Cyt-Fe2+

2Cytaa3-Fe2++1/2O2

2Cytaa3-Fe3++O2-

4.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→CuB电子传递：

Cytc→CuA→Cyta→Cyta3–CuB→O2Cyta3–CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。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:呼吸链中氢和电子的传递顺序和方向主要是根据各种递氢体和递电子体的标准氧化还原电位数值（电子总是从低氧化还原电位向高氧化还原电位流动）而确定的。二、呼吸链成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呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列。1.NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→CoQ→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→CoQ→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2体内重要的两条呼吸链NADH氧化呼吸链

FADH2氧化呼吸链FMN(Fe－S)NADH琥珀酸FAD(Fe－S)CoQCytbCytc1CytcCytaa3O2

SH2NAD+FMNH2CoQ2Cyt-Fe2+1/2O2

（Fe-S）SNADHFMNCoQH22Cyt-Fe3+O2-（Fe-S）

琥珀酸延胡索酸FAD（Fe-S）FADH2（Fe-S）(b、c1、c

、aa3)H2O分别进入两条呼吸链的底物苹果酸异柠檬酸

琥珀酸β-羟丁酸谷氨酸

FAD（Fe-S）NAD+FMNCoQbc1caa3O2

丙酮酸FADα-酮戊二酸

脂酰CoA

α-磷酸甘油第一条链与第二条链的差别是什么?第二条链不需经过NAD+这一环节。只要在线粒体中，代谢物经呼吸链脱氢会生成H2O。怎样确定是由第一条链产生还是第二条链产生？看辅酶是什么。以FAD为辅酶的不需氧脱氢酶只有三种：琥珀酸脱氢酶，脂酰CoA脱氢酶，α-磷酸甘油脱氢酶（指线粒体中，若在胞液中则以NAD+为辅酶）。其余都是以NAD+为辅酶。1.什么叫呼吸链?2.H2O是怎么形成的？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。线粒体内膜有不同的转运体,对物质有选择性。线粒体外膜孔蛋白，<10kDa的物质通过。三、跨线粒体内膜的物质转运胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链胞浆中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：α-磷酸甘油穿梭苹果酸-天冬氨酸穿梭

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1.α-磷酸甘油穿梭机制(脑、骨骼肌，生成)1.5ATPNADH+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(心肌、肝脏，生成)2.5ATP两种穿梭系统的比较α-磷酸甘油穿梭苹果酸-天冬氨酸穿梭穿梭物质α-磷酸甘油磷酸二羟丙酮苹果酸、谷氨酸天冬aa、α-酮戊二酸进入线粒体后转变成的物质FADH2NADH+H+进入呼吸链

琥珀酸氧化呼吸链NADH氧化呼吸链生成ATP数1.52.5存在组织脑、骨骼肌肝脏和心肌组织相同点将胞浆中NADH的还原当量转送到线粒体内第三节生物氧化与能量代谢能量代谢：营养物质在生物氧化过程中释放的能量有一部分以热能形式散失，其余部分则以化学能形式储存于一些特殊的高能化合物中，供生命活动如运动、分泌、吸收、神经传导和化学反应等利用，这就是能量代谢。一、高能化合物的种类2.高能化合物：含有高能键的化合物，如ATP、

辅酶A、磷酸肌酸等。

1.高能键：能释放大于21KJ/mol能量的化学键，如高能硫酯键和高能磷酸键，以“”表示。几种常见的高能化合物通式举例释放能量

pH7.0，25℃KJ/mol(kcal/mol)NHRCNH~PO3H2CH2RCO~PO3H2ORCO~PO3H2ORC~SCoA~POOHPOOHOOH磷酸肌酸磷酸烯醇式丙酮酸乙酰磷酸乙酰CoAATP,GTP,UTP,CTP-43.9(-10.5)-61.9(-14.8)-41.8(-10.1)-31.4(-7.5)-30.5(-7.3)ATP是直接能源：A－P～P～P多数ATPADP+Pi少数ATPAMP+PPi其它核苷三磷酸为直接能源的情况ATP+UDP→ADP+UTP(糖原合成)ATP+CDP→ADP+CTP(磷脂合成)ATP+GDP→ADP+GTP(蛋白质合成)磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种储存形式。肌酸激酶肌酸NH2NHNCOOHCH3CCH2磷酸肌酸NNHNCOOHCH3CCH2H~P+ATP+ADP磷酸肌酸二、ATP的生成ATP的生成有两种方式：

底物水平磷酸化氧化磷酸化（最主要）ATP是最主要的直接供能物质；可用A－P～P～P表示末端有2个高能磷酸键。（一）底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)反应部位：胞液，线粒体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。不经电子传递。以底物水平磷酸化生成ATP的三种物质：1，3-二磷酸甘油酸，磷酸烯醇式丙酮酸，琥珀酰CoA1，3-二磷酸甘油酸+ADPATP+3-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸+ADPATP+烯醇式丙酮酸琥珀酰CoA+GDPGTP+琥珀酸高能化合物磷酸甘油酸激酶3-磷酸甘油酸这是糖酵解中第一次底物水平磷酸化反应ADPATP1,3-二磷酸甘油酸(1,3-DPG)OPO3

2-ATPADP磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸激酶(Mg2+，K+)

烯醇式丙酮酸糖酵解中第二次底物水平磷酸化反应琥珀酰CoAGDP+PiGTPATPADP琥珀酸琥珀酰CoA合成酶HSCoA琥珀酰CoA+GDP+Pi

琥珀酸+GTP+CoA-SH1分子底物生成1分子ATP；有氧无氧条件下都能进行；生理意义：在无氧条件下给机体提供能量（与呼吸链无关）。特点：（二）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。

能量的主要来源呼吸链AH22H(2H++2e)A能量ADP+PiATPO212氧化磷酸化偶联H2O根据P/O比值自由能变化:⊿Gº'=-nF⊿Eº'

氧化磷酸化偶联部位：

复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ从P/O值可了解物质氧化时每消耗1摩尔原子氧所产生的ATP的摩尔数。P/O比值指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。

离体线粒体实验中测得一些底物的P/O值1.底物呼吸链的组成P/O值生成ATP数β-羟丁酸

NAD+→FMN→CoQ→Cyt→O2

2.4～2.8

2.5琥珀酸

FAD→CoQ→Cyt→O2

1.7

1.5抗坏血酸

Cytc→Cytaa3→O2

0.881Cytc(Fe2+)

Cytaa3→O20.61～0.6812.3.4.比较1、2，第一个偶联部位NAD+→CoQ之间比较2、3，第二个偶联部位CoQ

→Cytc之间比较3、4，第三个偶联部位Cytaa3→O2之间电子传递链自由能变化

区段电位变化(⊿Eº′)自由能变化⊿Gº′=-nF⊿Eº′能否生成ATP(⊿Gº′是否大于30.5KJ)Cytaa3~O20.53V102.3KJ/mol能NAD+~CoQ0.36V69.5KJ/mol能CoQ~Cytc0.21V40.5KJ/mol能FMN(Fe－S)NADH琥珀酸FAD(Fe－S)CoQCytbCytc1CytcCytaa3O2ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位结论：1.NADH氧化呼吸链，每2H通过此呼吸链可生成2.5分子ATP；2.琥珀酸氧化呼吸链，每2H通过此呼吸链可生成1.5分子ATP。线粒体内脱氢重点：3个“2”

2条重要的呼吸链NADH氧化呼吸链琥珀酸（FADH2）氧化呼吸链

2个ATP生成方式氧化磷酸化底物水平磷酸化

2个穿梭方式α-磷酸甘油穿梭苹果酸-天冬氨酸穿梭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。三、氧化磷酸化的偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度电子传递给氧释出的能量推动质子泵；将H+泵至内膜胞液侧，形成化学梯度（势能）；当H+顺梯度回到基质侧时，释出的能量使ADP磷酸化为ATP。H+H+eOADP+PiATP胞液内膜线粒体2-12递氢体和递电子体交替排列，形成三个质子泵；要点：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2.质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催化ATP合成

当H+回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象改变，释放能量，使ADP生成ATP。F1：亲水部分，催化ATP合成。

F0：疏水部分，形成跨内膜质子通道。ATP合酶结构模式图基质侧胞液侧线粒体内膜FF0γαααβββδεF1寡霉素敏感蛋白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。

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。如：解偶联蛋白3.ATP合酶抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素(F0蛋白)（一）抑制剂四、影响氧化磷酸化的因素鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥

×抗霉素A二巯基丙醇

×CO、CN-、N3-及H2S×1.各种呼吸链抑制剂的阻断位点：基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制。如：二硝基苯酚(DNP)；解偶联蛋白(UCP1)。2.解偶联剂：使氧化与磷酸化偶联过程脱离。ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体内膜）

寡霉素：

寡霉素ATP合酶结构模式图可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。3.氧化磷酸化抑制剂：Na+，K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。（二）甲状腺激素甲状腺素Na+，K+–ATP酶（钠甲泵）ATP分解进入线粒体ADP氧化磷酸化ATP合成产热量例：甲状腺机能亢进（甲亢）（三）ADP/ATP比值的调节(最主要)ADP/ATP↓：抑制氧化磷酸化，ATP生成↓A