生物化學(xué)與分子生物學(xué)：第6章 生物氧化

第6章

BiologicalOxidation生物氧化授課教師：周曉霞糖原脂肪蛋白質(zhì)葡萄糖甘油、脂肪酸氨基酸

乙酰輔酶A三羧酸循環(huán)CO22H氧化磷酸化CoASHATPADP+Pi1/2O2H2O第一階段第二階段第三階段糖、脂肪、蛋白質(zhì)氧化分解的三個階段人為什么要呼吸H2O的生成

代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脫氫酶例：1\2O2NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO=2H+物質(zhì)在生物體內(nèi)的氧化作用稱生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時逐步釋放能量，最終生成CO2和

H2O的過程。糖

脂肪

蛋白質(zhì)

CO2和H2OO2能量ADP+PiATP熱能一、生物氧化的概念

第一節(jié)生物氧化概述

生物氧化體外氧化（1）物質(zhì)氧化方式：加氧、脫氫、失電子（2）物質(zhì)氧化時消耗的氧量、得到的產(chǎn)物和能量相同。二、生物氧化與體外氧化之相同點

體內(nèi)氧化體外氧化（1）反應(yīng)條件：溫和劇烈（2）反應(yīng)過程：分步反應(yīng)一步反應(yīng)

能量逐步釋放能量突然釋放（3）產(chǎn)物生成：間接生成直接生成（4）能量形式：熱能、ATP熱能、光能三、生物氧化與體外氧化之不同點四、生物氧化的酶類氧化酶類脫氫酶類（需氧的、不需氧的）加氧酶類過氧化物酶類主要參與線粒體內(nèi)的氧化反應(yīng)主要參與線粒體外的氧化反應(yīng)線粒體內(nèi)參與生物氧化的主要酶類

1)氧化酶類

能激活氧、以氧為受氫體，主要產(chǎn)物是水。2)脫氫酶類--不需氧脫氫酶類

不以氧為直接受氫體，而以某些輔酶（或輔基）為直接受氫體。A、以NAD+、NADP+為輔酶的不需氧脫酶類B、以FAD、FMN為輔基的黃素酶類第二節(jié)線粒體氧化體系一、呼吸鏈(respiratorychain)(一)定義：由一系列酶和輔酶（基）組成的遞氫體和遞電子體按一定順序排列在線粒體內(nèi)膜上，構(gòu)成一條遞氫的連鎖反應(yīng)體系，最終將氫原子交給氧生成水。此傳遞鏈與細(xì)胞呼吸有關(guān)，故稱為呼吸鏈。組成遞氫體電子傳遞體（2H

2H++2e）

線粒體的結(jié)構(gòu)呼吸鏈四種酶復(fù)合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及泛醌和細(xì)胞色素C（二）呼吸鏈的組成及作用四種具有傳遞電子功能的酶復(fù)合體(complex)*泛醌和Cytc

不包含在上述四種復(fù)合體中1.復(fù)合體Ⅰ:NADH-泛醌還原酶組成：

含有以黃素單核苷酸(FMN)為輔基的黃素蛋白和以鐵硫族（Fe-S)為輔基的鐵硫蛋白

功能:

將電子從NADH傳遞給泛醌

NADH+H+

NAD+FMNFMNH2還原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu)R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

尼克酰胺核苷酸的作用原理+H+

e+

H++

H+2HHHeH+HNAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2H黃素核苷酸的作用原理核黃素(黃色)FAD/FMN

FADH2/FMNH2+2H-2H-2H+2H還原型核黃素(無色)鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其中鐵原子可進行Fe2+

Fe3++e反應(yīng)傳遞電子。?表示無機硫2.

復(fù)合體Ⅱ:琥珀酸-泛醌還原酶功能:

將電子從FADH2傳遞給泛醌

含有以黃素單核苷酸(FAD)為輔基的黃素蛋白和以鐵硫族（Fe-S)為輔基的鐵硫蛋白組成：琥珀酸等

延胡索酸等

FADFADH2還原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2膜間腔復(fù)合體Ⅱ(琥珀酸-泛醌還原酶)作用OOH3COH3COCH3RH3COH3COOHOHCH3R+2H-2H3、泛醌（輔酶Q,CoQ,Q）為一種脂溶性醌類化合物，在呼吸鏈中作為遞氫體。O

CH3CH3H3COH3COO（CH2CH=CCH2）nH4、復(fù)合體Ⅲ:泛醌-細(xì)胞色素C還原酶

復(fù)合體ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1

組成：

含有2種細(xì)胞色素b(Cytb562,Cytb566)、細(xì)胞色素C1和鐵硫蛋白

功能：將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素c細(xì)胞色素細(xì)胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。（1）Cyt的本質(zhì)細(xì)胞色素=酶蛋白+血紅素（2）Cyt的分類30多種a類：a、a1、a2、

a3

…b類：b、b1～7、P450…c類：c、c1、c2、c3…2Fe2+2Fe3+2e

b

2Fe2+2Fe3+2ec12Fe2+2Fe3+2ec2Fe2+2Fe3+2eaa31/2O2O2-2e2H+H2O呼吸鏈中細(xì)胞色素的排列及電子傳遞過程

bc1caa31/2O2筆洗一洗AA3（散）膜間腔復(fù)合體Ⅲ

(泛醌-細(xì)胞色素c還原酶)作用

在電子傳遞過程中，Cytc通過Fe3+

Fe2+

的互變在復(fù)合體Ⅲ和復(fù)合體Ⅳ之間起電子傳遞體作用。

5、細(xì)胞色素c（Cytc）呈水溶性，極易從線粒體中分離，不包含在上述復(fù)合體中。6、復(fù)合體Ⅳ:細(xì)胞色素氧化酶

功能：將電子從細(xì)胞色素c傳遞給氧。

復(fù)合體Ⅳ還原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB因Cyta、a3不易分開，故以Cytaa3表示組成:是含有包括Cyta、a3在內(nèi)的10個亞基構(gòu)成的蛋白復(fù)合體膜間腔復(fù)合體Ⅳ:細(xì)胞色素ｃ氧化酶

（1）復(fù)合體Ⅰ(NADH一泛醌還原酶)：該復(fù)合體將電子從NADH經(jīng)FMN及鐵硫蛋白傳給泛醌。（2）復(fù)合體Ⅱ(琥珀酸一泛醌還原酶)：該復(fù)合體將電子從琥珀酸經(jīng)FAD及鐵硫蛋白傳遞給泛醌。（3）復(fù)合體Ⅲ(泛醌一細(xì)胞色素C還原酶)：該復(fù)合體將電子從泛醌經(jīng)Cyt

b、Cytc1傳給Cytc。（4）復(fù)合體Ⅳ(細(xì)胞色素C氧化酶)：該復(fù)合體將電子從Cytc經(jīng)Cytaa3傳遞給氧。

NADH復(fù)合體Ⅰ

CoQ復(fù)合體Ⅱ

FMN[Fe-S]

FAD[Fe-S]CytbCyt

c1復(fù)合體ⅢCyt

cCytaa3復(fù)合體Ⅳ1/2O2(三)呼吸鏈的排列順序

----(氧化還原電位由低到高）電子傳遞鏈中各中間體的順序NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等復(fù)合物體II復(fù)合體IV復(fù)合體

I復(fù)合體IIINADH-輔酶Q還原酶輔酶Q-細(xì)胞色素C還原酶細(xì)胞色素C氧化酶琥珀酸-輔酶Q還原酶1.NADH氧化呼吸鏈NADH→復(fù)合體Ⅰ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2

(四)體內(nèi)兩條重要的呼吸鏈*

（組成、排列順序、生成ATP數(shù)目）每2H通過此呼吸鏈可生成2.5

（3

）分子ATP。2.琥珀酸氧化呼吸鏈

琥珀酸→復(fù)合體Ⅱ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2每2H通過此呼吸鏈可生成1.5

(2)

分子ATP。進入此呼吸鏈的底物:

琥珀酸、脂肪酰CoA

、

-磷酸甘油

兩條呼吸鏈的比較:相同點:1.將H傳遞給O2生成水2.H和O2被消耗，其它可反復(fù)使用不同點:

NADH呼吸鏈琥珀酸呼吸鏈

普遍程度

較普遍次要起始物NADHFADH2生成ATP2.5（3)1.5(2)

二、氧化磷酸化

1、體內(nèi)ATP的生成方式*:

氧化磷酸化底物水平磷酸化1）底物水平磷酸化的定義：

代謝物氧化過程中產(chǎn)生的能量直接使ADP（GDP）磷酸化生成ATP（GTP）的反應(yīng)。2）體內(nèi)的底物水平磷酸化反應(yīng)：①

1、3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸

②磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸

③琥珀酰輔酶A琥珀酸ADPATPADPATPGTPGDP3-磷酸甘油酸激酶丙酮酸激酶琥珀酸硫激酶

2、氧化磷酸化的定義*：代謝物脫氫經(jīng)呼吸鏈傳遞生成水時所釋放的能量使ADP磷酸化生成

ATP的過程。SH2

S脫氫酶2H

NADH+H+（或FADH2）

NADH+（或FAD）呼吸鏈1/2O2H2O釋放能量ATP合酶ADP+PiATP氧化磷酸化3、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位：

確定方法:

A、P/O比值:每消耗1摩爾氧原子所消耗無機磷的摩爾數(shù)。

B、自由能變化：計算公式△G0，=-nF△E0，

ADP+Pi

ATP△G0′=30.5kJ/mol線粒體離體實驗測得的一些底物的P/O比值底物呼吸鏈的組成P/O比值可能生成ATP數(shù)

-羥丁酸NAD+→O22.4~2.83(2.5)琥珀酸FAD→O21.72(1.5)抗壞血酸Cytc→O20.881細(xì)胞色素CCytaa3→O20.61~0.681ATPATP

ATP

自由能變化(△G0′)：

大于30.5kJ即可生成1摩爾ATP。

△G0′＝－nF△E0′69.5kJ/mol40.5kJ/mol102.3kJ/mol4、氧化磷酸化偶聯(lián)機制化學(xué)滲透假說H+H+eOADP+PiATP胞液內(nèi)膜線粒體電子傳遞給氧釋出的能量推動質(zhì)子泵將H+泵至內(nèi)膜胞液側(cè)，形成化學(xué)梯度（勢能）當(dāng)H+順梯度回到基質(zhì)面時，釋出的能量使ADP磷酸化為ATPⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+Pi

ATPH+H+H+胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)++++++++++---------化學(xué)滲透假說詳細(xì)示意圖3個質(zhì)子泵：復(fù)合體IIIIIV，每傳遞2個電子，分別泵出4、2和4個H+

ATP合酶ATP合酶由親水部分F1（催化生成ATP

）和疏水部分F0（質(zhì)子通道）組成。ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖ATP4-F0F1胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)腺苷酸轉(zhuǎn)運蛋白磷酸轉(zhuǎn)運蛋白ADP3-H2PO4-ATP4-3H+3H+

H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-

每分子ATP在線粒體中生成并轉(zhuǎn)運到胞漿需4個H＋回流進入線粒體基質(zhì)中

NADH氧化呼吸鏈每傳遞2H生成2.5分子ATP到線粒體外被利用。

FADH2氧化呼吸鏈每傳遞2H生成1.5分子ATP到線粒體外被利用。5、氧化磷酸化的影響因素*1)ADP的調(diào)節(jié)：ADP/ATP↓：

抑制氧化磷酸化，ATP生成↓ADP/ATP↑：

促進氧化磷酸化，ATP生成↑H2O+NAD+NADH+H+

+

O212ADP+PiATP氧化磷酸化

2)甲狀腺激素的調(diào)節(jié)：

甲狀腺激素

Na，K-ATP酶↑

ATPADP↑+Pi

氧化磷酸化增強

（+）（+）（+）甲亢病人的癥狀？甲狀腺激素（T3）誘導(dǎo)解偶聯(lián)蛋白基因表達，使機體產(chǎn)能物質(zhì)釋放能量以熱能散發(fā)的部分增加，ATP合成減少，所以甲亢患者基礎(chǔ)代謝率增高。魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥×抗霉素A二巰基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(1)呼吸鏈抑制劑

3）抑制劑常見的解偶聯(lián)劑包括：解偶聯(lián)蛋白，2,4－二硝基苯酚ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)解偶聯(lián)蛋白熱能

H+

H+ADP+PiATP(2)解偶聯(lián)劑2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+線粒體內(nèi)膜內(nèi)外

(3)氧化磷酸化抑制劑-寡霉素(oligomycin)

可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成寡霉素4、線粒體DNA突變（mtDNA）mtDNA易受到氧自由基的損傷而發(fā)生突變mtDNA突變影響氧化磷酸化的功能，使ATP生成減少三、ATP在能量代謝中的中心地位

ATPADP

肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化

~P~P機械能(肌肉收縮)滲透能(物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運)化學(xué)能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)肌酸激酶的作用磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。肌酸激酶檢測的臨床意義:正常情況下，肌酸激酶主要位于肌細(xì)胞內(nèi)，血液中肌酸激酶升高一般提示已有肌肉損害或正發(fā)生肌肉損害。肌酸激酶有4種同工酶，其中臨床上以CK-MB作為診斷的特異性最高，為急性心肌梗死的重要指標(biāo)。肌酐檢測的臨床意義:

在肌肉中，肌酸主要通過不可逆的脫水反應(yīng)形成肌酐，再釋放到血液中，隨尿排泄。臨床上檢測血肌酐是常用的了解腎功能的主要方法之一。AH2

A2H代謝物

氧化產(chǎn)物2Hα-磷酸甘油穿梭蘋果酸穿梭

+

O212H2O能量ADP+H3PO4ATP+

H2O氧化磷酸化胞液線粒體呼吸鏈四、胞漿中NADH的氧化*NAD+NADH+H+α-磷酸甘油磷酸二羥丙酮α-磷酸甘油磷酸二羥丙酮FADH2FAD胞液線粒體內(nèi)膜①胞液中α-磷酸甘油脫氫酶(輔酶為NAD+)CoQbc1caa3O2①②②線粒體內(nèi)α-磷酸甘油脫氫酶(輔基為FAD)1、α-磷酸甘油穿梭（腦、骨骼肌）

NADH+H+

FADH2NAD+

FAD線粒體內(nèi)膜線粒體外膜膜間隙線粒體基質(zhì)α-磷酸甘油脫氫酶呼吸鏈磷酸二羥丙酮α-磷酸甘油2、蘋果酸-天冬氨酸穿梭（肝臟和心?。﹥?nèi)膜谷氨酸α-酮戊二酸草酰乙酸天冬氨酸蘋果酸NAD+NADH+H+呼吸鏈ⅠⅡⅢⅣ谷氨酸α-酮戊二酸天冬氨酸胞液線粒體①蘋果酸脫氫酶蘋果酸草酰乙酸NAD+NADH+H+①①②②②天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶葡萄糖有氧氧化生成的ATP計算TCA糖酵解胞漿中線粒體中2NADH2NADH2NADH2NADH2NADH2FADH2（5或3）5555330或32思考：

在心肌組織中一分子葡萄糖在體內(nèi)徹底氧化分解可凈生成多少分子ATP？第二節(jié)其他氧化體系一、微粒體中的氧化酶二、需氧脫氫酶類三、過氧化物酶體中的氧化酶類四、超氧化物歧化酶一、微粒體中的氧化酶1.加單氧酶（混合功能氧化酶、羥化酶）RH+NADPH+H++O2

單加氧酶ROH+NADP++H2O參與：類固醇激素；膽汁酸及膽色素等的合成，VitD3羥化，及藥物、毒物的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程。2、加雙氧酶此酶催化氧分子中的2個氧原子加到底物中帶雙鍵的2個碳原子上。例如：

(O2)

色氨酸吡咯酶OH

二、需氧脫氫酶類

特點：催化底物脫氫后，以O(shè)2為直接受氫體，生成H