1、1,第六章 生物氧化 (Biological oxidation),6.1 生物氧化概述 6.2 线粒体氧化体系生成ATP 6.3 不生成ATP的氧化途径,2,第一节 生物氧化概述,生物氧化：生物细胞将糖、脂和蛋白质等营养有机物彻底氧化分解，最终生成CO2和H2O并释放大量能量的过程。因其利用O2释放出CO2，故又称为细胞呼吸（cellular respiration） 。,3,糖、脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰辅酶A中的乙酰基。,狭义地说只有第3个阶段才是生物氧化，这是体内能量生成的主要阶段，即代谢物脱下的氢是如何交给氧生成水；细胞如何将氧化过程中释放的能量转变成ATP分子中的高能键。,乙
2、酰辅酶A进入三羧酸循环脱氢，生成CO2并使NAD 和FAD还原成NADH、FADH2。,NADH和FADH2中的氢经呼吸链将电子传递给氧生成水， 氧化过程中释放出来的能量用于ATP合成。,代谢物在体内的氧化可以分为3个阶段：,4,二、生物氧化的特点,（1）物质氧化方式：加氧、脱氢、失电子 （2）物质氧化时消耗的氧量、得到的产物和能量相同。,1、与体外燃烧相同点,5,2、不同点,体内氧化 体外氧化,（4）能量形式： 热能、ATP 热能、光能,（1）反应条件： 温和 剧烈37、常压、pH近中性,（2）反应过程： 分步反应 一步反应能量逐步释放 能量突然释放,（3）产物生成： 间接生成 直接生成脱氢
3、为主，并脱羧生成CO2,6,氧化反应：失电子、脱氢、加氧 还原反应：得电子、加氢、脱氧,三、生物氧化的方式：,脱电子：如Fe2+ Fe3+ 脱 氢: 如乳酸丙酮酸 加 氧：如苯丙氨酸酪氨酸,7,（一）氧化酶类(oxidases),氧化酶直接以氧作为受氢体，产物中有水；辅基含有Cu2+；如:细胞色素C氧化酶、抗坏血酸氧化酶等。,四、生物氧化反应的酶类,8,SH2,S,草酰乙酸,2Cu2+,O2-,2Cu+,1/2O2,2H+,2e,H2O,2e,氧化酶作用,9,（二）脱氢酶类,10,需氧脱氢酶作用方式,FMN或FAD,FMNH2或FADH2,SH2,S,H2O2,O2,11,2、不需氧脱氢酶类,
4、不以氧为直接受氢体，产物是H2O；将底物脱下的氢经过一系列传递体的传递将氢交给氧；一类是以FAD或FMN为辅基，如：琥珀酸脱氢酶、脂肪酰辅酶A脱氢酶；另一类是以NAD+或NADP+为辅基，如：乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶,12,不需氧脱氢酶作用方式,SH2,S,NAD+或NADP+,NADH+H+或NADPH+H+,FMN或FAD,FMNH2或FADH2,SH2,S,13,包括加单氧酶、加双氧酶、过氧化物酶 和过氧化氢酶,（三）其他酶类,14,代谢底物在酶的作用下经一系列脱氢、加水等反应，转变为含羧基的化合物，经脱羧反应生成CO2，根据脱去的羧基在有机酸位置的不同，可分为-脱羧和-脱羧两种；又根据
5、脱羧是否伴随有氧化，可分为直接脱羧和氧化脱羧。,四、生物氧化过程中CO2的生成：,15,（一）直接脱羧基作用,16,二、氧化脱羧基作用,17,第二节 线粒体氧化体系生成ATP,18,线粒体结构与功能简介,细胞,19,呼吸链（Respiratory Chain）代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水。因与细胞呼吸有密切关系，将此传递链称为呼吸链。又称电子传递链（electron transfer chain）。,20,位于线粒体内膜,酶和辅酶按一定顺序排列。其中：传递氢的酶和辅酶氢传递体。传递电子的酶和辅酶电子传递体。 由于氢原子可以看作是由H
6、+和e组成的，所以 递氢体也是递电子体，递氢体和递电子体的 本质是酶、辅酶、辅基。,呼吸链 (或电子传递链),21,一、呼吸链的组成,以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶类以FMN或FAD为辅酶的黄素蛋白类铁硫蛋白类辅酶Q（泛醌）细胞色素类,22,1、 NAD和NADP,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD，辅酶I，CoI)。NAD是脱氢酶的辅酶，是连接作用物与呼吸链的重要环节。,23,NAD的主要功能是接受从代谢物上脱下的2H(2H+ +2e)，并传给另一传递体黄素蛋白。在生理pH条件下，烟酰胺中的氮(吡啶氮)为五价的氮，它能可逆地接受电子而成为三价氮，与氮对位的碳也较活泼，能可逆地加氢还原，故可将
7、NAD视为递氢体。反应时，NAD的尼克酰胺部分可接受一个氢原子及一个电子，还有一个质子(H+)留在介质中。,24,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP，辅酶，Co)也是有些脱氢酶的辅酶，它与NAD不同之处是在腺苷酸部分中核糖的2位碳上羟基的氢被磷酸基取代而成。,25,1,10,1,1,10,10,氧化型FMN或FAD(FMN、FAD),还原型FMN或FAD (FMN2H、FAD2H),2、黄素蛋白(flavoproteins)与电子传递链有关的黄素蛋白有两种，分别以FMN和FAD为辅基。,26,在FAD、FMN分子中的异咯嗪部分可进行可逆的脱氢加氢反应。（1）氧化型黄素辅基从NADH接受两个电子
8、和一个质子，另一个质子来自于介质中,（2）氧化型黄素辅基从底物(如琥珀酸)接受两个电子和两个质子而还原： NADH + H+ + FMN = NAD+ + FMNH2琥珀酸 + FAD = 延胡索酸 + FADH2,27,28,常见的铁硫蛋白有3种组合方式 a、单个铁原子与4个Cys残基上的-SH硫相连。 b、2个铁原子、2个无机硫原子组成(2Fe-2S)，其中每个铁原子还各与两个Cys残基的-SH硫相结合。 c、由4个铁原子与4个无机硫原子相连(4Fe 4S)，铁与硫相间排列在一个正六面体的8个顶角端；此外4个铁原子还各与一个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。,29,30,4、泛醌(ubiquin
9、one,UQ或Q) ,也称为辅酶Q（CoQ）。因广泛存在并具有醌结构而称泛醌。是一种脂溶性醌类化合物。具有游动性，不与任何酶复合体结合。UQ由多个异戊二烯单位构成，不同来源的泛醌其异戊二烯单位的数目不同，在哺乳类动物组织中最多见的泛醌其侧链由10个异戊二烯单位组成。是一类氢传递体。,31,UQ的功能基团是苯醌，泛醌接受一个电子和一个质子还原成半醌，再接受一个电子和质子则还原成二氢泛醌，后者又可脱去电子和质子而被氧化恢复为泛醌:,Q + 2H,QH2,32,2、细胞色素类（Cyt）,细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类。 按吸收光谱不同分为多类。 每类因吸收峰差异分为几种亚类。呼吸链
10、中有a、b、c三种。 通过铁原子传递电子，是单电子传递体。Cytb Cytc1 Cytc Cytaa3 O2,33,Cyt c的辅基血红素(亚铁原卟啉)通过共价键(硫醚键)与酶蛋白相连，其余各种细胞色素中辅基与酶蛋白均通过非共价键结合。,34,细胞色素a和a3不易分开，统称为细胞色素aa3。和细胞色素P450、b、c1、c不同，细胞色素aa3的辅基不是血红素，而是血红素A。细胞色素aa3可将电子直接传递给氧，因此又称为细胞色素氧化酶。,35,电子传递链组分除泛醌和细胞色素c外，其余组分实际上形成嵌入内膜的结构化超分子复合物。用毛地黄皂苷、胆酸盐等去垢剂处理分离的线粒体时，可溶解外膜，并将内膜分
11、裂成四种仍保存部分电子传递活性的复合物。,（二）组成呼吸链的四个蛋白复合体,36,1、复合物I(NADH-泛醌还原酶),* 以 FMN 为辅基的黄素蛋白* 以铁硫簇 （Fe-S） 为辅基的铁硫蛋白,功能,成分,催化电子从NADH经FMN及铁硫蛋白转移到泛醌,37,催化电子从琥珀酸经FAD及铁硫蛋白传递到 泛醌。,2、复合物(琥珀酸-泛醌还原酶),* 以FAD为辅基的黄素蛋白* 铁硫蛋白* 细胞色素（cytochrome,cyt）b560,成分,功能,38,相对分子质量约25万，含有910种不同的蛋白质，包括细胞色素b、cl、c和铁硫蛋白，催化电子从还原型泛醌经Cytb、Cytc1传递给Cytc
12、。,3、复合物(泛醌-细胞色素C还原酶),39,催化电子从还原型细胞色素c传递给分子氧,4、复合物(细胞色素氧化酶),成分,* cyta和cyta3，不易分开，故称cytaa3,功 能,40,标准氧化还原电位越小，其还原性越强，容易被氧化；标准氧化还原电位越大，其氧化性越强，容易被还原。呼吸链中各种组分的排列顺序是由低电位依次向高电位排列。,（三） 呼吸链组分排列顺序,根据各种组分的标准氧化还原电位来确定。,41,0.34,42,根据在有氧条件下氧化反应达到平衡时各种传递体的还原程度来确定。Chance和Williams使用分光光度法测定离体的线粒体在有氧条件下TAC反应达到平衡时，呼吸链中各
13、种传递体的还原程度。反应达到平衡时从底物到氧的各种传递体的还原程度是递减的，底物的最高，氧最低。,43,好象物理学上的联通管，若进水量等于出水量，即流量达到平衡时，离进水口最近的水管中水位最高，离出水管最近的水管中水位最低，从进水管到出水管水位逐渐减低，若把水流视为电子流，就是此情况。,44,特异的抑制剂能阻断呼吸链中的特定环节，阻断部位的底物一侧的各种传递体应为还原型，阻断部位的氧一侧的各种传递体应为氧化型。,使用特异的抑制剂,45,在体外实验中，将线粒体分成各种复合物，检测其各自催化的反应，再将其重组，检测其催化能力。美国格林(Green)等实验室成功地将呼吸链分离成具有催化活性的四种复合
14、物以及CoQ和Cytc。将、和这四种复合物1：1：1：1的比例混合，加上CoQ和Cyt c重组，基本上恢复了线粒体原有的催化能力。,46,（1）NADH氧化呼吸链,NADHQCyt CO2,47,线粒体的两条氧化呼吸链,48,电子传递链的组成,NADH+H+,1/2O2 + 2H+,H2O,内膜,基质,膜间隙,NAD+,Q,Cytc,Cytc,琥珀酸脱氢,内膜,基质,膜间隙,代谢物脱氢,FADH2,Q,Q,FAD,49,ATP是体内能量直接利用和储存的主要形式,三、生物氧化中有部分能量用于生成ATP,50,ATP（三磷酸腺苷）， A-PPPADP（二磷酸腺苷）， A-P PAMP（一磷酸腺苷）
15、， A-P,P 30.5kJ/mol,P 30.5kJ/mol,51,人体 (70kg)内ATP总量仅50g左右， 静息状态下，24h消耗ATP40kg,52,其他高能化合物,高能化合物：每mol化合物水解时释出自由能大于20.93KJ者，称高能化合物。,其他的高能化合物,53,1、底物水平磷酸化由于底物分子内原子的重新排列，使能量集中，产生高能键，并直接转交给ADP（或GDP）而最终生成ATP的过程，称为底物水平磷酸化。,体内ATP的生成方式,54,主要的底物水平磷酸化反应：,p65,琥珀酰硫激酶,55,2、氧化磷酸化(oxidative phosphorylation),底物脱下的2H经呼
16、吸链传递到分子氧形成水，同时偶联ADP磷酸化生成ATP储能的过程，称为电子传递偶联的磷酸化或氧化磷酸化。,56,57,P/O定义：是指无机磷原子消耗的摩尔数（即ATP的生成数）与氧原子消耗的摩尔数之比。,P/0值测定,在一密闭的容器中加入底物、ADP、Pi、氧饱和的缓冲液，再加入线粒体制剂时就会有氧化磷酸化进行。反应终了时测定O2消耗量(可用氧电极法)和Pi消耗量(或ATP生成量)就可以计算出P/0值了。,58,NADH经呼吸链完全氧化时测得的P/O比值为2.5；FADH2完全氧化时测得的P/O比值为1.5。,59,c,比较(3)和(4)，生成的ATP数均为1，呼吸链传递的区别是 在Cyt c
17、Cyt aa3，故Cytcaa3不存在偶联部位，而在 Cyt aa3O2之间存在着一个偶联部位。,比较表中的(1)和(2)，呼吸链传递的差异是在CoQ之间， 两者ATP的生成数相差1，所以这个ATP的生成部位一定在 NADCoQ之间。,比较(2)和(3)，呼吸链传递的差异是在Cytc之间，两者 ATP的生成数相差1，所以这个ATP的生成部位在CoQCytc 之间。,c,60,氧化磷酸化三个偶联部位 (产生ATP的部位),NADH+H+ 复合体I CoQ 复合体III Cyt c 复合体IV O2,61,(三)影响氧化磷酸化的因素,(2)激素的调节,诱导Na+，K+-ATP酶合成，使ATP分解成
18、为ADP的速度加快，线粒体中ADP/ATP比值增大，促进氧化磷酸化；故：甲状腺功能亢进症患者基础代谢率增高。,62,(3) 抑制剂的作用,呼吸链抑制剂阻断呼吸链中某些部位电子传递。,63,解偶联剂: 如二硝基苯酚,解偶联剂可使电子传递与ADP磷酸化两个过程分离，它只抑制ATP的形成过程，而不抑制电子传递过程，使电子传递所产生的自由能以热的形式耗散。解偶联剂使电子传递失去正常的控制，造成过分的氧和底物消耗，而能量却得不到贮存。只抑制磷酸化不抑制电子传递。棕色脂肪组织-解偶联蛋白-产热御寒。新生儿硬肿症。,64,四、胞浆中生成的NADH穿梭进入线粒体生物氧化和氧化磷酸化主要在线粒体内进行，在胞液内
19、生成的NADH不能自由地透过线粒体内膜，必须借助某些能自由通过线粒体内膜的物质才能被转入线粒体，这就是所谓穿梭机制。已知动物细胞内有两个穿梭系统。,65,脑、骨骼肌线粒体内外脱氢酶的辅酶不同,+1.5ATP,-甘油磷酸穿梭系统,66,NAD+ 苹果酸 苹果酸 NAD+ 苹果酸脱氢酶 苹果酸脱氢酶NADH 草酰乙酸 Glu Glu 草酰乙酸 NADHAspAsp 呼吸链4 （胞浆） （内膜） （线粒体基质） 3ATP3：-酮戊二酸载体 4：酸性氨基酸载体有氧氧化 1G 38ATP P/O=3,3,酮戊 二酸,（2）苹果酸穿梭作用, 线粒体内外脱氢酶的辅酶相同,+2.5ATP 心肌、肝,2.5AT
20、P,67,30个ATP,1分子G,胞浆,2 分子NADH,糖酵解,有氧氧化,32个ATP,-磷酸甘油穿梭作用,苹果酸穿梭作用,线粒体,68,第三节 不生成ATP的氧化途径,69,一、微粒体氧化体系,由NADPH-细胞色素P450还原酶、细胞色素P450、 FAD组成的复杂酶系。催化氧分子中的一个氧原子掺入到底物（羟化），另一个氧原子使NADPH+H+中的氢氧化生成水。故又称混合功能氧化酶、羟化酶、加单氧酶，（从底物角度看，只掺入一个原子氧）。加单氧酶系催化总反应式如下：NADPHHO2RHNADPH2OROH,1、加单氧酶系（monooxygenase),70,加单氧酶的生物功能主要分布在肝、
21、肾上腺微粒体中。 功能羟化底物1、参与类固醇激素、活性维生素D3的羟化及胆汁酸盐、胆色素等的生成。2、参加某些药物、毒物的生物转化。,71,二、过氧化体氧化体系,1、 过氧化氢的生成,过氧化体中含有较多的需氧脱氢酶，它们可分别催化L-氨基酸、D-氨基酸、黄嘌呤物质脱氢氧化，产生过氧化氢。,+ NH3 + H2O2,72,H2O2的功能： （1）粒细胞和吞噬细胞内，H2O2氧化杀死入侵 的细菌； （2）甲状腺细胞H2O2使2I-氧化为I2，使酪氨酸碘化为甲状腺素。,H2O2的毒性： （1）氧化含巯基的酶或蛋白质 （2）氧化生物膜中的不饱和脂肪酸形成过氧化脂质,2、 过氧化氢对机体的影响,73,3
22、、 机体对过氧化氢的处理和利用,(1)过氧化氢酶(Catalase)又称触酶，含4个血红素。,-1,-1,-2,74,也以血红素为辅基。催化H2O2直接氧化酚类或胺类物质。R-Ph-OH+H2O2 R-Ph-O+2H2OR-NH2+H2O2 R=NH+2H2O,（2）过氧化物酶(Peroxidase),75,（3）谷胱甘肽过氧化物酶,催化还原型谷胱甘肽与过氧化氢反应， 使过氧化氢分解，从而保护膜脂和血红蛋白免受氧化，维持它们的正常功能。,G-S-S-G + NADPH + H+,2G-SH + NADP+,2G-SH + H2O2,谷胱甘肽还原酶,谷胱甘肽过氧化物酶,G-S-S-G + 2H2
23、O,76,2G-SH,H2O2或 ROOH,G-S-S-G,NADPH+H+,谷胱甘肽过氧化物酶作用,H2O或 ROH+ H2O,NADP+,77,种类 02.022-羟自由基(HO.)氢自由基(H.),三、自由基和超氧化物歧化酶,1、自由基(free radical),概念 是指能独立存在的含1个或1个以上不配对电子的原子或原子团。,78,危害 化学性质活泼，使磷脂中不饱和脂肪酸氧化成过氧化脂质，使巯基酶失活，损伤生物膜；过氧化脂质与蛋白质结合，积累成棕褐色的脂褐素，与组织老化有关；使DNA、蛋白质氧化交联，与肿瘤的发生有关；可使透明质酸 解聚，参与类风湿性关节炎的发病。,2、氧自由基的产生与危害,79,超氧化物岐化酶 （superoxide dismutase，SOD）,3、机体对自由基的清除,催化O2歧化反应的酶类。催化一分子O2 氧化 为O2，另一分子O2 还原为H2O2。,H2O2进一步被相应的酶分解。SOD是人体防御超氧离子损伤的重要酶。,80,练 习 题,1、人体内能量储存和利用的主要形式是什么？ 2、生成ATP的方式主要有哪两种，如何定义？ 3、画图表示生物体内的两条主要的电子传递链，5种细胞色素在电子传递链中是如何排列的？,4、P/O的概念 5、氧化磷酸化的3个偶联部位分别是什么？ 6、影响氧化磷酸化的因素有哪些？抑制剂的作用机制是什么？,
