第 9 章生物氧化 Biological Oxidation

第9章生物氧化Biological Oxidation

本章主要内容 • 生物氧化概述 • ATP • 氧化磷酸化 • 其他生物氧化系统

1 生物氧化( Biological oxidation) 营养物质在动物机体内氧化，生成二氧化碳和水，并有能量释放。这个过程在细胞中进行，宏观上表现为呼吸作用，因此也将生物氧化称为组织氧化或细胞氧化、组织呼吸或细胞呼吸。不同于有机物质在体外的剧烈燃烧，伴随着大量热能的释放，生物氧化在温和的条件下进行，能量缓慢的释放。

动物机体能量的产生与转移与利用 营养物质经过生物氧化生成二氧化碳和水，在此过程中释放能量。其中一部分以热的形式释放，另一部分被“截获”并储存到ATP分子中（使ADP+Pi ATP, 即磷酸化），可以作为有用功在各种生理活动，如肌肉收缩（机械能）、神经传导（电能）、生物合成（化学能）、分泌吸收（渗透能）中利用。因此，ATP（三磷酸腺苷）被称为机体中通用的能量货币。

线粒体——细胞的动力站 生物氧化过程主要在线粒体的内膜上进行，内膜上分布着许多的酶和电子传递体，构成两条呼吸链。内膜上结合的颗粒（内膜粒子，或称基粒、三分体等）具有ATP合酶的活性，称FoF1ATPase。

2 ATP （三磷酸腺苷）2.1 ATP的分子结构和高能磷酸键 ATP等的分子中的焦磷酸键在水解时或在转移时，可释放很高的能量，大于 30.56kJ/moL，称高能磷酸键。

2.2 ATP具有较高的磷酸基团转移势 表 9‑3 各种磷酸化合物的水解自由能高能磷酸化合物有转移其磷酰基的倾向，形成较低能量的磷酸脂。ATP是磷酰基的传递体。

2.3 ATP以偶联反应的方式推动非自发的反应 例如，细胞中合成脂肪酸时有以下反应：乙酰CoA + CO2丙二酸单酰CoA ΔG = +18.84kJ/moL，不能自发进行。乙酰CoA羧化酶（生物素为辅酶）催化以下反应： 1．E-生物素 + CO2 + ATP +H2O E-生物素- CO2 + ADP + Pi ΔG = - 17.58 kJ/moL 2. E-生物素- CO2 + 乙酰CoA E-生物素 + 丙二酸单酰CoA ΔG = -1.00 kJ/moL 总反应为：乙酰CoA + CO2+ ATP +H2O 丙二酸单酰CoA + ADP + Pi ΔG = -18.59kJ/moL

2.4 ATP的生成方式 1. 底物水平的磷酸化（回忆糖的分解代谢） 2. 氧化磷酸化 (oxydative phosphorylation ) 底物脱下的氢（2H 2H+ + 2e）经过呼吸链( respiratory chain) 或电子传递系统( electronic transport system )的传递最后交给氧，并与之结合生成水。在此过程中,氧化释放的部分能量以高能磷酸键的形式储存在ATP分子中（ADP+Pi ATP），这种氧化过程与磷酸化过程的偶联称为氧化磷酸化。这是需氧生物合成ATP的主要方式。

3 呼吸链( respiratory chain) 3.1 呼吸链的组成成分不需氧脱氢酶辅酶Q（CoQ，泛醌）细胞色素（Cyt）铁硫复合物（又称铁硫中心，FeS）细胞色素aa3，即细胞色素c氧化酶这些成分在呼吸链上以一定的顺序排列传递电子和氢，构成电子传递系统（Electronic Transport System）

不需氧脱氢酶 底物脱下的氢交给氢或电子的传递体，而氧并不是氢的直接受体。举例: 3-磷酸甘油醛脱氢酶（NAD）异柠檬酸脱氢酶（NAD） NADH-CoQ还原酶（FMN）琥珀酸-CoQ还原酶（FAD） CoQ-细胞色素c还原酶（铁卟啉辅基）

辅酶Q（泛醌，CoQ） 脂溶性的小分子，通过氧化/还原（醌/酚）两种形式传递氢，因此是递氢体。

细胞色素（Cytochrome, Cyt ） 细胞色素是一类含血红素的电子传递蛋白，Fe原子处于血红素环中央，借助化学价的变化（Fe++/Fe+++）传递电子。有十几种细胞色素，不同的细胞色素对特定波长的可见光有不同的吸收。 Cyt c和c1的血红素与蛋白部分共价结合。 Cytaa3又称细胞色素c氧化酶,处于呼吸链的末端,既含Fe原子，又有Cu原子，通过铜原子的化合价变化（在+1和+2之间）最终将电子传递给氧。Cytaa3可以被CN-和CO抑制。

细胞色素c 的结构 Cyt c和c1的血红素与蛋白部分共价结合。

Fe-S 复合物 含硫的非血红素铁蛋白，也称铁硫中心，借助Fe化学价的变化（Fe++/Fe+++）传递电子。 Fe与4个Cys 的S相连 2FeS，2Fe分别与2S 和4个 Cys 的S相连 4FeS，4Fe分别与4S 和4个 Cys 的S相连

呼吸链含有4种复合体 表 9‑1 呼吸链复合体

3.2 NADH 呼吸链的组成 复合物I（NADH-CoQ 还原酶，含FMN，Fe-S） CoQ（泛醌）复合物III（CoQ-细胞色素c还原酶，含Cytb562、 Cytb566，Fe-S，Cytc1） Cytc 复合物IV（细胞色素c氧化酶，Cyta,a3，含CuA、 CuB）

3.3 FADH 呼吸链（琥珀酸呼吸链）的组成 复合物II（琥珀酸-Q 还原酶，含FAD、Fe-S， Cytb560） CoQ 复合物III（同 NADH 呼吸链） Cytc 复合物IV（同 NADH 呼吸链）

e- e- e- e- e- 延胡索酸 NADH+H+ H2O 1/2O2+2H+ 琥珀酸 NAD+ Cytc 胞液侧 Ⅲ Q 线粒体内膜 Ⅳ Ⅱ Ⅰ 基质侧

(I) (II) (III) (IV) 电子在呼吸链中的传递方式

两条呼吸链总结 NADH 琥珀酸 FMN II I FADH NADH 呼吸链 FADH 呼吸链（FeS）（FeS） CoQ Cyt b （FeS） III Cyt c1 Cyt c IV O2 Cyt aa3

4 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation） 4.1 磷氧比（P/O）当电子在呼吸链传递消耗氧的同时，有无机磷酸（Pi）的消耗。消耗P原子的摩尔数与O原子的摩尔数之比称为P/O比。研究组织呼吸的实验显示: NADH 呼吸链的P/O为2.5，FADH呼吸链的P/O为1.5。即在NADH呼吸链中，将一对电子传递给O，实现了2.5次的磷酸化反应（ADP + Pi ATP），而在FADH呼吸链只有1.5次. 4.2 ATP的产生推动ADP磷酸化形成ATP所需的标准自由能大约在-30.56kJ/moL。在NADH 呼吸链上，在NADH—CoQ，Cytb—c1和 Cytaa3—O2之间释放的能量足以实现磷酸化。在FADH呼吸链，则在Cytb—c1和 Cytaa3—O2之间。

-50.24kJ/moL -41.87kJ/moL -100.48kJ/moL 电子的传递方向和释放的能量可能推动形成ATP的部位

4.3 氧化磷酸化的机制——化学渗透学说 --- 底物脱下的氢的一对电子通过NADH呼吸链传递给氧原子，期间分别有4、4、2共5对质子从线粒体的基质转移到膜的间隙中。呼吸链发挥了质子泵的作用。 --- 结果在线粒体内膜的两侧形成了质子的电化学梯度，积蓄了很大的自由能。 --- 当质子顺着电化学梯度通过基粒返回到基质时，有自由能的释放。释放的能量在内膜粒子的ATP合酶（FoF1ATPase）的作用下，通过ADP 的磷酸化生成ATP分子。

H+ H+ Cyt c H+ + + + + + + + + + + Ⅲ Q F0 Ⅳ Ⅱ - - - - - - - - - Ⅰ 延胡索酸 NADH+H+ H2O 1/2O2+2H+ F1 琥珀酸 NAD+ ADP+Pi ATP H+ 化学渗透假说详细示意图胞液侧基质侧

化学渗透学说（chemiosmotic hypothesis)

内膜粒子、基粒、 FoF1ATPase（ATP合酶），现又称复合体V。 F1有5个亚基，有ATP合酶的活性，Fo有4个亚基，镶嵌在线粒体的内膜上，作为质子通道。

5 解偶联与氧化磷酸化的抑制 5.1 解偶联（uncoupling）使电子传递与ATP的生成（磷酸化）分离。解偶联剂破坏质子梯度的形成，从而抑制ATP的生成，但不抑制电子的传递，因此电子传递过程中生成的自由能转变为热能。如解偶联剂2，4—二硝基苯酚（DNP）。 5.2 氧化磷酸化的抑制抑制氧的利用，直接干扰ATP的生成。如CN-、N3-和CO 抑制Cyt a3将电子传递给氧，鱼藤酮抑制NADH还原酶将氢传递给CoQ，抗霉素A阻止电子从Cytb传递到c1。

6 NADH从胞液转入线粒体的两种穿梭作用 在肝脏和心肌等组织。

在肌肉组织和大脑 注意：通过该穿梭作用，胞液中的NADH转入到线粒体后转变为FADH，进入琥珀酸呼吸链氧化。这解释了为什么一摩尔G经过有氧氧化可能生成30或32摩尔的ATP。

7 非线粒体氧化（在过氧化物酶体等） 7.1 需氧脱氢酶催化底物脱下的氢不必通过呼吸链而直接以氧为受体的酶。例如：氨基酸氧化酶，黄嘌呤氧化酶等，它们的辅基通常是黄素核苷酸衍生物（FAD，FMN），因此又称其黄素酶类。产物有过氧化氢生成，后者可以由过氧化氢酶和过氧化物酶作用分解，以消除其毒性。

7.2 过氧化物酶与过氧化氢酶 A 为细胞中的酚类、胺类

例如单加氧酶催化固醇类激素代谢的反应。 7.3 加氧酶 7.4 超氧化物歧化酶（SOD） SOD催化超氧离子自由基的歧化反应。

本章结束

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