生物氧化讲义(8)教材

第八章生物氧化（6学时）
第一节概述
生物氧化的一般过程
在葡萄糖的分解代谢中,1分子葡萄糖共生成10个NADH和2个FADH2.总的△Gˊ0=-2564.8KJ/mol
在燃烧时,1分子葡萄糖可释放出的热 2870.23KJ/mol，因此可推算葡萄糖分子所释放自由能的90%贮存在还原型辅酶中.
还原辅酶的再氧化
在电子传递过程中,还原辅酶借助O2得以氧化的过程可用下式表示:
NADH+H++1/2O2 →NAD++H2O △Gˊ0=-220.07KJ/mol →ATP
FADH2 +1/2O2→ FAD+ H2O △Gˊ0=-181.58KJ/mol →ATP
产能物质在不同的分解代谢过程中,都伴有代谢物的脱H和辅酶NAD+或FAD的还原.这些携带着H+和e 的还原型辅酶NADH和FADH2,最终将H+和e传递给氧时,都经历相同的一系列电子载体传递过程.
第二节线粒体氧化体系（呼吸链）
生物体内存在多种氧化体系，其中最重要的是存在与线粒体中线粒体氧化体系。

此外还有微粒体氧化体系、过氧化体氧化体系、细菌的生物氧化体系等。

一、线粒体氧化体系（呼吸链）
在生物氧化过程中，代谢物的氢由脱氢酶激活，脱下来的氢经过几种传递体的传递，将电子传递到细胞色素体系，最后将电子传递给氧，活化的氢（H+）和活化的氧（O2-）结合成水，在这个过程中构成的传递链称为电子传递链，或呼吸链。

（一）呼吸链的组成
构成呼吸链的成分有20多种。

大致可将它们分成五类。

即以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶类；以FAD
或FMN为辅基的黄素蛋白酶类；铁硫蛋白类；泛醌和细胞色素类。

依具体功能又可分为递氢体和递电子体。

1．递氢体
在呼吸链中即可接受氢又可把所接受的氢传递给另一种物质的成分叫递氢体，包括：
（1）NAD+
NAD+是不需氧脱氢酶的辅酶。

它们分别可与不同的酶蛋白组成多种功能各异的不需氧脱氢酶。

辅酶分子能可逆地加氢和脱氢。

NAD++2H++2e-→NADH+H+
（2）FAD和FMN
FAD和FMN是黄素蛋白（又称黄素酶）类的辅基。

它们能可逆地加氢和脱氢。

（3）泛醌
泛醌（Q），因广泛分布与生物界并具有醌的结构而得名。

它以1，4-苯醌作为传递H+和e的反应核心，氧化还原过程是先接受一个H+和e变成半醌，在接受一个H+和e变成氢醌。

氧化还原总反应为：
2．递电子体
既能接受电子又能将电子传递出去的物质叫做递电子体。

呼吸链中的递电子体包括两类。

（1）铁硫蛋白类
铁硫蛋白（Fe-S）是存在于线粒体内膜上的一类与电子传递有关的蛋白质。

现已发现的铁硫蛋白有九种，各种铁硫蛋白中均含有铁和对硫不稳定的硫，用硫酸处理可释放出H2S。

Fe-S代表铁硫蛋白电子传递的反应中心，即称铁硫中心。

Fe-S中的Fe均与蛋白质分子中半胱氨酸残基上的-SH中的S结合。

铁硫中心的Fe原子能可逆地获得和丢失电子，在呼吸链中起到传递电子的作用：
（2）细胞色素类
细胞色素（Cyt）是广泛分布于需氧生物线粒体内膜上的一类传递电子的色素蛋白，其辅基为含铁卟啉的衍生物。

参与线粒体生物氧化体系的有Cyta、a3、b、1、c。

细胞色素电子传递作用就是依靠分子中铁离子化合价的可逆变化而实现的。

目前尚不能将Cyta和a3分开，故将它们合称为细胞色素氧化酶。

它们靠分子中所含的铜的氧化还原变化来实现电子传递作用。

（二）呼吸链中传递体的排列顺序
呼吸链中氢和电子的传递有严格的顺序和方向，这些顺序和方向是根据各种递氢体和递电子体的标准氧化还原电位数值的测定，并利用某些特异的抑制剂切断其中的电子流后，再测定电子传递链中各组分的氧化还原态，以及在体外将电子传递体重新组成呼吸链等实验而得到结论。

用去垢剂温和处理线粒体内膜，可以得到四种电子传递复合体，每一种复合体代表完整呼吸链的一部分，具有各自独特的功能。

复合体Ⅰ：指呼吸链从NAD+到泛醌之间的组分，整个复和物嵌在线粒体内膜上。

在电子通过复合体Ⅰ转移时，质子也从基质转移到了膜间隙。

研究表明：每从NADH转移1对电子给CoQ，就将有4个质子被转移到膜间隙。

复合体Ⅱ：介于琥珀酸到泛醌之间，能将2H从琥珀酸传给FAD，然后经铁硫蛋白传递至Q。

该复合物对跨膜的质子梯度没有贡献，它的主要贡献是将来自琥珀酸氧化的电子引入到电子传递链中。

复合体Ⅲ：从Q到细胞色素C之间的呼吸链组分，包含Cytb、c1、铁硫蛋白以及其他多种蛋白质。

研究表
明：伴随1分子CoQH2的氧化有4个质子被转移到膜间隙。

其中2个质子来自CoQH2，另2个来
自基质。

复合体Ⅳ：又称细胞色素氧化酶，包括细胞色素Cytaa3，电子从细胞色素C通过复合体Ⅳ传递给氧，同时引起质子从线粒体基质向外流动。

细胞色素c氧化酶对质子浓度梯度的贡献通过两种方式表现
的：每传递1对电子转移2个质子。

（三）呼吸链中传递体排列顺序的确定
呼吸链成分的排列顺序由以下实验确定：
1．标准氧化还原电势（E′°）由低→高：即标准电势的正值越大的，越倾向于获得电子，易成为氧化剂处于呼吸链的末端。

2．特异抑制剂阻断：能够阻断呼吸链中某部位电子传递过程的药物或毒物称为电子传递抑制剂。

至使呼吸链中断。

经典的抑制剂及抑制位点：
(1) 鱼藤酮、安密妥以及杀粉蝶菌素：（NADH CoQ）
(2) 抗霉素A是由链霉菌分离出的抗菌素：（Cytb CytC1）
(3) 氰化物、硫化物、叠氮化物和一氧化碳等：（Cytaa3 O2）
3．体外拆开和重组
4．离体线粒体缓慢给氧观察氧化顺序
（四）呼吸链的类型
呼吸链按其组成成分、排列顺序和功能上的差异分为两种。

1．NADH氧化呼吸链：
复合物Ⅰ-Ⅲ-Ⅳ组合组成以NADH为首的传递链，既以NADH为首的呼吸链，通常称为长呼吸链。

它们的排列顺序如下：
NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cyta,a3→O2
复合物Ⅰ复合物-Ⅲ复合物Ⅳ
2．FADH2氧化呼吸链；
复合物Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ组合组成以琥珀酸脱氢酶为首的传递链，既以琥珀酸脱氢酶为首的呼吸链，称之为短呼吸链。

它们的排列顺序如下：
FADH2→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cyta,a3→O2
复合物Ⅱ复合物-Ⅲ复合物Ⅳ
第三节氧化磷酸化作用
一、呼吸链的作用
无论是NADH呼吸链还是FAD呼吸链，都可将代谢物上脱下的氢与氧结合生成水，同时为机体生命活动提供能量。

]
（一）代谢水的生成
根据两种呼吸链显示，呼吸摄入的氧与氢反应生成水。

也就是说代谢物脱下的氢（2H++e），通过递氢体和递电子体最终使氧激活（1/2O2+2e→O2-），活化的氧与基质中的2个氢化合成水，完成呼吸链的一次全程传递。

这种方式生成的水称代谢水。

若无氧的存在，呼吸链也就无法进行。

需氧生物不能生存的主要原因就是呼吸链对氧的绝对需求，呼吸链的正常传递为机体提供了足够的能量。

（二）能量的生成
体内ATP形成有两种方式，与呼吸链有关的是氧化磷酸化方式。

氧化磷酸化：供机体生命活动的能量主要来自氧化磷酸化作用。

定义：代谢物脱下的氢在呼吸链一系列氢转移和电子传递的氧化过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP的过程。

1．P/O比值与偶联次数
P/O比值是指，当底物进行氧化时，每消耗1个氧原子所消耗的用于ADP磷酸化的无机磷酸中的磷原子数。

因此，P/O比值是确定氧化磷酸化次数的重要指标。

目前被广泛接受的观点是：已知每合成1个ATP需要3个质子。

与此同时，把一个ATP分子从线粒体基质转运到胞液需要消耗1个质子，所以每形成1个分子的ATP就需要4个质子的流动。

每形成1个ATP共需消耗4个质子：一对电子从NADH→ O2有10个质子泵出，将产生2.5个ATP，P/O比值为2.5；
一对电子从FADH2 → O2有6个质子泵出，将产生1.5个ATP，P/O比值为1.5。

2．氧化磷酸化的偶联部位：
合成1molATP时，需要提供的能量至少为ΔG′0=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差ΔE′°=0.2V。

根据ΔG′0=-nFΔE′°，电子传递每一步骤释放的自由能多少不等，其中有3处释放的自由能较多，足可以供ADP与无机磷酸作用生成A TP反应所需要的能量（ΔG ═ +30.5 kj/mol）。

在这些步骤上，就可能发生底物氧化与ADP磷酸化的偶联，生成A TP。

三个偶联部位为：NADH ─→ CoQ ΔG ═ -50.24 kj/mol
Cytb ─→ Cytc1ΔG ═ -41.87 kj/mol
Cyta,a3─→ O2ΔG ═ -100.48 kj/mol
3.氧化磷酸化机制
关于这一问题目前比较著名的假说有三个：
（1）化学偶联假说（1953年）：认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的化学反应形成高能共价中间物，最后将其能量转移到ADP中形成ATP。

（2）构象偶联假说（1964）：认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能构象，这种高能形式通过A TP的合成而恢复其原来的构象。

迄今未能分离出这种高能蛋白质。

但在电子传递过程中蛋白质组分的构象变化还是存在的。

（3）化学渗透学说(The chemiosmotic theory) ：
目前被普遍接受的是化学渗透学说。

英国生物化学家Peter D Mitchell(米切尔)在1961年提出化学渗透假说，于1978年的诺贝尔化学奖。

该学说主要论点认为：氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，电子经呼吸链传递时，释放的自由能驱动质子（H+）从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H+电化学梯度。

这个梯度的电化学电势可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶利用，驱动ATP的合成。

4.ATP的合成场所— F O F1-ATP合酶
线粒体内膜的表面一层规则地间隔排列着的球状颗粒，称为ATP合酶，是ATP合成的场所。

组成：
F1：亲水部分（头部）（α3β3γδε亚基）
柄：含有两种蛋白质:OSCP(寡霉素敏感性付与蛋白)和F6(偶合因子6)是能量转换的通道。

F o：疏水部分（a1b2c9～12亚基）
功能：F1：催化ATP生成（在β亚基上）
F o：质子通道
（二）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；反之，当ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢
2.甲状腺激素：甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的速度。

其原因是甲状腺激素可以激活细胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使A TP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。

3.药物和毒物：
（1）呼吸链的抑制剂：
（2）解偶联剂(uncouplers)：作用:使电子传递与ATP形成两个过程分离. 只抑制ATP的形成过程,不抑制电子传递过程,使电子传递产生的自由能都变为热能.典型的解偶联剂: 2,4-二硝基苯酚(DNP）2,4-二硝基苯酚(DNP）作用机制:在pH7的环境下,DNP以解离的形式存在,不能透过线粒体内膜.在酸性条件下,DNP接受质子成为非解离的亲脂形式,可透过线粒体内膜,同时将质子带入基质,破坏了内膜两侧的质子梯度,使ATP 不能形成.
（3）氧化磷酸化的抑制剂（inhibitors）：氧化磷酸化的抑制剂是直接抑制ATP合成的化学物质，如寡霉素(oligomycin)。

作用机制:与ATP合酶上Fo的一个亚基结合,干扰质子返回基质,使ATP不能合成,由于ATP合成受阻,电子传递也被阻断,所以既抑制了ATP合成又抑制了电子传递和氧的消耗.
4．离子载体抑制剂（ionophores）：这是一类脂溶性物质，能与除H+以外的其他1价离子结合并作为它们的载体，使这些离子跨过线粒体内膜，破除跨膜电势而抑制氧化磷酸化。

如缬氨霉素(valinomycin)；短杆菌素。

作用机制:通过增加线粒体内膜对1价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化过程.
(三)激素控制褐色脂肪线粒体氧化磷酸化
解偶联蛋白(产热素 thermogenin):褐色脂肪线粒体内的一种激素.控制着线粒体内膜对质子的通透性.使氧化磷酸化解偶联而产热.它是一种非颤栗性产热.
解偶联效应的生物利用：如在冬眠动物和适应寒冷的哺乳动物中，它是一种能够产生热以维持体温的方法。

二、线粒体外NADH的跨膜转运
由于NADH和NAD＋都不能通过扩散跨过线粒体内膜，所以需要转运系统来转运。

生物体内主要存在着两种穿梭机制： 1. 甘油磷酸穿梭系统；2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭系统
第四节非线粒体氧化体系
线粒体以外的氧化体系被称为为非线粒体氧化体系，包括微粒体氧化体系，过氧化体氧化体系等。

该体系与能量生成无关，但具有特定的生理功能。

一、氧的不完全还原
1分子氧由复合体Ⅳ彻底还原需要4个电子 .在其他的一些氧化反应中会产生一些部分还原的氧的形式.如来自巯基或Vc的电子.从而形成氧的自由基
1、自由基的概念
大多数化学键由双电子组成。

这些键在断裂时有两种方式：一种是异裂后使两电子全部分配给裂解后的产物之一而形成离子（A：B→A+ + ：B-）；另一种是均裂后将两电子平均分配给裂解后的两部分，生成在水溶液中呈均一态的具有未配对电子的产物（A：B→A。

+ B。

）。

常将带有未配对电子的原子或化学基团称自由基。

如：NO（O=N。

）、I。

、、HO。

、O2。

-等均为带有未配对电子的自由基。

2、自由基的危害
生物体在代谢过程中产生的自由基主要是超氧化阴离子（O2。

-）和羟基自由基（HO。

）及其它们的活性衍生物。

在生理条件下，生物体内96%-99%的氧通过呼吸链中的细胞色素氧化酶催化而还原成水，近1%-4%的氧产生超氧化阴离子、羟基自由基和过氧化氢。

当线粒体的结构受到影响时，氧自由基的产量增多。

若产生量超过机体的清除能力便会造成对机体的损伤，主要使DNA氧化、修饰、甚至断裂；可氧化蛋白质的巯基改变蛋白质功能；自由基还可使细胞磷脂膜分子中高度不饱和脂肪酸氧化生成脂质，引起生物膜损伤。

二、机体对自由基的清除
在微粒体、过氧化物酶体及细胞其他部位还存在其他氧化体系，参与呼吸链以外的氧化过程。

特点： 1、不伴随磷酸化，不生成ATP；2、主要与体内代谢物、药物和毒物生物转化有关
1.超氧化物歧化酶（SOD）
需氧生物体内普遍存在一种超氧化物歧化酶（SOD），它能催化超氧化阴离子与质子发生反应生成氧和过氧化氢，过氧化氢进一步被相应的酶分解，从而保护机体免受氧自由基的损伤。

2.过氧化氢酶过氧化氢酶又称触酶，是含铁卟啉的结合酶，能催化过氧化氢分解成水和氧：
3.过氧化物酶过氧化物酶也是含铁卟啉的结合酶。

它可催化酚类或胺类物质脱氢，并使脱下的氢与H2O2反应生成水。

反应如下：
4.谷胱甘肽过氧化物酶在许多组织细胞中（尤其是红细胞中）存在着含硒的谷光甘肽过氧化物酶。

可催化还原型谷胱甘肽（G-SH）与过氧化氢反应，使过氧化氢分解，从而保护膜脂和红细胞免受氧化，维持它们的正常功能。