第七章生物氧化

第七章生物氧化 • ◆第一节生物氧化的方式和特点 • ◆第二节生物能及其存在形式 • ◆第三节线粒体呼吸链 • ◆第四节非线粒体氧化体系 • ◆第五节氧化磷酸化 • ◆第六节穿梭系统

Biological Oxidation 第七章生物氧化 • 维持生命活动的能量，主要有两个来源： • 光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。 • 化学能：动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。 • 有机物质在生物体内的氧化作用，称为生物氧化。在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧化成CO2和水，并释放出能量。 • 生物氧化通常需要消耗氧，释放CO2所以又称为呼吸作用。

第一节、生物氧化的方式和特点 • 一、生物氧化的方式 • 生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化。在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。

1．脱氢氧化反应 • （1）脱氢 • 在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。

A、烷基脂肪酸脱氢 • 琥珀酸脱氢

B、醛酮脱氢 • 乳酸脱氢酶

（2）加水脱氢 • 酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。

2．氧直接参加的氧化反应 • 这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化的生成水的反应。 • 加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如， • 甲烷单加氧酶 CH4 + NADH + O2 CH3-OH + NAD+ + H2O • 氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。

3．生成二氧化碳的氧化反应 • （1）直接脱羧作用 • 氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。 • （2）氧化脱羧作用 • 氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧生成丙酮酸。

二、生物氧化的特点 • 1、生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，pH7和常温）。 • 2、氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。 • 3、水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。 • 4、在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。

5、生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。5、生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。 • 6、生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。返回

第二节、生物能及其存在形式 • 一、生物能和ATP • 1. ATP是生物能存在的主要形式 • ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。 • 2. 生物化学反应的自由能变化 • 生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从热力学的规律。

二、高能化合物 • 磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起者重要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放出自由能。 • 一般将水解时能够释放21 kJ /mol（5千卡/mol)以上自由能（G’< -21 kJ / mol）的化合物称为高能化合物。 • ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。 • 根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型。

1、磷氧键型（-O-P) (1)酰基磷酸化合物乙酰磷酸 3-磷酸甘油酸磷酸 11.8千卡/摩尔 10.1千卡/摩尔

(1)酰基磷酸化合物 酰基腺苷酸氨甲酰磷酸氨酰基腺苷酸

（2）、焦磷酸化合物 焦磷酸 ATP（三磷酸腺苷） 7.3千卡/摩尔

（3）、烯醇式磷酸化合物 磷酸烯醇式丙酮酸 14.8千卡/摩尔

2、氮磷键型 磷酸肌酸磷酸精氨酸 10.3千卡/摩尔 7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。

3、硫酯键型 酰基辅酶A 3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸

4、甲硫键型 S-腺苷甲硫氨酸返回

第三节、线粒体呼吸链 一、线粒体呼吸链的组成 • 细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所，主要功能是将代谢物脱下的氢通过多种酶及辅酶所组成的传递体系的传递，最终与氧结合生成水。 • 由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成的这种代谢途径一般称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，称为呼吸链。

（一）、呼吸链的组成 1、烟酰胺脱氢酶类（nicotinamide dehydrogenases)(或称吡啶脱氢酶类，pyridine dehydrogenases) 2、黄素酶类（flavoprotein, flavinlinked dehydrogenase, NADH dehydrogenase) • 黄素单核苷酸（FMN) • 黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD) 3、辅酶Q(coenzyme Q, CoQ)(泛醌 ubiquinone) 4、铁硫蛋白类（Iron-sulfur protien) 4、细胞色素类（cytochromes) Cytb, Cytc1, Cytc, Cyta1a3

1、烟酰胺（吡啶）脱氢酶类 催化底物脱氢的一类酶，属脱氢酶类，包括脱氢酶复合物，但它们的辅酶大多相同，主要有两种： NAD+（CoI）：Nicotinamide AdenineDinucleotide NADP+(CoII):Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate 分子中起递氢作用的是烟酰胺，能反复氧化和还原，起到接受氢和提供氢的作用而传递氢。脱氢酶脱掉底物分子上的两个氢原子，其中之一以氢阴离子(:H-)的形式转移到NAD+或NADP+上形成NADH或NADPH，另一个则以H+形式游离到溶液中，每一个:H-携带两个电子，其中1e使氢以原子形式结合到吡啶环的C-4上，另1e与吡啶环上的N结合，N由+5价变为+3价。

NAD(P)+的结构

还原的Co I有340nm光吸收

NAD(P)H的氧化还原

NADH+H+与NADPH +H+

NAD（P）H连接的脱氢酶催化的一些重要反应

2、黄素酶类（FAD脱氢酶） 这类酶是与黄素相关的脱氢酶或是黄素蛋白，因辅基中含核黄素而得名，线粒体中可能与一种铁硫蛋白（Iron-sulfur protein，Fe-S）组成复合体。种类多，酶蛋白不同，但辅基只有两种：黄素单核苷酸（Flavin Mononucleotide,FMN),是NADH脱氢酶（FP1）的辅基。黄素腺嘌呤二核苷酸（Flavin Adenine Dinucleotide,FAD)是琥珀酸脱氢酶（FP2）的辅基。此类酶催化由NADH或琥珀酸分子上脱氢，生成FMNH2或FADH2。

FMN(FAD)的氧化还原

铁-硫中心（Iron-sulfur Centers,铁硫蛋白) 最早由Helmut Beinert发现，铁不出现在血红素中，而与无机硫原子和/或蛋白质Cys残基的硫原子相连。铁硫中心（Fe-S）最简单的是单铁原子与4个Cys的-SH相连，更复杂的是有2个或4个铁原子。Rieske铁硫蛋白则为1个铁原子与两个His残基相连。所有的铁硫蛋白参与一个电子的转移，其中的铁原子或被氧化、或被还原，线粒体中至少有8个铁硫蛋白参与电子传递。

铁-硫中心（Iron-sulfur Centers)

辅酶Q（Coenzyme Q，CoQ） 又称泛醌(Ubiquinone)，脂溶性醌类化合物，有一个长的异戊二烯侧链，因广泛存在得名。呼吸链中是参入到线粒体内膜的电子载体。 CoQ在呼吸链中接受黄素酶的H，本身被还原为氢醌，再把H传递给Cyt体系被氧化，接受1e变为半醌自由基，接受2e变为氢醌（QH2）。 CoQ不仅接受NADH脱氢酶的H，还接受线粒体其他脱氢酶的H，如琥珀酸脱氢酶，脂酰CoA脱氢酶及其他黄素脱氢酶脱下的H，在电子传递链中处于中心地位。

辅酶Q的氧化还原 氧化型泛醌半醌自由基氢醌

底物到辅酶Q的电子流动

（二）、电子载体以多酶复合物起作用 呼吸链上的电子载体被组装为膜包埋的超分子复合物，可以被分离开来，线粒体内膜用去污剂温和处理，可以得到四个独立的电子载体复合物，每个部分可以催化电子通过呼吸链的一部分转移。复合物I和II催化电子由不同的供体（NADH：复合物I；琥珀酸：复合物II）转移到泛醌；复合物III把电子由泛醌传递给Cyt C；复合物IV完成电子由Cyt C到O2的传递过程。

复合物I：NADH到泛醌 也称NADH：泛醌氧化还原酶，是一个大的酶复合物，由42条不同的多肽链组成，包括含FMN黄素蛋白和至少6个铁硫中心。高分辨率电子显微镜显示复合物I为L形，L的一个臂在膜内，另一臂伸展到基质中。复合物I催化两个同时发生的偶联过程：（1）NADH+H++QNAD++QH2 （2）4个质子由基质转到内膜外因此，复合物I是由电子转移能所驱动的质子泵，结果内膜基质面变负，内膜外侧变正。

NADH：CoQ氧化还原酶（复合物 I，NADH到泛醌）

复合物II：琥珀酸到泛醌 也称琥珀酸脱氢酶，是TCA循环中唯一的一个线粒体内膜结合的酶，虽比复合物I小而简单，但含有两类辅基和至少4种不同的蛋白，1个蛋白与FAD及有4个铁原子的Fe-S中心共价结合；1个铁硫蛋白。电子由琥珀酸流向FAD，然后通过Fe-S中心到泛醌。呼吸链上还有其他底物的电子流经Q，但不经过复合物II，如脂酰CoA脱氢酶、3-磷酸甘油脱氢酶等（见图）。

琥珀酸脱氢酶（琥珀酸到泛醌：复合物II）

复合物III：泛醌到细胞色素c 又称细胞色素bc1复合物或泛醌：细胞色素c氧化还原酶。偶联催化电子由氢醌到Cyt c的转移和质子由膜内基质向膜外空间的运输。复合物III和IV结构的确定（1995-1998，X-射线晶体学）是线粒体电子转移研究的里程碑。复合物III是一个由相同单体组成的二聚体，每个单体含有11个不同的亚基。

泛醌到CytC：复合物III（Cyt bc1复合物或泛醌：CytC氧化还原酶）单体二聚体功能单位

Q循环（The Q Cycle) 根据复合物III的结构和氧化还原反应详细的生物化学研究，提出了电子经复合物的流动模型，Q循环的反应为： QH2+2cyt c1（氧化型）+2HN+Q+2cyt c1(还原型）+4Hp+ 膜的P侧，2QH2被氧化为Q，释放4H+到内膜外空间，每个QH2提供1e到cyt c1（通过Fe-S中心），另1e到Q分子（通过cyt b），两步还原成QH2，还原反应还从基质中利用掉2H+。转移的净效应很简单：QH2被氧化成Q，2cyt c被还原。

Q 循环

复合物IV：细胞色素C到O2 又称细胞色素氧化酶，呼吸链的最后一步，把cyt c的电子转移给O2还原生成H2O。是一个大酶（线粒体内膜上，13个亚基，Mr204000），作用同样是电子传递和质子泵。三个亚基对于功能至关重要。亚基II有2个Cu离子（CuA）（与Cys残基的-SH相连，亚基II有2个血红素基团（分别为a1、a3）和另一个Cu离子（CuB）。电子传递为：cyt c-CuA-a-a3-CuB-O2，每4e通过复合物时，酶从基质中消耗4个“底物”H+，生成2H2O，每通过1e，利用氧化还原反应的能量泵出1H+到内膜外空间。

细胞色素氧化酶（复合物 IV）

复合物 IV的电子流向

四、呼吸链-ATP生成-抑制剂 返回

第四节、非线粒体氧化体系 1.微粒体氧化体系（Microsome oxidative system） 2.过氧化物酶体氧化体系（Peroxisome oxidative system）

一、微粒体氧化体系（Microsome Oxidative System） 由含黄素的脱氢酶、铁硫蛋白、CytP450组成，催化分子氧的两个氧原子分别进行不同的反应，其中一个O加到底物分子上，另一个与NADPH+H+的氢生成水，与ATP的生成无关。这种系统又称为加单氧酶(monooxygenase)，也称双功能加氧酶(double function oxygenase)，也有称之为CytP450羟化体（酶）系。意义: (1) 胆酸生成中的环核羟化； (2)不饱和脂肪酸生成中的双键引入； (3)Vit D的活化； (4)药物、致癌物及毒物等的氧化解毒。

第七章 生物氧化