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1、,第九章 生物氧化,Biological Oxidation,1. 生物氧化概述,1.1 生物氧化定义,概念：营养物质在动物机体内氧化，生成二氧化碳和水，并有 能量释放的过程，称之为生物氧化（ Biological Oxidation ）。,这个过程在细胞中进行，宏观上表现为呼吸作用，因此也将生 物氧化称为组织氧化或细胞氧化、组织呼吸或细胞呼吸。,不同于有机物质在体外的剧烈燃烧，伴随着大量热能的释放，,生物氧化在温和的条件下进行，能量缓慢的释放。,1.2 生物氧化的特点,生物体活细胞中进行；,温和环境（37, 中性）；,在一系列酶、辅因子及中间递体的参与下逐 步进行；,产生的能量一部分以热的形
2、式散失 ,大部分 储存在ATP中，逐步释放。,1.生物氧化概述,生物氧化中物质的氧化方式：,丙酮酸) Fe3+),脱氢(乳酸 失电子(Fe2+ 加氧,糖原 葡萄糖,蛋白质 氨基酸,三酯酰甘油 脂酸+甘油 乙酰CoA,TAC,2H,H2O,ADP+Pi 呼吸链,ATP,CO2,生物氧化的一般过程：,生物氧化过程主要在线粒体的内膜上进行，内膜上 分布着许多的酶和电子传递体，构成两条呼吸链。内 膜上结合的颗粒（内膜粒子）具有A TP 合酶的活性。,1.3 线粒体-细胞的动力站,1.生物氧化概述,酶 类,辅 基,产 物,举,例,H2O2,需氧脱氢酶 FMN FAD,D-氨基酸脱氢酶（FAD，肝肾） L
3、-氨基酸脱氢酶（FMN，肾） 醛氧化酶（FAD，肝）,氧化酶,Cu2+,H2O,细胞色素c 氧化酶,抗坏血酸氧化酶 儿茶酚胺氧化酶,2. 氧化还原酶类 2.1 需氧脱氢酶和氧化酶 两者催化的反应中，代谢物脱下的氢均以氧 为受氢体，但也有区别。 需氧脱氢酶和氧化酶的主要区别,2.2 不需氧脱氢酶,可使底物脱氢氧化，但脱下来的氢并不直接与氧反 应，而是通过呼吸链传递最终才与氧结合生成水。,这些酶的辅酶包括NAD、NADP和FAD等。,例如：3 -磷酸甘油醛脱氢酶、丙酮酸脱氢酶系、-酮,戊二酸脱氢酶系、异柠檬酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、 苹果酸脱氢酶。,2.3 其它氧化酶,微粒体、过氧化物酶体也是生物氧
4、化,的场所 氧化过程中不伴有偶联磷酸化,不能生 成ATP,2H2O2,2H2O + O2,（二）过氧化物酶（perioxidase） 辅基为血红素，催化反应如下：,R + H2O2 RH2 + H2O2,RO + H2O R + 2H2O,2.3.1 过氧化物酶体中的氧化酶类 （一）过氧化氢酶（catalase） 又称触酶，辅基为血红素，催化反应如下：,2.3.2 微粒体中的氧化酶类,（一）加单氧酶,又称混合功能氧化酶或羟化酶（hydroxylase）,RH + NADPH + H + + O2,ROH + NADP+ + H2O,意义：参与类固醇激素、胆汁酸、胆色素的生成以,及药物，毒物的生
5、物转化,（二）加双氧酶 此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底物中 带双键的2个碳原子上。,O,NH2,O,COOH,NH2,(O2),色氨酸吡咯酶,N H 色氨酸,NH CHO 甲酰犬尿酸原,O2.、H2O2、OH,损害：,使磷脂分子中不饱和脂酸氧化生成过氧化脂质,损,伤细胞膜；,过氧化脂质与蛋白质结合形成的复合物，积累成棕 褐色的色素颗粒，称为脂褐素，与组织老化有关。,2.4 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD) 反应氧族：,2 O2- + 2H,H2O2 + O2,催化的反应： SOD,生成的H2O2被过氧化氢酶或谷胱苷肽过氧 化物酶还原成H2O,3. 生物氧
6、化中二氧化碳的生成,营养物质在动物体内氧化释放的二氧化碳大多,是以脱羧反应的形式进行的。,直接脱羧：丙酮酸脱羧酶、酪氨酸脱羧酶 氧化脱羧：丙酮酸脱氢酶复合物,4. 生物氧化中水的生成,底物直接脱水,由呼吸链生成水,4.2.1 呼吸链,呼吸链（respiratory chain ）:是指排列在线粒体内膜 上的一个有多种脱氢酶以及氢和电子传递体组成的 氧化还原系统。,线粒体呼吸链,（一）呼吸链的组成,1、组成成分：,尼克酰胺核苷酸类(NAD+,NADP+) 黄素蛋白类（FMN，FAD） 铁硫蛋白(Fe-S),泛醌（亦称辅酶Q）,细胞色素类(cytochrome,Cyt),a、NAD+,烟,酰,胺
7、腺 嘌,呤,二,核,苷 酸,NAD+ + 2H,NADH+H+,功能：作为脱氢酶的辅酶，接受代谢物脱下的 2H，并将其传递给复合体 I。,NADP+,NADP+ + 2H,NADPH+H+,烟,酰,胺,腺,嘌 呤 二 核 苷 酸,磷,酸,b、黄素蛋白,辅基：FMN（黄素单核苷酸）,功能：从NADH接受质子和电子并将其传递给CoQ,c、铁硫蛋白 辅基：铁硫簇（iron-sulfer cluster, Fe-S）,功能：将FMNH2的电子传递给CoQ,Fe,2+,Fe,3+,+e,Fe- S,复合物，非血红素铁蛋白，,也称铁硫中心，借助 Fe化学价的变化 （Fe+/Fe+）传递电子。,Fe与4个C
8、ys 的S相连,d、泛醌（辅酶Q）,Co Q + 2H,Co QH 2,功能：将2e传递给复合体III，其后的传递过程 均为递电子。,4、功能：传递电子,Fe,2+,Fe,3+,+e,e、细胞色素（Cytochrome， Cyt） 1、概念：是生物细胞内一类电子传递的 酶类，因为呈红色，故名细胞色素。 2、分类：a、b、c 三类及亚类 3、辅基：铁卟啉,Cyt c 辅基,细胞色素,细胞色素中央的,血红素环,A、复合体I：NADH-泛醌还原酶,a、NAD+（辅酶I、Coenzyme I、Co I） NADP +（辅酶II、Coenzyme II、Co II）,b、黄素蛋白（辅基为：FMN；Fla
9、voprotein）,c、铁硫蛋白（Iron-sulfer protein）,d、泛醌（辅酶Q、Coenzyme Q、Co Q）,2. 四种复合物,B、复合体II：琥珀酸-泛醌还原酶,a、黄素蛋白（辅基为：FAD） b、铁硫蛋白,c、细胞色素 b560,功能：将2H由琥珀酸传递给CoQ,C、复合体III：泛醌 - Cyt c还原酶,A、Cyt b,B、铁硫蛋白 C、 Cyt C1,功能：将2e由Co Q传递给Cyt C,D、复合体IV：Cyt c 氧化酶 A、Cyt a B、Cyt a3 又称为 Cyt aa3,Cu,+,Cu,2+,+e,功能：将2e由Cyt C传递给氧并激活氧,NADH,F
10、MN,Q10,Cytb,Cytc1,Cytc,aa3,(Fe-S),(Fe-S),O,2,FAD.H2 (Fe-S),II,I,III,IV,（二）电子传递链各组份的排列顺序 NADH氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链） 琥珀酸,a) b) c) d) e),复合物I（NADH-CoQ 脱氢酶，含FMN，Fe-S） CoQ（泛醌） 复合物III （CoQ- 细胞色素c 还原酶，含Cytb562 、 Cytb566，Fe-S，Cytc1） Cytc 复合物IV （细胞色素c 氧化酶， Cytaa3 ，含CuA 、 CuB）,NADH呼吸链的组成,a) 复 合 物 II （ 琥 珀
11、 酸 -Q 脱 氢 酶 ， 含 FAD 、 Fe-S ，,Cytb560）,b) CoQ,c) 复合物III（同 NADH 呼吸链）,d) Cytc,e) 复合物IV （同 NADH 呼吸链）,FADH呼吸链（琥珀酸呼吸链）的组成,5. 胞液NADH进入线粒体的穿梭机制,A、-磷酸甘油穿梭作用,（- glycerophosphate shuttle）,B、苹果酸-天冬氨酸穿梭作用,（ malate-asparate shuttle）,A、-磷酸甘油穿梭作用,（- glycerophosphate shuttle）,a）部位：脑、骨骼肌,b）能量生成：1.5分子ATP,-,磷酸甘油穿梭 （大脑和
12、骨骼肌）,-,磷酸甘油脱氢酶,a）部位：肝、心肌,b）能量生成：2.5分子ATP,B、苹果酸-天冬氨酸穿梭作用,（ malate-asparate shuttle）,苹果酸穿梭作用 （肝脏和心肌）,苹果酸脱氢酶,谷草转氨酶,6. 生物氧化中ATP的生成,6.1 ATP生成的方式,底物磷酸化：当营养物质在代谢过程中经过脱氢、 脱羧、分子重排和烯醇化反应，产生高能磷酸基团 或高能键，随后直接将高能磷酸基团转移给ADP生 成ATP；或水解产生的高能键，将释放的能量用于 ADP与无机磷酸反应，生成ATP。,氧化磷酸化：代谢物脱下的氢在呼吸链电子传递过 程中释出的能量使ADP磷酸化生成ATP，这种氧化
13、和磷酸化偶联在一起的过程称氧化磷酸化(也称偶联 磷酸化)。,AH,呼吸链 1/2O2 2H A 能量 ADP+Pi,H2O 氧化反应 ATP 磷酸化反应,氧化 磷酸 化,一对电子通过呼吸链时，每消耗一摩尔氧原子 时，被酯化的无机磷酸（ Pi）摩尔数。NADH 呼吸 链的P/O为2.5，FADH呼吸链的P/O为1.5。,6.3 ATP的产生,推动ADP 磷酸化形成 ATP 所需的标准自由能大约在 -30.56kJ/mol 。在 NADH 呼吸链上，NADH CoQ，Cytbc1 和 Cytaa3 O2 之间释放的能,量足以实现磷酸化。,6. 生物氧化中ATP的生成,6.2 磷氧比（P/O）,电子
14、的传递方向和可能推动形成 A,T,P,的部位,ATP -50.24kJ/mol ATP -41.87kJ/mol ATP -100.48kJ/mol,6.4,氧化磷酸化的机制-,-,化学渗透学说,a）电子经呼吸链传递时释放的能量，将 质子（H+）从线粒体内膜基质侧泵到 内膜外侧。,b）在线粒体内膜两侧形成质子电化学梯,度，积聚能量。,c）当质子顺此梯度经ATP合酶F0部分回,流时，F1催化ADP磷酸化为 ATP。,化学渗透假说的基本要点：,化学渗透学说 （chemiosmotic hypothesis ),质子梯度的形成,ATP合酶（ATP synthase）-复合体V,b）F0部分：镶嵌在内
15、膜质子通道中 F1部分：由33亚基组成,H+顺浓度梯度经F0部分回流时，F1亚基 催化ADP和Pi合成 ATP。,a）位于线粒体内膜基质侧的颗粒状突起,基粒、内膜粒子、FoF1ATPase（ATP合酶），现又称复合体V。 F1有5个亚基，有ATP合酶的活性，Fo有4个亚基，镶嵌在线粒体,的内膜上，作为质子通道。,FoF1-ATP酶,6.5 影响氧化磷酸化的因素,有3,抑制剂有3类：,呼吸链抑制剂 解偶联剂 氧化磷酸化抑制剂,1、呼吸链抑制剂,阻断呼吸链中某些部位的电子传递，如：,（1）鱼藤酮、异戊巴比妥、杀粉蝶霉素A （2）抗霉素A（antimycin A)、二巯基丙醇 （3）氰化物、硫化氢、
16、叠氮化物(NaN3)和CO,NADH,FMN (Fe-S),Q10,Cytb,Cytc1,Cytc,aa3,FAD.H2 (Fe-S),鱼藤酮 异戊巴比妥 杀粉蝶霉素A,-,抗霉素A 二巯基丙醇,氰化物 硫化氢 叠氮化,CO,-,-,O2 各种呼吸链抑制剂作用部位,2、解偶联剂(uncoupler)：,使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：,（1）2，4-二硝基苯酚,(2,4-dinitrophenol, DNP) 、,（2）解偶联蛋白,3、氧化磷酸化抑制剂：,对电子传递过程及ADP磷酸化均,有抑制作用。如：,寡霉素(Oligomycin)阻止质,子经Fo回流，抑制ATP生成; 增高膜 两侧电化学梯度, 抑制电子转移。,氧化磷酸化抑制剂 对电子传递及ADP 磷酸化均有抑制作 用 例：寡霉素 (oligomycin),结合ATP合酶F1与 F0之间柄部的寡霉 素敏感蛋白,寡霉素,课堂提问 1. 糖异生,2. 磷
