第六章 生物氧化

第六章生物氧化

Biological Oxidation

一、授课章节及主要内容：第六章生物氧化

二、授课对象：临床医学、预防、法医（五年制）、临床医学（七年制）

三、授课学时

本章共4节课时（每个课时为45分钟）。讲授安排如下：

第一次课（2学时）：第一节生成A TP的氧化体系——氧化磷酸化偶联部位

第二次课（2学时）：影响氧化磷酸化的偶联机理——第二节其他氧化体系

四、教学目的与要求

生物氧化、呼吸链和氧化磷酸化的定义; ATP生成的方式;氧化磷酸化的过程。

五、重点与难点

重点：1．主要是生成ATP的氧化体系；2．呼吸链电子传递的过程；3．ATP生成的方式；4．A TP的利用和储存形式；5．胞浆NADH+H+的氧化。

难点：氧化磷酸化的偶联机理

六、教学方法及授课大致安排

以面授为主，适当结合临床提问启发。每次课预留5分钟小结本次课掌握内容及预留复习题，全章结束后小结本章内容。

七、主要外文专业词汇

biological oxidation (生物氧化) electron transfer chain (电子传递链)

respiratory chain (呼吸链) NAD+ (氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)

oxidative phosphorylation (氧化磷酸化) α-glycerophosphate shuttle (α-磷酸甘油穿梭)

uncoupler (解偶联剂) CoQ (辅酶Q)

malate-asparate shuttle (苹果酸-天冬氨酸穿梭) superoxide dismutase(SOD) (超氧物歧化酶) catalase (过氧化氢酶) FMN (黄素腺嘌呤单核苷酸)

mixed-function oxidase (混合功能氧化酶) creatine phosphate (磷酸肌酸)

ATP synthase (ATP合酶) FAD (黄素腺嘌呤二核苷酸)

chemiosmotic hypothesis (化学渗透假说) peroxidase (过氧化物酶)

cytochrome (细胞色素) NADP+ (氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)

八、思考题

1.何为生物氧化?有何特点?

2.试述呼吸链的定义,体内有哪两条呼吸链?

3.试写出两条呼吸链组分的排列次序和ATP的生成部位。

4.体内ATP生成的主要方式是什么? 举例说明。

5.试述化学渗透学说的主要内容。

6.影响氧化磷酸化的因素有哪些? 举例说明。

7.胞浆中生成的NADH必须经哪两种穿梭机制进入线粒体氧化,各生成几分子ATP?

九、教材与教具：人民卫生出版社《生物化学》第六版

十、授课提纲(或基本内容)

概述

Introduction

物质在生物体内进行氧化称为生物氧化，主要是指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成二氧化碳和水的过程。

生物氧化中物质的氧化方式的基本规律：

1．氧化还原一般规律，有加氧、脱氢、失电子。

2．物质体内外氧化时所消耗氧量、终产物（CO2和H2O）和释放能量均相同。

3．生物氧化是在细胞内温和环境中，在一系列酶的催化下反应逐步进行的，能量逐步释放有利于ATP的形成。

4．脱下的氢与氧结合产生水，CO2是由有机酸脱羧产生。而体外水由物质中的碳和氢直接与氧结合生成，能量是突然释放的。

本章的重点是介绍线粒体生成ATP的氧化体系，线粒体内生物氧化大致可分为三个阶段：

第一阶段：糖、脂类、蛋白质分解为其基本单位。

第二阶段：糖、脂类、氨基酸经一系列反应生成乙酰CoA。

第三阶段：三羧酸循环和氧化磷酸化。

第一节生成ATP的氧化体系

Oxidative system generating ATP

代谢物脱下的成对氢（2H）通过多种酶和辅酶所催化的反应逐步传递，最终与氧结合生成水，在传递过程中释放的能量使ADP磷酸化生成A TP。

一、呼吸链——呼吸链的组成

呼吸链：代谢物脱下的氢，经一定顺序排列的氢递体或电子递体传递，与氧生成水的完整体系。

由四种具有传递电子功能的酶复合体组成（图6-1）

图6-1 呼吸链各复合体位置示意图

1．复合体I：NADH-泛醌还原酶

功能：将电子从NADH传递给泛醌

组成：黄素蛋白（flavoprotein），辅基为FMN（flavin mononucleotide）；铁硫蛋白（iron-sulfur protein），辅基为铁硫簇（iron-sulfur cluster，Fe-S）。

（1）黄素蛋白：FMN中含有核黄素，其发挥功能的结构是异咯嗪环，属于氢递体。

（2）铁硫蛋白：Fe-S含有等量的铁原子和硫原子（Fe2S2，Fe4S4），通过其中的铁原子与铁硫蛋白中半胱氨酸残基的硫相连（图6-2）。铁硫簇中的铁原子可进行Fe2+ ←→Fe3+ + e反应而传递电子，属于单电子递体。铁硫蛋白一般与其它复合体成分结合在一起发挥作用。

图6-2 铁硫簇Fe4S4结构示意

（3）泛醌：即辅酶Q（coenzyme Q，CoQ），是一种脂溶性醌类化合物，它有较长的多个异戊烯构成的侧链，因侧链的疏水作用，它能在线粒体内膜内迅速扩散，具有流动性。它极易从线粒体内膜中分离出来，故不包含在上述复合体中。人的CoQ侧链由10个异戊烯单位组成，用CoQ10表示。泛醌属于氢递体。

2．复合体II：琥珀酸-泛醌还原酶

功能：将琥珀酸脱下的氢传递给泛醌

组成：黄素蛋白，辅基为FAD（flavin adenine dinucleotide）；铁硫蛋白；细胞色素b560（cytochrome b560，Cyt b560）。

（1）细胞色素类

特点：以铁卟啉为辅基，由于吸收光谱不同，参与呼吸链组成的细胞色素有a、b、c 三类，每一类中又因最大吸收峰的微小差别再分为几种亚类。

结构：细胞色素b、c的铁卟啉都是铁卟啉Ⅸ，与血红素相同；细胞色素a的卟啉环中有一个甲基被甲酰基取代，一个乙烯基侧链被多聚异戊烯长链取代。细胞色素b是跨膜蛋白，有b560、b562、b566三个亚类。细胞色素C是以乙烯基与蛋白部分的半胱氨酸残基（－SH）连接，松弛地结合于线粒体内膜表面，有c、c1二个亚类。人细胞色素a和a3结合紧密，很难分离，故称之为Cyt aa3。细胞色素类铁卟啉辅基的铁原子可进行Fe2+←→Fe3++e反应而传递电子，属于单电子递体。

3．复合体Ⅲ：泛醌-细胞色素c还原酶

功能：将电子从CoQ传递给Cyt c

组成：Cyt b562，Cyt b566，Cyt c1、铁硫蛋白

Cyt c呈水溶性，与线粒体内膜外表面结合不紧密，极易与线粒体内膜分离，故不包含在上述复合体中。

4．复合体Ⅳ：细胞色素c氧化酶

功能：将电子从Cyt c传递给氧

组成：Cyt aa3

Cyt aa3中含有2个铁卟啉辅基和2个铜原子，2个铜原子分别与2个铁卟啉辅基相连。铜原子可进行Cu+←→Cu2++e反应传递电子。

二、呼吸链——呼吸链的排列顺序

1．实验根据：

①根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位，由低到高的排列顺序（电位低容易失去电子）。（表6-2）

表6-2呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位

②体外将呼吸链拆开和重组，鉴定四种复合体的组成和排列。

③利用特异的抑制剂阻断某一组分的电子传递，在阻断部位以前的组分处于还原状态，后面组分处于氧化状态。

④利用呼吸链各组分特有的吸收光谱。

2．两条氧化呼吸链：（图6-3）

①NADH氧化呼吸链：

②琥珀酸氧化呼吸链:

图6-3 电子传递链

呼吸链特点：凡是脱下的氢交给NADH，进入NADH氧化呼吸链，凡是脱下的氢交给FAD2H，进入琥珀酸氧化呼吸链。

问题：（1）举例说明二条呼吸链排列顺序？

（2）在呼吸链中细胞色素类的排列顺序？

（3）细胞色素类都能将电子传递给氧吗？

3．呼吸链传递的生理意义：

①增强氧的氧化能力：体内氧不能直接与氢结合生成水，经呼吸链传递，氢就能与氧生成水，所以增强氧的氧化能力。

②逐步释放能量：逐步释放的能量有利于ATP的形成

以上所述是讲述H2O的生成过程，那么ATP又是如何生成的呢？

三、氧化磷酸化：（oxidative phosphorylation）

氧化磷酸化定义：代谢物脱下的氢，经呼吸链电子传递生成水，同时逐步释放能量，使ADP磷酸化生成A TP的过程。

（一）氧化磷酸化偶联部位

1．实验根据

①P/O 比值：

定义：每消耗1mol氧原子所消耗的无机磷的摩尔数。（消耗氧原子的同时消耗无机磷）已知β-羟丁酸的氧化是通过NADH氧化呼吸链，测得P/O比值接近3，即生成3分子ATP。琥珀酸氧化时，测得P/O比值接近2，即生成2分子ATP，因此表明在NADH与CoQ 之间存在偶联部位。抗坏血酸氧化的P/O比值接近1，还原型Cyt c则经Cyt aa3被氧化，P/O比值接近1。从β-羟丁酸、琥珀酸和还原型Cyt c氧化时P/O比值的比较表明，NADH 呼吸链存在三个偶联部位；琥珀酸呼吸链存在两个偶联部位。（表6-3）

表6-3 线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值

②自由能变化

通过各段测得标准自由能变化（NADH→CoQ、CoQ→Cyt c、Cyt aa3→1/2 O2）计算结果，可见以上三个偶联部位均足够提供生成ATP所需能量。

2．氧化磷酸化偶联部位

从图可见：代谢物脱下的一对氢，经NADH氧化呼吸链传递生成水，可生成3分子ATP。

代谢物脱下的一对氢，经FADH2氧化呼吸链传递生成水，可生成2分子ATP。

问题：举例说明ATP生成方式？（提示：ATP生成的方式有底物水平磷酸化和氧化磷酸化，共举三个例加以说明）

（二）氧化磷酸化偶联机制：

1．化学渗透学说（chemiosmotic hypothesis）：（图6-4）

化学渗透学说是20世纪60年代由Peter Mitchell提出的，1978年获诺贝尔化学奖。

图6-4 化学渗透假说

其基本要点：

（1）呼吸链各组分不均一分布在内膜中，共构成3个回路，间隔、定向排列。

（2）线粒体内膜不允许H+自由通过，H+质子从线粒体内膜基质侧到内膜外侧，产生膜内外质子电化学梯度（跨膜电位差），以此储存能量。

（3）每个回路均有质子泵作用，共泵出三对氢质子，当氢质子回流时，通过ATP合酶趋动ADP与Pi生成ATP。

Mitchell的假说中还有不少问题，例如泵出质子对的确切数目，与A TP合成的关系，呼吸链排列顺序等，近来还有不同意见。但到目前为止，这个假说的基本概念仍为多数人接受，还没有其它假说可以取代。

2．A TP合酶（A TP synthase）：

（1）结构：由F0（疏水部分）和F1（亲水部分）组成（图6-5）

图6-5 ATP合酶结构模式图

F1：构成ATP合酶头部和一部分柄部

特点：①五种不同亚基构成α3β3гδε，约371KD。还有较小的肽，约8~10条多肽链。②功能：生成A TP。如分离F1，则丧失生成ATP的功能，但保留ATP的水解活性。

③β亚基必须和α亚基结合才具有催化活性（αβг），具有六个结合核苷酸部位。г亚基控制质子通道的闸门作用；δ亚基可能参与质子通道的形成。

F0：构成ATP合酶的底部和部分柄部

特点：①有a、b、c三类亚基构成ab2cn。②构成质子通道。③具有对寡霉素敏感的蛋白（OSCP，oligomycin- sensitivity-conferring protein）存在，当存在有寡霉素时，不能生成ATP。

（2）ATP合成机制：

美国科学院院士，加州大学的保罗.博耶教授和丹麦学者匹斯.斯克提出A TP合成的机制是结合变化机制和旋转催化机制。二人共同分享1997年诺贝尔化学奖。

在此着重简单介绍结合变化机制。（图6-6）

基本要点：①β亚基三种构象的变化：O开放型、L疏松型、T紧密结合型。②ATP 生成所需的能量（氢质子跨膜电位）原则上用于促进ATP合酶上紧密结合的ATP的释放和ADP 、Pi的结合。

为此，人们常常ATP比喻为生物体内的能量货币，A TP合酶比喻为制造货币的“印钞机”。

图6-6 ATP合酶的工作机制

四、影响氧化磷酸化的因素

（一）抑制剂

1．呼吸链抑制剂：此类抑制剂能阻断呼吸链中某些部位的电子传递。（图6-8）

图6-8 电子传递链及氧化磷酸化概貌

2．解偶联剂：它们使氧化与磷酸化偶联过程脱离。

如二硝基酚为脂溶性物质，在线粒体内膜可自由移动，进入基质侧释放出H+，返回胞液侧结合H+，从而破坏了电化学梯度。

解偶联蛋白（uncoupling protein）：在线粒体内膜形成质子通道，H+可经此通道返回线粒体基质中，同时释放热能。

3．氧化磷酸化抑制剂：这类抑制剂对ADP磷酸化有抑制作用。

例如寡霉素可与ATP合酶F0的寡霉素敏感蛋白结合，阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。

（二）ADP的调节作用

氧化磷酸化的速率主要受ADP的调节。当ADP/ATP比例增高，氧化磷酸化速率加快；反之比例下降，则速率减慢。

（三）甲状腺素

甲状腺素诱导细胞膜上Na+、K+-ATP酶的生成，使ATP加速分解为ADP和Pi，ADP 增多促进氧化磷酸化，甲状腺素还可使解偶联蛋白基因表达增强，因而引起耗氧和产热均增加。所以甲状腺功能亢进症患者基础代谢率增高。

（四）线粒体DNA突变

线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏修复系统，容易受到本身氧化磷酸化过程中产生的氧自由基的损伤而发生突变。使A TP生成减少而致病。

五、A TP

1．高能磷酸键与高能化合物

高能磷酸键：磷酸键水解释放能量大于21KJ/mol，称之为高能磷酸键，通常以“~P”符号表示。

高能化合物：凡是键能水解释放能量大于21KJ/mol的化合物称为高能化合物。

几种常见高能化合物见表6-4

表6-4 几种常见的高能化合物

2．能量的利用和储存

（1）能量的利用：

生物氧化过程中释放的能量大约有40%以化学能形式生ATP。除ATP外，体内还有其它的核苷多磷酸，如GTP、UTP、CTP等。它们分别在蛋白质、糖原、磷脂等的生物合成中起重要作用。这些核苷多磷酸的生成和补充，都有赖于A TP。由此可见，生物体内能量的储存和利用都ATP为中心。

（2）能量的储存形式：

A TP可将~P转移给肌酸生成磷酸肌酸（creatine phosphate，CP），作为在肌肉和脑组织中能量的一种储存形式。当机体消耗ATP过多而致ADP增多时，磷酸肌酸将~P转移给ADP，生成ATP，供生理活动之用。

六、通过线粒体内膜的物质转运

线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同的转运载体对各种物质进行转运，以保证生物氧化的顺利进行（表6-5）。

表6-5 线粒体内膜的主要转运蛋白

（一）胞液中NADH的氧化：

胞液中生成的NADH不能自由透过线粒体内膜，故线粒体外NADH所携带的氢必须通过某种转运机制才能进入线粒体进行氧化磷酸化。这种转运机制主要有α-磷酸甘油穿梭(glycerophosphate shuttle)（图6-9）和苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparate shuttle)（图6-10）两种。

图6-9 α-磷酸甘油穿梭

图6-10 苹果酸-天冬氨酸穿梭

问题：一分子乳酸脱下的还原当量是如何进行磷酸化的？（提示；乳酸在胞浆脱氢，脱下的氢经过两种穿梭机制，再经过氧化磷酸化过程）

（二）腺苷酸载体

腺苷酸载体又称ATP-ADP载体，ADP与A TP经该载体反向交换。此时胞液中的H2PO4-经磷酸盐载体与H+同向转运到线粒体内。（图6-11）

图6-11 ATP、ADP、Pi的转运

（三）线粒体蛋白质的跨膜转运

90%以上线粒体蛋白质是核DNA编码的，蛋白质前体由线粒体外膜表面的解折叠酶使其结构松散，由总插入蛋白引导进入线粒体基质，通过加工肽酶切除导向信息的氨基酸前序列，生成成熟的基质蛋白质。

第二节其他氧化体系

The Other Oxidative Systems

除线粒体外，细胞的微粒体和过氧化物酶体也是生物氧化的主要场所，其中存在一些不同于线粒体的氧化体系，其特点是在氧化过程中不伴有氧化磷酸化，不能生成ATP。

一、需氧脱氢酶和氧化酶

直接以氧作为受氢体。

二、过氧化物酶体中的氧化酶类

（一）过氧化氢酶（catalase）

过氧化氢酶催化反应。

（二）过氧化物酶（perioxidase）

过氧化物酶催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物。

红细胞等组织中还有一种含硒的谷胱甘肽过氧化物酶，利用还原型谷胱甘肽（GSH）催化破坏过氧化氢或过氧化脂质，具有保护生物膜及血红蛋白免遭损伤的作用。

三、超氧物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）

呼吸链电子传递过程中可产生超氧离子（O2-）（占耗O2的1%~4%左右），体内其它物质（如黄嘌呤）氧化时也可产生O2-，其化学性质活泼，可使磷脂分子中不饱和脂肪酸氧化生成过氧化脂质，损伤细胞膜；过氧化脂质与蛋白质结合形成复合物，积累成棕褐色的脂褐素，与组织老化有关。

超氧物歧化酶是人体防御内外环境中超氧离子对人体损害的重要的酶，催化超氧离子的氧化与还原，而生成H2O2和分子氧。

四、微粒体中的氧化酶类

加单氧酶（monooxygenase）催化一个氧原子加入底物分子上（羟化），另一个氧原子被氢（来自NADPH+H+）还原成水（图6-12），故又称为混合功能氧化酶或羟化酶。酶组成：细胞色素P450（是线粒体外能直接将电子传递给O2的细胞色素）

NADPH-细胞色素P450还原酶（其辅基有NADPH、含FAD的黄素蛋白、含Fe-S的铁氧还蛋白）

图6-12 加单氧酶反应

机制（图6-12）：NADPH首先将电子交给黄素蛋白，黄素蛋白再将电子递给Fe-S。与底物结合的氧化型Cyt P450接受铁氧还蛋白的1个e后，与O2结合形成RH?P450?Fe3+?O2-，再接受铁氧还蛋白的第2个e，使氧活化（O22-），此时1个氧原子使底物（RH）羟化，另一个氧原子与来自NADPH的质子结合生成H2O。