第七章 生物氧化
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第七章_生物氧化
第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系
复合体Ⅲ的电子传递通过 “Q循环”实现。
复合体Ⅲ每传递2个电子向 内膜胞浆侧释放4个H+， 复合体Ⅲ也有质子泵作用。
Cyt c是呼吸链唯一水溶性 球状蛋白，不包含在复合 体中。将获得的电子传递 到复合体Ⅳ。
第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系
1.1.4 复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧
第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系
铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫 原子，其中一个铁原子可进行Fe2+ Fe3++e 反应传递电 子。属于单电子传递体。
Cys
Ⓢ 表示无机硫
第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系
泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形成较长 的疏水侧链（人的CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物 半醌型泛醌。功能是在各个复合体间募集并穿梭传递还原当量 和电子，在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。
第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系
NADH+H+ NAD+
FMN FMNH2
还原型Fe-S 氧化型Fe-S
Q QH2
复合体Ⅰ的功能
第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系
1.1.2 复合体Ⅱ功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。
复合体Ⅱ是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀 酸-泛醌还原酶。
电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S →CoQ 复合体Ⅱ没有H+泵的功能。
第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系
氧化呼吸链的组成：4种复合体组成***
人线粒体呼吸链复合体
复合体
酶名称
复合体Ⅰ NADH-泛醌还 原酶
复合体Ⅱ 琥珀酸-泛醌还 原酶
第七章 生物氧化
按其分子结构特点及所含高能键的特征分 磷氧型 磷氮型 烯醇式磷酸化合物 酰基磷酸化合物 焦磷酸化合物 胍基磷酸化合物
高能磷酸化合物
硫酯键化合物
高能非磷酸化合物
甲硫键化合物
几种常见的高能化合物
ATP的结构与功能 二、ATP的结构与功能
ATP的分子结构特点与水解自由能的关系 （1）ATP的分子结构特点与水解自由能的关系
三、高能化合物
生化反应中， 生化反应中 ， 在水解时或基团转移反应中可 释放出大量自由能（ 21千焦 摩尔） 千焦/ 释放出大量自由能 （ > 21 千焦 / 摩尔 ） 的化合物称 为高能化合物。 为高能化合物。 （一）生物体内的高能化合物 ATP的结构与功能 （二）ATP的结构与功能
一、高能化合物的类型
ATP的利用途径 的利用途径 ATP的 的 相 对 生成途径 速 率
能荷
能荷对ATP的生成途径和 的生成途径和ATP 能荷对 的生成途径和 的利用途径相对速率的 影响
ATP循环 ATP循环
ATP
肌酸 磷酸 肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化
~P 机械能(肌肉收缩) 机械能(肌肉收缩) 渗透能(物质主动转运) 渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢) 化学能(合成代谢) 电能(生物电) 电能(生物电) 热能(维持体温) 热能(维持体温)
第七章 生物氧化
第一节 第二节 第三节 生物氧化概述 电子传递链 氧化磷酸化
第一节 生物氧化概述
一、生物氧化的概念及特点 二、生化反应中自由能的变化 三、高能化合物
一、生物氧化的概念及特点
1、概念：糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行 概念：糖类、脂肪、 氧化分解生成CO 氧化分解生成 CO2 和 H2O 并释放出能量的过程称为生物氧
高能磷酸化合物
硫酯键化合物
高能非磷酸化合物
甲硫键化合物
几种常见的高能化合物
ATP的结构与功能 二、ATP的结构与功能
ATP的分子结构特点与水解自由能的关系 （1）ATP的分子结构特点与水解自由能的关系
三、高能化合物
生化反应中， 生化反应中 ， 在水解时或基团转移反应中可 释放出大量自由能（ 21千焦 摩尔） 千焦/ 释放出大量自由能 （ > 21 千焦 / 摩尔 ） 的化合物称 为高能化合物。 为高能化合物。 （一）生物体内的高能化合物 ATP的结构与功能 （二）ATP的结构与功能
一、高能化合物的类型
ATP的利用途径 的利用途径 ATP的 的 相 对 生成途径 速 率
能荷
能荷对ATP的生成途径和 的生成途径和ATP 能荷对 的生成途径和 的利用途径相对速率的 影响
ATP循环 ATP循环
ATP
肌酸 磷酸 肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化
~P 机械能(肌肉收缩) 机械能(肌肉收缩) 渗透能(物质主动转运) 渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢) 化学能(合成代谢) 电能(生物电) 电能(生物电) 热能(维持体温) 热能(维持体温)
第七章 生物氧化
第一节 第二节 第三节 生物氧化概述 电子传递链 氧化磷酸化
第一节 生物氧化概述
一、生物氧化的概念及特点 二、生化反应中自由能的变化 三、高能化合物
一、生物氧化的概念及特点
1、概念：糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行 概念：糖类、脂肪、 氧化分解生成CO 氧化分解生成 CO2 和 H2O 并释放出能量的过程称为生物氧
第七章生物氧化
代谢脱下的成对氢原子（ 通过多种酶和辅酶 （1）代谢脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶 所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧 所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成 水； 酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜； 线粒体内膜 （2）酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜； 传递氢的酶和辅酶——递氢体 传递氢的酶和辅酶 递氢体 传递电子的酶和辅酶——递电子体 传递电子的酶和辅酶 递电子体 此过程与细胞呼吸有关，此传递链称为呼吸链 呼吸链。 （3）此过程与细胞呼吸有关，此传递链称为呼吸链。 递氢体、递电子体都起传递电子的作用，又称电 递氢体、递电子体都起传递电子的作用，又称电 子传递体。 子传递体。
3.生物氧化的特点 3.生物氧化的特点
C6H12O6 + 6O2 (2840kJ/mol) 6CO2+6H2O + 能量
生物氧化
反应条件 反应过程 能量释放 CO2生成方式 温 和 (体温、pH近中性) 体温、pH近中性) 近中性 酶促反应 逐步进行 （化学能、热能） 化学能、热能） 有机酸脱羧
体外燃烧
呼 吸 链
AH2
2H(2H++2e)
1 2 O2
H2O
氧化
A ADP+Pi
能量 ATP 磷酸化
偶 联
NADH呼吸链能够产生 呼吸链能够产生3 如：1mol NADH + H+经NADH呼吸链能够产生3 molATP
3.氧化磷酸化偶联部位（重点） 3.氧化磷酸化偶联部位（重点） 氧化磷酸化偶联部位
(P253)
位置: 位置:位于线粒体内 膜上(真核) 膜上(真核)，细胞 膜上(原核) 膜上(原核)。
线粒体的结构
呼吸链
二、呼吸链的化学组成成分
3.生物氧化的特点 3.生物氧化的特点
C6H12O6 + 6O2 (2840kJ/mol) 6CO2+6H2O + 能量
生物氧化
反应条件 反应过程 能量释放 CO2生成方式 温 和 (体温、pH近中性) 体温、pH近中性) 近中性 酶促反应 逐步进行 （化学能、热能） 化学能、热能） 有机酸脱羧
体外燃烧
呼 吸 链
AH2
2H(2H++2e)
1 2 O2
H2O
氧化
A ADP+Pi
能量 ATP 磷酸化
偶 联
NADH呼吸链能够产生 呼吸链能够产生3 如：1mol NADH + H+经NADH呼吸链能够产生3 molATP
3.氧化磷酸化偶联部位（重点） 3.氧化磷酸化偶联部位（重点） 氧化磷酸化偶联部位
(P253)
位置: 位置:位于线粒体内 膜上(真核) 膜上(真核)，细胞 膜上(原核) 膜上(原核)。
线粒体的结构
呼吸链
二、呼吸链的化学组成成分
生物化学(王镜岩版)第七章 生物氧化
复合体Ⅰ 复合体Ⅰ
FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 NADH→ →CoQ
NAD+和NADP+的结构
R=H: NAD+;
R=H2PO3:NADP+
NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变 （ ）
氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。 氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。
NADH
NADH-Q 还原酶
琥珀酸-Q 还原酶
FADH2
FMN、Fe-S
辅酶Q
FAD、Fe-S
细胞色素 b-562
细胞色素还原酶 细胞色素c 血红素a 血红素a3 CuA和 CuB 细胞色素氧化酶 O2
细胞色素b-566 细胞色素c1 Fe-S
1. 复合体Ⅰ: NADH-泛醌还原酶 复合体Ⅰ NADH功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone) 功能 将电子从 传递给泛醌
二、氧化还原电势 氧化还原反应——凡是反应中有电子从一种 物质转移到另一种物质的化学反应称为氧化 还原反应。即电子转移反应就是氧化还原反 应。 如： Fe 3＋ ＋ e
氧化型 电子受体
Fe 2＋
还原型 电子供体
氧化还原电势——还原剂失掉电子或氧化剂 得到电子的倾向称氧化还原电势。
标准电势——任何的氧化-还原物质即氧还电对都 有其特定的电动势，称标准电势。用E0或ε0表示。 氧还电对的标准电势值越大，越倾向于获得电子。 例如，异柠檬酸/α-酮戊二酸 + CO2电对在浓度均 为1.0mol/L时，其标准电势为-0.38V， 这个氧化电对倾向于将电子传递给氧还电对 NADH/NAD+，因为其标准电势为-0.32V。
FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 NADH→ →CoQ
NAD+和NADP+的结构
R=H: NAD+;
R=H2PO3:NADP+
NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变 （ ）
氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。 氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。
NADH
NADH-Q 还原酶
琥珀酸-Q 还原酶
FADH2
FMN、Fe-S
辅酶Q
FAD、Fe-S
细胞色素 b-562
细胞色素还原酶 细胞色素c 血红素a 血红素a3 CuA和 CuB 细胞色素氧化酶 O2
细胞色素b-566 细胞色素c1 Fe-S
1. 复合体Ⅰ: NADH-泛醌还原酶 复合体Ⅰ NADH功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone) 功能 将电子从 传递给泛醌
二、氧化还原电势 氧化还原反应——凡是反应中有电子从一种 物质转移到另一种物质的化学反应称为氧化 还原反应。即电子转移反应就是氧化还原反 应。 如： Fe 3＋ ＋ e
氧化型 电子受体
Fe 2＋
还原型 电子供体
氧化还原电势——还原剂失掉电子或氧化剂 得到电子的倾向称氧化还原电势。
标准电势——任何的氧化-还原物质即氧还电对都 有其特定的电动势，称标准电势。用E0或ε0表示。 氧还电对的标准电势值越大，越倾向于获得电子。 例如，异柠檬酸/α-酮戊二酸 + CO2电对在浓度均 为1.0mol/L时，其标准电势为-0.38V， 这个氧化电对倾向于将电子传递给氧还电对 NADH/NAD+，因为其标准电势为-0.32V。
第七章生物氧化
第七章生物氧化1．化学渗透学说的要点是什么2．2，4－二硝基苯酚的解偶联机制是什么3．简述ATP合成酶的结构特点及功能。
4．阐述一对电子从NADH传递至氧所生成的ATP分子数。
5．一对电子从FADH。
传递至氧产生多少分子ATP为什么6 简述ADP对呼吸链的调节控制作用。
7．试比较电子传递抑制剂，氧化磷酸化抑制剂和解偶联剂对生物氧化作用的影响。
8．呼吸链中各电子传递体的排列顺序是如何确定的9．铁硫蛋白和细胞色素传递电子的方式是否相同为什么10．为什么说在呼吸链中，辅酶Q是一种特殊灵活的载体参考答案1．化学渗透学说的要点是：（1）呼吸链中各递氢体和电子传递体是按特定的顺序排列在线粒体内膜上；（2）呼吸链中三大复合物（即NADH－CoQ还原酶复合物，细胞色素还原酶复合物和细胞色素氧化酶复合物）都具有质子泵的作用，在传递电子的过程中将2个H＋泵出内膜，所以呼吸链的电子传递系统是一个主动运输质子的体系；（3）质子不能自由通过线粒体内膜，泵出膜外的H＋不能自由返回膜内侧，使膜内外形成质子浓度的跨膜梯度；（4）在线粒体内膜上存在有ATP合成酶，当质子通过ATP合成酶返回线粒质时，释放出自由能，驱动ADP和Pi合成ATP。
2．2，4一二硝基苯酚在生理条件下，羟基解离带负电荷，不能穿过线粒体内膜。
但由于内膜二侧的质子浓度梯度使内膜外侧的PH降低，这样羟基就不能解离，2，十二硝基苯酚可自由进入线粒体，一分子2，4－二硝基苯酚进入线粒体就相当于从内膜外侧带入线粒体内一个质子，破坏了内膜二侧的质子梯度，使ATP不能合成，而电子传递继续进行，结果使电子传递和氧化磷酸化两个过程分离。
3．ATP合成酶复合物由头部，基部和柄部组成。
头部也称F1，是由5种肽链组成的9聚体（α3β3γδε），具有催化ATP合成的功能，其中α和β亚基上有ATP和ADP结合位点，β亚基为催化亚基，γ-亚基可调节质子从F0蛋白向F1蛋白的流动，起阀门作用。
【化学】呼吸链生物化学
第七章生物氧化1、生物氧化（biological oxidation）：物质在体内进行氧化称生物氧化。
主要指营养物质在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2和水的过程。
生物氧化又称组织呼吸或细胞呼吸。
生物氧化释放的能量：主要（40%以上）用于ADP的磷酸化生成A TP，供生命活动之需。
其余以热能形式散发用于维持体温。
2、生物氧化内容（1）生物体内代谢物的氧化作用、代谢物脱下的氢与氧结合成水的过程。
（2）生物体内二氧化碳的生成。
（3）能量的释放、储存、利用（ATP的代谢——A TP的生成与利用）。
3、生物氧化的方式——遵循一般氧化还原规律。
（1）失电子：代谢物的原子或离子在代谢中失去电子，其原子正价升高、负价降低都是氧化。
（2）脱氢：代谢物脱氢原子（H=H++e）的同时失去电子。
（3）加氧：向底物分子直接加入氧原子或氧分子的反应使代谢物价位升高，属于氧化反应。
向底物分子加水、脱氢反应的结果是向底物分子加入氧原子，也属于氧化反应。
4、生物氧化的特点（1）在温和条件下进行（37℃，中性pH等）；（2）在一系列酶催化下完成；（3）能量逐步释放，部分储存在A TP分子中；（4）广泛以加水脱氢方式使物质间接获得氧；（5）水的生成由脱下的氢与氧结合产生；（6）反应在有水环境进行；（7）CO2由有机酸脱羧方式产生。
5、物质体外氧化（燃烧）与生物氧化的比较（1）物质体内、体外氧化的相同点：物质在体内外氧化所消耗的氧量、最终产物、和释放的能量均相同。
（2）物质体内、体外氧化的区别：体外氧化（燃烧）产生的二氧化碳、水由物质中的碳和氢直接与氧结合生成；能量的释放是瞬间突然释放。
5、营养物氧化的共同规律糖类、脂类和蛋白质这三大营养物的氧化分解都经历三阶段：分解成各自的构件分子（组成单位）、降解为乙酰CoA、三羧酸循环。
第一节 ATP生成的体系一、呼吸链（respiratory chain）：代谢物脱下的氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水。
第七章 生物氧化
（3） NAD+ 是呼吸链中第一个递氢体。
（二）黄素酶
黄素蛋白也属于一类氧化还原酶，其辅基 中含有核黄素（Vit B2),因此黄素蛋白又 称为黄素酶。 黄素蛋白 酶蛋白 （黄素酶） 辅基 FMN FAD
维生素B2（核黄素）体内辅酶形式为
黄素单核苷酸(FMN)
黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)
FMN和FAD发挥功能的部位是核黄素
结构中的异咯嗪环，在该环上可 以进行可逆地加氢或脱氢反应。
NADH脱氢酶 琥珀酸脱氢酶
脂肪酰COA
酶蛋白 FMN 酶蛋白 FAD
酶蛋白 FAD
特点
1、FMN与FAD的异咯嗪环第1位、第10位 两个N原子能够可逆的进行加氢还原， 脱氢氧化。 2、呼吸链中第二个递氢体。 3、传递了两个 氢原子。
重点：
1、体内两条重要呼吸链
2、两条呼吸链的组成特点 3、呼吸链电子的传递顺序b c1 c aa3
NADH氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链
4、NAD2H 进入 FAD2H 进入
NADH氧化呼吸链
琥珀酸氧化呼吸链 进入
5、NADPH2 转变 NADH2 NADH氧化呼吸链
有三步反应。（糖代谢）
1，3二磷酸甘油酸 +ADP 磷酸烯醇式丙酮酸 + ADP 丙酮酸 +ATP 琥珀酸 + GTP 磷酸甘油激酶 丙酮酸激酶 3- 磷酸甘油酸+ATP
二、ATP的生成 ATP生成方式
重 点
底物水平磷酸化 氧化磷酸化 80%
？
（一）底物水平磷酸化 代谢物在氧化分解过程中，有少数反 应因脱氢或脱水而引起分子内部能量 重新分布，产生高能键，然后将高能 键转给ADP生成ATP的过程称为底物水 平磷酸化。
（二）黄素酶
黄素蛋白也属于一类氧化还原酶，其辅基 中含有核黄素（Vit B2),因此黄素蛋白又 称为黄素酶。 黄素蛋白 酶蛋白 （黄素酶） 辅基 FMN FAD
维生素B2（核黄素）体内辅酶形式为
黄素单核苷酸(FMN)
黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)
FMN和FAD发挥功能的部位是核黄素
结构中的异咯嗪环，在该环上可 以进行可逆地加氢或脱氢反应。
NADH脱氢酶 琥珀酸脱氢酶
脂肪酰COA
酶蛋白 FMN 酶蛋白 FAD
酶蛋白 FAD
特点
1、FMN与FAD的异咯嗪环第1位、第10位 两个N原子能够可逆的进行加氢还原， 脱氢氧化。 2、呼吸链中第二个递氢体。 3、传递了两个 氢原子。
重点：
1、体内两条重要呼吸链
2、两条呼吸链的组成特点 3、呼吸链电子的传递顺序b c1 c aa3
NADH氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链
4、NAD2H 进入 FAD2H 进入
NADH氧化呼吸链
琥珀酸氧化呼吸链 进入
5、NADPH2 转变 NADH2 NADH氧化呼吸链
有三步反应。（糖代谢）
1，3二磷酸甘油酸 +ADP 磷酸烯醇式丙酮酸 + ADP 丙酮酸 +ATP 琥珀酸 + GTP 磷酸甘油激酶 丙酮酸激酶 3- 磷酸甘油酸+ATP
二、ATP的生成 ATP生成方式
重 点
底物水平磷酸化 氧化磷酸化 80%
？
（一）底物水平磷酸化 代谢物在氧化分解过程中，有少数反 应因脱氢或脱水而引起分子内部能量 重新分布，产生高能键，然后将高能 键转给ADP生成ATP的过程称为底物水 平磷酸化。
生物化学 第07章 生物氧化
糖酵解反应全过程
ATP ADP
葡萄糖
6-磷酸葡萄糖
ATP ADP 6-磷酸果糖 1,6-二磷酸果糖
2×乳酸
磷酸二羟丙酮 2×丙酮酸 2×NADH+ 2H+ 2×NAD+
3-磷酸甘油醛 2×Pi
2×烯醇式丙酮酸 2×ATP
2×ADP
2×磷酸烯醇式丙酮酸
2× 2-磷酸甘油酸
2×H2O
2×1,3-二磷酸甘油酸 2×ADP
物质在体内外氧化时所消耗的氧量、 最终产物（CO2，H2O）和释放能量均 相同。
生物氧化与体外氧化的不同点
生物氧化
体外氧化
反应条件
温和
反应过程 逐步进行的酶促反应
能量释放 逐步进行
CO2生成方式 有机酸脱羧
H2O
需要
速率
受体内多种因素调节
剧烈 一步完成 瞬间释放 碳和氧结合
不需要
(二)需氧脱氢酶
脑、骨骼肌
苹果酸-天冬氨酸穿梭
苹果酸、 谷氨酸 天冬aa、α-酮戊二酸
NADH+ H+
NADH 氧化呼吸链
2.5
肝脏和心肌组织
相同点 将胞浆中NADH的还原当量转送到线粒体内
高能化合物
含高能磷酸键或高能硫 酸键的化合物称为高能 化合物
概念：水解时释放的能量 大于21kJ/mol的化学键称 为高能键，常用符号“~” 表示。
细胞色素的传递方向
笔洗一洗AA散 b、c1、c、aa3
洗一洗
4. Cyt在呼吸链中的作用
2Cyt-Fe3++2e
2Cyt-Fe2+
2Cytaa3-Fe2+ +1/2O2 2Cytaa3-Fe3+ +O2-
生物化学第七章生物氧化
生物化学第七章生物氧化适用于高中生物竞赛一、生物氧化的概念和特点：物质在生物体内氧化分解并释放出能量的过程称为生物氧化。
与体外燃烧一样，生物氧化也是一个消耗O2，生成CO2和H2O，并释放出大量能量的过程。
但与体外燃烧不同的是，生物氧化过程是在37℃，近于中性的含水环境中，由酶催化进行的；反应逐步释放出能量，相当一部分能量以高能磷酸酯键的形式储存起来。
二、线粒体氧化呼吸链：在线粒体中，由若干递氢体或递电子体按一定顺序排列组成的，与细胞呼吸过程有关的链式反应体系称为呼吸链。
这些递氢体或递电子体往往以复合体的形式存在于线粒体内膜上。
主要的复合体有：1．复合体Ⅰ（NADH-泛醌还原酶）：由一分子NADH还原酶（FMN），两分子铁硫蛋白（Fe-S）和一分子CoQ组成，其作用是将（NADH+H+）传递给CoQ。
铁硫蛋白分子中含有非血红素铁和对酸不稳定的硫。
其分子中的铁离子与硫原子构成一种特殊的正四面体结构，称为铁硫中心或铁硫簇，铁硫蛋白是单电子传递体。
泛醌（CoQ）是存在于线粒体内膜上的一种脂溶性醌类化合物。
分子中含对苯醌结构，可接受二个氢原子而转变成对苯二酚结构，是一种双递氢体。
2．复合体Ⅱ（琥珀酸-泛醌还原酶）：由一分子琥珀酸脱氢酶（FAD），两分子铁硫蛋白和两分子Cytb560组成，其作用是将FADH2传递给CoQ。
细胞色素类：这是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质，为单电子传递体。
细胞色素可存在于线粒体内膜，也可存在于微粒体。
存在于线粒体内膜的细胞色素有Cytaa3，Cytb（b560，b562，b566），Cytc，Cytc1；而存在于微粒体的细胞色素有CytP450和Cytb5。
3．复合体Ⅲ（泛醌-细胞色素c还原酶）：由两分子Cytb（分别为Cytb562和Cytb566），一分子Cytc1和一分子铁硫蛋白组成，其作用是将电子由泛醌传递给Cytc。
4．复合体Ⅳ（细胞色素c氧化酶）：由一分子Cyta和一分子Cyta3组成，含两个铜离子，可直接将电子传递给氧，故Cytaa3又称为细胞色素c氧化酶，其作用是将电子由Cytc传递给氧。
第七章 生物氧化
化学键，主要包括高能磷酸键和高能硫酯键等。
一、ATP的生成
底物水平磷酸化——高能化合物将能量直接转移给ADP
（或GDP），使其磷酸化生成ATP（或GTP）的过程称为底物 水平磷酸化。
氧化磷酸化——代谢物脱下的氢经电子传递链交给氧生
成水的同时释放出大量能量，并偶联ADP磷酸化生成ATP的 过程称为氧化磷酸化。
P Fe
1.加单氧酶系
450
e
P
450
R
H
2+ FADH2 2Fe2S2 NADP+ 加单氧酶系催化向氧分子中的一个氧原子加到底物分子上 Fe2+ 3+
（羟化），另一个氧原子与NADPH+H+中的氢结合生成水，故
O2
-
又将单加氧酶称为混合功能氧化酶或羟化酶。 e 2H+
NADPH+H+
FAD
2Fe2S2 R
α-磷酸甘油穿梭作用 苹果酸-天冬氨酸穿梭作用
第四节
ATP与能量代谢
ATP几乎是高等生物细胞能够直接利用的唯一能源形式。 糖、脂肪及蛋白质等营养物质氧化过程中产生的能量大
约40%以化学能形式储存起来，其中大部分被ADP磷酸化 利用生成ATP而储存起来，ATP是体内能量储存和利用中 心；
磷酸酯水解时释放大于21kJ/mol的能量，通常称为高能
（一） P/O比值
氧化呼吸中，每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷酸的
摩尔数（或ADP的摩尔数）称为P/O比值；
P/O比值实质上指的是呼吸过程中磷酸化的效率（即
生成ATP的摩尔数）。
线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值
底 物
β-羟丁酸 琥珀酸 抗坏血酸
第七章生物氧化
第七章生物氧化
NADH呼吸链
第七章生物氧化
NADH氧化呼吸链：
丙酮酸
-酮戊二酸
异柠檬酸 苹果酸 谷氨酸
-羟丁酸 -羟脂酰CoA
硫辛酸
2e FAD
NAD+→[ FMN (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3
2H
1/2O2
第七章生物氧化
2H+ H2O
2．琥珀酸氧化呼吸链
❖ 黄素蛋白（以FAD为辅酶）、辅酶Q和细胞 色素组成。其与NADH氧化呼吸链的区别在 于代谢物脱下的2H不经过NAD+这一环节， 除此之外，其氢与电子的传递过程均与 FADH氧化呼吸链相同。其组成和作用如上 图所示。琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶、a 磷酸甘油脱氢酶催化代谢物脱下的氢均通过 此呼吸链被氧化。这条呼吸链不如NADH氧 化呼吸链的作用普遍。
（三）线粒体两条氧化呼吸链
❖ 1、NADH氧化呼吸链 ❖ 由辅酶Ⅰ、黄素蛋白、铁硫蛋白、辅酶Q和细胞色
素组成。体内多种代谢物如苹果酸、乳酸、丙酮酸、 异柠檬酸等在相应脱氢酶的催化下，脱下的氢都通 过此条呼吸链传递给氧生成水。所以此条呼吸链为 体内最重要的呼吸链。代谢物脱下的2H交给NAD+ 生成NADH+H+，后者又在NADH脱氢酶复合体作 用下脱氢，经FMN传递给辅酶Q，生成COQ H2。 以后COQ H2脱下2H=2H++2e，其中2H+游离于 介质中，2e则首先由2Cyt b的Fe3+接受还原成 2Fe2+，并沿着Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2 的顺序逐步传递给氧生成O2-，O2-比较活泼，可与 游离于介质中的2H+结合生成水。
第七章生物氧化
NADH呼吸链
第七章生物氧化
NADH氧化呼吸链：
丙酮酸
-酮戊二酸
异柠檬酸 苹果酸 谷氨酸
-羟丁酸 -羟脂酰CoA
硫辛酸
2e FAD
NAD+→[ FMN (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3
2H
1/2O2
第七章生物氧化
2H+ H2O
2．琥珀酸氧化呼吸链
❖ 黄素蛋白（以FAD为辅酶）、辅酶Q和细胞 色素组成。其与NADH氧化呼吸链的区别在 于代谢物脱下的2H不经过NAD+这一环节， 除此之外，其氢与电子的传递过程均与 FADH氧化呼吸链相同。其组成和作用如上 图所示。琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶、a 磷酸甘油脱氢酶催化代谢物脱下的氢均通过 此呼吸链被氧化。这条呼吸链不如NADH氧 化呼吸链的作用普遍。
（三）线粒体两条氧化呼吸链
❖ 1、NADH氧化呼吸链 ❖ 由辅酶Ⅰ、黄素蛋白、铁硫蛋白、辅酶Q和细胞色
素组成。体内多种代谢物如苹果酸、乳酸、丙酮酸、 异柠檬酸等在相应脱氢酶的催化下，脱下的氢都通 过此条呼吸链传递给氧生成水。所以此条呼吸链为 体内最重要的呼吸链。代谢物脱下的2H交给NAD+ 生成NADH+H+，后者又在NADH脱氢酶复合体作 用下脱氢，经FMN传递给辅酶Q，生成COQ H2。 以后COQ H2脱下2H=2H++2e，其中2H+游离于 介质中，2e则首先由2Cyt b的Fe3+接受还原成 2Fe2+，并沿着Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2 的顺序逐步传递给氧生成O2-，O2-比较活泼，可与 游离于介质中的2H+结合生成水。
第七章生物氧化
生物化学(2)第七章 生物氧化
种类
1、 α -脱羧和β -脱羧； 2、直接脱羧和氧化脱羧： 氧化脱羧是指脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）。
（三）生物氧化中水的生成 生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢 经生物氧化作用和吸入的氧结合而成的。 糖类、蛋白质、脂肪等代谢物所含的氢在 一般情况下是不活泼的，必须通过相应的脱氢 酶将之激活后才能脱落。 进入体内的氧也必须经过氧化酶激活后才 能变为活性很高的氧化剂。但激活的氧在一般 情况下，也不能直接氧化由脱氢酶激活而脱落 的氢，两者之间尚需传递才能结合成水。所以 生物体主要是以脱氢酶、传递体及氧化酶组成 的生物氧化体系，以促进水的生成。
构象耦联学说 化学渗透学说
（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。
原 理
线粒体外的NADH可将其所带之H转交 给某些能透过线粒体内膜的化合物（甘 油-3-磷酸，苹果酸等），进入线粒体内 后再氧化。
（1）甘油-3-磷酸穿梭途径（glycerol 3phosphate shuttle） 细胞液中含有甘油-3-磷酸脱氢酶， 可以将二羟丙酮磷酸还原为甘油-3-磷酸， 后者可进入线粒体内； 线粒体内又在甘油-3-磷酸脱氢酶作 用下，将甘油-3-磷酸转变为二羟丙酮磷 酸，同时FAD还原为FADH2 ，于是细胞 液中的NADH便间接形成了线粒体内的 FADH2 ， FADH2将电子传递给CoQ还 原为QH2 ，后者通过呼吸链产生ATP。
需氧黄素脱氢酶
不需氧黄素脱氢酶
（2）以烟酰胺核苷酸为辅酶的脱氢酶 （烟 酰胺脱氢酶） 以NAD（CoⅠ)或NADP（ CoⅡ ）为 辅酶，催化代谢物脱氢，由NAD+ 或NADP+ 接受，然后将氢交给中间传递体，最后传 递给分子氧生成水。
第七章 生物氧化
高能磷酸键成因
反应物的不稳定性(高能状态)和产物稳定性 (低能状态)使ATP水解后能释放大量能量。
ATP分子结构存在不稳定因素 ① ATP分子内有4个负电荷（ATP4-），产生静电斥力，促使 ATP水解成ADP3-，而减弱斥力。
② 相邻的两个磷原子之间夹着一个氧原子，氧原子上存在有未 共用电子对，而磷原子因P=O和P-O-间的诱电子效应带有部分 正电荷，于是在两个相邻的磷原子之间存在竞争氧原子上的未 共用电子的现象，这种作用的结果会影响ATP分子的结构稳定 性。
含硒的谷胱甘肽过氧化物酶
H2O2 (ROOH)
谷胱甘肽 过氧化物酶
H2O (ROH+H2O)
2G –SH
NADP+
谷胱甘肽 还原酶
G –S – S – G
NADPH+H+
* 此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤
（3）超氧化物歧化酶 （superoxide dimutase, SOD）
呼吸链电子传递过程中产生超氧 离子(O2-.)
ΔG = - 17.58 kj/moL
2. E-生物素- CO2 + 乙酰CoA
E-生物素 + 丙二酸单酰CoA
ΔG = -1.00 kj/moL
总反应为：
乙酰CoA + CO2+ ATP +H2O
丙二酸单酰CoA + ADP + Pi
ΔG = -18.59kj/moL
★ ATP提供合成代谢或分解代谢初始阶段所需的能量
★ ATP以偶联反应的方式推动非自发的反应
例如，细胞中合成脂肪酸时有以下反应：
乙酰CoA + CO2
丙二酸单酰CoA
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CH2COOH 草酰乙酸
(CH2) 2COOH α-酮戊二酸
② CHNH2COOH CHNH2COOH (CH2)2COOH 谷氨酸
CHNH2COOH (CH2)2COOH 谷氨酸
CH2COOH 天冬氨酸
④
CH2COOH 天冬氨酸
①苹果酸脱氢酶 ③α-酮戊二酸转运蛋白
②谷草转氨酶 ④酸性氨基酸转运蛋白
第七章 生物氧化
第一节 概 述
生物氧化 （biological oxidation）：营养物
质在生物体内彻底氧化分解生成CO2和H2O，
同时释放出能量的过程称为生物氧化。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一、生物氧化的方式与特点 1、生物氧化方式：
⑴ 脱电子反应：
⑵ 脱H反应：
⑶ 加氧反应： 2.生物氧化分类： ⑴ 线粒体氧化体系 ⑵ 非线粒体氧化体系
离子转移时消耗生物氧化过程所释放的能量，从而 抑制ADP磷酸化生成 ATP的过程 。
(一) 胞浆中NADH的氧化
胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再 经呼吸链进行氧化磷酸化。
α-磷酸甘油穿梭 (α-glycerophosphate shuttle) 转运机制
苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)
RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O
上述反应需要细胞色素P450 (Cyt P450)参与。
(二)加双氧酶
此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底 物中带双键的2个碳原子上。例如：
OH O NH2
O 色氨酸吡咯酶
N H NH2
COOH
NH CHO
(O2)
色氨酸
甲酰犬尿酸原
2．解偶联剂：
不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，但能使氧化
产生的能量不能用于ADP磷酸化的药物或毒物称为 解偶联剂。
解偶联剂通常引起线粒体内膜对质子的通透性增
加，从而使线粒体内膜两侧的质子梯度不能形成。
主要的解偶联剂有2,4-二硝基酚。
3、离子载体抑制剂
有些物质可与K+或Na+结合形成脂溶性复合物，当
胞浆侧
NAD
① NADH+H
+
线粒体 内膜
基质侧
CHOHCOOH NAD+ ① CH2COOH 苹果酸
+
CHOHCOOH CH2COOH 苹果酸 COCOOH ③
COCOOH
COCOOH (CH2) 2COOH α-酮戊二酸
② CHNH2COOH
COCOOH CH2COOH 草酰乙酸 NADH+H+
机磷酸消耗之间的比例关系，可以反映底物脱氢 氧化与ATP生成之间的比例关系。
每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数
称为P/O比值。
① ADP
ATP
② ADP
③ ATP ADP ATP
3个偶联部位：①NADH→CoQ， ② CoQ→Cytc ③ Cytaa3→O2
3、影响氧化磷酸化的因素：
（1）呼吸链抑制剂： 能够抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或
2、FAD和FMN
FMN（或FAD）+ 2H FMNH2（或FADH2 ）
3、泛醌 作用：可逆加氢和脱氢，起递氢 递电子的作用。
泛醌Q
+2H - 2H
特点：是电子传递链中唯一不与蛋白质紧密结合的电 子传递体，能可逆加氢和脱氢，脱氢时将2H解 离成2H+和2e，并将2e交给细胞色素 ， 2H+留 在线粒体基质内。
2.细胞色素类：
这是一类以铁卟啉为辅基的酶。在生物氧化
反应中，其铁离子可为+2价亚铁离子，也可为
+3价高铁离子，通过这种转变而传递电子。细
胞色素为单电子传递体。
• 细胞色素可存在于线粒体内膜，也可存在于微
粒体。
• 存在于线粒体内膜的细胞色素有Cyt aa3，Cyt b（b560，b562，b566），Cyt c，Cyt c1；而存 在于微粒体的细胞色素有Cyt P450和Cyt b5。
延胡索酸
基质侧
琥珀酸
1/2O2+2H+
⑴ NADH氧化呼吸链
⑵ 琥珀酸氧化呼吸链
⑴ NADH氧化呼吸链 NADH →黄素蛋白（FMN）→CoQ → Cytb→Cytc1
酶复合体Ⅰ →Cyt c →aa3→O2
复合体Ⅳ
复合体Ⅲ
⑵ 琥珀酸氧化呼吸链
琥珀酸 →黄素蛋白（FAD）→CoQ → Cytb→Cytc1
细胞色素a、a3 紧密相连不易分离，合称细
胞色 素aa3（细胞色素氧化酶），其辅基
为血红素A，又含有Cu，也起递电子作用 ，
aa3 直接与O2接触。血红素A铁原子易与CO和
CN-结合生成稳定化合物，而使电子无 法传递 。
二、呼吸链的类型
Cytc
eⅠ
胞液侧
eⅡ
e-
Q eⅢ
eⅣ H2O
线粒体内膜
NADH+H+ NAD+
1. α-磷酸甘油穿梭机制
电子传递链
CH2OH
NADH+H+ C=O CH2O P
磷酸二羟丙酮
CH2OH C=O CH2O P
FADH2
CH2OH
NAD+ CH-OH CH2O
CH2OH CH-OH
FAD P 线粒体 内膜 线粒体 基质
P
线粒体 外膜
CH2O
α-磷酸甘油
胞 浆
膜间隙
2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制
(二)反应活性氧类的清除
1.过氧化物酶体中的酶类
(1)过氧化氢酶(catalase) 又称触酶，其辅基含4个血红素。
2H2O2
过氧化氢酶 2H2O + O2
(2)过氧化物酶(perioxidase) 以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化 酚类或胺类化合物。
R + H2O2 RH2+ H2O2
过氧化物酶
复合体Ⅱ
→Cyt c → aa3 →O2 复合体Ⅳ
复合体Ⅲ
四种酶复合物：复合物I, II, III, IV 复合体Ⅰ：ＮＡＤＨ－泛醌还原酶 复合体Ⅱ：琥珀酸－泛醌还原酶。 复合体Ⅲ：泛醌－细胞色素Ｃ还原酶
复合体Ⅳ：细胞色素Ｃ氧化酶
H2O
三、呼吸链的作用
（一）H2O的生成 （二）能量的生成 能量的生成的方式
呼吸链：在线粒体内膜上，由若干递氢体或
递电子体按一定顺序排列组成的，
与细胞呼吸过程有关的链式反应体
系称为呼吸链(respiratory chain)。
一、呼吸链的组成及作用
组成 1、以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶类 2、以FAD或FMN为辅基的黄素蛋白类： 3、辅酶Q（CoQ）又称泛醌Q 4、铁硫蛋白 5、细胞色素（细胞色素,cyt)
ADP
~P
第四节 其他氧化酶系
(The Others Oxidation Enzyme Systems)
除生成ATP的线粒体氧化体系外，还 有微粒体、过氧化物酶体等氧化体系。
一、微粒体中的氧化酶类
(一)加单氧酶(monoxygenase)
又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase) 或羟化酶(hydroxylase)。催化的反应：
四、能量转换贮存和利用
1、能量贮存
ADP+Pi ATP+肌酸 2、能量利用 ATP 肌酸激酶 ADP+磷酸肌酸
ATP的生成和利用（ATP循环）
生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。 ATP
肌酸 磷酸 肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化
~P 机械能(肌肉收缩) 渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢) 电能(生物电) 热能(维持体温)
（二）递电子体
1、铁硫蛋白类
• 铁硫蛋白（Fe-S）共有9 种同工蛋白；分子中含有 由半胱氨酸残基硫原子及 无机硫原子与铁离子形成 的铁硫中心（铁硫簇），
一次可传递一个电子至
CoQ。
活性中心：铁硫中心（Fe - S）
非卟啉铁 对酸不稳定
Fe2+
-e +e
Fe3+
作用：传递电子，为单电子传递体，把FMNH2 中的e传给CoQ
一、 线粒体氧化体系
（与能量生成有关）
营养物质在线粒体内彻底氧化分解生成 CO2和H2O，同时释放出能量的过程称为线粒 体生物氧化。 可分为三个阶段，即：
生物氧化的一般过程
糖原 三酯酰甘油 蛋白质
第一阶段 1%能量 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 第二阶段 1/3能量
乙酰CoA
TAC
CO2 2H
ADP+Pi 呼吸链
• 2O2﹣+ 2H+
SOD
H2O2 + O2
过氧化氢酶
H2O + O2
三、生物氧化的酶类
（一）参与线粒体氧化体系酶类
⑴氧化酶类（Cu+）：如细胞色素氧化酶
⑵需氧脱氢酶：氧为受氢体，产物：H2O2
⑶不需氧脱氢酶：NAD+, FAD+为受氢体
（二）参与非线粒体氧化体系酶类
第二节 CO2的生成
方式： α -单纯脱羧
α -氧化脱羧
β -单纯脱羧
β -氧化脱羧
第三节
线粒体氧化体系
氧化磷酸化：
底物水平磷酸化：
1. 氧化磷酸化：
在线粒体中，底物分子脱下的氢原子经递氢体系 传递给氧，在此过程中释放能量使ADP磷酸化生成 ATP，这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)。