第六章生物氧化Biologicaloxidation我們整體行為\單個細胞的能量從何而來的問題?食物的攝入ATP的獲得機械能(肌肉收縮)滲透能(物質主動轉運)化學能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)（一）新陳代謝的概念新陳代謝

合成代謝（同化作用）

分解代謝（異化作用）生物小分子合成為生物大分子需要能量釋放能量生物大分子分解為生物小分子能量代謝物質代謝新陳代謝的共同特點：1.由酶催化，反應條件溫和。2.諸多反應有嚴格的順序，彼此協調。3.對周圍環境高度適應。4.是長期進化形成的，生物界其基本過程十分相似。琥珀酰CoA延胡索酸草酰乙酸α-酮戊二酸檸檬酸乙酰CoA丙酮酸PEP磷酸丙糖葡萄糖或糖原糖α-磷酸甘油脂肪酸脂肪甘油三酯乙酰乙酰CoA丙氨酸半胱氨酸絲氨酸蘇氨酸色氨酸異亮氨酸亮氨酸色氨酸天冬氨酸天冬酰胺苯丙氨酸酪氨酸異亮氨酸甲硫氨酸絲氨酸蘇氨酸纈氨酸酮體亮氨酸賴氨酸酪氨酸色氨酸苯丙氨酸谷氨酸精氨酸谷氨酰胺組氨酸纈氨酸CO2CO2氨基酸、糖及脂肪代謝的聯系TAC目錄糖原甘油三酯蛋白質葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoA

呼吸鏈H2O

ADP+PiATP

CO2

2H

TAC共同中間產物共同最終代謝通路三大營養素第1節生物氧化概述第2節呼吸鏈與氧化磷酸化第3節呼吸鏈功能調節第一節生物氧化概述ReactionsandOxidative-ReductiveEnzymesinBiologicalOxidation

一、體內進行的氧化還原反應就是生物氧化泛指在生物體內發生的任何氧化還原反應，也包括營養物和生物分子在生物體（細胞）內進行的氧化還原作用。營養物和生物分子經歷氧化還原反應被徹底分解，產生H2O、CO2，并伴有ATP的生成，或轉化為其它分子,此過程需耗氧、排出CO2，又在活細胞內進行，故又稱細胞呼吸(cellularrespiration)。

*生物氧化（biologicaloxidation）

……一般來說，呼吸就是一種緩慢的碳和氫的燃燒作用，這完全類似在一盞煤油燈和蠟燭中發生的事，從這個角度看，呼吸著的動物是真正的可燃體，它們燃燒并消耗他們自己……一個人因此可以說，從降生到這個世界并開始呼吸開始，生命的火炬的點亮了他自己，直到死亡火炬才會熄滅…法國大革命糖脂肪蛋白質CO2和H2OO2能量ADP+PiATP熱能二、

生物氧化的一般過程*生物氧化特點：生物分子在體內的反應條件溫和，逐步反應，逐步釋能，常伴有分解釋能反應與需能反應偶聯，或能量形式的轉換。

2.脫氫反應

乳酸丙酮酸CH3CH(OH)COOHCH3COCOOH+2H3.失電子反應Fe2+Fe3++e-1.加氧反應RCHO+1/2O2RCOOH

醛酸

為細胞內恒定條件下酶促反應逐步進行，能量逐步釋放，生成ATP。加水脫氫反應使物質間接獲得氧，脫下的氫與氧結合產生H2O，有機酸脫羧產生CO2。生物氧化體外氧化

為不恒定條件下非酶促反應，能量以熱能形式突然釋放。產生的CO2、H2O由物質中的碳和氫直接與氧結合生成。

氧化方式均為加氧、脫氫、失電子。

耗氧、釋放能量、終產物（CO2，H2O）均相同。不同點相同點一般將?Go大于ATP（包括ATP），或?Go大于21kJ/mol的磷酸化合物稱為高能磷酸化合物。用符號~P表示高能磷酸鍵。（一）高能磷酸化合物的磷酰基水解時釋放出大量自由能高能磷酸化合物:三、ATP:能量貨幣幾種常見的高能化合物（二）ATP是最重要的高能磷酸化合物體內許多代謝物的“活化”反應（吸能）大多直接或間接地與ATP酸酐鍵的水解放能反應相偶聯，使“活化”反應能順利進行。OCH2HOHOHOHHOHHOHHH葡萄糖ATPADPMg2+己糖激酶(hexokinase)OHOHOHHOHHOHHOCH2H6-磷酸葡萄糖PP磷酸肌酸作為肌和腦中能量的一種儲存形式ATP充足ATP不足ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P機械能(肌肉收縮)滲透能(物質主動轉運)化學能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)生物體內能量的轉換都是以ATP為中心的。人體內ATP的來源和去路（ATP循環）:在生物體內，除了可直接使用ATP供能外，還使用其他形式的高能磷酸鍵供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白質的合成等。核苷單磷酸激酶NMP+ATPNDP+ADP核苷二磷酸激酶NDP+ATPNTP+ADP（三）多磷酸核苷間的能量轉移高能鍵轉移ATP+UDPCDPGDPADP+UTP（糖原合成）CTP（磷脂合成）GTP（蛋白質合成）第二節

呼吸鏈與氧化磷酸化呼吸鏈學習的關鍵點營養物氧化電子傳遞質子泵流ATP合成真核細胞ATP的生成主要發生在線粒體中。營養物質經脫氫酶催化脫下的成對氫原子（NADH+H+，FADH2），再通過位于線粒體內膜上多種酶和輔酶催化的氧化還原連鎖反應逐步傳遞，最終與氧結合生成水。氧化反應逐步釋放的能量可同時驅動質子跨膜轉移到內膜外側，形成跨線粒體內膜的質子梯度，該梯度勢能再促進ATP的生成。營養物氧化、電子傳遞、質子泵流和ATP合成等過程結合偶聯成一個整體,高效完成線粒體的呼吸作用。一、總述呼吸鏈的定義在線粒體內膜中，代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經過一系列的傳遞體，最后傳遞給被激活的氧分子，并與之結合生成水的全部體系稱呼吸鏈或電子傳遞鏈。呼吸鏈就是由電子傳遞體組成的氧化還原體系組成電子傳遞體呼吸鏈各復合體在線粒體內膜中的位置人線粒體呼吸鏈酶復合體1.復合體Ⅰ將NADH+H+中的兩個質子/電子傳遞給泛醌（ubiquinone）

復合體Ⅰ又稱NADH-泛醌氧化還原酶,以FMN、Fe-S為輔基復合體Ⅰ電子傳遞：每傳遞2個電子可將4個H+從內膜基質側泵到胞漿側，復合體Ⅰ有質子泵功能FMN:黃素單核苷酸FeS:

鐵硫中心，鐵硫簇CoQ：泛醌NADH→→CoQFMN→Fe-SNAD+（NADP+）

的加氫和脫氫反應

氧化還原反應的變化發生在五價氮和三價氮之間。NAD+:氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸FMN的加氫和脫氫反應

FMN結構中含核黃素，功能部位是異咯嗪環，氧化還原反應時不穩定中間產物是FMN?。FMN:黃素單核苷酸還原型FMNFMNH.氧化型鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其中鐵原子可進行Fe2+→Fe3++e

反應傳遞電子。?表示無機硫鐵硫簇(iron-sulfurcluster

)的結構泛醌（CoenzymeQ

,CoQ,Q）由10個異戊二烯連接形成較長的疏水側鏈（人CoQ10），在線粒體中能夠自由擴散.氧化還原反應時可生成中間產物半醌型泛醌。泛醌的加氫和脫氫反應

目前推測復合體Ⅰ中電子傳遞順序如下：NADH+H+

NAD+FMNFMNH2還原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2復合體Ⅱ是三羧酸循環中的琥珀酸脫氫酶，又稱琥珀酸-泛醌還原酶,

4個亞基組成，以FAD、Fe-S為輔基電子傳遞：琥珀酸→FAD→幾種Fe-S→CoQ釋放的自由能小,復合體Ⅱ沒有H+泵的功能2.復合體Ⅱ將質子/電子從琥珀酸傳遞到泛醌。FAD:黃素腺嘌呤二核苷酸FAD:黃素腺嘌呤二核苷酸泛醌的結合位點:QP,QN復合體Ⅲ又叫泛醌-細胞色素C還原酶或細胞色素b-c1復合體，主要含有(1)帶有2個血紅素的細胞色素b(b562,b566);

(2)帶有血紅素的細胞色素c1;

(3)帶有2Fe-2S中心的可移動的鐵硫蛋白(Rieskeprotein)3.復合體Ⅲ將電子從泛醌傳遞給細胞色素c

復合體ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1泛醌從復合體Ⅰ、Ⅱ募集還原當量和電子并穿梭傳遞到復合體Ⅲ電子傳遞過程：CoQH2→(CytbL→CytbH)→Fe-S→Cytc1→Cytc細胞色素（Cytochrome，Cyt）

細胞色素是一類以血紅素（heme）為輔基的電子傳遞蛋白，根據它們吸收光譜不同而分類。各種還原型細胞色素的主要光吸收峰細胞色素波長（nm）αβγa600439b562532429c550521415c1554524418CH3蛋白質H3CH3CNNNNFe3+CH3CH-CH3CH-CH3SCysSCysCOOHCH2CH2COOHCH2CH2細胞色素c的結構鐵卟啉4.復合體Ⅳ將電子從細胞色素C傳遞給氧復合體Ⅳ又稱細胞色素c氧化酶,由13個亞基組成。起主要作用的是亞基I，II,III,其余起調節作用亞基II含有2個Cu離子,與半胱氨酸的巰基結合,組成雙核中心,稱為CuA中心亞基I含有2個含血紅素的a,a3亞基I含有1個Cu離子,細胞色素a3與CuB形成a3-CuB中心

復合體Ⅳ還原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB其中Cyta3

和CuB形成的活性部位將電子交給O2。復合體IV有質子泵功能

呼吸鏈組分的順序是根據呼吸鏈各組分的標準氧化還原電位（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。標準氧化還原電位拆開和重組特異抑制劑阻斷還原狀態呼吸鏈緩慢給氧

由以下實驗確定（二）呼吸鏈組分的排列順序呼吸鏈中各種氧化還原對的標準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/Q10H20.06(0.045)1/2O2/H2O0.816氧化呼吸鏈的組成⑴NADH氧化呼吸鏈NADH→復合體Ⅰ→Q→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O2⑵琥珀酸氧化呼吸鏈

琥珀酸→復合體Ⅱ→Q→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O2胞液側

基質側

線粒體內膜

氧化呼吸鏈的排列順序Q

1/2O2+2H+H2OⅢⅠ

Ⅱ

Ⅳ

延胡索酸

琥珀酸

e-Cytce-e-e-e-NADH+H+NAD+兩條電子傳遞鏈的關系ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P機械能(肌肉收縮)滲透能(物質主動轉運)化學能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)氧化磷酸化和底物水平磷酸化的異同點?三、呼吸鏈釋能與ADP磷酸化生成ATP的過程偶聯進行*定義氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯ADP磷酸化，生成ATP，又稱為偶聯磷酸化。

底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)是底物分子內部能量重新分布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成ATP的過程。底物水平磷酸化見于下列三個反應：1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP3-磷酸甘油酸激酶

⑴

⑵丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP⑶琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP1.P/O比值：通過測定在氧化磷酸化過程中，氧的消耗與無機磷酸消耗之間的比例關系，可以反映底物脫氫氧化與ATP生成之間的比例關系。每消耗一摩爾氧原子所消耗的無機磷原子的摩爾數稱為P/O比值。（一）復合體Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ是氧化磷酸化偶聯部位底物呼吸鏈的組成P/O比值可能生成的ATP數β-羥丁酸NAD+→復合體Ⅰ→CoQ→復合體Ⅲ2.52.5→Cytc→復合體Ⅳ→O2琥珀酸復合體Ⅱ→CoQ→復合體Ⅲ1.51.5→Cytc→復合體Ⅳ→O2抗壞血酸Cytc→復合體Ⅳ→O20.881細胞色素c(Fe2+)復合體Ⅳ→O20.61～0.6812.根據電子傳遞時自由能變化確定偶聯部位⊿Go'=-nF⊿Eo'電子傳遞鏈自由能變化

氧化磷酸化偶聯部位（二）氧化磷酸化偶聯的機制是跨線粒體內膜質子梯度偶聯ATP生成化學滲透假說(chemiosmotichypothesis)

電子經呼吸鏈傳遞時，驅動質子（H+）從線粒體內膜的基質側泵到內膜胞漿側，從而產生膜內外質子電化學梯度儲存能量,當質子順濃度梯度回流時驅動ADP與Pi生成ATP。1.呼吸鏈氧化驅動產生跨線粒體內膜的質子梯度

ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液側

基質側++++++++++---------電子傳遞過程復合體Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有質子泵功能

●形成膜化學梯度H+濃度

pH下降

跨膜電位差能量儲存●H+順電化學梯度回流

ADPATPF1-F0復合體●ATP合酶●形成膜化學梯度H+濃度

pH下降

跨膜電位差能量儲存●H+順電化學梯度回流

ADPATP●ATP合酶-F1-F0復合體能量化學滲透假說的基本要點1、呼吸鏈中遞氫體與遞電子體交替排列，并在膜中有固定位置，催化的反應是定向的，取決于電子走向。

2、電子經呼吸鏈傳遞時可將質子從線粒體內膜的基質泵到內膜外側，產生膜內外質子電化學梯度（氫離子濃度梯度和跨膜電位差），以此儲存能量。

3、當質子順濃度梯度回流時驅動ATP合酶，利用ADP和Pi合成ATP。

線粒體基質

線粒體膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化學滲透假說簡單示意圖質子梯度的形成機制質子的轉移主要通過氧化呼吸鏈在遞氫或遞電子過程中。每傳遞兩個氫原子，就可向膜間腔釋放10個質子。質子梯度的形成（三）ATP合酶利用質子順濃度梯度回流時釋放的能量合成ATP

1.ATP合酶（ATPsynthase）由F1

和F0組成F1：親水部分（動物：α3β3γδε亞基復合體，OSCP、IF1

亞基），線粒體內膜的基質側顆粒狀突起，催化ATP合成。F0：疏水部分（ab2c9~12亞基，動物還有其他輔助亞基），鑲嵌在線粒體內膜中，形成跨內膜質子通道。（四）線粒體內膜選擇性地轉運代謝物線粒體外膜孔蛋白，<10kDa的物質通過線粒體內膜不同的轉運體,對物質有選擇性1.胞質中NADH的氧化(線粒體外NADH的氧化)機制:①

、α-磷酸甘油穿梭

(glycerophosphateshuttle)

②、蘋果酸-天冬氨酸穿梭

(malate-asparateshuttle)胞液中的3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油或乳酸脫氫，均可產生NADH。這些NADH可經穿梭系統而進入線粒體氧化磷酸化，產生H2O和ATP。（一）磷酸甘油穿梭系統主要存在于腦和骨骼肌中。NADH通過此穿梭系統帶一對氫原子進入線粒體，由于經琥珀酸氧化呼吸鏈進行氧化磷酸化，故只能產生1.5分子ATP。

線粒體內膜

線粒體外膜膜間腔

線粒體基質磷酸甘油穿梭系統

FADH2

NAD+

FAD

-磷酸甘油脫氫酶

琥珀酸氧化呼吸鏈

磷酸二羥丙酮

-磷酸甘油

NADH+H+-磷酸甘油脫氫酶α-磷酸甘油穿梭

特點：線粒體內外的α-磷酸甘油脫氫酶的輔酶不同胞液-----NAD+

線粒體---FADFADH2經琥珀酸氧化呼吸鏈2ATP

主要存在于骨骼肌、神經細胞

（二）蘋果酸穿梭系統主要存在于肝和心肌中。胞液中NADH+H+的一對氫原子經此穿梭系統帶入一對氫原子，由于經NADH氧化呼吸鏈進行氧化磷酸化，故可生成2.5分子ATP。谷氨酸-天冬氨酸轉運體蘋果酸--酮戊二酸轉運體

胞液

基質

NADH+H+

NAD+NADH+H+NAD+

蘋果酸草酰乙酸

谷氨酸蘋果酸脫氫酶谷草轉氨酶NADH呼吸鏈

天冬氨酸

蘋果酸穿梭系統-酮戊二酸

蘋果酸穿梭系統

3ATP第三節呼吸鏈功能調節ATP/ADP的調節甲狀腺素的調節抑制劑影響氧化磷酸化的因素ATP/ADP比值是調節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，當ATP/ADP比值升高時，則氧化磷酸化速度減慢。（一）ATP/ADP比值

（二）甲狀腺激素甲狀腺激素可間接影響氧化磷酸化的速度。其原因是甲狀腺激素可以激活細胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，導致ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。Na+-K+-ATP酶生成ATP水解↑氧化磷酸化↑ATP合成↑耗氧量和產熱量↑誘導甲狀腺素甲亢是由于人體內的甲狀腺合成和分泌過多的甲狀腺激素引起身體神經、心血管、消化等系統的興奮性增高和代謝亢進為主要表現的一組內分泌疾病的總稱。它是內分泌病中的常見病.

甲狀腺功能亢進癥甲狀腺毒癥甲狀腺腫大眼征特殊臨床表現及類型臨床表現1）高熱:T>39℃2）心率>140bpm3）大汗4）大量失水、休克5）消化道癥狀：厭食、惡心、嘔吐、腹瀉6）CNS癥狀：煩躁不安、譫妄、嗜睡或昏迷（三）藥物和毒物1．呼吸鏈抑制劑：能夠抑制呼吸鏈遞氫或遞電子過程的藥物或毒物稱為呼吸鏈抑制劑。能夠抑制第一位點的有異戊巴比妥、粉蝶霉素A、魚藤酮等；能夠抑制第二位點的有抗霉素A和二巰基丙醇；能夠抑制第三位點的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制還原型Cytaa3-Fe2+。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2．解偶聯劑：不抑制呼吸鏈的遞氫或遞電子過程，但能使氧化產生的能量不能用于ADP磷酸化的藥物或毒物稱為解偶聯劑。解偶聯劑通常引起線粒體內膜對質子的通透性增加，從而降低或消除線粒體內膜兩側的電化學勢，抑制ATP的合成。主要的解偶聯劑有2,4-二硝基苯酚。解偶聯蛋白作用機制ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液側基質側解偶聯蛋白