第五章生物氧化
第一节概论
一、生物氧化的涵义：
一切生物都靠能量维持生存，生物体所需的能量大都来自体内的糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化。
人们把有机分子糖、脂、蛋白质等在活细胞内氧化分解，产生CO2、H2O并释放能量形成ATP的过程称生物氧化(细胞氧化、细胞呼吸、组织呼吸)。
生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化还原作用。
二、生物氧化的特点
生物氧化在形式上虽有加氧，脱氢和失电子的不同形式，但从氧化的基本概念来看，生物氧化与体外的化学氧化实质相同，所不同的是生物氧化是在活细胞内进行，并且必须有酶参加，放出能量以ATP形式储存起来，供需要时使用。
1、体温条件下，有机分子经系列酶促反应，逐步氧化释能，可以使放出的能量得到最有效的利用。
2、在氧化过程中产生的能量一般都贮存在一些特殊的化合物中，主要是ATP。
三、生物氧化与物质代谢的关系：
二者不完全相同，有交叉。
在物质分解代谢中常常见到脱氢反应，
脱出的氢如何与氧结合成水，以及如何释放能量等等即是生物氧化的问题。
生物氧化是生物新陈代谢的重要基本反应之一，生命活动的能量保障。
第二节生物氧化体系的类型
一、无传递体的生物氧化体系(一酶体系)
代谢物经氧化酶或需氧脱氢酶作用后，脱出的氢直接以1分子氧为受体生成H2O或H2O2。
氧化酶体系
氧化酶的作用为其分子中的金属离子(如Cu2+)直接从代谢物中脱出氢取得电子，将电子传给分子氧使之活化，活化氧(O2-)与游离在溶液中的H+结合成水。由氧化酶催化的反应不能在无氧情况下进行，因为不能用其它受氢体代替氧。
如：多酚氧化酶和抗坏血酸酶。
多酚氧化酶：催化多酚类(对苯二酚，邻苯二酚，邻苯三酚)直接将H转给分子氧的酶，分子中含Cu，广泛分布与真菌及高等植物。
抗坏血酸酶：为含Cu的酶，广布于植物，特别是*瓜，南瓜。在有氧条件下，可使L抗坏血酸氧化成L—脱氧抗坏血酸和水。
需氧脱氢酶体系
需氧脱氢酶能激活代谢物中的氢，将脱出的氢和一对电子传递给脱氢酶的辅酶;在有氧条件下，还原态辅酶(FMNH2和FADH2)能将由氢放出的2个电子传给分子氧使之活化成过氧离子;无氧条件下,还原态辅酶(FMNH2和FADH2)能将由氢放出的2个电子传给亚甲蓝或醌为受氢体而使反应进行。如醛氧化成酸，氨基酸氧化脱氨。
二、需传递体的生物氧化体系(二酶或多酶体系)
这类体系是生物体内的主要氧化体系，由不需氧脱氢酶及一种或一种以上的传递体参加反应。
1、电子传递过程：还原型辅酶或辅基通过电子传递再氧化，这个过程称电子传递过程。
2、电子传递链(呼吸链)：电子从还原型辅酶或辅基通过一系列电子亲和力递增顺序排列的电子载体传递到分子氧所经历的途径。
3、电子传递链的特点：电子载体按照亲电子力递增的顺序排列，电势自低向高，电子传递过程中伴随着自由能的释放，释放的自由能可用来合成ATP。
原核细胞存在质膜上，真核细胞存在于线粒体内膜上。
生物体内有两条典型的电子传递链。
即NADH呼吸链和FADH2呼吸链。
1)NADH呼吸链：是由NAD-脱氢酶或-脱氢酶、*酶、辅酶Q，细胞色素体系和一些铁硫蛋白组成的氧化还原体系。
2)FADH2呼吸链：与NADH呼吸链相比，底物脱下的氢不经NAD而直接交给*酶的辅基FAD，即少了NADH呼吸链中的前面的一个组分。
4、线粒体酶
(1)参与物质代谢的酶类：三羧酸循环，脂肪酸氧化。
(2)电子传递相关酶：电子传递到氧分子，形成水，释放出自由能。
(4)物质能量运输相关酶或蛋白类。
如ATP/ADP交换体。
第三节电子传递链的组成和性质
1.NADH-Q还原酶：NADH脱氢酶、复合体I，呼吸链中从NADH到辅酶Q的一段组分，相对分子量，至少34条多肽链;两种辅基，FMN,Fe-S聚簇(蛋白)。
电子传递过程：NADH→FMNH2
NADH+H++FMN→FMNH2+NAD+;
FMNH2→Fe-S
2Fe3+→2Fe2+;FeS→QH2;释放自由能的过程,-69.5kJ/mol,能量足以合成ATP
2.辅酶Q：泛醌,脂溶性辅酶,可与膜结合或游离。
CoQ不但可接受NADH脱氢酶的氢，还接受线粒体其它*素酶类脱下的电子和氢，在电子传递链中居于中心位置。
呼吸链中是一个和蛋白质结合不紧的辅酶，使它在*素蛋白类和细胞色素之间能够作为一种灵活的载体而起作用。
3.琥珀酸-Q还原酶：复合体II，嵌在线粒体内膜的酶蛋白，完整酶包括琥珀酸脱氢酶，辅基FAD、Fe-S和Cytb
电子传递过程:琥珀酸氧化成延胡索酸，同时使FAD还原成FADH2。
FADH2→Fe-S→Q进入呼吸链。
4、细胞色素还原酶：复合体III,辅酶Q-细胞色素c还原酶,细胞色素bc1复合体,或简称bc1。
辅基:血红素bbc1和Fe-S中心。
电子转移途径：
QH2(e)→Fe-S→cytC1→cytC
作用:将电子从QH2转移到细胞色素C;标准自由能释放△Go’=-36.7kJ/mol.
细胞色素:一类含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称;还原型的细胞色素具有明显的可见光谱吸收现象,αβγ三条吸收峰,根据吸收峰的差异分为a,b,c三类;每一类中根据其血红素辅基α吸收峰的差异(b,b;c,c1)或在蛋白质分子中的分布位置(a,a3)分为不同类别。
5.细胞色素C
球形蛋白,;唯一能溶于水的细胞色素;AA序列，三维结构都已阐明。了解最透彻的细胞色素蛋白。
作用:复合体III和IV间传递电子。
6.细胞色素氧化酶：细胞色素c氧化酶,复合体IV,跨膜蛋白,十个亚基组成;四个氧化还原中心:血红素a,a3(所处位置不同)和两个铜离子CuA,CuB(结合蛋白不同);组成两个单位或簇。
血红素a-CuA位于亚基II。
血红素a3-CuB位于亚基I。
电子传递途径：cytC→CuA→cyta→cyta3→CuB→O2
标准自由能释放：
△Go’=-kJ/mol
电子传递的总路线：
NADH→FMNH2→Fe-S→CoQ→b→C1
→c→→aa3→O2
7、电子传递链的抑制剂
能阻断呼吸链中某一部分电子传递的物质称为电子传递抑制剂。
利用专一性的电子传递抑制剂选择性地阻断电子传递链中某个步骤，再测定各个组分的氧化-还原态情况，是研究的传递链顺序的一种重要方法。
常用的抑制剂有以下几种：
(1)鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素，它们的作用是阻断电子由NADH向CoQ的传递。
鱼藤酮是一种极*植物物质，常作重要的杀虫剂。
(2)抗霉素A，由链霉菌分离的抗生素，抑制电子传递b到c1的传递作用。
(3)氰化物、叠氮化合物、一氧化碳，阻断电子由aa3传向分子氧。
第四节氧化磷酸化
氧化磷酸化是需氧细胞生命活动的主要能量来源，是生物产生ATP的主要途径。氧化磷酸化指的是与生物氧化作用相伴随而生的磷酸化作用，是将生物氧化过程中释放的自由能用以ADP和无机磷酸生成高能ATP的作用。
一、氧化磷酸化
1、氧化磷酸化:与生物氧化作用相伴而产生,将生物氧化过程中释放的自由能用于使ADP和无机磷酸生成高能ATP的作用,是需氧细胞生命活动的主要能量来源。
2、底物水平磷酸化:物质代谢过程中,直接由一个代谢中间产物上的磷酸基团转移到ADP分子上,形成ATP的作用。
3、光合磷酸化:在光合作用相伴而产生的,将电子传递过程中释放的自由能用于使ADP和无机磷酸生成高能ATP的作用。
4、氧化磷酸化的作用机制
电子传递和氧化磷酸化存在偶联,
P/O比:指当一对电子通过呼吸链传至氧所产生的ATP的摩尔数。
由NADH氧化脱电子，经过电子传递到氧所得到P/O比是3。
能量偶联假说:化学偶联假说，构象偶联假说;化学渗透假说。
(1)化学偶联假说
年,EdwardSlater最先提出,电子传递过程中产生了一种高能共价化合物,高能化合物将能量转移给ADP合成ATP,但磷酸化作用中一直未找到任何一种活泼的高能中间化合物。
(2)构象偶联学说
年,PaulBoyer最先提出,电子传递链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能形式，这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。至今未能找到有力的实验证据，但仍可能包含由不同形式的构象偶联现象
(3)化学渗透假说
年，英国生物化学家PeterMitchell最先提出的,后与Moyle修改。电子传递释放出的自由能和ATP合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，形成跨线粒体内膜的H+电化学梯度，驱动ATP的合成。
年，诺贝尔化学奖。
化学渗透学说可以解释许多关键的现象，得到许多实验证据：
例如：
A、氧化磷酸化的进行需要封闭的线粒体内膜存在。
B、线粒体内膜对H+,OH-,K+,Cl-等离子都是不通透的。
C、破坏氢离子浓度梯度的形式(用解偶联剂或离子载体抑制剂等)都必然破坏氧化磷酸化作用。
D、线粒体电子传递所形成的电子流能够将氢离子从线粒体内膜逐出到线粒体膜间隙。
E、大量直接或间接的实验表明：膜表面不仅能滞留大量质子而且在一定条件下，质子沿膜表面迅速转移，其速度超过在水相中的速度。
Michell化学渗透学说曾获得年诺贝尔学奖。迄今虽然能量偶联的具体分子机制尚未能完全阐明，但是跨膜质子电化学梯度产生的质子化学势△μH+和质子跨膜循环在能量偶联中起关键作用已经成为共识。
四、氧化磷酸化的解偶联和抑制
一般情况下，电子传递和磷酸化是紧密结合的，在有些情况下，电子传递和磷酸化可被解偶联。
根据不同的影响方式可分为三大类，一类称为解偶联剂，另一类称氧化磷酸化抑制剂，第三类为离子载体抑制剂。
1、解偶联剂：使电子传递和ATP形成两个过程分离。它只抑制ATP的形成过程，不抑制电子传递过程，使电子传递所产生的自由能变为热能。
如二硝基苯酚，作用机理如下：
2、氧化磷酸化抑制剂：既抑制氧的利用又抑制ATP的形成，但不直接抑制电子传递链上的载体作用。其抑制作用是直接干扰ATP的生成过程。结果也使电子传递不能进行。
寡霉素就属于这一类抑制剂。
3、离子载体抑制剂：这是一类脂溶性物质，能与某些离子结合，并作为它们的载体使这些离子能够穿过膜。
它和解偶联剂的区别在于它是作为H+离子以外的其它一价阳离子的载体，通过增加线粒体内膜对一价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化过程。
如缬氨霉素能够结合K+离子，与之形成脂溶性复合物，从而很容易地使K+通过膜。
缬氨霉素为K+离子载体，有改变线粒体膜透性的作用，导致K+穿过内膜脂双层进入线粒体基质，结果降低或消除了线粒体内膜内外的电荷差。
机体特殊组织正常的生理现象：
褐色脂肪组织:甘油三酯和大量线粒体的细胞组成，线粒体内的细胞色素使褐色脂肪呈褐色。
人类，新生无毛哺乳动物及冬眠哺乳动物在颈部和背部都含有褐色脂肪。
褐色脂肪的产热机制是线粒体氧化磷酸化解偶联的结果。线粒体内膜上有产热素蛋白存在。控制内膜对质子的通透性，△μH+不能形成，自由能全部用于产热。适应寒冷生活动物。在褐色脂肪线粒体内膜蛋白质中含有15%产热素，维持体温有重要的生理意义。
五、氧化磷酸的调节
电子传递和氧化磷酸化ATP的生成是相辅相成的，电子传递为ATP合成的前提,ATP的合成促进电子传递的顺利进行。
完整的线粒体只有当无机磷酸和ADP都充分时，电子传递速度才能达到最高水平。当缺少ADP时，因缺乏磷酸受体则不能进行磷酸化作用。[ATP]/[ADP]之比在细胞内对电子传递速度起着重要的调节作用，同时对还原型辅酶的积累和氧化也起调节作用，ADP作为关键物质对氧化磷酸化的调节称为呼吸控制。
呼吸控制:ADP作为关键物质对氧化磷酸化的调节。
当细胞利用ATP作功时，细胞内[ATP]降低，[ADP]升高，热力学、动力学都有利于氧化磷酸化的进行，电子传递也加速各种辅酶往复的氧化-还原反应，底物不断地被氧化，ATP合成也加速。反之，ATP在细胞积累时，[ADP]必然很低，这时电子传递变缓或停止，还原型辅酶浓度增加以至不能再接受电子，于是整个呼吸链也受到抑制或停止。
因此，氧化磷酸化作用的进行和细胞对ATP的需要是相适应的，这种精确的适应正是靠ADP作为关键物质的呼吸控制来实现的。
六、线粒体外的氧化磷酸化
线粒体是糖，脂，蛋白质等燃料分子的最终氧化场所，但这些分子的全部氧化过程不是都在线粒体内膜上完成。因为线粒体膜的屏障作用，许多物质不能自由进入线粒体膜。在线粒体内膜存在一些转运物质的特异载体，分别转运不同的物质。
穿梭机制
1、甘油—3磷酸穿梭途径
肌肉，神经细胞中。
2、苹果酸穿梭：
心脏，肝脏。
3、异柠檬酸穿梭
例题：
1.线粒体内膜上呼吸链中细胞色素的排列顺序是
A.c→c1→b→aa3
B.b→c→c1→aa3
C.c1→c→b→aa3
D.c→b→c1→aa3
E.b→c1→c→aa3
2.等摩尔下列哪种物质彻底氧化分解生成能量最多
A.葡萄糖
B.丙酮酸
C.乳酸
D.甘油
E.草酰乙酸
3.营养素在体外燃烧和体内氧化的共同点在于
A.逐步释放能量
B.在较温和的条件下进行
C.终产物相同
D.不需要催化剂
E.以上都不对
参考答案
1.E2.A3.C
第六章脂质代谢
脂质代谢
7.1脂类的生理功能
供能与贮能
机体的重要结构成分
转变为各种衍生物参与代谢活动
脂肪作为储能物质的优缺点:
脂肪具有高度还原性，彻底氧化释放的能量是同等重量的糖或蛋白质的两倍多(~38kJ/gvs18kJ/g)。
脂肪具有高度疏水性，因而不会增加细胞胞浆的渗透压，也不会因水化增加额外的重量。但消化需要乳化，运输需要其他蛋白质协助。
脂肪具有化学惰性，不易产生副反应。但C-C键的断裂需要激活。
7.2脂类的消化和吸收(DigestionandAbsorption)
7.2.1脂类的消化
部位：小肠上段
消化因素
胆汁酸盐(bilesalts)：乳化作用
辅脂酶(colipase)：帮助胰脂酶起作用
7.2.2脂类的吸收
部位:空肠
在毛细血管中，脂肪又被水解为游离脂肪酸和甘油。FA被细胞吸收。
7.3脂肪动员(Mobilizationoftriglycerides)
指脂肪组织中脂肪在激素的调节下，被一系列脂肪酶水解为脂肪酸和甘油，然后释放进入血液，脂肪酸以与血清白蛋白非共价结合的方式运输到其它组织利用的过程。
7.4甘油的氧化
主要部位在肝、肾、肠。
甘油氧化通过三步反应转化为3-磷酸甘油醛。
脂肪和骨骼肌组织中甘油激酶活性很低，所以不能很好地利用甘油。
饱和脂肪酸的氧化：
部位:以肝脏和肌肉组织最为活跃。
整个过程可分为三个阶段：
第一阶段：脂肪酸的活化;
脂肪酸与HSCoA(辅酶A)结合生成脂酰CoA(高能化合物)的过程，催化反应的是脂酰CoA合成酶
在细胞内分别有内质网脂酰CoA合成酶和线粒体脂酰CoA合成酶，前者活化12个碳原子以上的长链脂肪酸，后者活化中链或短链脂肪酸。
第二阶段：长链脂酰CoA进入线粒体;
在肉碱脂酰移位酶Ⅰ的催化下，以脂酰肉碱的形式通过酰基肉碱/肉碱转运蛋白(acyl-carnitine/carnitinetransporter)进入线粒体，在线粒体基质，脂酰肉碱在肉碱脂酰移位酶Ⅱ的催化下，重新生成脂酰CoA。
这是脂肪酸β-氧化的限速步骤。
丙二酸单酰CoA是肉碱脂酰移位酶Ⅰ的抑制剂。
肉碱缺乏症(carnitinedeficiency)和肉碱脂酰移位酶缺乏症(acyl-carnitine/carnitinetransporterdeficiency)：属常染色体遗传病，影响器官主要是肌肉、肾脏、心脏等。症状从中等程度的肌肉疼痛、痉挛到严重的肌肉坏死。
第三阶段：β-氧化。
所有脂肪酸β-氧化的酶都是线粒体酶。
b-氧化每一轮循环是脱氢、水化、再脱氢和硫解四个重复步骤，生成1个乙酰CoA、1个少2C的脂酰CoA以及1个NADH、1个FADH2。
按软脂酸计算，经过7轮反应，生成8个乙酰CoA、7个NADH和7个FADH2。软脂酸的氧化可产生ATP。(-活化的两个ATP)
不饱和脂肪酸氧化的额外步骤：
?单不饱和脂肪酸的β-氧化
额外需要烯脂酰CoA异构酶，使顺式r3双键转变为反式r2双键
?多不饱和脂肪酸的β-氧化
除顺r3-反r2-烯酰CoA异构酶外，还需2,4-二烯酰CoA还原酶(NADPH作为辅酶)，将反r2-顺r4结构转变为反r3结构
奇数碳脂肪酸的β-氧化
奇数碳脂肪酸存在于许多植物、海洋生物、石油酵母等生物体中。
奇数碳脂肪酸经β-氧化可生成丙酰CoA。
丙酰CoA经过三步反应，转化为琥珀酰CoA，进入三羧酸循环，进一步可转变为其他物质。此途径是丙酸代谢的途径之一(丙酸代谢的另一途径是生成乙酰CoA)。
VitB12是甲基丙二酸单酰CoA变位酶的辅酶。
VitB12在动植物中不能合成，只有一些种类的微生物能合成。健康人每天只需要少量的VitB12。如果由于吸收障碍缺乏VitB12，就会导致恶性贫血(Perniciousanemia)，如红细胞减少、血红蛋白水平降低和一些中枢神经系统的功能紊乱等。在一些病例中，服用大剂量VitB12可减轻这些症状。
动物过氧化物体/乙醛酸循环体(仅在萌发的种子中存在的细胞器)中脂肪酸的β-氧化系统的不同
1)在第一个氧化反应步骤中FADH2的电子直接传递给O2，生成H2O2，H2O2马上转化为H2O和O2。能量以热量形式散发，而不是储存于ATP中。
2)在第二个氧化反应中形成的NADH不能重新氧化，于是还原等价物从氧化物酶体或乙醛酸循环体中运输到胞质溶胶，最后进入线粒体。哺乳动物过氧化物体产生的乙酰CoA进入胞浆，用于合成其他代谢产物，如胆固醇等。当高脂肪膳食时，肝脏过氧化物体中脂肪酸β-氧化的酶合成增加，产生的乙酰CoA一部分进入线粒体。
植物中脂肪酸β-氧化只发生在叶组织的过氧化物体以及种子的乙醛酸体中(植物线粒体不存在β-氧化的酶)。这一途径的生物学意义是利用脂肪提供生物合成的前体，特别是在种子的发芽过程。
β-氧化的酶在线粒体和过氧化物体中组织的形式不同。在线粒体中，各个酶是分离的，而在过氧化物体中，以复合体形式存在。
脂肪酸的α-氧化(α碳是离基团最近的那个碳)、ω-氧化(ω碳是离α碳最远的碳)的生物学意义。
α-氧化：对降解支链脂肪酸(如哺乳动物中植烷酸降解)有重要作用。
ω-氧化：
脊椎动物作用部位：肝肾内质网中。
碳原子少于12的脂肪酸的氧化途径。通常为C10或C12的脂肪酸。
石油酵母降解烃或脂肪酸的作用机理。
催化第一步羟化反应的是混和功能氧化酶(mix-functionoxidases)。这种酶由细胞色素P-还原酶和细胞色素P-组成，以肝和肾上腺的微粒体中含量最多。参与类固醇激素、胆汁酸等的生成，以及药物、*物的生物转化过程。
酮体(ketonebodies)的生成和利用
在肝脏中，脂肪酸经b-氧化生成的乙酰CoA，转变为乙酰乙酸、b羟丁酸和少量丙酮，这三种物质统称为酮体(ketonebodies)。这种现象在饥饿或糖尿病状态下尤为明显
酮体的生成部位在肝细胞线粒体。b-羟基-b-甲基戊二酸单酰辅酶A合成酶(HMG-CoAsynthase)是酮体生成反应的限速酶。
酮体的利用指酮体在肝外组织重新转化为乙酰CoA
酮体生成具有重要的生理意义
①是生理情况下，肝脏输出能源的一种形式。
②是长期饥饿情况下、脑、肌肉组织主要的供能物质。
③是应激情况下，防止肌肉蛋白过多消耗的一种形式。
酮体过量产生可造成酮血症、酮尿症.
正常代谢时血尿酮体含量很少。在饥饿、糖尿病等异常情况下，酮体大量产生。当超过肝外组织所能利用的限度时，血尿酮体含量升高。血中酮体堆积称“酮血症”。由于乙酰乙酸和β-羟丁酸降低血液pH，造成“酸中*”。酮体随尿排出称“酮尿症”.临床上把糖尿病患者血尿酮体的异常称为“酮症”(ketosis)
名词解释：
脂肪动员：指脂肪组织中脂肪在激素的调节下，被一系列脂肪酶水解为脂肪酸和甘油，然后释放进入血液，脂肪酸以与血清白蛋白非共价结合的方式运输到其它组织利用的过程。
必需脂肪酸:因为亚油酸和α-亚麻酸是合成其他产物所必需的前体，所以是哺乳动物的必需脂肪酸。
血脂：血浆中的脂类物质称为血脂，包括甘油三酯、磷脂、胆固醇、胆固醇酯和非酯化脂肪酸等。(TG、CH、CHE、PL、FFA)
血浆脂蛋白：是脂类在血浆中的运输形式。以疏水性脂类为核心围绕着极性脂类和载脂蛋白组成。
载脂蛋白：脂蛋白中的蛋白质部分。
例题：
1、催化体内储存的甘油三酯水解的脂肪酶是
A、激素敏感性脂肪酶
B、脂蛋白脂肪酶
C、肝脂酶
D、胰脂酶
E、组织脂肪酶
2、下列关于脂蛋白脂肪酶(LPL)的叙述错误的是
A、LPL是一种细胞外酶，主要存在毛细血管内皮细胞表面
B、它催化脂蛋白中的甘油三酯水解
C、脂肪组织、心肌、脾及乳腺等组织中该酶活性较高
D、apoⅢ可抑制LPL
E、apoAI能激活LPL
3、能促进脂肪动员的激素有
A、肾上腺素
B、胰高血糖素
C、促甲状腺素
D、ACTH
E、以上都是
参考答案
1、A2、E3、E
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