生物氧化

三、高能化合物的储存和利用
ATP是生物界普遍的供能物质，体内的分解代谢和合成 代谢的偶联都以ATP为偶联剂。ATP分子含有两个高能磷 酸键，在体外标准条件下测定，每个高能磷酸键水解时 释放约7.3kcalmol－1的能量。 在细胞内如脊椎动物肌肉和神经组织的磷酸肌酸和无 脊椎动物的磷酸精氨酸才是真正的能量储存物质，又称 为磷酸原。当机体消耗ATP过多致使ADP增多时，磷酸肌 酸可将其高能键转给 ADP 生成 ATP ，以供生理活动之用。 催化这一反应的酶是肌酸磷酸激酶（CPK）。 肌酸＋ ATP 磷酸肌酸 ＋ ADP
练习题

第一节 概述

线粒体氧化体系
供给能量

非线粒体氧化体系 其它特殊功能

一、生物氧化的概念 物质在生物体内的氧化分解过程。
O2 CO2 + H2O
呼吸作用
细胞呼吸（微生物）
（三）生物氧化的一般原理

糖，脂，蛋白质等有机物质在细胞中 进行氧化分解，生成 CO2 ， H2O 并释 放出能量，这个过程称生物氧化。
Fe2+
Fe3+ + e
递电子体

（四）泛醌（CoQ）
是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。
递
氢 体 CoQ + 2H CoQH2

辅酶Q不仅可以接受FMN上的氢 （NADH脱氢酶），还可以接受线粒体 FADH2上的氢（如琥珀酸脱氢酶、脂酰 CoA脱氢酶以及其它黄素酶类）。
2e
氧化型
2H+
线粒体的结构
之嵴 外 间， 膜 线 为伸 光 粒 膜向 滑 体 间基 ， 有 腔质 内 双 。。 膜 层 内折膜 外叠结 膜成构 ，
1. 呼吸链（电子传递链）

概念：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 分子，而生成水的全部体系称呼吸链。此体系 通常也称电子传递体系或电子传递链。 根据接受氢的初受体不同，典型的呼吸链有两 种：NADH呼吸链和FADH2呼吸链。
3、偶联机制 化学渗透假说的主要论点 呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进 行时，呼吸链起质子泵作用，质子被泵出 线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间 跨膜的化学电位差，后者被膜上ATP合酶所 利用，使ADP与Pi合成ATP。
4、影响氧化磷酸化的因素

ADP/ATP比值的影响
氧化磷酸化主要受细胞对能量需求的调节。
二、生物氧化的方式
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。在生物体内，它有三种方式： O2 加氧氧化 苯丙氨酸 酪氨酸 电子转移
脱氢氧化
OH CH3CHCOOH NAD
+
乳酸脱氢酶
O CH3CCOOH
NADH


三、生物氧化的特点 1、细胞内温和环境中的酶促反应。 2、有机酸脱羧产生CO2，底物脱氢传递给 氧产生H2O。 3、能量逐步释放，与生成ATP相偶联。 4、可受多种因素的调节。
2CytFe2+
细胞色素c 的结构示意图
电子传递抑制剂：阻断呼吸链中某一部
位的电子传递
1.鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素 都可阻断电子由NADH向CoQ传递 2.抗霉素A 抑制电子从细胞色素b向细胞色素c1传递 3.氰化物、硫化氢、叠氮化物、CO等 阻断电子从细胞色素aa3 向O2传递
3. 呼吸链中传递体的顺序
两大呼吸链的偶联部位

NADH呼吸链 SH2 → NADH → FMN(Fe-S) → CoQ →
ATP

b → c1 → c → aa3 → O2
ATP ATP

FADH2呼吸链 SH2 → FAD(Fe-S) b → c1 →
ATP
→
CoQ
→


c
→
aa3 → O2
ATP


（三）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
S SH2→ H2 →一系列传递→H2 →H2O 1/2O2
FAD FMN

辅酶：NAD+ NADP+


（四）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。


NAD（P）++2H
NAD（P）H+H+


（二）黄素蛋白
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
FADH2

（三）铁硫蛋白
分子中常含2或4个Fe（称非血红素铁）和 2或4个对酸不稳定的硫，其中一个Fe原子 能可逆地还原而传递电子。在HADH脱氢酶 和琥珀酸脱氢酶中均含有多个பைடு நூலகம்同的铁硫 蛋白，它们可将电子由FMNH2（或FADH2） 转移到泛醌上。
（五）细胞色素
细胞色素类是呼吸链中将电子从辅酶Q传递到O2的专一酶类。
细胞色素属于电子传递体，其传递电子的方式如下：
2CytFe3+ + 2e－
细胞色素 是属于色 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。根据其结构与吸 收光谱的不同可将细胞 色素分为a、b和c三类。

decarboxylation）
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
氧化脱羧作用（oxidative

decarboxylation ）
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：
磷酸甘油穿梭系统图
苹果酸穿梭作用
线粒体内外都具有苹果酸脱氢酶，而且辅酶（NAD+）相同 通过这种穿梭作用，线粒体外的NADH+H+能产生3个ATP。
苹果酸穿梭系统图
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第三节 ATP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。
琥珀酸氧化呼吸链
这个呼吸链由琥珀酸脱氢酶复合体、CoQ和细胞色素 组成。其中琥珀酸脱氢酶复合体包括FAD、铁硫中心和 另一种细胞色素b（称为b558）。琥珀酸氧化呼吸链的电 子传递途径如图：
呼吸链成分排列总结




NADH呼吸链 SH2→NADH→FMN(Fe-S)→CoQ→ b → c1 → c → aa3 →O2 SH2→Ⅰ→CoQ→ Ⅲ→ c → Ⅳ→O2 FADH2呼吸链 SH2→FAD(Fe-S)→CoQ→ b → c1 → c → aa3 →O2 SH2→Ⅱ→CoQ→ Ⅲ→ c → Ⅳ→O2



四、参与生物氧化的酶类 （一）氧化酶类 催化代谢物脱氢，将氢直接交给氧生成水 S SH2→ H2 →H2O 1/2O2
辅酶：金属离子


（二）需氧脱氢酶类 催化代谢物脱氢，直接将氢传给氧生成H2O2 S SH2→ H2 →H2O2 O2
辅酶：FMN FAD
MH2
NADH -0.32
FMN CoQ b c1 -0.30 +0.10 +0.07 +0.22 FAD -0.18
c aa3 +0.25 +0.29
O2 +0.816
抑制剂：
鱼藤酮 安密妥
抗霉素A
氰化物，CO，
叠氮化合物
NADH氧化呼吸链
是细胞内最主要的呼吸链，因为生物氧化过程中绝大 多数脱氢酶都是以NAD+为辅酶，当这些酶催化代谢物脱 氢后，脱下来的氢使NAD+转变为NADH，后者通过这条呼 吸链将氢最终传给氧而生成水。NADH呼吸链各成员的排 列见图
生物氧化作用的关键，一个是代谢物分子中的 氢如何脱出？另一个是脱出的氢如何能与分子 氧结合成水并释放能量？

根据酶的催化作用原理，可以看出，在生物氧化过程中 代谢物质（糖、脂、氨基酸等）首先经脱氢酶催化脱氢， 脱出的氢一般经一或一以上的递氢体沿呼吸链的一定方 向传递。当氢被传到细胞色素b时，2H放出2e-，其本 身变为质子（H+）暂留溶液中，电子则通过细胞色素 体系传到分子氧。此时氧化酶的金属离子将电子传给分 子氧，使之激活变为O2-, 2H+与O2-结合成水。（见课 本P501）

激素的调节
甲状腺激素能促进线粒体的氧化磷酸化，增加ATP的形成。

抑制剂的作用
抑制剂的作用

*呼吸链抑制剂
如阿的平、阿米妥、鱼藤酮、抗霉素A、一氧化碳和氰化 物等均因能抑制呼吸链而抑制氧化磷酸化（如图）


*氧化磷酸化抑制剂（ATP合酶抑制剂）
*解偶联剂
如2,4-二硝基苯酚、细菌或病毒产生的解偶联剂等 如寡霉素
一、生物体内的高能化合物

磷氧键型高能化合物：包括1，3－二磷酸甘油酸、磷
酸烯醇式丙酮酸、NTP、dNTP、NDP、dNDP等。其中 尤以ATP分布广、浓度大，是所有生命形式的主要的能量 载体。


氮磷键型高能化合物：如磷酸肌酸、磷酸精氨酸。 硫脂键型高能化合物：如脂酰－CoA。 甲硫键型高能化合物：如S－腺苷蛋氨酸
五、二氧化碳的生成
直接脱羧基作用（oxidative decarboxylation） α -直接脱羧：氨基酸的脱羧 β -直接脱羧：草酰乙酸脱羧
氧化脱羧基作用（oxidative decarboxylation） 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
直接脱羧作用（direct
三、胞液中NADH的氧化

线粒体中的NADH可以直接进入呼吸链氧化， 但胞液中的NADH不能自由透过线粒体内膜， 需要某种转运机制的帮助。
α-磷酸甘油穿梭 苹果酸-天冬氨酸穿梭


磷酸甘油穿梭作用
α -磷酸甘油脱氢酶有两种： 线粒体外的磷酸甘油脱氢酶（以NAD+为辅酶）
线粒体内的磷酸甘油脱氢酶（以FAD为辅基的 一种不需氧黄酶） 通过这种穿梭作用，线粒体外的NADH+H+只能产 生两个ATP，比线粒体内的NADH+H+氧化少产 生一个ATP
生物氧化
学习要求：
1 细胞是如何利用氧分子把代谢物分子中的氢氧 化成水的？ 2 细胞是如何在酶的催化下把代谢物分子中的碳 变成二氧化碳？
3 当有机物被氧化时，细胞是如何将氧化时产生 的能量搜集和贮存起来的？

第一节 概述
第二节 生物氧化过程中水的生成 第三节 ATP的生成



第四节 其它氧化体系
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2. H2O的生成 代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。 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 氧化酶
MH 2
M
递氢体
NAD+、NADP+、 FMN、FAD、COQ
还原型
Cyt递电子体 b, c1, c, aa3
½ O2
O2H2O
递氢体H2


底物水平磷酸化
底物水平磷酸化 是指底物脱氢或脱水而引 起分子内部能量聚集，形成高能键，它可 转移给ADP形成ATP的过程。 S-P ADP
S ATP


氧化磷酸化


1、概念 底物脱下的氢经呼吸链氧化成水的同时， 释放的能量使ADP磷酸化，生成ATP的反应。 氧化磷酸化是指当氢或电子从NADH或FADH2 经过电子传递体系(呼吸链)传递给氧形成 水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP的全过程， 又名电子传递体系磷酸化。

一、呼吸链的组成及作用


烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD＋或CoI） 黄素单核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸 （FMN和FAD） 铁硫蛋白（铁硫中心） 泛醌（CoQ） 细胞色素（ Cyta 、Cytb、Cytc）


（一）以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶类
利用分子中烟酰胺基团的可逆性还原而递氢，还原形成的 NADH即可参与组成呼吸链而进行电子传递。 递 氢 体

研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体或其 制剂的P/O比值和电化学实验。P/O比值是指每消 耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。根据所消 耗的无机磷酸摩尔数，可间接测出ATP生成量。实 验指明NADH呼吸链的P/O值是3，即每消耗一摩尔 氧原子就可形成3摩尔ATP，FADH2呼吸链的P/O值 是2，即消耗一摩尔氧原子可形成2摩尔ATP。

①
根据生物体内高能化合物键的特性可以把 他们分成以下几种类型： 磷氧键型 a) 酰基磷酸化合物
O C O CH2 O P O
-
O CH OH O O O-
O CH3 C O
O P O O
-
P O
3-磷酸甘油酸磷酸
乙酰磷酸
11.8千卡/摩尔
10.1千卡/摩尔
二、ATP的生成

吸能
ADP+Pi 放能 底物水平磷酸化（3个） 氧化磷酸化（主要产能方式） ATP