7新陈代谢总论与生物氧化

氢在酶、辅酶和电子传递系统参与下经
一系列传递与水结合生成H2O；二氧化 碳（CO2 ）是由于糖、脂类和蛋白质转 变成含羧基的化合物（有机酸）直接脱
羧或氧化脱羧产生。
产 生 的 CO2、 H2O是由物 质中的碳和氢直接与氧结合
生成。
◆场所：真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行。
总结：生物氧化的特点
H
H
O
H2O RCO
R C OH
ø
R C OH + 2H + + 2e-
OH
三、生物氧化的特点
* 生物氧化与体外氧化之相同点；
• 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱 氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般 规律。
• 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之不同点:
3. CO2的生成
CO2的生成不是C直接与O作用生成,而是通过脱羧作用生成。
4. 能量的生成
能量的生成不是暴发式的,而是逐步释放,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。
四、参与生物氧化的酶类
（一）脱氢酶类 使代谢物的氢活化、脱落、并将其传递给其他受
生物氧化
体外氧化
是在细胞内温和的有水环境中（体温， 在高温、高压以及干燥的
pH接近中性），经一系列酶促反应逐步 缓慢进行，能量逐步释放，以ATP形式
条件下进行，是剧烈的自由
储存和转运，有利于机体捕获能量，提 基反应，能量是突发式释放
高ATP生成的效率。
的。产生的能量以光与热的
形式散发在环境中。 物质的氧化方式是脱氢反应，脱下的
区别：① 铁卜啉辅 基侧链不同
② 铁卜啉辅基与酶 蛋白连接方式不同
甲酰基
多聚异戊二烯长链
复合物III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CoQH2的 氧化和细胞色素c的还原。
复合物III由11肽链组成，250KD.。 活性部分主要包括细胞色素b 和c1，以及 铁硫蛋白（2Fe-2S）。
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-4S］
铁硫蛋白类
泛醌（ubiquinone , Q） 亦称辅酶Qoenzyme Q , CoQ）
辅酶Q（CoQ）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。
功能 ：将电子从琥珀酸传递给泛醌
琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生 的中间产物，它在琥珀酸脱氢酶（复合物II） 催化下，将两个高能电子传递给CoQ。再将电 子传递到Cyt.b 。
复 合 物 II 比 NADH-Q 还 原 酶 的 结 构 简 单 ， 140KD,由4个不同的多肽亚基组成。其活性 部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。
氧化脱羧基作用
α -氧化脱羧 β -氧化脱羧
(一)直接脱羧作用
α -脱羧：如丙酮酸、氨基酸脱羧
COOH C=O
α-酮酸脱羧酶
CHO
CH3
TPP
CH3
+ CO2
β-脱羧;如：草酰乙酸
COOH C=O CH2 COOH
丙酮酸羧化酶 生物素
ATP ADP + Pi
COOH C=O CH3
草酰乙酸
+ CO2
S-2H NAD/NADP
中间体-2H
½ O2
S
NADH/NADPH 中间体
H2O
（二）氧化酶（种类很多）
在生物氧化过程中，以O为直接受氢体的氧化还原酶类。
例：细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶
脱氢抗坏血酸
H2O
抗坏血酸
VitC氧化酶
½ O2
（三）加氧酶
CH3CHO + 1/2O2
CH3COOH
（四）传递体：是指生物氧化过程中，起着中间传递氢或传递电
线粒体呼吸链
呼吸链的作用
接受还原性辅酶上的氢原子对(2H++2e)，使辅 酶分子氧化，并将电子对顺序传递，直至激活分 子氧，使氧负离子(O2-)与质子对(2H+)结合，生 成水。电子对在传递过程中逐步氧化放能，所释 放的能量驱动ADP和无机磷发生磷酸化反应，生 成ATP。
细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所。
乳酸脱氢酶
OH CH3CHCOOH
NAD+
O CH3CCOOH NADH
(三). 加氧
H-
CH2CHCOOH
NH2
苯丙氨酸
O2
羟化酶
HO-
CH2CHCOOH NH2
酪氨酸
(四). 加水
CHCOOH HOOC-CH
延胡索酸
H2O
延胡索酸水合酶
COOH CH-OH CH2 COOH
苹果酸
（五）加水脱氢 酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。
这是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质。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。
细胞色素存在于线粒体内膜，也存在于微粒体。
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。
电子传递中 有四个复合 体参与
NADH-Q还原酶（复合体I） 琥珀酸-Q还原酶（复合体Ⅱ ） 细胞色素还原酶（复合体 III ）
细胞色素氧化酶（复合体Ⅳ）
典型的呼吸链（根据最初受氢体的不同分）：
（一）NADH呼吸链（线粒体内），是细胞内 最主要的呼吸链
（二）FADH2呼吸链（又叫琥珀酸氧化呼吸 链，线粒体内）
FMNH2+NAD+
NADH-CoQ脱氢酶它的作用是催化NADH的氧 化脱氢以及CoQ的还原。NADHQ还原酶, 850KD,由42条肽链构成。它的活性部分有含辅 基FMN的黄素蛋白和铁硫蛋白。
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CoQ。
新陈代谢
生物小分子合成 合成代谢 为生物大分子
（同化作用）
新陈代谢
需要能量 能量
释放能量 代谢
物质代谢
分解代谢 （异化作用）
生物大分子分解
为生物小分子
什么叫生物氧化？
糖、脂、蛋白质等有机物在细胞内氧化分解，最 终生成CO2和水并释放能量的过程。又称细胞氧化 或细胞呼吸。生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化 下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化.
线 粒 体 的 结 构
呼 吸 链
生物体主要以脱氢酶、传递体及氧化酶组成生
物氧化体系，以促进水的生成。
脱氢酶
MH2 M
递氢体
NAD+、NADP+、 FMN、FAD、COQ
递氢体H2
2e
氧化酶
还原型
Cyt递电子体 b, c1, c, aa3
氧化型
½ O2
O2- H2O
2H+
二.呼吸链分组成成分
1.烟酰胺脱氢酶 2.黄素脱氢酶 3.铁硫蛋白 4.细胞色素 5.辅酶Q---泛醌
* 生物氧化的一般过程
糖原
三酯酰甘油
葡萄糖
脂肪酸+甘油
乙酰CoA
蛋白质 氨基酸
TAC
CO2 2H
ADP+Pi ATP
呼吸链
H2O
生物氧化研究的内容
二氧化碳的生成——细胞如何在酶的催
化下将有机化合物中的C变成CO2：脱羧反应
水的生成——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：电子传递 链
烯脂酰CoA+FADH2
α-磷酸甘油脱氢酶（线粒体）
α-磷酸甘油+FAD
磷酸二羟丙酮+FADH2
2、烟酰胺脱氢酶类（以烟酰胺辅酶作为受H体的酶类）
这类酶以NAD（辅酶Ⅰ）和NADP （辅酶 Ⅱ）为辅酶；
直接从代谢物上接受氢； 属于不需氧脱氢酶； 这类脱氢酶有200多种.(见P233表10-1)
子作用的物质。 递氢体：黄酶、烟酰胺辅酶和CoQ
递电子体：细胞色素及铁硫蛋白
第二节 线粒体氧化体系
一.呼吸链的概念 呼吸链又叫电子传递体系或电子传递链，它是代谢物
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。
（二）氧化脱羧作用
• 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：
二、生物氧化中物质氧化的方式
(一). 失电子
(二). 脱氢
CH3-CH2OH
醇脱氢酶
CH3CHO
NAD+
NADH+H+
乙2 CH2 COOH
COOH
CH
+
CH
COOH
2H+ + 2e-
琥珀酸脱氢酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化 和CoQ的还原。
（3） 细胞色素还原酶（复合物Ⅲ ）
2Cytb + Cytc1 +（Fe-S）
细胞色素
细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递 蛋白质的总称。 （有颜色）
根据吸收光谱的不同将细胞色素分为a,b,c 三类分类:
Cyta: Cytaa3 Cytb: Cytb562 、Cytb566、 Cytb560 Cytc: Cytc 、 c1
NADH 氧化呼吸链
琥珀酸氧化呼吸链
呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置
（一）NADH-Q还原酶（复合体1）
由FMN + 铁硫蛋白组成的黄素蛋白
功能：先与NADH结合并将NADH上的两个高势能 电子转移到FMN辅基上，使NADH氧化，并使FMN 还原。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。
NADH+H++FMN
第八章
生物氧化
本章教学目的要求
1.掌握： （1）氧化磷酸化及底物水平磷酸化的概念； （2）氧化磷酸化偶联部位及影响因素； （3）呼吸链的概念、组成及主要呼吸链的排列顺序。 2.熟悉： （1）ATP与能量转换和利用。 （2）胞液中NADH的氧化过程。 （3）α-磷酸甘油及苹果酸-天冬氨酸穿梭机制。 3.了解： （1）体内外生物氧化异同点。 （2）氧化磷酸化的偶联机制。 （3）线粒体内膜物质转运及其他氧化体系的特点、作用。
AA+O2 +H2O
酮酸+H2O2+NH3
（2）不需氧黄酶
不以氧为直接受氢体，即先把H传给中间传递体，最后才传给O生成H2O。 NAD脱氢酶
NADH2+FMN 琥珀酸脱氢酶
NAD+FMNH2
COOHCH2CH2COOH+FAD COOHCHCHCOOH+FADH2
脂酰CoA脱氢酶
传递体
脂酰CoA+FAD
Q循环
QH2+2Cyt.c1(氧化型)+2H+(基质内) ---Q+2Cyt.c1(还原型)+4H+
细胞色素c（cytc）
它是电子传递链中一个独立的
蛋白质电子载体，.124KD,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， cytc通过Fe3+ Fe2+ 的互变起 电子传递中间体作用,将电子传 递给细胞色素c 氧化酶。
氢体或中间传递体。 根据辅因子的不同，可分为：
1、以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶 2、以烟酰胺核苷酸为辅酶的脱氢酶
1 、黄素脱氢酶类（以黄素辅基做为H的受体的酶类）
直接从代谢物上获H
SH2+ FMN/FAD （1）需氧黄酶
S+ FMNH2/FADH2
以氧为直接受氢体，即直接把H给O生成H2O2如AA氧化酶
ATP的生成——当有机物被氧化成CO2和H2O
时，释放的能量怎样转化成ATP：底物水平磷酸化， 氧化磷酸化（电子传递体系磷酸化）
第一节 生物氧化的方式、特点和酶类
一、生物氧化中CO2生成的方式
合物生的物脱体羧内作CO用2。的生成来源于有机物转变为含羧基化
脱羧的方式有四种 :
直接脱羧基作用
α -直接脱羧 β -直接脱羧
1. 条件温和
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）。
2. 水的生成
水的生成不是H直接与O作用生成,氧化过程中脱下来的氢，通常 由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。水是生物氧化反应 的产物,又是生物氧化反应的环境. 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。

NADHQ还原酶
NADH + CoQ + H+ ==== NAD+ + CoQH2
NAD+、NADP+
氧化还原反应发生时，变化发生在五价氮和三价氮之间
FMN
Fe-S
铁硫蛋白中辅基铁硫簇（Fe—S）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
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。
O
CH3O
CH3
CH3O O
(CH2CH C CH2)nH CH3
n=6-10
（二）琥珀酸-Q还原酶（复合体Ⅱ ）
琥珀酸脱氢酶，它是嵌在线粒体内膜的酶蛋白。也 是此复合体的一部分，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。