第五章 生物氧化 生物氧化概念 生物氧化的特点 生物氧化的本质及过程 NADH和FADH2的彻底氧化一、生物氧化概念有机物在生物体内的氧化包括物质分解 和产能呼吸作用O2CO2 + H2O细胞呼吸（微生物）二、生物氧化的特点 l生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程， 反应条件温和（水溶液，中性pH和常温）。 l氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。 l水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢 作用直接参予了氧化反应。 l在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进 行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常 由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。l生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由 特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离 出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和 的条件下释放能量，提高能量利用率。 l生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联， 转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。本质 生物氧化的本质是电子的得失，失 电子者为还原剂，是电子供体，得电子者为 氧化剂，是电子受体在生物体内，它有三种 方式： 加氧氧化 电子转移三、生物氧化的本质及过程O2苯丙氨酸苯丙氨酸 酪氨酸酪氨酸乳酸脱氢酶n n 脱氢氧化脱氢氧化 在无氧条件下，兼性生物或厌气生物能利用 细胞中的氧化型物质作为电子受体，将燃料 分子氧化分解，这称为无氧氧化。这些生物 有的以有机物分子作为最终的氢受体(如厌氧 发酵)，有的则以无机物分子作为氢受体(如 微生物中的化能自养菌对NO3-、SO42-的利用) 。2. 无氧氧化3. 有氧氧化生物氧化在有氧和无氧条件下都能进 行。在有氧条件下，好气生物或兼性生物 吸收空气中的氧作为电子受体，可将燃料 分子完全氧化分解，这称为有氧氧化。因 为有氧氧化燃烧完全，产能多，所以，只 要有氧气存在，细胞都优先进行有氧氧化 。l生物能及其存在形式 l生物能和ATP ATP是生物能存在的主要形式 ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。 生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从热 力学的规律。 l高能化合物 n生物体通过生物氧化所产生的能量，除一部分 用以维持体温外，大部分可以通过磷酸化作用 转移至高能磷酸化合物ATP中。根据生物体内高能化合物键的特性可以把 他们分成以下几种类型： l磷氧键型 a) 酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸b)焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔c)烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔氮磷键型磷酸肌酸磷酸精氨酸 10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔 这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。硫酯键型3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸酰基辅酶A甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸四、四、NADHNADH和和FADHFADH2 2的彻底氧化的彻底氧化（末端电子传递链）（末端电子传递链）1. 在生物体内NADH和FADH2的彻底氧化可以产 生大量的能量，这一过程是通过呼吸链来完成的。(1)概念及位置 呼吸链又叫电子传递体系或电子传递链，它是 代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过 一系列的传递体，最后传递给被激活的氧原子 ，而生成水的全部体系。在真核生物细胞内， 它位于线粒体内膜上，原核生物中，它位于细 胞膜上。2.2.呼吸链呼吸链respiratory chainrespiratory chain ( (电子传递链电子传递链 electron transport chain)electron transport chain)线粒体呼吸链(2)组成呼吸链由许多个组分组成，参加呼吸链的氧化 还原酶有烟酰胺脱氢酶类、黄素脱氢酶类、铁 硫蛋白类、细胞色素类、辅酶Q类等。 NADH：还原型辅 它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。 NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供 体之一。铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关 的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组 分结合成复合物形式存在。它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有两个活 泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+ Fe2+ 变化起传递电子的作用铁硫蛋白铁硫蛋白 NADH泛醌还原酶 简写为NADHQ还原酶, 即复合物I，它的作用是 催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是 一种脱氢酶，也是一种还原酶。 NADHQ还原酶 最少含有16个多肽亚基。它的活性部分含有辅 基FMN和铁硫蛋白。 FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子， 形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电 子转移给Q。 NADHQ还原酶 NADH + Q + H+ = NAD+ + QH2NADHNADH 泛醌还原酶泛醌还原酶（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电 子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为 一种脂溶性醌类化合物。 泛醌泛醌简写为QH2-cyt. c还原酶, 即复合物III, 它 是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其 作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（ cyt. c）的还原。QH2-cyt. c 还原酶 QH2 + 2 cyt. c (Fe3+) = Q + 2 cyt. c (Fe2+) + 2H+ QH2-cyt. c还原酶由9个多肽亚基组成。活 性部分主要包括细胞色素b 和c1，以及铁硫 蛋白（2Fe-2S）。 泛醌泛醌 细胞色素细胞色素c c还原酶还原酶（简写为cyt. ）是含铁的电子传递体，辅基 为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中 心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构 略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色 素a, b, c 和c1等，组成它们的辅基分别为 血红素A、B和C。细胞色素a, b, c可以通过 它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。 细胞色素主要是通过Fe3+ Fe2+ 的互变起 传递电子的作用的。细胞色素它是电子传递链中一 个独立的蛋白质电子 载体，位于线粒体内 膜外表，属于膜周蛋 白，易溶于水。它与 细胞色素c1含有相同 的辅基，但是蛋白组 成则有所不同。在电 子传递过程中，cyt. c通过Fe3+ Fe2+ 的互变 起电子传递中间体作 用。 细胞色素细胞色素c c（cytcyt.c.c）简写为cyt. c 氧化酶，即复 合物IV，它是 位于线粒体呼 吸链末端的蛋 白复合物，由 12个多肽亚基 组成。活性部 分主要包括 cyt. a和a3。 细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶cyt.a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外 ，还含有铜原子。cyt.a a3可以直接以O2为电子 受体。 在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+ Cu2+ 的互变，将cyt.c所携带的电子传 递给O2。琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产 生的中间产物，它在琥珀酸-Q还原酶（复合 物II）催化下，将两个高能电子传递给Q。再 通过QH2-cyt, c还原酶、cyt.c和cyt.c氧化 酶将电子传递到O2。 琥珀酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的 蛋白复合物, 它比NADH-Q还原酶的结构简单 ，由4个不同的多肽亚基组成。其活性部分含 有辅基FAD和铁硫蛋白。 琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢 氧化和Q的还原。琥珀酸-Q还原酶(3)作用 呼吸链的作用是接受还原性辅酶上的氢原 字对(2H+2e)，使辅酶分子氧化，并将电 子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧负 离子(O2-)与质子对(2H+)结合，生成水。 电子对在传递过程中逐步氧化放能，所释 放的能量驱动ADP和无机磷发生磷酸化反 应，生成ATP。 在生物氧化过程中，氧化放能反应常常有吸 能的磷酸化反应偶联发生。偶联反应将氧化 释放的一部分自由能用于无机磷参加的高能 磷酸键生成反应。这种氧化放能反应与磷酸 化吸能反应的偶联，称为氧化磷酸化作用。 根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为底 物水平磷酸化及电子传递体系磷酸化。3.氧化磷酸化oxidatire phosphorylation底物水平磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸 化作用。即底物被氧化的过程中，形成了某些 高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可 使ADP生成ATP。电子传递体系磷酸化是指当电子从NADH或FADH2 经过电子传递体系(呼吸链)传递给氧形成水时 ，同时伴有ADP磷酸化为ATP的全过程。通常所 说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。 研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体 或其制剂的P/O比值和电化学实验。P/O比值 是指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔 数。根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间接 测出ATP生成量。实验指明NADH呼吸链的P/O 值是3，即每消耗一摩尔氧原子就可形成3摩 尔ATP，FADH2呼吸链的P/O值是2，即消耗一 摩尔氧原子可形成2摩尔ATP。(1)ATP产生的数量 ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地 方，例如，NADH呼吸链生成ATP的三个部位是 ：E0值在此三个部位有大的“跳动”，都在 0.2伏以上。(2)ATP产生的部位氧化与磷酸化作用如何耦联尚不够清楚 ，目前主要有三个学说： 化学耦联学说、结构耦联学说与化学渗透学 说， 化学渗透学说的主要论点 呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行 时，呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒 体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的 化学电位差，后者被膜上ATP合成酶所利用， 使ADP与Pi合成ATP。(3)ATP产生的机理抑制剂 电子传递链抑制ATP合成解偶联剂 （uncouplers）2,4-二硝基苯酚（2,4-dinitrophenol DNP）(4) 氧化磷酸化的抑制剂和解偶联剂本章小结生物氧化的概念与作用 NADH，FADH2的彻底氧化 呼吸链（电子传递链）磷酸化组成与存在位点，作用机制，抑制剂底物水平磷酸化，氧化磷酸化， ATP产生底数量与位置，解偶联剂