1、1第八章第八章 生生 物物 氧氧 化化 (Biological oxidation)2主主 要要 内内 容容概述概述生物氧化方式生物氧化方式线粒体氧化体系线粒体氧化体系生物氧化与能量代谢生物氧化与能量代谢非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系3第一节第一节 生物氧化概述生物氧化概述一、概念一、概念能量能量+H2O+CO2生物体生物体 营养物营养物 （糖、脂、蛋白质）（糖、脂、蛋白质）O 意义：意义：提供各种生命活动所需的能量提供各种生命活动所需的能量,维持体温维持体温.4二、生物氧化特点：二、生物氧化特点：生物氧化生物氧化 体外燃烧体外燃烧温和环境（温和环境（3737C C近近中性）中性）条件剧烈，
2、高温、高压条件剧烈，高温、高压需需酶催化酶催化，使有机物氧化分解，使有机物氧化分解 不需酶催化不需酶催化C CO O2 2是是有机酸脱羧生成有机酸脱羧生成的的 碳和氧直接化合生成碳和氧直接化合生成COCO2 2有机物脱下的氢有机物脱下的氢,经呼吸链生成经呼吸链生成H H2 2O O H H2 2O O为灭火剂为灭火剂 逐步释放能量逐步释放能量并形成并形成ATP ATP 能量以光和热形式骤然放出能量以光和热形式骤然放出5第二节第二节 生物氧化方式生物氧化方式一、生物氧化中一、生物氧化中CO2的生成方式的生成方式 (有机酸在酶的催化下脱羧产生有机酸在酶的催化下脱羧产生CO2)1.-单纯脱羧单纯脱羧
3、COOHR-CH-NH2R-CH2-NH2 +CO2氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶-氨基酸氨基酸胺胺6H3C-C-COOH +HSCoAO=H3C-C-SCoA +CO2O=NAD+NADH+H+丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoA2.氧化脱羧氧化脱羧7HOOCCH2-C-COOHO=H3C-C-COOH +CO2O=丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸草酰乙酸丙酮酸丙酮酸3.单纯脱羧单纯脱羧8HOOCCH2-CH-COOHH3C-C-COOH +CO2O=OH苹果酸酶苹果酸酶NADP+NADPH+H+苹果酸苹果酸丙酮酸丙酮酸4.氧化脱羧氧化脱羧9二、生物氧
4、化中物质的氧化方式二、生物氧化中物质的氧化方式 物质脱氢（物质脱氢（2H）、脱电子（）、脱电子（2e）、加氧（）、加氧（O2）均称为氧化反应。均称为氧化反应。生物体内物质氧化特殊性：生物体内物质氧化特殊性：1.常见氧化方式为：常见氧化方式为：加水脱氢反应加水脱氢反应2.脱氢过程包括电子转移脱氢过程包括电子转移：H H+e-3.氧化还原反应偶联进行氧化还原反应偶联进行。10 AH2 A B BH2 CH2 C D DH2 H H2 2O O O O2 21)氧化还原偶联进行；氧化还原偶联进行；2)氧化还原能力的大小用氧化还原能力的大小用EO 值表示；值表示；3)EO 值越小，表示还原性越强，越易
5、提供值越小，表示还原性越强，越易提供2H或或2eEO 值值小小EO 值值大大11第三节第三节 线粒体氧化体系线粒体氧化体系 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电子体(酶与辅酶酶与辅酶)构成的链状传递体系构成的链状传递体系,也称也称电子传递链电子传递链(electron transfer chain)。1呼吸链呼吸链（respiratory chain）12(一一)呼吸链主要成员及其作用呼吸链主要成员及其作用 烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类 黄素蛋白类黄素蛋白类 铁硫蛋白（铁硫蛋白（Fe-S）泛醌（泛醌（CoQ）细胞色素类（细胞色素类
6、（Cyt）131.烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类（nicotinamide dehydrogenases）NAD+(COI)(1)辅酶辅酶 NADP+(COII)(2)作用作用:递氢体递氢体 功能部位：功能部位：吡啶环吡啶环 14 呼吸链呼吸链 2H +NAD+NADH+H+传递给传递给 FMN (3)递氢机理递氢机理152.黄素蛋白酶类黄素蛋白酶类(flavin proteinases)FMN-呼吸链中呼吸链中,FMN作为作为NADH脱氢酶脱氢酶的辅基的辅基;(1)辅基辅基 FAD-作为作为琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶的辅基的辅基;(2)作用作用:递氢体递氢体 功能部位：功能部位：异咯嗪环的异咯嗪
7、环的N1和和N10（FP1）(FP2)16（3）递氢机理）递氢机理 NADH+H+FMNH2 均可传递给均可传递给COQ 琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢 FADH2呼吸链呼吸链（Fe-S）11017CH2-SFeSFeSFeSFeSCH2-SS-CH2S-CH23.3.铁硫蛋白类铁硫蛋白类(iron-sulfur proteins,(iron-sulfur proteins,Fe-S Fe-S)18 铁硫蛋白类铁硫蛋白类常见铁硫族常见铁硫族:Fe4-S4 或或 Fe2-S219在呼吸链中：在呼吸链中：FMN (Fe-S)(1)存在形式存在形式 FAD (Fe-S).b(2)作用作用:递电子体递电子体(3
8、)递电子机理递电子机理 Fe3+Fe2+and Cyt.b.C1 (Fe-S)等复合物形式等复合物形式e e204.泛醌泛醌（ubiquinone,CoQ10,Q10）(1)结构结构 醌类化合物醌类化合物(2)作用作用:递氢体递氢体 21(3)递氢机理递氢机理 FMNH2 COQ2H2e2H+传递给一系列传递给一系列Cyt类进一步传递类进一步传递在呼吸链中在呼吸链中（Fe-S）FADH2 （Fe-S）225.细胞色素类细胞色素类(Cytochromes,Cyt.)根据吸收光谱特征，根据吸收光谱特征，Cyt.类分为类分为a、b和和c三大类：三大类：*Cyt.b、c1、c、a和和a3 存在于存在于
9、线粒体内膜线粒体内膜,作为作为呼吸链成员；呼吸链成员；Cyt.b5和和Cyt.p450 主要存在于肝细胞主要存在于肝细胞微粒体微粒体，参与参与生物转化生物转化。23(1)Cyt.类基本结构类基本结构NNNNFe3+H3C-CH3-CH-CH3CH3CH2CH2COO-CH2CH2COO-细细胞胞色色素素H3C-Cys SH3C-CH Cys S 多肽链多肽链 蛋白质部分蛋白质部分 铁卟啉铁卟啉24 Cyt b、c1、c 、a 、Cyt a3 不能与不能与O2 和和 可与可与O2也可与也可与 CO、CN-等结合，等结合，CO和和CN-结合结合 Cyt a3 :通过与通过与氧氧结合结合，可，可将电
10、子直接传递给氧，将电子直接传递给氧，Cyt a3 被称为被称为细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶Cyt a3：当与当与CO或或CN-结合结合，使呼吸链中断使呼吸链中断。25(2)作用作用 递电子体递电子体 (3)递电子机理递电子机理 Fe3+Fe2+e e(4)递电子顺序递电子顺序 Cyt.b c1 c a a3 O2 e e e e e26在呼吸链中在呼吸链中细胞色素类细胞色素类递电子的过程递电子的过程2Fe2+2Fe3+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+1/2 O2O2-H2O2e2e2e2e2e2b2c1 2c2 a.a3COQ2H 2H+-2e2H+27CoQCyt
11、cNADH-CoQ还原酶还原酶琥珀酸琥珀酸-CoQ还原酶还原酶CoQ-Cytc还原酶还原酶Cyt氧化酶氧化酶 琥珀酸等琥珀酸等 苹果酸等苹果酸等 NADHO2线粒体呼吸链四大复合体线粒体呼吸链四大复合体复合体复合体 I FMN(Fe-S)复合体复合体 FAD(Fe-S).b复合体复合体Cyt.b,C1 (Fe-S)复合体复合体 复合物复合物 a.a3.Cu2+281 1、将测得各组分的、将测得各组分的还原电位还原电位(E E0 0)值值由小由小 大大排列排列;2 2、测定各组分、测定各组分氧化态和还原态两种形式的氧化态和还原态两种形式的吸收光谱吸收光谱的的 变化变化;3 3、使用特异抑制剂、使
12、用特异抑制剂,分析抑制点前后分析抑制点前后各组份的各组份的氧化氧化 还原态还原态的变化的变化;4 4、分离并提取各组份、分离并提取各组份,在体外重组成复合物在体外重组成复合物,以以重现递重现递H H和递和递e e功能。功能。呼吸链各组份排列顺序的依据呼吸链各组份排列顺序的依据29(二二)体内重要呼吸链体内重要呼吸链1.NADH+H+氧化呼吸链氧化呼吸链(1)组成成员组成成员 (2)排列顺序排列顺序 (3)产生产生ATP数数(3分子分子)NADH FMN COQ Cyt.bc FMN COQ Cyt.bc1 1 c a.a c a.a3 3 O O2 2 +H+H+(Fe-S)(Fe-S)(Fe
13、-S)(Cu2+)302.FADH2氧化呼吸链（氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）琥珀酸氧化呼吸链）（1）组成成员）组成成员 （2）排列顺序）排列顺序 （3）产生）产生ATP数数(2分子分子)FAD H2 COQ Cyt.bc1 c a.a3 O2 (Fe-S)(Fe-S)(Cu2+)31NADH FMN CoQ Cytb Cytc1 Cytc aa3 +H+(Fe-S)(Fe-S)(Cu2+)FAD.H2 (Fe-S)II IIIIIV琥珀酸琥珀酸 O2 CoQ(Q)是两条重要呼吸链的是两条重要呼吸链的交汇点交汇点32呼吸链四个复合物的呼吸链四个复合物的电子和质子流动总图电子和质子流动总图33C
14、H2OHC=OCH2O-P磷酸二羟磷酸二羟 丙酮丙酮CH2OHCHOHCH2O-P3-磷酸甘油磷酸甘油NADH+H+NAD+QH2Q1/2O2H2O2P 3 3磷酸甘油磷酸甘油脱氢酶（脱氢酶（FADFAD）线线粒粒体体内内膜膜基质基质胞液胞液3-磷酸甘油磷酸甘油 脱氢酶脱氢酶 磷酸甘油穿梭机制示意图磷酸甘油穿梭机制示意图四、胞液中的四、胞液中的NADHNADH的氧化的氧化34胞液侧胞液侧 线粒体内膜线粒体内膜 基质侧基质侧21341 苹果酸苹果酸天冬氨酸穿梭示意图天冬氨酸穿梭示意图35 胞液中胞液中NADH的氧化的氧化（小结）（小结）1、3-磷酸甘油磷酸甘油穿梭作用穿梭作用（神经组织和骨骼肌）
15、（神经组织和骨骼肌）胞液胞液NADH+H+线粒体线粒体FADH2 产生产生2分子分子ATP 2、苹果酸苹果酸-天冬氨酸天冬氨酸穿梭作用穿梭作用（肝和心肌）（肝和心肌）胞液胞液NADH+H+线粒体线粒体NADH+H+产生产生3分子分子ATP 呼吸链呼吸链 呼吸链呼吸链36第四节第四节 生物氧化与能量代谢生物氧化与能量代谢 糖糖 约约60%以热能形式以热能形式 脂类脂类 散失，散失，维持体温；维持体温；蛋白质蛋白质 约约40%以化学能形式形以化学能形式形 成成高能化合物高能化合物(如，如，ATP)，以驱动各种生命活动。以驱动各种生命活动。高能化合物：高能化合物：是指水解时释出的能量是指水解时释出的
16、能量30KJ/mol 的、的、含有含有磷酸酯键磷酸酯键或硫酯键的化合物。或硫酯键的化合物。o能量能量37 一一.高能化合物的种类高能化合物的种类 通式通式 举例举例 释放能量（释放能量（PH7.0,25）(kJ/mol (kcal/mol)高能键符号：高能键符号：“”脂 脂38（一）底物水平磷酸化（一）底物水平磷酸化(substrate level phosphrylation)二、二、ATPATP的形成的形成391、1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸ADPATP 3-磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶2、磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸ADPATP丙酮酸丙酮酸 丙酮酸激酶丙
17、酮酸激酶3、琥珀酸酰琥珀酸酰CoA 琥珀酸琥珀酸+CoASHGDP H3PO4GTP 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 ADP ATP 琥珀酸硫激酶琥珀酸硫激酶40（二）（二）氧化磷酸化氧化磷酸化(oxidative(oxidative phosphorylationphosphorylation)1.1.氧化磷酸化偶联氧化磷酸化偶联一系列递氢、递电子体一系列递氢、递电子体 释放能量，驱动各种生命活动释放能量，驱动各种生命活动412.氧化磷酸化的偶联部位氧化磷酸化的偶联部位（1 1）磷氧比（磷氧比（P/OP/O）值测定）值测定 每消耗每消耗1 1摩尔氧原子所消耗的无机磷摩尔数，摩尔氧原子所消耗的无
18、机磷摩尔数，即合成即合成ATPATP的摩尔数。的摩尔数。通过加入不同底物，分别测定通过加入不同底物，分别测定P/O比值，比值，推测推测ATP生成数（生成数（偶联部位偶联部位）。）。42 呼吸链形成呼吸链形成ATPATP的偶联部位的偶联部位 NADH氧化呼吸链：氧化呼吸链：P/O 3，有有3个偶联部位，个偶联部位，生成生成3分子分子ATP；FADH2氧化呼吸链：氧化呼吸链：P/O 2，有有2个偶联部位，个偶联部位，生成生成2分子分子ATP。苹果酸苹果酸抗坏血酸抗坏血酸43NADH FMN CoQ Cytb c1c aa3 O2 (Fe-S)FADH2 (Fe-S)52.1 kj/mol 40.5
19、 kj/mol 102.3 kj/mol （2 2）自由能变化自由能变化 NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 偶联部位偶联部位NAD+CoQCyt.b ca.a3 O244四、影响氧化磷酸化的因素四、影响氧化磷酸化的因素 抑制剂抑制剂 ADP的调节的调节 甲状腺激素的调节甲状腺激素的调节 线粒体线粒体DNA突变突变45（一）抑制剂（一）抑制剂 1.呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂 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-462.解偶联剂解偶联剂 解除偶联解除偶联 解除偶联解除偶联 二硝基苯酚（二硝基苯酚（DNP
20、）DNP 解除氧化与磷酸化的偶联作用解除氧化与磷酸化的偶联作用 耗耗O2量量、耗耗Pi 量量 P/O 比值比值 ATP生成生成 一系列递氢、递电子体一系列递氢、递电子体47（二）二）ADP的调节的调节 (ADPPi)氧化磷酸化氧化磷酸化 （三）甲状腺激素（三）甲状腺激素（T3/T4）的调节）的调节 ATP ADP+Pi 产热量产热量 氧化磷酸化氧化磷酸化 ATPATP生成生成（耗耗O2 量量）Na+-K+-ATPase48（四）线粒体（四）线粒体DNA突变突变mt DNA编码呼吸链复合体的编码呼吸链复合体的部分部分多肽链及蛋白质多肽链及蛋白质mtDNA突变突变 影响氧化磷酸化影响氧化磷酸化 能
21、量代谢障碍能量代谢障碍 各种各种 疾病疾病49A T P与 高 能 磷 酸 键OOOPOOPOO-ATPADPAMPOOPNNNNN H2OO HO HC H2O五、五、ATP利用利用ATP+H2O ADP+Pi+30.5 Kj50代谢物代谢物氧氧化化分分解解CO2 H2O能能 热能热能 （散发）（散发）化学能化学能 ATPADP PiCCP+能能机械能（肌肉收缩）机械能（肌肉收缩）化学能（合成代谢）化学能（合成代谢）渗透能（吸收分泌）渗透能（吸收分泌）电能（神经传导生物电）电能（神经传导生物电）热能（维持体温）等热能（维持体温）等 1.ATP驱动各种生命活动驱动各种生命活动512.ATP中高
22、能键的中高能键的“”转移转移ATP +UDPCDPGDPADP +UTP 参与糖原合成参与糖原合成CTP 参与磷脂合成参与磷脂合成GTP 参与蛋白质合成参与蛋白质合成523.能量的储存能量的储存 H2N+C-NH2 H3C-N CH2 COO-H2N+H O C-NP-O-H3C-N O-CH2 COO-ATP ADP肌酸激酶肌酸激酶肌酸肌酸 磷酸肌酸（磷酸肌酸（CP）（储能形式）（储能形式）53第五节第五节 非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系RH+ORH+O2 2+NADPH+H+NADPH+H+ROH+NADPROH+NADP+H+H2 2O O 羟化酶羟化酶（加单氧酶系加单氧酶系）O O2
23、 2O OO O使使 RH RH 羟化成羟化成 ROHROH使使 NADPH+HNADPH+H+氧化成氧化成 H H2 2O O一、微粒体氧化体系一、微粒体氧化体系（混合功能氧化酶）54加单氧酶系组成加单氧酶系组成酶系：Cytp450Cytp450 Cyt Cytp450p450还原酶等还原酶等辅基：辅基：FAD FAD (Fe-S)Fe-S)2 2 NADPNADP等等55加单氧酶反应机理加单氧酶反应机理56二、过氧化物酶体氧化体系二、过氧化物酶体氧化体系（一）过氧化氢酶（一）过氧化氢酶（catalase,CAT，又称又称触酶触酶）2H2O2 2H2O +O2（二）过氧化物酶（二）过氧化物酶（peroxidase,POD）Ar-OH R-HO +H2O2 R-COOH +2H2O+NH3 R-NH257 谷胱甘肽过氧化物酶谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）（催化的反应）催化的反应）H2O2+2GSH GSSG+2H2O ROOH+GSH ROH+H2O+GSSG58三、超氧化物歧化酶三、超氧化物歧化酶（SOD）SOD类型：类型：胞液胞液 Cu.Zn-SOD；线粒体线粒体 Mn-SOD 2 O2-+2H H2O2 +O2 CAT 2H2O+O2 SOD
