第24章生物氧化

第二十四章生物氧化維持生命活動的能量來源光能（太陽能）：植物和某些藻類，通過光合作用將光能轉變成生物能。化學能：動物和多數微生物，通過生物氧化作用將有機物質存儲的化學能釋放出來，并轉變成生物能（ATP傳遞）。ATP生成形式光和磷酸化非氧化磷酸化氧化磷酸化（呼吸鏈氧化磷酸化底物氧化磷酸化）生物氧化（biologicaloxidation）有機物質在生物體內的氧化作用在組織細胞中進行通常需要消耗氧，生成CO2呼吸作用有機物質最終被氧化成CO2和水釋放出能量（呼吸鏈氧化磷酸化,底物氧化磷酸化）脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環電子傳遞（氧化）蛋白質脂肪酸、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物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中間物進入三羧酸循環,氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成基本結構單位

生物體內能量產生的三個階段生物氧化的特點1、酶促氧化過程、反應條件溫和2、氧化與還原相偶聯3、質子和電子由載體傳遞到氧生成水4、分步進行：有利于提高能量利用率5、氧化磷酸化源于有機酸的脫羧作用（α、β-脫羧）α單純脫羧：有機酸不經氧化作用α氨基酸

胺+CO2

脫羧酶生物氧化中CO2的生成方式氧化脫羧基作用：同時發生氧化/脫氫作用丙酮酸CO2+NADH+H+氧化脫羧酶系α氧化脫羧β-單純脫羧草酰乙酸磷酸烯醇丙酮酸β-氧化脫羧③異檸檬酸氧化形成α酮戊二酸OxidationofIsocitratetoα-KetoglutarateandCO2

2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)烯醇化酶生物氧化中水的生成方式底物脫水

（1）代謝脫下的成對氫原子（2H）通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應逐步傳遞，最終與氧結合生成水，在此過程中有ATP的產生（狹義的生物氧化）；（2）酶和輔酶按一定順序排列在線粒體內膜；傳遞氫的酶和輔酶——遞氫體傳遞電子的酶和輔酶——遞電子體（3）此過程與細胞呼吸有關，此傳遞鏈稱為呼吸鏈。遞氫體、遞電子體都起傳遞電子的作用，又稱電子傳遞體。由呼吸鏈生成水氧化反應類型脫氫生物氧化中，脫氫反應占有重要地位它是許多有機物質生物氧化的重要步驟催化脫氫反應的是各種類型的脫氫酶。琥珀酸脫氫乳酸脫氫酶加水脫氫加水脫氫方式為代謝物提供了更多的脫氫機會，使生物獲取更多的能量。C6H12O6脫6次每2個氫原子氧化成水生成2.5分子ATP

包括：加氧酶催化的加氧反應氧化酶催化的生成水的反應加氧酶催化氧分子直接加入到有機分子中如：甲烷單加氧酶

CH4+NADH+H++O2

CH3-OH+NAD++H2O氧化酶主要催化以氧分子為電子受體的氧化反應，反應產物為水脫氫反應中產生的氫質子和電子，最后以這種形式進行氧化。氧直接參加的氧化反應只有電子得失的反應，也是氧化還原反應1、脫氫酶使代謝物的氫活化、脫落，傳遞給受氫體或中間傳遞體根據脫氫酶所含輔助因子的不同分為：（1）以黃素核苷酸為輔助因子的～（又稱為黃素酶）氧化態FAM/FAD：黃色，450nm處吸收峰還原態FAMH2/FADH2：無色參與生物氧化的酶類代謝物-2HFMNH2O2FAD代謝物FMNH2O2FADH22H2H需氧黃素酶代謝物-2HFMN傳遞體-2H1/2O2

FAD代謝物FMNH2傳遞體H2O

FADH22H2H2H不需氧黃素酶（2）以煙酰胺核苷酸為輔助因子的～NAD（CoⅠ）、NADP（CoⅡ）煙酰胺腺嘌呤二核苷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸代謝物-2HNAD+傳遞體-2H1/2O2

NADP+代謝物NADH+H+傳遞體H2O

NADPH+H+2H2H2H2、氧化酶：以氧為直接受氫體，一般含Cu3、加氧酶：催化加氧反應4、傳遞體：傳遞H或電子遞氫體、遞電子體

不能使底物脫氫，也不能使氧活化。生物氧化過程是一系列的氧化還原反應，且是放能的氧化還原反應。一、氧化—還原電勢鋅片溶解Zn2+進入溶液銅沉積Cu2+得電子e提供電子（還原劑）負極得到電子（氧化劑）正極ε0=E0正極—E0負極

電動勢=正負極電極勢之差氧化還原反應中，失去電子的物質稱為還原劑，得到電子的物質稱為氧化劑。還原劑失去電子的傾向（或氧化劑得到電子的傾向）的大小，則稱為氧化還原電勢。將任何一對氧化還原物質的氧化還原對連在一起，都有氧化還原電位的產生。如果將氧化還原物質與標準氫電極組成原電池，即可測出氧化還原電勢。標準氧還原電勢用E°表示。E°值愈大，獲得電子的傾向愈大；E°愈小，失去電子的傾向愈大NADH+H++1/2O2====NAD++H2O

正極反應：1/2O2+2H++2e

H2O

E+°′

0.82負極反應：NAD++H++2eNADH

E-°′-0.3

線粒體脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環電子傳遞（氧化）蛋白質脂肪酸、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物（如丙酮酸、乙酰CoA等）

共同中間產物進入三羧酸循環,氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成基本結構單位生物氧化的三個階段氧化磷酸化的P/O比

磷氧比（P／O）是指一對電子通過呼吸鏈傳遞到氧所產生ATP的分子數。但是,近年來很多實驗結果都證明，以NADH作為電子供體時，測得的P/O比值大于2,所以P/O比值不一定是整數。例如，-羥丁酸經過NADH途徑的P/O比值為2.4－2.6，產生的ATP數目為2.5；而琥珀酸經過FADH2的P/O比值為1.7，產生的ATP數目為1.5。

目前被廣泛接受的觀點是：ATP、ADP和無機磷酸通過線粒體內膜的轉運是由ATP-ADP載體和磷酸轉位酶催化的。已知每合成1個ATP需要3個質子通過ATP合酶。與此同時，把一個ATP分子從線粒體基質轉運到胞液需要消耗1個質子，所以每形成1個分子的ATP就需要4個質子的流動。因此，如果一對電子通過NADH電子傳遞鏈可泵出10個質子，則可形成2.5個分子ATP；如果一對電子通過FADH2電子傳遞鏈有6個質子泵出，則可形成1.5個ATP分子。~10protonsarepumpedperNADH,and~6perFADH2oxidizedviatherespiratorychain.

二、電子傳遞和氧化呼吸鏈（一）電子傳遞過程按照電子的親和力遞增的順序傳遞電子的傳遞僅發生在相鄰傳遞體之間（二）呼吸鏈由供氫體、傳遞體、受氫體以及相應的酶催化系統組成的代謝途徑一般稱為生物氧化還原鏈，當受氫體是氧時，稱為呼吸鏈。（三）電子傳遞鏈原核生物由于沒有線粒體，所以電子的傳遞是在細胞膜上進行的。對于真核生物而言，電子傳遞鏈定位于線粒體內膜上，由一些氫傳遞體和電子傳遞體組成。電子傳遞鏈主要由4個部分組成，分別命名為復合體Ⅰ、復合體Ⅱ、復合體Ⅲ、復合體Ⅳ（四）電子傳遞鏈的組成成分

NADH-Q還原酶（NADH脫氫酶、復合體Ⅰ）電子傳遞：NADHFMNFe-SCoQ復合體Ⅰ的主要成分是NADH-Q還原酶，又叫NADH脫氫酶復合體。該酶以FMN和鐵硫簇（Fe-S)為輔基，接受NADH上的氫后，FMN還原成FMNH2，FMNH2將電子交給鐵硫中心，最后交給CoQ。CoQ也稱泛醌，簡寫Q，并不參與呼吸鏈上復合體的形成，卻是電子傳遞鏈的重要成員，其化學結構為一種脂溶性醌類化合物，由于它的脂溶性特點，在線粒體內膜上可以從復合體Ⅰ擴散到復合體Ⅲ，通過自身的氧化還原態在兩個復合體之間傳遞質子和電子鐵硫蛋白（Fe-S）

（非血紅素蛋白）與電子傳遞有關與其他遞氫體或電子傳遞體結合成復合物存在通過Fe3+

Fe2+變化起傳遞電子的作用輔酶Q

（CoQ、Q、泛醌）CoQ也稱泛醌，簡寫Q，并不參與呼吸鏈上復合體的形成，卻是電子傳遞鏈的重要成員，其化學結構為一種脂溶性醌類化合物，由于它的脂溶性特點，在線粒體內膜上可以從復合體Ⅰ擴散到復合體Ⅲ，通過自身的氧化還原態在兩個復合體之間傳遞質子和電子它在傳遞電子的同時還起著一個質子泵的作用，將質子泵到膜間隙中，質子泵由電子傳遞時釋放的自由能所驅動（四）電子傳遞鏈的組成成分琥珀酸—Q還原酶（復合體Ⅱ）嵌在線粒體內膜（包括琥珀酸脫氫酶）電子傳遞：FADH2Fe-SCoQ復合體Ⅱ又叫琥珀酸-Q還原酶或琥珀酸脫氫酶復合體，包含4個不同亞基，除含有琥珀酸脫氫酶外，還包含3個鐵硫蛋白。輔基是FAD，FAD接琥珀酸上脫下的氫，然后將電子傳給鐵硫簇，再交給CoQ，從而進入電子傳遞鏈Ubiquinone(Q)acceptselectronsfrombothNADHandFADH2intherespiratorychain（四）電子傳遞鏈的組成成分細胞色素還原酶（復合體Ⅲ）

cytochrome,Cyt

是含鐵的Pr

以血紅素為輔基電子傳遞蛋白還原型Cyt有光譜吸收現象（分為a、b、c三類）通過Fe3+

Fe2+互變起傳遞電子的作用把還原型CoQ上的電子轉移給細胞色素c。它含有兩個b型細胞色素和一個細胞色素c1，還有一個鐵硫簇CoQcytbFe-Scytc1cytc復合體ⅢReducedcytochromeshasthreeabsorptionbandsinthevisiblewavelengthsCyta:~600nmCytb:~560nmCytc:~550nm還原型CoQ上的電子轉移給細胞色素c。細胞色素c是膜間隙中的一個水溶性蛋白。從復合體Ⅲ接受一個電子后，細胞色素c移動到復合體Ⅳ，將電子交給其中的銅原子，完成電子轉移。（四）電子傳遞鏈的組成成分

細胞色素氧化酶（Cytc氧化酶、復合體Ⅳ）位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復合物活性部分主要包括cyta和a3催化4個電子將氧分子還原為水。復合體Ⅳ是由6-13個不同亞基組成的跨膜蛋白復合體。其中，亞基Ⅱ包含兩個銅離子，亞基Ⅱ上的銅稱為CuA。亞基Ⅰ上的銅離子稱為CuB，Cyta3和CuB形成了一個雙核中心。這個雙核中心的作用是接受血紅素a上傳遞來的電子，并將電子傳遞給結合在Cyta3上的氧分子。（五）電子傳遞抑制劑——阻斷呼吸鏈中某部位電子傳遞的物質；氧化作用受阻、能量釋放減少魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素阻斷電子由NADH向CoQ的傳遞；抗霉素A抑制電子從Cytb到Cytc1的傳遞；氰化物、疊氮化物、CO等阻斷電子由Cytaa3傳遞到氧1、魚藤酮等阻斷從NADH向CoQ的傳遞

魚藤酮（rotenone）、安密妥（amytal）、殺粉蝶菌素（piericidine）等。它們的作用是抑制復合物I，阻斷電子由NADH向CoQ的傳遞，但不影響FADH2到CoQ的氫傳遞。魚藤酮是一種極毒的植物毒素，常用作殺蟲劑。2、抗霉素A阻斷復合物III的電子傳遞抗霉素A（antimycinA），它是從灰色鏈球菌分離出的一種抗生素，抑制復合物Ⅲ的電子傳遞，即阻斷細胞色素還原酶中電子的傳遞，從而抑制了電子從還原型的CoQ（QH2）到細胞色素c1的傳遞。3、氰化物、疊氮化物、CO、H2S

阻斷復合物IV向O2的傳遞

氰化物（cyanide,CN－）、疊氮化物（azide,N3－）、一氧化碳（carbonmonoxide,CO）和硫化氫(hydrogensulphide)，這些抑制劑均能阻斷電子在細胞色素氧化酶的傳遞，即阻斷細胞色素aa3至O2的電子傳遞，其中氰化物（CN－）和疊氮化物（N3－）能與血紅素a3的高鐵形式（ferricform）作用而形成復合物,而一氧化碳（CO）則抑制血紅素a3的亞鐵形式（ferrousform）。三、氧化磷酸化作用代謝物的氧化（脫氫）作用與ADP的磷酸化反應偶聯生成ATP的過程。部位：線粒體內膜（真核）胞漿膜（原核細胞）數目、形狀因細胞而異

代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用于合成ATP（即ADP+Pi→ATP）,這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯的過程稱氧化磷酸化。類別：

底物水平磷酸化電子傳遞水平磷酸化ADP+PiATP+H2O生物氧化過程中釋放出的自由能底物水平磷酸化：代謝物通過氧化形成的高能磷酸化合物直接將磷酸基團轉移給ADP，使之磷酸化生成ATP。氧化磷酸化：NADH或FADH2將電子傳遞給O2的過程與ADP的磷酸化相偶聯，使電子傳遞過程中釋放出的能量用于ATP的生成。氧化磷酸化的過程需要氧氣作為最終的電子受體，它是需氧生物合成ATP的主要途徑。

（二）氧化磷酸化的偶聯機制1、ATP的合成部位NADH氧化過程中有三個反應G’值大于30.5kJ/molNADHFMNcytbcytc1cytaa3

O2-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/mol復合物ⅣCytc氧化酶復合物Ⅲ泛醌Cytc還原酶復合物ⅠNADH脫氫酶電子通過線粒體呼吸鏈傳遞到O2的過程中，釋放出大量能量；這種電子傳遞過程的釋能反應與ADP和磷酸合成ATP的需能反應相偶聯，是ATP形成的基本機制。三、氧化磷酸化作用的機理1、有關氧化磷酸化機理的幾種假說化學偶聯假說構象偶聯假說化學滲透假說

（1）化學偶聯假說（1953年）chemicalcouplinghypothesis

認為電子傳遞反應釋放的能量通過一系列連續的化學反應形成高能共價中間物，最后將其能量轉移到ADP中形成ATP。

（2）構象偶聯假說（1964）

conformationalcouplinghypothesis

認為電子沿電子傳遞鏈傳遞使線粒體內膜的蛋白質組分發生了構象變化，形成一種高能構象，這種高能形式通過ATP的合成而恢復其原來的構象。迄今未能分離出這種高能蛋白質。但在電子傳遞過程中蛋白質組分的構象變化還是存在的。

英國生物化學家PeterDMitchell在1961年提出化學滲透假說，他認為電子傳遞釋放出的自由能及ATP合成是與一種跨線粒體內膜的質子梯度相偶聯的。也就是說，電子傳遞釋放的自由能驅動H+從線粒體基質跨過內膜進入到膜間隙，從而形成跨線粒體內膜的H+電化學梯度。這個梯度的電化學勢驅動ATP合成。由于該假說提出后逐漸擁有越來越多的實驗證據，因而成為目前解釋氧化磷酸化偶聯機理最為公認的一種假說，并且PeterMitchell因提出該假說而獲得了1978年的諾貝爾化學獎。

(3)化學滲透學說Chemiosmotichypothesisa.線粒體內膜的電子傳遞鏈是一個質子泵b.電子由高能狀態傳遞到低能狀態時釋放出來的能量，用于驅動膜內側的H+遷移到膜外側（內膜對H+是不通透的），在膜內外側產生了跨膜質子梯度和電位梯度c.

在膜內外勢能差的驅動下，膜外高能質子沿著一個特殊通道（ATP合酶組成部分），跨膜回到膜內側。質子跨膜過程中釋放的能量，直接驅動ADP和磷酸合成ATP

由上述化學滲透假說可知，該模型必需具備兩個條件：一是線粒體內膜必須是質子不能透過的封閉系統，否則質子梯度將不復存在；二是要求呼吸鏈和ATP合酶在線粒體內膜中定向地組織在一起，并定向地傳遞質子、電子和進行氧化磷酸化反應。

化學滲透假說的實驗證據①氧化磷酸化作用需要封閉的線粒體內膜存在。②線粒體內膜對H+、OH－、K+、Cl－等離子都是不通透的。③破壞H+濃度梯度的形成都必將破壞氧化磷酸化作用的進行。④線粒體內膜上的電子傳遞能夠將H+從基質運輸到膜間隙。⑤人造的脂質小泡上重組細菌紫膜質和F1FoATP合酶后，在照光時有ATP的合成。質子轉移的兩種假設機制（1）氧化－還原回路機制

該機制由Mitchell提出。他認為電子傳遞鏈中有一些電子傳遞體既可以傳遞電子，也可以結合H+，當它們被還原時，在膜內側結合H+，而被氧化時，在膜外側釋放H+，這樣就把H+從膜內運到了膜外。

（2）質子泵機制

這個機制的內容是，電子傳遞導致復合體構象的變化，氨基酸殘基在膜內側結合H+，構象變化后在膜外側釋放H+，從而把H+從膜內側運到膜外。質子轉移的兩種假設機制

解偶聯劑（uncoupler）是指那些不阻斷呼吸鏈的電子傳遞，但能抑制ADP通過磷酸化作用轉化為ATP的化合物。它們也被稱為氧化磷酸化解偶聯劑。最早發現的一個解偶聯劑是2,4-二硝基苯酚（2,4-dinitrophenol,DNP），它是一種弱酸性親脂化合物，在pH7條件下，DNP以解離形式存在，不能通過線粒體內膜。但是在酸性環境中，DNP轉變為脂溶性的非解離形式，可攜帶質子透過線粒體內膜，這樣就破壞了電子傳遞形成的跨膜質子電化學梯度。氧化磷酸化的解偶聯和抑制

在解偶聯劑存在時，電子沿呼吸鏈的傳遞能正常進行，但不能偶聯產生ATP，這樣就使電子傳遞所產生的自由能以熱能的形式被消耗。由于DNP解偶聯劑只專一性地抑制與呼吸鏈相偶聯的ATP的形成過程，因此，它不會影響底物水平的磷酸化。1．解偶聯劑（uncouplers）

NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+線粒體內膜內外

這類化合物直接作用于ATP合酶復合體，從而抑制ATP的合成。

它們使膜外質子不能通過ATP合酶復合體返回膜內，使膜內質子繼續泵出到膜外顯然越來越困難，最后不得不停止，所以這類抑制劑間接抑制了電子傳遞和分子氧的消耗。

寡霉素屬于此類抑制劑，它與F0的一個亞基結合而抑制F1。2．氧化磷酸化抑制劑（inhibitors）3.離子載體抑制劑

離子載體抑制劑（ionophore）是指那些能與某種離子結合，并作為這些離子的載體攜帶離子穿過線粒體內膜的脂雙層進入線粒體的化合物。這類抑制劑均是脂溶性物質，它們與解偶聯劑的區別在于它們能結合除H+以外的其它一價陽離子，例如纈氨霉素（Valinomycin）可結合K+，短桿菌肽可結合K+、Na+和其它一價陽離子穿過線粒體內膜。因此離子載體抑制劑增大了線粒體內膜對一價陽離子的通透性，從而破壞了膜兩側的電位梯度，最終導致氧化磷酸化過程被抑制。

該假說是1964年由美國生物化學家PaulBoyer最先提出，他認為電子傳遞過程中，線粒體內膜上的蛋白質組分發生了構象變化，轉變成一種高能形態。這種高能形態通過將能量轉移到ADP合成ATP后，又得以恢復其原來的構象。隨著人們對ATP合酶結構的研究和認識不斷深入，在構象偶聯假說的基礎上形成了ATP合酶結合變化和旋轉催化假說。

ATP酶-構象偶聯假說ATP合成機制——ATP酶復合體線粒體內膜表面有一層規則地間隔排列著的球狀顆粒，稱為ATP酶復合體/ATP合酶，是ATP合成的場所。結構：頭部：ATP合酶（F1）柄部：棒狀Pr，對寡霉素敏感（OSCP）基底部：疏水Pr，與內膜連接（FO）OSCP:寡霉素敏感性付予蛋白頭部含5種不同的亞基（3、3、1、1

、1

）OSCP是能量轉換通道F0與線粒體電子傳遞系統連接（質子通道）F1和Fo的亞基組成

F1由5種肽鏈組成，α3β3γδε。Fo由3種疏水亞基組成，a1b2c9-12。Fo形成跨膜的管道，質子通過此管道流回到膜內側時驅動ATP合成。F1的α、β、γ、δ和ε亞基分別由510、482、272、146和50個氨基酸殘基組成，F1的總分子量為371kD。α、β亞基是同源的，每一個亞基結合有1個ATP，催化位點在β亞基上，α亞基上ATP結合位點的功能還不清楚，因為缺失這個位點并不影響F1的活性。

當質子推動力驅使H+經F0質子通道進入時，F0組分質子化而發生構象改變，積累足夠的扭矩力，推動γε相對α3β3旋轉120°，使處于T態的催化部位釋放ATP變成O態，同時L態催化部位上生成ATP變為T態，O態結合ADP+Pi變為L態側面觀頂面觀無質子梯度質子梯度的作用：不是形成ATP；而是使ATP從酶分子釋放結合變化機制（binding-changemechanism）O：開放形式，對底物親和力極低L：與底物結合松弛，無催化能力T：與底物結合緊密，有催化活性Rotationoftheg

subunitandtheringofcsubunitsintheFoF1complexwasobservedbyinvitrostudiesusingfluorescencemicroscopy(五)線粒體兩條呼吸鏈NADH氧化呼吸鏈——細胞內主要的呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈由琥珀酸脫氫酶復合體、CoQ和Cyt組成

FAD、Fe-S、Cytb558需要氧的參與；消耗氧、ADP和無機磷酸生成ATP；

電子傳遞水平的磷酸化線粒體外NADH的氧化磷酸化作用（穿梭系統）酵解（細胞質）氧化磷酸化

（線粒體）

線粒體外的NADH通過間接的途徑——穿梭機制進入線粒體。動物細胞內已知有兩個穿梭系統：

磷酸甘油穿梭系統，主要存在于肌細胞；

蘋果酸穿梭系統，主要存在于肝細胞。

胞漿中甘油-3-磷酸脫氫酶甘油-3-磷酸磷酸二羥丙酮線粒體中甘油-3-磷酸脫氫酶NADH逆濃度梯度進入呼吸鏈蘋果酸通過蘋果酸-α-酮戊二酸載體進入線粒體基質（八）氧化磷酸化的調控ATP的生成以電子傳遞為