第八章 生物氧化
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医学生物化学(第八章)生物氧化
* 铁硫蛋白为单电子传递体 ( Fe2+-e Fe3+)
+e
20
3. 泛醌（ubiquinone , Q） 又称辅酶Q （Coenzyme Q , CoQ）
21
**泛醌的特点 1）是双电子传递体 2）不与蛋白结合的游离存在的电子载体 3）是复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之间的连接者，
是多种底物的电子进入呼吸链的中心点
53
四、 ATP与能量的释放、储存和利用
H2O+CO2 ATP
有机物氧化 产能
生物大分子 主动
合成
运输
肌肉 收缩
遗传信 息传递
O2 ADP+Pi
54
一、 ATP分子中的高能磷酸基的来源 （一） 氧化磷酸化： 主要来源 （二） 底物水平磷酸化 概念： 在反应过程中,由于分子内部能 量重新分配，形成高能磷酸化合物，进一 步将高能磷酸基转移给ADP，形成ATP
67
AH2
2H+
2Cu2+
O2-
H2O
A 2Cu+
1/2O2
属氧化酶主要有：细胞色素氧化酶、 酚氧化酶、 抗坏血酸氧化酶等
68
（二）需氧脱氢酶 （aerobic dehydrogenase）
特点： 使作用物氢活化， 受氢体：除氧以外还有其他试剂 产物之一是H2O2
69
AH
FMN(FAD)
H2O2
氧化磷酸化
4
糖
脂肪
葡萄糖 脂肪酸 ＋ 甘油
乙 酰CoA
蛋白质
氨基酸
TCA cycle
CO2
H＋＋e （进 入 呼 吸 链 ）
生成H2O 及释 放 出 能 量
5
第8章：生物氧化
GDP+Pi
HSCoA
H2C COOH H2C COOH
琥珀酸
GTP
O C SCoA
琥珀酰CoA
ATP ADP
琥珀酰CoA合成酶
2. 氧化磷酸化
在线粒体中，代谢物脱下的2H经呼吸链氧为 水时所释放的能量使ADP磷酸化生成ATP的 过程。它是体内生成ATP的主要的方式。
呼 吸 链
1 O2 H2O
实质：每消耗1mol氧原子所产生的ATP的mol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 呼吸链的组成 NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ →Cyt c→复合体Ⅳ→O2 复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ →Cyt c→复合体Ⅳ→O2 Cyt c→复合体Ⅳ→O2 复合体Ⅳ→O2 0.88 0.61-0.68 1 1 细胞色素c (Fe2+) 1.7 2 P/O比值 2.4～2.8 可能生成的 ATP数 3
1. 温度： 体温，~37度
高温
2. 反应温和：酶促,逐步氧化,逐步放能,可调节
反应剧烈：短时间内以光、热能形式放能
不能储存，0% 碳和氢直接与氧结合生成。
3. 效率：以高能键储存，40~55%
4. CO2来源：有机羧酸脱羧而来
二、生物氧化的酶类 氧化酶类 需氧脱氢酶 不需氧脱氢酶
R=H: NAD+;
R=H2PO3:NADP+
B: FAD和 FMN
FAD（或FMN）+ 2H FADH2（或 FMNH2）
C: 辅酶Q ( CoQ) 泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊烯连接形 成较长的疏水侧链（人CoQ10），脂溶性, 在膜中 可流动。 不固定于复合体，呈游离状态。氧化还 原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。
HSCoA
H2C COOH H2C COOH
琥珀酸
GTP
O C SCoA
琥珀酰CoA
ATP ADP
琥珀酰CoA合成酶
2. 氧化磷酸化
在线粒体中，代谢物脱下的2H经呼吸链氧为 水时所释放的能量使ADP磷酸化生成ATP的 过程。它是体内生成ATP的主要的方式。
呼 吸 链
1 O2 H2O
实质：每消耗1mol氧原子所产生的ATP的mol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 呼吸链的组成 NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ →Cyt c→复合体Ⅳ→O2 复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ →Cyt c→复合体Ⅳ→O2 Cyt c→复合体Ⅳ→O2 复合体Ⅳ→O2 0.88 0.61-0.68 1 1 细胞色素c (Fe2+) 1.7 2 P/O比值 2.4～2.8 可能生成的 ATP数 3
1. 温度： 体温，~37度
高温
2. 反应温和：酶促,逐步氧化,逐步放能,可调节
反应剧烈：短时间内以光、热能形式放能
不能储存，0% 碳和氢直接与氧结合生成。
3. 效率：以高能键储存，40~55%
4. CO2来源：有机羧酸脱羧而来
二、生物氧化的酶类 氧化酶类 需氧脱氢酶 不需氧脱氢酶
R=H: NAD+;
R=H2PO3:NADP+
B: FAD和 FMN
FAD（或FMN）+ 2H FADH2（或 FMNH2）
C: 辅酶Q ( CoQ) 泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊烯连接形 成较长的疏水侧链（人CoQ10），脂溶性, 在膜中 可流动。 不固定于复合体，呈游离状态。氧化还 原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。
生物化学 第8章 生物氧化
天冬 氨酸
①苹果酸脱氢酶
②天冬氨酸氨基转移酶
存在部位：肝脏、心肌组织
两种穿梭系统的比较
α-磷酸甘油穿梭 穿梭 物质 进入线粒 体后转变 成的物质 进入 呼吸链 α-磷酸甘油 磷酸二羟丙酮 苹果酸-天冬氨酸穿梭 苹果酸、 谷氨酸 天冬aa、α-酮戊二酸
FADH2
琥珀酸 氧化呼吸链
NADH+ H+
NADH 氧化呼吸链
琥珀酸由琥珀酸脱氢酶催化脱下的2H经复合 体Ⅱ（FAD，Fe—S）使COQ形成COQH2， 再往下传递与NADH氧化呼吸链相同。（见 上图）
NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼 吸链总图
FADH2
NADH
FMN
CoQ
Cyt-b c1
c
aa3
O2 H2O
3、分别进入两条呼吸链的底物
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
10
血红素b、c1 Fe-S 血红素c 血红素a 血红素a3 Cu2+ O2
Q
Cytc
13
1
Cytc Cyta
Ⅳ
细胞色素C氧化酶
13
(一)尼克酰胺核苷酸类(NAD+)
NAD+ 和NADP+的结构
NAD+：R=H NADP+：R=PO32-
尼克酰胺核苷酸的作用原理
H
H H CONH 2
C CONH2 N R
AH2 2H(2H++2e)
吸 链
1 2 O2
H2O
氧化
A
ADP+Pi
能量 ATP 磷酸化
第八章生物氧化
27
2.黄素蛋白（flavin protein，FP）
黄素蛋白的辅基有两种：FMN和FAD， 其分 子中的异咯嗪环可以进行可逆的加氢和脱氢反应， 故黄素蛋白在呼吸链中属于递氢体，在加氢反应 时接收2个氢原子。
28
H3C H3C
N
CH 2 O H C OH H C OH H C OH
O PO O-
36
37
细胞色素c （Cytochrome C）
➢13kD球形蛋白 ➢唯一能溶于水的细胞色素 ➢流动电子载体，可在线粒 体内膜外侧移动
38
呼吸链中常见的几种蛋白质或酶
名称
特点
主要功能
黄素蛋白
以FAD或FMN为辅基 传递H和电子
铁硫蛋白
辅基为铁硫中心（Fe-S） 传递单个电子
泛醌（CoQ）
脂溶性，能在内膜中自 由扩散
ATP、热能
10ion and storage of ATP
ATP在能量代谢中的核心作用 ATP的生成
底物水平磷酸化 氧化磷酸化 ATP的储存和利用
11
一、 ATP在能量代谢中的核心作用
生物体能量代谢的特点：
1. 生物体不能承受能量大量增加、能量大量 释放的化学过程，所以代谢反应都是依序 进行，能量逐步得失的反应
⊿G′
(kcal/mol) (－14.8) (－12.3) (－11.8) (－10.3) (－7.3) (－7.5) (－6.6) (－6.6) (－5.0)
14
二、 ATP的生成 （一）底物水平磷酸化 定义：代谢物在氧化分解过程中，因脱氢或
脱水而引起分子内能量重新分布，产 生高能键，然后将高能键转移给ADP （或GDP）生成ATP（或GTP）的过 程，称为底物水平磷酸化(substrate phosphorylation)。
第八章 生物氧化
第八章生物氧化一、内容提要生物氧化是指糖、脂肪、蛋白质等供能物质在生物细胞中彻底氧化分解为CO2和H2O 并逐步释放能量的过程。
CO2的生成方式为有机酸脱羧。
脱羧反应根据其发生在α碳原子及β碳原子，分为α脱羧和β脱羧。
有的脱羧反应涉及氧化，因此脱羧反应又可分为不伴氧化的单纯脱羧和伴氧化的氧化脱羧。
线粒体内膜存在多种具有氧化还原功能的酶和辅酶，排列组成呼吸链。
细胞的线粒体中，代谢物脱下的2H以质子和电子形式通过呼吸链逐步传递给O2生成H2O。
从细胞内膜分离得到四种功能的呼吸链复合体：NADH-泛醌还原酶（复合体Ⅰ）、琥珀酸-泛醌还原酶（复合体Ⅱ）、泛醌-细胞色素C还原酶（复合体Ⅲ）和细胞色素C氧化酶（复合体Ⅳ）。
CoQ、Cytc不包含在这些复合体中。
体内存在两条呼吸链，即NADH氧化呼吸链及琥珀酸氧化呼吸链。
ATP的生成方式有两种：底物水平磷酸化和氧化磷酸化，以氧化磷酸化为主。
氧化磷酸化是呼吸链电子传递过程中产生的能量，使ADP磷酸化生产ATP的过程。
实验结果表明，每2H经NADH氧化呼吸链传递可产生约2．5个ATP，经琥珀酸氧化呼吸链传递可产生约1．5个ATP。
氧化磷酸化受到甲状腺素和ADP/ATP比值的调节，同时易受呼吸链抑制剂、解偶联剂和ATP合酶抑制剂等抑制。
底物水平磷酸化是代谢物分子中能量直接转移给ADP生成ATP的过程。
除ATP外还存在其它高能化合物，但生物体内能量的生成、转化、储存和利用都是以ATP为中心。
在肌肉和脑组织中，磷酸肌酸可作为ATP的能量储存形式。
胞质中物质代谢生成的NADH不能直接进入线粒体，必须通过α-磷酸甘油和苹果酸-天冬氨酸两种穿梭机制进入线粒体进行氧化。
生物氧化过程中有时会生成反应活性氧类，他们具有强氧化性，对细胞有损伤作用。
微粒体中的氧化酶类可以将某些底物分子羟基化，增强其极性，便于从体内排出；过氧化物酶体中的氧化酶类和超氧化物歧化酶对反应活性氧类具有一定的清除作用。
Q第八章生物氧化
FAD
CoQ
ADP+Pi Cyt b ATP c1 c
ADP+Pi aa3 ATP O2
ATP
氧化磷酸化偶联部位
三、氧化磷酸化偶联机制---化学渗透假说
在氧化磷酸化中，电子从一个载体到另一个载 体的传递过程中究竟怎样促使ADP磷酸化成 ATP的？ 目前最为流行的是化学渗透假说（Peter Mitchell于1961年提出 ）：
例： CH3CH2OH
乙醇脱氢酶
CH3CHO
NAD+
NADH+H+
NAD+ 2H+
2e
电子传递链
1\2 O2 O=
H 2O
一、 呼吸链（respiratory chain) 概念：
代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所 催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这 一系列的酶和辅酶称为呼吸链(respiratory chain)又称电 子传递链(electron transfer chain)。 组成：脱氢酶、传递体和氧化酶 各组分按一定顺序排列在线粒体内膜
～P 甘油酸 ～P ATP
～P
磷酸肌酸 （磷酸基团储备物）
～P ～P
6-磷酸葡萄糖 3-磷酸甘油醛
0
二、ATP的生成方式（重点） • 生物氧化不仅仅是消耗O2生成CO2和H2O，更重 要的是在这个过程中有能量的释放。 • 释放出的能量在细胞内以ATP的形式贮存，以 供细胞代谢活动。
底物水平磷酸化 呼吸链磷酸化(最主要)
1、α—磷酸甘油穿梭（1NADH ：1.5ATP）
•主要存在于脑、骨骼肌
2、苹果酸穿梭（1NADH：2.5ATP）
主要存在于肝、心肌组织中。
生物化学58 第八章 生物氧化
糖异生 葡萄糖
2. 糖代谢的中间产物可氨基化生成某些 非必需氨基酸
丙氨酸
天冬氨酸
糖
丙酮酸
草酰乙酸
乙酰CoA
α -酮戊二酸 谷氨酸
柠檬酸
（三）脂类与氨基酸代谢的相互联系
1. 蛋白质可以转变为脂肪
氨基酸
乙酰CoA
脂肪
2. 氨基酸可作为合成磷脂的原料
丝氨酸
磷脂酰丝氨酸
胆胺
脑磷脂
胆碱
卵磷脂
3. 脂肪的甘油部分可转变为非必需氨基 酸
1. 摄入的糖量超过能量消耗时
合成糖原储存（肝、肌肉）
葡
萄
合成脂肪
糖
乙酰CoA
（脂肪组织）
2. 脂肪的甘油部分能在体内转变为糖
甘油激酶
葡
甘油
磷酸-甘油
萄
肝、肾、肠
糖
脂
肪
脂酸
乙酰CoA
葡萄糖
（二）糖与氨基酸代谢的相互联系
1. 大部分氨基酸脱氨基后，生成相应的α酮酸，可转变为糖。
例如
脱氨基
丙氨酸
丙酮酸
第八章 生物氧化
第八章 生物氧化
与非生物氧化共同之处： 1、反应的本质都是脱氢、 失电子或加氧；2、被氧 化的物质相同，终产物 和释放的能量也相同。
定义：生物氧化过程中从代谢物脱下来的 氢和电子需要经过一系列中间传递体，最 后才与氧气形成水，在其间能量逐步释放。 这种由一系列传递体构成的链状复合体称 为电子传递体系（ETS）或简称为呼吸链。 NADH呼吸链和FADH2呼吸链。
呼吸链的组分
NAD+及与NAD+偶联的脱氢酶：NAD+是一种流 动的电子传递体。
黄素及与黄素偶联的脱氢酶 辅酶Q：属于一种流动的电子传递体。 铁硫蛋白 细胞色素：细胞色素c是一种流动的电子传递体 氧气
第八章生物氧化
2.细胞色素 Cyt 细胞色素(Cyt 细胞色素 Cyt) 细胞色素是属于色蛋白类的结合蛋白， 细胞色素是属于色蛋白类的结合蛋白，其辅基是 含铁卟啉的衍生物(血红素A,血红素B,血红素 血红素A,血红素B,血红素C) 含铁卟啉的衍生物 血红素A,血红素B,血红素C) 细胞色素共有五种，分别为Cyt 细胞色素共有五种，分别为Cyt a, Cyt b, c， Cyt c1, Cyt c， Cyt a3. 细胞色素在呼吸链中是通过铁卟啉中的铁原子氧 化还原作用而往复传递电子， 化还原作用而往复传递电子，细胞色素是单电子 传递体方程式如下 方程式如下： 传递体方程式如下： ( b, c1, c) 2Cyt·Fe 2Cyt Fe3+ + 2e2Cyt·Fe 2Cyt Fe2+
一. 生物氧化的涵义 由前述分解代谢的总方程式： 由前述分解代谢的总方程式：
有机物 + O2 能量（ ATP） CO2 + H2O + 能量（ ATP）
则有机物的分解是一种有氧参与的氧化反应， 则有机物的分解是一种有氧参与的氧化反应， 且反应发生在生物体内， 且反应发生在生物体内，故称为生物氧化 定义 有机物质在生物体细胞内的 氧化分解作用称为生物氧化 由于此过程消耗氧生成CO2 ，且在细 由于此过程消耗氧生成CO 胞中进行， 胞中进行，因此又称为细胞呼吸
（二）反应历程复杂 例 葡萄糖的氧化反应方程式： 葡萄糖的氧化反应方程式： C6H12O6 +6O2 6CO2 + 6H2O
在体内和体外都是一样的， 在体内和体外都是一样的，但各自的反 应历程不同,体外氧化是一次反应完全的 应历程不同 体外氧化是一次反应完全的 而生物氧化是在活细胞的水溶液中进 生物氧化是在活细胞的水溶液中进 行的，途径迂回曲折，有条不紊， 行的，途径迂回曲折，有条不紊，反 应历程复杂， 应历程复杂，都是酶促反应
生物化学 第八章 生物氧化
第二节 线粒体氧化体系
一、呼吸链（respiratory chain） 二、呼吸链的组成成分和作用 三、呼吸链的蛋白质复合体 四、呼吸链中各组分的排列顺序
Go on~
一、呼吸链（respiratory chain）
• 呼吸链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。
功能：将底物上的氢激活
并脱下。
辅酶：NAD+或NADP+
NAD+ 和NADP+的结构
OR
NAD+：R=H NADP+：R=PO32-
尼克酰胺核苷酸的作用原理：
H
H H CONH 2
C CONH2 N R
+
+ H + e + H+
N R
+ H+
H
2H
H
e
H+
NAD(P)+
+2H
-2H
NAD(P)H+H+
Cys Cys
S S
Fe3+
S S
Fe3+S S来自Cys Cys+e-
Cys Cys
S S Fe3+
S S Fe2+
S S
Cys Cys
（4）泛醌（CoQ）
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，是氢传递体。
CoQ + 2H
CoQH2
（5）细胞色素（cytochrome,Cyt）
第八章生物氧化
Cytc12e
Cytc
2e
aa3
2e
O2-
1 2 O2
第20页/共47页
线粒体呼吸链复合体
FMN,Fe-S 复合体Ⅰ
FAD, Fe-S,Cytb 复合体Ⅱ
Cytb,
Fe-S,Cytc1 复合体Ⅲ
Cytaa3,Cu 复合体Ⅳ
第21页/共47页
四、胞液中的NADH的氧化
• 胞液中生成的NADH不能自由通透线粒体内膜，必须经过转运机制进入线 粒体
第32页/共47页
三、氧化磷酸化作用机理
（一）线粒体(mitochondrion)结构
线粒体内膜和脊上有许多球状小体突出： ATP合成酶系
第33页/共47页
第34页/共47页
第35页/共47页
Ⅰ
Ⅲ
Ⅳ
第36页/共47页
四、影响氧化磷酸化的因素
• 抑制剂（inhibitor） • ADP的调节 • 甲状腺素（thyroxine）的调节 • 线粒体（mitochondrial）DNA突变（mutation）
第4页/共47页
第二节 生物氧化方式
第5页/共47页
OO== O=
O= O=
一、生物氧化中CO2的生成方式： 有机酸脱羧
α-单纯脱羧 HO3HCORO丙-草C-COα酮CC-酰-氨酸CCC苹HO基乙HC果O-O酸酸N2酸HO-HHC2H-2-C※※OCH+HO氨单氧N-OC基HA纯化OH酸SD脱脱脱OCPN草A羧Ho+羧羧丙D酰A酶+丙苹酮乙酮果酸酸酸N羧R脱脱βN酶化Aα-羧A-C氢D酶-D单酶氧HH酶HP胺纯+2系化H3H-HCHN脱+3脱+3-CHCC羧H丙羧-2--C丙C酮C+乙-酮酸O-+SC酰酸OCCOCooHOAAH2+++CCOCO2O2 2
生物化学第八章 生物氧化
1 O2 2
H2O
实测得FADH2呼吸链： P/O~ 2
FADH2
线粒体是真核细胞的一种细胞器，是生物氧化和能 量转换的主要场所。是组织细胞的“发电厂”。 线粒体内，外膜的化学组成有显著的区别; 外膜：磷脂，胆固醇含量高，蛋白质含量低 内外膜间隙：腺苷酸激酶，核苷酸激酶等 内膜：有些脱氢酶，氧化呼吸链有关的酶， ATP 合成酶 基质： 催化糖有氧分解，脂肪酸氧化，氨基酸分 解和蛋白质生物合成的酶
3
二、生物氧化的一般过程
主要解决三个问题：
1．代谢物中C如何在酶催化下生成CO2；
2．细胞如何利用O2将代谢物中的H氧化成H2O；
3．氧化产生的自由能怎样被收集、转换和储存。
4
生物氧化的三个阶段
脂肪 多糖 蛋白质
大分子降解 成基本结构 单位
脂肪酸、甘油
葡萄糖、 其它单糖
氨基酸
乙酰CoA
小分子化合物 分解成共同的 中间产物（如 丙酮酸、乙酰 CoA等）
31
2. 高能化合物
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（ >20 千焦 / 摩尔）的化合物称为 高能化合物。
32
高 能 化 合 物 类 型
33
3. ATP的特点
在 pH=7 环 境 中 ， ATP 分子中的三个磷 酸基团完全解离成带 4个负电荷的离子形 式 （ ATP4-）， 具 有 较大势能，加之水解 产物稳定，因而水解 自由能很大（ ΔG°′= -30.5千焦/摩尔）。
34
4.ATP的特殊作用
在机体的能量代谢中， ATP 就好像能量通币， 高能化合物虽有多种，只有 ATP 可为一切生 理机能与生物合成反应提供能量； ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体
第八章 生物氧化
第八章生物氧化一、名词解释1、生物氧化2、呼吸链3、氧化磷酸化4、磷氧比P/O5、底物水平磷酸化6、化学渗透学说二、填空题1、生物氧化是在细胞中彻底氧化分解生成，同时产生_________的过程。
2、生物体内A TP生成的方式包括和两种，其中以为主。
3、生物氧化中产生的CO2的生成不是碳与氧的直接结合，而是由有机物氧化成，经脱羧而产生的。
生物体中的脱羧方式有两种：和。
4、真核细胞生物氧化的主要场所是，呼吸链和氧化磷酸化偶联因子都定位于。
原核生物的呼吸链位于。
5、典型的呼吸链包括和两种，这是根据接受代谢物脱下的氢的不同而区别的。
6、反应的自由能变化用________表示，标准自由能变化用_________表示，生物化学中pH 7.0时的标准自由能变化则表示为_________。
7、NADH呼吸链中氧化磷酸化的偶联部位是、和。
8、在呼吸链中，氢或电子从氧化还原电位的载体依次向化还原电位的载体传递。
9、以NADH为辅酶的脱H酶类主要参与的作用，即参与从到电子传递；以NADPH为辅酶的脱H酶类，主要是将分解代谢中间产物上的转移到反应中需要电子的中间产物上。
10、P/O值是指。
NADH的P/O值是，FADH2的P/O值是。
11、在无氧条件下，呼吸链各传递体都处于_________状态。
12、呼吸链中唯一的一个小分子的物质是_________，又称为。
它在呼吸链中的作用是。
13、细胞色素是一类以为辅基的蛋白质，在呼吸链中的功能是：。
在典型的线粒体呼吸链中的细胞色素有几种，其顺序是：。
14、线粒体呼吸链中电位跨度最大的一步是在_________。
15、鱼藤酮，抗霉素A，CNˉ、N3ˉ、CO，的抑制作用分别是_________，_________，和_________。
16、线粒体内膜外侧的α-磷酸甘油脱氢酶的辅酶是_________；而线粒体内膜内侧的α-磷酸甘油脱氢酶的辅酶是_________。
17、在肝脏和心肌等组织中，胞液中的NADH在酶的催化下使草酰乙酸还原成，NADH变为NAD+，进入线粒体，并受线粒体中的酶作用使NAD+还原成NADH，然后进入呼吸链，生成的草酰乙酸需转化成才能逸出线粒体。
第八章生物氧化
第八章生物氧化一、内容提要生物氧化是指糖、脂肪、蛋白质等供能物质在生物细胞中彻底氧化分解为CO2和H2O并逐步释放能量的过程。
CO2的生成方式为有机酸脱羧。
脱羧反应根据其发生在α碳原子及β碳原子，分为α脱羧和β脱羧。
有的脱羧反应涉及氧化，因此脱羧反应又可分为不伴氧化的单纯脱羧和伴氧化的氧化脱羧。
线粒体内膜存在多种具有氧化还原功能的酶和辅酶，排列组成呼吸链。
细胞的线粒体中，代谢物脱下的2H以质子和电子形式通过呼吸链逐步传递给O2生成H2O。
从细胞内膜分离得到四种功能的呼吸链复合体：NADH-泛醌还原酶（复合体Ⅰ）、琥珀酸-泛醌还原酶（复合体Ⅱ）、泛醌-细胞色素C还原酶（复合体Ⅲ）和细胞色素C氧化酶（复合体Ⅳ）。
CoQ、Cytc不包含在这些复合体中。
体内存在两条呼吸链，即NADH氧化呼吸链及琥珀酸氧化呼吸链。
ATP的生成方式有两种：底物水平磷酸化和氧化磷酸化，以氧化磷酸化为主。
氧化磷酸化是呼吸链电子传递过程中产生的能量，使ADP磷酸化生产ATP的过程。
实验结果表明，每2H经NADH氧化呼吸链传递可产生约2．5个ATP，经琥珀酸氧化呼吸链传递可产生约1．5个ATP。
氧化磷酸化受到甲状腺素和ADP/ATP比值的调节，同时易受呼吸链抑制剂、解偶联剂和ATP合酶抑制剂等抑制。
底物水平磷酸化是代谢物分子中能量直接转移给ADP生成ATP的过程。
除ATP外还存在其它高能化合物，但生物体内能量的生成、转化、储存和利用都是以ATP为中心。
在肌肉和脑组织中，磷酸肌酸可作为ATP的能量储存形式。
胞质中物质代谢生成的NADH不能直接进入线粒体，必须通过α-磷酸甘油和苹果酸-天冬氨酸两种穿梭机制进入线粒体进行氧化。
生物氧化过程中有时会生成反应活性氧类，他们具有强氧化性，对细胞有损伤作用。
微粒体中的氧化酶类可以将某些底物分子羟基化，增强其极性，便于从体内排出；过氧化物酶体中的氧化酶类和超氧化物歧化酶对反应活性氧类具有一定的清除作用。
第八章 生物氧化
2. 氧化磷酸化的机制——化学渗透学说
胞液侧 H+
H+ H+ Cyt c
+
+++++ +
++
+
Q
F
Ⅰ
Ⅱ
-
-
Ⅳ
0
- Ⅲ---
--
NADH+H+ NAD+
延胡索酸 琥珀酸
H2O 1/2O2+2H+
基质侧
ADP+Pi
-
F1
ATP
H+
化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)：
电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线 粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内 外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯 度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。
Cytb, Fe-S,Cytc1 复合体Ⅲ
Cytaa3,Cu 复合体Ⅳ
烟酰胺(nicotinamide)核苷酸类（NAD+、NADP+）
递氢体
黄素蛋白(flavoprotein)类（FMN、FAD）
递氢体
铁硫蛋白(iron-sulfur cluster)
递电子体
传递电子方式：
Fe2+
Fe3+ + e-
比较1、2，第一个偶联部位 NAD+ → CoQ 之间 比较2、3，第二个偶联部位 CoQ → Cytc 之间 比较3、4，第三个偶联部位 Cytaa3 → O2 之间
(2)计算自由能变化
△G0′<0 放能 △G0′>0 吸能 △G0′=0 无能变化
第八章 生物氧化
Cyt c
e-
内外膜间隙侧
e-
Q e-
Ⅰ
Ⅱ e-
Ⅲ
e- 线粒体内膜
Ⅳ
NADH+H+ NAD+
延胡索酸 琥珀酸
基质侧
H2O 1/2O2+2H+
四个蛋白复合体：复合体I ～ IV 两个可灵活移动的成分：泛醌（CoQ）和 Cyt c
三、主要的呼吸链
（一）NADH氧化呼吸链
NADH
FMN （Fe-S）
CoQ
解耦联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）
H+
热能
内外膜间隙侧 + +++++
Cyt c
+
++
解耦联 蛋白
Ⅰ
-
基质侧
Q
F
Ⅱ
--
0
Ⅲ- - -
Ⅳ
-
F1
ADP+Pi ATP
H+
寡霉素(oligomycin)
可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。
内外膜间隙侧
寡霉素
（三）ATP的利用和储存
为糖原、磷脂、蛋白质合成时提供能量的UTP、 CTP、GTP一般不能从物质氧化过程中直接生成， 它们的生成和补充都有赖于ATP。 NMP + ATP <=核苷单磷酸激酶=> NDP + ADP NDP + ATP <=核苷二磷酸激酶=> NTP + ADP
构成呼吸链的递氢体或递电子体通常以复合体的 形式存在于线粒体内膜上。
一、呼吸链的主要组分
Cyt c
内外膜间隙侧
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烯醇式丙酮酸+ATP
⑶
琥珀酰硫激酶
琥珀酰CoA+H3PO4+GDP
琥珀酸+CoA+GTP
目录
氧化磷酸化
（一）氧化磷酸化偶联部位
氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ 根据自由能变化和P/O比值 ⊿Gº'=-nF⊿Eº'
3. 耗氧---水的生成机制
目录
4. 生物氧化的特点
1、生物氧化是在细胞内温和的环境下（体温，pH 接近中性）由酶催化逐步进行的反应过程。 2、产生CO2的方式是脱羧，代谢物脱下的氢在呼 吸链上与氧结合产生H2O。 3、生物氧化时，能量逐步释放，因此有利于机体捕 获能量，提高ATP生成的效率。 4、生物氧化的速率受体内多种因素的影响。
是一类以铁卟啉为辅基的电子传递蛋白。 呼吸链中主要有a、b、c、三类。差别在于铁卟
啉的侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接的方式不同。 Cyt b、c的铁卟啉与血红素相同； Cyt a的铁卟 啉为血红素A。 分子中的铁通过氧化还原而传递电子，为单电子 传递体。
目录
目录
目录
呼吸链的组成
四种具有传递电子功能的酶复合体(complex) 人线粒体呼吸链复合体
N NO
NH2
HCH
H C OH H C OH
N N
H C OH CH2 O
FAD结构
O PO OH
O PO OH
N
N
CH2 O
H H
Байду номын сангаасOH
H H
OH
目录
FMN和FAD递氢机制
O
H3C
5
N
10
4 NH
8
9
1
+ 2H
H3C
N NO
R
FMN/FAD
（氧化型）
O
H
H3C
5
N
10
4 NH
8
9
1
H3C
N NO
目录
复合体Ⅱ 琥珀酸→ Fe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 →CoQ
琥珀酸
FAD
2Fe2+-S Q
延胡索酸
FADH2
2Fe3+-S
QH2
目录
复合体Ⅲ QH2→ b562; b566; Fe-S; c1 →Cyt c
目录
复合体Ⅳ
还原型Cyt c → CuA→a→a3→CuB → O2
分子中的苯醌结构能可逆地结合2个H，为递氢体。
目录
O
H3CO
CH3
CH3
H3CO
O
(CH2
C H
C
CH2)nH
CoQ
CH3
H2C C C CH2
H
isoprene
目录
O
CH3O
CH3
+ 2H
CH3O
R
O
泛醌 （氧化型）
CH3O
OH CH3
CH3O
R OH
二氢泛醌 （还原型）
目录
5. 细胞色素类（Cytochrome, Cyt）
目录
呼吸链的组成及作用
A、组成：含一系列的酶和辅酶类,(B,功能) 其辅酶包括: （一）NAD(NADP) （二）黄素蛋白(FMN, FAD) （三）铁硫蛋白(FeS) （四）泛醌（辅酶Q） （五）细胞色素(Cytochrome)
目录
1. 烟酰胺核苷酸
NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide Adenine Dinucleotide) ，又叫CoⅠ，主要作为呼 吸链的一个组分，起递氢体作用；
H
R
FMNH2/FADH2
（还原型）
目录
3. 铁硫蛋白(Iron-sulfur protein, Fe-S)
又叫铁硫中心或铁硫簇。 含有等量铁原子和硫原子。 铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的巯基连接。 铁原子可进行Fe2+ Fe3++e 反应传递电子，为单电
子传递体。
目录
Cys
S
底 物 水 平 磷 酸 化 (substrate level phosphorylation) 是底物分子内部能量重新分 布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的 过程。
目录
底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：
⑴
3-磷酸甘油酸激酶
1,3-二磷酸甘油酸+ADP
3-磷酸甘油酸+ATP
⑵
丙酮酸激酶
磷酸烯醇式丙酮酸+ADP
Cyt b,c1 （Fe-S）
compex III
Cyt c Cyt aa3 O2 compex IV
目录
线粒体内重要代谢物氧化的途径
苹果酸
β -羟脂酰CoA β -羟丁酸 异柠檬酸
谷氨酸
琥珀酸 α -磷酸甘油
FAD （Fe-S）
NADH
FMN （Fe-S）
CoQ
Cyt b c1
c
aa3 O2
FAD
Dinucleotide) FMN和FAD中异咯嗪环起递氢体作用。 异咯嗪及核醇部分为Vit B2（核黄素）。
目录
FMN结构
H3C
异咯嗪
H3C
核醇
O
N 5 10 4 NH
8
9
1
N NO
HCH
H C OH
H C OH
H C OH O
CH2 O P OH
OH
目录
O
H3C
N
5 10
4 NH
8
9
1
H3C
目录
NAD+（NADP+）的递氢机制
H
CONH2+ H + H + + e
N R
NAD +/NADP + （氧化型）
H
H
CONH2
+H+
N R
NADH/NADPH
（还原型）
目录
2. 黄素辅基
FMN：黄素单核苷酸(Flavin Mononucleotide) FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine
NADP+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate) ，又叫 CoⅡ，主要在还原性生物合成中作为供氢体。
二者的递氢部位是烟酰胺部分，为Vit PP。
目录
NAD+和NADP+的结构
R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+
目录
* 二、呼吸链
➢定义 代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和 辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结 合生成水。由供氢体、传递体、受氢体及相应 的酶系统组成的生物氧化还原链称为呼吸链 (respiratory chain) 又 称 电 子 传 递 链 (electron transfer chain)。 组成 供氢体、传递体、受氢体及相应的酶系统(在线 粒体内膜上为多酶体系) 。
超氧离子在超氧化物歧化酶(SOD)催化下生成 H2O2与O2。
目录
B 不需氧脱氢酶类
这是人体内主要的脱氢酶类，其直接受氢体不 是O2，而只能是某些辅酶(NAD+、NADP+)或辅 基(FAD、FMN)，辅酶或辅基还原后又将氢原 子传递至线粒体氧化呼吸链，最后将电子传给 氧生成水，在此过程中释放出来的能量使ADP 磷酸化生成ATP，如3 磷酸甘油醛脱氢酶、琥 珀酸脱氢酶、细胞色素体系等。
目录
* 生物氧化的一般过程
糖原
三酯酰甘油
葡萄糖
脂酸+甘油
乙酰CoA
蛋白质 氨基酸
TAC
CO2 2H
ADP+Pi ATP
呼吸链
H2O
目录
生物氧化的部位—线粒体
目录
线粒体结构
目录
* 生物氧化与体外氧化的相同点
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。
目录
* 生物氧化与体外氧化的不同点
生物氧化
是在细胞内温和的环境 中由酶催化进行的，能 量是逐步释放的，并储 存于ATP中。
代谢物脱下的氢与氧结 合产生H2O，有机酸脱 羧产生CO2。
体外氧化 能 量 是 突 然 释 放
的。
CO2、H2O由物质 中的碳和氢直接与 氧结合生成。
目录
第一节 概述
一、生物氧化的方式和特点 （一）生物氧化的方式
目录
二、参与生物氧化的酶类
1. 脱氢酶---催化呼吸底物的氧化 能使代谢物的氢活化、脱落并将其传递给受氢 体或中间传递体的一类酶，称为脱氢酶。
根据最终的受氢体的不同可以分为两类： A 需氧脱氢酶类
B 不需氧脱氢酶类
目录
A 需氧脱氢酶类
需氧脱氢酶以FAD或FMN为辅基，以氧为直接 受氢体，产物为H2O2或超氧离子(O2) 。如D-氨 基酸氧化酶(辅基FAD)、L-氨基酸氧化酶(辅基 FMN)、黄嘌呤氧化酶(辅基FAD)、醛脱氢酶(辅 基FAD)、单胺氧化酶(辅基FAD)、二胺氧化酶 等。
FAD
硫辛酸 丙酮酸
脂酰CoA
α -酮戊二酸
目录
第三节 能量代谢中生物能的产生、转移和储存
目录
ATP的生成和利用ATP
肌酸
磷酸 肌酸
氧化磷酸化 底物水平磷酸化 ~P
ADP
生物体内能量的储存和利 用都以ATP为中心。
~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)