生物氧化

BiologicalOxidation分解代謝的各個階段生物氧化

（BiologicalOxidation）一.生物氧化的概念及意義二.生物氧化的特點三.生物氧化的方式四.生物氧化體系—呼吸鏈五.能量的釋放、轉移、儲存及利用六.非線粒體氧化體系生物氧化[BiologicalOxidation]生物氧化是指糖類、脂類和蛋白質等在生物活細胞內進行的一系列的氧化分解作用，最終生成H2O和CO2，同時釋放能量的過程，又稱細胞呼吸或組織呼吸。相當于分解（異化）作用。線粒體是生物氧化的場所

1948年，EugeneKennedy和AlbertLehninger發現線粒體是真核生物生物氧化及氧化磷酸化的場所，開始了生物能研究的新世代。線粒體有兩層膜，外膜對小分子（Mr5000）和離子為自由透過。內膜對大多數小分子及離子不透過（包括H+），只有內膜上存在特異運輸體的物質可以透過。內膜上含有呼吸鏈和ATP合成酶。線粒體基質含有丙酮酸脫氫酶復合物和檸檬酸循環途徑、脂肪酸-氧化途徑、氨基酸氧化途徑及酵解以外所有能量物質氧化途徑。AlbertLehninger

1917-1986EugeneKennedy1919-線粒體的生物化學生物氧化的特點

與無機氧化（燃燒）相比，生物氧化與無機氧化從氧化的物質、釋放出的總能量及終產物都相同。但兩者的表現形式和條件不同。具體表現在：體外燃燒

：(CH)+O2H2O+CO2+熱能。H2O的生成為氫和氧的直接化合CO2的生成為碳和氧的直接化合能量為驟然釋放，以光和熱的形式生物氧化的特點[cont.]

生物氧化

(CH)+O2H2O+CO2+熱能

H2O的生成在酶的作用下脫氫，H經一系列的遞氫和遞電子反應，最終與O2接合生成H2O。

CO2為有機物在酶的作用下脫羧形成。生物氧化要求條件溫和，為逐步氧化。能量的釋放是一步一步緩慢釋放，釋放的能量以高能磷酸鍵的形式貯存，不會使周圍溫度升高而傷害有機體。反應條件

溫和劇烈反應過程逐步進行的酶促反應一步完成能量釋放逐步進行瞬間釋放CO2生成方式

有機酸脫羧碳和氧結合H2O需要不需要

生物氧化體外燃燒生物氧化和體外燃燒的比較脫羧

[Decarboxylation]CO2的生成方式：有機物在酶的作用下脫羧(decarboxylation)生成。根據脫羧的部位分為： -decarboxylation

-decarboxylation

根據脫羧的性質分為：簡單脫羧（simpledecarboxylation）氧化脫羧（oxidativedecarboxylation）直接脫羧基作用

(Directdecarboxylation)丙酮酸脫羧酶草酰乙酸脫羧酶氧化脫羧基作用

(Oxidativedecarboxylation)丙酮酸脫氫酶復合物+幾個重要的CO2生成反應

生物氧化中的CO2是由糖、脂、蛋白質等有機物轉變成含羧基的化合物后脫羧產生的。1、丙酮酸直接脫羧(乙醇發酵）2、丙酮酸氧化脫羧（生成乙酰CoA）3、TCA循環中-酮戊二酸的生成(異檸檬酸氧化脫羧）4、TCA循環中琥珀酰~CoA的生成（-酮戊二酸氧化脫羧）5、草酰乙酸脫羧生成丙酮酸(直接脫羧）6、蘋果酸脫羧生成丙酮酸（氧化脫羧）氧化（Oxidation)（1）加氧（氧化）（oxidation）

RCHO+?O2RCOOH（2）脫氫（dehydrogenation）

RCH2OH–2HRCHOCH3CHO+H2OCH3CH(OH)(OH)

CH3COOH+2H（3）脫電子（deelectronation）

Fe2+-eFe3+脫氫酶(Dehydrogenase)

使代謝物的氫活化、脫離，并將之傳遞給其他受氫體或傳遞體。氧化酶(Oxidase)

生物氧化中，以氧直接為受氫體的氧化還原酶類稱為氧化酶。加氧酶(Oxygenase)

催化加氧反應的酶。傳遞體(Carrier)

生物氧化過程中，起著中間傳遞氫或電子作用的物質，它們既不能使代謝物脫氫，也不能使氫活化。參與生物氧化的酶類脫氫酶（Dehydrogenase)

催化：DH+RD+RH絕大多數脫氫酶需要CoI或CoII作為輔酶。

3-磷酸甘油醛+NAD++磷酸

1,3-二磷酸甘油酸+NADH+H+

丙酮酸+NADH+H+乳酸+NAD+也有以黃素核苷酸（FMN或FAD）作為輔酶的。

琥珀酸+FAD延胡索酸+FADH2

NADH+H++FMNNAD++FMNH2氧化酶(Oxidase)（1）催化：RH+O2R+H2O2

產物是H2O2；需要黃素核苷酸作為輔基。

葡萄糖+O2+H2O葡萄糖酸內酯+H2O2（2）催化：RH+O2R+H2O

作用產物之一是H2O，不是H2O2；包括兩種類型：金屬蛋白，如抗壞血酸氧化酶，含銅

L-抗壞血酸+O2脫氫抗壞血酸+H2O

一類是細胞色素氧化酶，催化：

4Cytc-Fe2++O24Cytc-Fe3++H2O過氧化物酶（Peroxidase)

催化H2O2等作為氧化劑的氧化還原反應，主要存在于過氧化物酶體，負責H2O2和過氧化物的分解與轉化。如：以血紅素為輔基的過氧化物酶和過氧化氫酶；以FAD為輔基的NAD(P)過氧化物酶；谷胱甘肽過氧化物酶，有的含硒，有的則不含，主要的功能是將脂類過氧化物還原為相應的醇，同時催化谷胱甘肽轉變為氧化型。2H2O22H2O+O2(過氧化氫酶）

RH+H2O22H2O+R(過氧化物酶）

2GSH+ROOHROH+GSSG超氧化物歧化酶

（Superoxidedismutase,SOD)

一種與阻斷過氧化物生成有關的特殊氧化酶。生物體的自由基清除劑。分為CuZn-SOD、Mn-SOD和Fe-SOD三種。

2O=+2H+

H2O2+O2

作用是清除超氧負離子自由基。超氧自由基是帶有不配對電子的氧分子，十分活躍，可與多種生物分子反應，引發脂質過氧化，造成膜損傷；使DNA斷裂，導致基因突變；與炎癥、衰老、腫瘤等密切相關。氧合酶（Oxygenase)

與氧化酶不同，氧合酶催化氧原子直接參入有機分子。(A)催化兩個氧原子參入[dioxygenase]，需要鐵離子或NADP作為輔助因子，往往伴隨開環。兒茶酚+O2順，順-己二烯二酸

(B)催化一個氧原子參入(monooxygenase)L-乳酸+O2

乙酸+CO2+H2O

這類酶有的是黃素蛋白，反應過程包含脫羧。電子傳遞體

（ElectronTransfer）

它們通過自身的還原和氧化，將脫氫酶和氧化酶連接起來組成呼吸鏈，在生物氧化和氧化磷酸化過程中發揮重要作用，主要包括黃素蛋白、鐵硫蛋白、CoQ和細胞色素復合物。生物氧化體系—呼吸鏈(RespiratoryChain)

生物氧化體系解決的是有機物脫氫及氫的去路問題，即解決有機物是如何通過一系列特異性的酶催化的反應脫氫、遞氫和遞電子，把氫交給氧生成水，并產生ATP的問題。整個氫的傳遞和電子的傳遞過程以及參與這一系列催化反應的酶與輔酶及其他中間遞體一個接一個，組成鏈狀反應體系，如同接力棒一樣，這種形式的反應——呼吸鏈。遞氫體:呼吸鏈中參與傳遞H的輔酶或輔基。遞電子體:呼吸鏈中參與傳遞電子的輔酶或輔基。人體最普遍最重要的呼吸鏈以:

NAD+(CoI)或NADP+(CoII)為輔酶的脫氫酶、黃素蛋白（黃酶yellowenzyme,flavoprotein,FP）、輔酶Q

(CoQ,泛醌，ubiquinone)及

細胞色素復合物(cytochromecomplex)組成兩條呼吸鏈：

S.NAD+FP1CoQbc1c(a+a3)1/2O2

FP2

S.NADH氧化呼吸鏈（電子傳遞鏈）電子傳遞鏈的類型琥珀酸氧化呼吸鏈（FADH2電子傳遞鏈）呼吸鏈的組成及作用機理1、煙酰胺脫氫酶類[nicotinamidedehydrogenases]

[或稱吡啶脫氫酶類，pyridinedehydrogenases]，以NAD+及NADP+為輔酶。2、黃素酶類[flavoprotein,flavin-linkeddehydrogenase,NADHdehydrogenase]黃素單核苷酸(FMN)黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)3、輔酶Q

(coenzymeQ,CoQ)

(泛醌，ubiquinone)4、

細胞色素類[cytochromes]Cytb,Cytc1,Cytc,Cyta1a3煙酰胺[吡啶]脫氫酶類

許多代謝（中間）物的脫氫都通過脫氫酶的作用，是催化底物脫氫的一類酶，輔酶大多相同，有兩種：NAD+（CoI）（nicotinamideadeninedinucleotide）、

NADP+

(CoII):(nicotinamideadeninedinucleotidephosphate)。

還原型代謝物+NAD+氧化型代謝物+NADH+H+

還原型代謝物+NADP+氧化型代謝物+NADPH+H+

這些脫氫酶有些分布在胞質中，有些分布在線粒體中，有些則胞質和線粒體中兼有。NAD（P）H相連的脫氫酶

催化的一些重要反應黃素酶類

這類酶是與黃素相關的脫氫酶，也稱為黃素蛋白，輔基中因含核黃素得名，線粒體中可能與一種鐵硫蛋白（Iron-sulfurprotein，Fe-S）組成復合體。

種類多，酶蛋白不同，但輔基只有兩種：

黃素單核苷酸[FMN]是NADH脫氫酶（FP1）的輔基。NADH+H++E-FMNNAD++E-FMNH2

黃素腺嘌呤二核苷酸[FAD]是琥珀酸脫氫酶（FP2）的輔基。此類酶催化由NADH、琥珀酸、脂酰CoA及3-磷酸甘油分子上的脫氫，生成FMNH2或FADH2。鐵-硫中心[Iron-sulfurCenter]

鐵與無機硫原子和/或蛋白質Cys殘基的硫原子相連。鐵硫中心（Fe-S）最簡單的是單個鐵原子與4個Cys的-SH相連，更復雜的是有2個或4個鐵原子。所有的鐵硫蛋白參與一個電子的轉移，其中的鐵原子或被氧化、或被還原，線粒體中至少有8個鐵硫蛋白參與電子傳遞。輔酶Q（CoenzymeQ，CoQ）

又稱泛醌(Ubiquinone)，脂溶性醌類化合物，有一個長的異戊二烯側鏈，因廣泛存在得名。呼吸鏈中是參入到線粒體內膜的電子載體。

CoQ在呼吸鏈中接受黃素酶的H，本身被還原為氫醌，再把電子傳遞給Cyt體系被氧化，接受1e變為自由基半醌，接受2e變為氫醌（QH2）。

CoQ不僅接受NADH脫氫酶的H，還接受線粒體其他脫氫酶的H，如琥珀酸脫氫酶，脂酰CoA脫氫酶及其他黃素脫氫酶脫下的H，在電子傳遞鏈中處于中心地位。氧化型泛醌自由基半醌氫（質）醌細胞色素類(Cytochromes)

細胞色素是含鐵的電子傳遞體，鐵原子處于卟啉結構中心，構成血紅素(heme)。細胞色素類都以血紅素作為輔基，使這類蛋白質呈現紅色或褐色。細胞色素類在呼吸鏈中將電子從輔酶Q傳遞到O2。

D.Kailin根據吸收光譜將它們分成a、b、c三類。線粒體的電子傳遞鏈至少含有5種不同的細胞色素：b、c1、c、a1、a3。

細胞色素b、c、a呼吸鏈功能

復合物的分離兩條重要的氧化呼吸鏈(I)(II)ComplexI：NADH到CoQ

NADH脫氫酶復合物，也稱NADH：泛醌氧化還原酶，是一個大的酶復合物，由42條不同的多肽鏈組成，包括含FMN黃素蛋白和至少6個鐵硫中心。高分辨率電子顯微鏡顯示復合物I為L形，L的一個臂在膜內，另一臂伸展到基質中。 復合物I催化兩個同時發生的偶聯過程：（1）NADH+H++QNAD++QH2（2）4個質子由基質轉到內膜外 因此，復合物I是由電子轉移能所驅動的質子泵，結果內膜基質面變負，內膜外側變正。復合物

I(ComplexI):NADH+H+NAD+FMNFMNH2Fe2+-SFe3+-SCoQCoQH2NADPH+NAD+NADP++NADHNADPH可將電子傳遞給NAD+電子傳遞的方向為：NADH→FMN→Fe-S→QComplexII：琥珀酸到泛醌

也稱琥珀酸脫氫酶，是TCA循環中唯一的一個線粒體內膜結合的酶，雖比復合物I小而簡單，但含有兩類輔基和至少4種不同的蛋白質，與FAD及有4個鐵原子的Fe-S中心共價結合。電子由琥珀酸流向FAD，然后通過Fe-S中心到泛醌。

呼吸鏈上還有其他底物的電子流經Q，但不經過復合物II，如脂酰CoA脫氫酶、3-磷酸甘油脫氫酶等。ETF:Electron-transferringFlavoproteinComplexIISuccinateFumarateFADFADH2Fe2+-SFe3+-SCoQCoQH2電子傳遞的方向為：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q反應結果為：琥珀酸+Q→延胡索酸+QH2

ComplexIII：CoQtoCytc

又稱Cytbc1復合物或泛醌：細胞色素c氧化還原酶。偶聯催化電子由氫醌到Cytc的轉移和質子由膜內基質向膜外空間的運輸。 復合物III和IV結構的確定（1995-1998，X-射線晶體學）是線粒體電子轉移研究的里程碑。復合物III是一個由相同單體組成的二聚體，每個單體含有11個不同的亞基。ComplexIII:UbiquinonetoCytc

復合物III的功能核心有三部分：含2Fe-2S的鐵硫蛋白，Cytb（有兩個血紅素bH和bL

），和帶血紅素的Cytc1。

有功能的二聚體單位中，Cytc1和鐵硫蛋白突出P面，與膜間空間的Cytc作用，復合物有兩個泛醌結合位點QN和QP（兩個阻止氧化磷酸化作用的藥物作用位點-可阻止QN面電子由bH流向Q以及QP的電子由QH2流向鐵硫蛋白）。單體間的界面形成兩個口袋，每個口袋含來自1個單體的QP和另一個單體的QN。泛醌在這些掩蔽的袋中移動。ComplexIII：泛醌到CytC

（Cytplex或泛醌：CytC氧化還原酶）單體二聚體功能單位抗霉素AntimycinA粘色唑Myxothizol電子：Qbc1c總的反應結果為：2還原態cytc1+QH2+2H+（M）→2氧化態cytc1+Q+4H+（P）Q循環示意圖（引自Lodish等1999）Q循環Q循環（TheQCycle)

電子經復合物III的流動模型--Q循環的反應為：

QH2+2cytc1（氧化型）+2HN+Q+2cytc1(還原型）+4Hp+

膜的P側，2QH2被氧化為2Q，釋放4H+到內膜外空間，2個QH2提供2e到cytc1（通過Fe-S中心），另2e到Q分子（通過cytb），再還原成QH2，還原反應還從基質中利用2H+。轉移的凈效應：

QH2被氧化成Q，2cytc被還原。ComplexIV：CytctoO2

又稱細胞色素氧化酶，呼吸鏈的最后一步，把Cytc的電子轉移給O2，生成H2O。一個大的酶復合物[線粒體內膜上,13個亞基，Mr204000]，作用是電子傳遞和質子泵。三個亞基對于功能至關重要。電子傳遞為：cytc-CuA-a-a3-CuB-O2，每4e通過復合物時，酶從基質中消耗4個“底物”H+，生成2H2O，每通過1e，利用氧化還原反應的能量泵出1H+到內膜外空間。

4cytc(reduced)+8H+N+O24cytc(oxidized)+4H+P+2H2O兩條重要的氧化呼吸鏈(I)(II)線粒體電子傳遞鏈蛋白質組成電子和質子通過呼吸鏈

四個復合物流動的總結

電子從復合物I或II到達輔酶Q，承擔了電子和質子的流動載體。再將電子傳遞給復合物III，后者將它們傳遞給流動的連接器—細胞色素c。然后復合物IV由還原的細胞色素c將電子傳遞給O2。電子流經復合物I、III和IV的過程伴隨質子從基質流向膜外空間。脂肪酸-氧化產生的電子也可以通過輔酶Q進入呼吸鏈。電子傳遞順序的證據1、從NADH到O2，每一電子傳遞體的氧化還原電勢逐步增加。

-0.32-0.060.00+0.26+0.28+0.82NAD+FP1CoQbc1caa3O2

數值愈低，失去電子的傾向愈大，愈易成為還原劑而處于呼吸鏈的前面。電子按氧化還原電位從低向高傳遞，能量逐級釋放。電子傳遞順序的證據2、用分離的電子傳遞體重組，NADH可使NADH脫氫酶還原，但不能直接使cytb、c或aa3還原。還原型NADH脫氫酶不能直接與cytc起作用，必須經過輔酶Q和cytb和c1后才能再與cytc起作用。3、分離到的線粒體傳遞體復合物，在傳遞功能上都是有順序地聯在一起的。如cytb、c1和一個鐵-硫蛋白等。電子傳遞的抑制劑

能阻斷呼吸鏈某一部位電子傳遞的物質為電子傳遞抑制劑。利用專一性電子傳遞抑制劑選擇性地阻斷某個傳遞過程，再測定鏈中各組分的氧化-還原態情況，是研究電子傳遞順序的有效的重要方法。1、魚藤酮(rotenone)、安密妥(amytal)、殺粉蝶菌素(piericidin)，阻斷電子由NADH向CoQ的傳遞。2、抗霉素A(antimycinA)，抑制b到c1的電子傳遞。3、氰化物、硫化氫、疊氮化物、CO等，阻斷電子由cytaa3到氧的傳遞。決定電子載體順序的方法電子傳遞、質子梯度及ATP合成呼吸鏈中ATP的產生氧化磷酸化

（OxidativePhosphorylation)

生物氧化過程中，代謝物脫下的氫經呼吸鏈氧化為水時所釋放的能量轉移給ADP形成ATP的過程。實際上是氧化作用與氧化作用過程釋放的能量用于形成ATP過程（磷酸化作用）兩種作用的偶聯反應。高能磷酸鍵的形成及轉移

氧化磷酸化（Coupledoxidativephosphorylation)磷氧比（P/O）1940，S.Ochoa提出，代謝物脫下的氫經呼吸鏈氧化生成水，一對電子（2H）經呼吸鏈傳遞到O2生成水所產生的ATP分子的數目（即消耗1個原子氧所產生ATP的數目）稱為磷氧比(P/O)。代謝物脫下的2H經NADH氧化呼吸鏈被氧化為水時，生成3ATP（P/O3），而經琥珀酸氧化呼吸鏈氧化為水時，生成2ATP（P/O2）。

現在普遍認為，2H經NADH氧化呼吸鏈被氧化為水時，生成2.5ATP；而經琥珀酸氧化呼吸鏈氧化為水時，生成1.5ATP

。氧化磷酸化偶聯的部位影響氧化磷酸化作用的因素（1）ADP-Pi、ATP的調節作用ADP/ATP小，減緩、表現為抑制作用；ADP/ATP

大，加快、表現為促進作用.（2）激素的調節作用Thyroxine(+)Na+、K+-ATPase,加快ATPADP+Pi,ADP進入線粒體的數量增加，氧化磷酸化加快，耗氧及產熱增多—甲狀腺機能亢進(hyperthyroidism)，患者BMR(basalmetabolicrate)增高。影響氧化磷酸化作用的因素（續）（3）抑制劑（inhibitors)的作用A.解偶聯劑[uncoupler]的作用[2,4-dinitrophenol,DNP]，解除偶聯作用。B.寡霉素[oligomycin]，抑制氧的利用和ATP的形成。C.CO的作用，與還原型Cyt氧化酶結合。D.CN-的作用，與氧化型Cyt氧化酶結合，生成高鐵Cyt氧化酶,酶失活，電子不能傳給O2，呼吸中斷。E.

異巴比妥和魚藤酮的作用，抑制FP1CoQ的傳遞。F.Antimycin(antitoxin)A的作用，抑制Cyt

bc的傳遞。G.離子載體抑制劑（ionophores)解偶聯劑的作用機理pH為7時，DNP以解離形式存在，脂不溶性，不能過膜。接受質子成為非解離形式，脂溶性，可過膜。質子被帶入膜內，打破跨膜的質子梯度。質子梯度不用于ATP形成，P/O下降。2，4-二硝基苯酚的作用機理解偶聯蛋白

（Uncouplingproteins,UCPs)

解偶聯蛋白是線粒體內膜上參與機體產熱的重要轉運蛋白質。UCPs被激活時，形成質子通道，可引起線粒體內膜上的質子轉運速度加快，使ATP合成依賴的線粒體內膜上的電化學梯度改變，氧化磷酸化被解偶聯，不能合成ATP，產能轉化為產熱。UCPs被認為是參與能量代謝的重要靶蛋白。 機體產熱與能量平衡、代謝、體重調節有著密不可分的關系，推測UCPs可能與肥胖、胰島素抵抗及糖尿病的發生發展相關。但對于UCPs生理功能的組織特異性及其主要的體內的調控因素仍不十分清楚。 目前作為肥胖藥物研究的靶蛋白非常熱門。氧化磷酸化作用的機理

(1)

化學偶聯假說（chemicalcouplinghypothesis），認為電子傳遞和ATP生成的偶聯是通過一系列連續的化學反應形成一個高能的共價中間物，被用于ATP的形成。

(2)構象偶聯假說（conformationalcouplinghypothesis），認為電子沿呼吸鏈傳遞使線粒體內膜蛋白組分發生了構象變化而形成一種高能形式，進一步使F0F1-ATP酶高能化，用于ATP的生成。氧化磷酸化作用的機理

(3)

化學滲透假說（chemiosmotichypothesis），認為電子傳遞的結果把H+從線粒體內膜基質泵到膜外空間形成一個跨內膜的H+梯度，這種H+梯度滲透能（質子推動力，質力）用于驅動ATP的生成。由英國科學家P.Michell(1961)提出，獲1978年諾貝爾化學獎。化學滲透假說模式圖（Chemiosmotichypothesis）

化學滲透假說示意圖化學滲透模型（ChemiosmoticModel)ATP合成酶

[ATPsynthase]

位于線粒體內膜的內表面，又稱F1/F0-ATP合成酶。F1由5種亞基組成，為酶復合物的球狀頭部，也是活性中心，位于內膜基質表面。F0橫貫內膜，含有質子通道，由4種亞基組成。線粒體ATP合成酶復合物F1復合物F1結晶ATP結合位點ADP結合位點側視俯視線粒體ATP合成酶復合物F0F1結構酵母F0F1結構F0F1復合物結構能量的轉移、貯存和利用

代謝物氧化最終都將能量轉移給ADP形成ATP才能被生命活動所利用。

ATP水解釋放的能量除供機體活動外，有一部分能量可通過高能鍵的形式轉移給肌酸生成磷酸肌酸(phosphocreatine),是肌肉及腦組織中的能量貯存形式。 生物體內有諸多合成反應所需能量分子并非直接為ATP，如糖元合成所需能量物質為UTP，磷脂合成則需CTP，而蛋白質合成需要GTP。究其根源，這些高能化合物還是來源于ATP,ATP+NDPADP+NTP。磷酸肌酸作為能量儲