1、第第 6 6 章章 Biological Oxidation物质在生物体内的氧化作用称物质在生物体内的氧化作用称生物氧化生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放释放能量，能量，最终生成最终生成CO2 和和 H2O的过程。的过程。糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能一、生物氧化的概念一、生物氧化的概念 第一节第一节 生物氧化概述生物氧化概述 糖原糖原 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 甘油、脂肪酸甘油、脂肪酸 氨基酸氨基酸 乙酰辅酶乙酰辅酶A三羧酸循环三羧酸循环CO22H氧化磷酸化氧化磷酸
2、化CoASHATPADP+Pi1/2O2H2O第一阶段第一阶段第二阶段第二阶段第三阶段第三阶段糖、脂肪、蛋白质氧化分解的三个阶段糖、脂肪、蛋白质氧化分解的三个阶段人为什么要呼人为什么要呼吸吸二、二、生物氧化生物氧化与与体外氧化之体外氧化之相同点相同点 氧化方式相同：氧化方式相同：生物氧化中物质的氧化生物氧化中物质的氧化方式有方式有加氧、脱氢、失电子，加氧、脱氢、失电子，遵循氧化遵循氧化还原反应的一般规律。还原反应的一般规律。终产物相同：终产物相同：物质在体内外氧化时所消物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和和释放释放能量能量均相同。均相同。三、生物氧化
3、与体外燃烧的不同三、生物氧化与体外燃烧的不同 生物氧化生物氧化 体外燃烧体外燃烧反应条件反应条件 温温 和和 剧剧 烈烈 (体温、体温、pHpH近近中性中性)()(高温、高压高温、高压)反应过程反应过程 逐步进行的酶促反应逐步进行的酶促反应 一步完成一步完成能量释放能量释放 逐步进行逐步进行 瞬间释放瞬间释放 （化学能、热能）（化学能、热能）（热能）（热能）COCO2 2生成方式生成方式 有机酸脱羧有机酸脱羧 碳和氧结合碳和氧结合H H2 2O O 需需 要要 不需要不需要四、生物氧化的酶类四、生物氧化的酶类氧化酶类氧化酶类 脱氢酶类脱氢酶类（需氧的、不需氧的）（需氧的、不需氧的）加氧酶类加氧
4、酶类过氧化物酶类过氧化物酶类主要参与线粒体内的氧化反应主要参与线粒体内的氧化反应主要参与线粒体外的氧化反应主要参与线粒体外的氧化反应线粒体内参与生物氧化的主要酶类线粒体内参与生物氧化的主要酶类 1 1）氧化酶类）氧化酶类 能激活氧、以氧为受氢体，产物是能激活氧、以氧为受氢体，产物是水水或或 H H2 2O O2 2 。2 2）脱氢酶类脱氢酶类-不需氧脱氢酶类不需氧脱氢酶类 不以氧为直接受氢体，而以某些辅酶不以氧为直接受氢体，而以某些辅酶（或辅基）为直接受氢体。（或辅基）为直接受氢体。A A、以、以NADNAD+、NADP NADP+为辅酶的不需氧脱酶类为辅酶的不需氧脱酶类 B B、以、以FAD
5、FAD、FMNFMN为辅基的黄素酶类为辅基的黄素酶类第二节第二节 线粒体氧化体系线粒体氧化体系一、呼吸链一、呼吸链(respiratory chain)(一一)定义：定义：由一系列酶和辅酶（基）组成的由一系列酶和辅酶（基）组成的递氢体和递电子体按一定顺序排列在线粒递氢体和递电子体按一定顺序排列在线粒体内膜上，构成的一条递氢连锁反应体系。体内膜上，构成的一条递氢连锁反应体系。此传递链最终将氢原子交给氧生成水此传递链最终将氢原子交给氧生成水,而与细胞呼吸有关，故称为呼吸链。而与细胞呼吸有关，故称为呼吸链。组成组成递氢体递氢体电子传递体电子传递体（2H 2H+2e）(二二)呼吸链的主要组成成分及作用
6、呼吸链的主要组成成分及作用 1 1、以、以NAD+、NADP+为辅酶的不需氧脱氢酶类为辅酶的不需氧脱氢酶类 作用：递氢体作用：递氢体 2 2、以、以FAD、FMN为辅基的黄素酶类为辅基的黄素酶类 作用：递氢体作用：递氢体 3 3、铁、铁-硫蛋白硫蛋白 作用：递电子体作用：递电子体 4 4、泛醌（辅酶、泛醌（辅酶Q）作用：递氢体作用：递氢体 5 5、细胞色素类：以铁卟啉为辅基的酶类、细胞色素类：以铁卟啉为辅基的酶类 作用：递电子体作用：递电子体 *递电子的顺序为：递电子的顺序为：b c1 c aa3o2 笔笔 洗一洗洗一洗 AA3（散）散）铁硫蛋白中辅基铁硫簇铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)(F
7、e-S)含有等量铁含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行原子和硫原子，其中铁原子可进行FeFe2+2+FeFe3+3+e+e 反应传递电子。反应传递电子。表示无机硫表示无机硫 OOH3COH3COCH3RH3COH3COOHOHCH3R+2H+2H-2H-2H泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q Q）:为一种脂溶性醌类化合物，为一种脂溶性醌类化合物，在呼吸链中作为在呼吸链中作为递氢体。递氢体。O CH3 CH3H3COH3COO（CH2CH=C CH2）n H细细 胞胞 色色 素素细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子电子传递传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。的酶类
8、，根据它们吸收光谱不同而分类。四种酶复合体四种酶复合体、及及泛醌泛醌和和细胞色素细胞色素C C(三三)呼吸链的组成及排列顺序呼吸链的组成及排列顺序四种具有传递电子功能的酶复合体四种具有传递电子功能的酶复合体(complex)*泛醌泛醌 和和 Cyt c 不包含在上述四种复合体中不包含在上述四种复合体中复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu
9、多肽链数多肽链数394 1013 复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数394 1013 NADH复合体复合体 CoQ复合体复合体FMNFe-S FADFe-SCyt b Cyt c c1 1复合体复合体Cyt c cCyt aa aa3 3复合体复合体 1/2O2呼吸链的排列顺序呼吸链的排列顺序 -(氧化还原电位由低到高
10、氧化还原电位由低到高）NADH-辅辅酶酶Q还原酶还原酶琥珀酸琥珀酸-辅辅酶酶Q还原酶还原酶辅酶辅酶Q-细胞色细胞色素素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶1.NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复复合体合体O22.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2每每2H通过此呼吸链可生成通过此呼吸链可生成2.52.5分子分子ATP。进入此呼吸链的底物进入此呼吸链的底物:琥珀酸、脂肪酰琥珀酸、脂肪酰CoACoA 、-磷酸甘油磷酸甘油每每2H通过此呼吸链可生成通过此呼吸链可生成1.51.5分
11、子分子ATP。(四四)体内两条重要的呼吸链（重点）体内两条重要的呼吸链（重点）两条呼吸链的比较两条呼吸链的比较:相同点相同点:1.1.将将H传递给传递给O2生成水生成水2.2.H和和O2消耗，其它可反复使用消耗，其它可反复使用 不同点不同点:NADH呼吸链呼吸链 琥珀酸呼吸链琥珀酸呼吸链 普遍程度普遍程度 较普遍较普遍 次要次要起始物起始物 NADH FADH2生成生成ATP 2.5 1.5 2.5 1.5 二、氧化磷酸化二、氧化磷酸化 1 1、体内、体内ATPATP的生成方式的生成方式:氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 1 1）底物水平磷酸化的定义：）底物水平磷酸化的定义：
12、代谢物氧化过程中产生的能量直接使代谢物氧化过程中产生的能量直接使ADPADP（GDPGDP）磷酸化生成磷酸化生成 ATPATP（GTPGTP）的的反应。反应。2 2）体内的底物水平磷酸化反应：）体内的底物水平磷酸化反应：1 1、3-3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 3-3-磷酸甘油磷酸甘油酸酸 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸丙酮酸 琥珀酰辅酶琥珀酰辅酶A A 琥珀酸琥珀酸ADPATPADPATPGTPGDP3-磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶丙酮酸激酶丙酮酸激酶琥珀酸硫激酶琥珀酸硫激酶 2 2、氧化磷酸化的定义、氧化磷酸化的定义*：代谢物脱氢经呼吸链传：代谢物脱氢经呼吸链传 递生成水时所释放
13、的能量使递生成水时所释放的能量使ADP磷酸化生成磷酸化生成 ATP的过程。的过程。SH2 S脱脱 氢氢 酶酶2H NADH+H+（或（或FADH2）NADH+（或（或FAD）呼吸链呼吸链1/2O2H2O释放能量释放能量 ATP合酶合酶ADP+PiATP氧氧 化化 磷磷 酸酸 化化3 3、氧化磷酸化的偶联部位：、氧化磷酸化的偶联部位：(1)1)确定方法确定方法 A A、P/OP/O比值比值:每消耗每消耗1 1摩尔氧原子所消耗摩尔氧原子所消耗 无机磷的摩尔数。无机磷的摩尔数。3737 B B、自由能变化：计算公式、自由能变化：计算公式 G G0 0，=-nF=-nFE E0 0，ADP+Pi AT
14、P G0=30.5 kJ/mol 3838 线粒体离体实验测得的一些底物的线粒体离体实验测得的一些底物的P/OP/O比值比值底底 物物 呼吸链的组成呼吸链的组成 P/OP/O比值比值 生成生成ATPATP数数 -羟丁酸羟丁酸 从从NAD到氧到氧 2.4-2.8 2.4-2.8 2.52.5 琥珀酸琥珀酸 从从FAD到氧到氧 1.71.7 1.51.5 抗坏血酸抗坏血酸 从从Cytc到氧到氧 0.880.88 1 1 细胞色素细胞色素C C 从从Cyt aa3到氧到氧 0.61-0.680.61-0.68 1 1 FAD FAD NADH FMN NADH FMN CoQCoQ CytbCytb
15、 Cytc Cytc1 1 CytcCytc Cytaa Cytaa3 3 O O2 2ATPATP ATP 2 2、氧化磷酸化偶联部位、氧化磷酸化偶联部位电子传递链自由能变化电子传递链自由能变化区段区段电位变化电位变化(E)自由能变化自由能变化G=-nFE能否生成能否生成ATP(G是否大于是否大于30.5KJ)Cyt aa3O2 0.53V 102.3KJ/mol 能能NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/mol 能能CoQCyt c 0.21V 40.5KJ/mol 能能4 4、氧化磷酸化偶联机制、氧化磷酸化偶联机制(了解）了解）化学渗透假说化学渗透假说H+H+eOADP+PiATP胞液
16、胞液内膜内膜线粒体线粒体电子传递给氧释出的能量推动质子泵电子传递给氧释出的能量推动质子泵将将H+泵至内膜胞液侧，形成泵至内膜胞液侧，形成化学梯度（势能）化学梯度（势能）当当H+顺梯度回到基质面时，释出的能量使顺梯度回到基质面时，释出的能量使ADP磷酸化为磷酸化为ATP F0 F1 Cyt c Q NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+1/2O2+2H+H2O ADP+Pi ATP H+H+H+胞液侧胞液侧 基质侧基质侧+-化学渗透假说详细示意图化学渗透假说详细示意图3个质子泵：复合体个质子泵：复合体 I III IVI III IVATP合酶合酶5、氧化磷酸化的影响因素、氧
17、化磷酸化的影响因素 1)ADP/ATP的调节的调节：ADP/ATP：抑制氧化磷酸化，抑制氧化磷酸化，ATP生成生成ADP/ATP：促进氧化磷酸化，促进氧化磷酸化，ATP生成生成H2O+NAD+NADH+H+O212ADP+PiATP氧化磷酸化氧化磷酸化 2)2)甲状腺激素的调节：甲状腺激素的调节：甲状腺激素甲状腺激素 Na，K-ATP酶酶 ATP ADP+Pi 氧化磷酸化增强氧化磷酸化增强 （+）（+）（+）甲亢病人的症状？甲亢病人的症状？甲状腺激素（甲状腺激素（T3T3）诱导解偶联蛋白基因表达，使机体产）诱导解偶联蛋白基因表达，使机体产能物质释放能量以热能散发的部分增加，能物质释放能量以热能
18、散发的部分增加，ATPATP合成减少，合成减少，所以甲亢患者基础代谢率增高。所以甲亢患者基础代谢率增高。鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A异戊巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S各种呼吸链抑制剂的阻断位点各种呼吸链抑制剂的阻断位点(1)呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂 3）抑制剂）抑制剂Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能 ADP+Pi ATP 2.解偶联剂解偶联剂2,4-二硝基苯酚的解偶联作用二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜线粒体内膜内内外外
19、3.氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂-寡霉素寡霉素(oligomycin)可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回流，抑制质子通道回流，抑制ATP生成生成ATP合酶结构模式图合酶结构模式图4、线粒体、线粒体DNA（mtDNA）突变）突变 mtDNA易受到氧自由基的损伤而发生突易受到氧自由基的损伤而发生突变变 mtDNA突变影响氧化磷酸化的功能，使突变影响氧化磷酸化的功能，使ATP生成减少生成减少三、三、ATP在能量代谢中的中心地位在能量代谢中的中心地位ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 机械能机械能(肌肉收缩肌肉收缩)渗透能渗透能(物质
20、主动转运物质主动转运)化学能化学能(合成代谢合成代谢)电能电能(生物电生物电)热能热能(维持体温维持体温)肌酸激酶检测的临床意义肌酸激酶检测的临床意义:正常情况下，绝大多数肌酸激酶位于肌细胞内，正常情况下，绝大多数肌酸激酶位于肌细胞内，血液中血液中肌酸激酶肌酸激酶升高一般提示已有肌肉损害或正升高一般提示已有肌肉损害或正发生肌肉损害。发生肌肉损害。肌酸激酶有肌酸激酶有4 4种同工酶，其中临床上以种同工酶，其中临床上以CK-MBCK-MB作作为诊断的特异性最高，为急性心肌梗死的重要指为诊断的特异性最高，为急性心肌梗死的重要指标。标。肌酐检测的临床意义肌酐检测的临床意义:在肌肉中，肌酸主要通过不可逆
21、的非酶脱水反应在肌肉中，肌酸主要通过不可逆的非酶脱水反应缓缓地形成肌酐，再释放到血液中，随尿排泄。缓缓地形成肌酐，再释放到血液中，随尿排泄。临床上检测临床上检测血肌酐血肌酐是常用的了解肾功能的主要方是常用的了解肾功能的主要方法之一。法之一。AH2 A2H代谢物代谢物 氧化产物氧化产物 2H-磷酸甘磷酸甘油穿梭油穿梭苹果酸穿梭苹果酸穿梭 +O212H2O 能量能量ADP+H3PO4ATP+H2O氧化磷酸化氧化磷酸化胞液胞液线粒体线粒体呼吸链呼吸链四、胞浆中四、胞浆中NADH的氧化的氧化NAD+NADH+H+-磷酸甘油磷酸甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮-磷酸甘油磷酸甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮FAD
22、H2FAD胞液胞液线粒体线粒体内膜内膜胞液中胞液中-磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶(辅酶为辅酶为NADNAD+)CoQ b c1 c aa3 O2线粒体内线粒体内-磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶(辅基为辅基为FADFAD)1 1、-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭（脑、骨骼肌）（脑、骨骼肌）2 2、苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭（肝脏和心肌）天冬氨酸穿梭（肝脏和心肌）内膜内膜谷氨谷氨酸酸-酮酮戊二酸戊二酸草酰草酰乙酸乙酸天冬天冬氨酸氨酸苹果酸苹果酸NAD+NADH+H+呼吸链呼吸链谷氨谷氨酸酸-酮酮戊二酸戊二酸天冬天冬氨酸氨酸胞液胞液线粒体线粒体苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶苹果酸苹果酸草酰草酰乙酸乙酸NAD+NA
23、DH+H+天冬氨酸氨基转移酶天冬氨酸氨基转移酶葡萄糖有氧氧化生成的葡萄糖有氧氧化生成的ATP计算计算TAC糖酵解糖酵解2NADH+H+2NADH+H+2NADH+H+2NADH+H+2NADH+H+2FADH230或或323或或 55555532思考：思考：在在心肌组织心肌组织中一分子葡萄糖在体内彻底氧化分解可净生成中一分子葡萄糖在体内彻底氧化分解可净生成多少分子多少分子ATP？以上内容的重点以上内容的重点-四个四个2 两个重要概念两个重要概念:呼吸链、呼吸链、P/O比值；比值；两条呼吸链：两条呼吸链：名称、排列顺序、生成名称、排列顺序、生成ATP数目数目 两种两种ATP的生成方式：的生成方式
24、：底物水平磷酸化和氧化磷酸化底物水平磷酸化和氧化磷酸化 两种穿梭机制：两种穿梭机制：-磷酸甘油穿梭和苹果酸穿梭磷酸甘油穿梭和苹果酸穿梭 第二节第二节 其他氧化体系其他氧化体系 一、微粒体中的氧化酶一、微粒体中的氧化酶 二、需氧脱氢酶类二、需氧脱氢酶类 三、过氧化物酶体中的氧化酶类三、过氧化物酶体中的氧化酶类 四、四、超氧物歧化酶超氧物歧化酶 特点特点:在氧化过程中没有在氧化过程中没有ATP的生成的生成一、微粒体中的氧化酶一、微粒体中的氧化酶1.加加单单氧酶（混合功能氧化酶、羟化酶）氧酶（混合功能氧化酶、羟化酶）RH+NADPH+H+O2 单加单加氧酶氧酶ROH+NADP+H2O参与：类固醇激素
25、；胆汁酸及胆色素等的合成，参与：类固醇激素；胆汁酸及胆色素等的合成，VitD3羟化及药物、毒物的生物化学转化羟化及药物、毒物的生物化学转化 过程。过程。2 2、加双氧酶、加双氧酶 此酶催化氧分子中的此酶催化氧分子中的2个氧原子加到个氧原子加到底物中带双键的底物中带双键的2个碳原子上。个碳原子上。NHOCOOHNH2CHO例例 如：如：(O2)色氨酸吡咯酶色氨酸吡咯酶ONH2NHOH 二、需氧脱氢酶类二、需氧脱氢酶类 特点：催化底物脱氢后，以特点：催化底物脱氢后，以O O2 2为直接受氢为直接受氢 体，生成体，生成H2O2。组成：结合酶组成：结合酶酶蛋白酶蛋白辅基：辅基：FMN 、FADRH2
26、FMN/FAD H2O2 R FMNH2/FADH2 O2 2H2H三、三、过氧化物酶体中的氧化酶类过氧化物酶体中的氧化酶类 （一）过氧化氢酶一）过氧化氢酶（二）过氧化物酶二）过氧化物酶 RH2 +H2O2 R+2H2O 过氧化物酶过氧化物酶H2O2 +H2O2 2 H2O+O2 过氧化氢酶过氧化氢酶 谷胱甘肽谷胱甘肽过氧化物酶过氧化物酶 H2O2 H2O 2G SH G S S G NADP+NADPH+H+*此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭氧化损伤此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭氧化损伤 谷胱甘肽谷胱甘肽还原酶还原酶 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶含硒的谷胱甘肽过氧化物酶 四、四、超氧化物歧化酶
27、（超氧化物歧化酶（SOD）1 1.自由基的概念自由基的概念:能独立存在、含有一个能独立存在、含有一个 或一个以上不配对电子的任何原子或原或一个以上不配对电子的任何原子或原 子团子团 2 2.活性氧活性氧:化学性质活泼的含氧产物和氧化学性质活泼的含氧产物和氧 自由基，统称为活性氧族（自由基，统称为活性氧族（ROS)ROS)。.O O2 2 H H2 2O O2 2 OHOH 线粒体是细胞产生超氧离子的主要部位。线粒体是细胞产生超氧离子的主要部位。1 1）可使磷脂分子中不饱和脂肪酸氧化生成过氧可使磷脂分子中不饱和脂肪酸氧化生成过氧化脂质化脂质,损伤生物膜损伤生物膜 ；过氧化脂质与蛋白质结合形；过氧化脂质与蛋白质结合形成的复合物，积累成棕褐色的色素颗粒，称为脂成的复合物，积累成棕褐色的色素颗粒，称为脂褐素，与组织老化有关。褐素，与组织老化有关。O2.-过氧化脂质（过氧化脂质（RO ROO)-脂褐素脂褐素3 3、自由基对细胞的损伤、自由基对细胞的损伤2 2）红细胞膜脂质过氧化后可导致溶血。）红细胞膜脂质过氧化后可导致溶血。4 4、自由基的清除、自由基的清除 (1)(1)抗氧化酶类抗氧化酶类 如如:超氧化物歧化酶（超氧化物歧化酶（SODSOD）(2)(2)抗氧化剂抗氧化剂 如如:GSH GSH、VitVit C C、VitVit E E等等.2O2+2HH2O2+O2SOD+
