第七章 生物氧化

第七章生物氧化

生物氧化的場所線粒體生物氧化產(chǎn)生ATP微粒體生物氧化不產(chǎn)生ATP

與物質(zhì)合成有關(guān)與生物轉(zhuǎn)化有關(guān)過氧化物酶體系產(chǎn)生H2O2,利用H2O2

生物氧化的內(nèi)容1、生物氧化中H2O的生成2、ATP生成3、能量的轉(zhuǎn)移與利用4、生物氧化中CO2的生成第一節(jié)生物氧化的概述一、生物氧化的方式與特點物質(zhì)在生物體內(nèi)的氧化方式具有一般氧化還原反應(yīng)的共同規(guī)律。在化學反應(yīng)中失電子、脫氫、加氧都屬于氧化；得電子、加氫、脫氧都屬于還原。（一）生物氧化方式

方式氧化：加氧、脫氫、失電子還原：脫氧、加氫、得電子1、加氧反應(yīng)：在底物分子中直接加上氧原子或氧分子。

+1/2O2__OH2、脫氫反應(yīng)從底物分子脫下一對氫（2H）CH2CH(OH)COOHCH2COCOOH

2H注意：體內(nèi)加水脫氫也是一種重要的脫氫反應(yīng)。H2OOHCH3CHOCH3CHOH2H

CH3COOH增加化學反應(yīng)中的脫氫機會，脫氫機會越多產(chǎn)生能量越多。為什么？如GS的氧化。

C6H12O63、脫電子反應(yīng)：Fe2+Fe3+

e-

體內(nèi)沒有游離的電子或原子，一種物質(zhì)脫氫，另一種物質(zhì)得到氫，一種物質(zhì)失電子，另一種物質(zhì)就得電子，也就是一種被氧化，另一種必然被還原。

接受電子或氫原子受電子體、受氫體提供電子或氫原子供電子體、供氫體還原型

AH2B氧化型

氧化型

ABH2還原型

（二）生物氧化的特點體內(nèi)的生物氧化與體外的物質(zhì)燃燒，在本質(zhì)上都屬于氧化過程，都消耗O2，產(chǎn)生CO2同時放出能量。但由于生物氧化是在生物體內(nèi)進行，氧化還原反應(yīng)進行的環(huán)境、條件、方式等都具有與體外燃燒不同的特點。物

體內(nèi)的生物氧化有H2O參加（1）提供生物氧化的環(huán)境（2）直接參與生物氧化體內(nèi)最主要的氧化方式是脫氫（加水脫氫）糖、脂、蛋白質(zhì)最終產(chǎn)物

H2OCO2

能量二、催化生物氧化的主要酶類參與體內(nèi)生物氧化的酶分為：氧化酶類、需氧脫氫酶類、不需氧脫氫酶類等。（一）氧化酶類1、特點：（1）這類酶催化代謝物脫氫，可以直接傳遞給O2分子,進一步生成H2O。（2）一般氧化酶的輔基中常含有金屬離子：Cu2+Fe2+等。如：細胞色素氧化酶、抗壞血酸氧化酶等2、作用方式2H+2e-

SH22Cu2+O=+2H+

H2O

氧化酶

S2Cu+1/2O2

（二）需氧脫氫酶1、特點：（1）這類酶催化代謝物脫氫，直接將氫傳遞給O2，生成的是H2O2,而不是H2O。（2）常見于：L-氨基酸氧化酶、黃嘌呤氧化酶。因為這些酶的輔基是FMN或FAD，所以也稱為黃素酶。2、作用方式

SH2FMNH2O2(FAD)

需氧脫氫酶

SFMNH2O2(FADH2)（三）不需氧脫氫酶1、特點：（1）這類脫氫酶催化代謝物脫氫，但不能直接以氧為受氫體，而是將代謝物脫下的2H經(jīng)過一系列的傳遞，最后才能將2H傳遞給O2，生成產(chǎn)物為H2O。（2）體內(nèi)這類脫氫酶含量及種類最多。（3）不需氧脫氫酶

以NAD或NADP為輔酶脫氫酶以FMN或FAD為輔基脫氫酶以NAD或NADP為輔酶脫氫酶乳酸脫氫酶蘋果酸脫氫酶檸檬酸脫氫酶

6-磷酸葡萄糖脫氫酶以FMN或FAD為輔基脫氫酶琥珀酸脫氫酶

NADH脫氫酶2、作用方式：SH2S2H1/2O2H2O(四）其它酶類1、加氧酶加單氧酶加雙氧酶2、過氧化氫酶3、過氧化物酶第二節(jié)線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈物質(zhì)在生物氧化中H2O是怎樣生成的？代謝物脫下的成對氫原子（2H）通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水。由于此過程與細胞呼吸有關(guān)，所以將此傳遞連稱為呼吸鏈。何謂呼吸鏈？呼吸鏈定義：生物氧化過程，代謝物分子中的氫經(jīng)過脫氫酶催化，脫下的成對氫原子（2H）在線粒體通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合成水。由于此過程與細胞呼吸有關(guān)，所以將此傳遞鏈稱為呼吸鏈。重點呼吸鏈特點：1、代謝物脫下的2H,在線粒體中由許多酶和輔酶構(gòu)成遞氫體及遞電子體，按一定順序構(gòu)成一條連鎖反應(yīng)體系，稱為呼吸鏈。2、不論是遞氫體或遞電子體都起到傳遞電子的作用，因此也稱為電子傳遞體。

2H

2H++2e-一、呼吸鏈的組成成分及作用通過大量的研究證明，呼吸鏈的組成成分有20多種，根據(jù)功能分為五大類：NAD+或NADP+黃素酶鐵硫蛋白輔酶Q細胞色素酶系（一）以NAD+或NADP+為輔酶脫氫酶類NAD+

尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（輔酶Ⅰ）NADP+尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（輔酶Ⅱ)

酶蛋白脫氫酶

輔酶NAD+（輔酶Ⅰ）COⅠNADP+(輔酶Ⅱ)

COⅡ(1)形式：氧化型NAD+NADP+

還原型NADH+H+NADPH+H+(2)尼克酰胺部分可以可逆的加氫還原而脫氫氧化。（3）

NAD+

是呼吸鏈中第一個遞氫體。（二）黃素酶黃素蛋白也屬于一類氧化還原酶，其輔基中含有核黃素（VitB2),因此黃素蛋白又稱為黃素酶。黃素蛋白酶蛋白（黃素酶）輔基FMNFAD維生素B2（核黃素）體內(nèi)輔酶形式為

黃素單核苷酸(FMN)黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)FMN和FAD發(fā)揮功能的部位是核黃素結(jié)構(gòu)中的異咯嗪環(huán)，在該環(huán)上可以進行可逆地加氫或脫氫反應(yīng)。NADH脫氫酶酶蛋白

FMN琥珀酸脫氫酶酶蛋白

FAD脂肪酰COA酶蛋白

FAD特點1、FMN與FAD的異咯嗪環(huán)第1位、第10位兩個N原子能夠可逆的進行加氫還原，脫氫氧化。2、呼吸鏈中第二個遞氫體。3、傳遞了兩個氫原子。（三）鐵硫蛋白（鐵硫中心）鐵硫蛋白是存在于線粒體內(nèi)膜上的一類與傳遞電子有關(guān)的蛋白質(zhì)，該蛋白以鐵硫族（Fe–S）為輔基，F(xiàn)e–S含有等量鐵原子和硫原子，通過其中的鐵原子與鐵硫蛋白中半胱氨酸的巰基(-SH)硫相連接。鐵硫蛋白結(jié)構(gòu)特點：鐵硫蛋白中的鐵原子與鐵硫蛋白中蛋白質(zhì)部分的半胱氨酸殘基的硫相連接。常見的鐵硫蛋白有三種組合方式：1、單個鐵原子與四個半胱氨酸的SH的S相連接。蛋白質(zhì)半胱氨酸2、兩個鐵原子、兩個無機硫原子組成，其中每個鐵原子還各與兩個半胱氨酸巰基硫相連。蛋白質(zhì)3、由4個鐵原子與四個無機硫原子相連鐵與硫相間排列在一個正六面體的8個頂角端；此外4個鐵原子還各與與一個半胱氨酸殘基上的巰基相連。作用特點1、鐵硫蛋白中的鐵原子能夠可逆進行失電子氧化反應(yīng)而得電子還原反應(yīng)。

Fe2+-eFe3++e2、鐵硫蛋白在呼吸鏈中是電子傳遞體。3、鐵硫蛋白每次只能傳遞一個電子，為單電子傳遞體。4、鐵硫蛋白中的鐵將FMNH2中的電子傳遞給泛醌。（四）泛醌即輔酶Q（COQ）泛醌是一種脂溶性醌類化合物。因為廣泛存在于生物界并有醌的結(jié)構(gòu)，因此稱為泛醌。泛醌有一個很長的側(cè)鏈，不同來源的泛醌側(cè)鏈不同。特點：1、分子中苯醌結(jié)構(gòu)可以可逆的加氫還原，脫氫氧化。2、泛醌屬于呼吸鏈中的遞氫體.泛醌主要接受黃素蛋白與鐵硫蛋白傳遞過來一個質(zhì)子和一個電子還原成半醌，再接受一個質(zhì)子和一個電子還原成二氫泛醌。

泛醌COQ泛醌H半醌型

二氫泛醌二氫泛醌又可以脫去2個質(zhì)子和2個電子而被氧化成泛醌，將2個電子進一步再傳遞給細胞色素系，將質(zhì)子留在環(huán)境中。（五）細胞色素酶系

1926年凱林在昆蟲翅膀肌肉中發(fā)現(xiàn)了一類有顏色的物質(zhì)，定名為細胞色素（簡稱Cyt)目前已發(fā)現(xiàn)有很多種，根據(jù)其吸收光譜的不同可分為三大類，即細胞色素A、B、C、（Cyta、Cytb、Cytc）。b、c、c1、

a和a31、分類

線粒體bc1

caa3（重點）微粒體b5p4502、組成細胞色素酶蛋白（b、c1、c、aa3）輔基（鐵卟啉）

3、特點：（1）細胞色素a與a3不易分離

細胞色素aa3

（2）細胞色素aa3

細胞色素氧化酶（3）細胞色素aa3

中除有2個鐵原子，還有2個銅原子。（4）傳遞電子的順序CytbCytc1CytcCytaa3

bc1caa3（5）細胞色素類為電子傳遞體，主要是通過細胞色素中的鐵原子進行氧化還原反應(yīng)。2Cyt-Fe3++2e-

還原2Cyt-Fe2+

氧化

2e-

（6）

細胞色素C

能溶于水，便于提純，已應(yīng)用于臨床。（7）細胞色素屬于電子傳遞體。通過用膽酸、脫氧膽酸等反復(fù)處理線粒體內(nèi)膜，可將呼吸鏈分離得到四種仍具有傳遞電子功能的酶復(fù)合體，其中復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ完全鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，復(fù)合體Ⅱ鑲嵌在內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)。1、復(fù)合體Ⅰ

NADH-泛醌還原酶該復(fù)合物是將電子從NADHFMN

鐵硫蛋白泛醌2、復(fù)合體Ⅱ

琥珀酸-泛醌還原酶該復(fù)合物是將電子從琥珀酸

FAD

鐵硫蛋白泛醌NADH-泛醌還原酶復(fù)合體Ⅱ的功能琥珀酸-泛醌還原酶3、復(fù)合體Ⅲ

泛醌細胞色素C還原酶該復(fù)合物是將電子從泛醌

Cytb

Cytc1

Cytc

4、復(fù)合體Ⅳ

細胞色素氧化酶該復(fù)合物是將電子從

Cytc

Cytaa3

特點1、其中復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ完全鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，復(fù)合體Ⅱ鑲嵌在內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)。2、泛醌與Cytc不在復(fù)合體中。二、重要的呼吸鏈

NADH氧化呼吸鏈

琥珀酸氧化呼吸鏈重要（一）（二）琥珀酸氧化呼吸鏈蘋果酸、異檸檬酸、丙酮酸等琥珀酸、-磷酸甘油、脂酰COA

重點：1、體內(nèi)兩條重要呼吸鏈

NADH氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈2、兩條呼吸鏈的組成特點3、呼吸鏈電子的傳遞順序bc1caa34、NAD2H進入

NADH氧化呼吸鏈

FAD2H進入琥珀酸氧化呼吸鏈5、NADPH2

轉(zhuǎn)變

NADH2進入

NADH氧化呼吸鏈6、線粒體中兩條呼吸鏈都經(jīng)過COQ，因此COQ稱為線粒體中不同作用物氧化呼吸鏈的匯合點。兩條呼吸鏈交匯點COQ7、H2O生成代謝物脫氫氫與電子的傳遞分子氧激活

H2O的生成第三節(jié)氧化磷酸化與ATP生成

生物氧化不僅消耗O2,產(chǎn)生CO2

和H2O,更重要的是有能量的釋放。生物氧化過程中所釋放的能量大約40%以化學能形式貯存在ATP及其它高能化合物中，其中ATP是機體各種生命活動及代謝過程中主要供能的高能化合物。一、高能化合物（一）高能鍵與低能鍵

~

高能鍵水解產(chǎn)生能量高于21KJ/mol—

低能鍵水解產(chǎn)生能量低于21KJ/mol（二）高能化合物ATP二、ATP的生成ATP生成方式底物水平磷酸化氧化磷酸化80%重點

？（一）底物水平磷酸化代謝物在氧化分解過程中，有少數(shù)反應(yīng)因脫氫或脫水而引起分子內(nèi)部能量重新分布，產(chǎn)生高能鍵，然后將高能鍵轉(zhuǎn)給ADP生成ATP的過程稱為底物水平磷酸化。特點：通過底物水平磷酸化產(chǎn)生ATP的方式體內(nèi)共有三步反應(yīng)。（糖代謝）1，3二磷酸甘油酸+ADP

磷酸甘油激酶

3-磷酸甘油酸+ATP磷酸烯醇式丙酮酸+ADP

丙酮酸激酶丙酮酸+ATP琥珀酰COA+GDP

琥珀酰COA合成酶琥珀酸+

GTP（二）氧化磷酸化1、氧化磷酸化的概念代謝物脫下的2H，經(jīng)呼吸鏈氧化生成水時所釋放的能量與ADP磷酸化生成ATP儲能相偶聯(lián)的過程稱為氧化磷酸化。重點2、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位氧化磷酸化過程中ATP產(chǎn)生的部位是根據(jù)P/O比值和自由能的變化確定的。（1）P/O比值：氧化磷酸化過程中，無機磷原子消耗的摩爾數(shù)與氧原子消耗的摩爾數(shù)之間的比例稱為P/O比值。通過P/O比值可以了解物質(zhì)氧化時每消耗1摩爾數(shù)氧原子生成ATP數(shù)。實驗測定發(fā)現(xiàn)，代謝物脫下2H，經(jīng)NADH呼吸鏈氧化，P/O比值為3。代謝物脫下2H，經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈氧化，P/O比值為2。（2）自由能變化每水解一分子ATP釋放30.5KJ/mol

3、氧化磷酸化偶聯(lián)機制（1）化學滲透學說化學滲透學說是英國科學家經(jīng)過大量的實驗提出的。其要點：①電子經(jīng)過呼吸鏈傳遞的同時，質(zhì)子（H+）可以從線粒體內(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)子電化學梯度（H+濃度梯度和跨膜電位差），以儲存能量。重點當質(zhì)子（H+)順濃度梯度回流時驅(qū)動ADP與Pi生成ATP內(nèi)膜外側(cè)H+升高H+回流H+濃度升高時（2）ATP合酶在線粒體內(nèi)膜上存在著利用呼吸鏈所釋放的能量催化ADP與pi生成ATP的酶。

ATP合酶結(jié)構(gòu)疏水的F0部位親水的F1部位F1部位：催化ADP生成ATP。F0部位：與H+順濃度梯度回流有關(guān)。促進H+的回流促進ADP生成ATP4、影響氧化磷酸化的因素（1）ADP/ATP比值的調(diào)節(jié)劇烈運動ATPADP促進氧化磷酸化促進三羧酸循環(huán)

休息ATPADP抑制氧化磷酸化抑制三羧酸循環(huán)節(jié)約能源物質(zhì)意義：合理進行氧化磷酸化，防止能源浪費。重點（2）激素的調(diào)節(jié)：甲狀腺激素是調(diào)節(jié)氧化磷酸化的重要激素。甲狀腺激素誘導Na+、K+-ATP酶ATP分解導致ATPADP引起氧化磷酸化甲狀腺機能亢進

甲狀腺素氧化磷酸化導致產(chǎn)熱多、出汗多、基礎(chǔ)代謝率高（3）抑制劑的作用①呼吸鏈抑制劑阻斷呼吸鏈上某一部位的電子傳遞，使物質(zhì)氧化過程中斷，磷酸化也無法進行，因此呼吸鏈抑制劑同樣抑制氧化磷酸化。如：魚藤酮、阿米妥、抗霉素A、氰化物（CN)、CO等。這些物質(zhì)均為毒性物質(zhì)，可以使細胞內(nèi)呼吸停止，嚴重時導致細胞活動停止，機體死亡。如：氰化物中毒②解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑的作用是使機體氧化過程照常進行，但抑制ADP磷酸化生成ATP的作用，使氧化過程產(chǎn)生的能量不能產(chǎn)生ATP，而是以熱能形式散發(fā)。感冒或某些傳染性疾病時體溫升高，就是由于細菌或病毒產(chǎn)生的解偶聯(lián)劑所致。最常見的解偶聯(lián)劑是2.4-二硝基苯酚、雙香豆素等。③磷酸化抑制劑如寡霉素等。它們作用于ATP合酶，使ADP不能磷酸生成ATP，又抑制由ADP所刺激的氧的利用。磷酸化抑制劑對電子傳遞沒有直接抑制效應(yīng)。三、高能化合物的轉(zhuǎn)移、儲存和利用機體能量的釋放、儲存和利用都以ATP為中心。ATP是生物界普遍的供能物質(zhì)，體內(nèi)能量代謝的重要反應(yīng)是ADP/ATP轉(zhuǎn)換，ADP吸收能量磷酸化生成ATP,ATP水解放出能量產(chǎn)生ADP。釋放的能量用于各種生命活動如：呼吸、泌尿、神經(jīng)傳導、合成代謝、肌肉收縮等。

（一）能量的轉(zhuǎn)移ATP+UDPADP+UTP

參與糖原合成ATP+CDPADP+CTP

參與磷脂合成ATP+GDPADP+GTP

參與蛋白質(zhì)合成（二）能量的儲存1、磷酸肌酸是腦、肌肉組織能量貯存形式2、經(jīng)常鍛煉，肌肉中磷酸肌酸含量升高3、肌無力癥，磷酸肌酸含量下降。第四節(jié)線粒體外氧化體系一、微粒體中的氧化酶微粒體氧化體系的特點：1、耗O2量少，不伴有ATP的生成2、主要與某些物質(zhì)的合成有關(guān)，如：類固醇激素、VitD3、膽汁酸等生物合成有關(guān)。3、與毒物和某些藥物的生物轉(zhuǎn)化有關(guān)。4、微粒體中的氧化酶加單氧酶（混合功能氧化酶）

加雙氧酶加單氧酶在肝、腎上腺的微粒體中含量最多，主要參與類固醇激素、膽汁酸及膽色素的生成，同時參與藥物、毒物的生物轉(zhuǎn)化過程。（二）加雙氧酶加雙氧酶可以催化兩個氧原子直接加到底物分子中帶雙鍵的2個碳原子上。R+O2RO2或R1=R2R1O+R2O-胡蘿卜素在加雙氧酶的作用下，碳碳雙鍵斷裂形成兩分子視黃醛。

臨床上判斷糞便中有無隱血時，就是利用白細胞中含有過氧化物酶的活性，將聯(lián)苯胺氧化成藍色化合物。H2O2的產(chǎn)生對機體有有利方面，也有有害的方面。有利：1、在嗜中性粒細胞中H2O2可以殺死侵入的細胞。

2、甲狀腺產(chǎn)生的H2O2與甲狀腺素的合成有關(guān)。有害：1、氧化體內(nèi)含有巰基的酶、蛋白質(zhì)使之失去活性。

2、損傷生物膜。

三、超氧化物岐化酶1、在呼吸鏈電子傳遞中及其它物質(zhì)氧化時，經(jīng)常產(chǎn)生一些超氧離子，可以進一步生成H2O2和羥自由基，它們的化學性質(zhì)活潑，可以使磷脂與脂肪酸氧化時產(chǎn)生過氧