第六章生物氧化20110411

线粒体内两条重要的呼吸链
NADH氧化呼吸链
2H+ AH2 NAD
+
FMNH 2 Fe-S
CoQ
2Fe
2+
1 O 2 2
A
NADH +H+
b-c1-c-aa3 CoQH 2 2Fe3+ O2H2O
FMN
琥珀酸氧化呼吸链
脂酰CoA α-磷酸甘油
琥珀酸
FAD Fe-S FADH2
CoQH 2
2Fe3+ b-c1-c-aa3 2Fe2+
生理功能：是供给生活细胞以生命运动所需要的能量
和中间产物。
呼吸作用 单位时间内单位重量组 生物氧化 发酵作用（酵解作用） 呼吸强度 呼吸作用 测定指标 呼吸商
R.Q.= CO2/02 R.Q.=1 R.Q.＞1 R.Q.＜1 以糖为底物时 以多元羧酸为底物时 脂肪、脂肪酸、蛋白质 和氨基酸为底物 织吸收的氧的容积或重 量，或以呼出的二氧化 碳的容积或重量表示。
OH OH AM P ADP ATP
ATP的生成
生物体内通过生物氧化合成ATP的方式 有底物水平磷酸化和氧化磷酸化。
（1）底物水平磷酸化 (substrate level phospharylation)
底物分子中的能量直接以高能键形式转移给ADP生成ATP， 这个过程称为底物水平磷酸化。
（2）氧化磷酸化 (oxidative phospharylation)
（iron—sulfur proteins,Fe-S)
4. 辅酶Ｑ
（coenzyme,亦写作CoQ）
5. 细胞色素体系 （cytochromes,cyt）
烟酰胺腺嘌呤核苷酸类辅酶
辅酶Ⅰ（NAD）
辅酶Ⅱ（NADP）
黄素蛋白(flavoproteins)
与电子传递链有关的黄素蛋白有两种，分别以 FMN和FAD为辅基。
2. 生物氧化的特点
• • • • •
①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，pH≈7和常温)。 ②在生物氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。 ③在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。
④生物氧化是一个逐步进行的过程，每一步都由酶催化。
⑤生物氧化过程中释放的能量，除以热的形式散失外(用 来维持体温)，相当一部分能量通过与ATP合成相偶联，转换 成生物体能够利用的生物能形式ATP，用于提供机体各种生理 活动的需要。 多酶体系催化的连续的化学反应
在FAD、FMN分子中的异咯嗪部分可进行 可逆的脱氢加氢反应。 NADH+H++FMN=NAD++FMNH2 琥珀酸+FAD=延胡索酸+FADH2
铁硫蛋白
(iron sulfur proteins, Fe-S)
是含铁硫络合物的蛋白质，又称非血红素铁蛋白（或 铁硫中心），其特点是含等量的非血红素铁原子和对酸不
NAD+
OH -OOC-CH2-C-COOH
线 粒 体 内 膜
谷氨酸
H
谷草转 氨酶
O -OOC-CH2-CH2-C-COO-
NADH +H+
α-酮戊二酸
OH
NAD+
-OOC-CH2-C-COO-
苹果酸
苹果酸-α-酮 戊二酸转运体
H
胞液
基质
6.2.4电子传递抑制剂
鱼藤酮
抗霉素
电子传递抑制剂：在某一部位阻断电子传递。
Ⅲ
CO2 2H ADP+Pi 呼吸链 ATP H2O
1
5.生物氧化中CO2和H2O的生成
CO2的形成
生物氧化中产生的CO2来自底物降解过程中形成的羧酸
的脱羧基作用。包括直接脱羧和氧化脱羧。
α酮酸脱羧酶 CH3COCOOH Mg2+,TPP
苹果酸脱氢酶 HOOC-CHOH-CH2-COOH Mg2+,TPP CH3COCOOH + CO2 +2H
CH3COCOOH+2H+ +2e
AH2 2H B
AH2 供氢体 （还原剂）
+
B
A +
BH2
或写成
受氢体 （氧化剂） A
BH2
既能接受氢原子（或电子）又能提供氢原子（或电 子）的物质，称为递氢体（或递电子体）。
加氧反应
+1/2O2
OH
加水脱氢反应
OH
CH3CHO
CH3CH
OH
CH3COOH+2H++2e
4.生物氧化的一般过程
糖原 三酯酰甘油 蛋白质
Ⅰ
葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸
大分子降解 成基本结构 单位
乙酰CoA
Ⅱ
小分子化合物 分解成共同的 中间产物 乙酰辅酶A进 入三羧酸循环 脱氢，生成 CO2。氧化脱 下的氢经呼吸 链将电子传递 给氧生成水， 氧化过程中释 放出来的能量 用于ATP合成
TAC
线粒体 外膜
膜间隙
线粒体 内膜
苹果酸-天冬氨酸穿梭作用
心肌
胞液 Asp Glu 内膜 Asp Glu 基质
草酰乙酸 NADH +H+ NAD+ 苹果酸
草酰乙酸 NADH +H+
1 O 2 2
α-KG 苹果酸
α-KG 苹果酸
3~ P NAD+ 苹果酸 H2O
H 3N
-
+ -
OOC-CH2-C-COO H
2Cu2+
氧化酶
O2- 2H+ 2H20
A
（氧化型代谢产物）
2Cu+ 2e-
1/2O2
细胞色素氧化酶 抗坏血酸氧化酶 酚氧化酶
脱氢酶类
需氧脱氢酶类 以氧为氢受体，催化代谢物脱氢，生成物为H2O2。
不需氧脱氢酶类 以该酶的辅基或辅酶作为氢受体，然后经递氢体或递电 子体将氢传递给氧而生成水。 吡啶核苷酸（NAD+、NADP+）、黄素核苷酸（FMN、FAD）
CH3CHO +
CO2
H2O的形成
第一部分是脱氢酶将底物上的氢激活脱落； 第二部分是氧化酶将来自大气的分子态氧活化成为 氢的最终受体而生成水(植物和有些微生物还可以 利用NO3-、SO42-等氧化物为受氢体)。
6.生物氧化的酶类
氧化酶类
2eAH2
（还原型代谢产物）
结构特点：辅基 Cu2+、Fe3+
O21 O2 2
H2O
延胡索酸
CoQ
2H
+
NADH氧化呼吸链
FADH2氧化呼吸链
线粒体外NADH的氧化
α-磷酸甘油穿梭作用 穿梭作用
酵 解
（细胞质）
氧化磷 酸化
（线粒体）
苹果酸-天冬氨酸穿梭作用
线粒体外胞液中生成少量的NADH，不能自由通过线 粒体膜而进入线粒体内的呼吸链进行氧化，必须将 2H+交给能自由通过线粒体内膜的中间物，中间物将 H+带入线粒体内，交给线粒体内的NAD+或FAD，中间 物又穿出线粒体重新携带线粒体外NADH的氢。这一 转运机制称为穿梭作用。
铁硫蛋白在氧化态时两个铁均为Fe3+， 在还原态时变为Fe2+。由于铁的氧化、还原 而达到传递电子作用。
Fe2+
Fe3+ +
e
辅酶Q（泛醌）
(ubiquinone,UQ或Q)
功能基团是苯醌，泛 醌接受一个电子和一个 质子还原成半醌，再接 受一个电子和质子则还 原成二氢泛醌，后者又 可脱去电子和质子而被 氧化恢复为泛醌。
稳定的硫原子。铁与无机S原子或与肽链上Cys残基的硫
结合。
常见的铁硫蛋白的3种组合方式 a、单个铁原子与4个Cys残基上的-SH硫相连。 b、2个铁原子、2个无机硫原子组成(2Fe-2S)，其中每个 铁原子还各与两个Cys残基的-SH硫相结合。 c、由4个铁原子与4个无机硫原子相连(4Fe 4S)，铁与硫 相间排列在一个正六面体的8个顶角端；此外4个铁原子 还各与一个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。
细胞色素体系
细胞色素是以铁卟啉为辅基的蛋白质，因为有颜色， 所以称为细胞色素。属于递电子体。 线粒体内膜中有细胞色素b、c1、c、aa3，肝、肾等 1 3 b、cO 组织的微粒体中有细胞色素 P450。细胞色素 2 c为红 1、 色细胞素，细胞色素aa3为绿色细胞素。
b
c
c
aa
1．NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸又称辅酶Ⅰ）
6.2
1900—1920年 Wie1and
呼吸链
氢激活作用的学说
1913年 Warburg
氧的激活是生物氧化的主要步骤。 A．Szent-Gyorgyi 氢的激活和氧的激活都是需要的，还提出在“呼吸酶”
和脱氢酶之间起传递电子作用的是黄素蛋白类
Keilin 提出了细胞色素起着连续传递电子的作用。
生物的氧化过程磷酸化是在线粒体内进行的，
第二篇
合成代谢 （同化作用） 新 陈 代 谢 小分子
代谢篇
大分子 需要能量
释放能量 分解代谢 （异化作用） 大分子 小分子
本篇主要介绍生物氧化、糖代谢、脂代 谢、氨基酸代谢、核苷酸代谢，蛋白质的代 谢以及各种重要物质代谢的联系与调节规律。 学习物质代谢的每一代谢途径时，主要 从概念、部位（包括器官和亚细胞定位）、 起始物（或原料）、终产物、反应的基本过 程、关键酶（限速酶）、能量变化、调节及 生理意义等方面去理解和掌握。
将作用物的脱氢与呼吸链的传递氢过程联系起来，是递氢体。
NAD+中的尼克酰胺（维生素PP）能进行可逆的加氢和脱氢反应， 每次只能接受一个氢原子和一个电子，另一质子则留在介质中，所
以还原型辅酶Ⅰ写成NADH+H+。
2．黄素蛋白或黄素酶（FP）
黄素蛋白其辅基只有两种：FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）、
FMN（黄素单核苷酸）。FAD、FMN中的异咯嗪部分可进行可逆 的加氢和脱氢反应，故也是递氢体，每次可接受两个氢原子即 FADH2。
第六章 生物氧化
(Biological oxidation)
6.1 生物氧化概述 6.2 电子传递链（呼吸链）
6.3 生物氧化中能量的转变
概
1. 生物氧化的概念
述
有机物质在生物体内氧化分解，产生CO2和H20，并放出 供给生物一切活动所需能量的过程，又称为呼吸作用。 化学本质：细胞内有机物质（主要是糖）的氧化作用。
3. 生物氧化中物质氧化的方式
•脱电子反应 •脱氢氧化反应 •加水脱氢反应
Leabharlann Baidu
•加氧反应
脱电子反应
A2+ A2+ 供电子体 （还原剂） + B 3+ 受电子体 （氧化剂） A3+ + B2+ 或写成 eB3+
A3+
B2+
脱氢氧化反应
1
CH3CH(OH)COOH
CH3CH(OH)COOH
CH3COCOOH+2H+
氧化磷酸化作用是将生物氧化过程中释放出的自由能转移 而使ADP形成高能ATP的作用。 氧化是磷酸化的基础，而磷酸化是氧化的结果。
NADH十H+十3ADP＋3Pi十1/2O2 NAD+十4H20十3ATP
6.3
生物氧化中能量的转变
维持生命活动的能量，主要有两个来源：
光 能：光合作用 热的形式 化学能：生物氧化作用 高能磷酸化合物：ATP、磷酸肌酸、 乙酰辅酶等 低能键：﹤20kJ/mol 高能键：﹥20kJ/mol ～P
NH2 O O O γ β α N P O O P～ O P ～ - O O O O CH2 O N N N
谷氨酸天冬氨酸 转运体
H 3N
-
+ -
OOC-CH2-C-COO H
天冬氨酸
O
O -OOC-CH2-C-COO-
H 3N
-
+ -
呼吸链
草酰乙酸
H 3N
-
+ -
OOC-CH2-CH2-C-COO H
-OOC-CH2-C-COO-
NADH +H+
苹果酸 脱氢酶
OOC-CH2-CH2-C-COO
O -OOC-CH2-CH2-C-COO-
α-磷酸甘油穿梭作用
脑组织、骨骼肌、肝组织
α-磷酸甘油穿梭作用
CH2OH CH2OH C=O CH2O- Pi
呼吸链
NADH+H+
C=O CH2O- Pi
α-磷酸甘油 脱氢酶
磷酸二羟丙酮
CH2OH CH2OH CHOH CH2O- Pi
FADH2
FAD
NAD+
CHOH CH2O- Pi
α-磷酸甘油
在线粒体内膜上存在着由一系列递氢体和递电子
体，按照特定顺序排列的反应体系。底物脱下的 氢经过该体系的传递，将氢传递给氧生成水，并 放出大量能量。这一体系称为呼吸链。 呼吸链中传递氢的酶和辅酶称为递氢体；传 递电子的酶和辅酶称为递电子体。
呼吸链的组成
1. 烟酰胺腺嘌呤核苷酸类辅酶 2. 黄素蛋白 （flavoproteins, FP） 3. 铁-硫蛋白
3．铁硫蛋白（Fe－S）又称铁硫中心 其特点是含有铁原子和硫原子，铁与无机硫原子或是蛋白质分子 上的半胱氨酸残基的硫相结合。常见的铁硫蛋白有三种组合方式。 铁硫蛋白是电子传递体，其中的铁能可逆地进行氧化还原反应，每 次只能传递一个电子。在呼吸链中，铁硫蛋白多与黄素蛋白或细胞 色素b结合成复合物存在。 4．泛醌（UQ）又称辅酶Q（COQ） 为一脂溶性醌类化合物，广泛存在于生物界。其能可逆地进行加 氢和脱氢反应，所以是递氢体。 5．细胞色素体系（Cyt） 细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的结合蛋白质，此类蛋白质的颜 色来自铁卟啉。主要细胞色素有a、a3、 b、c、c1、b5、P450等。 除b5和P450主要存在于微粒体外，大部分细胞色素存在于线粒体 内膜中，并与内膜紧密结合，只有Cyt c结合较松。细胞色素作为 递电子体，其中铁卟啉中的Fe离子能进行可逆的氧化还原反应。