生物化学第九章生物氧化

1、物质在生物体内进行氧化称物质在生物体内进行氧化称生物氧化生物氧化，主，主 要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释 放能量，最终生成放能量，最终生成CO2 和和 H2O的过程。的过程。 糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2 能量能量 ADP+Pi ATP 热能热能 第一节第一节 生物氧化的概念生物氧化的概念 生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相 同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气， 都生成CO2和H2O，所释放的能量也相同。但二者 进行的方式和历程却不同： 生物氧化 体外燃烧 1、细胞内温和条件 高温或高压、干燥 条（常温、常

2、压、中性pH、水溶液） 2、一系列酶促反应 无机催化剂 逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆发释放 3、释放的能量转化成ATP被利用 转换为光和热，散失 二、生物氧化的特点 糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP * * 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程 第二节 CO2的生成 第三节 生物氧化中水的生成 一、呼吸链（电子传递链）的概念 1.概念： 在生物氧化过程中，代谢物上脱下的氢经 过一系列的按一定顺序排列的氢传递体和电子传递 体的传递，最后传递给分子氧并生成水，这种氢和 电子的传递体

3、系称为电子传递链。又称呼吸链。 2、呼吸链（电子传递链）分布 原核细胞存在于质膜上 真核细胞存在于线粒体的内膜上 线粒体呼吸链线粒体呼吸链 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e- e- e- e- e- 二、呼吸链的组成成分和作用二、呼吸链的组成成分和作用 （一）（一） NADNAD+ +和和NADPNADP+ +为辅酶的脱氢酶为辅酶的脱氢酶 【组成成分组成成分】 酶蛋白、尼克酰胺（酶蛋白、尼克酰胺（V Vpppp） 核糖、磷酸与核糖、磷酸与AMPAMP。 【作用作用】辅酶接受代

4、谢物脱下的辅酶接受代谢物脱下的2 2H H，传递，传递 给黄素蛋白。给黄素蛋白。 NADH 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。 烟酰胺脱氢酶类 以NAD,NADP为辅酶 氧化还原反应发生时，变化发生在五价氮和三价氮之间 （二）、黄素酶（二）、黄素酶- -黄素蛋白（黄素蛋白（FlavoproteinFlavoprotein） 【组成成分组成成分】酶蛋白、黄素单核苷酸（酶蛋白、黄素单核苷酸（FMNFMN） 黄素腺嘌呤二核苷酸（黄素腺嘌呤二核苷酸（FADFAD），它们由核黄素），它们由核黄素 （Vit BVit B2 2）、磷酸、

5、）、磷酸、AMPAMP组成。组成。 【作用作用】进行可逆的脱氢加氢反应。进行可逆的脱氢加氢反应。 【传递机制传递机制】异咯嗪的第异咯嗪的第1 1、1010位位N N上可加氢上可加氢 【主要形式主要形式】琥珀酸脱氢酶以琥珀酸脱氢酶以FADFAD为辅酶，将为辅酶，将 代谢物脱下的代谢物脱下的H H传入呼吸链。传入呼吸链。 FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪， 氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN。 （三）、铁硫蛋白（三）、铁硫蛋白（iron-sulfur iron-sulfur protein,Fe-Sprotein,Fe-S） n 铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。铁硫蛋白与黄素蛋白形

6、成复合物存在。 【组成成分组成成分】含等量的铁原子和硫原子含等量的铁原子和硫原子 （ FeFe2 2 S S2 2，FeFe4 4S S4 4）铁原子与铁硫蛋白的半胱）铁原子与铁硫蛋白的半胱 氨酸相连氨酸相连 【作用作用】将将FMNFMN或或FADFAD中的电子传递给泛醌。中的电子传递给泛醌。 【传递机制传递机制】单电子传递单电子传递 Fe2+ Fe3+e 铁硫蛋白中辅基铁硫簇（FeS）含有等量铁原 子和硫原子，基中铁原子可进行Fe2+ Fe3+e反 应传递电子 表示无机硫原子 铁硫聚簇有几种不同的类型，有的只含有一个铁原 子FeS，有的只含有两个铁原子2Fe-2S，有的 含有4个铁原子4Fe

7、-4S 铁硫蛋白类 （四）辅酶Q（CoQ） 辅酶Q（CoQ）又称泛醌，有时简称Q。是脂溶性 辅酶。在线粒体内膜中是一种均一的流动库，可以 结合到膜上，也可以游离状态存在。 CoQ和FMN都是NADH-Q还原酶的辅酶。 CoQ和 FMN一样，都能够接受或给出一个或两个电子，因 为它们都有稳定的半醌形式。 复合体复合体: NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶 u 功能功能: 将电子从将电子从NADH传递给泛醌传递给泛醌 (ubiquinone) 复合体复合体 NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 复合体复合体的功能的功能 NADH+H+

8、NAD+ FMN FMNH2 还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S Q QH2 复合体复合体: : 琥珀酸琥珀酸- -泛醌还原酶泛醌还原酶 u 功能功能 将电子从琥珀酸传递给泛醌将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体复合体 琥珀酸琥珀酸 CoQ Fe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 （五）细（五）细 胞胞 色色 素素 类类 细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电电 子传递的酶类子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。，根据它们吸收光谱不同而分类。 细胞色素细胞色素c c（cyt.ccyt.c） n它是电子传递链中一个它是电子传递链

9、中一个 独立的蛋白质电子载体，独立的蛋白质电子载体， 位于线粒体内膜外表，位于线粒体内膜外表， 属于膜周蛋白，易溶于属于膜周蛋白，易溶于 水。它与细胞色素水。它与细胞色素c c1 1含含 有相同的辅基，但是蛋有相同的辅基，但是蛋 白组成则有所不同。在白组成则有所不同。在 电子传递过程中，电子传递过程中，cyt. cyt. c c通过通过FeFe3+ 3+ Fe Fe2+ 2+ 的 的 互变起互变起电子传递中间体电子传递中间体 作用。作用。 细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶 n简写为简写为cyt. c cyt. c 氧氧 化酶，它是位于线化酶，它是位于线 粒体呼吸链末端的粒体呼吸链末端的 蛋白

10、复合物，由蛋白复合物，由1212 个多肽亚基组成。个多肽亚基组成。 活性部分主要活性部分主要包括包括 cyt acyt a和和a a3 3。 ncyt acyt a和和a a3 3组成一个复合体，除了含有铁卟组成一个复合体，除了含有铁卟 啉外，还含有铜原子。啉外，还含有铜原子。cyt aacyt aa3 3可以直接以可以直接以 O O2 2为电子受体。为电子受体。 n在电子传递过程中，分子中的铜离子可以在电子传递过程中，分子中的铜离子可以 发生发生CuCu+ + Cu Cu2+ 2+ 的互变，将 的互变，将cyt.ccyt.c所携带所携带 的电子传递给的电子传递给O O2 2。 细胞色素细胞色

11、素c c氧化酶氧化酶 复合体复合体: 泛醌泛醌-细胞色素细胞色素c还原酶还原酶 u 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 复合体复合体 QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1 复合体: 细胞色素c氧化酶 u 功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧 复合体复合体 还原型还原型Cyt c O2 CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB形成的活性部位将电子交给形成的活性部位将电子交给O2。 由以下实验确定由以下实验确定 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 拆开和重组拆开和重组 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 （二）呼

12、吸链成分的排列顺序（二）呼吸链成分的排列顺序 体内主要呼吸链体内主要呼吸链 1 1、NADHNADH氧化呼吸链氧化呼吸链 【组成与作用组成与作用】脱氢酶（脱氢酶（CoICoI）、黄素蛋白、）、黄素蛋白、 铁硫蛋白、铁硫蛋白、CoQCoQ和细胞色素。和细胞色素。 2 2、FADHFADH氧化呼吸链（氧化呼吸链（琥珀酸琥珀酸氧化呼吸链）氧化呼吸链） 【组成和作用组成和作用】脱氢酶（脱氢酶（FADFAD）、）、CoQCoQ、细胞、细胞 色素色素 【差异差异】脱下的脱下的2H2H不经过不经过NADNAD+ +传递传递, ,其余过程其余过程 与与NADHNADH呼吸链相同呼吸链相同. . 电子在呼吸链中

13、的传递方式电子在呼吸链中的传递方式 (I) (II) (III)(IV) 电子传递链 第四节第四节 生物氧化和能量代谢生物氧化和能量代谢 一、高能磷酸键与高能磷酸化合物一、高能磷酸键与高能磷酸化合物 u高能磷酸键高能磷酸键 水解时释放的能量大于水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，的磷酸酯键， 常表示为常表示为 P。 u高能磷酸化合物高能磷酸化合物 含有高能磷酸键的化合物含有高能磷酸键的化合物 ATP的生成和利用的生成和利用 ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸 肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 机械能机械能( (肌肉收缩肌肉收缩) ) 渗透能渗透能( (物

14、质主动转运物质主动转运) ) 化学能化学能( (合成代谢合成代谢) ) 电能电能( (生物电生物电) ) 热能热能( (维持体温维持体温) ) 生物体内能量的储存和利生物体内能量的储存和利 用都以用都以ATP为中心。为中心。 核苷二磷酸激酶的作用核苷二磷酸激酶的作用 ATP + UDP ADP + UTP ATP + CDP ADP + CTP ATP + GDP ADP + GTP 腺苷酸激酶的作用腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP 肌酸激酶的作用肌酸激酶的作用 磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。 二、二、ATP

15、的形成的形成 （一）底物水平磷酸化（一）底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是底物分子脱氢、脱水，引是底物分子脱氢、脱水，引 起分子内部能量重新分布，生成高能键，使起分子内部能量重新分布，生成高能键，使 ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程。的过程。 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 ATP的形成的两种方式：的形成的两种方式： OH O- O C CH CH2OPO OH OH 1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 (1,3- diphosphoglycerate) 3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 (glyceraldehy

16、de 3-phosphate)(glyceraldehyde 3-phosphate) OH H O C CH CH2OPO OH OH 3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶 + NADH+H+NAD+ HPO4 2- OPO 3 2- 3-磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶 H OH O O C CH CH2OPO OH OH 3-3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 (3-phosphoglycerate) OH O- O C CH CH2OPO OH OH 1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 (1,3- diphosphoglycerate) OPO 3 2- ADPATP Mg2+ （二）氧化磷酸

17、化（二）氧化磷酸化 n*1、 定义定义 q氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在氧化反应和是指在氧化反应和 磷酸化反应的偶联，呼吸链电子传递磷酸化反应的偶联，呼吸链电子传递 过程中释放能量使过程中释放能量使ADP磷酸化，生成磷酸化，生成 ATP。 2、氧化磷酸化的作用机制 (1)ATP产生的数量 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。又可以看作是当一对电子通过呼吸链传 至O2所产生的ATP分子数。 实验表

18、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。 (2)ATP产生的部位 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。 五、氧化磷酸化的抑制 常用的几种电子传递抑制剂及其作用部位 （1）鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：其作用是阻断 电子在NADHQ还原酶内的传递，所以阻断了电子 由NADH向CoQ的传递。 （2）抗霉素A：它是由链酶素分离出的抗生素，有 干扰细胞色素还原酶中电子从细胞色素b 向cyt

19、C1的 传递作用。 （3）氰化物（CN-）、叠氮化物（N3-）、一氧化碳 （CO）等：其作用是阻断电子在细胞色素氧化酶中 传递，即阻断了电子由cytaa3向分子氧的传递。 鱼藤酮 安密妥 杀粉蝶菌素 抗霉素A 氰化物 一氧化碳 硫化氢 叠氮化合物 六、六、 氧化磷酸化的作用机理氧化磷酸化的作用机理 一、线粒体的结构一、线粒体的结构 线粒体是生物氧化和能量转换的主要场所。线粒体是生物氧化和能量转换的主要场所。 1 1、ATPATP酶复合体酶复合体 n 线粒体内膜的表面有一层规则地间线粒体内膜的表面有一层规则地间 格排列着的球状颗粒，称为格排列着的球状颗粒，称为ATPATP酶复酶复 合体，是合体，

20、是ATPATP合成的场所。合成的场所。 nATPATP酶，含有酶，含有5 5种不种不 同的亚基（按同的亚基（按3 3 、 3 3 、1 1 、1 1 和和1 1 的的 比例结合）。比例结合）。 nOSCPOSCP为一个蛋白，为一个蛋白， 是能量转换的通道。是能量转换的通道。 nF F0 0为一个疏水蛋白，为一个疏水蛋白， 是与线粒体电子传是与线粒体电子传 递系统连接的部位。递系统连接的部位。 当当H+顺浓度递度经顺浓度递度经F0中中a亚基和亚基和c亚基之间亚基之间 回流时，回流时，亚基发生旋转，亚基发生旋转，3个个亚基的构象发生亚基的构象发生 改变。改变。 ATP合酶的工作机制合酶的工作机制

21、氧化与磷酸化作用如何偶联尚不够清楚， 目前主要有三个学说： 化学耦联学说 结构耦联学说 化学渗透学说 二二 氧化磷酸化的作用机理氧化磷酸化的作用机理 1.化学偶联假说（1953） 认为电子传递过程产生一种活泼的高能 共价中间物。它随后的裂解驱动氧化磷酸 化作用。 2.构象偶联假说（1964） 认为电子沿电子传递传递使线粒体内膜 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。 3.化学渗透学说（1961） 认为电子传递释放出的自由能和ATP合成是与一 种跨线粒体的质子梯度相偶联的。 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。 1.递H体与递e体交替排列 2. 递H体有H泵作用，将2H+泵出内膜，2e传给 递电子体，整个过程共泵出3对H+ 3.线粒体膜对H+不通透，造成H+跨膜梯度 4.H+通过ATP酶回流，生成ATP 质子的流向 电子的流向 线粒体基质线粒体基质 线粒体