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 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 磷酸化合物 水解自由能 ΔG（kJ/moL） 磷酸烯醇式丙酮酸（PEP） -61.69 氨基甲酰磷酸 -50.50 乙酰基磷酸 -43.12 磷酸肌酸（CP） 焦磷酸（PPi） -33.49 ATP（→ADP + Pi） -30.56 葡萄糖-1-磷酸（G-1-P） -20.93 葡萄糖-6-磷酸（G-6-P） -13.82 α-磷酸甘油 -9.21 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   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 2. 氧化磷酸化 (oxydative phosphorylation ) 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 复合物 酶名称 亚 基 辅 基 Ⅰ NADH-Q还原酶 39 FMN，FeS Ⅱ 辅 基 Ⅰ NADH-Q还原酶 39 FMN，FeS Ⅱ 琥珀酸-Q还原酶 4 FAD，FeS， 铁卟啉 Ⅲ Q-细胞色素c还原酶 10 铁卟啉，FeS Ⅳ 细胞色素c氧化酶 13 铁卟啉，Cu2+

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）

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

(I) (II) (III) (IV) 电子在呼吸链中的传递方式

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

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。

电子的传递方向和释放的能量可能推动形成ATP的部位 -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。

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

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） 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 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

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

本章结束