第八章生物氧化

第八章生物氧化biological oxidation

2006-8 第九章生物氧化 2

导学

1. 掌握生物氧化的概念与特点；体内重要的呼吸链的组成、排列顺序及其作用； ATP 的生成方式。

2. 熟悉影响氧化磷酸化的因素； ATP 的利用与贮存。

3. 了解确定呼吸链排列顺序的实验依据；非线粒体氧化体系。


教学内容

第一节概述

第二节线粒体氧化体系

第三节生物氧化与能量代谢

第四节非线粒体氧化体系


第一节概述


一、生物氧化的概念

H2O + CO2 + 能量生物体

营养物（糖、脂、蛋白质）

[O]

又称细胞呼吸或组织呼吸


一、生物氧化的概念

• 线粒体内氧化：有 ATP 生成

• 非线粒体氧化：无 ATP 生成，与生物转化有

关


二、生物氧化特点

• 条件温和（ 37C° ，近中性）

• 酶催化

• 逐步释放能量

• 有机酸脱羧生成 CO2

• 有机物脱氢经呼吸链生成 H2O


三、生物氧化的方式

（一） CO2 的生成——有机酸脱羧

※ 单纯脱羧α- 单纯脱羧

β- 单纯脱羧

※ 氧化脱羧α- 氧化脱羧

β- 氧化脱羧

HOOCCH2-CH-COOH H3C-C-COOH + CO2

O=OH 苹果酸酶

NADP+ NADPH + H+苹果酸丙酮酸

COOH

R-CH-NH2

R-CH2-NH2 + CO2氨基酸脱羧酶

α- 氨基酸胺HOOCCH2-C-COOH

O=

H3C-C-COOH + CO2

O=

丙酮酸羧化酶

草酰乙酸脱羧酶

草酰乙酸丙酮酸

H3C-C-COOH + HSCoA

O=

H3C-C-SCoA + CO2

O=

NAD+ NADH + H+

丙酮酸脱氢酶系

丙酮酸乙酰 CoA



（二） H2O 的生成

代谢物（ AH2 ） 2H

酶与辅酶

O2

H2O



（三）氧化的本质

加氧、脱氢、加水脱氢、脱电子


第二节线粒体氧化体系


一、呼吸链 (respiratory chain)

概念：

定位于线粒体内膜上的一组排列有序的递氢体和递电子体（酶与辅酶）构成的链状传递体系，

也称电子传递链。 (electron transport chain)


线粒体内膜上的酶与辅酶组成的复合体

复合体ⅠNADH －泛醌还原酶

复合体Ⅱ 琥珀酸－泛醌还原酶

复合体Ⅲ泛醌－ CytC 还原酶

复合体Ⅳ细胞色素氧化酶


（一）呼吸链主要成分和作用

（递氢体或递电子体）

1. 烟酰胺脱氢酶（ NAD+ 、 NADP+ ）

2. 黄素蛋白（ FMN 、 FAD ）

3. 铁硫蛋白（ Fe-S ）

4. 泛醌（ CoQ ）

5. 细胞色素类（ Cyt ）


辅酶 NAD+

NADP+

1 、烟酰胺脱氢酶类

作用：递氢体


呼吸链 2H + NAD+ NADH + H+ 传递给 FMN

递氢机制


FMN——NADH 脱氢酶的辅基辅基 FAD—— 琥珀酸脱氢酶的辅基

2 、黄素蛋白酶类

作用：递氢体


NADH + H+ FMNH2

均可传递给 CoQ 琥珀酸脱氢 FADH2

呼吸链（ Fe-S ）

1

10

递氢机制


3 、铁硫蛋白（ Fe-S ）

Fe2+ Fe3+ + e-

递电子机制

作用——递电子体


作用——递氢体递氢机制

4 、泛醌（人体内： CoQ10 ）


FMNH2 CoQ2H 2e

2H+

传递给一系列

Cyt 类进一步传递

在呼吸链中 :

（ Fe-S ）

FADH2

（ Fe-S ）


5 、细胞色素类 ( Cytochromes, Cyt. )

根据吸收光谱特征， Cyt. 类分为 a 、 b 和 c 三大类：

Cytb 、 Cytc1 、 Cytc 、Cytaa3

组成呼吸链的细胞色素 :

细胞色素氧化酶

Cyta3 1/2O2 O2-2e


Cyt C 的结构

Fe2+ Fe3+ + e-递电子体：



Cyta3 1/2O2 O2-2e

与 CO ， CN- 结合，失去传递电子能力

细胞色素氧化酶


线粒体呼吸链四大复合体

FMN,Fe-S

复合体ⅠFAD,Fe-S复合体Ⅱ

Cytb,Fe-S,Cytc1

复合体Ⅲ

Cytaa3,Cu

复合体Ⅳ


（二）呼吸练各成分在线粒体内膜上的定位


二、体内重要呼吸链的排列顺序

1. NADH 氧化呼吸链

2. 琥珀酸氧化呼吸链（ FADH2 氧化呼吸链）

体内的两条呼吸链：


体内两条重要的呼吸链


NADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→1/2O2

（ Fe-S ）（ Fe-S ）

2H 2H+

↑→ 2eO2-

↑H2O

FAD (Fe-S) ↑ 琥珀酸

2 、琥珀酸氧化呼吸链

1 、 NADH 氧化呼吸链

CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→1/2O

2 （ Fe-S ）


三、胞液中的 NADH 的氧化

• 胞液中生成的 NADH 不能自由通透线粒体内膜，必须经过转运机制进入线粒体

1. 甘油 -3- 磷酸穿梭作用（神经组织和骨骼肌）

2. 苹果酸 - 天冬氨酸穿梭作用（肝和心肌）


甘油 -3- 磷酸穿梭机制示意图

2ATP

NADH+H+ 3- 磷酸甘油穿梭 2ATP

神经组织和骨骼肌

FADH2


苹果酸—天冬氨酸穿梭

3ATP

NADH+H+ 苹果酸 - 天冬氨酸穿梭

3ATP

肝和心肌

NADH+H+


第三节生物氧化与能量代谢

约 60% 以热能形式散失，维持体温；糖脂类蛋白质约 40% 以化学能形式形成高能化合物 ( 如， ATP) ，以驱动各种生命活动。


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 A

TCA 2H

1/2O2

ADPPi

ATP H2O

Ⅰ

Ⅲ

Ⅱ


一、高能化合物的种类

水解时释放的自由能＞ 30 KJ/mol 的含有磷酸键或硫酯键的化合物

高能硫酯化合物 CH3CO ～ SCoA

高能磷酸化合物COOH

C-O ～PCH2

= ATP ADP


二、 ATP 的生成


（一）底物水平磷酸化 (substrate level phosphrylation)

• 在分解代谢过程中，底物因脱氢、脱水等作用而使能量在分子内部重新分布，形成高能化合物，然后将高能键转移给 ADP （ GDP ）形成ATP （ GTP ）的过程。


底物水平磷酸化 1






（二）氧化磷酸化（ oxidative phosphorylation ）

• 生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经呼吸链氧化生成水时，所释放的能量能够偶联 ADP 磷酸化生成 ATP 的过程。


底物 · 2H H2O 底物氧化

偶联能量ADP+H3PO4 ATP ADP 磷酸化

释放

自由能

1 、氧化磷酸化及其偶联


2 、氧化磷酸化偶联部位

计算各阶段释放的自由能

P/O比值的测定

每消耗 1mol 原子氧时 ADP 磷酸化摄取无机磷酸的摩尔数（即合成的 ATP 的摩尔数）

氧化磷酸化偶联部位即 ATP 生成部位

推测偶联部位


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比值生成 ATP数

β-羟丁酸NAD+→FMN→Q→Cytb→c1 → c→aa3 → O2

2.4~2.8 3

琥珀酸 FAD→Q→Cytb→c1 → c→aa3 → O2

1.7 2

抗坏血酸 Cytc→Cytaa3→O2 0.88 1

Cytc （ Fe2

+ ）Cytaa3→O2 0.61~0.68 1

推测呼吸链偶联部位： NADH→Q ， Q→Cytc ， Cytaa3→O2


呼吸链各部位释放的自由能

（ kj/mol ） 52.1 40.5 102.3

NADH ： 3ATP FADH2 ： 2ATP


3 、氧化磷酸化作用机理

线粒体 (mitochondrion) 结构：

线粒体内膜和脊上有许多球状小体突出： ATP 合成酶系


三、影响氧化磷酸化的因素

• 抑制剂（ inhibitor ）

• ADP 的调节

• 甲状腺素（ thyroxine ）的调节

• 线粒体（ mitochondrial ） DNA突变（ mutation ）


1 、抑制剂——呼吸链抑制

机理：阻断氢与电子的传递


作用机理：破坏内膜两侧的电化学梯度而使氧化磷酸化偶联脱离。氧化照常进行， ATP 不能生成。

1 、抑制剂——解偶联剂

解除偶联

2 ， 4-二硝基苯酚（ DNP ）


2 、 ADP 的调节

• ADP/ATP↑—— 氧化磷酸化↑

• ADP/ATP↓—— 氧化磷酸化↓


Na+-K+-ATP酶

ATP 水解↑ 氧化磷酸化↑

ATP 合成↑

耗氧量和产热量↑

3 、甲状腺激素的调节

（＋）甲状腺激素

（ thyroxine ）


4 、线粒体 DNA突变

mtDNA编码呼吸链复合体蛋白的部分多肽链

mtDNA突变影响氧化磷酸化

ATP 生成减少

mtDNA病

（ mitochondrial DNA ）

多种疾病


四、 ATP 的利用、转移与贮存

ATP + H2O ADP + Pi + 30.5 Kj


ATP 的生成和利用


高能键的转移

ATP +

UDP

CDP

GDP

ADP +

UTP （糖原合成）

CTP （磷脂合成）

GTP （蛋白质合成）


能量的储存（磷酸肌酸的生成）

肌肉和脑组织中能量的贮存形式


第五节非线粒体氧化体系

RH + O2 + NADPH + H+

ROH + NADP+ + H2O

加单氧酶系

一、微粒体氧化体系

加单氧酶系 , monooxygenases, MOA

（羟化酶）

Cytp450


二、过氧化物酶体氧化体系

（一）过氧化氢酶（ catalase, CAT ）

2H2O2 2H2O + O2


二、过氧化物酶体氧化体系

（二）过氧化物酶（ peroxidase, POD ）

Ar-OH

R-HO + H2O2 R-COOH + 2H2O + NH3

R-NH2


某些组织细胞内：

谷胱甘肽过氧化物酶

（ glutathion-peroxidase, GSH-Px ）

H2O2 +2GSH GSSG + 2H2O

ROOH + GSH ROH + H2O + GSSG


三、超氧化物歧化酶（ superoxide dismutase, SOD ）

SOD 类型：胞液 Cu.Zn-SOD ；线粒体 Mn-SOD

2 O2-· + 2H H2O2 + O2

CAT

2H2O + O2

SOD

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