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第八章 生 物 氧 化

( Biological oxidation)

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主 要 内 容

概述

生物氧化方式

线粒体氧化体系

生物氧化与能量代谢

非线粒体氧化体系

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第一节 生物氧化概述

一、概念

能量 + H2O + CO2

生物体 营养物 （糖、脂、蛋白质）

[O]

意义： 提供各种生命活动所需的能量 , 维持体温 .

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二、生物氧化特点：

生物氧化 体外燃烧温和环境（ 37C° 近中性） 条件剧烈，高温、高压需酶催化，使有机物氧化分解 不需酶催化

CO2 是有机酸脱羧生成的 碳和氧直接化合生成 CO2

有机物脱下的氢 , 经呼吸链生成 H2O H2O 为灭火剂

逐步释放能量并形成 ATP 能量以光和热形式骤然放出

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第二节 生物氧化方式一、生物氧化中 CO2 的生成方式

( 有机酸在酶的催化下脱羧产生 CO2)

1. α- 单纯脱羧

COOH

R-CH-NH2

R-CH2-NH2 + CO2

氨基酸脱羧酶

α- 氨基酸 胺

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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

2. －氧化脱羧

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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

3. －单纯脱羧

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

O=OH苹果酸酶

NADP+ NADPH + H+

苹果酸 丙酮酸

4. －氧化脱羧

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二、生物氧化中物质的氧化方式

物质脱氢（－ 2H ）、脱电子（－ 2e ）、加氧（＋ O2 ）

—— 均称为氧化反应。

生物体内物质氧化特殊性：1. 常见氧化方式为：加水脱氢反应2. 脱氢过程包括电子转移： H H+ + e-

3. 氧化还原反应偶联进行。

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AH2

A

B

BH2

CH2

C

D

DH2

H2O

½

O2

1) 氧化还原偶联进行；

2) 氧化还原能力的大小用 EO 值表示；

3) EO 值越小，表示还原性越强，越易提供 2H 或 2e

EO 值小

EO 值大

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第三节 线粒体氧化体系

是定位在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 transfer chain) 。

.壹 呼吸链（ respiratory chain ）

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( 一 ) 呼吸链主要成员及其作用

• 烟酰胺脱氢酶类 • 黄素蛋白类 • 铁硫蛋白（ Fe-S ）

• 泛醌（ CoQ ）

• 细胞色素类（ Cyt ）

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1. 烟酰胺脱氢酶类（ nicotinamide dehydrogenases ）

NAD+(COI)

(1) 辅酶

NADP+(COII)

(2) 作用 : 递氢体

功能部位：吡啶环

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呼吸链 2H + NAD+ NADH + H+ 传递给 FMN

(3) 递氢机理

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2.黄素蛋白酶类 (flavin proteinases)

FMN---- 呼吸链中 , FMN 作为 NADH 脱氢酶的辅基 ;

(1) 辅基

FAD---- 作为琥珀酸脱氢酶的辅基 ;

(2) 作用 : 递氢体

功能部位：异咯嗪环的 N1 和 N10

（ FP

1 ）

(FP2)

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（ 3 ）递氢机理

NADH + H+ FMNH2

均可传递给 COQ 琥珀酸脱氢 FADH2

呼吸链（ Fe-S ）

1

10

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CH2-S— Fe

S Fe

S

Fe

S Fe

SCH2-S—

—S-CH2

—S-CH2

3. 铁硫蛋白类 ( iron-sulfur proteins,

Fe-S )

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铁硫蛋白类

常见铁硫族 : Fe4-S4 或 Fe2-S2

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在呼吸链中： FMN (Fe-S)

(1)存在形式 FAD (Fe-S).b

(2) 作用 : 递电子体

(3) 递电子机理 Fe3+ Fe2+

and Cyt.b. C1

(Fe-S)

等复合物形式

e

e

20

4. 泛醌（ ubiquinone, CoQ10 , Q10 ）

(1) 结构

醌类化合物

(2) 作用 :

递氢体

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(3) 递氢机理

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 ）

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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：

*** Cyt.b 、 c1 、 c 、 a 和 a3 —— 存在于线粒体内膜 ,

作为呼吸链成员；

Cyt.b5 和 Cyt.p450 —— 主要存在于肝细胞微粒体，

参与生物转化。

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(1) Cyt. 类基本结构

N

N N

NFe3+

H3C-

-CH3

-CH - CH3

CH3

CH2

CH2

COO-

CH2

CH2

COO-

细胞色素

H3C-

Cys SH3C- CH

Cys S

多肽链

蛋白质部分

铁卟啉

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Cyt b 、 c1 、 c 、 a 、 Cyt a3

不能与 O2 和 可与 O2 也可与

CO 、 CN- 等结合， CO 和CN- 结合

Cyt a3 : 通过与氧结合，可将电子直接传递给氧，

Cyt a3 被称为细胞色素氧化酶

Cyt a3 ： 当与 CO 或 CN- 结合，使呼吸链中断。

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(2) 作用 递电子体 (3) 递电子机理

Fe3+ Fe2+

e

e

(4) 递电子顺序

Cyt.b c1 c a a3 ½ O2

e e e e e

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在呼吸链中细胞色素类递电子的过程

2Fe2+

2Fe3+

2Fe3+

2Fe2+ 2Fe3+

2Fe2+ 2Fe3+

2Fe2+ 1/2 O2

O2- H2O

2e

2e

2e

2e2e

2b 2c1 2c 2 a.a3

COQ2H 2H+- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

2e

2H+

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CoQ Cytc

NADH-CoQ 还原酶

琥珀酸 -CoQ 还原酶

CoQ-Cytc 还原酶Cyt 氧化酶

琥珀酸等

苹果酸等 NADH

O2

线粒体呼吸链四大复合体

复合体 I

FMN(Fe-S)

复合体Ⅱ

FAD(Fe-S). b

复合体Ⅲ

Cyt.b,C1

(Fe-S)

复合体Ⅳ 复合物 Ⅳa.a3.Cu2+

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1 、将测得各组分的还原电位 (E0´) 值由小 大排列 ;2 、测定各组分氧化态和还原态两种形式的吸收光谱的 变化 ;3 、使用特异抑制剂 , 分析抑制点前后各组份的氧化 还原态的变化 ;4 、分离并提取各组份 , 在体外重组成复合物 , 以重现递

H 和递 e 功能。

呼吸链各组份排列顺序的依据

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( 二 ) 体内重要呼吸链1. NADH+H+ 氧化呼吸链(1) 组成成员 (2) 排列顺序 (3) 产生 ATP 数 (3

分子 )

NADH → FMN → COQ → Cyt.b→c1 → c→ a.a3→ ½O2

+H+ (Fe-S) (Fe-S) (Cu2+)

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2. FADH2 氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）（ 1 ）组成成员 （ 2 ）排列顺序 （ 3 ）产生 ATP 数 (2

分子 )

FAD H2 → COQ → Cyt.b→c1 → c → a.a3 → ½O2

(Fe-S) (Fe-S) (Cu2+)

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NADH FMN CoQ Cytb Cytc1 Cytc aa3

+ H+ (Fe-S) (Fe-S) ( Cu2+)

FAD.H2

(Fe-S) II

I III IV

琥珀酸

½ O2

CoQ ( Q ) 是两条重要呼吸链的交汇点

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呼吸链四个复合物的电子和质子流动总图

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CH2OHC=OCH2O- P磷酸二羟 丙酮

CH2OHCHOHCH2O- P

3-磷酸甘油

NADH+H+

NAD+

QH2

Q

1/2O2

H2O

2~P 3 －磷酸甘油脱氢酶（ FAD ）

线粒体内膜

基质胞液

3-磷酸甘油 脱氢酶

磷酸甘油穿梭机制示意图

四、胞液中的 NADH的氧化

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胞液侧 线粒体内膜 基质侧

2

1

3

4

1

苹果酸—天冬氨酸穿梭示意图

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胞液中 NADH 的氧化（小结）

1 、 3-磷酸甘油穿梭作用（神经组织和骨骼肌）

胞液 NADH + H+ 线粒体 FADH2 产生 2 分子 ATP

2 、苹果酸 -天冬氨酸穿梭作用（肝和心肌）

胞液 NADH + H+ 线粒体 NADH+H+ 产生 3 分子 ATP

呼吸链

呼吸链

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第四节 生物氧化与能量代谢

糖 约 60% 以热能形式 脂类 散失， 维持体温； 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。

高能化合物： 是指水解时释出的能量≥ 30KJ/mol 的、 含有磷酸酯键或硫酯键的化合物。

[o]能量

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一 . 高能化合物的种类 通式 举例 释放能量（ PH7.0, 25℃） ( kJ/mol (kcal/mol )

高能键符号： “ ”

脂

脂

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

二、 ATP的形成

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1 、 1 ， 3- 二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 ADP ATP

3-磷酸甘油酸激酶

2 、磷酸烯醇式丙酮酸ADP ATP

丙酮酸 丙酮酸激酶

3 、琥珀酸酰 CoA 琥珀酸 + CoASH

GDP H3PO4

GTP

底物水平磷酸化

ADP ATP

琥珀酸硫激酶

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（二） 氧化磷酸化 (oxidative

phosphorylation)

1. 氧化磷酸化偶联一系列递氢、递电子体

释放能量，驱动各种生命活动

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2. 氧化磷酸化的偶联部位

（ 1 ） 磷氧比（ P/O ）值测定 每消耗 1摩尔氧原子所消耗的无机磷摩尔数，

即合成 ATP 的摩尔数。

通过加入不同底物，分别测定 P/O比值，

推测 ATP 生成数（偶联部位）。

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呼吸链形成 ATP的偶联部位

NADH 氧化呼吸链： P/O ≈ 3 ， 有 3 个偶联部位， 生成 3 分子 ATP ；

FADH2 氧化呼吸链： P/O ≈ 2 ， 有 2 个偶联部位， 生成 2 分子 ATP 。

苹果酸 抗坏血酸

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NADH FMN CoQ Cytb c1c aa3 O2

(Fe-S)

FADH2

(Fe-S)

52.1 kj/mol 40.5 kj/mol 102.3 kj/mol

（ 2 ） 自由能变化

NADH 氧化呼吸链 偶联部位

NAD+ CoQ

Cyt.b c

a.a3 O2

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四、影响氧化磷酸化的因素

• 抑制剂

• ADP 的调节

• 甲状腺激素的调节

• 线粒体 DNA突变

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（一）抑制剂 1. 呼吸链抑制剂 CN-

FAD.H2 CO (Fe-S)

NADH → FMN → CoQ → Cyt.b → C1 → C → aa3 → O2

(Fe-S)

阿米妥 抗霉素 A

鱼藤酮

-

- -

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2. 解偶联剂

解除偶联 解除偶联

二硝基苯酚（ DNP ）

DNP → 解除氧化与磷酸化的偶联作用 → 耗 O2 量↑、 耗 Pi 量↓ → P/O 比值 ↓ → ATP 生成 ↓

一系列递氢、递电子体

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（二） ADP 的调节

( ADP ＋ Pi )↑ 氧化磷酸化↑

（三）甲状腺激素（ T3 / T4 ）的调节

ATP ADP + Pi ＋产热量 ↑

氧化磷酸化↑

ATP 生成↑（耗 O2 量↑ ）

Na+-K+-ATPase

＋

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（四）线粒体 DNA突变

mt DNA编码呼吸链复合体的部分多肽链及蛋白质

mtDNA突变 影响氧化磷酸化

能量代谢障碍

各种 疾病

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五、 ATP 利用

ATP + H2O ADP + Pi + 30.5 Kj

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代谢物

氧化分解

CO2 H2O

能

热能 （散发）

化学能

ATP

ADP

Pi

C

C~P

+

能

机械能（肌肉收缩）

化学能（合成代谢）

渗透能（吸收分泌）

电能（神经传导生物电）

热能（维持体温）等

1. ATP 驱动各种生命活动

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2. ATP 中高能键的“”转移

ATP +

UDP

CDP

GDP

ADP +

UTP → 参与糖原合成

CTP → 参与磷脂合成

GTP → 参与蛋白质合成

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3. 能量的储存

H2N+

C-NH2

H3C-N

CH2

COO-

H2N+ H O

C-N~P-O-

H3C-N O-

CH2

COO-

ATP ADP

肌酸激酶

肌酸 磷酸肌酸（ C

P ） （储能形式）

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第五节 非线粒体氧化体系

RH + O2 + NADPH + H+

ROH + NADP+ + H2O

羟化酶（加单氧酶系）

O2

O

O

使 RH 羟化成 ROH

使 NADPH+H+ 氧化成 H2O

一、微粒体氧化体系

（混合功能氧化酶）

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加单氧酶系组成

酶系： Cytp450

Cytp450 还原酶等辅基： FAD

(Fe-S)2

NADP 等

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加单氧酶反应机理

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二、过氧化物酶体氧化体系

（一）过氧化氢酶（ catalase, CAT ，又称触酶）

2H2O2 2H2O + O2

（二）过氧化物酶（ peroxidase, POD ） Ar-OH

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

R-NH2

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谷胱甘肽过氧化物酶（ GSH-Px ）

（催化的反应）

H2O2 +2GSH GSSG + 2H2O

ROOH + GSH ROH + H2O + GSSG

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三、超氧化物歧化酶（ SOD ）

SOD 类型： 胞液 Cu.Zn-SOD ； 线粒体 Mn-SOD

2 O2-· + 2H H2O2 + O2

CAT

2H2O + O2

SOD