生物化学基础第05章 生物氧化

第五章 生物氧化
营养物质（糖、脂肪、蛋白质）在生物体内 彻底氧化生成CO2和H2O，并释放能量的过 程称为生物氧化（biological oxidation）。
生物氧化与细胞利用O2和生成CO2有关，故 又称为细胞呼吸或组织呼吸。
营养物质在体内外氧化的实质相同：
营养物质＋O2
CO2 ＋ H2O ＋能量（Q）
脂溶性醌类化合物，故又名泛醌。
COQ 有一条由多个异戊二烯单位构成的侧链。
人体内COQ 侧链由10个异戊二烯单位构成， 以COQ10表示。
氧化型COQ的对苯醌结构接受2H生成还原型
COQ（COQH2或QH2），COQ起递氢体作用 。
O
H3CO H3CO
CH3
CH3
(CH2CH=CCH2)nH
O
（二）甲状腺激素的影响
甲 状 腺 激 素 诱 导 细 胞 膜 Na+-K+-ATP 酶 ， 使 ATP分解速度加快， [ADP]/[ATP]值升高，促 使氧化磷酸化速度加快，ATP生成也增多。
由于ATP周转率加快，代谢物氧化增多，结果 耗氧量和产热量都增加。
甲状腺功能亢进患者常表现为基础代谢率高， 生热增加，怕热，易出汗。
等。
高能化合物
➢ 含有高能键的化合物称为高能化合物。 ➢ 高能化合物在水解反应中释放的能量高于
20.9 kJ/mol。
➢ 体内最主要的高能化合物是ATP； ➢ 其次有GTP、CTP、UTP、dUTP等； ➢ 还有一些中间代谢产物：
1，3-二磷酸甘油酸、乙酰CoA、琥珀酰CoA
二、氧化磷酸化
（一） 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 的定义
呼吸链中的电子传递体系
➢ 呼吸链中的酶和辅酶（基）起到传递氢或传递 电子的作用，分别称为递氢体或递电子体，它 们大多以复合体的形式存在，并按一定顺序排 列在线粒体内膜上。
递氢（电子）体
SH2 2H
O2 H2O
S
ATP
➢ 线粒体是生物氧化最主要的场所，体内所需能
量的95%源于线粒体氧化体系。
一、呼吸链的组成成分
复合体Ⅰ（NADH-泛醌还原酶）
NADH+H+
FMN,Fe-S
CoQ
复合体Ⅰ的电子传递
❖ 人复合体Ⅰ中含有以FMN为辅基的黄素酶和 以铁硫为辅基的Fe-S。
❖ 复合体Ⅰ将NADH+H+的2H传递给COQ。 ❖ COQ极易从线粒体内膜中分离出来，故不包
含在复合体Ⅰ中。
复合体Ⅱ（琥珀酸-泛醌还原酶）
琥珀酸 FAD，Fe-S，Cytb 复合体Ⅱ
NADH+H+ FMN，Fe-S 复合体Ⅰ
CoQ Cytb,Fe-S, Cytc1 复合体Ⅲ
Cytc CuA a a3 CuB O2 复合体Ⅳ
NADH氧化呼吸链的作用
❖ 以NAD+为辅酶的脱氢酶催化代谢物脱氢，生 成NADH+H+， NADH进入NADH氧化呼吸链；
COQ
（氧化型）
2H + 2e 2H + 2e
OH
H3CO H3CO
CH3 CH3 (CH2CH=CCH2)nH
OH
COQH2
（还原型）
COQ ＋ H2
COQH2
COQ起递氢体作用
铁硫蛋白（Fe-S）类
Fe-S（iron-sulfur proteins）含有2个活泼硫 原子和2个铁原子，故称为铁硫中心。
生物氧化的特点
❖反应条件温和，37℃ 、近中性pH的水性环境； ❖ 由酶催化分步氧化，逐步释放能量。一部分能
量以高能化合物（如ATP）的形式贮存与利用， 另一部分以热能形式维持体温； ❖通过有机酸的脱羧反应生成CO2 ； ❖ 代谢物脱下的氢主要通过氧化呼吸链传递给O2 生成水。
第一节 生成ATP的氧化体系
～P ADP ATP
～P ADP ATP
～P ADP ATP
氧化磷酸化和偶联部位示意图
三、影响氧化磷酸化的因素
（一）[ADP]/[ATP]的调节作用
❖ [ADP]/[ATP]值升高，氧化磷酸化速度加快； [ADP]/[ATP]值降低，氧化磷酸化速度则减慢。
❖ [ADP]/[ATP]值是调节氧化磷酸化的主要因素， 可使体内ATP的生成速度适应生理需要，对机 体合理利用能源，避免能源浪费具有重要意义。
催化脱氢时，尼克酰胺（维生素PP）的吡啶环 接受一个氢原子和一个电子，氮原子由五价变 成三价，NAD+或NADP+变为NADH＋H+或 NADPH＋H+。反应是可逆的。
以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶：
异柠檬酸脱氢酶 苹果酸脱氢酶
丙酮酸脱氢酶
α-酮戊二酸脱氢酶
乳酸脱氢酶
3-磷酸甘油醛脱氢酶
❖ 催化底物脱氢时，FMN或FAD的核黄素（维生 素B2）部分的异咯嗪环上第1位及第10位两个 氮原子能反复地进行加氢和脱氢反应。
❖ FMN、FAD同NAD+、NADP+的作用相同，也 是递氢体。
R
H3C
NN
1
O +2H
H3C
10
NH -2H
N
O
FMN或FAD （氧化型）
H3C
R
H
NN
1
O
H3C
解偶联剂
➢ 使物质氧化与ADP磷酸化偶联作用解联的物
质称为解偶联剂： 解偶联蛋白-1 双香豆素 2，4-二硝基酚（DNP）
➢ 解偶联剂不阻断氢与电子在呼吸链的传递，
而是抑制ADP磷酸化生成ATP，物质氧化释 放的能量不能贮存于ATP，而是以热能的形 式散发，致使体温升高。
四、底物水平磷酸化
❖底物水平磷酸化（substrate-level
琥珀酸
FAD,Fe-S,Cytb
CoQ
复合体Ⅱ的电子传递
人复合体Ⅱ中含有以FAD为辅基的黄素酶和
Fe-S等成分。
复合体Ⅱ将琥珀酸脱下的2H传递给COQ。
复合体Ⅲ（泛醌- Cytc还原酶）
QH2
Cytb,Fe-S,Cytc1
Cytc
复合体Ⅲ的电子传递
➢ 人复合体Ⅲ中含有Cytb、Cytc1和Fe-S。 ➢ 复合体Ⅲ将电子从COQ传递给Cytc。 ➢ Cytc呈水溶性，与线粒体内膜外表面结合不
Fe-S的铁原子可逆地得失电子，一次传递一 个电子，因而 Fe-S 是单电子传递体 。
Pr-半胱-S
S
S-半胱-Pr +e Pr-半胱-S
S
S-半胱-Pr
Fe3+
Fe3+
-e
Fe3+
Fe2+
Pr-半胱-S
S
S-半胱-Pr
Pr-半胱-S
S
S-半胱-Pr
铁硫蛋白传递电子的作用
细胞色素（Cyt）类
Cyt（cytochromes）是以铁卟啉为辅基催化 电子传递的酶类。铁卟啉铁原子可逆地得失 电子，1分子Cyt一次传递1个电子，它们的功 能是单电子传递体。
生物体内物质氧化的主要方式是脱氢反应。
代谢物脱下的两个氢原子（2H ≡ 2H+＋2e ≡ H＋H+＋e）通过多种酶和辅酶(基)构成的 链式传递体系逐步传递给O2生成H2O，此过 程与细胞呼吸有关，因此将此传递体系称为 呼吸链（respiratory chain）。
氢通过呼吸链生成H2O，逐步释放的能量为 合成ATP提供了能量。
代谢物脱氢，氢通过呼吸链传递给氧生成水， 释放的能量使ADP磷酸化生成ATP，这种物质 的氧化（放能反应）与ADP的磷酸化（吸能反 应）相偶联的作用，称为氧化磷酸化。
氧化磷酸化是体内生成ATP的主要方式。
（二）氧化磷酸化偶联部位
氧化呼吸链递氢过程有3个偶联部位使ADP磷酸
化生成ATP。
NADH
10
NH
N
H
O
FMNH2或FADH2 （还原型）
FMN（FAD ） ＋ H2
FMNH2 （FADH2）
FMN（FAD ）的递氢作用
❖以FMN为辅基的脱氢酶： NADH脱氢酶
❖以FAD 为辅基的脱氢酶： 琥珀酸脱氢酶 脂酰CoA脱氢酶 二氢硫辛酸脱氢酶
辅酶Q （COQ）类
COQ （coenzyme Q）广泛存在于生物界，是
子（O2-），Cyt a3又称细胞色素氧化酶。 （cytochrome oxidase） Cyt a和 Cyt a3难以分离，常称Cyt aa3。
QH2 2e 2CytFe3+ b
Q
2CytFe2+ 2H+
ห้องสมุดไป่ตู้2e
2CytFe2+ 2e
c1 2CytFe3+
2CytFe3+ 2CytFe2+
c
a
2CytFe2+ 2e 2CytFe3+
《生物化学基础》
电子课件
鄂东职业技术学院医药学系 湖北省黄 冈 卫 生学校
周剑涛
高等教育出版社 高等教育电子音像出版社
第五章 生物氧化
第五章 生物氧化
第一节 生成ATP的氧化体系 第二节 ATP的生成与利用 第三节 线粒体外NADH的氧化 第四节 非线粒体氧化体系 第五节 活性氧与人体疾病
2e 2CytFe3+ O2-
a3
2CytFe2+ 2e
1 2
O2
细胞色素的递电子作用及顺序
（二）呼吸链的电子传递复合体
❖ 用胆酸、脱氧胆酸等反复处理线粒体内膜可 得到 4 种具有电子传递功能的酶复合体： 1.复合体Ⅰ（NADH-泛醌还原酶） 2.复合体Ⅱ（琥珀酸-泛醌还原酶） 3.复合体Ⅲ（泛醌-细胞色素c还原酶） 4.复合体Ⅳ（细胞色素c氧化酶）
CoQ
Cytb
Cytc
Cyta a3
O2
2H 通过NADH氧化呼吸链氧化产生 3 分子ATP
？？？
2H通过FADH2氧化呼吸链氧化生成 2 分子ATP ？？
琥珀酸 FAD，Fe-S，Cytb NADH+H+ FMN，Fe-S CoQ Cytb,Fe-S, Cytc1 Cytc CuA a a3 CuB O2
紧密，极易与内膜分离，故不参与复合体Ⅲ
的组成。
复合体Ⅳ（细胞色素c氧化酶）
Cytc
CuA a a3 CuB
O2
复合体Ⅳ的电子传递
复合体Ⅳ含有Cyta、Cyta3和2个Cu原子， Cu原子参与电子传递。
复合体Ⅳ的功能是将电子从Cyt C传递给O2。
二、两条重要呼吸链
➢ 线粒体内重要的呼吸链有两条： NADH氧化呼吸链 FADH2（琥珀酸）氧化呼吸链
（三）抑制剂的作用
➢呼吸链抑制剂 能选择性阻断呼吸链某些
部位电子传递，导致细胞内呼吸停止，引 起死亡。例如：
粉蝶霉素A 鱼藤酮 异戊巴比妥 抗霉素A
CN-（氰化物） CO N3-（叠氮化物）
氧化磷酸化抑制剂对呼吸链的抑制作用
氰化物中毒的药物治疗
临床使用亚硝酸异戊酯和亚硝酸钠抢救氰化物中 毒患者。 亚硝酸异戊酯和亚硝酸钠使血红蛋白氧化成高 铁血红蛋白，高铁血红蛋白极易与氰化物结合， 生成氰化高铁血红蛋白，恢复细胞色素氧化酶 功能。由于氰化高铁血红蛋白容易解离出氰化 物，故还应再注射硫代硫酸钠，使氰化物转化 为毒性较小的硫氰酸盐随尿排出体外。
2Cyt-Fe3+ ＋ 2e
2Cyt-Fe2+
Cyt传递电子顺序
根据吸收光谱，Cyt分为Cyt a、Cyt b、Cyt c 根据最大吸收峰的微小差异，每类又再分亚类
参与呼吸链的Cyt：b、C1、C、a、a3。 Cyt按b→c1→c→aa3 顺序传递电子。 由Cyt a3将电子交给O2，使O2激活生成氧负离
phosphorylation）是代谢物分子中的高能键 在酶的作用下，直接转移给ADP生成ATP的 方式。
❖ NADH+H+脱下2H经复合体Ⅰ传递至COQ生成 COQH2；
❖COQH2脱去2H+和 2e，2H+留于介质中，2e 再 经复合体Ⅲ传递至Cytc；
❖最后由复合体Ⅳ将 2e 交给O2，使氧激活成 O2-，O2-与介质中的2H+结合成H2O 。
FADH2氧化呼吸链的作用
以FAD为辅基的脱氢酶催化代谢物脱氢， 生成FADH2进入FADH2 氧化呼吸链；
H
CONH2 + H+e+H+ N
R NAD+ 或NADP+ （氧化型）
HH
CONH2 + H+ N
R NADH+H+ 或NADPH+ H+ （还原型）
NAD+ ＋2 H （ NADP+ ）
NADH＋H+ （ NADPH＋H+ ）
NAD+或NADP+的递氢作用
黄素脱氢酶类
❖ 黄素脱氢酶（flavin dehydrogenases）类以 FMN或FAD作为辅基。
（一）呼吸链的递氢体或递电子体
1.尼克酰胺脱氢酶类 2.黄素脱氢酶类 3.辅酶Q类（coenzyme Q，COQ） 4. 铁硫蛋白类（Fe-S） 5. 细胞色素类（cytochromes，Cyt）
尼克酰胺脱氢酶类
尼克酰胺脱氢酶（nicotinamine dehydrogenases） 类以NAD+和NADP+为辅酶。
FADH2脱下2H经复合体Ⅱ传递至COQ生成 COQH2；
后续传递过程与NADH氧化呼吸链相同。
第二节 ATP的生成与利用
一、高能键与高能化合物
高能键 一般将水解时可释放20.9 kJ/mol以上 能量的化学键称为高能键，常用“～”符号 表示。
常见的高能键是高能磷酸酯键（～P）； 其次有硫酯键（CO～S）、氮磷键（N～P）