生化五章生物氧化

第五章生物氧化焦虎平教学目的与要求：1.掌握生物氧化概念，特点、场所2.掌握呼吸链、氧化磷酸化3.掌握高能磷酸化合物、ATP生成方式、储存和利用。4.熟悉氧化磷酸化调节及其抑制剂。5.了解微粒体氧化体系和过氧化体氧化体系，二氧化碳的生成本章重点：两条主要的氧化呼吸链；氧化磷酸化作用。本章难点：氧化呼吸链，氧化磷酸化作用，化学渗透学说。一概述（一）生物氧化(biologicaloxidation)：

糖类、脂肪、蛋白质在生物体内氧化，最终生成CO2和水，并释放出能量的过程，称为生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化—还原反应，所以又称为细胞氧化或细胞呼吸。维持生命活动的能量，主要有两个来源：光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。化学能：动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。(二)生物氧化与燃烧的异同点：

生物体内的氧化和外界的燃烧在化学本质上最终产物都是水和二氧化碳，所释放的能量也完全相等。体外和体内；燃烧是通过点燃实现，能量瞬间释放，生物氧化是在酶催化下实现，能量逐步释放，一般以ATP形式储存，供机体生理活动之需；燃烧中CO2、H2O、能量在一处产生，而生物氧化CO2、H2O的产生及能量的释放在不同位置；.燃烧高温,生物氧化体温进行；燃烧以光和热的形式瞬间释放，生物氧化一般以化学能的方式贮存在高能磷酸化合物中。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CoAn*2H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，其中一大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e-H2O生物氧化中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。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脱氢酶例：1\2O2NAD+电子传递链

H2O2eO=2H+（三）生物氧化中物质氧化的方式一）加氧向底物分子中加入氧原子或氧分子。如：醛氧化为酸的反应。生物氧化中物质氧化的方式与一般氧化还原反应相同。在化学反应中，加氧、脱氢、去电子叫做氧化，脱氧、加氢、得电子叫还原。从本质上讲，氧化的实质是电子的转移，常见的氧化类型有以下三种：二）脱氢从底物分子中脱去一对氢原子（质子和电子）。如：乳酸脱氢氧化为丙酮酸的反应。三）丢电子

底物失去电子被氧化。如：Fe2+氧化为Fe3+的反应氧化反应的实质是电子的丢失。所以，在生物氧化中，凡丢失电子的物质是还原剂，本身经受氧化反应被氧化；得到电子的物质是氧化剂，在反应之后被还原。由于体内并不存在游离的电了和氢原子，氧化还原反应是偶联进行的，前一反应脱下的电子或氢原子必须被另一物质所接受。将提供氢原子或电子的物质叫做供氢体或电子体；将接受氢原子或电子的物质叫做受氢体或电子体；将既能接受氢原子或电子又能把所得氢原子或电子传递下去的物质叫做递氢体或递电子体。（四）催化生物氧化的酶类

催化生物氧化的的重要酶类有氧化酶、需氧脱氢酶、不需氧脱氢酶和加氧酶一）氧化酶类氧化酶类为含金属离子（铁、铜等）的结合酶，如细胞色素氧化酶等。这类酶易被氰化物和硫化氢所毒害。直接以氧作为氢受体，所催化的氧化还原反应无氧不能进行。分子氧在氧化酶的激活下氧原子接受2个电子和2个质子（2H+）化合成水。酶分子中的金属离子被反复地氧化还原起电子的传递作用。氧化酶类的作用方式

二）需氧脱氢酶类需氧脱氢酶大多以FMN（黄素单核苷酸）和FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）为辅基辅基的作用是递氢在有氧时能用氧直接作为受氢体，在无氧条件下，也可以适当物质作为受氢体反应产物不是水而是过氧化氢酶不被氰化物、硫化氢等物所抑制三）不需氧脱氢酶类这类酶不能以氧分子直接作为受氢体，而能以某些辅酶作为受氢体。以辅酶Ⅰ（NAD+）或Ⅱ（NADP+），FMN或FAD为受氢体。四）加氧酶类这类酶主要存在于微粒体，是催化加氧反应的酶体系依向底物分子中加入氧原子的数目不同又分为加单氧酶和加双氧酶二呼吸链呼吸链:线粒体能将代谢物脱下的成对氢原子(2H)通过多种酶和辅酶的链锁反应体系逐步传递,最后与激活的氧结合为水,由于该过程利用氧气与细胞呼吸有关,所以将这一传递体系叫做呼吸链。辅酶Q和细胞色素CⅠⅡ一、呼吸链的组成RAMPNAD+:

R=HNADP+:R=PO2H2烟酰胺NAD(P)H+H+NAD(P)++2HNHH-CONH2辅酶I和辅酶II结构特征:

NAD+:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,辅酶I

NADP+:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,辅酶II

FMN和FAD的结构特征:铁硫蛋白结构特征:辅酶Q的结构特征细胞色素一类以铁卟啉（或血红素）作为辅基的电子传递蛋白，广泛参与动、植物氧化还原反应。细胞色素作为电子载体传递电子的方式是通过其血红素辅基中铁原子的还原态(Fe2+)和氧化态之间的可逆变化。任何一类细胞蛋白（血红素蛋白），在细胞能量转移中起着极为重要的作。细胞色素二、呼吸链中的电子传递体系一）NADH氧化呼吸链人体内大多数脱氢酶都以NAD+作辅酶，在脱氢酶催化下底物MH2脱下的氢交给NAD+生成NADH+H+，在NADH脱氢酶作用下，NADH+H+将两个氢原子传递给FMN生成FMNH2，再将氢传递至CoQ生成CoQH2，此时两个氢原子解离成2H+和2e,2H+游离于介质中，2e经Cytb、c1、c、aa3传递，最后将2e传递给1/2O2，生成O2-,O2与介质中游离的2H+结合生成水二）琥珀酸氧化呼吸链（FAD氧化呼吸链）琥珀酸在琥珀酸脱氢酶作用下脱氢生成延胡索酸，FAD接受两个氢原子生成FADH2，然后再将氢传递给CoQ，生成CoQH2，此后的传递和NADH氧化呼吸链相同α-β-ⅠⅡⅢⅣ两条主要的呼吸链呼吸链组分按氧化还原电位由低向高的方向排列，电子逐步传递到氧,电子逐级传递、能量逐渐释放（一）生物氧化的场所一）线粒体:线粒体是生物氧化的重要场所三氧化磷酸化二)微粒体和过氧化体微粒体和过氧化体也可进行生物氧化，其特点是在氧化过程中不伴有偶联磷酸化，不能生成ATPD氧化还原偶联磷酸化，生成ATPOSCPF6PaulBoyer提出结合变化机制,并于1997年获得诺贝尔化学奖（二）氧化磷酸化作用及ATP生成

偶联磷酸化作用（Coupledphosphorylation）或氧化磷酸化作用(oxidativephosphorylation):在线粒体中，代谢物氧化脱氢，所获氢经过呼吸链的传递生成水释放能量的同时，总伴有将能量偶联起来形成ATP的磷酸化过程，即ADP+Pi--->ATP。常将这种放能和吸能反应偶联进行的作用称为偶联磷酸化或氧化磷酸化。细胞中由ADP生成ATP的磷酸化过程，一般有两种方式：一种是在电子传递过程中进行偶联磷酸化，叫做电子传递水平的磷酸化，即氧化磷酸化。另一种是直接由底物分子中的高能键转变成ATP末端高能磷酸键叫做底物水平的磷酸化。

由于每两摩尔氢经呼吸链传递,最终与一摩尔氧结合生成水,其间必然伴有ADP的磷酸化生成ATP,需消耗无机磷酸,故可根据无机磷酸的消耗数量间接推测ATP的生成量。P/O比值是指每消耗摩尔氧所消耗无机磷的摩尔数。根据不同底物所脱氢进入呼吸链的途径及其参加呼吸链的P/O比值，可以在致推导出ATP的偶联部位。ⅠⅢⅣⅡⅢⅣⅣⅣβ-2.4～2.80.66～0.681.70.88～～～(三)氧化磷酸化的偶联机制(化学偶联;结构偶联;化学渗透)（四）影响氧化磷酸化的因素一）（ADP+Pi）/ATP比值的调节作用（呼吸调控）二）甲状腺激素的调节作用三）抑制剂的作用（五）氧化磷酸化抑制根据它们的抑制方式不同可划分为：解偶联剂氧化磷酸化抑制剂离子载体抑制剂

1、解偶联剂使电子传递和ATP形成两个过程分离，只抑制ATP的形成过程，不抑制电子传递过程，使电子传递产生的自由能都变为热能。典型的解偶联剂：亲脂试剂2,4—二硝基苯酚(DNP)；解偶联机理：接受质子后成为脂溶性的，从而容易地透过膜，破坏质子梯度。

2、氧化磷酸化抑制剂直接干扰ATP的生成过程，但不直接抑制电子传递链上载体的作用。抑制ATP的形成、又抑制氧气的利用。例：寡霉素和DCCD（二环己基碳二亚胺），作用于F0

，阻止质子流过F0电子传递的抑制剂能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。是研究电子传递链顺序的一种重要方法。

NADHNADH-Q还原酶CoQcytbc1cytccytaa3O2鱼藤酮

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抗霉素A氰化物、CO叠氮化物3、离子载体抑制剂这是一类脂溶性物质。这种物质能与某些离子结合并作为它们的载体使这些离子能够穿过膜。它和解偶联试剂的区别在于：它是除H+以外其他1价阳离子的载体，这类抑制剂是通过增加线粒体内膜对一价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化过程。例如：缬氨霉素能够结合K+离子，与K+形成脂溶性的复合物，于是K+容易地透过膜。导致膜内外Na+、K+离子比例失调，导致某些物质运输发生障碍（这些物质协同运输时需要H+泵出）短杆菌肽：Na+、K+及其他一价阳离子(六)高能磷酸化合物由醇羟基与磷酸形成的酯链，如6-磷酸葡萄糖，3-磷酸甘油等化合物中的磷酸链蕴藏能量较低（4.184～12.552kj/mol键），称为低能量键。由磷酸与磷酸间脱水形成的焦磷酸键、磷酸与胍基、磷酸与烯醇基等形成的键，含能丰富(>20.92kJ/mol键），这些键叫高能键，常以“～”表示。含高能键的化合物叫做高能化合物，含高能磷酸键的化合物叫做高能磷酸化合物。～～

腺嘌呤核苷三磷酸（ＡＴＰ）是体内最重要高能磷酸化合物之一，还有ＧＴＰ、ＵＴＰ和ＴＴＰ等高能磷酸化合物ATP的特殊作用ATP是细胞内的“能量通货”ATP在传递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和转运者，但不是能量的贮存者ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体

（七）高能磷酸键的储存和利用（八）生物氧化中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：CH3CO