第十二章生物氧化

第十二章生物氧化1維持生命活動(dòng)的能量來源光能（太陽能）：植物和某些藻類，通過光合作用將光能轉(zhuǎn)變成生物能?；瘜W(xué)能：動(dòng)物和多數(shù)微生物，通過生物氧化作用將有機(jī)物質(zhì)存儲(chǔ)的化學(xué)能釋放出來，并轉(zhuǎn)變成生物能（ATP傳遞）。2預(yù)習(xí)思考：1、三大營養(yǎng)物質(zhì)（糖類、蛋白質(zhì)、脂肪）在體內(nèi)氧化分解的三個(gè)階段是怎樣的？2、生物體內(nèi)CO2的生成方式是什么？3、生物氧化的特點(diǎn)。第一節(jié)概述3生物氧化的概念：營養(yǎng)物質(zhì)（糖類、蛋白質(zhì)、脂類等）在生物體內(nèi)氧化分解，最終生成H2O和CO2，并釋放能量的過程。（又稱為細(xì)胞呼吸或組織呼吸）三大營養(yǎng)物質(zhì)第一節(jié)概述4線粒體內(nèi)的生物氧化與體外氧化：

共同之處：

1）其氧化過程需要氧。2）相同物質(zhì)徹底氧化耗氧量相等，氧化的終產(chǎn)物都是CO2和水。3）相同物質(zhì)徹底氧化釋放的總能量相等。

1、生物氧化的特點(diǎn)：

5生物氧化

體外氧化

1、條件：體內(nèi)溫和條件下的酶促反應(yīng)。高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿

2、

CO2的生成方式：有機(jī)酸脫羧反應(yīng)。C與O2直接化合3、

H2O的生成方式：底物脫下的氫經(jīng)呼吸鏈傳遞，最后與氧結(jié)合生成H2O。H與O2直接化合。4、能量釋放：逐步，一部分能量以高能磷酸酯鍵的形式儲(chǔ)存起來。

一次性，以光和熱的形式散發(fā)。不同之處：62、生物氧化的過程：7脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（乙酰CoA）共同中間物進(jìn)入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由呼吸鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲(chǔ)存在ATP中。大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位生物氧化的三個(gè)階段8三大營養(yǎng)物質(zhì)在體內(nèi)氧化分解的三個(gè)階段

（生物氧化的三個(gè)階段）：第一階段：三大營養(yǎng)物質(zhì)分解為各自的基本單位；第二階段：各基本單位經(jīng)過不同的反應(yīng)過程生成乙酰CoA；第三階段：三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化。93、CO2的生成方式：生物氧化過程中CO2的生成方式：來源于有機(jī)酸的脫羧基反應(yīng)。根據(jù)脫羧基方式不同可分為：單純脫羧基作用（不伴脫氫）

氧化脫羧基作用（伴有脫氫）根據(jù)脫羧基位置不同可分為：α-脫羧

（α-單純脫羧和α-氧化脫羧）

β-脫羧

（β-單純脫羧和β-氧化脫羧）

104、物質(zhì)的氧化方式：生物氧化的方式：

加氧、脫氫、脫電子主要方式11（一）加氧反應(yīng)物質(zhì)分子中直接加入氧分子或氧原子（包括加單氧和加雙氧）（二）脫氫反應(yīng)物質(zhì)分子中脫去一對(duì)氫原子（生物氧化中最常見的氧化方式）（三）加水脫氫反應(yīng)

（四）脫電子反應(yīng)只有電子得失的反應(yīng)，也是氧化還原反應(yīng)。失電子為氧化，得電子為還原。

12生物體內(nèi)氧化與還原偶聯(lián)進(jìn)行在體內(nèi)氧化還原反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，即一種物質(zhì)被氧化，同時(shí)有另一物質(zhì)被還原。在生物氧化中，將脫氫的物質(zhì)稱為供氫體；脫電子的物質(zhì)稱為供電子體。

13CH4+NADH+H++O2

CH3-OH+NAD++H2O甲烷單加氧酶14琥珀酸延胡索酸琥珀酸脫氫酶15乳酸丙酮酸乳酸脫氫酶16加水脫氫酶催化醛氧化成酸的反應(yīng)即屬于這一類。17參與生物氧化的酶類：

（一）參與線粒體生物氧化體系的酶類

受氫體產(chǎn)物常見的酶類

1．氧化酶類直接以氧H2O細(xì)胞色素氧化酶類（最重要）抗壞血酸氧化酶類

2．需氧脫氫酶類以氧H2O2黃嘌呤氧化酶輔基：FAD、FMND-氨基酸氧化酶等3.不需氧脫氫酶類以氧H2O乳酸脫氫酶輔酶：NAD、NAD琥珀酸脫氫酶FMN、FAD蘋果酸脫氫酶NADH脫氫酶

18?

(二）參與非線粒體氧化體系的酶類

包括：加單氧酶類、過氧化物酶類、

超氧化物歧化酶類等。

19預(yù)習(xí)思考：1、何謂呼吸鏈？2、體內(nèi)重要的兩條呼吸鏈的名稱、順序：3、呼吸鏈中屬于遞氫體和遞電子體的組分各有哪些？4、線粒體外NADH氧化方式有哪兩種穿梭作用？各自最終產(chǎn)生多少ATP？

5、CO與氰化物中毒的生化機(jī)理是什么？第二節(jié)呼吸鏈20一、線粒體線粒體是需氧真核細(xì)胞的動(dòng)力工廠，是ATP的主要生產(chǎn)者。21線粒體的結(jié)構(gòu)外膜內(nèi)膜內(nèi)膜空間基質(zhì)嵴呼吸鏈各組分分布于此22二、呼吸鏈的組成與種類1、呼吸鏈及其組成:23遞氫體和遞電子體在線粒體內(nèi)膜上按一定順序排列而成的反應(yīng)體系。其功能是將營養(yǎng)物質(zhì)氧化釋放的氫和電子傳遞給O2生成H2O。呼吸鏈（電子傳遞鏈）的概念：

24(1)煙酰胺核苷酸類：（輔酶：NAD＋或NADP＋）

NAD＋或NADP＋在呼吸鏈中的作用：傳遞氫和電子.呼吸鏈的組成遞氫體25

NAD＋或NADP＋在呼吸鏈中遞氫和遞電子

H26FMN或FAD在呼吸鏈中的作用：遞氫、遞電子。FMN（或FAD）的遞氫作用

（FMNH2或FADH2）(2)黃素蛋白：（輔基：FMN和FAD）遞氫體2H2H+2e27(3)鐵硫蛋白：

存在于線粒體內(nèi)膜上的一類與傳遞電子有關(guān)的蛋白質(zhì)。輔基：鐵硫簇（Fe－S）Fe－S含有等量的鐵原子和硫原子（Fe2S2Fe4S4），通過其中的鐵原子與鐵硫蛋白中半胱氨酸殘基的巰基硫相連接。一次只可傳遞一個(gè)電子。鐵硫蛋白在呼吸鏈中的作用：傳遞電子。遞電子體28鐵硫蛋白示意圖29氧化型鐵硫蛋白還原型鐵硫蛋白30(4)泛醌（CoQ或Q）是一種黃色脂溶性醌類化合物，它是以游離的形式而不是與蛋白質(zhì)結(jié)合形式存在。（泛醌不是蛋白質(zhì)。）泛醌在呼吸鏈中的作用：遞氫、遞電子。遞氫體312H2H+2eCoQH232(5)細(xì)胞色素（Cyt）：

細(xì)胞色素是細(xì)胞內(nèi)一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類。從高等動(dòng)物細(xì)胞的線粒體內(nèi)膜上至少分離出5種細(xì)胞色素：Cyta、Cyta3、Cytb（b560，b562，b566）、Cytc、Cytc1由于Cyta和Cyta3結(jié)合緊密，很難分開，故將Cyta和Cyta3合稱Cytaa3（細(xì)胞色素氧化酶）。順序：Cytb→Cytc1→

Cytc→Cytaa3→O233細(xì)胞色素在呼吸鏈中的作用：傳遞電子?！f電子體34

細(xì)胞色素C結(jié)構(gòu)示意圖Fe2+Fe3+-e+e35在上述呼吸鏈的主要成分中，在線粒體內(nèi)膜上除泛醌與細(xì)胞色素c以游離形式存在外，其余的成分均以復(fù)合體的形式存在。36呼吸鏈復(fù)合體：①復(fù)合體Ⅰ（NADH脫氫酶）：②復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸脫氫酶）：③復(fù)合體Ⅲ（泛醌-細(xì)胞色素c還原酶）：④復(fù)合體Ⅳ（細(xì)胞色素c氧化酶）：3738二、呼吸鏈的種類及排列順序線粒體中兩條重要的氧化呼吸鏈：NADH氧化呼吸鏈

琥珀酸氧化呼吸鏈（FADH2氧化呼吸鏈）

39呼吸鏈中氫和電子的傳遞順序和方向是根據(jù)各種遞氫體和遞電子體的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位（E0）的測(cè)定而得到的結(jié)論。E0越小，還原性越強(qiáng)，易失去電子，排在呼吸鏈前面。（如NAD+/NADH+H+）E0越大，氧化性越強(qiáng)，易得到電子，排在呼吸鏈后面。（如O2/H2O）404142兩條呼吸鏈的順序

（1）NADH氧化呼吸鏈：

NADH→FMN→Q→Cytb→CytC1→CytC→Cytaa3→O2（2）琥珀酸氧化呼吸鏈（FADH2氧化呼鏈）：琥珀酸→FAD→Q→Cytb→CytC1→CytC→Cytaa3→O2

（Fe-S）（Fe-S）43NADH氧化呼吸鏈中氫和電子的傳遞線粒體中，大多數(shù)代謝物通過NADH氧化呼吸鏈氧化。

CO氰化物44CO與氰化物中毒的生化機(jī)理CO能與還原型Cytaa3的輔基鐵卟啉之Fe2＋結(jié)合，從而阻斷電子從Cytaa3傳遞至O2，導(dǎo)致細(xì)胞窒息死亡。氰化物（CN－）能與氧化型細(xì)胞色素aa3的輔基鐵卟啉之Fe3＋結(jié)合，從而阻斷電子從Cytaa3傳遞至O2，導(dǎo)致細(xì)胞窒息死亡。45琥珀酸氧化呼吸鏈中氫和電子的傳遞琥珀酸、－磷酸甘油、脂酰CoA等代謝物通過FADH2氧化呼吸鏈氧化。

4647第三節(jié)氧化磷酸化思考：1、何謂底物水平磷酸化？何謂氧化磷酸化？2、

ATP的生成方式包括哪兩種？其中以哪種方式為主？3、氧化磷酸化有哪三個(gè)偶聯(lián)部位（即生成ATP的部位）？4、常見的影響呼吸鏈的抑制劑有哪些？

5、常見的解除氧化與磷酸化偶聯(lián)的物質(zhì)（即解偶聯(lián)劑）是什么?6、體內(nèi)常見的高能化合物包括哪些？7、生物體進(jìn)行一切生命活動(dòng)所需能量的直接供體是什么？8、肌肉和腦組織中能量的貯存形式是什么?48高能化合物高能鍵：水解時(shí)釋放的能量＞21KJ/mol的化學(xué)鍵。用“～”符號(hào)表示。如ATP（三磷酸腺苷）分子含2個(gè)高能鍵。P～P～P-A腺苷磷酸14.2KJ/mol30.55KJ/mol49ADP（二磷酸腺苷）分子含1個(gè)高能鍵。P～P-A腺苷磷酸14.2KJ/mol30.55KJ/molT：3D：2M：150AMP（一磷酸腺苷）分子無高能鍵。P-A腺苷磷酸14.2KJ/mol51高能鍵高能磷酸鍵：高能硫酯鍵：～～SP高能磷酸基團(tuán)52高能磷酸化合物：高能硫酯化合物：NDP、NTP、磷酸肌酸、磷酸烯醇式丙酮酸乙酰CoA、脂酰CoA、琥珀酰CoA高能化合物N（核苷）：A、G、C、U53一、ATP的生成體內(nèi)ATP的生成方式:底物水平磷酸化氧化磷酸化主要方式541、底物水平磷酸化：

概念：底物分子因脫氫、脫水反應(yīng)而使能量在分子內(nèi)重新分布，形成高能磷酸基團(tuán)，然后將高能磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP的過程。55底物水平磷酸化的舉例：562、氧化磷酸化：

概念：營養(yǎng)物質(zhì)氧化釋放的電子經(jīng)呼吸鏈傳遞給O2生成H2O，所釋放的自由能推動(dòng)ADP磷酸化生成ATP的過程。57二、氧化磷酸化的機(jī)制581、氧化磷酸化偶聯(lián)的部位（1）磷/氧比值（P/O比值）；通過測(cè)定在氧化磷酸化過程中，氧的消耗與無機(jī)磷酸消耗之間的比例關(guān)系，可以反映底物脫氫氧化與ATP生成之間的比例關(guān)系。

59每消耗1摩爾氧原子所消耗磷的摩爾數(shù)稱為P/O比值。因此，從P/O比值可了解物質(zhì)氧化時(shí)每消耗1摩爾氧原子生成的ATP數(shù)。2摩爾氫原子60經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定得知：代謝物脫下的氫，經(jīng)NADH氧化呼吸鏈氧化，P/O比值約為3（實(shí)際值為2.5）

；代謝物脫下的氫，經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈氧化，P/O比值約為2（實(shí)際值為1.5）

；生成的ATP數(shù)為3（實(shí)際值為2.5）

。生成的ATP數(shù)為2（實(shí)際值為1.5）。61（2）自由能變化：NADH氧化呼吸鏈中有三個(gè)階段即NADH→Q、Cytb→Cytc、

Cytaa3→O2有較大的氧化還原電位差，釋放的自由能分別為52.1、40.5和102.3KJ/mol，均超過合成ATP所需的30.5KJ/mol的自由能，故NADH氧化呼吸鏈在傳遞電子時(shí)，以上三個(gè)階段釋放的自由能均足以推動(dòng)合成一個(gè)ATP。62氧化磷酸化偶聯(lián)部位示意圖P9863氧化磷酸化偶聯(lián)部位示意圖P9864NADH氧化呼吸鏈中氧化磷酸化偶聯(lián)部位（ATP生成部位）：（1）NADH與Q之間；（2）Q與Cytc之間；（3）Cytc與O2之間。琥珀酸氧化呼吸鏈中氧化磷酸化偶聯(lián)部位（ATP生成部位）：（1）Q與Cytc之間；（2）Cytc與O2之間。65回顧：NADH氧化呼吸鏈有3個(gè)生成ATP的部位；琥珀酸氧化呼吸鏈只有2個(gè)生成ATP的部位。代謝物脫下的2H經(jīng)NADH氧化呼吸鏈可產(chǎn)生3（實(shí)際值為2.5）分子ATP；代謝物脫下的2H經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈只產(chǎn)生2（實(shí)際值為1.5）分子ATP。線粒體內(nèi)1分子NADH經(jīng)氧化磷酸化可產(chǎn)生3（實(shí)際值為2.5）分子ATP；線粒體內(nèi)1分子FADH2經(jīng)氧化磷酸化只產(chǎn)生2（實(shí)際值為1.5）分子ATP；662、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制目前公認(rèn)的氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制是1961年由Mitchell提出的化學(xué)滲透學(xué)說。這一學(xué)說認(rèn)為：呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上，當(dāng)氧化反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，呼吸鏈起氫泵作用，H+通過氫泵作用被排斥到內(nèi)膜外側(cè)空間，從而形成跨膜pH梯度和跨膜電位差。67在膜內(nèi)外勢(shì)能差的驅(qū)動(dòng)下，膜外高能質(zhì)子沿著一個(gè)特殊通道（ATP合酶專一質(zhì)子通道），跨膜回到膜內(nèi)側(cè)。質(zhì)子跨膜過程中釋放的能量，直接驅(qū)動(dòng)ADP和磷酸合成ATP68化學(xué)滲透學(xué)假說模型膜內(nèi)外勢(shì)能差質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力內(nèi)膜外側(cè)空間內(nèi)膜ATP合酶專一質(zhì)子通道內(nèi)膜內(nèi)側(cè)691、呼吸鏈抑制劑2、解偶聯(lián)劑3、ADP4、甲狀腺激素5、線粒體DNA三、氧化磷酸化的影響因素70能阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞的藥物或毒物。常見的呼吸鏈抑制劑有：魚藤酮、阿米妥、抗霉素A、CO、氰化物、疊氮化合物和H2S。

1、呼吸鏈抑制劑：71各種呼吸鏈抑制劑對(duì)呼吸鏈的抑制作用722、解偶聯(lián)劑：能夠解除氧化與磷酸化之間偶聯(lián)的物質(zhì)。主要的解偶聯(lián)劑有2,4-二硝基苯酚。感冒或患某些傳染性疾病時(shí)出現(xiàn)體溫升高，部分原因是因?yàn)榧?xì)菌或病毒產(chǎn)生某種解偶聯(lián)劑，影響其氧化磷酸化作用的正常進(jìn)行，導(dǎo)致較多的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿乃隆?3

ADP/ATP↑氧化磷酸化速率↑ADP/ATP↓氧化磷酸化速率↓3、ADP744、甲狀腺激素甲狀腺激素可間接影響氧化磷酸化的速度。其原因是甲狀腺激素可以激活細(xì)胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ADP/ATP比值增加，氧化磷酸化速度加快。由于甲狀腺激素可使ATP的合成和分解都增加，使機(jī)體的耗氧量和產(chǎn)熱量都增加，故甲狀腺亢進(jìn)（甲亢）患者常出現(xiàn)基礎(chǔ)代謝率增高，產(chǎn)熱量也增加的現(xiàn)象，表現(xiàn)為怕熱、易出汗。755、線粒體DNA（mtDNA）線粒體DNA突變會(huì)對(duì)氧化磷酸化產(chǎn)生影響，使ATP合成不足而致病。耗能較多的器官更容易發(fā)生功能障礙，如聾、盲、癡呆、肌無力和糖尿病等。線粒體DNA突變率遠(yuǎn)高于核DNA，原因是：①缺乏蛋白質(zhì)保護(hù)；②缺乏損傷修復(fù)系統(tǒng)。76四、線粒體外NADH的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)

呼吸鏈存在部位：線粒體內(nèi)膜

線粒體內(nèi)生成的NADH在線粒體直接進(jìn)入呼吸鏈氧化，而胞液中生成的NADH不能自由透過線粒體內(nèi)膜，故線粒體外NADH所攜帶的2H必須通過某種轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制才能進(jìn)入線粒體，然后再經(jīng)過呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化過程。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制α－磷酸甘油穿梭作用

蘋果酸－天冬氨酸穿梭作用

77胞液線粒體基質(zhì)輔酶：NAD+輔酶：FAD（α－磷酸甘油穿梭）78胞液中NADH+H+3－磷酸甘油穿梭FADH2線粒體琥珀酸氧化呼吸鏈1.5分子ATP主要在骨骼肌、腦和其他神經(jīng)細(xì)胞中進(jìn)行。79胞液線粒體基質(zhì)80胞液中NADH+H+線粒體NADH氧化呼吸鏈2.5分子ATP蘋果酸－天冬氨酸穿梭NADH+H+主要在心臟、肝臟和腎臟細(xì)胞中進(jìn)行。81ATP的利用ATP是機(jī)體進(jìn)行一切生命活動(dòng)的直接能源。機(jī)體內(nèi)能量的釋放、儲(chǔ)存和利用都以ATP為中心。ATP有“通用貨幣”之稱。82底物水平磷酸化