第九章 生物氧化.ppt

( Biological oxidation)1 主主 要要 内内 容容概述概述线粒体氧化体系线粒体氧化体系生物氧化与能量代谢生物氧化与能量代谢非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系2 第一节第一节 概述概述一、生物氧化概念一、生物氧化概念H2O+CO2+能量能量生物体内生物体内 营养物营养物 （糖、脂、蛋白质）（糖、脂、蛋白质）[O] 意义意义：： 提供各种生命活动所需能量提供各种生命活动所需能量, 及及 维持体温维持体温3二、生物氧化的特点二、生物氧化的特点 生物氧化生物氧化 体外燃烧体外燃烧温和环境（温和环境（3737C°C°近近中性）中性） 条件剧烈，高温、高压条件剧烈，高温、高压需需酶催化酶催化 不需酶催化不需酶催化C CO O2 2是是有机酸脱羧生成有机酸脱羧生成的的 碳和氧直接化合生成碳和氧直接化合生成COCO2 2有机物脱下的氢有机物脱下的氢, ,经呼吸链生成经呼吸链生成H H2 2O O 氢和氧直接反应形成氢和氧直接反应形成H H2 2O O逐步释放能量逐步释放能量并形成并形成ATP ATP 能量以光和热形式骤然放出能量以光和热形式骤然放出4三、三、 生物氧化的方式生物氧化的方式（一）（一） CO2的生成的生成 (体内体内CO2是有机酸在酶的催化下脱羧产生是有机酸在酶的催化下脱羧产生 的的)COOHR-CH-NH2R-CH2-NH2 + CO2氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶α-氨基酸氨基酸胺胺1. α-单纯脱羧单纯脱羧5H3C-C-COOH + HSCoAO=H3C-C-SCoA + CO2O=NAD+NADH + H+丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoA2. 2.  －氧化脱羧－氧化脱羧6HOOCCH2-C-COOHO=H3C-C-COOH + CO2O=丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸草酰乙酸丙酮酸丙酮酸3.  －单纯脱羧－单纯脱羧74.  －氧化脱羧－氧化脱羧HOOCCH2-CH-COOHH3C-C-COOH + CO2O= OH苹果酸酶苹果酸酶NADP+NADPH + H+苹果酸苹果酸丙酮酸丙酮酸8（二）（二） H20的生成的生成 代谢物（代谢物（AH2））→ → 2H 2H (酶与辅酶酶与辅酶) 一系列中间传递体一系列中间传递体½ O2H2O9第二节第二节 线粒体氧化体系线粒体氧化体系一、一、 呼吸链呼吸链 是定位在是定位粒体内膜线粒体内膜上上的一组排列有序的递氢体和递的一组排列有序的递氢体和递电子体电子体(酶与辅酶酶与辅酶)构成的链状传递体系构成的链状传递体系, 也称也称电子传递链电子传递链。

respiratory chain））10 (一一) 呼吸链主要成员及其作用呼吸链主要成员及其作用• 烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类及其辅酶（及其辅酶（NAD+、、NADP+）） • 黄素蛋白类黄素蛋白类及其辅基及其辅基 （（FMN、、FAD））• 铁硫蛋白（铁硫蛋白（Fe-S））• 泛醌（泛醌（Q，，CoQ））• 细胞色素类（细胞色素类（Cyt.））111.烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类2. NAD+(COI)－－烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (1) 辅酶辅酶(2) NADP+(COII)—烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酸(3) (2) 作用作用: 递氢体递氢体(3) 12 2H + NAD+ NADH + H+ 传递给传递给 FMN (3) 递氢机理递氢机理 （（ 递氢部位递氢部位：： 吡啶环）吡啶环）呼吸链呼吸链NADPH+H+ : 一般不参与呼吸链。

一般不参与呼吸链132.黄素蛋白酶类黄素蛋白酶类 (Flavoprotein, FP)3. FMN-----黄素单核苷酸黄素单核苷酸 4. 在呼吸链中在呼吸链中, FMN作为作为NADH脱氢酶脱氢酶的辅的辅基基;5.(1) 辅基辅基 FAD------黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸 作为作为琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶的辅基的辅基;(2) 作用作用: 递氢体递氢体（（FP1））(FP2)14（（3）递氢机理）递氢机理 （（功能部位功能部位 ：：异咯嗪环的异咯嗪环的N1和和N10）） NADH + H+ FMNH2 均可传递给均可传递给COQ 琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢 FADH2在呼吸链中：在呼吸链中：（（Fe-S））110153.3. 铁硫蛋白类铁硫蛋白类(Fe-S)(Fe-S)16CH2-S—FeSFeSFeSFeSCH2-S——S-CH2—S-CH2常见铁硫族常见铁硫族:Fe4-S4 或或 Fe2-S2铁硫中心：铁硫中心：17 FMN (Fe-S)(1) 存在形式存在形式 FAD (Fe-S).b(2) 作用作用: 递电子体递电子体(3) 递电子机理递电子机理(4) (5) Fe3+ Fe2+ and Cyt.b. C1 (Fe-S)等复合物形式等复合物形式e e在呼吸链中：在呼吸链中：184. 泛醌（泛醌（ Q10 ，， CoQ10 ））(1) 结构结构(2) 醌类化合物醌类化合物(2) 作用作用:(3) 递氢体递氢体 19(3) 递氢机理递氢机理 FMNH2 COQ2H2e2H+ 传递给其后的传递给其后的一系列一系列 递电子体递电子体 在呼吸链中：在呼吸链中：（（Fe-S）） FADH2 （（Fe-S））（（2H  2H+ + 2e））20 5. 5. 细胞色素类细胞色素类 ( (CytochromesCytochromes, , CytCyt. .) )Cyt. 主要类型主要类型: 根据吸收光谱不同，根据吸收光谱不同，Cyt.类分为类分为a、、b和和c三大类三大类：： 每一大类又有几种亚类。

每一大类又有几种亚类21 Cyt.b5和和Cyt.p450 —— 主要存在于肝细胞微粒主要存在于肝细胞微粒体，参与生物转化体，参与生物转化Cyt.b、、c1、、c、、a和和a3 —— 存在于存在于线粒体内膜线粒体内膜, 作为作为呼吸链成员；呼吸链成员；22 （（1）） 基本结构基本结构 （（ 以细胞色素以细胞色素C为例）为例） 蛋白质蛋白质 由两大部分构成由两大部分构成 铁卟啉铁卟啉 23NNNNFe3+H3C--CH3-CH-CH3H3CCH2CH2COO-CH2CH2COO-H3C- Cys SH3C-CH Cys S多多 肽肽 链链24(2) 作用作用 递电子体递电子体 (3) 递电子机理递电子机理 Fe3+ Fe2+ee(4) 递电子顺序递电子顺序( E0ˊ值值小小大大 ) Cyt.b  c1  c  a  a3  ½ O2 25在呼吸链中细胞色素类递电子顺序在呼吸链中细胞色素类递电子顺序2Fe2+2Fe3+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+½ O2O2-2e2e2e2e2ebc1 ca.a3COQ2H 2H+2e2H+H2O26 Cyt b、、 c1、、 c 、、 a 、、 Cyt a3 不能与不能与O2 或或 可与可与O2 、、也可也可 CO、、CN-等结合，等结合， 与与CO和和CN－－结合结合 Cyt a3 : 通过与通过与氧结合氧结合，可，可将电子直接传递给氧，将电子直接传递给氧， Cyt a3 被称为被称为细胞色素氧化酶。

细胞色素氧化酶 当当Cyt a3 与与CO或或CN-结合时，可致呼吸链中断结合时，可致呼吸链中断27 呼吸链各成分粒体内膜上的分布与定位呼吸链各成分粒体内膜上的分布与定位 复合体复合体ⅠNADH－泛醌还原酶－泛醌还原酶 复合体复合体Ⅱ 琥珀酸－泛醌还原酶琥珀酸－泛醌还原酶 复合体复合体Ⅲ泛醌－泛醌－CytC还原酶还原酶 复合体复合体Ⅳ细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶FMN (Fe-S)a.a3Cyt. b. (Fe-S).c1FAD (Fe - S)28 二、二、 体内重要呼吸链的排列顺序体内重要呼吸链的排列顺序 1.1.NADH+HNADH+H+ +氧化呼吸链氧化呼吸链2. 2. F FADHADH2 2氧化（或称琥珀酸氧化）呼吸链氧化（或称琥珀酸氧化）呼吸链 29 1、、 NADH+H+氧化呼吸链氧化呼吸链NADH → FMN → COQ → Cyt.b→c→ FMN → COQ → Cyt.b→c1 1 → c→ a.a→ c→ a.a3 3→ → ½O O2 2 +H+H+ + (Fe-S)(Fe-S) (Fe-S) (Cu2+) 组成成员组成成员 排列顺序排列顺序 产生产生ATP: 3分子分子302、、 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链 FAD H2 → COQ → Cyt.b→c1 → c → a.a3 → ½O2 (Fe-S) (Fe-S) (Cu2+) 组成成员组成成员 排列顺序排列顺序 产生产生ATP：： 2分子分子31 体内两条重要呼吸链的相互联系体内两条重要呼吸链的相互联系 NADH FMN Q10 Cytb Cytc1 Cytc aa3 + H+ (Fe-S) (Fe-S) O2 FAD H2 (Fe-S)IIIIIIIV琥珀酸琥珀酸32CH2OHC=OCH2O- P 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮CH2OHCHOHCH2O- P甘油甘油-3-磷酸磷酸NADH+H+NAD+QH2Q1/2O2H2O2~PFADFe-S线线粒粒体体内内膜膜 基质基质胞质胞质甘油甘油-3-磷磷 酸脱氢酶酸脱氢酶 甘油甘油-3-磷酸穿梭磷酸穿梭 三、三、 胞质中胞质中NADH＋＋H+的氧化的氧化33苹果酸－天冬氨酸穿梭苹果酸－天冬氨酸穿梭34 小结小结（胞质中（胞质中NADH＋＋H+的氧化）的氧化）胞液胞液NADH+H+ 线粒体线粒体FADH2 产生产生2分子分子ATP 2. 苹果酸苹果酸-天冬氨酸天冬氨酸穿梭作用穿梭作用 胞液胞液NADH+H+ 线粒体线粒体NADH+H+ 产生产生3分子分子ATP 呼吸链呼吸链 呼吸链呼吸链1. 甘油甘油-3-磷酸磷酸穿梭作用穿梭作用 （肌肉、神经组织）（肌肉、神经组织）（心肌、肝组织）（心肌、肝组织）35第三节第三节 生物氧化与能量代谢生物氧化与能量代谢 糖糖 脂类脂类 蛋白质蛋白质 * 高能化合物高能化合物 [o]能量能量约约60%60%以热能形式散失以热能形式散失 维持体温；维持体温；约约40%40%以化学能形式形成以化学能形式形成高能化合物高能化合物（（ATP)ATP)，，以驱动各种生命活动。

以驱动各种生命活动36 一一. 高能化合物的种类高能化合物的种类 通式通式 举例举例 释放能量释放能量（（pH7.0, 25℃）） ( kJ/mol (kcal/mol ) 高能键符号：高能键符号： “   ”37 二、二、ATP的生成的生成（一）底物水平磷酸化（一）底物水平磷酸化381. 1，，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸ADPATP3-磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶2. 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸ADPATP丙酮酸丙酮酸 丙酮酸激酶丙酮酸激酶3. 琥珀酸单酰琥珀酸单酰CoA 琥珀酸琥珀酸 + CoASHGDP H3PO4GTPADP ATP 糖的氧化分解过程中三次底物水平磷酸化糖的氧化分解过程中三次底物水平磷酸化39（二）（二） 氧化磷酸化氧化磷酸化 1. 氧化磷酸化及其偶联氧化磷酸化及其偶联402. 氧化磷酸化的偶联部位氧化磷酸化的偶联部位（（1 1）） 磷氧（磷氧（P/OP/O））比比值值 每消耗每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷摩尔数，摩尔氧原子所消耗的无机磷摩尔数， 即合成即合成ATP的摩尔数。

的摩尔数 通过加入不同底物，分别测定通过加入不同底物，分别测定P/O比值，比值，推测推测ATP生成数（偶联部位）生成数（偶联部位）41呼吸链形成呼吸链形成ATP的偶联部位的偶联部位NADH氧化呼吸链：氧化呼吸链： P/O ≈ 3，， 有有3个偶联部位，个偶联部位， 生成生成3分子分子ATP；；FADH2氧化呼吸链：氧化呼吸链： P/O ≈ 2，， 有有2个偶联部位，个偶联部位， 生成生成2分子分子ATP 苹果酸苹果酸抗坏血酸抗坏血酸42NADH FMN CoQ Cytb c1c aa3 O2 (Fe-S) FADH2 (Fe-S) 52.1 kj/mol 40.5 kj/mol 102.3 kj/mol （（2 2）） 自由能变化自由能变化呼吸链偶联部位：呼吸链偶联部位： NAD+ ~ CoQ ; Cyt.b ~ c ; Cyta.a3→O243三、影响氧化磷酸化的因素三、影响氧化磷酸化的因素• 抑制剂抑制剂• ADP的调节的调节• 甲状腺激素的调节甲状腺激素的调节• 线粒体线粒体DNA突变突变44（一）抑制剂（一）抑制剂 1. 呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂 FAD.H2 (Fe-S)NADH → FMN → CoQ → Cyt.b → C1 → C → aa3 → O2 (Fe-S) 阿米妥阿米妥 鱼藤酮鱼藤酮(-)(-)(-)抗霉素抗霉素A CN- CO452. 解偶联剂解偶联剂二硝基苯酚二硝基苯酚（（DNP））DNP → 解除氧化与磷酸化的偶联作用解除氧化与磷酸化的偶联作用 → 耗耗O2量量↑、、 耗耗Pi 量量↓ → P/O 比值比值 ↓ → ATP生成生成 ↓←←解偶联解偶联ХХ46（二）（二）ADP的调节的调节1）） 运动时：运动时：ADP/ATP↑ 氧化磷酸化氧化磷酸化↑2）休息时：）休息时：ADP/ATP↓ 氧化磷酸化氧化磷酸化↓47（三）甲状腺激素的调节（三）甲状腺激素的调节 T3 / T4 Na+-K+-ATPase 氧化磷酸化氧化磷酸化↑ 耗耗O2 量量↑ATP生成生成  ADP + Pi + 产热量产热量  ATP(+)(+)48（四）线粒体（四）线粒体DNA突变突变 mt DNA编码呼吸链复合编码呼吸链复合体的部分多肽链及蛋白质体的部分多肽链及蛋白质mtDNA突变突变影响氧化磷酸化影响氧化磷酸化 ATP生成减少生成减少 发生多种疾病发生多种疾病 49四、四、ATP利用、转移和储存利用、转移和储存ATP + H2O ADP + Pi + 30.5 Kj（一）（一） ATP的利用的利用50代谢物代谢物分分解解氧氧化化CO2 H2O能能热能（散发热能（散发））化学能化学能（储能）（储能）ATPADP PiCC~P+能能机械能（肌肉收缩）机械能（肌肉收缩）化学能（合成代谢）化学能（合成代谢）渗透能（吸收分泌）渗透能（吸收分泌）电能（神经传导生物电）电能（神经传导生物电）热能（维持体温）等热能（维持体温）等 ATP为直接供能者为直接供能者铁卟啉铁卟啉51（二）（二）ATP分子中高能键的转移分子中高能键的转移ATP + UDPCDPGDPADP + UTP（（参与糖原合成）参与糖原合成）CTP（（参与磷脂合成）参与磷脂合成）GTP（（参与蛋白质合成）参与蛋白质合成）52 （三）磷酸肌酸是能量储存形式（三）磷酸肌酸是能量储存形式 H2N+ C-NH2 H3C-N CH2 COO- H2N+ H O C-N~P-O- H3C-N O- CH2 COO-ATP ADP肌酸激酶肌酸激酶肌酸肌酸磷酸肌酸（磷酸肌酸（CP）） （储能形式）（储能形式）53 第五节第五节 非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系 RH + ORH + O2 2 + NADPH + H + NADPH + H+ +ROH + NADPROH + NADP+ + + H + H2 2O O 羟化酶羟化酶（（加单氧酶系加单氧酶系））一、微粒体氧化酶系一、微粒体氧化酶系 CytPCytP450450（混合功能氧化酶）（混合功能氧化酶）（（药物药物））54二、过氧化物酶体氧化酶类二、过氧化物酶体氧化酶类（一）过氧化氢酶（（一）过氧化氢酶（catalase, CAT，，又称触酶又称触酶））2H2O2 2H2O + O2（二）过氧化物酶（（二）过氧化物酶（peroxidase, POD）） Ar-OH R-HO + H2O2 R-COOH + 2H2O + NH3 R-NH255 谷胱甘肽过氧化物酶（谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）） （（催化的反应）催化的反应）H2O2 +2GSH GSSG + 2H2O ROOH + GSH ROH + H2O + GSSG56三、超氧化物歧化酶三、超氧化物歧化酶（（SOD））SOD类型类型：： 胞质胞质 Cu.Zn-SOD；； 线粒体线粒体 Mn-SOD2 O2-· + 2H H2O2 + O2 CAT 2H2O + O2SOD57。