1第八章

生物氧化Biologicaloxidation生物氧化的概念：代謝物在活細(xì)胞內(nèi)氧化分解成CO2和H2O并釋出能量的過程，稱為生物氧化。（方式：加氧、脫氫、失電子）

糖脂肪蛋白質(zhì)CO2和H2OO2能量ADP+PiATP熱能2糖原甘油三酯蛋白質(zhì)葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸鏈H2OADP+PiATP

CO2

生物氧化的一般過程3第一節(jié)

線粒體氧化體系—氧化呼吸鏈4指線粒體內(nèi)膜中按一定順序排列的一系列具有電子傳遞功能的酶復(fù)合體，可通過鏈鎖的氧化還原將代謝物脫下的電子最終傳遞給氧生成水。這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈(respiratorychain)又稱電子傳遞鏈(electrontransferchain)。呼吸鏈的定義一、氧化呼吸鏈由4種復(fù)合體組成5人線粒體呼吸鏈復(fù)合體復(fù)合體酶名稱質(zhì)量(kD)多肽鏈數(shù)功能輔基含結(jié)合位點(diǎn)復(fù)合體ⅠNADH-泛醌還原酶85043FMN，F(xiàn)e-SNADH（基質(zhì)側(cè)）CoQ（脂質(zhì)核心）復(fù)合體Ⅱ琥珀酸-泛醌還原酶1404FAD，F(xiàn)e-S琥珀酸（基質(zhì)側(cè)）CoQ（脂質(zhì)核心）復(fù)合體Ⅲ泛醌-細(xì)胞色素C還原酶25011血紅素bL,bH,c1,Fe-SCytc（膜間隙側(cè)）復(fù)合體Ⅳ細(xì)胞色素C氧化酶16213血紅素a，a3，CuA,CuBCytc（膜間隙側(cè)）

泛醌與細(xì)胞色素c不包含在上述四種復(fù)合體中。67ⅣCytcoxNADH+H+NAD+1/2O2+2H+H2O胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)線粒體內(nèi)膜ⅠQH2Q

Ⅱ延胡索酸琥珀酸4H+4H+Ⅲ4H+4H+CytcoxCytcredCytcred2H+2H+電子傳遞鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置復(fù)合體Ⅰ又稱NADH-泛醌還原酶。復(fù)合體Ⅰ電子傳遞：NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQ每傳遞2個(gè)電子可將4個(gè)H+從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè)，復(fù)合體Ⅰ有質(zhì)子泵功能。（一）復(fù)合體Ⅰ將NADH+H+中的電子傳遞給泛醌8NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu)R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

很多不需氧脫氫酶以尼克酰胺腺嘌呤核苷酸為受氫體9NAD+（NADP+）的加氫和脫氫反應(yīng)

氧化還原反應(yīng)的變化發(fā)生在五價(jià)氮和三價(jià)氮之間。10FMN的加氫和脫氫反應(yīng)

FMN結(jié)構(gòu)中含核黃素，功能部位是異咯嗪環(huán)，氧化還原反應(yīng)時(shí)不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN?。11FAD

鐵硫蛋白中輔基鐵硫中心(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其中一個(gè)鐵原子可進(jìn)行Fe2+Fe3++e

反應(yīng)傳遞電子。屬于單電子傳遞體。

?表示無機(jī)硫鐵硫蛋白13

鐵硫蛋白SS無機(jī)硫半胱氨酸硫14泛醌（輔酶Q,CoQ,Q）由多個(gè)異戊二烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反應(yīng)時(shí)可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。是內(nèi)膜中可移動電子載體，在電子傳遞和質(zhì)子移動的偶聯(lián)中起著核心作用。

CoQ是遞氫體泛醌15復(fù)合體Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+

FMNFMNH2還原型Fe-S

氧化型Fe-S

QQH216復(fù)合體Ⅱ是三羧酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶，又稱琥珀酸-泛醌還原酶。電子傳遞：琥珀酸→FAD→幾種Fe-S→CoQ復(fù)合體Ⅱ沒有H+泵的功能。（二）復(fù)合體Ⅱ?qū)㈦娮訌溺晁醾鬟f到泛醌1718（三）復(fù)合體Ⅲ將電子從還原型泛醌傳遞給細(xì)胞色素c復(fù)合體Ⅲ又叫泛醌-細(xì)胞色素C還原酶，含有細(xì)胞色素b(b562,b566)、細(xì)胞色素c1和一種可移動的鐵硫蛋白。泛醌從復(fù)合體Ⅰ、Ⅱ募集還原當(dāng)量和電子并穿梭傳遞到復(fù)合體Ⅲ。電子傳遞過程：CoQH2→Cytb→Fe-S→Cytc1→Cytc19細(xì)胞色素(cytochrome,Cyt)細(xì)胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。單電子傳遞體20

復(fù)合體ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c121復(fù)合體Ⅲ的電子傳遞通過“Q循環(huán)”實(shí)現(xiàn)。

QH2+2Cyc(氧化態(tài)）+2H+(基質(zhì)）Q+2Cyc(還原態(tài)）+4H+

復(fù)合體Ⅲ每傳遞2個(gè)電子向內(nèi)膜胞漿側(cè)釋放4個(gè)H+，復(fù)合體Ⅲ也有質(zhì)子泵作用。Cytc是呼吸鏈唯一水溶性球狀蛋白，不包含在復(fù)合體中。將獲得的電子傳遞到復(fù)合體Ⅳ。22復(fù)合體Ⅳ又稱細(xì)胞色素C氧化酶。電子傳遞：Cytc→CuA→Cyta→Cyta3–CuB→O2Cyta3–CuB形成活性雙核中心，將電子傳遞給O2。每2個(gè)電子傳遞過程使2個(gè)H+跨內(nèi)膜向胞漿側(cè)轉(zhuǎn)移。(四）復(fù)合體Ⅳ將電子從細(xì)胞色素C傳遞給氧23復(fù)合體Ⅳ的電子傳遞過程24細(xì)胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2還原成水的過程，有強(qiáng)氧化性中間物始終和雙核中心緊密結(jié)合，不會引起細(xì)胞損傷。2H+2H2O25二、體內(nèi)有兩條重要的呼吸鏈

呼吸鏈組分的順序是根據(jù)呼吸鏈各組分的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位（E0′）、由低到高排列的，即電子總是從低電位組分向高電位組分傳遞。26呼吸鏈中各種氧化還原對的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位氧化還原對E0‘(V)氧化還原對E0‘(V)NAD+/NADN+H+－0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2－0.219CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2－0.219CytaFe3+/Fe2+0.29CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyta3Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.816271、NADH氧化呼吸鏈NADH→復(fù)合體Ⅰ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O22、FADH2氧化呼吸鏈

琥珀酸→復(fù)合體Ⅱ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O228NADH氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈30ⅠⅡⅢⅣCytc

第二節(jié)

氧化磷酸化將呼吸鏈釋能

與ADP磷酸化偶聯(lián)生成ATP31底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)與脫氫反應(yīng)偶聯(lián)，生成底物分子的高能鍵，使ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的過程。不經(jīng)電子傳遞。ATP生成方式

32氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)指代謝物脫下的氫,經(jīng)氧化呼吸鏈電子傳遞的釋能過程,偶聯(lián)ADP磷酸化生成ATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化。（主要）一、氧化磷酸化偶聯(lián)部位在復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ內(nèi)根據(jù)P/O比值根據(jù)自由能變化:⊿Go'=-nF⊿Eo'氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ33線粒體離體實(shí)驗(yàn)測得的一些底物的P/O比值底物呼吸鏈的組成P/O比值可能生成的ATP數(shù)β-羥丁酸NAD+→復(fù)合體Ⅰ→CoQ→復(fù)合體Ⅲ2.52.5→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2琥珀酸復(fù)合體Ⅱ→CoQ→復(fù)合體Ⅲ1.51.5→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2抗壞血酸Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O20.881細(xì)胞色素c(Fe2+)復(fù)合體Ⅳ→O20.61-0.681（一）P/O比值指氧化磷酸化過程中，每消耗1/2摩爾O2所需磷酸的摩爾數(shù)（或一對電子通過氧化呼吸鏈傳遞給氧所生成ATP分子數(shù)）。34（二）自由能變化根據(jù)熱力學(xué)公式，pH7.0時(shí)標(biāo)準(zhǔn)自由能變化(△G0′)與還原電位變化(△E0′)之間有以下關(guān)系：n為傳遞電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)(96.5kJ/mol·V)△G0′=-nF△E0′35電子傳遞鏈自由能變化

36氧化磷酸化偶聯(lián)部位ATPATPATPCytc37

二、氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制是產(chǎn)生跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度化學(xué)滲透假說電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將質(zhì)子(H+)從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動ADP與Pi生成ATP。38氧化磷酸化依賴于完整封閉的線粒體內(nèi)膜；線粒體內(nèi)膜對H+、OH－、K＋、Cl－離子是不通透的；電子傳遞鏈可驅(qū)動質(zhì)子移出線粒體，形成可測定的跨內(nèi)膜電化學(xué)梯度；增加線粒體內(nèi)膜外側(cè)酸性可導(dǎo)致ATP合成，而阻止質(zhì)子從線粒體基質(zhì)泵出，可減少內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子梯度，結(jié)果電子雖可以傳遞，但ATP生成減少。化學(xué)滲透假說已經(jīng)得到廣泛的實(shí)驗(yàn)支持。39ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液側(cè)

基質(zhì)側(cè)++++++++++---------電子傳遞過程復(fù)合體Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有質(zhì)子泵功能。

三、質(zhì)子順梯度回流釋放能量被ATP合酶利用催化ATP合成

F1：親水部分（動物：α3β3γδε亞基復(fù)合體，OSCP、IF1

亞基）,線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)顆粒狀突起，催化ATP合成。

F0：疏水部分（ab2c9~12亞基，動物還有其他輔助亞基），鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，形成跨內(nèi)膜質(zhì)子通道。ATP合酶結(jié)構(gòu)組成41ATP合酶(復(fù)合體V)由親水部分F1（α3β3γδε亞基）和疏水部分F0（a1b2c9～12亞基）組成。ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖H+ADP+Pi=ATP質(zhì)子通過ATP合酶Fo順濃度梯度回流使F1γ亞基旋轉(zhuǎn)43當(dāng)H+順濃度遞度經(jīng)Fo回流時(shí)，γ亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個(gè)β亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。ATP合酶的工作機(jī)制γ亞基旋轉(zhuǎn)使β亞基構(gòu)象改變導(dǎo)致ATP合成和釋放44

營養(yǎng)物脫下的成對氫原子經(jīng)呼吸鏈逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水的過程中，逐步釋放能量驅(qū)動質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜外側(cè)，形成跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度，當(dāng)質(zhì)子順梯度回流釋放能量時(shí)被ATP合酶利用催化ATP的生成。小結(jié)：每分子NADH經(jīng)氧化呼吸鏈傳遞生成2.5分子ATP每分子FADH2經(jīng)氧化呼吸鏈傳遞生成1.5分子ATP45四、ATP在能量的生成、利用、轉(zhuǎn)移和儲存中起核心作用高能磷酸鍵水解時(shí)釋放的能量大于25kJ/mol的磷酸酯鍵，常表示為P。高能磷酸化合物含有高能磷酸鍵的化合物46一些生物學(xué)重要的有機(jī)磷酸化合物水解時(shí)釋放的標(biāo)準(zhǔn)自由能化合物?GokJ/mol（kcal/mol）磷酸烯醇式丙酮酸-61.9(-14.8)氨基甲酰磷酸-51.4(-12.3)1,3-二磷酸甘油酸-49.3(-11.8)磷酸肌酸-43.1(-10.3)ATP→ADP+Pi-30.5(-7.3)ADP→AMP+Pi-27.6(-6.6)焦磷酸-27.6(-6.6)1-磷酸葡萄糖-20.9(-5.0)6-磷酸果糖-15.9(-3.8)AMP-14.2(-3.4)6-磷酸葡萄糖-13.8(-3.3)3-磷酸甘油醛-9.2(-2.2)

核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶的作用

ADP+ADPATP+AMPATP是生物能轉(zhuǎn)換、儲存和利用的核心轉(zhuǎn)換：48

肌酸激酶的作用磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。儲存：49ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P機(jī)械能(肌肉收縮)滲透能(物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運(yùn))化學(xué)能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)生物體內(nèi)能量的儲存和利用都以ATP為中心。ATP是生物能轉(zhuǎn)換、儲存和利用的核心50

第三節(jié)

氧化磷酸化的影響因素51Na+，K+–ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)均增加。一、ADP/ATP是調(diào)節(jié)正常人體氧化磷酸化速率的主要因素

二、甲狀腺激素可促進(jìn)氧化磷酸化和產(chǎn)熱ADP/ATP比值增加，氧化磷酸化速率增加。52三、有3類氧化磷酸化抑制劑（一）呼吸鏈抑制劑阻斷電子傳遞過程復(fù)合體Ⅰ抑制劑：魚藤酮、異戊巴比妥等。復(fù)合體Ⅱ抑制劑：萎銹靈。復(fù)合體Ⅲ抑制劑：抗霉素A、粘噻唑菌醇。復(fù)合體Ⅳ抑制劑：CN－、N3－、CO、H2S。

53魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥

×抗霉素A二巰基丙醇

×CO、CN-、N3-及H2S×各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn)54（二）解偶聯(lián)劑使氧化與磷酸化偶聯(lián)脫節(jié)解偶聯(lián)劑的基本作用機(jī)制是破壞電子傳遞過程建立的跨內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度，使電化學(xué)梯度儲存的能量以熱能形式釋放，ATP的生成受到抑制。如：二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)；解偶聯(lián)蛋白(uncouplingprotein，UCP1)。55解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)解偶聯(lián)蛋白熱能H+H+ADP+PiATP56（三）ATP合酶抑制劑同時(shí)抑制電子傳遞和ATP的生成這類抑制劑對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素可結(jié)合F0單位，二環(huán)己基碳二亞胺共價(jià)結(jié)合F0的c亞基谷氨酸殘基，阻斷質(zhì)子從F0質(zhì)子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于線粒體內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子電化學(xué)梯度增高影響呼吸鏈質(zhì)子泵的功能，繼而抑制電子傳遞。57

寡霉素(oligomycin)寡霉素ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成。58不同底物和抑制劑對線粒體氧耗的影響

各種抑制劑對電子傳遞鏈的影響60四、線粒體DNA突變