高中生物奥赛--细胞代谢1

三、生物氧化主要探讨三个问题：
（1）细胞如何在酶的催化下将有机化合物中 的碳变成CO2—CO2如何形成？
（2）在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有 机化合物中的H氧化成H2O—H2O如何形成？
（3）当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的 能量怎样转化成ATP—能量如何产生？
（一） 生物氧化中CO2的生成
底物水平磷酸化指ATP的形成直接与一个代谢中间物 （PEP）上的磷酸基团转移相偶联的作用。
特点：ATP的形成直接与中间代谢物进行的反应相偶联； 在有O2或无O2条件下均可发生底物水平的磷酸化。
特点:
●是捕获能量的一种方式，在发酵作用（无氧呼吸） 中是进行生物氧化取得能量的唯一方式。 ●和氧的存在与否无关，在ATP 生成中没有氧分子 参与，也不经过电传递链传递电子。
FAD
脂肪酰CoA α-磷酸甘油
（五）生物氧化中能量的生成
生物氧化不仅消耗氧，产生二氧化碳和水，
更重要的是有能量的生成和释放。 生物氧化中释放的能量大约有40%以化学能 的形式储存于ATP和其它高能化合物中，其 中ATP是体内各种生命活动及代谢过程中主 要供能的高能化合物。
1、高能化合物 将水解时能够释放21 kJ /mol（5kCal/mol) 以上自由能（G′< -21 kJ / mol）的化合物称为 高能化合物。 2、高能键 水解时释放的能量大于21KJ/mol的化学 键，常表示为～。
鱼藤酮、安米 妥、杀粉菌素 萎锈灵 (carboxin) 抗霉素A
II
0.14
4～5 11
非 是
2 3
III CoQ-细胞色素c还 0.25 原酶 IV 细胞色素c氧化酶 0.16～ 0.17
13
是
CO、H2S、 CN－、叠氮化 物
6～7
复合体I：NADH- CoQ还原酶
NADH脱氢酶是主要成分 NADH FMN Fe-S CoQ 4个质子泵入线粒体膜间隙
4H+
复合体 IV:细胞色素c氧化酶
Cytc
CuA
Cyta CuB-a3
O2
2个质子泵出
NADH呼吸链
FADH2呼吸链
线粒体中某些重要底物氧化时的呼吸链
苹果酸 异柠檬酸 β-羟丁酸 谷氨酸 NAD+ FMN 琥珀酸 FAD（Fe-S） CoQ b c1 c aa3 O2
丙酮酸 α-酮戊二酸
在电子传递过程中，除了电子流过复合体Ⅱ时 不产生质子的梯度外，复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ都能产生 跨膜的质子梯度。
电子流过复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ ，分别产生4个H+、 4个H+和2个H+梯度。 1对电子经过NADH呼吸链和FADH2呼吸链传给O2， 可分别产生10个H+和6个H+。
4个H+产生1个ATP，两个呼吸链分别产生2.5个ATP 和1.5个ATP。
FADH2

3、辅酶Q（CoQ、泛醌）
呼吸链中唯一的脂溶性醌类化合物，其分子中的苯 醌结构能进行可逆的加氢反应。
递
氢 体 CoQ + 2H CoQH2
辅酶Q的功能
CoQ(醌型结构)很容易
接受电子和质子,还原
成CoQH2(还原型)； CoQH2给出电子和质子 还原成CoQ。因此,在 线粒体呼吸链中是电
(2) 1.5
抗坏血酸
0.88
1
（3）氧化磷酸化偶联部位： 复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ
ATP
ATP
ATP
NADH呼吸链生成ATP的部位： FADH2呼吸链生成ATP的部位： 1. NADH至辅酶Q 2. 细胞色素b至细胞色素c 3. 细胞色素aa3至O2 1.细胞色素b至细胞色素c 2.细胞色素aa3至O2
生物氧化与细胞代谢
高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座
[竞赛要求] （一）糖、脂肪和蛋白质的代谢（异化） （二）光合作用的光反应与暗反应 （三）蛋白质的生物合成
第一部分 生物氧化
一、 生物氧化的概念
糖、脂肪和蛋白质等营养物质通过氧化反应
进行分解，生成H2O和CO2，同时伴有ATP 的生成。这类反应进行的过程中细胞要消耗 摄入的O2并释放出CO2，故又称之为细胞呼 吸或组织呼吸。

β-氧化脱羧：如苹果酸的氧化脱羧：
（二） 生物氧化中水的生成 1、底物直接脱水
COOH CH O P
H2O Mg2+
烯醇பைடு நூலகம்酶
COOH C O～ P CH2
磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP)
CH2OH
2-磷酸甘油酸
2、通过电子传递链/呼吸链生成水
代谢物经脱氢酶的催化而脱下的氢由相应的氢载体（ NAD+ 、NADP+ 、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列 递氢体或递电子体传递给吸进的O2结合而生成H2O 。 在多种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后都是以 这种形式进行氧化的。


NAD（P）++2H
NAD（P）H+H+
NADH和NADPH只接受了底物脱下的一个氢原子和一个电子 （一个质子，两个电子），另一个质子留在介质中。
2、黄素及与黄素偶联的脱氢酶类

辅基：黄素单核苷酸（FMN）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）
递 氢 体

FMN+2H
FMNH2
FAD+2H
（4）氧化磷酸化作用机制
氧化作用（电子传递）与磷酸化作用相偶 联已经不存在任何疑问，但对二者究竟如何偶 联，尚有许多未完全阐明的问题。目前，共存 在三种假说： 化学偶联假说 构象偶联假说 化学渗透假说
化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis） 1961年英国生物化学家 Peter Mitchell 首 先提出, 1978年获诺贝尔化学奖。 基本要点：电子经呼吸链传递时释放出的自 由能,可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵 到内膜外侧,产生膜内外质子电化学梯度(H+浓度 梯度和跨膜电位差 ),以此储存能量。当质子顺 浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。
复 合 体 I 别名 大小 （×106） 0.7～0.9 多肽 链的 数目 〉30 辅酶或辅基 是非 产生 质子 是 抑制剂 在内膜 上的相 对比率 1
NADH-CoQ还原 酶或NADH脱氢 酶 琥珀酸-CoQ还原 酶
FMN、铁硫 蛋白 FAD、铁硫蛋 白、血红素b 血红素b、血 红素c、铁硫 蛋白 Cu、血红素a
细胞色素c氧化酶（Cyt c 氧化酶）

即复合物IV，是位于 线粒体呼吸链末端的 蛋白复合物，由13个 多肽亚基组成，核心 是3个最大的疏水性 亚基。活性部分主要 包括Cyta和a3，以及 两个Cu离子。
cyta和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外， 还含有铜原子。cytaa3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cytc所携带的电子传递 给O2。
a
Cyta Cytb Cytc
c c1
a3
电子传递顺序：
b → c1 → c → aa3
递电子体
细胞色素c（Cyt.c）

是电子传递链中一个 独立的水溶性蛋白质 电子载体，位于线粒 体内膜外表，属于膜 周蛋白。与Cytc1含 有相同的辅基，但蛋 白组成不同。cyt.c 通过Fe3+ Fe2+ 的 互变起电子传递中间 体作用。
三类铁硫蛋白
（五）细胞色素类
细胞色素属于电子传递体，其传递电子的方式 如下： 2CytFe3+ + 2e－ 2CytFe2+ 血红素铁
细胞色素：属于色蛋 白类的结合蛋白质， 辅基是铁卟啉的衍生 物，因其有颜色又普 遍存在于细胞内，故 称为细胞色素。
细胞色素c 的结构示意图
根据结构与吸收光谱的不同可将细胞色素分为a、b和c三类。
糖、脂、蛋白质等有机物经一系列脱氢、加水反应，转变 成含羧基的中间化合物，然后在酶的催化下脱羧而生成CO2。
脱羧类型：
1、直接脱羧作用

α-直接脱羧：如氨基酸脱羧
R－CHNH2－COOH α－氨基酸 R－CH2NH2 ＋ CO2 胺

β-直接脱羧：如草酰乙酸脱羧
2、氧化脱羧作用 α-氧化脱羧：如丙酮酸的氧化脱羧：

线粒体呼吸链的组成
各传递体与多种蛋白质组成复合体的形式分布在线粒体内膜
NADH-CoQ还原酶（complex I） 琥珀酸-CoQ还原酶（complex Ⅱ ) 细胞色素C还原酶（complex Ⅲ） 细胞色素C氧化酶（complex Ⅳ） 泛醌（CoQ） 细胞色素C

复合体I、II、III和IV的结构和性质
2、高能化合物的种类
烯醇磷酸化合物
磷氧型 -O~P
磷酸化合物
酰基磷酸化合物
焦磷酸化合物（ATP）
磷氮型 HN =C-N~P(O)
O
磷酸肌酸与磷酸 精氨酸
硫酯键化合物 非磷酸化合物
C~
S
O
甲硫键化合物 CH3~S+- C-C
3、生物体ATP的生成方式 底物水平磷酸化
氧化磷酸化
光合磷酸化
（1）底物水平磷酸化
细胞内温和条件 （常温、常压、中性pH、水溶液）
一系列酶促反应 逐步氧化放能，能量利用率高 释放的能量转化成ATP被利用
体外燃烧
高温或高压、干燥条件
无机催化剂 能量爆发释放 转换为光和热，散失
三、参与生物氧化的酶类
1、氧化酶类 2、脱氢酶类（最普遍，最主要） 1）需氧脱氢酶类 2）不需氧脱氢酶类 3、其他氧化还原酶类：加单氧酶、加双氧酶、过氧 化氢酶、过氧化物酶等。
子和质子的传递体。
不能从底物接受氢