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1、第第 六六 章章生生 物物 氧氧 化化Biological Oxidation物物质质在在生生物物体体内内进进行行氧氧化化称称生生物物氧氧化化，主主要要指指糖糖、脂脂肪肪、蛋蛋白白质质等等在在体体内内分分解解时时逐逐步步释释放能量，最终生成放能量，最终生成CO2 和和 H2O的过程。的过程。糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能 生物氧化的概念生物氧化的概念 生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化与体外氧化之相同点n生生物物氧氧化化中中物物质质的的氧氧化化方方式式有有加加氧氧、脱脱氢氢、失失电电子子，遵遵循氧化还原反应的一般规律。循氧化还原反应的一般
2、规律。n物物质质在在体体内内外外氧氧化化时时所所消消耗耗的的氧氧量量、最最终终产产物物（CO2，H2O）和释放能量均相同。）和释放能量均相同。w是是在在细细胞胞内内温温和和的的环环境境中中（体体温温，pH接接近近中中性性），在在一一系系列列酶酶促促反反应应逐逐步步进进行行，能能量量逐逐步步释释放放有有利利于于机机体体捕捕获获能能量量，提提高高ATP生成的效率。生成的效率。w进进行行广广泛泛的的加加水水脱脱氢氢反反应应使使物物质质能能间间接接获获得得氧氧，并并增增加加脱脱氢氢的的机机会会；脱脱下下的的氢氢与与氧氧结结合合产产生生H2O，有机酸脱羧产生，有机酸脱羧产生CO2。*生物氧化与体外氧化之
3、不同点生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化w能量是突然释放的。能量是突然释放的。w产产生生的的CO2、H2O由由物物质质中中的的碳碳和和氢氢直直接接与与氧氧结结合生成。合生成。糖原糖原 甘油三酯甘油三酯蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA TAC TAC 2H 2H 呼呼吸吸链链 H H2 2O O ADP+Pi ATP COCO2 2 *生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程 第一节第一节 生成生成ATP的氧化体系的氧化体系 The Oxidation System of ATP Producing定义定义代代谢谢物物脱脱下下的的成成对对氢氢原原子子（2H）
4、通通过过多多种种酶酶和和辅辅酶酶所所催催化化的的连连锁锁反反应应逐逐步步传传递递，最最终终与与氧氧结结合合生生成成水水，这这一一系系列列酶酶和和辅辅酶酶称称为为呼呼吸吸链链(respiratory chain)又又称称电电子子传传递递链链(electron transfer chain)。组成组成递氢体和电子传递体（递氢体和电子传递体（2H 2H+2e）一、呼吸链一、呼吸链（一）呼吸链的组成（一）呼吸链的组成四种具有传递电子功能的酶复合体四种具有传递电子功能的酶复合体(complex)*泛醌泛醌 和和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。均不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体人线
5、粒体呼吸链复合体 线粒体的结构线粒体的结构呼吸链呼吸链呼吸链呼吸链呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置 Cytc Q NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-1.复合体复合体:NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶u 功能功能:将电子从将电子从NADH传递给泛醌传递给泛醌(ubiquinone)复合体复合体NADH CoQ FMN;Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3;Fe-SN-2 NAD+和和NADP+的结构的结构R=H:NAD+;R=H2P
6、O3:NADP+NAD+（NADP+）和）和NADH（NADPH）相互转变）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。FMN结结构构中中含含核核黄黄素素，发发挥挥功功能能的的部部位位是是异异咯咯嗪嗪环环，氧氧化化还还原原反反应应时时不不稳稳定定中中间间产产物物是是FMN。铁铁硫硫蛋蛋白白中中辅辅基基铁铁硫硫簇簇(Fe-S)含含有有等等量量铁铁原原子子和和硫硫原原子子，其其中中铁铁原原子子可可进进行行Fe2+Fe3+e 反应传递电子。反应传递电子。表示无机硫表示无机硫 铁硫蛋白铁硫蛋白 S SS S无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫FeFe2
7、2S S2 2,Fe,Fe4 4S S4 4泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。时可生成中间产物半醌型泛醌。复合体复合体的功能的功能 NADH+H+NAD+FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH22.复合体:琥珀酸-泛醌还原酶u 功能功能:将电子从琥珀酸传递给泛醌将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体复合体琥珀酸琥珀酸 CoQFe-S1;b560;FAD;Fe-S2;Fe-S3 细细 胞胞 色色 素素细胞色素是一类以铁铁
8、卟啉为辅基的催化电细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。3.复合体复合体:泛醌泛醌-细胞色素细胞色素c还原酶还原酶 u 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 复合体复合体QH2 Cyt c b562;b566;Fe-S;c14.复合体复合体:细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶u 功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧 复合体复合体还原型还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB形成的活性部位将电子交给形成的活性部位将电子交给O2。
9、由以下实验确定由以下实验确定 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 拆开和重组拆开和重组 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧（二）（二）呼吸链成分的排列顺序呼吸链成分的排列顺序1.NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O22.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链电子传递链电子传递链 二、氧化磷酸化二、氧化磷酸化*定义定义氧化磷酸化氧化磷酸化(oxidative phosphor
10、ylation)是指是指在呼吸链电子传递过程中偶联在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸磷酸化，生成化，生成ATP，又称为，又称为偶联磷酸化偶联磷酸化。底底 物物 水水 平平 磷磷 酸酸 化化 (substrate level phosphorylation)是是底底物物分分子子内内部部能能量量重重新新分分布布，生生成成高高能能键键，使使ADP磷磷酸酸化化生生成成ATP的的过程。过程。（一）氧化磷酸化偶联部位（一）氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位：氧化磷酸化偶联部位：复合体复合体、根据自由能变化和根据自由能变化和P/O比值比值G=-nFE P/O比值：物质氧化时，每消耗比值：物质氧化时，每消
11、耗1mol氧原子所消耗氧原子所消耗 的无机磷的的无机磷的mol数，即生成的数，即生成的mol数。数。ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位电电子子传递链传递链自由能自由能变变化化 （二）（二）氧化磷酸化的偶联机理氧化磷酸化的偶联机理1.化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)电电子子经经呼呼吸吸链链传传递递时时，可可将将质质子子（H+）从从线线粒粒体体内内膜膜的的基基质质侧侧泵泵到到内内膜膜胞胞浆浆侧侧，产产生生膜膜内内外外质质子子电电化化学学梯梯度度储储存存能能量量。当当质质子子顺浓度梯度回流时驱动顺浓度梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生
12、成ATP。线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜+-H+O2 H2O H+e-ADP+Pi ATP 化学渗透假说简单示意图化学渗透假说简单示意图化化学学渗渗透透假假说说 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+1/2O2+2H+H2O ADP+Pi ATP H+H+H+胞液侧胞液侧 基质侧基质侧+-化学渗透假说详细示意图化学渗透假说详细示意图2.ATP合酶合酶由由亲亲水水部部分分 F1（33亚亚基基）和和 疏疏 水水 部部 分分 F0（a1b2c912亚亚基基）组成。组成。ATP合酶结构模式图合酶结构模式图当当H+顺顺浓浓度度递递度度经经F0中中a
13、亚亚基基和和c亚亚基基之之间间回回流流时时，亚亚基基发发生生旋旋转转，3个个亚亚基基的的构构象象发发生生改变。改变。ATP合酶的工作机制合酶的工作机制三、影响氧化磷酸化的因素三、影响氧化磷酸化的因素1.呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。阻断呼吸链中某些部位电子传递。2.解偶联剂解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：解偶联蛋白如：解偶联蛋白 3.氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 对电子传递及对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素如：寡霉素(F0蛋白蛋白)（一）抑制剂（一）抑制剂鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A异戊
14、巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S 各种呼吸链抑制剂的阻断位点各种呼吸链抑制剂的阻断位点解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）F F0 0 F F1 1 Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能 H H+H H+ADP+Pi ATP 寡霉素寡霉素(oligomycin)可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回流，抑制质子通道回流，抑制ATP生成生成ATP合酶结构模式图合酶结构模式图（二）（二）ADP的调节作用的调节作用呼吸控制率呼吸控制率(respiratory cont
15、rol ratio,RCR)（三）甲状腺激素（三）甲状腺激素Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。酶和解偶联蛋白基因表达均增加。（四）线粒体（四）线粒体DNA突变突变 与线粒体与线粒体DNA病及衰老有关。病及衰老有关。电子传递链及氧化 磷酸化系统概貌H+跨膜跨膜质子电化学质子电化学梯度；梯度；H+m内膜基质侧内膜基质侧H+；H+c 内内膜胞液侧膜胞液侧H+四、四、ATP高能磷酸键与高能磷酸化合物 u高能磷酸键高能磷酸键水解时释放的能量大于水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，的磷酸酯键，常表示为常表示为 P。u高能磷酸化合物高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物含有高能磷酸键
16、的化合物 核苷二磷酸激酶的作用核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDP ADP+UTPATP+CDP ADP+CTPATP+GDP ADP+GTP腺苷酸激酶的作用腺苷酸激酶的作用 ADP+ADP ATP+AMP肌酸激酶的作用肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。ATP的生成和利用ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 P P P P 机械能机械能(肌肉收缩肌肉收缩)渗透能渗透能(物质主动转运物质主动转运)化学能化学能(合成代谢合成代谢)电能电能(生物电生物电)热能热能(维持体温
17、维持体温)生物体内能量的储存和利生物体内能量的储存和利用都以用都以ATP为中心。为中心。五、通过线粒体内膜的物质转运五、通过线粒体内膜的物质转运线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。对各种物质的转运。五、通过线粒体内膜的物质转运五、通过线粒体内膜的物质转运线粒体内膜不线粒体内膜不线粒体内膜不线粒体内膜不同的同的同的同的转运体转运体转运体转运体,对对对对物质有选择性物质有选择性物质有选择性物质有选择性线粒体外膜孔线粒体外膜孔线粒体外膜孔线粒体外膜孔
18、蛋白，蛋白，蛋白，蛋白，10kDa10kDa的物质通过的物质通过的物质通过的物质通过 线粒体内膜的主要转运蛋白线粒体内膜的主要转运蛋白 （一）（一）胞浆中胞浆中NADH的氧化的氧化胞浆中胞浆中NADH必须经一定必须经一定转运机制转运机制进入进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。转运机制转运机制主要有主要有-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭(malate-asparate shuttle)1.-磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制 (1.51.5分子分子ATPATP)胞浆胞浆-磷酸甘
19、油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶mt-磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶 NADH+H+FADH2 NAD+FAD 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间隙膜间隙 线粒体线粒体 基质基质-磷酸甘油磷酸甘油 脱脱氢氢酶酶 呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 -磷酸甘油磷酸甘油 2.苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭机制机制(2.52.5分子分子ATPATP)NADH+H+NAD+NADH+H+NAD+谷氨酸谷氨酸-天冬氨酸天冬氨酸 转运体转运体苹果酸苹果酸-酮酮 戊二酸戊二酸转转运体运体 苹果酸苹果酸 草酰乙酸草酰乙酸-酮酮戊二酸戊二酸 谷氨酸谷氨酸 苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 谷草转谷草转
20、 氨酶氨酶 胞液胞液 线线粒粒体体内内膜膜 基质基质 呼吸链呼吸链 天冬氨酸天冬氨酸 （二）（二）腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白(adenine nucleotide transporter)参与参与ADP与与ATP反向转运反向转运ATP4-F0 F1 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 腺苷酸腺苷酸转运蛋白转运蛋白磷酸磷酸转运蛋白转运蛋白 ADP3-H2PO4-ATP4-H+H+H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-每分子每分子ATP生成需转运生成需转运4分子分子H+nNADH氧化呼吸链每传递氧化呼吸链每传递2H泵出泵出10H+，生成约生成约2.5分子分子AT
21、Pn琥珀酸氧化呼吸链每传递琥珀酸氧化呼吸链每传递2H泵出泵出6H+，生，生成成1.5分子分子ATP每分子每分子ATP生成需转运生成需转运4分子分子H+（三）线粒体蛋白质的跨膜转运（三）线粒体蛋白质的跨膜转运外外膜膜表表面面解解折折叠叠 被被位位于于外外膜膜上上的的受受体体识识别别 转转移移到到总总插插入入蛋蛋白白 从从氨氨基基端端开开始始通通过过线线粒粒体体内内、外外膜膜之之间间的的接接触触位位点点 进进入入线线粒粒体体基质基质 切除导向序列切除导向序列 第二节第二节 其他氧化酶系其他氧化酶系The Others Oxidation Enzyme Systems一、需氧脱氢酶和氧化酶一、需氧脱
22、氢酶和氧化酶 二、过氧化物酶体中的酶类二、过氧化物酶体中的酶类 （一）过氧化氢酶（一）过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含又称触酶，其辅基含4 4个血红素个血红素2H2O2 2H2O+O2 过氧化氢酶过氧化氢酶 （二）过氧化物酶（二）过氧化物酶(perioxidase)以血红素为辅基，催化以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化直接氧化酚类或胺类化合物酚类或胺类化合物 R+H2O2 RO+H2O RH2+H2O2 R+2H2O 过氧化物酶过氧化物酶 过氧化物酶过氧化物酶 反应氧族反应氧族超氧离子超氧离子(O2)、H2O2、羟自由基、羟自由基(OH)的统称。的统称。三、超氧化物歧化酶三、
23、超氧化物歧化酶2O2+2H+SODH2O2+O2 H2O+O2 过氧化氢酶过氧化氢酶SOD：超氧化物歧化酶：超氧化物歧化酶(superoxide dismutase)谷胱甘肽过氧化物酶 H2O2(ROOH)H2O(ROH+H2O)2G SH G S S G NADP+NADPH+H+*此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤 谷胱甘谷胱甘肽还原酶肽还原酶 3.3.含硒的谷胱甘肽过氧化物酶含硒的谷胱甘肽过氧化物酶 四、微粒体中的酶类四、微粒体中的酶类 （一）加单氧酶（一）加单氧酶(monoxygenase)*催化的反应：催化的反应：RH+NADPH+H+O2 RO
24、H+NADP+H2O 故又称混合功能氧化酶故又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase)或羟化酶或羟化酶(hydroxylase)。上述反应需要上述反应需要细胞色素细胞色素P450(Cyt P450)参与。参与。（二）加双氧酶（二）加双氧酶 此酶催化氧分子中的此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底个氧原子加到底物中带双键的物中带双键的2个碳原子上。个碳原子上。例例 如：如：(O2)色氨酸吡咯酶色氨酸吡咯酶色氨酸色氨酸甲酰犬尿酸原甲酰犬尿酸原病例病史及检查 某男青年，约3小时前曾食用半生新鲜木薯78两，半小时前开始恶心，并腹泻一次，后出现头晕及心悸而急诊入院。体查见呼吸浅快、轻度发绀，心率116次/分，血压98/58mmHg，精神萎靡，腱反射减弱。诊断：急性氰化物中毒治疗：1.催吐：50MgSO4 50ml倒泻。2.1：5000高锰酸钾溶液洗胃。3.10 GS 1500ml静滴。4.10DMAP(4-二甲基苯酚）2ml肌注。5.50硫代硫酸钠20ml静脉推注。6.半小时后，重复4和5，药量分别减半。