主讲老师：王玉主讲老师：王玉第第8章生物氧化章生物氧化Biological oxidationa华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学 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，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氧氧化化分分解解最最终终生生成成CO2 和和 H2O，并释放能量的过程。，并释放能量的过程。糖糖脂肪脂肪蛋白质蛋白质CO2和和H2OO2能量能量ADP+PiATP热能热能 8.1概述概述8.1.1生物氧化的概念生物氧化的概念华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 三羧酸循环三羧酸循环 2H 呼呼吸吸链链 H2O ADP+Pi ATP CO2 氧化磷酸化氧化磷酸化* 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学 8.1.2生物氧化的特点生物氧化的特点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遵循氧化还原反应的一般规律；生物氧化遵循氧化还原反应的一般规律；物质在体内外氧化时耗氧量、终产物（物质在体内外氧化时耗氧量、终产物（CO2, H2O）和释放总能量均相同和释放总能量均相同华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学w是是在在细细胞胞内内温温和和的的环环境境中中（体体温温，近近中中性性pH，有有水水），在在一一系系列列酶酶促促反反应逐步进行，能量逐步释放；应逐步进行，能量逐步释放；w底底物物脱脱氢氢，经经一一系系列列反反应应与与氧氧结结合合生成生成H2O，有机酸脱羧生成，有机酸脱羧生成CO2。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生物氧化体外氧化体外氧化w能量突然释放。能量突然释放。w产产生生的的CO2、H2O由由物物质质中中的的碳碳和和氢氢直直接接与与氧结合生成。氧结合生成。华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学 代谢物脱下的氢经在线粒体内膜上按一定顺序排列的递代谢物脱下的氢经在线粒体内膜上按一定顺序排列的递氢体或电子传递体传递，与氢体或电子传递体传递，与O2 结合生成结合生成H2O的完整体系的完整体系，也称也称电子传递链（电子传递链（electron transfer chain）。 组组 成：成：递氢体、电子传递体递氢体、电子传递体 呼吸链（呼吸链（respiratory chain）8.2线粒体氧化体系线粒体氧化体系华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学四种酶复合体四种酶复合体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* 泛醌泛醌 和和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。均不包含在上述四种复合体中。呼吸链复合体呼吸链复合体华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学胞液侧胞液侧基质侧基质侧 线粒体线粒体内膜内膜 Cytc Q呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学8.2.1呼吸链的主要组分呼吸链的主要组分 构成呼吸链的递氢体和电子传递体主要分为五类：构成呼吸链的递氢体和电子传递体主要分为五类：1尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）或称辅酶）或称辅酶I（CoI） 为体内很多为体内很多脱氢酶脱氢酶的辅酶，是连接代谢物与呼吸链的重的辅酶，是连接代谢物与呼吸链的重要环节；分子中含尼克酰胺（即维生素要环节；分子中含尼克酰胺（即维生素PP） ,参与递氢作用。参与递氢作用。 华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学FMN FMNH FMNH22黄素蛋白黄素蛋白黄素蛋白辅基有两种，一种为黄素单核苷酸黄素蛋白辅基有两种，一种为黄素单核苷酸（FMN），另一种为黄素腺嘌呤二核苷酸（），另一种为黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），），两者均含核黄素（即维生素两者均含核黄素（即维生素B2），在），在FAD、FMN分子分子中的异咯嗪环部分可以进行可逆的脱氢加氢反应。中的异咯嗪环部分可以进行可逆的脱氢加氢反应。华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学 铁硫蛋白由于铁的氧化、还原而达到传递电子作用。铁硫蛋白由于铁的氧化、还原而达到传递电子作用。 Fe2+ Fe3+e-e3 铁硫蛋白铁硫蛋白 是存在于线粒体内膜上的一类与是存在于线粒体内膜上的一类与传递电子传递电子有关的蛋白有关的蛋白质，其特点是质，其特点是铁硫蛋白中辅基铁硫簇（铁硫蛋白中辅基铁硫簇（Fe-S）含有铁原子）含有铁原子和硫原子和硫原子。华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学泛醌泛醌 泛醌泛醌H 二氢泛醌二氢泛醌4泛醌（泛醌（ubiquinone,UQ或或Q）亦称辅酶）亦称辅酶Q为一脂溶性醌类化合物，带有一很长的侧链，是由为一脂溶性醌类化合物，带有一很长的侧链，是由多个异戊二烯（多个异戊二烯（isoprene）单位构成的。）单位构成的。 华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学 细胞色素的铁卟啉辅基所含铁原子可有细胞色素的铁卟啉辅基所含铁原子可有Fe2+Fe3+e的互变，因此起到传递电子的作用的互变，因此起到传递电子的作用。5 细胞色素体系（细胞色素体系（cytochromes，cyt）特特 点：是一类含有铁卟啉辅基的蛋白，属于递电子体，点：是一类含有铁卟啉辅基的蛋白，属于递电子体， 均有特殊吸收光谱而呈现颜色。均有特殊吸收光谱而呈现颜色。分分 类：根据吸收光谱不同，参与呼吸链组成的细胞色素有类：根据吸收光谱不同，参与呼吸链组成的细胞色素有 Cyta、 Cytb、Cytc三类。三类。 线粒体内膜中有细胞色素线粒体内膜中有细胞色素b、c1、c、aa3。华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学NADH氧化呼吸链氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链8.2.2呼吸链中传递体的排列顺序呼吸链中传递体的排列顺序华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学1根据呼吸链各组分的氧化还原电位，由低到高的排列根据呼吸链各组分的氧化还原电位，由低到高的排列顺序（电位低，容易失去电子）。顺序（电位低，容易失去电子）。2利用呼吸链各组分特有的吸收光谱。利用呼吸链各组分特有的吸收光谱。3利用特异的抑制剂阻断某一组分的电子传递，在阻断利用特异的抑制剂阻断某一组分的电子传递，在阻断部位以前的组分处于还原状态，后面组分处于氧化状态。部位以前的组分处于还原状态，后面组分处于氧化状态。4体外重组呼吸链，鉴定四种复合体的组成和排列。体外重组呼吸链，鉴定四种复合体的组成和排列。 华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学8.2.3主要的呼吸链主要的呼吸链1两条氧化呼吸链两条氧化呼吸链NADH氧化呼吸链：氧化呼吸链：由复合体由复合体、组成。组成。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）: 由复合体由复合体、组成。组成。华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学NADH氧化呼吸链氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学8.2.4ATP的生成、利用与储存的生成、利用与储存 华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学CH3CSCoAO=高能磷酸键：如三磷酸腺苷高能磷酸键：如三磷酸腺苷ATP高能硫酯键：如乙酰高能硫酯键：如乙酰CoAw体内化合物的高能键形式主要有二类：体内化合物的高能键形式主要有二类：华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学高能磷酸键与高能磷酸化合物高能磷酸键与高能磷酸化合物高能磷酸键：水解时释放的能量大于高能磷酸键：水解时释放的能量大于21KJ/mol的的磷酸酯键，常表示为磷酸酯键，常表示为 P。高能磷酸化合物：含有高能磷酸键的化合物高能磷酸化合物：含有高能磷酸键的化合物华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学生物体内能量的储存和利用都以生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心为中心糖糖脂肪脂肪蛋白质蛋白质CO2和和H2OO2能量能量ADP+PiATP热能热能华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学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 P P 机械能（肌肉收缩）机械能（肌肉收缩）渗透能（物质主动转运）渗透能（物质主动转运） 化学能（合成代谢）化学能（合成代谢）电能（生物电）电能（生物电）热能（维持体温）热能（维持体温）ATP的生成和利用（的生成和利用（ATP循环）循环）华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 + ADP3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 + ATP磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸+ ADP丙酮酸丙酮酸+ ATP琥珀酰琥珀酰CoA + GDP + Pi琥珀酸琥珀酸+ HS-CoA + GTP定义：定义：底物分子内部能量重新分布，形成高能键，使底物分子内部能量重新分布，形成高能键，使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程。的过程。氧化磷酸化氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）*ATP生成的方式生成的方式底物水平磷酸化（底物水平磷酸化（substrate-level phosphorylation）定义：定义： 代谢物脱下的氢经呼吸链传递生成水，同时逐步释放能量使代谢物脱下的氢经呼吸链传递生成水，同时逐步释放能量使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程称氧化磷酸化。的过程称氧化磷酸化。华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学1） P/O 比值测定：比值测定：物质氧化时，每消耗物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数，即生成所消耗的无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数。的摩尔数。-羟丁酸羟丁酸抗坏血酸抗坏血酸细胞色素细胞色素C（Fe2+）P/O=2.42.8生成生成3ATPP/O=1.7生成生成2ATPP/O=0.88生成生成1ATP（一）电子传递链中产生（一）电子传递链中产生ATP的部位的部位（氧化磷酸化的耦联部位）（氧化磷酸化的耦联部位）华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学区段区段 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）Cytaa3O20.58V110KJ/mol能能 NAD+CoQ 0.33V63.7KJ/mol能能CoQCytc0.31V59.8KJ/mol能能ATPATP ATP氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位2）计算各阶段所释放的自由能）计算各阶段所释放的自由能华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学（二）氧化磷酸化的机制（二）氧化磷酸化的机制化学渗透学说（化学渗透学说（chemiosmotic theory） 电子经呼吸链传递时，释放的能量可将质子（电子经呼吸链传递时，释放的能量可将质子（H+）从线）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧，产生膜内外电化学梯度粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧，产生膜内外电化学梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差）。当质子顺浓度梯度回流时驱浓度梯度和跨膜电位差）。当质子顺浓度梯度回流时驱动动ADP与与Pi生成生成ATP 。 华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学外膜外膜内内膜膜华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学ATP合酶合酶F1（亲水部分）（亲水部分） 由由3 3 组成组成 催化生成催化生成ATP F0（疏水部分）（疏水部分） 由由3￥个亚基组成。主￥个亚基组成。主要构成质子通道要构成质子通道.华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A异戊巴比妥异戊巴比妥抗霉素抗霉素A二巯基丙醇二巯基丙醇CO、CN-、N3-及及H2S（三）氧化磷酸化的抑制（三）氧化磷酸化的抑制呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂:阻断呼吸链中某些部位电子传递阻断呼吸链中某些部位电子传递华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学举例举例:二硝基苯酚二硝基苯酚解偶联蛋白解偶联蛋白解偶联剂解偶联剂 使氧化与磷酸化偶联过程脱离使氧化与磷酸化偶联过程脱离特点：电子传递过程不受抑制；特点：电子传递过程不受抑制；ADP的磷酸化受到抑制。的磷酸化受到抑制。由电化学梯度储存的能量以热能形式释放。由电化学梯度储存的能量以热能形式释放。华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学氧化磷酸化抑制剂：氧化磷酸化抑制剂：对电子传递及对电子传递及ADP磷酸磷酸化均有抑制作用化均有抑制作用例例：寡霉素（：寡霉素（oligomycin） 结合于结合于ATP合酶合酶F0亚基亚基的寡霉素敏感蛋（的寡霉素敏感蛋（OSCP） 华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学（四）胞液中（四）胞液中NADH的转运的转运胞液中生成的胞液中生成的NADH（如（如3-磷酸甘油醛脱氢反应，磷酸甘油醛脱氢反应，乳酸脱氢反应等）必须经一定转运机制进入线粒体，再乳酸脱氢反应等）必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化经呼吸链进行氧化磷酸化 转运机制主要有：转运机制主要有：-磷酸甘油穿梭（磷酸甘油穿梭（glycerophosphate shuttle）苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭（天冬氨酸穿梭（malate-asparate shuttle）华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学AH2A脱脱氢氢酶酶2HNADH+H+（或（或FADH2 ）NAD+（或（或FAD ） 呼吸链呼吸链ADP+PiATP1/2O2H2O氧化过程氧化过程磷酸化过程磷酸化过程 氧氧化化磷磷酸酸化化氢是如何氧化的氢是如何氧化的ATP是如何生成的是如何生成的小结小结华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学8.3非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系华中科技大学远程教学华中科技大学远程教学线粒体外（如内质网、微粒体等）的线粒体外（如内质网、微粒体等）的氧化不伴有氧化不伴有ATP的生成，主要与药物、毒物的生成，主要与药物、毒物或代谢物的或代谢物的生物转化生物转化有关有关