第四章 生物氧化

第四章生物氧化第一页，共七十六页，编辑于2023年，星期五物质在生物体内进行氧化称生物氧化，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。ADP+Pi热能糖CO2和H2O

O2能量ATP脂肪蛋白质此外还有以体内代谢物、药物及毒物等非营养性物质的清除、排泄有关的非线粒体氧化体系。第二页，共七十六页，编辑于2023年，星期五*生物氧化的一般过程第三页，共七十六页，编辑于2023年，星期五线粒体是细胞内的动力站，主要功能是进行氧化硫酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供能量。第一节概述一、线粒体的结构第四页，共七十六页，编辑于2023年，星期五一、线粒体的结构线粒体由内膜、外膜、膜间隙、基质组成。内膜把膜间隙与基质分开，内膜向基质折叠形成嵴。嵴上有许多带柄的球状小体，称为基质颗粒。第五页，共七十六页，编辑于2023年，星期五基粒由头部、柄部和基部组成，也称为三联体或ATP酶复合体。ATP合酶结构模式图基质侧胞液侧线粒体内膜F1F0γαααβββδε由亲水部分

F1(α3β3γδε亚基）、疏水部分F0（a1b2c9～12亚基）以及连接F1/F0的柄部蛋白组成。第六页，共七十六页，编辑于2023年，星期五F1（偶联因子）中还含有F1抑制蛋白，防止ATP无效水解。F1主要功能是催化ADP和Pi发生磷酸化而生成ATP，同时有水解ATP的功能，所以又称为F1-ATP酶。F0具有质子通道的功能，可传递质子通过膜到达催化部位。柄部蛋白含寡霉素敏感蛋白（OSCP），控制质子的流动速率。ATP合酶结构模式图基质侧胞液侧线粒体内膜F1F0γαααβββδε第七页，共七十六页，编辑于2023年，星期五二、生物氧化的方式与特点(一)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、脱氢加水脱氢和失电子反应。第八页，共七十六页，编辑于2023年，星期五A、生物氧化过程中CO2的生成

人体内CO2的生成来源于有机酸的脱羧反应。根据脱去的羧基在有机酸分子中的位置不同，分为α-脱羧和β-脱羧两种；又根据脱羧是否伴有氧化，可分为单纯脱羧和氧化脱羧两种类型。(一)α-单纯脱羧胺α-氨基酸2CO+2R-CHNH2氨基酸脱羧酶α2NHR-CH-COOH第九页，共七十六页，编辑于2023年，星期五(二)α-氧化脱羧(三)β-单纯脱羧(四)β-氧化脱羧

+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丙酮酸草酰乙酸CO2+CH3COCOOH丙酮酸羧化酶αβCOCOOHHCH2-COO乙酰辅酶A+CO2SCoA~CH3COHSCoA+丙酮酸αCH3COCOOH丙酮酸脱氢酶系+NADH+H+NAD第十页，共七十六页，编辑于2023年，星期五

乳酸丙酮酸CH3CH(OH)COOHCH3COCOOH+2HFe2+Fe3++eRCHO+1/2O2RCOOH

醛酸CH3CHOCH3COOHCH3CHOHOH+H2O-2H4.加水脱氢3.失电子反应2.脱氢反应1.加氧反应B、生物氧化中物质的氧化方式第十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期五(二)生物氧化的特点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。不同点相同点第十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期五第十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期五二、生物氧化的酶类(一)氧化酶类细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶等属于此类酶，该类酶的亚基常含有铁、铜等金属离子。2H+H2OSH2+2e2Cu2+O2-S2Cu+1/2O2SH2:底物S:产物2H+H2OSH2+2Cu2+O2-S2Cu+1/2O22e第十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期五(二)需氧脱氢酶类(三)不需氧脱氢酶类乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶等

。

L-氨基酸氧化酶、黄嘌呤氧化酶等属于此类酶。

2HH2O2SH2SO2FMN

或FADFMNH2

或FADH22HSH2SFMN(或FAD)FMNH2(或FADH2)SH2SNAD+(NADP+)NADH+H+(NADPH+H+)第十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期五第二节呼吸链与氧化磷酸化

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)。一、什么是呼吸链(respiratorychainandoxidativephosphorylation

)第十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期五线粒体内膜上一组排列有序的递氢体和递电子体（酶与辅酶）构成的功能单位，也称电子传递链(electrontransportchain)。第十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期五四种具有传递氢和电子功能的酶复合体。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第十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期五线粒体呼吸链复合体FMN,Fe-S复合体ⅠFAD,Fe-S,Cytb复合体ⅡCytb,Fe-S,Cytc1复合体ⅢCytaa3,Cu复合体Ⅳ第十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期五第二十页，共七十六页，编辑于2023年，星期五氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。2HHHeH+HRHCONH2N+Ce+RHHCONH2N+H++H+H+

NAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2H(一)复合体Ⅰ:NADH-泛醌还原酶(1)NAD+和NADP+1.复合体Ⅰ的组成NADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2第二十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期五烟酰胺(nicotinamide)核苷酸类（NAD+、NADP+）递氢体第二十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期五FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN•。(2)FMN(FAD)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第二十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期五黄素蛋白(flavoprotein)类（FMN、FAD）递氢体第二十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期五铁硫蛋白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

(3)铁硫蛋白ⓈⓈFeFeⓈFeⓈFeSCH2SCH2SCH2SCH2第二十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期五铁硫蛋白(iron-sulfurcluster)Fe2+Fe3++e-传递电子方式：递电子体第二十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期五泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。(4)辅酶QoH3COH3COCH3o

RRoHOH3COH3COCH3·H++eH++eH3CORoH

OHH3COCH3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第二十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期五泛醌

（CoQ）(Ubiquinone)递氢体第二十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期五NADH+H+

NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH22.复合体Ⅰ的功能第二十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期五(二)

复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌还原酶琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3第三十页，共七十六页，编辑于2023年，星期五(三)复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c还原酶QH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1第三十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期五NNNNFe3+H3C--CH3-CH-CH3CH3CH2CH2COO-CH2CH2COO-H3C-

CysSH3C-CH

CysS蛋白质细胞色素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。细胞色素的结构细胞色素c辅基第三十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期五细胞色素(Cytochrome)类Cytb、Cytc1、Cytc、Cytaa3组成呼吸链的细胞色素:细胞色素氧化酶Fe2+Fe3++e-递电子体第三十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期五细胞色素系统传递电子的过程2Fe2+2Fe3+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+1/2O2O2-

H2O2H+2e2e2e2e2e

bc1cCu2+aa3、第三十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期五(四)复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB第三十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期五细胞色素a的结构CH=CH2CH3HO-CHOHCH3CNNNNFe3+CH3COOHCH2CH2COOHCH2CH2CH3CH2(CH2-CH=C-CH2)H3第三十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期五①标准氧化还原电位②拆开和重组③特异抑制剂阻断④还原状态呼吸链缓慢给氧2.NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O23.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

1.排列顺序确定的实验依据(五)呼吸链成分的排列顺序第三十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期五第三十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期五4.两条呼吸链的排列顺序NADH氧化呼吸链

FADH2氧化呼吸链FMN(Fe－S)NADH琥珀酸FAD(Fe－S)CoQCytbCytc1CytcCytaa3O2第三十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期五线粒体内重要代谢物氧化的途径第四十页，共七十六页，编辑于2023年，星期五二、氧化磷酸化

(一)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。

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。(三)底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)

(二)P/O比值氧化磷酸化过程中，每消耗1摩尔无机磷原子数与所消耗的氧原子摩尔数之比即P/O比值。

第四十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期五(四)氧化磷酸化偶联部位1.氧化磷酸化偶联部位复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ。2.偶联部位的确定根据P/O比值和自由能变化（⊿Gº=-nF⊿Eº）。线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值底物呼吸链的组成P/O比值可能生成的ATP数β羟丁酸NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ2.4～2.8

3→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ1.72→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→O20.610.681～-第四十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期五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ATP氧化磷酸化偶联部位FMN(Fe－S)NADH琥珀酸FAD(Fe－S)CoQCytbCytc1CytcCytaa3O2ATPATP第四十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期五自由能变化(△G0′)：

大于30.5kJ即可生成1摩尔ATP。

△G0′＝－nF△E0′69.5kJ/mol40.5kJ/mol102.3kJ/mol第四十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期五NADH氧化呼吸链存在3个偶联部位，P/O比值等于3，即产生3molATP。琥珀酸氧化呼吸链存在2个偶联部位，P/O比值等于2，即产生2molATP。第四十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期五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。

(五)氧化磷酸化的偶联机理第四十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期五ⅢⅠ

Ⅱ

Ⅳ

F0F1Cytc

Q

NADH+H+

NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+

H2OADP+PiATP

胞液侧基质侧++++++++++---------化学渗透假说详细示意图4H+

4H+

4H+

4H+

2H+

2H+

H+

H+

第四十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期五即复合体Ⅴ。位于线粒体内膜的基质侧。2.ATP合酶第四十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期五2.ATP合酶由亲水部分F1(α3β3γδε亚基)和疏水部分F0(a1b2c9～12亚基)组成。ATP合酶结构模式图基质侧胞液侧线粒体内膜F1F0γαααβββδε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。第四十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期五化学计算估计每生成1分子ATP需3个H＋从线粒体内膜外侧回流进入基质中。ATP合酶的工作机制第五十页，共七十六页，编辑于2023年，星期五ATP4-F0F1胞液侧基质侧腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白ADP3-H2PO4-ATP4-3H+3H+

H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-每分子ATP在线粒体中生成并转运到胞浆需4个H＋回流进入线粒体基质中第五十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期五

NADH氧化呼吸链每传递2H仅生成2.5分子ATP到线粒体外被利用。

FADH2氧化呼吸链每传递2H仅生成1.5分子ATP到线粒体外被利用。第五十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期五(一)胞浆中NADH的氧化胞浆中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。α-磷酸甘油穿梭

(α-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭

(malate-asparateshuttle)转运机制三、线粒体内膜的物质转运第五十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期五1.

α-磷酸甘油穿梭机制（脑和骨骼肌中）FADH2NADH+H+NAD+CH2OHC=OCH2OPCH2OHCH-OHCH2OPCH2OHC=OCH2OPCH2OHCH-OHCH2OPFAD胞浆线粒体外膜线粒体内膜线粒体基质膜间隙磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油电子传递链第五十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期五2.

苹果酸-天冬氨酸穿梭机制（肝和心肌中）谷氨酸NADH+H+NAD+①②COCOOH(CH2)2COOHCH2COOH苹果酸CHOHCOOHCHNH2COOH(CH2)2COOH谷氨酸CHNH2COOHCH2COOH天冬氨酸COCOOHCH2COOH草酰乙酸α-酮戊二酸④③①CH2COOH苹果酸CHOHCOOHCOCOOHCH2COOH草酰乙酸NADH+H+NAD+COCOOH(CH2)2COOHα-酮戊二酸②CHNH2COOHCH2COOH天冬氨酸CHNH2COOH(CH2)2COOH胞浆侧线粒体内膜基质侧①苹果酸脱氢酶②谷草转氨酶③α-酮戊二酸转运蛋白④酸性氨基酸转运蛋白第五十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期五(二)ADP进入与ATP移出腺苷酸转运蛋白参与ADP与ATP反向转运。H+H2PO4-ADP3-H2OATP4-基质侧胞液侧线粒体内膜磷酸盐载体腺苷酸载体H2PO4-H+ADP3-ATP4-ATP、ADP、Pi的转运第五十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期五四、影响氧化磷酸化的因素1.呼吸链抑制剂

阻断呼吸链中某些部位电子传递。如鱼藤酮、氰化物、CO等。2.解偶联剂

使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如解偶联蛋白、2，4-二硝基酚。3.ATP合酶抑制剂

对电子传递及ATP合酶均有抑制作用。如寡霉素。(一)抑制剂第五十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期五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+。第五十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期五氧化磷酸化系统及抑制剂的影响

第五十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期五(二)甲状腺激素

使ATP分解加速，Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加（耗氧和产热均增加）。(三)ADP/ATP比值的调节

1.比值增大，氧化加快，ATP生成增加；比值减小氧化减慢，ATP生成减少。

2.呼吸控制率(respiratorycontrolratio,RCR)指离体线粒体实验中，底物量很大时，加入ADP后的耗氧速率与加入前的耗氧速率之比。第六十页，共七十六页，编辑于2023年，星期五五、生物氧化与能量代谢营养物质的氧化分解过程糖原脂肪蛋白质葡萄糖脂肪酸氨基酸甘油乙酰辅酶ATCA2H1/2O2ADPPiATPH2OⅠⅢⅡ第六十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期五2.高能化合物：含有高能键的化合物，如ATP、辅酶A、磷酸肌酸等。

(一)高能化合物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。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第六十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期五磷酸肌酸的生成

H2N+

C-NH2H3C-NCH2COO-

H2N+HO

C-N~P-OHH3C-NOHCH2COO-肌酸激酶肌酸磷酸肌酸（CP）ATPADP肌肉和脑组织中能量的贮存形式第六十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期五高能化合物的种类高能磷酸化合物高能硫脂化合物水解时释放的自由能＞30KJ/mol的化合物CH3CO～SCoACOOHC-O～PCH2=ATPADP第六十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期五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)第六十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期五

(二)ATP的生成和利用第六十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期五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)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。第六十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期五高能键转移ATP+UDPCDPGDPADP+UTP（糖原合成）CTP（磷脂合成）GTP（蛋白质合成）第六十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期五CHOCH2OHCH2O-PCOOCH2OHCH2O-P～PCOOHCH2OHCH2O-PNAD+NADH+H+H3PO4ADPATP1、底物水平磷酸化2、氧化磷酸化ATP的生成方式substratelevelphosphorylationoxidativephosphorylation第六十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期五(一)加单氧酶(monoxygenase)

又称混合功能氧化酶(mixed-functionoxidase)或羟化酶(hydroxylase)。催化的反应：RH+NADPH+H++O2ROH+NADP++H2O上述反应需要细