生物氧化级五李上

第六章生物氧化BiologicalOxidation1物质在生物体内进行氧化称生物氧化（biologicaloxidation），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。*生物氧化的概念1.生物氧化的定义22.生物氧化的特点环境条件：37℃恒温，近中性，甚至有水参与。反应方式：酶促，反应逐步进行（加氧、脱氢、失电子）；

CO2的生成：有机酸脱羧；水的生成：O2接受电子后与H+结合；能量散发：逐步释放，部分以化学能方式储存，部分以热能释放3多糖脂肪蛋白质单糖

脂肪酸+甘油

氨基酸

乙酰CoA2H呼吸链

H2O

ADP+PiATPCO2分解代谢的一般途径第一阶段(1%能量)第二阶段(1/3能量)第三阶段(2/3能量)½O2

氧化磷酸化TCAcycle4三羧酸循环

呼吸链(RespiratoryChain)

H2O

ADP+PiATP½O2

氧化磷酸化NADHFADH2脂肪酸β-氧化葡萄糖乙酰CoA糖酵解丙酮酸丙酮酸脱氢酶系乙酰CoAoverview5第一节生成ATP的氧化磷酸化体系

Section1theOxidativePhosphorylationSystemofATPProduction1、呼吸链掌握定义、部位、组分及其功能，组分的排列顺序2、氧化磷酸化掌握定义、P/O比值、偶联部位熟悉偶联机制、影响因素3、ATP

掌握ATP在能量生成和利用中的地位和作用4、NADH的穿梭

掌握α-磷酸甘油穿梭和苹果酸-天冬氨酸穿梭的过程6定义呼吸链/电子传递链代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的氧化还原连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水。这一包含多种氧化还原组分的传递链称为呼吸链,又称电子传递链。

respiratorychain/electrontransferchain：

aseriesofelectroncarriersresponsibleforthetransportofelectronsfromNADHorFADH2tomolecularoxygen,withthenetresultsoftrappingenergyforuseinATPsynthesis,andreducingoxygentowater.一、呼吸链72H→

→

→

½O2

H2O+能量NADH+H+

+

½O2

→NAD+

+

H2O

+

能量

FADH2

+

½O2

→FAD

+

H2O

+

能量

8递氢体：传递氢的酶或辅酶，例如：

NAD+

+

2H

NADH+H+

FMN+2H

FMNH2

FAD+2H

FADH2

CoQ+2H

CoQH2

因为

2H

2H++2e

所以

递氢体也起传递电子的作用递电子体：传递电子的酶或辅酶，例如：

Cytb–Fe3+

+e

Cytb–Fe2+

Cytc1–Fe3+

+e

Cytc1–Fe2+

Cytc–Fe3+

+e

Cytc–Fe2+

Cytaa3–Fe3+

+e

Cytaa3–Fe2+9a.NADH氧化呼吸链：

b.琥珀酸氧化呼吸链：总式：体内的两条主要呼吸链琥珀酸→FAD→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2(Fe-S)NADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2

(Fe-S)(Fe-S)NADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2FAD(Fe-S)↓琥珀酸↓10呼吸链/电子传递链的定位与运行条件细胞内定位

线粒体内膜运行的必要条件

有氧11（一）呼吸链的组成（毛地黄皂苷）12复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体Ⅳ呼吸链中的递氢体和电子传递体(Fe-S)NADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2FAD(Fe-S)↓琥珀酸↓13电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置ⅣNADH+H+NAD+½O2+2H+H2O胞液侧线粒体内膜QH2Ⅱ延胡索酸琥珀酸QH24H+4H+Ⅲ4H+4H+CytcCytc2H+2H+基质侧ⅠQH2QH214(复合体I)(复合体III)(复合体IV)15NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+:nicotinamideadeninedinucleotide尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（CoⅠ，辅酶Ⅰ）NADP+:nicotinamideadeninedinucleotidephosphate

尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（CoⅡ，辅酶Ⅱ）16NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。17四种具有传递电子功能的酶复合体(complex)*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11181.复合体Ⅰ:NADH-泛醌还原酶

功能:

将电子从NADH传递给泛醌

(ubiquinone,CoQ)，同时具有质子泵作用

组成:

黄素蛋白/FMN/2Fe-S

铁硫蛋白/3Fe-S

疏水蛋白/Fe-SNADH+H+NAD+胞液侧QH2Q基质侧Ⅰ2eFMN5Fe-SFe-S4H+4H+复合体Ⅰ将电子NADH传递给泛醌，同时有质子泵作用NADH→→CoQFMN(Fe-S)写法：或19FMN为黄素蛋白辅基，结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环。充当递氢体。FMNFMNH2＋2H－2HFMN：flavinmononucleotide（黄素单核苷酸）14578910核糖醇磷酸双或单电子传递体20铁硫蛋白中辅基铁硫簇含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+

Fe3++e反应来传递电子（是递电子体）。Fe-S：iron-sulfurcenter（铁硫中心，铁硫簇）Fe2S2Fe4S421单电子传递体Fe2+

Fe3++e222.

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，无质子泵作用琥珀酸→→CoQFAD(Fe-S)写法或大肠杆菌复合体Ⅱ的结构与电子传递23FADFADH2＋2H－2HFAD：flavinadeninedinucleotide

（黄素腺嘌呤二核苷酸）51双或单电子传递体FAD黄素蛋白的辅基，是递氢体24一些代谢途径脱下的氢进入呼吸链的入口脂酰CoA琥珀酸3-磷酸甘油醛electron-transferringflavoprotein25泛醌由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），是递氢体。CoQCoQH2＋2H－2H3.泛醌（ubiquitone,CoQ,Q）26CoQ募集来自复合体Ⅰ与复合体Ⅱ的电子27细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类（递电子体），根据它们吸收光谱不同而分类。Cyta:a,a1,a2,a3;Cytb:b(b562,b566),b1~7,P450;Cytc:c,c1~5.Fe2+Fe3+ee单电子传递体:4.复合体Ⅲ（泛醌-细胞色素c还原酶）细胞色素（cytochrome,Cyt）

功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c，具有质子泵作用282930复合体Ⅲ的结构56256631Q循环1232复合体Ⅲ将电子从泛醌传递给细胞色素c335.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，具有质子泵作用

复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3CuBCu+Cu2+eeFe2+Fe3+ee34复合体Ⅳ将电子从Cytc传递给O2生成水（其中Cyta3

和CuB形成的双核中心将电子交给O2）35电子在呼吸链中的传递ⅣNADH+H+NAD+½O2+2H+H2O胞液侧线粒体内膜QH2Ⅱ延胡索酸琥珀酸QH24H+4H+Ⅲ4H+4H+CytcCytc2H+2H+基质侧ⅠQH2QH236

由以下实验确定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（二）呼吸链成分的排列顺序37标准氧化还原电位的测定pH7.0,T25℃38EӨ(V)Directioninwhichelectronsaretransferrede39a.NADH氧化呼吸链：

b.琥珀酸氧化呼吸链：体内的两条主要呼吸链琥珀酸→FAD→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2(Fe-S)NADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2

(Fe-S)401.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→O241NADH氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链42

二、氧化磷酸化*定义氧化磷酸化由代谢物脱下的氢，经呼吸链的电子传递释放能量，偶联驱动ADP磷酸化生成ATP的过程，又称为偶联磷酸化。oxidativephosphorylation：theprocessinwhichthephosphorylationofADPtoyieldATPiscoupledtotheelectrontransportthroughrespiratorychain.

ElectronTransportChain

H2O

ADP+PiATP½O2

PhosphorylationofADPNADHFADH243（一）氧化磷酸化偶联部位(ATP生成部位)1.P/O比值

P/O比值：物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷的摩尔数（或ADP摩尔数），即生成ATP的摩尔数。

P/Oratio：thenumberofinorganicphosphate

moleculesconsumed

inATP

formation

foreachoxygenatomreducedtoH2O.

nADP+

nPinATPH2+

½O2

→

H2O+

能量44β-羟丁酸→抗坏血酸↓Cytc↓琥珀酸45ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位一对氢原子经呼吸链氧化后可产生ATP的数目：

老算法新算法NADH→O232.5琥珀酸→O221.5462.自由能的变化∵

1molADP+

1molPi+30.5kJ/mol→1molATP

而⊿GӨ=-nF⊿EӨ,其中n=2,F=96.5kJ/mol·V,

要求|⊿GӨ|

=|-nF⊿EӨ|

>30.5kJ/mol∴

|⊿EӨ|

=|⊿GӨ/(-nF)|

>30.5/(2×96.5

)=0.16V≈0.2V||||||||47氧化磷酸化偶联部位ATPATPATP48（二）氧化磷酸化的偶联机理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。49In1961,P.MitchellproposedtherevolutionaryhypothesisofChemiosmoticHypothesisandwasawardedtheNobelPrizeinChemistry1978PeterMitchell(1920-1992)50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51ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+½O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液侧基质侧++++++++++---------化学渗透假说详细示意图5253IntermembranespaceMatrixF1:α3β3γδεATPaseactivityhydrophilicF0:a1b2c9～12protonchannel

hydrophobicATP合酶ATPsynthase54当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。ATP合酶的工作机制3H+p3H+n3H+p3H+n55ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+½O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+Intermembranespace

matrix++++++++++---------overview

有实验表明：每合成1分子ATP需要回流3个质子，另加1个质子回流以提供底物(ADP、Pi)和产物(ATP)的跨膜转运。因此，每合成1分子ATP需要回流4个质子。所以NADH+H+→½O2可合成2.5分子ATP

琥珀酸→½O2可合成1.5分子ATP56三、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、抗霉素A、氰化物等2.解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：二硝基苯酚(DNP),解偶联蛋白3.氧化磷酸化抑制剂

对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素（一）抑制剂57鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×抗霉素A粘噻唑菌醇×COCN-N3-H2S×各种呼吸链抑制剂的阻断位点58解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP59

寡霉素(oligomycin)可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成寡霉素ATP合酶结构模式图60鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥粘噻唑菌醇抗霉素ACOCN−N3−H2S二硝基苯酚寡霉素ⅠⅡⅢⅣPiADPATPATP合酶61（二）ADP的调节作用

ADP促进氧化磷酸化不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响

62不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响

杀黑星菌素63（三）甲状腺激素

1.

诱导Na+,K+–ATP酶

ATPADP+Pi2.T3诱导解偶联蛋白基因表达Na+,K+–ATP酶64（四）mtDNA突变

影响氧化磷酸化，使ATP生成减少而致病，主要呈母系遗传。

由mtDNA编码的亚基数目Ⅰ（ND）437Ⅱ40Ⅲ111Ⅳ133Ⅴ（ATP合酶）82复合体亚基数目人类线粒体基因编码的呼吸链蛋白质ND:NADHdehydrogenase

人类线粒体基因组线粒体基因病系谱图651、Leber遗传性视神经病(Leberhereditaryopticneuropathy，LHON)临床表现：病初发时为急性或亚急性眼球的神经炎，引发严重双侧视神经萎缩和大片中心暗点，使视力突然丧失并伴有色觉障碍。在急性发作之后，视觉进一步衰退，但常可维持0.02~0.5的视力。色觉障碍等。此症发病高峰年龄是20~25岁，但任何年龄段都可能发病。

基因突变：ND1：LHON4160T→C，亮→脯；

ND1：LHON3460G→A，丙→丝；

ND1：LHON3394T→C，酪→组

2、线粒体脑肌病、乳酸酸中毒及卒中样发作综合征

(mitochondrialencephalomyopathy，lacticacidosis，andstroke-likeepisodes，MELAS)

临床表现：虚弱、乳酸酸中毒、感觉神经性听觉丧失、痴呆、反复发生卒中样发作、头痛、呕吐

基因突变：线粒体tRNALeu：MELAS3243T→C或A→G

ND4：MELAS11084A→GmtDNA突变疾病举例66四、ATP（一）高能磷酸键与高能磷酸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6768

ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTPADP+ADPATP+AMP腺苷酸激酶2.腺苷酸激酶的作用1.核苷二磷酸激酶的作用（二）高能磷酸化合物的互变与能量储存693.肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。70

（三）ATP的生成和利用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。71五、通过线粒体内膜的物质转运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。72

线粒体内膜的主要转运蛋白

（ATP-ADP转位酶）73（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。转运机制主要有α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)74

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

α-磷酸甘油脱氢酶1.5ATP1.

α-磷酸甘油穿梭机制（脑、骨骼肌）

α-磷酸甘油磷酸二羟丙酮75NADH+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2.5ATP2.

苹果酸-天冬氨酸穿梭机制（心、肝、肾）苹果酸苹果酸脱氢酶草酰乙酸天冬氨酸α-酮戊二酸谷草转氨酶谷氨酸76腺苷酸转运蛋白，又称ATP-ADP转位酶。作用：催化ADP经内膜进入线粒体与ATP经内膜移出线粒体。磷酸盐转运蛋白作用：参与H2PO4−与H+同向转运到线粒体内。

（二）腺苷酸与磷酸转运蛋白77ATP-ADP转位酶78ATP4-F0F1胞液侧基质侧腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白ADP3-H2PO4-ATP4-4H+4H+H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-79第二节

其他不生成ATP的氧化体系Section2OtherOxidativeEnzymeSystems

80反应活性氧类(reactiveoxygenspecies,ROS)O2e-·O2-e-+2H+H2O2e-+H+·OHH2Oe-+H+H2O反应活性氧类一、抗氧化酶体系反应活性氧类化学性质活泼，可引起蛋白质、DNA，膜脂质等。81ROS主要来源线粒体：线粒体超氧阴离子·O2-，是体内·O2-的主要来源；1·Q–O2+e-

·O2-82过氧化酶体：FAD将从脂肪酸等底物获得的电子交给O2生成H2O2和羟自由基·OH。胞浆需氧脱氢酶（如黄嘌呤氧化酶等）也可催化生成·O2-。细菌感染、组织缺氧等病理过程，环境、药物等外源因素也可导致细胞产生活性氧类。机体可通过抗氧化酶体系及时清除活性氧，以防止其累积造成有害影响。83（一）过氧化氢酶(catalase)

又称触酶，其辅基含4个血红素，主要存在于过氧化酶体中。2H2O22H2O+O2

过氧化氢酶

抗氧化酶体系H2O2在吞噬细胞中可氧化杀死入侵的细菌，在甲状腺中可使2I-转化为I2，进