生物氧化新書

1、1 主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容 概述概述 線粒體氧化體系線粒體氧化體系 生物氧化與能量代生物氧化與能量代 謝謝 非線粒體氧化體系非線粒體氧化體系 2 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 一、生物氧化概念一、生物氧化概念 H2O+CO2+能量能量 生物體內(nèi)生物體內(nèi) 營養(yǎng)物營養(yǎng)物 （糖、脂、蛋白質(zhì)）（糖、脂、蛋白質(zhì)） O 意義意義： 提供各種生命活動所需能量提供各種生命活動所需能量, 及及 維持體溫。維持體溫。 3 二、生物氧化的特點(diǎn)二、生物氧化的特點(diǎn) 生物氧化生物氧化 體外燃燒體外燃燒 溫和環(huán)境（溫和環(huán)境（3737C C近近中性）中性） 條件劇烈，高溫、高壓條件劇烈，高溫、高壓 需需酶催化酶催化 不需酶催化不需

2、酶催化 C CO O2 2是是有機(jī)酸脫羧生成有機(jī)酸脫羧生成的的 碳和氧直接化合生成碳和氧直接化合生成COCO2 2 有機(jī)物脫下的氫有機(jī)物脫下的氫, ,經(jīng)呼吸鏈生成經(jīng)呼吸鏈生成H H2 2O O 氫和氧直接反應(yīng)形成氫和氧直接反應(yīng)形成H H2 2O O 逐步釋放能量逐步釋放能量并形成并形成ATP ATP 能量以光和熱形式驟然放出能量以光和熱形式驟然放出 4 糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 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 呼吸鏈呼吸鏈 ADP+Pi ATP * 生物氧化的一般過程 5 三、三、 生物氧化的方式生物氧化的方式 （一）（一） CO2的生成的生

3、成 (體內(nèi)體內(nèi)CO2是有機(jī)酸在酶的催化下脫羧產(chǎn)生是有機(jī)酸在酶的催化下脫羧產(chǎn)生 的的) COOH R-CH-NH2 R-CH2-NH2 + CO2 氨基酸脫羧酶氨基酸脫羧酶 -氨基酸氨基酸 胺胺 1. -單純脫羧單純脫羧 6 H3C-C-COOH + HSCoA O= H3C-C-SCoA + CO2 O= NAD+NADH + H+ 丙酮酸脫氫酶系丙酮酸脫氫酶系 丙酮酸丙酮酸 乙酰乙酰CoA 2. 2. 氧化脫羧氧化脫羧 7 HOOCCH2-C-COOH O= H3C-C-COOH + CO2 O= 丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶 草酰乙酸脫羧酶草酰乙酸脫羧酶 草酰乙酸草酰乙酸 丙酮酸丙酮酸 3.

4、單純脫羧單純脫羧 8 4. 氧化脫羧氧化脫羧 HOOCCH2-CH-COOHH3C-C-COOH + CO2 O= OH 蘋果酸酶蘋果酸酶 NADP+NADPH + H+ 蘋果酸蘋果酸 丙酮酸丙酮酸 9 （二）（二） H20的生成的生成 代謝物（代謝物（AH2） 2H 2H (酶與輔酶酶與輔酶) 一系列中間傳遞體一系列中間傳遞體 O2 H2O 10 第二節(jié)第二節(jié) 線粒體氧化體系線粒體氧化體系 一、一、 呼吸鏈呼吸鏈 是定位在線粒體是定位在線粒體 內(nèi)膜上內(nèi)膜上的一組排列有的一組排列有 序的遞氫體和遞電子序的遞氫體和遞電子 體體(酶與輔酶酶與輔酶)構(gòu)成的構(gòu)成的 鏈狀傳遞體系鏈狀傳遞體系, 也稱也稱

5、 電子傳遞鏈電子傳遞鏈。 （respiratory chain） 11 (一一) 呼吸鏈主要成員及其作用呼吸鏈主要成員及其作用 煙酰胺脫氫酶類煙酰胺脫氫酶類及其輔酶（及其輔酶（NAD+、NADP+） 黃素蛋白類黃素蛋白類及其輔基及其輔基 （FMN、FAD） 鐵硫蛋白（鐵硫蛋白（Fe-S） 泛醌（泛醌（Q，CoQ） 細(xì)胞色素類（細(xì)胞色素類（Cyt.） 12 1. 煙酰胺脫氫酶類煙酰胺脫氫酶類 NAD+煙酰胺腺嘌呤二核苷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (1) 輔酶輔酶 NADP+煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 （不參與呼吸鏈）（不參與呼吸鏈） (2) 作用作用: 遞氫體遞氫體 13 呼吸

6、鏈呼吸鏈 2H + NAD+ NADH + H+ 傳遞給傳遞給 FMN NADPH+ H+ 不直接與呼吸鏈偶聯(lián)，參與物質(zhì)還原不直接與呼吸鏈偶聯(lián)，參與物質(zhì)還原 (3) 遞氫機(jī)理遞氫機(jī)理 遞氫部位遞氫部位 吡啶環(huán)吡啶環(huán) 14 2. 黃素蛋白酶類黃素蛋白酶類 (Flavoprotein, FP) FMN-黃素單核苷酸黃素單核苷酸 在呼吸鏈中在呼吸鏈中, FMN作為作為NADH脫氫酶脫氫酶的輔基的輔基; (1) 輔基輔基 FAD-黃素腺嘌呤二核苷酸黃素腺嘌呤二核苷酸 作為作為琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶的輔基的輔基; (2) 作用作用: 遞氫體遞氫體 （FP1） (FP2) 15 （3）遞氫機(jī)理）遞氫機(jī)理

7、 功能部位功能部位 異咯嗪環(huán)的異咯嗪環(huán)的N1和和N10 NADH + H+ FMNH2 均可傳遞給均可傳遞給COQ 琥珀酸脫氫琥珀酸脫氫 FADH2 呼吸鏈呼吸鏈 （Fe-S） 1 10 16 17 無機(jī)硫無機(jī)硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫 3.3. 鐵硫蛋白類鐵硫蛋白類 18 CH2-S Fe SFe S Fe SFe S CH2-S S-CH2 S-CH2 常見鐵硫族常見鐵硫族: Fe4-S4 或或 Fe2-S2 鐵硫中心：鐵硫中心： 19 FMN (Fe-S) (1) 存在形式存在形式 FAD (Fe-S).b (2) 作用作用: 遞電子體遞電子體 (3) 遞電子機(jī)理遞電子機(jī)理 Fe3+ Fe2

8、+ and Cyt.b. C1 (Fe-S) 等復(fù)合物形式等復(fù)合物形式 e e 在呼吸鏈中：在呼吸鏈中： 20 4. 泛醌（泛醌（ CoQ10 , Q10） (1) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 醌類化合物，由多個異戊二烯連接醌類化合物，由多個異戊二烯連接 形成較長的疏水側(cè)鏈（人形成較長的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），）， (2) 作用作用: 遞氫體遞氫體 21 (3) 遞氫機(jī)理遞氫機(jī)理 FMNH2 CoQ2H 2e 2H+ 傳遞給其后的傳遞給其后的 一系列一系列遞電子體遞電子體 在呼吸鏈中在呼吸鏈中 （Fe-S） FADH2 （Fe-S） 22 5. 細(xì)胞色素類細(xì)胞色素類( Cytochromes, Cyt. )

9、是位于線粒體內(nèi)的一類電子傳遞體，是位于線粒體內(nèi)的一類電子傳遞體， 其輔基為鐵卟啉，有特殊的吸收光譜，故其輔基為鐵卟啉，有特殊的吸收光譜，故 命名細(xì)胞色素。命名細(xì)胞色素。 (1) 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) （以細(xì)胞色素（以細(xì)胞色素C為例）為例） 23 N NN N Fe3+ H3C- -CH3 -CH-CH3 H3C CH2 CH2 COO- CH2 CH2 COO- 細(xì)細(xì) 胞胞 色色 素素 c H3C- Cys S H3C-CH Cys S 多肽鏈多肽鏈 蛋白質(zhì)部分蛋白質(zhì)部分 鐵卟啉鐵卟啉 24 Cyt. 主要類型主要類型 根據(jù)吸收光譜特征，根據(jù)吸收光譜特征，Cyt.類分為類分為a、b和和c三大類：三

10、大類： * Cyt.b、c1、c、a和和a3 存在于存在于線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜, 作為作為呼吸鏈成員；呼吸鏈成員； Cyt.b5和和Cyt.p450 主要存在于肝細(xì)胞主要存在于肝細(xì)胞微粒體微粒體， 參與參與生物轉(zhuǎn)化生物轉(zhuǎn)化。 25 (2) 作用作用 遞電子體遞電子體 (3) 遞電子機(jī)理遞電子機(jī)理 Fe3+ Fe2+ e e (4) 遞電子順序遞電子順序( E0值小值小大大 ) Cyt.b c1 c a a3 O2 26 在呼吸鏈中細(xì)胞色素類遞電子順序在呼吸鏈中細(xì)胞色素類遞電子順序 2Fe2+ 2Fe3+ 2Fe3+ 2Fe2+2Fe3+ 2Fe2+2Fe3+ 2Fe2+ O2 O2- H2O

11、2e 2e 2e 2e 2e bc1 c a.a3 CoQ2H 2H+- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2e 2H+ 27 Cyt b、 c1、 c 、 a 、 Cyt a3 不能與不能與O2、 CO和和CN-等結(jié)合，等結(jié)合， 可與可與O2 結(jié)合結(jié)合 也可與也可與CO和和CN結(jié)合結(jié)合 使呼吸鏈中斷使呼吸鏈中斷 Cyt aa3： Cyt a與與a3不易分開，常寫在一起不易分開，常寫在一起 Cyt aa3 : 通過與通過與氧結(jié)合氧結(jié)合，可將電子直接傳遞給氧，可將電子直接傳遞給氧， Cyt a3 被稱為被稱為細(xì)胞色素氧化酶。細(xì)胞色素氧化酶。 28

12、 復(fù)合體復(fù)合體 還原型還原型Cyt c O2 CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB形成的活性部位將電子交給形成的活性部位將電子交給O2。 29 呼吸鏈各成分在線粒體內(nèi)膜上的分布與定位呼吸鏈各成分在線粒體內(nèi)膜上的分布與定位 復(fù)合體復(fù)合體 NADH脫氫酶脫氫酶 復(fù)合體復(fù)合體 琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶 復(fù)合體復(fù)合體 泛醌泛醌CytC還原酶還原酶 復(fù)合體復(fù)合體 細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶 FMN (Fe-S) a. a3 Cyt. b. (Fe-S).c1 FAD (Fe - S) CoQ游離存在，游離存在，CytC 與線粒體內(nèi)膜疏松結(jié)合易分離，與線粒體內(nèi)膜疏松結(jié)合易分離， 故二者包

13、含在上述復(fù)合體中。故二者包含在上述復(fù)合體中。 30 二、二、 體內(nèi)重要呼吸鏈的排列順序體內(nèi)重要呼吸鏈的排列順序 1.1.NADH+HNADH+H+ +氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈 ( (組成成員組成成員, ,排列順序排列順序, ,產(chǎn)生產(chǎn)生ATPATP數(shù)數(shù)) ) 2. 2. F FADHADH2 2氧化（或稱琥珀酸氧化）呼吸鏈氧化（或稱琥珀酸氧化）呼吸鏈 (組成成員組成成員, 排列順序排列順序, 產(chǎn)生產(chǎn)生ATP數(shù)數(shù)) 31 呼吸鏈的排列順序由以下實(shí)驗(yàn)確定：呼吸鏈的排列順序由以下實(shí)驗(yàn)確定： 標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位（標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位（E0） 低低（易失電子）（易失電子） 高高 拆開和重組拆開和重組 還原狀態(tài)呼吸鏈

14、緩慢給氧還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧 特異抑制劑阻斷特異抑制劑阻斷 32 1、 NADH+H+氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈 NADH FMN CoQ Cyt.bc FMN CoQ Cyt.bc1 1 c a.a c a.a3 3 O O2 2 +H +H+ + (Fe-S) (Fe-S) (Fe-S) (Cu2+) 組成成員組成成員 排列順序排列順序 產(chǎn)生產(chǎn)生ATP: 2.5分子分子 33 2、 FADH2氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈 FAD H2 CoQ Cyt.bc1 c a.a3 O2 (Fe-S) (Fe-S) (Cu2+) 組成成員組成成員 排列順序排列順序 產(chǎn)生產(chǎn)生ATP： 1.5分子分子 34 NAD

15、H氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈 FADH2氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈 體內(nèi)兩條重要呼吸鏈的相互聯(lián)系體內(nèi)兩條重要呼吸鏈的相互聯(lián)系 35 CH2OH C=O CH2O- P 磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮 CH2OH CHOH CH2O- P 甘油甘油-3-磷酸磷酸 NADH+H+ NAD+ QH2 Q 1/2O2 H2O 2P FAD Fe-S 線線 粒粒 體體 內(nèi)內(nèi) 膜膜 基質(zhì)基質(zhì) 胞質(zhì)胞質(zhì) 甘油甘油-3-磷磷 酸脫氫酶酸脫氫酶 甘油甘油-3-磷酸穿梭磷酸穿梭 （肌肉、腦） 三、三、 胞質(zhì)中胞質(zhì)中NADHH+的氧化的氧化 36 蘋果酸天冬氨酸穿梭蘋果酸天冬氨酸穿梭（心肌、肝）（心肌、肝） 蘋果酸脫氫酶 蘋果酸脫氫

16、酶 37 小結(jié)小結(jié)（胞質(zhì)中（胞質(zhì)中NADHH+的氧化）的氧化） 胞液胞液NADH+H+ 線粒體線粒體FADH2 產(chǎn)生產(chǎn)生1.5分子分子ATP 2. 蘋果酸蘋果酸-天冬氨酸天冬氨酸穿梭作用穿梭作用 胞液胞液NADH+H+ 線粒體線粒體NADH+H+ 產(chǎn)生產(chǎn)生2.5分子分子ATP 呼吸鏈呼吸鏈 呼吸鏈呼吸鏈 1. 甘油甘油-3-磷酸磷酸穿梭作用穿梭作用 38 第三節(jié)第三節(jié) 生物氧化與能量代謝生物氧化與能量代謝 約約60%以熱能形式散失以熱能形式散失 糖糖 維持體溫；維持體溫； 脂類脂類 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 約約40%以化學(xué)能形式形以化學(xué)能形式形 成成高能化合物高能化合物（ATP)， 以驅(qū)動各種生命活動。

17、以驅(qū)動各種生命活動。 * 高能化合物高能化合物 （21kJ/mol） o 能量能量 39 一一. 高能化合物的種類高能化合物的種類 通式通式 舉例舉例 釋放能量釋放能量（PH7.0, 25） ( kJ/mol (kcal/mol ) 高能鍵符號：高能鍵符號： “ ” 40 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 41 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 ADPATP 3-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 ADP ATP 丙酮酸丙酮酸 丙酮酸激酶丙酮酸激酶 3. 琥珀酸單酰琥珀酸單酰CoA 琥珀酸琥珀

18、酸 + CoASH GDP H3PO4 GTP ADP ATP 糖的氧化分解過程中三次底物水平磷酸化糖的氧化分解過程中三次底物水平磷酸化 琥珀酰CoA合成酶 42 （二）（二） 氧化磷酸化氧化磷酸化 1. 氧化磷酸化及其偶聯(lián)氧化磷酸化及其偶聯(lián) 43 2. 氧化磷酸化的偶聯(lián)部位氧化磷酸化的偶聯(lián)部位 （1 1） 磷氧（磷氧（P/OP/O）比比值值 每消耗每消耗1摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷摩爾數(shù)，摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷摩爾數(shù)， 即合成即合成ATP的摩爾數(shù)。的摩爾數(shù)。 通過加入不同底物，分別測定通過加入不同底物，分別測定P/O比值，比值， 推測推測ATP生成數(shù)（偶聯(lián)部位）。生成數(shù)（偶聯(lián)部位）。 44

19、呼吸鏈形成呼吸鏈形成ATP的偶聯(lián)部位的偶聯(lián)部位 NADH氧化呼吸鏈：氧化呼吸鏈： P/O 2.5， 有有3個偶聯(lián)部位，個偶聯(lián)部位， 生成生成2.5分子分子ATP； FADH2氧化呼吸鏈：氧化呼吸鏈： P/O 1.5， 有有2個偶聯(lián)部位，個偶聯(lián)部位， 生成生成1.5分子分子ATP。 蘋果酸蘋果酸 抗壞血酸抗壞血酸 45 NADH FMN CoQ Cytb c1c aa3 O2 (Fe-S) FADH2 (Fe-S) 52.1 kj/mol 40.5 kj/mol 102.3 kj/mol （2 2） 自由能變化自由能變化 呼吸鏈偶聯(lián)部位：呼吸鏈偶聯(lián)部位： NAD+ CoQ ; Cyt.b c ;

20、 Cyta.a3O2 46 三、影響氧化磷酸化的因素三、影響氧化磷酸化的因素 抑制劑抑制劑 ADP的調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié) 甲狀腺激素的調(diào)節(jié)甲狀腺激素的調(diào)節(jié) 線粒體線粒體DNA突變突變 47 （一）抑制劑（一）抑制劑 1. 呼吸鏈抑制劑呼吸鏈抑制劑 FAD.H2 (Fe-S) NADH FMN CoQ Cyt.b C1 C aa3 O2 (Fe-S) 阿米妥阿米妥 魚藤酮魚藤酮 (-) (-)(-) 抗霉素抗霉素A CN- CO 48 2. 解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑 二硝基苯酚（二硝基苯酚（DNP） DNP 解除氧化與磷酸化的偶聯(lián)作用解除氧化與磷酸化的偶聯(lián)作用 耗耗O2量量、 耗耗Pi 量量 P/O 比值比值 A

21、TP生成生成 解偶聯(lián)解偶聯(lián) 49 （二）（二）ADP的調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié) 1） 運(yùn)動時：運(yùn)動時：ADP/ATP 氧化磷酸化氧化磷酸化 2）休息時：）休息時：ADP/ATP 氧化磷酸化氧化磷酸化 （三）甲狀腺激素的調(diào)節(jié)（三）甲狀腺激素的調(diào)節(jié) 氧化磷酸化氧化磷酸化 耗耗O O2 2 量 量 ADP + Pi ADP + Pi 產(chǎn)熱量產(chǎn)熱量 NaNa+ +-K-K+ +-ATPase-ATPase （分解）分解） ATPATP ATPATP生成生成 (+) T3 / T4 50 （四）線粒體（四）線粒體DNA突變突變 mt DNA編碼呼吸鏈復(fù)合體的部分多肽鏈及蛋白質(zhì)編碼呼吸鏈復(fù)合體的部分多肽鏈及蛋白質(zhì) mt

22、DNA突變突變影響氧化磷酸化影響氧化磷酸化 ATP生成減少生成減少 發(fā)生多種疾病發(fā)生多種疾病 51 四、四、ATP利用、轉(zhuǎn)移和儲存利用、轉(zhuǎn)移和儲存 ATP + H2O ADP + Pi + 30.5 Kj （一）（一） ATP的利用的利用 52 代謝物代謝物 分分 解解 氧氧 化化 CO2 H2O 能能 熱能（散發(fā)熱能（散發(fā)） 化學(xué)能化學(xué)能 （儲能）（儲能） ATP ADP Pi C CP + 能能 機(jī)械能（肌肉收縮）機(jī)械能（肌肉收縮） 化學(xué)能（合成代謝）化學(xué)能（合成代謝） 滲透能（吸收分泌）滲透能（吸收分泌） 電能（神經(jīng)傳導(dǎo)生物電）電能（神經(jīng)傳導(dǎo)生物電） 熱能（維持體溫）等熱能（維持體溫）等

23、 ATP為直接供能者為直接供能者 53 （二）（二）ATP分子中高能鍵的轉(zhuǎn)移分子中高能鍵的轉(zhuǎn)移 ATP + UDP CDP GDP ADP + UTP（參與糖原合成）參與糖原合成） CTP（參與磷脂合成）參與磷脂合成） GTP（參與蛋白質(zhì)合成）參與蛋白質(zhì)合成） 54 （三）磷酸肌酸是能量儲存形式（三）磷酸肌酸是能量儲存形式 H2N+ C-NH2 H3C-N CH2 COO- H2N+ H O C-NP-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） （儲能形式）（儲能形式） 55 第五節(jié)第五節(jié) 非線粒體氧化體系非線粒體氧化體系

24、RH + ORH + O2 2 + NADPH + H + NADPH + H+ + ROH + NADPROH + NADP+ + + H + H2 2O O 羥化酶羥化酶（加單氧酶系加單氧酶系） 一、微粒體氧化酶系一、微粒體氧化酶系 CytPCytP450 450 （混合功能氧化酶）（混合功能氧化酶）（藥物藥物） 56 二、過氧化物酶體氧化酶類二、過氧化物酶體氧化酶類 （一）過氧化氫酶（一）過氧化氫酶（catalase, CAT，又稱觸酶又稱觸酶） 2H2O2 2H2O + O2 （二）過氧化物酶（二）過氧化物酶（peroxidase, POD） Ar-OH R-HO + H2O2 R-C

25、OOH + 2H2O + NH3 R-NH2 57 谷胱甘肽過氧化物酶（谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px） （催化的反應(yīng)）催化的反應(yīng)） H2O2 +2GSH GSSG + 2H2O ROOH + GSH ROH + H2O + GSSG 58 三、超氧化物歧化酶三、超氧化物歧化酶（SOD） SOD類型類型： 胞質(zhì)胞質(zhì) Cu.Zn-SOD； 線粒體線粒體 Mn-SOD 2 O2- + 2H H2O2 + O2 CAT 2H2O + O2 SOD 59 糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 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 呼吸鏈呼吸鏈 ADP+Pi ATP * 生物氧化的一般過程 60 （二）（二） H20的生成的生成 代謝物（代謝物（AH2） 2H 2H (酶與輔酶酶與輔酶) 一系列中間傳遞體一系列中間傳遞體 O2 H2O 61 (一一) 呼吸鏈主要成員及其作用呼吸鏈主要成員及其作