第七章 生 物 氧 化 第七章 生 物 氧 化

一、生物氧化概述

（一）生物氧化的概念：物质在生物体内氧化分解并释放出能量的过程称为生物氧化。

（二）生物氧化的特点：1、在细胞内温和的环境中（体温、 pH近于中性 )进行

2、酶促反应。3、逐步释放出能量，相当一部分能量以高能磷酸酯键的形式储存起来。

4、生物氧化中生成的二氧化碳是由有机酸脱羧产生，生物氧化中生成的水是代谢物脱下的氢和氧结合形成的。

二、生物氧化的发生位置作用意义

生物氧化

线粒体内生物氧化

线粒体外生物氧化

伴随有 ATP的生成，在能量代

谢中有重 要意义。不伴随有 ATP的生成，参与体内代谢物、药物、毒物的生物转化。过氧化物酶体、

微粒体及胞液中

三、线粒体生物氧化体系1、呼吸链概念

在线粒体中，由若干递氢体或递电子体按一定顺序排列组成的，与细胞呼吸过程有关的链式反应体系称为呼吸链。

这些递氢体或递电子体往往以复合体的形式存在于线粒体内膜上。

线粒体的结构线粒体的结构

呼吸链成分的排列顺序：呼吸链成分的排列顺序：

线粒体呼吸链线粒体呼吸链

2、呼吸链组成

呼吸链

四种复合体 : Ⅰ Ⅳ复合体 ～

两种游离成分 : CoQ、 Cytc

组成：含有 16个多肽亚基。 其活性部分 :含有 FMN + 2（ Fe-S）。

功能：催化 NADH脱氢并把电子传递给 CoQ

NADHQ还原酶 NADH + Q + H+ ========= NAD+ + QH2

① Ⅰ复合体 （NADH-泛醌还原酶）：

铁硫蛋白铁硫蛋白

铁硫蛋白 (简写为 Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。

铁硫蛋白铁硫蛋白 它主要以 它主要以 (2Fe-2S) (2Fe-2S) 或 或 (4Fe-4S) (4Fe-4S) 形式形式存在。存在。(2Fe-2S)(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过铁硫蛋白通过FeFe3+3+ Fe Fe2+2+ 变化起传递电子变化起传递电子的作用的作用

泛醌的分子结构泛醌的分子结构

呼吸链中唯一和蛋白质结合不紧的传递体 ,

可在疏水相中快速扩散或结合于内膜上 .

②② Ⅱ复合体 （琥珀酸Ⅱ复合体 （琥珀酸 -- 泛醌还原酶）： 泛醌还原酶）：

•组成：由 4个不同的多肽亚基组成。

• 其活性部分 :含有 FAD + 2（ Fe-S）。

•功能：催化琥珀酸琥珀酸脱氢并把电子传递给 CoQ

③ Ⅲ复合体 （泛醌 -细胞色素 c 还原酶）：

•活性部分 : 包括 2Cytb + （ 2Fe-2S ）+ Cytc1

•功能：催化电子由 CoQ传递给 Cytc

QH2-cyt. c 还原酶QH2 + 2 cyt. c (Fe3+) ==== Q + 2 cyt. c (Fe2+) + 2H+

细胞色素类：这是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质。细胞色素通过三价铁与两价铁的互变作为单电子传递体。细胞色素可存在于线粒体内膜，也可存在于微粒体。 存在于线粒体内膜的细胞色素有：Cytaa3， Cytb（ b560， b562， b566）， Cytc，Cytc1；存在于微粒体的细胞色素有： CytP450和 Cytb5 。

细胞色素细胞色素 bb的分子结构的分子结构

它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体

位于线粒体内膜外表 ， 属 于 膜 周 蛋白，易溶于水。它与细胞色素 c1 含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。

电 子 传 递 过 程中 ， cyt. c 通过Fe3+ Fe2+ 的互变起电子传递中间体作用。

细胞色素 c（ cyt.c）

由于由于 QHQH22是一个双电子载体，而参与上是一个双电子载体，而参与上述反应过程的其它组分述反应过程的其它组分 ((如如cyt.c)cyt.c)都是都是单电子传递体，所以，实际反应情况比单电子传递体，所以，实际反应情况比较复杂。较复杂。QHQH22所携带的一个高能电子通过铁硫蛋白，传递给所携带的一个高能电子通过铁硫蛋白，传递给cyt.ccyt.c，本身形成半醌自由基（，本身形成半醌自由基（ QHQH）；）；另一个电子则传递给另一个电子则传递给cyt.bcyt.b。还原型。还原型cyt.bcyt.b可以将可以将QHQH 还原成还原成QHQH22。其结果是通过一个循环，。其结果是通过一个循环，QHQH22将其将其中的一个电子传递给中的一个电子传递给cyt.ccyt.c。。

④ Ⅳ复合体 （细胞色素 c氧化酶）：

组成：由 12个多肽亚基组成。

活性部分主要包括： Cyta、 Cyta3 、（ Cu)

功能：分子中的铜离子可以发生 Cu+ Cu2+ 的互变,将cyt.c所携带的电子传递给O2。

细胞色素 c氧化酶

呼吸链成分的排列顺序：呼吸链成分的排列顺序：

线粒体呼吸链线粒体呼吸链

⒊呼吸链排列顺序：

琥珀酸

Ⅲ复合体

FAD ， Fe-S, Cyt b560

NADH+H+ FMN, Fe-S

Cyt b562, b566, c1

Cyt aa3

CoQ Cyt c 1/2 02

Ⅰ复合体

Ⅱ复合体

Ⅳ复合体

NADH 电子传递链 FADH2 电子 传递链

电子传递链的类型电子传递链的类型

●呼吸链电子传递的推动力 --氧化还原电势的变化

NADH FMN C0Q b c1 c aa3 02

-0.32 -0.30 +0.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0. 81

FAD

-0.18

高E0 低

电子转移方向

44、氧化磷酸化、氧化磷酸化

⑴⑴氧化磷酸化的概念：氧化磷酸化的概念： 生物体通过生物氧化所产生的能量，生物体通过生物氧化所产生的能量，除一部分用于维持体温外，大部分可以除一部分用于维持体温外，大部分可以通过磷酸化作用转移至高能磷酸化合物通过磷酸化作用转移至高能磷酸化合物ATPATP中。些种伴随放能的氧化作用而进中。些种伴随放能的氧化作用而进

行的磷酸化称之氧化磷酸化。 行的磷酸化称之氧化磷酸化。

①底物水平磷酸化：直接将底物分子中的高能键转变为 ATP分子中的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷酸化。

X～ P+ADP ATP+X

⑵⑵氧化磷酸化的方式氧化磷酸化的方式

 

底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：

3-磷酸甘油酸激酶

1,3-二磷酸甘油酸+ADP 3-磷酸甘油酸+ATP 丙酮酸激酶

磷酸烯醇式丙酮酸+ADP 烯醇式丙酮酸+ATP

琥珀酰硫激酶

琥珀酰 CoA+H3PO4+GDP 琥珀酸+CoA+GTP

②②电子传电子传递体系磷酸化：

代谢物脱下的氢经呼吸链传递给氧生成代谢物脱下的氢经呼吸链传递给氧生成水，同时伴有水，同时伴有 ADPADP磷酸化为磷酸化为 ATPATP，此过，此过程称电子传递体系磷酸化。程称电子传递体系磷酸化。

⑶⑶氧化磷酸化的偶联部位：氧化磷酸化的偶联部位：

①P/O比值可以反映底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系。每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数称为 P/O比值。

②自由能变化可以确定氧化磷酸化的偶氧化磷酸化的偶联部位。联部位。 G’ = - nF×E0

FAD ↓ NAD+ →[ FMN (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S) → c1 →c →aa3→1/2O2

-0.32 -0.30 +0.04 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.82 ↓ ↓ ↓ ATP ATP ATP

合成 1molATP时，需要提供的能量至少为 ΔG0'=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差 ΔE0'=0.2V。

NADH氧化呼吸链 :3处可生成 ATP.

FADH2氧化呼吸链 :2处可生成 ATP。

⑷⑷氧化磷酸化的偶联机制：氧化磷酸化的偶联机制： 目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是 1961年由Mitchell提出的化学渗透学说。

这一学说认为电子沿呼吸链传递时，可将质子H+从线粒体内膜上基质侧泵到线粒体内膜外侧（膜间腔）。 在膜间隙中， H+的浓度相对高于线粒体基质。从而形成膜内外 pH “ ”梯度和跨膜电位差，以此储存 势能 。当内膜外侧的质子H+顺浓度差梯度经 ATP 合酶 Fo质子通道回流时， F1催化 ADP和 Pi生成 ATP。

ATPase

电子传递体系

NADH

NAD

H

H

HO2-

+H+H2O

H+

H+

H+

ADP + Pi

ATP

H+

内膜外膜

质子移动的氧化磷酸化机理

High[H+]

Low[H+]

质子梯度的形成机制质子梯度的形成机制

质子的转移主要通过氧化呼吸链在递氢或递电子过程中 所形成的氧化还原泵来完成。

每传递两个氢原子，就可向膜间腔释放 10个质子。

由 F0 和 F1组成。F0为一个疏水蛋白，是镶嵌在线粒体内膜中的质子通道。 F1由 3 3 亚基组成。其亚基可催化 ADP磷酸化为 ADP。

ATPATP合酶的分子结构合酶的分子结构

ATPATP合酶合酶 F1F1段的结构段的结构

ATPATP合酶的作用机制合酶的作用机制 ((脂质体重建实脂质体重建实验验 ))

电子传递链各组分的定位电子传递链各组分的定位

电子传递链各组分的定位电子传递链各组分的定位

33、氧化磷酸化的影响因素、氧化磷酸化的影响因素（ 1） ATP/ADP比值：

ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；当 ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢。

（ 2）甲状腺激素：甲状腺激素可以激活细胞膜上Na+,K+-ATP酶，使 ATP水解增加， ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快；增加解偶联蛋白的基因表达，导致耗氧、产能均增加。

（（ 33）药物和毒物：）药物和毒物：

①．呼吸链的抑制剂：能够抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或毒物称为氧化磷酸化的抑制剂。

能够抑制第一位点的有异戊巴比妥、粉蝶霉素A、鱼藤酮等；

能够抑制第二位点的有抗霉素 A和二巯基丙醇；

能够抑制第三位点的有 CO、H2S和CN-、N3

-。

其中， CN-和N3-主要抑制氧化型 Cytaa3-

Fe3+，而 CO和H2S主要抑制还原型 Cytaa3-

Fe2+。

②．解偶联剂：

不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，但能使氧化产生的能量不能用于 ADP磷酸化的药物或毒物称为解偶联剂。主要的解偶联剂有 2,4-二硝基酚。

③．氧化磷酸化的抑制剂：

对电子传递和 ADP磷酸化均有抑制作用的药物和毒物称为氧化磷酸化的抑制剂，如寡霉素 。

44、高能化合物、高能化合物

（ 1 ）高能化合物的概念：

• 生物化学中将水解时释放的能>21kJ/mol 的化合物称为高能化合物。（ 2 ）高能化合物的类型：

①磷氧键型：

A.酰基磷酸化合物

C O

CH

O

CH2

OH

O P

O

O-

O-

P

OO-

O-

3-磷酸甘油酸磷酸

11.8千卡 /摩尔

CH3 C

O

O P

O

O-

O-

乙酰磷酸

10.1千卡 /摩尔

H3N+ C

O

O P

O

O-

O-

氨甲酰磷酸

R C

O

O P

O

O

O-

A

酰基腺苷酸

RCH C

O

O P

O

O

O-

A

N+H3

氨酰基腺苷酸

B.焦磷酸化合物

O-P

O

O-

N

N

N

N

NH2

O

H

H

OH

H

OH

H

OCH2O-P

O

O-

O-P

O

O-

ATP（三磷酸腺苷）

O-P

O

O-

O P

O

O-

O-

焦磷酸

7.3千卡 /摩尔

ATP是最重要的高能化合物，是生命活动的直接能量供应者。

C.烯醇式磷酸化合物

OP

O

OCOOH

C O

CH2

磷酸烯醇式丙酮酸

14.8千卡 /摩尔

②氮磷键型

OP

O

O

NH

C NH

N CH3

CH2CH2CH2CHCOOH

NH2

磷酸精氨酸

OP

O

O

NH

C NH

N CH3

CH2COOH

磷酸肌酸10.3千卡 /摩尔

7.7千卡 /摩尔

这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。

③硫酯键型

R C

O

SCoA

酰基辅酶 A

O S

O

O-

OCH2 O

H

H

OH

H

OH

H

N

N

NH2

N

NO P

O

O-

3‘-磷酸腺苷 -5’-磷酸硫酸

④甲硫键型

S-腺苷甲硫氨酸

COO-

CH NH3+

CH2

CH2

S+H3C A

（（ 33）多磷酸核苷间的能量转）多磷酸核苷间的能量转移：移：

核苷单磷酸激酶 NMP + ATP NDP + ADP   核苷二磷酸激酶 NDP + ATP NTP + ADP

在生物体内，除了可直接使用 ATP供能外，还用使用其他形式的高能磷酸键供能，如UTP用于糖原的合成， CTP用于磷脂的合成，GTP用于

蛋白质的合成等。

55、线粒体外、线粒体外 NADHNADH的穿梭的穿梭

胞液中的 3-磷酸甘油醛或乳酸脱氢，均可产生NADH。这些NADH可经 -磷酸甘油穿梭和苹果酸天冬氨酸穿梭两种方式进入线粒体氧化磷酸化。前者主要存在于脑组织和骨胳肌中，每对氢进入琥珀酸呼吸链可产生 2分子 ATP。后者主要存在于肝和心脏中，每对氢进入NADH呼吸链可产生 3分子 ATP。

NADH NAD+

磷酸二羟丙酮 -磷酸甘油

磷酸二羟丙酮 -磷酸甘油

FADH2 FAD

NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O

2

胞液

腺粒体

图示： -磷酸甘油穿梭作用图示： -磷酸甘油穿梭作用

苹果酸

草酰乙酸 谷氨酸

天冬氨酸 a-酮戊二酸

苹果酸

谷氨酸 草酰乙酸

a-酮戊二酸 天冬氨酸

线粒体胞液 内膜

NADH2NADH2

NAD NADⅠ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

图示；苹果酸穿梭循环

Ⅰ（ ~Ⅳ示线粒体内膜上的不同转位酶）

四、线粒体外生物氧化体系在微粒体、过氧化物酶及胞液中存在有不

同于线粒体的生物氧化酶 类，有过氧化氢酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶、加单氧酶、加双氧酶等，参与多种物质的氧化反应，其特点是氧化过程中不伴有 ATP生成。