第三章生物氧化

第三章生物氧化第1页，课件共72页，创作于2023年2月释放的能量转化成ATP被利用转换为光和热，散失生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成C2O和H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：生物氧化体外燃烧

细胞内温和条件高温或高压、干燥条件（常温、常压、中性pH、水溶液）一系列酶促反应无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高能量爆发释放二生物氧化的特点速率严格受多种因素控制速率不受多种因素控制

线粒体或细胞膜上进行反应不讲究场所

第2页，课件共72页，创作于2023年2月三、生物氧化方式氧化还原的本质是电子的转移。生物体内的电子转移主要有以下几种形式：1、氢原子的转移2、有机还原剂直接加氧加氧时常常伴随有接受质子和电子而被还原成水。第3页，课件共72页，创作于2023年2月3、直接进行电子转移第4页，课件共72页，创作于2023年2月α-脱羧（羧基位置）β-脱羧单纯脱羧（不伴氧化）氧化脱羧（伴氧化）节第二节生物氧化中二氧化碳的生成

生物氧化中二氧化碳的生成是由于糖、蛋白质、脂肪等有机物转变成含羧基的化合物，然后再进行脱羧反应所至。种类：第5页，课件共72页，创作于2023年2月

1.α-单纯脱羧

COOHC=OCH2COOHαβ2.β-单纯脱羧COOHC=O+CO2

CH3

O‖CH3CH+CO2

1）单纯脱羧O‖CH3CCOOH返回第6页，课件共72页，创作于2023年2月1.α-氧化脱羧2.β-氧化脱羧

O‖CH3－C－COOH+CoASH+NAD+

O‖CH3－C～SCoA+NADH+H++CO2COOHC=O+CO2+NADPH+H+

CH3COOHCHOH+NADP+CH2COOHβα2）氧化脱羧返回第7页，课件共72页，创作于2023年2月第三节生物氧化中水的生成

生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合而成的。

糖类、蛋白质、脂肪等代谢物所含的氢在一般情况下是不活泼的，必须通过相应的脱氢酶将之激活后才能脱落。进入体内的氧也必须经过氧化酶激活后才能变为活性很高的氧化剂。但激活的氧在一般情况下，也不能直接氧化由脱氢酶激活而脱落的氢，两者之间尚需传递才能结合成水。所以生物体主要是以脱氢酶、传递体及氧化酶组成的生物氧化体系，以促进水的生成。第8页，课件共72页，创作于2023年2月第9页，课件共72页，创作于2023年2月一、呼吸链的概念代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一些列的传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的全部体系叫做呼吸链。第10页，课件共72页，创作于2023年2月

凡是参与生物体内氧化还原反应的酶都叫做生物氧化还原酶。主要存在于线粒体中，所以生物氧化主要在线粒体内进行。另外，线粒体外（如微粒体等）也可发生生物氧化（次要）。1、脱氢酶脱氢酶的作用是使代谢物的氢活化、脱落，并传递给其它受氢体或中间传递体。根据所含辅助因子的不同，分为两类：第11页，课件共72页，创作于2023年2月二、呼吸链的组成

呼吸链包含15种以上组分，主要由4种酶复合体和2种可移动电子载体构成。其中复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、辅酶Q（泛醌、CoQ）和细胞色素C的数量比为1：2：3：7：63：9。第12页，课件共72页，创作于2023年2月复合体Ⅰ——即NADH--辅酶Q氧化还原酶复合体。由NADH脱氢酶（一种以FMN为辅基的黄素蛋白）和一系列Fe-S蛋白（铁—硫中心）组成。它从NADH得到两个电子，经铁硫蛋白传递给辅酶Q。第13页，课件共72页，创作于2023年2月

复合体Ⅱ——琥珀酸--辅酶Q氧化还原酶。由琥珀酸脱氢酶（一种以FAD为辅基的黄素蛋白）和一种Fe-S蛋白组成，将从琥珀酸得到的电子传递给辅酶Q。第14页，课件共72页，创作于2023年2月

复合体Ⅲ——辅酶Q-ytc氧化还原酶复合体。是细胞色素和铁硫蛋白的复合体，把来自辅酶Q的电子，依次传递给结合在线粒体内膜外表面的细胞色素类。

第15页，课件共72页，创作于2023年2月细胞色素类（cytochrome，Cyt）现已发现30多种细胞色素，在线粒体内参与生物氧化的细胞色素有a、a3

、b、c、c1等几种。依靠细胞色素分子中铁离子化合价的变化传递电子。

目前尚不能将a、a3

分开。在aa3分子中除铁原子外，还有两个铜原子，依靠其化合价的变化将电子从a3传给氧。在典型的线粒体呼吸链中，其顺序为：第16页，课件共72页，创作于2023年2月复合体IV——细胞色素C氧化酶复合体。将电子传递给氧。第17页，课件共72页，创作于2023年2月复合体酶名称辅基ⅠNADH-CoQ还原酶FMN，Fe-SⅡ琥珀酸-CoQ还原酶FAD，Fe-SⅢCoQ-CytC还原酶Cytb、CytC1，Fe-SⅣCytc氧化酶Cytaa3、Cu2+人线粒体呼吸链复合体第18页，课件共72页，创作于2023年2月

四种复合体的排列关系第19页，课件共72页，创作于2023年2月三、呼吸链中传递体的排列顺序在具有线粒体的生物中，根据接受代谢物上脱下的氢的初始受体不同，分成两种典型的呼吸链，即NADH呼吸链和FADH2呼吸链。第20页，课件共72页，创作于2023年2月

第21页，课件共72页，创作于2023年2月1.NADH氧化呼吸链2.琥珀酸氧化呼吸链

（FADH2呼吸链）第22页，课件共72页，创作于2023年2月

其中NADH呼吸链应用最广泛，糖类、蛋白质、脂肪三大物质分解代谢中的脱氢氧化反应绝大多数是通过NADH呼吸链来完成的。第23页，课件共72页，创作于2023年2月第四节生物氧化过程中能量的生成与利用

高能化合物------随水解反应或基团转移反应放出大量自由能的化合物。高能键------高能化合物中，随水解反应或基团转移反应放出大量自由能的共价键，常用~表示。细胞中重要的高能键：高能磷酸键和高能硫脂键。一、高能键、高能化合物“高能键”与“键能”区别：化学中的“键能”是指断裂一个化学键所需要的能量；“高能键”是指水解或转移该键所释放的能量。第24页，课件共72页，创作于2023年2月

高能磷酸化合物------含有高能磷酸转移基团的化合物。有：ADP、CDP、UDP、GDP、dADP、dCDP、dGDP、dTDP、ATP、GTP、CTP、UTP、dATP、dGTP、dCTP、dTTP

例如：葡萄糖+ATP6-磷酸葡萄糖+ADP

第25页，课件共72页，创作于2023年2月高能键及高能化合物

第26页，课件共72页，创作于2023年2月二、ATP的生成

ATP主要由ADP磷酸化所生成，少数情况下可由AMP焦磷酸化生成。第27页，课件共72页，创作于2023年2月1、底物水平磷酸化底物水平磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化作用。即底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP、GDP生成ATP、GTP。底物磷酸化形成高能化合物，其能量来源于伴随着底物的脱氢，分子内部能量的重新分布。底物磷酸化与氧的存在与否无关，它是发酵作用中进行生物氧化获得能量的唯一方式。第28页，课件共72页，创作于2023年2月+ADP+ATPATP1，3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸第29页，课件共72页，创作于2023年2月ADPATPATP~磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸第30页，课件共72页，创作于2023年2月琥珀酸的生成CH2CH2COOHCO～SCoA琥珀酰CoAGDP+Pi+GTPCoASHCH2COOHCH2COOH琥珀酸琥珀酰CoA合成酶～GTP+ADPATPGTP第31页，课件共72页，创作于2023年2月二、氧化磷酸化（电子传递体系磷酸化)

当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系传递给氧形成水时，同时伴随有ADP磷酸化为ATP，即电子传递体系磷酸化。电子传递体系磷酸化是生成ATP的主要方式。氧化磷酸化场所：线粒体内膜（真核生物）细胞质膜（原核生物）第32页，课件共72页，创作于2023年2月1、氧化磷酸化的偶联部位

由于“氧化磷酸化”是氧化作用与ATP的磷酸化作用相偶联而生成ATP，所以氧的消耗与ATP的生成有特殊定量关系，通常用“磷氧比（P/O）”来描述，即消耗1摩尔氧时，有多少摩尔无机磷与ADP作用生成ATP。生成的ATP的数量。线粒体的离体实验证明，经NADH呼吸链氧化生成水的P/O为3，经FAD呼吸链氧化生成水的P/O为2。所以，NADH呼吸链中有三个偶联部位生成ATP，FADH2呼吸链中有二个偶联部位生成ATP，其氧化磷酸化的偶联部位见图。第33页，课件共72页，创作于2023年2月第34页，课件共72页，创作于2023年2月2.氧化磷酸化的作用机理有关氧化磷酸化机理的几种假说化学偶联假说构象偶联假说化学渗透假说第35页，课件共72页，创作于2023年2月（1）化学偶联假说（1953年）

chemicalcouplinghypothesis

认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的化学反应形成高能共价中间物，最后将其能量转移到ADP中形成ATP。

第36页，课件共72页，创作于2023年2月（2）构象偶联假说（1964）

conformationalcouplinghypothesis

认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能构象，这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。迄今未能分离出这种高能蛋白质。但在电子传递过程中蛋白质组分的构象变化还是存在的。

第37页，课件共72页，创作于2023年2月

(3)化学渗透假说：

H+不能自由透过线粒体内膜、线粒体内膜的电子传递链是质子泵。线粒体内膜外侧H+浓度增高，基质内H+浓度降低，在线粒体内膜两侧形成一个质子跨膜梯度，线粒体内膜外侧带正电荷，内膜内侧带负电荷，这就是跨膜电位△ψ，又称质子动力势。在质子动力势的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP合酶组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP第38页，课件共72页，创作于2023年2月第39页，课件共72页，创作于2023年2月3、影响生物体内氧化磷酸化的因素（1）ADP、ATP浓度的影响正常机体氧化磷酸化的速率主要受ADP水平的调节，只有ADP被磷酸化形成ATP，电子才通过呼吸链流向氧。如果机体运动需要能量时，ATP分解为ADP、磷酸和能量，ADP的浓度升高，氧化磷酸化过程加快。当机体休息时，大部分ATP不能被利用，ADP的浓度下降，抑制了氧化磷酸化过程进行。第40页，课件共72页，创作于2023年2月

（2）、甲状腺素的影响甲状腺素可诱导细胞膜Na+、K+-ATP酶（钠泵）的合成，钠泵运转加速了ATP分解为ADP、磷酸和能量，ADP的浓度升高，氧化磷酸化过程加快，ATP合成增加。第41页，课件共72页，创作于2023年2月

（3）某些抑制剂的影响

凡是能够影响阻碍氧化磷酸化的正常进行的物质都叫做氧化磷酸化抑制剂。主要有三种；

1、解偶联剂氧化磷酸化是氧化及磷酸化的偶联反应。磷酸化所需能量由氧化作用供给，氧化作用所形成的能量通过磷酸化作用储存。如果二者之间的偶联被破坏，氧化磷酸化就受到抑制，甚至危及生物体的生命。

第42页，课件共72页，创作于2023年2月

解偶联剂：引起解偶联作用的物质。常见的解偶联剂有2，4-二硝基苯酚、双香豆素等。解偶联剂并不抑制电子传递过程，只抑制由ADP形成ATP的磷酸化过程。如感冒发烧即是由于某些细菌或病毒产生某种解偶联剂，影响氧化磷酸化作用的正常进行，导致较多能量转变为热能。第43页，课件共72页，创作于2023年2月2、呼吸链抑制剂有些物质专一结合呼吸链中的不同部位，从而抑制呼吸链的传递，使氧化过程受阻，能量释放减少，影响ATP的生成。常见的呼吸链抑制剂有阿米妥（戊巴比妥，amytal）、鱼藤酮（rotenone）、抗霉素（antimycin）、一氧化碳和氰化物等。第44页，课件共72页，创作于2023年2月3、离子载体抑制剂有些物质可以与K+或Na+形成脂溶性复合物，将线粒体内的K+跨膜转移到细胞液。这种离子转移消耗了生物氧化所产生的能量，从而抑制ADP磷酸化ATP。常见的离子载体抑制剂有寡霉素、缬氨霉素、短杆菌肽等。离子载体抑制剂也不抑制电子传递过程。第45页，课件共72页，创作于2023年2月鱼藤酮粉蝶霉素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第46页，课件共72页，创作于2023年2月三、细胞液中NADH的氧化磷酸化线粒体是糖、脂肪、蛋白质等能源物质的最终氧化场所，这些物质的彻底氧化是在线粒体内通过呼吸链生成ATP。

但是糖、蛋白质和脂肪的全部氧化过程并不是都在线粒体内进行（如糖酵解作用在细胞液中进行），细胞液中NADH不能通过线粒体内膜进入线粒体内进行氧化磷酸化，必须通过两种“穿梭”途径。

第47页，课件共72页，创作于2023年2月

原理：线粒体外的NADH可将其所带之H转交给某些能透过线粒体内膜的化合物（甘油-3-磷酸，苹果酸等），进入线粒体内后再氧化。第48页，课件共72页，创作于2023年2月（一）-磷酸甘油穿梭途径细胞液中含有-磷酸甘油脱氢酶，可以将磷酸二羟丙酮还原为-磷酸甘油，后者可进入线粒体内；线粒体内又在-磷酸甘油脱氢酶作用下，将-磷酸甘油转变为磷酸二羟丙酮，同时FAD还原为FADH2，于是细胞液中的NADH便间接形成了线粒体内的FADH2，FADH2将电子传递给CoQ还原为QH2，后者通过呼吸链产生ATP。第49页，课件共72页，创作于2023年2月第50页，课件共72页，创作于2023年2月

这种穿梭作用主要存在于肌肉、神经组织，所以葡萄糖在这些组织中彻底氧化所产生的ATP比其他组织要少2个，即生成36个ATP。第51页，课件共72页，创作于2023年2月（二）苹果酸穿梭途径（苹果酸-天冬氨酸穿梭途径）

在肝、肾、心等组织，细胞液中的NADH是通过苹果酸穿梭途径。

细胞液内的NADH的电子在苹果酸脱氢酶作用下传递给草酰乙酸后转变为苹果酸，同时NADH氧化为NAD+

。苹果酸通过苹果酸-α-酮戊二酸载体穿过线粒体膜，进入线粒体内膜的苹果酸被NAD+氧化失去电子又转变为草酰乙酸，NAD+又形成NADH，草酰乙酸不能透过线粒体内膜，经过转氨基作用形成天冬氨酸，再经过谷氨酸-天冬氨酸载体转移到细胞液中，天冬氨酸再经过转氨基作用转变为草酰乙酸。

第52页，课件共72页，创作于2023年2月

苹果酸-天冬氨酸穿梭

第53页，课件共72页，创作于2023年2月四、能量的转移、储存与利用1、高能磷酸键的转移

ATP是细胞内的主要磷酸载体，ATP作为细胞的主要供能物质参与体内的许多代谢反应，还有一些反应需要UTP或CTP作供能物质，如UTP参与糖元合成和糖醛酸代谢，GTP参与糖异生和蛋白质合成，CTP参与磷脂合成过程，核酸合成中需要ATP、CTP、UTP和GTP作原料合成RNA，或以dATP、dCTP、dGTP和dTTP作原料合成DNA。

第54页，课件共72页，创作于2023年2月

作为供能物质所需要的UTP、CTP和GTP可经下述反应再生：

UDP+ATP→UTP+ADP

GDP+ATP→GTP+ADP

CDP+ATP→CTP+ADP

dNTP由dNDP的生成过程也需要ATP供能：

dNDP+ATP→dNTP+ADP第55页，课件共72页，创作于2023年2月

2、高能磷酸键的储存

ATP是细胞内主要的磷酸载体或能量传递体，人体储存能量的方式不是ATP而是磷酸肌酸。肌酸主要存在于肌肉组织中，骨骼肌中含量多于平滑肌，脑组织中含量也较多，肝、肾等其它组织中含量很少。磷酸肌酸的生成反应如下：

第56页，课件共72页，创作于2023年2月

线粒体内膜的肌酸激酶主要催化正向反应，生成的ADP可促进氧化磷酸化，生成的磷酸肌酸逸出线粒体进入胞液，磷酸肌酸所含的能量不能直接利用；胞液中的肌酸激酶主要催化逆向反应，生成的ATP可补充肌肉收缩时的能量消耗，而肌酸又回到线粒体用于磷酸肌酸的合成。

线粒体内膜:肌酸+ATP→磷酸肌酸+ADP

胞液中:磷酸肌酸+ADP→肌酸+ATP第57页，课件共72页，创作于2023年2月3、能量的转移、储存与利用可用下图表示CPK：肌酸磷酸激酶

第58页，课件共72页，创作于2023年2月

氰化物的中毒机理和解毒机制

第59页，课件共72页，创作于2023年2月氰化物的介绍

氰化物是含氰基的一类化学物质的总称,分子化学结构中含有氰根(CN-)的化合物均属于氰化物,最常见的是氢氰酸、氰化钠和氰化钾。根据与氰基连接的元素或基团把氰化物分成两大类,即有机氰化物和无机氰化物。一般将无机化合物归为氰类,有机化合物归为腈类。氰化物在民用工业中用途十分广泛,它是赤血盐(铁氰化钾)和黄血盐(亚铁氰化钾)染料的原料,且大量用于贵重金属的提纯筛选电镀和农药制造等.第60页，课件共72页，创作于2023年2月

氰化物的介绍氰化物是高毒物质,如氰化钠,人口服的致死剂量为150～250mg,无机氰化钾、氰化钡、氰化锌、氰化亚铜、铜氰化钠等都属剧毒物品.腈类化物,如乙腈、亚硝酸铁氰化盐类等化学物质在进入人体后也可代谢成氰化物,从而导致中毒.所以探究氰化物对人体的毒害作用、生化机理、解毒机制是十分必要的.第61页，课件共72页，创作于2023年2月细胞色素的结构特点

细胞色素有a、a3、b、c、c1等种类，其中除aa3外，其余的细胞色素中铁原子均以卟啉环和蛋白质形成6个共价或配位.因此不能和O2、CO、CN-等结合。唯a3的三价铁形成5个配位，能与O2、CO、CN-等结合。使酶的结构改变,不能再从底物获得电子。第62页，课件共72页，创作于2023年2月中毒机理

氰离子迅速与细胞色素氧化酶中的三价铁结合，阻止其还原成二价铁，使传递电子的氧化过程甚至整个生物氧化过程中断，ATP合成减少、细胞摄取能量严重不足而造成内窒息,导致人和动物体因缺乏能量而死亡。

第63页，课件共72页，创作于2023年2月中毒机理

近几年的研究发现氰化物还能通过影响钙稳态,中枢神经递质及其受体,机体氧化应激和抗氧化体系等对机体造成毒害.氰化物通过多种途径导致机体中毒,并且各机制间能相互交叉,相互促进,形成恶性网络.第64页，课件共72页，创作于2023年2月解毒

氰化物中毒是由于抑制了细胞色素氧化酶氧化型(Fe3+),中断了氧化呼吸链,可使细胞窒息。外加或生成能与氧化型细胞色素氧化酶中的铁(Fe3+)竞争结合CN-的物质，从而消除毒性。第65页，课件