第七章生物氧化

主要作为一类不需氧脱氢酶的的辅酶。有NAD+ 和NADP+，大多脱氢酶以NAD +为辅酶。
电子和氢离子一起被接受，还原型CoⅠ将氢移 到NADH（黄素）脱氢酶上。
目录
NAD+和NADP+的结构
R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+
目录
NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变
目录
Байду номын сангаас
体内有些合成反应不直接利用ATP供能， 而是由ATP将高能磷酸键转给UDP、 CDP和GDP，生成UTP、CTP、GTP，作 为能量的直接来源参与合成反应。 如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂 合成，GTP用于蛋白质合成等。
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核苷二磷酸激酶的作用 ATP + UDP ADP + UTP ATP + CDP ADP + CTP ATP + GDP ADP + GTP
➢定义
在生物氧化过程中，从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，这一系列酶和辅酶组成的连锁传 递体系称为呼吸链(respiratory chain)又称电子传递链 (electron transfer chain)。呼吸链是代谢物上氢原子被 脱氢酶激活脱落后，经一系列电子传递体，最后传递给 被激活的氧分子而生成水的过程。
当ΔG0 ＝0时，
ΔG’＝ －RTln[B]/[A]= -2.303RT lgK
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由此
1）可从[产物]和[反应物]或反应平衡常数，计算 出标准自由能变化。这在生物化学中有较大意义。 2）自由能变化的可加性：
如反应序列：A→B→C→D 则：反应A→D自由能变化为：
ΔG0 A-D= ΔG0 A-B + ΔG0 B-C + ΔG0 C-D 只要ΔG0总和＜0 ，则该途径可自发进行。
机械能--运动 化学能--合成 渗透能--分泌吸收 电能--生物电 热能--体温 光能--生物发光
荧火虫
ATP是生物系统能量交换的中心 目录
一般情况下，ATP将磷酸基团转移给肌酸生成 磷酸肌酸将能量贮存起来。
磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。
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磷酸肌酸与ATP的转换
磷酸肌酸、磷酸精氨酸（无脊椎动物肌肉中）
➢组成：递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e），存在
于线粒体内膜上
目录
目录
线粒体的结构
嵴 目录
二、呼吸链的组成
呼吸链共包括四种具有传递电子功能的酶复合体(complex， 由相应酶和传递体共同组成) 和两种单独成分。
线粒体呼吸链复合体
复合体
酶名称 多肽链数 辅基
复合体Ⅰ 复合体Ⅱ 复合体Ⅲ 复合体Ⅳ
腺苷酸激酶的作用
ADP + ADP
ATP + AMP
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二、高能化合物
生物体内的放能反应与吸能反应偶联，最基本的 形式是通过高能化合物实现的。
1、高能化合物的概念：指含有高能键，在标准条件下 （pH=7,250C,1mol/L)发生水解时可释放大量自由能的化合 物。 高能化合物的共同特点是含有容易断裂的“活泼键”， 水解时可释放大于21KJ/mol的能量，常用符号表示。
NH2
N
N
O
OS O-
O
OP O-
NN OCH2 O
HH
H
H
OH OH
3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸
目录
甲硫键型
S-腺苷甲硫氨酸
H3C
COOCH NH3+
CH2
CH2 S+ A
目录
目录
第三节 呼吸链与氧化磷酸化
The Oxidation System of ATP Producing
目录
一、呼吸链的定义
糖 脂肪 蛋白质
O2
CO2和H2O
ADP+Pi
能量
ATP
热能
目录
二、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。
目录
* 生物氧化与体外氧化之不同点
——贮能作用
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O
NH
PO
C NH O
N CH3 CH2COOH
磷酸肌酸
O
NH
PO
C NH O
N CH3 NH2
CH2CH2CH2CHCOOH
磷酸精氨酸
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)
1、自由能（Gibbs，G）的概念： 是指在一个反应体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够
用以作功的那一部分能量。 即生物体中进行生物氧化所提供的能。
恒温恒压条件下自由能变化公式为
ΔG =ΔH － T ΔS
意义：1)用其判断一个反应是否能发生； 2)生物体用以作功的能为体内生化反应放出的自由能； 3）生物氧化所提供的能是机体可利用的自由能。
磷酸烯醇式丙酮酸 14.8千卡/摩尔
目录
磷氮键型
O
NH
PO
C NH O
N CH3
CH2COOH
O
NH
PO
C NH O
N CH3 NH2
CH2CH2CH2CHCOOH
磷酸肌酸
磷酸精氨酸
10.3千卡/摩尔
7.7千卡/摩尔
这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。
目录
硫酯键型
O R C SCoA
酰基辅酶A
铁-硫中心：存在于微生物、动物组织中，在NADH 呼吸链中有多个不同的铁-硫中心。
NADH脱氢酶复合物包括两个电子传递系统 （酶，FMN，铁-硫中心）。
目录
铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原 子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+ Fe3++e 反应传递电子。
Ⓢ 表示无机硫
目录
铁硫蛋白
物质的氧化方式是脱氢反应，脱下的氢 产生的CO2、H2O是由物质中 在酶、辅酶和电子传递系统参与下经一 的碳和氢直接与氧结合生成。 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。
◆场所：真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行。
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自由能和化学反应的关系
ΔG与反应途径、反应机理无关。
任何反应，当：
ΔG＜0 反应可自发进行，为放能反应； ΔG ＞0 反应不能自发进行，为吸能反应； ΔG ＝0 体系处于平衡状态，反应可逆。
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2、自由能变化与氧化还原电位差的关系
生物氧化过程包括一系列的氧化还原反应，参与 氧化还原反应的每种物质都有氧化态和还原态，称为 氧还对；而参与反应的每一氧还对转移电子的势能 （即氧化还原体系中失去或获得电子的趋势的高低） 叫做氧化还原电位，标准氧化还原电位以E0’表示。 E0’ 值越小，供出电子的倾向越强，即还原能力越强； E0’ 值越大，接受电子的倾向越强。在生物体内氧化还原 过程中，电子总是从E0’值较小的物质移向E0’值较大的 物质，即从还原剂（电子供体）移向氧化剂（电子受 体）。后者的E0’值减去前者的E0’值，叫做生化标准氧 化还原电位差，用Δ E0’值表示。
第七章生物氧化
Biological Oxidation
目录
第一节 概 述
Introduction
目录
一、生物氧化的概念
物质在生物体内进行的氧化称为生物氧化，主要指 糖、脂肪、蛋白质等有机物质在生物体内氧化分解并逐 步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。亦称“组织 氧化”、“组织呼吸”或“细胞氧化”。
目录
生物氧化中CO2生成的方式 1.-单纯脱羧:
NH2 ︱
RCHCOOH
RCH2NH2 +CO2
氨基酸脱羧酶
目录
2.-氧化脱羧:
目录
3. -氧化脱羧:
目录
* 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
TCA
CO2 2H
ADP+Pi ATP
呼吸链
H2O
目录
三、生物氧化中自由能变化及氧化还原电位
除含铁还含铜（ Cu 2 + → Cu + ） c、cytc：在ctybc1复合体和cty氧化酶间传递电子。
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细胞色素 细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电 子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。
目录
目录
传递体
作用
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 （NAD+）
递氢体
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+） 递氢体
氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。
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②黄素脱氢酶类 黄素脱氢酶（NADH脱氢酶）是黄素蛋白，其 辅基FMN（ FAD ）接受2个氢原子成还原型 的黄素单核苷酸。
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FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是 异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是 FMN• 。
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③铁硫蛋白类
NADH脱氢酶还有几个非血红素铁原子与酸不稳定 的硫原子结合，组合成铁-硫中心（iron-sulfur center)。借铁的变价（Fe 3 + →Fe 2 + ）接受电子 并转给辅酶Q。
目录
2、高能化合物的类型：根据分子中是否含有磷酸 可分为磷酸类高能化合物和非磷酸类高能化合物。 必须注意：并非所有的磷酸化合物都是高能化合物。
高能磷酸键 水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，常
表示为 P。 高能磷酸化合物
含有高能磷酸键的化合物
目录
也可根据分子结构的特点和所含高能键的特征 进行分类。 1）磷氧键型：如ATP、磷酸烯醇式丙酮酸等 2）磷氮键型：如磷酸肌酸等 3）硫酯键型：如脂酰CoA等 4）甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸
O
O
RCH C O P O A
N+H3
O-
氨酰基腺苷酸
目录
（2）焦磷酸化合物
OO
O- P O P O-
O-
O-
焦磷酸
O O- P
O-
ATP（三磷酸腺苷）
7.3千卡/摩尔
O O- P
O-
O O- P
O-
NH2
N
N
NN OCH2 O
HH
H
H
OH OH
目录
（3）烯醇式磷酸化合物
COOH O CO PO CH2 O
目录
磷氧键型（—O~P)
(1)酰基磷酸化合物
O
O O-
C O P O-
CH OH O
CH2 O P OO-
OO CH3 C O P O-
O-
1,3-磷酸甘油酸
乙酰磷酸
11.8千卡/摩尔
10.1千卡/摩尔
目录
O
O
酰基磷酸化合物
RC O P O A
O-
O
O
H3N+ C O P OO-
氨甲酰磷酸
酰基腺苷酸
一个热力学上不能进行的反应可由与此偶联的容易进 行的反应驱动。
目录
第二节 ATP
目录
一、ATP的形成与作用
目录
O O- P
O-
O O P O-
O-
NH2
N
N
焦磷酸
O O- P
O-
ATP（三磷酸腺苷）
O O- P
O-
O O- P
O-
NN OCH2 O
HH
H
H
OH OH
目录
ATP的特殊作用
二、生物能学
目录
Δ G＝－nF Δ E0’ n=转移电子差；F:法拉第常数（99.496kJ/V.mol)
标准自由能变化ΔG0 ：标准状况下，产物自由能与反应物
自由能之差。单位：kJ/mol
ΔG’ ＝ ΔG0 －RTln[B]/[A] ΔG0’：pH=7时，标准自由能的变化。
每一化学反应有其特定的ΔG0’ ΔG0’的大小依赖于反应的平衡常数K：
NADH- Q还原酶 琥珀酸- Q还原酶 QH2-细胞色素C 细胞色素c氧化酶
39 FMN，Fe-S
4
FAD ，Fe-S
10 铁卟啉，Fe-S
13 铁卟啉，Cu
* Q(泛醌) 和 细胞色素C(Cytc)均不包含在上述四种复合体中。
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呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置
目录
目录
呼吸链中包括5类电子载体： ①烟酰胺核苷酸类：
目录
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CoQ10），氧化还原反应 时可生成中间产物半醌型泛醌。
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⑤细胞色素类（cytochromes)
是一类以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质。广泛分 布于生物细胞，由于呈现颜色，故称细胞色素。 其作用靠铁的变价传递电子由CoQ传到氧。 a、cytbc1复合体：含ctyb 、ctyc1及铁-硫蛋白。 b、cyt氧化酶：含ctya和ctya3 。
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、高压以及干燥的条件
pH接近中性），经一系列酶促反应逐步 下进行，是剧烈的自由基反应，
缓慢进行，能量逐步释放，以ATP形式 储存和转运，有利于机体捕获能量，提 高ATP生成的效率。
能量是突发式释放的。产生的 能量以光与热的形式散发在环 境中。
S 无机硫 S 半胱氨酸硫
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④辅酶Q类 又称泛醌（ubiquinone，CoQ)，是脂溶性化合物，
可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇 （ CoQH2）。所以处在呼吸链的中心地位。它与 蛋白质结合不紧，可在黄素脱氢酶类与细胞色素 类之间起载体作用。 泛醇将电子传给细胞色素bc1复合体， H+释出。