第六章第六章生物氧化生物氧化Biological Oxidation主讲教师：王爱红主讲教师：王爱红延大医学院生物化学教研室延大医学院生物化学教研室物物 质质 在在 生生 物物 体体 内内 进进 行行 氧氧 化化 称称 生生 物物 氧氧 化化(biological oxidation)，主主要要指指糖糖、脂脂肪肪、蛋蛋白白质质等等在在体体内内分分解解时时逐逐步步释释放放能能量量，最最终终生生成成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n生物氧化的概念生物氧化的概念 氧化方式：氧化方式：加氧、脱氢、失去电子加氧、脱氢、失去电子氧化结果：氧化结果：耗氧量、最耗氧量、最终产物（终产物（CO2和和H2O）和释放）和释放总能量均相同。总能量均相同。体外：体外：C6H12O6+6O26CO2+6H2O+2876kJ/mol体内：体内：C6H12O6+6O2+32ADP+32Pi 6CO2+6H2O+32ATP+1900kJ/moln生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化特点生物氧化特点:1.条件温和条件温和(体温、体温、pH近中性的体液环境中近中性的体液环境中)2.逐步释放能量逐步释放能量(化学能、热能化学能、热能)不会导致高热不会导致高热 3.H2O参与参与4.H2O、CO2的生成不同于体外的生成不同于体外n生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化中生物氧化中COCO2 2的生成的生成:有机酸的脱羧基作用有机酸的脱羧基作用单纯脱羧单纯脱羧:氧化脱羧氧化脱羧:R-CH-COOH NH2R-CH2-NH2+CO2CH3-CO-COOH+HSCoA+NAD+CH3-COSCoA+CO2+NADH+H+生物氧化的一般过程（三个阶段）：生物氧化的一般过程（三个阶段）：糖原糖原 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂肪酸脂肪酸+甘油甘油 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2H+2eO2辅酶辅酶AADP+PiADP+PiATPATPCO2第一节第一节 生成生成ATP的氧化磷酸化体系的氧化磷酸化体系一、氧化呼吸链一、氧化呼吸链 代谢物脱下的成对氢原子通过代谢物脱下的成对氢原子通过线粒体线粒体内内膜上按一定顺序排列的酶和辅酶的逐步传递膜上按一定顺序排列的酶和辅酶的逐步传递（氧化还原反应），最终与氧结合生成水，（氧化还原反应），最终与氧结合生成水，此传递链称此传递链称氧化呼吸链氧化呼吸链（电子传递链）。（电子传递链）。组成：组成：递氢体（递氢体（2H2H+2e）、递电子体）、递电子体递氢体：递氢体：传递氢的酶或辅酶称为递氢体传递氢的酶或辅酶称为递氢体。递电子体：递电子体：传递电子的酶或辅酶称为递电子传递电子的酶或辅酶称为递电子体。体。线粒体内膜线粒体内膜超声波超声波胆酸、脱氧胆酸胆酸、脱氧胆酸复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体与与Q连接连接Cytc连接连接呼吸链各组分在线粒体内膜上的位置呼吸链各组分在线粒体内膜上的位置 Cytc Q NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-（一）氧化呼吸链由（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力种具有传递电子能力的复合体组成的复合体组成呼吸链的组成：呼吸链的组成：复合体复合体 酶名称酶名称 多肽多肽 链数链数功能辅基功能辅基复合体复合体 NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶 39FMN、Fe-S复合体复合体 琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶 4FAD、Fe-S复合体复合体 泛醌泛醌-细胞色细胞色 素素C还原酶还原酶 11铁卟啉铁卟啉、Fe-S复合体复合体 细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶 13铁卟啉铁卟啉、Cu 泛醌不包含在上述四种复合体中。泛醌不包含在上述四种复合体中。复合体复合体又称又称NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶。复合体复合体电子传递：电子传递：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 每传递每传递2个电子个电子可将可将4个个H+从内膜基质侧泵到从内膜基质侧泵到胞浆侧，胞浆侧，复合体复合体有质子泵功能。有质子泵功能。1、复合体、复合体作用是将作用是将NADH+H+中的电子传递给中的电子传递给泛醌泛醌(ubiquinone)NAD+、NADP+的结构的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+NAD+（NADP+）和和NADH（NADPH）相互转变相互转变氧化还原反应时变化发生在氧化还原反应时变化发生在五价氮五价氮和和三价氮三价氮之间。之间。NADNAD+为双为双电子传递体电子传递体 FMN中发挥功能的部位是核黄素的异咯嗪中发挥功能的部位是核黄素的异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMNH 。异咯嗪环异咯嗪环H HFMNFMN为单、双为单、双电子传递体电子传递体 铁硫蛋白铁硫蛋白 S SS S无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫铁硫蛋白的结构（铁硫中心）：铁硫蛋白的结构（铁硫中心）：Fe2+Fe3+eFe2S2、Fe4S4 单电子传递体单电子传递体是复合体是复合体、的辅的辅基基蛋白质蛋白质Q不仅接受不仅接受NADH脱氢酶的脱氢酶的H，还接受线粒，还接受线粒体其他脱氢酶的体其他脱氢酶的H，如琥珀酸脱氢酶，脂酰，如琥珀酸脱氢酶，脂酰CoA脱氢酶及其他黄素脱氢酶脱下的脱氢酶及其他黄素脱氢酶脱下的H，在，在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。用。泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q）为）为醌类化合物。侧链长（异醌类化合物。侧链长（异戊二烯），呈脂溶性。但整个分子较小，在戊二烯），呈脂溶性。但整个分子较小，在线粒体内膜线粒体内膜流动性大流动性大，可，可穿梭穿梭于呼吸链不同于呼吸链不同组分之间。组分之间。Q10 递氢体递氢体(递电子体递电子体)Q10H2泵泵2H+至线粒体内膜胞液侧至线粒体内膜胞液侧递递2e给细胞色素给细胞色素b复合体复合体的功能的功能NADH+H+NAD+FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2复合体复合体是三羧酸循环中的是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶，又，又称称琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶。电子传递：电子传递：琥珀酸琥珀酸FAD几种几种Fe-S CoQ复合体复合体没有没有H+泵的功能泵的功能。脂酰脂酰CoA脱氢酶、脱氢酶、-磷酸甘油脱氢酶、胆碱脱磷酸甘油脱氢酶、胆碱脱氢酶氢酶2、复合体、复合体功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。3 3、复合体、复合体功能是将电子从还原型泛醌传递给细功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素胞色素c c。复合体复合体又叫又叫泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶，细胞色，细胞色素素b-c1复合体，含有细胞色素复合体，含有细胞色素b(b562,b566)、细胞色素细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白。和一种可移动的铁硫蛋白。泛醌泛醌从复合体从复合体、募集还原当量和电子并穿梭募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体传递到复合体。电子传递过程：电子传递过程：CoQH2(Cyt bLCyt bH)Fe-S Cytc1Cytc细胞色素细胞色素(cytochrome,Cyt)细胞色素是一类以细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。，根据它们吸收光谱不同而分类。Fe2+Fe3+eCytc呈水溶性，与线粒体呈水溶性，与线粒体内膜外内膜外表面结合表面结合不紧密，极易与线粒体内膜分离，故不包不紧密，极易与线粒体内膜分离，故不包含在上述复合体中。含在上述复合体中。复合体复合体每传递每传递2 2个电子个电子向内膜胞浆侧释放向内膜胞浆侧释放4 4个个H H+，复合体，复合体也有也有质子泵作用质子泵作用。复合体复合体又称又称细胞色素细胞色素C氧化酶。氧化酶。电子传递：电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2Cyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给形成活性双核中心，将电子传递给O2。每。每2个电子个电子传递过程使传递过程使2个个H+跨内膜向胞浆跨内膜向胞浆侧转移侧转移。4、复合体、复合体将电子从细胞色素将电子从细胞色素C传递给氧传递给氧Cu+Cu2+e复复合合体体的的电电子子传传递递过过程程细细胞胞色色素素c氧氧化化酶酶CuB-Cyta3中中心心使使O2还还原原成成水水的的过过程程，有有强强氧氧化化性性中中间间物物始始终终和和双双核核中中心心紧紧密密结合，不会引起细胞损伤。结合，不会引起细胞损伤。标准氧化还原电位标准氧化还原电位拆开和重组拆开和重组特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列位由低到高的顺序排列 由以下实验确定由以下实验确定:呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位氧化还原对氧化还原对E0(V)氧化还原对氧化还原对E0(V)NAD+/NADN+H+0.32Cyt c1 Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH20.219Cyt c Fe3+/Fe2+0.254FAD/FADH20.219Cyt a Fe3+/Fe2+0.29Cyt bL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyt a3 Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.8161.NADH氧化呼吸链氧化呼吸链2.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链(FADH2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 复合体复合体O2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O2NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3CuACuCuBO2NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP偶联偶联 氧氧化化磷磷酸酸化化(oxidative phosphorylation)是是代代谢谢物物脱脱下下的的氢氢经经呼呼吸吸链链传传递递给给氧氧生生成成水水的的同同时时伴伴ADPADP磷磷酸酸化化成成ATPATP的的作作用用，也也叫叫偶偶联联磷磷酸酸化化。(线线粒体粒体)底底物物水水平平磷磷酸酸化化(substrate level phosphorylation)与与脱脱氢氢反反应应偶偶联联，将将高高能能代代谢谢物物分分子子中中能能量量转转移移至至ADP(GDP)，生生成成ATP(GTP)的过程。的过程。(线粒体、胞液线粒体、胞液)nATP生成方式生成方式底物底物2H1/2 O2H2O2H+呼吸链呼吸链氧化氧化磷酸化磷酸化偶联偶联高能磷酸键的形成及转移高能磷酸键的形成及转移自由能自由能(供机体生理活动需要供机体生理活动需要)释放释放ADP+H3PO4 ATP能量能量（一）氧化磷酸化偶联部位在复合体（一）氧化磷酸化偶联部位在复合体、内内根据根据P/O比值比值自由能变化自由能变化:G=-nFE 氧化磷酸化偶联部位：氧化磷酸化偶联部位：复合体复合体、1、P/O 比值比值指指氧氧化化磷磷酸酸化化过过程程中中，每每消消耗耗1/2摩摩尔尔O2所所生生成成ATP的的摩摩尔尔数数（或或一一对对电电子子通通过过氧氧化化呼呼吸吸链链传传递递给氧所生成给氧所生成ATP分子数）。分子数）。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 底物底物 呼吸链的组成呼吸链的组成P/O比值比值 可能生成可能生成的的ATP数数-羟丁酸羟丁酸NAD+复合体复合体CoQ 复合体复合体Cytc 复合体复合体 O22.42.82.5琥珀酸琥珀酸复