生物化学教学课件-第五章 生物氧化、

真核细胞中，生物氧化主要在线粒体内 进行，而在不含线粒体的原核生物细胞中， 生物氧化则在细胞膜上进行。
第二节 生物氧化中CO2的生成
生物氧化过程中产生的CO2并非由代谢 物质中的碳原子直接与氧结合而成的。
它来源于由糖、脂和蛋白质等有机物转 变生成的含羧基化合物——有机酸，这些 有机酸在酶的作用下脱羧基即可生成CO2。
它实质上也是由一系列载体组成的电子 传递系统，也叫电子传递链。
氢载体和电子载体也统称为传递体。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(二) 呼吸链的种类
根据代谢物上脱下的氢的初始受体而分类。
若代谢物上脱下的氢直接由NAD+接受而生成 NADH + H+，从而将质子、电子传入呼吸链，则 此呼吸链为NADH 呼吸链。
同样道理，便会有FADH2 呼吸链。
FADH2—＞FeS—＞CoQ—＞Cytb
—＞Cytc1—＞Cytc—＞Cytaa3—＞O2
琥珀酸-Q还原酶
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QH2Cyt . c还原酶、Cyt. c和Cyt. c氧化酶将电子传递 到O2。
还需要经Cu+ = Cu2＋ + e 的化合价 变化来传递电子。
电子最终经Cyta3传给氧使氧变为活化氧 O2-而与2H+结合形成水。
Cytaa3的作用机制目前尚未彻底弄清
其可能的机制：
Cyta的血红素从Cytc处获得电子，再 将由电子传给Cyta3的血红素，再由该血红 素经Cu+ = Cu2＋ + e的价态变化而将 电子传给氧。
NADHQ还原酶 NADH + Q + H+ ========= NAD+ + QH2
NADH泛醌还原酶
泛醌细胞色素c还原酶
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+
n=6-10
辅酶-Q的功 能
Q (醌型结构) 很 容易接受电子和质子 ，还原成QH2（还 原型）；QH2也容 易给出电子和质子， 重新氧化成Q。因此 ，它在线粒体呼吸链 中作为电子和质子的 传递体。
（五） 细胞色素类（Cyt）
1．概念 这是一类以血红素（含铁卟啉的衍生
物）为辅基的蛋白质，呈红色或褚（chu） 色（似应为赭（zhe）色？）。
第五章 生物氧化
第一节 概 述
一. 生物氧化的概念 一切生物体都要靠能量来维持其生 命活动，其所需能量大都直接源于体内 糖、脂、蛋白质等有机物质的氧化。
生物氧化就是指有机物在生物体内 被氧化分解为CO2、H2O并释放出能量 的过程。
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反应，故又称为细胞氧 化、细胞呼吸，有时也叫组织呼吸。
I
II
→ Cytc → Cytaa3 →O2 III
1. 位点I－ NADH脱氢酶，
位点II－ CoQH2-CytC还原酶 位点III－ Cytc氧化酶
在每种情况下，电子传递都伴 有质子的吸收和/或释放。
如NADH脱氢酶完全是一种膜 蛋白，其在膜中的方向性可使质子 从膜的一侧摄入，而在膜的另一侧 释放。
二. 生物氧化的特点
生物氧化是在温度为体温、pH 近乎中性的水溶液这样一个细胞内环 境中发生的，经一系列酶、辅酶和中 间传递体的作用逐步进行的。
在这个过程中，从代谢物上脱下的氢 最终被传到氧而生成水;
能量逐步释放，其中有相当一部份并 不以热能的形式散失，而是先被传送到高 能化合物（如ATP）上，再满足生物的需 要；
它是呼吸链中将电子由CoQ传至O2的 电子传递蛋白。
它可经铁的化合价之变化而传递电子: Fe2＋ =Fe3＋ + e
目前认为，它是单电子传递蛋白。
２． 种 类
各种细胞色素之辅基结构略有差异， 据此而将细胞色素分成若干种。
（１）在线粒体呼吸链上的有Cytb、 Cytc、Cytc1、Cyta、Cyta3，其辅基的差 异在于卟啉的侧链基团不同。
Cytaa3又叫细胞色素氧化酶、细胞色素 C氧化酶或亚铁细胞色素C-氧化还原酶。
细胞色素c氧化酶
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. aa3。
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。
当有适当受体时， NADH或NADPH上 的氢又可脱下而氧化生成NAD+或NADP+ 。
（二） 黄素蛋白类
这类酶以FMN或FAD为辅基 。 如琥珀酸脱氢酶，以FAD为辅酶，从琥珀酸 分子上接受2个氢（即2个质子和2个电子），然 后可将2个氢传给CoQ进入呼吸链。
NADH 呼吸链中也存在有黄酶类。 例如NADH脱氢酶，该酶以FMN为辅基，可 从NADH上接受一个质子和2个电子后再将该质子 和电子传递给呼吸链中的另一个中间传递体。
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。
（４）Cytaa3至今未能分开，以复合物的形 式存在，其分子量约为200000，含有多个 大小不同的亚基。
该复合体中含有2个血红素A为辅基，另 含有2个铜原子。
在 呼吸链的电子传递过程中，它不仅需 要经Fe2＋ = Fe3＋ + e 的化合价变化来传 递电子，
CoQ在线粒体内膜上未与蛋白质结合 ，又具脂溶性，故可在膜脂中自由泳动。
它不仅是呼吸链中的传递体，而且可以 在膜的内外两侧之间同时传递质子和电子 。
泛醌
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。
O
CH3O
CH3
CH3O O
(CH2CH C CH2)nH CH3
（四）辅酶Q
它是脂溶性的醌类化合物，广泛存在 于生物体内，故又名泛醌。
它有一聚异戊二烯侧链。
不同种属的生物其聚异戊二烯侧链的长 短不同，即其中所含的异戊二烯单位数不 同。
例如，哺乳动物细胞内的泛醌中有10个 异戊二烯单位，故该泛醌又被叫做CoQ10。 至于其它细胞，则或为6个，或为8个。
CoQ能可逆地还原为氢醌，据此而传 递质子和电子。
故不能再与O2、CO、CN-等结合。
Cytaa3中的铁原子只形成5个配位键， 还保留1个配位键位置，能与O2、CO、CN等结合，其正常功能为与O2结合。
一般认为每次应有2分子细胞色素参与 电子传递反应。
三．NADH 呼吸链中各传递体的顺序
NADH → FMN→ FeS →CoQ → Cytb→ FeS→ Cytc1
此外还有CO2产生。
从本质上讲，有机分子在体内发生的生 物氧化与其在体外发生的化学过程是相同 的。
这表现在都发生有脱氢、失去电子， 最终产物都为H2O和CO2以及所释放的能量在 数量上是相同的。
但是，体外的化学燃烧常需高温，能量 的释放为骤发式的，并伴随产生大量的光 和热。
而生物氧化则是逐步进行的，能量逐步 释放，不会引起体温的骤然升高。
一. 直 接 脱 羧
由特异性脱羧酶催化，直接从有机酸 上脱去羧基而又与氧化还原作用无关的过 程，即直接脱羧。
根据脱羧过程中产生CO2的羧基在有机 酸分子中的位置，又可将该脱羧作用分为α直接脱羧和β-直接脱羧。
二. 氧 化 脱 羧
在酶的作用下伴随有氧化还原反应而 从有机酸上脱去羧基的过程即为氧化脱羧 。
（三）铁硫蛋白类
这类蛋白含非血红素铁（即非卟啉铁） 和对酸不稳定性硫，又称非血红素铁蛋白 。
当用酸处理时，会放出H2S，释出铁。
由于这类蛋白常与其它传递体结合成复 合物，故又被叫作铁硫中心。有时也叫铁 硫复合物（FeS）。
铁硫蛋白中的铁经价态变化而传递电子: Fe2+ =Fe３＋ + e
它属于单电子传递蛋白。
以NAD+为辅酶的脱氢酶类主要参与呼吸 作用，即参与由代谢物经呼吸链到分子氧之 间的电子传递作用。
以NADP+为辅酶的脱氢酶类则主要将分解 代谢中间产物上的电子转运到生物合成过程 中需要电子的中间产物上，即主要用于合成 代谢。
线粒体中可产生少量的NADPH。
如果NADPH上的H要被用于呼吸链以 生成H2O并产生能量，则它必须先进行如下 反应，即 NADPH + H+ + NAD+ =
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）。
线粒体呼吸链
２. 电子传递抑制剂
能在某一部位阻断呼吸链中电子传递的物质 即是电子传递抑制剂。
NADH → FMN→ FeS →CoQ → Cytb→ FeS→ Cytc1
I
II
→ Cytc → Cytaa3 →O2 III
例如，位点I处的鱼藤酮、安密妥； 位点II处的抗霉素A； 位点III处的氰化物、CO等．
这种抑制可使呼吸链受阻，其前段处于 还原状态，其后则全为氧化状态。
不仅阻断电子传递，而且阻止ATP的生 成。
三. FADH2 呼吸链中各传递体的顺序
当FAD从代谢物上获得氢生成 FADH2后， FADH2上的H+和电子可经 FeS转到CoQ，从而进入 呼吸链。即
铁硫蛋白
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。
铁硫蛋白
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。
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。
（２）除Cytc位于线粒体内膜表面且与膜结 合较松外，其余的细胞色素均与线粒体内膜 结合紧密，不易分离纯化。
（３）Cytc中的血红素辅基和酶蛋白上半胱
氨酸的巯基（-SH）连接而成硫醚键。
它是细胞色素中辅基和酶蛋白以共价键 结合的唯一例子。
细胞色素c（Cyt.c）
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，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。
细胞色素c氧化酶
呼吸链中，除了Cytaa3外，其余的细 胞色素中的铁原子均与卟啉环和蛋白质形 成6个共价键或配位键，
即除与卟啉环形成四个共价键之外 ，另2个与蛋白质上的组氨酸和甲硫氨酸 侧链相连，
一般以NADH 呼吸链为最多，存在最为广泛 。
生物体中 呼吸链有多种形式，有的中 间传递体不同，但电子传递的顺序基本一 致。
总的来说，生物进化越高级，则 呼吸 链越完善。
二. 呼 吸 链 的 组 成
(一) 烟酰胺脱氢酶类
这类酶以NAD+或NADP+为辅酶，又称 为与NAD（P）+相关的脱氢酶。
其中大多以NAD+为辅酶。
根据脱羧过程中产生CO2的羧基在有机 酸分子中的位置，又可将该脱羧作用分为α氧化脱羧和β-氧化脱羧。
第三节 生物氧化中H2O的生成
一. 呼吸链及其种类 (一) 呼吸链
呼吸链是指存在于线粒体内膜上的一种生 物氧化体系。
由代谢物上脱下的氢通过该体系中一系列 的氢载体（即传氢体）和电子载体（即电子传 递体）的传递可最后传递至氧以生成H2O。
NADP+ + NADH + H+
当NADPH上的氢经此反应转到NAD+ 上生成NADH后，这时，氢才能进入呼吸链 。
此反应由吡啶核苷酸转氢酶催化．
NADH：还原型辅酶
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。
线粒体呼吸链
一般讲，烟酰胺脱氢酶发生作用时， NAD+或NADP+往往先和酶的活性中心结合 ，它与代谢物上脱下的氢结合生成NADH或 NADPH ，然后再脱下来。