06.第六章 生物氧化

(二)加双氧酶
此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底 物中带双键的2个碳原子上。例如：
OH O NH2
O 色氨酸吡咯酶
N H NH2
COOH
NH CHO
(O2)
色氨酸
甲酰犬尿酸原
二、抗氧化酶体系与反应活性氧类的清除
(一)反应活性氧类(reactive oxygen species, ROS)
包括氧自由基及其活性衍生物。 － 1.氧自由基主要有超氧阴离子（O2•）、羟自由基 （• HO）、烷自由基（脂质自由基，L• ）、烷氧自由 基（脂氧自由基，LO• ）和烷过氧自由基（脂过氧自 由基，LOO• ）等。 2. 氧自由基衍生物，如过氧化氢（H2O2）、单线 态氧（1O2）、脂质过氧化物（LOOH）等。 3. ROS可使脂肪酸氧化成过氧化脂质，损伤生物 膜，形成脂褐素即老年斑。
为细胞内恒定条件下酶促反 应逐步进行，能量逐步释放， 生成ATP。 加水脱氢反应使物质间接获 得氧，脱下的氢经过电子传递 与氧结合产生H2O，有机酸脱羧 产生CO2。
第二节 呼吸链与氧化磷酸化
(respiratory chain and oxidative phosphorylation )
一、什么是呼吸链
① NADH+H
+
线粒体 内膜
基质侧
CHOHCOOH NAD+ ① CH2COOH 苹果酸
+
CHOHCOOH CH2COOH 苹果酸 COCOOH ③
COCOOH
COCOOH (CH2) 2COOH α-酮戊二酸
② CHNH2COOH
COCOOH CH2COOH 草酰乙酸 NADH+H+
CH2COOH 草酰乙酸
辅基
FMN ， Fe-S
FAD ， Fe-S 铁卟啉， Fe-S 铁卟啉， Cu
复合体 Ⅲ
复合体 Ⅳ
泛醌 - 细胞色素 c 还原酶
细胞色素 c 氧化酶
泛醌 和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。
呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置
细胞色素C ee-
胞液侧
e线粒体内膜 基质侧 Ⅰ
Ⅲ
Q
Ⅱ
e-
e-
Ⅳ
Cyt c
Cyt aa3 O2
三、ATP的生成方式 P105
氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 代谢物脱下的氢经过呼吸链传递给氧生成水，这 个过程中释放出来的能量驱动ADP磷酸化生成ATP的 过程。 底物水平磷酸(substrate level phosphorylat是底 物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷 酸化生成ATP的过程。
4H+ 4H+ Cyt c 2H+ H+
+
+ + + + +
+
+ +
F0
+
Q
Ⅰ Ⅱ
NAD+ 琥珀酸
延胡索酸
Ⅲ
Ⅳ
- - 1/2O2+2H+
- H2 O F1
-
NADH+H+
4H+
4H+
2H+ ADP+Pi ATP H+
基质侧
2. ATP合酶
α
由亲水部分 F1(α3β3γδε 亚 基 ) 和 疏 水 部 分 F0(a1b2c9 ～ 12 亚基 ) 组成。
电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒 体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子 电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱 动ADP与Pi生成ATP。
线粒体膜
线粒体基质
H 2O O2 eATP
ADP + Pi
- - - ++++
化学渗透假说简单示意图
H+ H+
化学渗透假说详细示意图
胞液侧
FMNH2(或FADH2)
氧化型或醌型
半醌型
还原型或氢醌型
(3)铁硫蛋白
铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫 原子，其中铁原子可进行Fe2+ Fe3++e 反应传递电子。
Ⓢ
CH2
Fe
Fe
S
CH2
S
Ⓢ
CH2
S
Fe
Ⓢ Ⓢ
Fe S
CH2
Ⓢ 表示无机硫
(4)辅酶Q
泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形成较 长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间
(2)FMN (FAD) FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是 异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是 FMN• 。
R N R R N O NH N H O +H -H N H3C H3C N H O
H
N O NH
N
O +H NH H3C H3C
N
H3C
H3C N O
-H
FMN(或FAD)
FMNH(或FADH),即FMN•
(二)ATP的生成和利用
ATP
肌酸 磷酸 肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化
~P
~P
ADP
生物体内能量的储存和利 用都以ATP为中心。
机械能(肌肉收缩) 渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢) 电能(生物电) 热能(维持体温)
1.氧化磷酸化偶联部位 复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ。 2.偶联部位的确定 根据P/O比值和自由能变 化（⊿Gº =-nF⊿Eº ）。
(二)甲状腺激素
使 ATP 分解加速， Na+,K+–ATP 酶和解偶联蛋 白基因表达均增加。
(三)ADP/ATP比值的调节
1. 比值增大，氧化加快， ATP 生成增加；比值 减小氧化减慢，ATP生成减少。调节氧化磷酸化的 主要因素。 2.呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR) 指离体线粒体实验中，底物量很大时，加入ADP后 的耗氧速率与加入前的耗氧速率之比。
2+
1.7 0.88 0.61 ～ 0.68
c (Fe ) 细胞色素
复合体Ⅳ→O2
(四)氧化磷酸化偶联部位
琥珀酸 氧化磷酸化偶联部位
FAD (Fe－S) NADH FMN (Fe－S)
ATP
CoQ
Cyt b
Cyt c1
Cyt c
Cyt aa3 O2
ATP
ATP
(五) 氧化磷酸化的偶联机理
1. 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)
NADH FADH2
O2
(一) 复合体Ⅰ : NADH-泛醌还原酶
NADH→ FMN; Fe-S →CoQ N-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2
1.复合体Ⅰ的组成
(1)NAD+和NADP+
H H C CONH 2 + N R H
H 2H H e
H+
+H + e + H+
产物半醌型泛醌。
o
H3CO CH3 R H +e
+
O
H3CO H3CO
·
CH3 H+ +e H3CO H3CO
OH
CH3
H3CO
R
R
泛醌
氧化型或醌型
o
oH
泛醌H•
oH
二氢泛醌
半醌型
还原型或氢醌型
2.复合体Ⅰ的功能
NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2 还原型Fe-S 氧化型Fe-S Q QH2
还原型Cyt c → CuA→a→a3→CuB → O2
功能：将电子从细胞色素c传递给氧，其中Cyt a3 和Cu B形成的活性部位将电子交给O2。
(五) 呼吸链成分的排列顺序
① 标准氧化还原电位
1.排列顺序确 定的实验依据
② 拆开和重组
③ 特异抑制剂阻断
2. NADH氧化呼吸链 3. 琥珀酸氧化呼吸链
(CH2) 2COOH α-酮戊二酸
② CHNH2COOH CHNH2COOH (CH2)2COOH 谷氨酸
CHNH2COOH (CH2)2COOH 谷氨酸
CH2COOH 天冬氨酸
④
CH2COOH 天冬氨酸
①苹果酸脱氢酶 ③α-酮戊二酸转运蛋白
②谷草转氨酶 ④酸性氨基酸转运蛋白
第三节 其他氧化酶
除生成ATP的线粒体氧化体系外，还 有微粒体、过氧化物酶体等氧化体系。
一、微粒体中的氧化酶类
(一)加单氧酶(monoxygenase)
又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase) 或羟化酶(hydroxylase)。催化的反应：
RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O
上述反应需要细胞色素P450 (Cyt P450)参与。
电子传递链
CH2OH
NADH+H+ C=O CH2O P
磷酸二羟丙酮
CH2OH C=O CH2O P
FADH2
CH2OH
NAD+ CH-OH CH2O
CH2OH CH-OH
FAD P 线粒体 内膜 线粒体 基质
P
线粒体 外膜
CH2O
α-磷酸甘油
胞 浆
膜间隙
2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制
胞浆侧
NAD
线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值
底 物 β-羟丁酸 琥珀酸 抗坏血酸
+
呼吸链的组成
P/O比值
可能生成的ATP数 2.5 1.5 1 1
NAD →复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ 2.4～2.8
→Cyt c→复合体Ⅳ→O2 CoQ→复合体Ⅲ 复合体Ⅱ→ →Cyt c→复合体Ⅳ→O2 Cyt c→复合体Ⅳ→O2
蛋
白
质
1.细胞色素的结构
Cys S CH-CH3 H 3C N N CH3 Cys S CH-CH3
细胞色素 是一类以铁卟 啉为辅基的催 化电子传递的 酶类，根据它 们吸收光谱不 同而分类。
Fe3+
N H 3C CH2 CH2 CH2 COOH
N CH3
CH2
COOH
细胞色素c的结构
(四) 复合体Ⅳ: 细胞色素c氧化酶
当 H+ 回 流 时 ， γ 亚基发生旋转， 3个β亚基的构象 改变，释放能量， 使 ADP 生 成 ATP 。
β α ε β
β α
F1
基质侧
γ
δ
F0
线粒体 内膜
胞液侧
ATP合酶结构模式图
四、影响氧化磷酸化的因素
(一)抑制剂（炉子）
1. 呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传 递。如鱼藤酮、氰化物、CO等。 2. 解偶联剂 使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如 解偶联蛋白、2，4-二硝基酚。 3. ATP合酶抑制剂 对电子传递及ATP合酶均有 抑制作用。如寡霉素。
线粒体的内膜上存在一系列具有氧化还原 活性的酶和辅酶，它们按照一定的顺序排列， 促进物质代谢脱下来的H传递至O2生成H2O 的多 酶体系。
四种具有传递氢和电子功能的酶复合体。 人线粒体呼吸链复合体
复合体
复合体 Ⅰ 复合体 Ⅱ
酶名称
NADH - 泛醌还原酶 琥珀酸 - 泛醌还原酶
多肽链数
39 4 11 13
(二)反应活性氧类的清除
1.过氧化物酶体中的酶类
(1)过氧化氢酶(catalase) 又称触酶，其辅基含4个血红素。
2H2O2
过氧化氢酶 2H2O + O2
(2)过氧化物酶(perioxidase) 以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化 酚类或胺类化合物。
部位：线粒体

思 考

1、还原当量如何在呼吸链中与氧结合生成 水？

2、氧化呼吸链的电子传递如何与ATP的生 成偶联在一起？
(二)生物氧化的特点
生物氧化 相 体外氧化 同 点
氧化方式均为加氧、脱氢、失电子。 耗氧、释放能量、终产物（CO2，H2O）均相同。
不
同
点
为不恒定条件下非酶 促反应，能量以热能形 式突然释放。 产 生 的 CO2 、 H2O 由 物质中的碳和氢直接与 氧结合生成。
三、线粒体内膜的物质转运
胞浆中NADH的氧化
胞浆中NADH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。 α-磷酸甘油穿梭 (α-glycerophosphate shuttle) 转运机制
苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)
1. α-磷酸甘油穿梭机制
N
CONH2
+ H+
+2H - 2H
R
NAD(P)+
NAD(P)H+H+
氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。
尼克酰胺
CONH2 N+ H HO O N H OH N N NH2 N
OH
OH O CH2 O
H2C O P O P
O
ຫໍສະໝຸດ Baidu
O
NAD+：R为 H NADP+：R为
OH P O
OH
OR
OH
(二) 复合体Ⅱ: 琥珀酸-泛醌还原酶
琥珀酸→ Fe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 →CoQ
功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌。
(三) 复合体Ⅲ: 泛醌-细胞色素c还原酶
QH2→ b562; b566; Fe-S; c1 →Cyt c
功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c。
NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c → 复合体Ⅳ→O2 琥珀酸 (FADH2)→复合体Ⅱ →Q →复合体 Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2
4.两条呼吸链的排列顺序
NADH氧化呼吸链 琥珀酸
FAD (Fe－S) NADH FMN (Fe－S)
FADH2氧化呼吸链
CoQ
Cyt b
Cyt c1
第六章 生物氧化
(Biological Oxidation)
物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主
要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释
放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。 糖 脂肪 蛋白质
O2 CO2和H2O
ADP+Pi ATP
能量
热能
生物氧化的实质

即氧化磷酸化，是NADH、FADH2上的电 子通过一系列的电子传递体传给氧气生成 水，并将能量传递给ADP，使其磷酸化变 成ATP。