生物化学生物氧化

生物化学生物氧化第一页，共五十七页，编辑于2023年，星期日第一节生物氧化概述第二页，共五十七页，编辑于2023年，星期日一生物氧化的概念及特点物质在生物体内进行的氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能1.生物氧化的概念第三页，共五十七页，编辑于2023年，星期日*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。第四页，共五十七页，编辑于2023年，星期日是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放有利于有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。*生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化体外氧化能量是突然释放的。产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。第五页，共五十七页，编辑于2023年，星期日CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。

类型：α-脱羧和β-脱羧氧化脱羧和单纯脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶CH2-NH2R第六页，共五十七页，编辑于2023年，星期日H2O的生成代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。例：CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脱氢酶1\2

O2NAD+电子传递链

H2O2eO=2H+第七页，共五十七页，编辑于2023年，星期日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，中性pH和常温）。(2)氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。(3)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。(4)在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。第八页，共五十七页，编辑于2023年，星期日(5)生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。(6)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。第九页，共五十七页，编辑于2023年，星期日脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位

生物氧化的三个阶段第十页，共五十七页，编辑于2023年，星期日生物能是一种能够被生物细胞直接利用的特殊能量形式。ATP是生物能存在的主要形式；ATP是一种瞬时自由能供体；ATP、ADP和Pi在细胞内始终处于动态平衡；ATP和ADP循环速度非常快。生物能的化学本质是存储于ATP分子焦磷酸键中的化学能。第十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期日二、生化反应中自由能的变化1.生物化学反应的自由能（freeenergy）变化定义式：ΔＧ=ΔH-TΔS物理意义：－ΔＧ＝Ｗ*(体系中能对环境作功的能量)自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：ΔG<0，反应能自发进行ΔG>0，反应不能自发进行ΔG=0，反应处于平衡状态。第十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期日化学反应自由能的计算a.利用化学反应平衡常数计算基本公式：ΔG′=ΔGº´+RTlnQc(Qc-浓度商)

ΔGº′=-RTlnKeqb.利用标准氧化还原电位（Eº）计算（限于氧化-还原反应）基本公式：ΔGº′=－nFΔEº′(ΔEº′=E0+

′-E0-

′)第十三页，共五十七页，编辑于2023年，星期日计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化

达平衡时=Keq=19解：ΔGº′=-RTlnKeq=-2.3038.314311log19=-7.6kJ.mol-1ΔG′=ΔGº′+RTlnQc(Qc-浓度商)=-7.6+2.3038.314311log0.1=-13.6kJ.mol-1未达平衡时=Qc=0.1反应G-1-PG-6-P在38℃达到平衡时，G-1-P占5%，G-6-P占95%，求G0。如果反应未达到平衡，设[G-1-P]=0.01mol.L，[G-6-P]=0.001mol.L，求反应的G是多少？例题：第十四页，共五十七页，编辑于2023年，星期日例题：计算下反应式ΔGº′NADH+H++1/2O2=NAD++H2O

正极反应：1/2O2+2H++2e

H2O

E+º′

0.82V负极反应：NAD++H++2eNADH

E-º′-0.32VΔGº′-nFΔEº′

-2×96485×[0.82-(-0.32)]

-220KJ·mol-1生物体通过生物氧化所产生的能量，除一部分用以维持体温外，大部分可以通过磷酸化作用转移至高能磷酸化合物如ATP中。第十五页，共五十七页，编辑于2023年，星期日1.生物体系中的高能磷酸酯类化合物三、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高能化合物：在生化反应中，发生水解或基团转移反应时释放的自由能大于21kJ/mol的化合物。第十六页，共五十七页，编辑于2023年，星期日高能化合物的类型第十七页，共五十七页，编辑于2023年，星期日2.ATP的特点及其特殊作用

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）。腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-+++Mg2+ATP4-+H2O＝ADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ•mol-1ATP3-+H2O＝ADP2-+Pi3-+H+G＝-33.1kJ•mol-1第十八页，共五十七页，编辑于2023年，星期日ATP的特殊作用★

ATP是细胞内的“能量通货”★

ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基团转移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第十九页，共五十七页，编辑于2023年，星期日第二节电子传递链第二十页，共五十七页，编辑于2023年，星期日一、电子传递链1.在生物体内NADH和FADH2的彻底氧化可以产生大量的能量，并与ATP的合成相偶联，这一过程是通过电子传递链来完成的。在真核生物中，它位于线粒体内膜上。第二十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期日

线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化代谢所产生的NADH和FADH2，将其携带的质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链（eclctrontransferchain)，因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。2.概念及位置第二十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期日三、呼吸链的组成及排列顺序1.四种具有传递电子功能的多酶复合物*辅酶Q和细胞色素c均不包含在上述四种复合体中。第二十三页，共五十七页，编辑于2023年，星期日2.呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-第二十四页，共五十七页，编辑于2023年，星期日（1）复合体Ⅰ:NADH-泛醌还原酶功能:

将H和电子从NADH传递给泛醌

(ubiquinone)

复合体ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2NDAH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一

3.与呼吸链有关的酶和传递体及其作用机制第二十五页，共五十七页，编辑于2023年，星期日①NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

第二十六页，共五十七页，编辑于2023年，星期日NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。第二十七页，共五十七页，编辑于2023年，星期日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•。②FMN与FMNH2的结构第二十八页，共五十七页，编辑于2023年，星期日铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。③铁硫蛋白

特点：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和S常以等摩尔量存在（Fe2S2,Fe4S4)，构成Fe—S中心，Fe与蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。

+e

传递电子机理：Fe3+Fe2+

-e第二十九页，共五十七页，编辑于2023年，星期日SS无机硫半胱氨酸硫第三十页，共五十七页，编辑于2023年，星期日复合体Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2第三十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期日（2）复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c还原酶功能：将电子从泛醌辅酶Q传递给细胞色素c

复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1作用：催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（cytc）的还原

第三十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期日第三十三页，共五十七页，编辑于2023年，星期日泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个类异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。CoQ+2H+CoQH2①泛醌辅酶Q第三十四页，共五十七页，编辑于2023年，星期日②细胞色素特点：以血红素（heme）为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。类别:根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c、c1、a和a3)，cytb和cytc1与铁硫蛋白组成复合物Ⅲ：细胞色素c还原酶；cytc在呼吸链中为独立的电子传递体；a和a3以复合物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。传递电子机理：

+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+－e－e

第三十五页，共五十七页，编辑于2023年，星期日细胞色素c：它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，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，但是蛋白组成有所不同。在电子传递过程中，cyt.c通过Fe3+

Fe2+的互变起电子传递中间体作用。第三十六页，共五十七页，编辑于2023年，星期日（3）复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶功能：将电子从细胞色素c传递给氧

复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB其中Cyta3和CuB形成的活性部位将电子交给O2。第三十七页，共五十七页，编辑于2023年，星期日细胞色素c氧化酶简写为cyt.c氧化酶，即复合物IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由13个多肽亚基组成。活性部分主要包括cyt.a和a3。第三十八页，共五十七页，编辑于2023年，星期日cyt.a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt.aa3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+

Cu2+的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2使其活化，并与质子结合生成水。第三十九页，共五十七页，编辑于2023年，星期日第四十页，共五十七页，编辑于2023年，星期日（4）复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌还原酶功能:

将电子和H从琥珀酸传递给泛醌

复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3第四十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期日琥珀酸-泛醌还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物,它比NADH-泛醌还原酶的结构简单，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。琥珀酸-泛醌还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和CoQ的还原。琥珀酸-泛醌还原酶第四十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期日第四十三页，共五十七页，编辑于2023年，星期日4.NADH呼吸链和FADH2呼吸链

FADH2

↓

FeS↓

NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2NADH呼吸链FADH2呼吸链第四十四页，共五十七页，编辑于2023年，星期日NADH呼吸链H2O12O2O2-MH2还原型代谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1-c-aa3FeS2H+M氧化型代谢底物FADH2呼吸链FADFADH2琥珀酸FeS2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸第四十五页，共五十七页，编辑于2023年，星期日5.

电子传递链中各中间体的顺序NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等复合物II复合物IV复合物I复合物IIINADH脱氢酶辅酶Q-细胞色素还原酶细胞色素c还原酶琥珀酸-辅酶Q还原酶E0=-0.32V0.360V+0.045V0.190V+0.235V0.580V+0.82V-0.030V第四十六页，共五十七页，编辑于2023年，星期日呼吸链中电子传递时自由能的下降FADH22e-NADH第四十七页，共五十七页，编辑于2023年，星期日第三节氧化磷酸化第四十八页，共五十七页，编辑于2023年，星期日代谢底物在生物氧化过程中释放出的自由能，主要用于使ADP与无机磷酸作用生成高能化合物ATP（即ADP+Pi→ATP），这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。ADP+Pi

ATP+H2O生物氧化过程中释放出的自由能一、氧化磷酸化的概念和P/O比底物水平磷酸化是指在被氧化的底物上发生磷酸化作用。即底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP生成ATP。第四十九页，共五十七页，编辑于2023年，星期日P/O比呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。第五十页，共五十七页，编辑于2023年，星期日NADHFADH2H2OH2O例实测得NADH呼吸链：P/O

~3ADP+PiATP实测得FADH2呼吸链：P/O~2O2122e-2e-ADP+PiATPAD