生物化学 第八章 生物氧化

第八章生物氧化生物氧化概念：

呼吸作用O2CO2+H2O细胞呼吸（微生物）有机物在生物体内的氧化，包括物质分解和产能；营养物质在生物体内氧化分解释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。营养物质能量+CO2+H2OO2第一节生物氧化的方式、特点和酶类第二节线粒体氧化体系第三节非线粒体氧化体系第四节生物氧化中能量的转移和利用第一节生物氧化的方式、特点和酶类生物氧化的特点生物氧化的方式生物氧化中产生CO2的方式参与生物氧化的酶类Goon~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）。氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。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。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。一、生物氧化的特点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。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。二、生物氧化的方式脱电子反应脱氢反应加氧反应本质：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。1.脱电子反应：如Fe2+→Fe3+＋eA2+B2+B3+A3+

其中：

A为电子供体，

B为电子受体。电子不能单独存在于生物体内，有物质失去电子，就有物质得到电子：如：TCA3:异柠檬酸草酰琥珀酸NAD+NADH+H+FADFADH2琥珀酸延胡索酸TCA7:2、脱氢反应：最主要的生物氧化方式－O212+OH3、加氧反应：三、生物氧化中产生CO2的方式氧化脱羧基作用（oxidativedecarboxylation）α-氧化脱羧：丙酮酸的氧化脱羧β-氧化脱羧：苹果酸的氧化脱羧直接脱羧基作用（oxidativedecarboxylation）α-直接脱羧：氨基酸的脱羧β-直接脱羧：草酰乙酸脱羧直接脱羧作用（directdecarboxylation）α-直接脱羧：如氨基酸脱羧R－CHNH2－COOHR－CH2NH2

＋CO2α－氨基酸胺β-直接脱羧：如草酰乙酸脱羧氧化脱羧作用(oxidativedecarboxylation)α-氧化脱羧：如丙酮酸的氧化脱羧：β-氧化脱羧：如苹果酸的氧化脱羧：四、参与生物氧化的酶类

氧化酶类

需氧脱氢酶类

不需氧脱氢酶类

其它酶类1、氧化酶类催化代谢物脱氢，将氢直接交给氧生成水辅酶：金属离子SSH2→H2→H2O1/2O22、需氧脱氢酶类催化代谢物脱氢，直接将氢传给氧生成H2O2SSH2→H2→H2O2O2辅酶：FMN，FAD3、不需氧脱氢酶类催化代谢物脱氢，将脱下的氢经一系列传递体的传递交给氧，生成水。

SSH2→H2→一系列传递→H2→H2O1/2O2辅酶：NAD+，NADP+，FAD，FMN4、其它酶类除上述酶外，体内还有一些氧化还原酶类，如加单氧酶、加双氧酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等。往往存在于非线粒体氧化体系中。第二节线粒体氧化体系一、呼吸链（respiratorychain）二、呼吸链的组成成分和作用三、呼吸链的蛋白质复合体四、呼吸链中各组分的排列顺序Goon~呼吸链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。一、呼吸链（respiratorychain）线粒体的结构

线粒体有双层膜结构，外膜光滑，内膜折叠成嵴，伸向基质。内外膜之间为膜间腔。线粒体呼吸链二、呼吸链的组成成分：(1)以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶(2)黄素酶(3)铁硫蛋白(4)辅酶Q(5)细胞色素呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。NAD+和NADP+的结构NAD+：R=HNADP+：R=PO32-功能：将底物上的氢激活并脱下。辅酶：NAD+或NADP+OR(1)以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶(尼克酰胺核苷酸类)尼克酰胺核苷酸的作用原理：+H+

e+

H++

H+2HHHeH+HNAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2H（2）黄素蛋白辅基：黄素单核苷酸（FMN）/黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）FMN+2HFMNH2FAD+2HFADH2铁硫聚簇（Fe-S中心）主要以(Fe-0S)、(2Fe-2S)或(4Fe-4S)

形式存在，铁硫聚簇与蛋白质结合称为铁硫蛋白。(3)铁硫蛋白铁硫聚簇通过Fe3+

Fe2+

变化，将氢从FMNH2上脱下传给CoQ，同时起传递电子的作用，每次传递一个电子.

CysSSSCys

Fe3+

Fe3+

CysSSSCys

CysSSSCys

Fe3+

Fe2+

CysSSSCys

+e-一种脂溶性的醌类化合物，其分子中的苯醌结构能进行可逆的加氢反应，是氢传递体。

（4）泛醌（CoQ）CoQ+2HCoQH2（5）细胞色素（cytochrome,Cyt）以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质（有颜色），高等动物线粒体呼吸链中主要含有5种细胞色素a、a3、b、c、c1等，细胞色素b、c1、c的辅基都是铁卟啉，细胞色素a、a3的辅基为血红素A。细胞色素主要是通过辅基中Fe3+

Fe2+

的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子。

2Cyt

Fe3++2e-2Cyt

Fe2+递电子体:b→c1→c→aa3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c（cyt.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c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.aa3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。递电子体:b→c1→c→aa3三、呼吸链的蛋白质复合体NADH-Q还原酶(NADHdehydrogenase,complexI)琥珀酸-Q还原酶(succinate-Qreductase,complexⅡ)Q-细胞色素C还原酶(cytochrome

reductase,complexⅢ)细胞色素C氧化酶(cytochrome

oxidase,complexⅣ)ComplexI结构示意图将电子从还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），传递给泛醌。产生ATPComplexⅡ结构示意图琥珀酸脱氢酶+2（Fe-S）+2（Cytb560）将H从FADH2传递给泛醌。ComplexⅢ结构示意图将电子从泛醌传递给细胞色素CComplexⅣ结构示意图将电子从细胞色素C传递给氧。各复合物之间的相互关系四、呼吸链中各组分的排列顺序1、NADH呼吸链（人和动物细胞中主要的呼吸链，因为有机营养物质在氧化过程中大多数脱氢酶以NAD+为辅酶）2、FADH2呼吸链（又称为琥珀酸呼吸链，因为FADH2是由琥珀酸脱下的氢与FAD结合生成的）微粒体氧化体系（加氧体系）过氧化体氧化体系植物细胞中的生物氧化体系线粒体氧化体系是高等动、植物的主要氧化途径。此外还有一类与能量的储存与利用无关，但具有其他重要生理功能的非线粒体氧化体系。第三节非线粒体氧化体系一、微粒体氧化体系

在微粒体中存在一类加氧酶，这类酶所催化的氧化反应是将氧直接加到底物的分子上。⒈双加氧酶⒉单加氧酶

单加氧酶催化的反应可表示如下：

RH+NADPH+H++O2→ROH+NADP+H2O

单加氧酶系与ATP的生成无关，但也具有多种功能，诸如肾上腺皮质类固醇的羟化、类固醇激素的合成、维生素D3的羟化以及胆酸生成中环核的羧化等反应都与其有关；不饱和脂肪酸生成中双键的引入；药物、致癌物和毒物的氧化解毒等也都需要有单加氧酶催化的羟化反应；二、过氧化物酶体氧化体系

过氧化物酶体中含有多种催化生成过氧化氢的酶，同时含有分解过氧化氢的酶，能氧化多种底物。⒈过氧化氢及超氧离子的生成及毒性

生物氧化过程中如果电子供给不足则生成过氧化基团或超氧离子，前者可与H+结合形成过氧化氢。活性氧积累过多可使细胞膜脂质氧化，膜脂结构改变，膜上的一些酶失活；可氧化蛋白质的巯基改变蛋白质功能；可使DNA氧化甚至断裂；Χ射线及γ射线的致癌作用也与它们促进活性氧的生成有关；另外，组织老化也与活性氧的产生密切相关。⒉过氧化氢及超氧离子的清除

过氧化氢清除：超氧离子的清除：

超氧化物歧化酶（SOD）是一类含金属的酶，按所含金属不同分为：Cu、Zn-SOD、Mn-SOD和Fe-SOD，它们广泛地存在于各种组织，能催化超氧离子的歧化反应，因此是人体防御内、外环境中超氧离子对人体侵害的重要的酶。体内SOD活性下降或含量减少，会引起超氧离子的堆积从而引起许多疾病。三、植物细胞中的生物氧化体系多酚氧化酶体系抗坏血酸氧化酶体系乙醇酸氧化酶体系生化反应中的自由能及自由能变化氧化还原电位与自由能变化线粒体膜结构的特点高能磷酸键的生成机制氧化磷酸化的机制线粒体外的氧化磷酸化高能磷酸键的储存和转移利用氧化磷酸化解偶联作用和抑制作用第四节生物氧化过程中能量的转移和利用一、生化反应中的自由能及自由能变化自由能及自由能变化的概念

自由能freeenergy

：在热力学当中，自由能指的是在某一个热力学过程中，系统减少的内能中可以转化为对外作功的部分，它衡量的是：在一个特定的热力学过程中，系统可对外输出的“有用能量”。

ΔG<0，放能，过程可自发进行，产生有用的功；ΔG>0，吸能，过程不可自发进行，须供给能量才能进行；ΔG=0,过程处平衡状态。自由能变化(ΔG）:

ΔG=ΔH-TΔSAB

ΔG=GB-

GAΔG是衡量过程自发性的标准：二、氧化还原电位与自由能变化在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物(氧化剂）接受电子；还原剂失掉电子的倾向（氧化剂得到电子的倾向）称为氧化（--还原）电势（E0）；

在线粒体呼吸链中，推动电子从NADH传递到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+

和1/2O2/H2O两个半反应之间存在很大的电势差（

E0）。(a)½O2+2H++2e-

H2OE0’=+0.82V(b)NAD++H++2e-

NADHE0’=-0.32V

将(a)减去(b)，即得(c)式：(c)½O2+NADH+2H+

H2O+NAD+

E0’=0.82–(-0.32)=+1.14V

G

’=-nF

E0’=-2

96500

1.14=-220kJ/mol★E0’越小，越易失去电子，处于呼吸链的前面，反之，E0’越大，越易得到电子，处于呼吸链的后面。★当电子从E0’值小的物质传到E0’值大的物质时，伴随着自由能的降低，即有热量放出:呼吸链中电子传递方向是从E0’值小向大的方向传递:△G0’=－nF△E0’=－nF

（E0’受体－E0’供体）其中：n是转移的电子数，F是法拉第常数。关于还原电位E0’

氧化剂/还原剂半反应标准还原电位E0’越正，氧化剂氧化能力越强E0’越负，还原剂还原能力越强可判断电子传递方向氧化还原电势与呼吸链电子传递方向三、高能磷酸键的生成机制1、底物磷酸化2、氧化磷酸化由底物分子因脱氢或脱水而使分子内部能量分配产生的高能磷酸键（或高能硫酯键），在激酶作用下将高能键上的键能直接转移给ADP（或GDP）而生成ATP（或GTP）的反应，称为底物水平磷酸化。X~+ADP→ATP+XP1.底物水平磷酸化糖酵解过程的底物磷酸化:磷酸甘油酸激酶

3-磷酸甘油酸这是糖酵解中第一次底物水平磷酸化反应ADPATP1,3-二磷酸甘油酸

(1,3-DPG)OPO3

2-2.氧化磷酸化电子从NADH或FADH2经过呼吸链传递给氧形成水，同时伴有ADP磷酸化为ATP。P/O比值：在电子传递体系磷酸化中，在一定时间内所产生的ATP数目与所消耗的氧（以克原子计）的比值。NADH的P/O=3FADH2的P/O=2NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→a→a3→O2PPP3ADP3ATP根据氧原电势与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的

G

’<-31kJ/mol:FMNH2

Q

G

’=-55.6kJ/mol

cyt.b

cyt.c1

G

’=-34.7kJ/mol

cyt.aa3

O2

G

’=-102.1kJ/mol这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联，产生3个ATP。这些反应称为呼吸链的偶联部位。从琥珀酸

O2只产生2个ATP.ATPATPATP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：四、氧化磷酸化的机制化学偶联学说结构偶联学说化学渗透学说化学偶联学说电子传递和ATP生成的偶联是通过一系列连续的化学反应，而形成一个高能共价中间物，这个中间物在电子传递中形成，随后有裂解将其能量供给ATP的合成。并不能从呼吸链中找到实际的例子结构偶联学说认为电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化而形成一种高能形式；这种高能形式将能量传递给F0F1ATP酶分子而使之能化；

F0F1ATP酶的复原即将能量提供给ATP的合成并从酶上游离下来。化学渗透学说认为电子传递的结果将H+离子从线粒体内膜基质“泵”到膜外液体中，形成一个跨内膜的H+离子梯度，这梯度中所含有的渗透能正是促使ATP生成所需要的能；氧化磷酸化作用的关键因素是质子（H+）梯度和完整的线粒体内膜。因提出氧化磷酸化偶联机制：化学渗透学说而在1978年获诺贝尔化学奖的PeterMitchellMH2MNAD+2H+FeS2e2H+FMN2H+Cytb2H+2eCoQ2H+Cytc1CytcCytaa32e½O2O2-ATP2H+H2OX-+IO-XHIOHH2OX~IX~IX~I头部ATP合酶ADP+PiX-+IO-化学渗透假说Chemiosmoticmodel五、线粒体膜结构的特点

外膜基质嵴膜间腔内膜在生物氧化及能量转换中起关键作用线粒体是生物氧化的发生场所

外膜基质嵴膜间腔内膜ATP偶联因子电镜照片六、高能磷酸键的储存和转移利用人体储存能量的方式不是ATP而是磷酸肌酸磷酸肌酸43.0kJ/mol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-dinitrophenolDNP）七、氧化磷酸化解偶联作用和抑制作用抑制电子传递：MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1

+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FAD-0.18鱼藤酮阿米妥抑制剂：抗霉素A氰化物，CO，叠氮化合物鱼藤酮广泛地存在于植物的根皮部，在毒理学上是一种专属性很强的物质，对昆虫尤其是菜粉蝶幼虫、小菜蛾和蚜虫具有强烈的触杀和胃毒两种作用。早期的研究表明鱼藤酮的作用机制主要是影响昆虫的呼吸作用，主要是与NADH脱氢酶与辅酶Q之间的某一成分发生作用。鱼藤酮使害虫细胞的电子传递链受到抑制，从而降低生物体内的ATP水平最终使害虫得不到能量供应，然后行动迟滞、麻痹而缓慢死亡。鱼藤酮的进入人体的作用机理是线粒体呼吸链，导致人体出现呼吸困难和惊厥等呼吸体统障碍抗霉素A（antimycinA，A3），化学式C26H36N2O9，相对分子质量520.5，是一类由链霉菌产生的大环内脂类天然抗生素,具有抗昆虫、螨类和真菌等生物活性。由某种链丝菌属产生的抗菌素类。这是几种物质的混合物，为呼吸的抑制剂，与线粒体的电子传递体系相结合，可严重阻碍由CoQ向细胞色素c的电子传递。与2－n-庚酸-4-羟基氮萘-N-氧化物的作用同。氰化物进入机体后分解出具有毒性的氰离子（CN-），氰离子能抑制组织细胞内42种酶的活性，如细胞色素氧化酶、过氧化物酶、脱羧酶、琥珀酸脱氢酶及乳酸脱氢酶等。其中，细胞色素氧化酶对氰化物最为敏感。氰离子能迅速与氧化型细胞色素氧化酶中的三价铁结合，阻止其还原成二价铁，使传递电子的氧化过程中断，组织细胞不能利用血液中的氧而造成内窒息。中枢神经系统对缺氧最敏感，故大脑首先受损，导致中枢性呼吸衰竭而死亡。此外，氰化物在消化道中释放出的氢氧离子具有腐蚀作用。吸入高浓度氰化氢或吞服大量氰化物者，