生物化学：第十章 生物氧化

第十章生物氧化BiologicalOxidation主要学习内容

两种类型呼吸链

NAD电子传递链

FAD电子传递链底物水平磷酸化和氧化磷酸化第一节概述一、生物氧化的概念 能源物质(糖、脂、蛋白质等有机物)在活细胞内氧化分解，产生CO2和H2O，释放化学能并转化为生物能的生化过程称为生物氧化（生物能学bioenergetics）。 高等动物通过肺进行呼吸，吸入氧气、排出CO2。吸入的O2用以氧化摄入体内的营养物质，获得能量，所以生物氧化又称呼吸作用(aerobicrespiration)。

由于微生物是以细胞直接进行呼吸，故又称为细胞呼吸或细胞氧化。 二、生物氧化的方式

生物氧化在有氧和无氧的条件下都能进行，故生物氧化可分为两类∶

有氧氧化∶利用O2分子来氧化底物，最终生成CO2和H2O。这种方式的氧化彻底，释放的能量多。

无氧氧化∶是指以非分子氧氧化的方式。以氧化型物质作为电子受体，这种氧化不完全、产能少。生物体内氧化反应有∶失电子氧化(如∶氢在呼吸链中的氧化)加氧氧化(如∶氨基酸氧化酶催化的氧化脱氨)脱氢氧化(如∶琥珀脱氢酶催化的反应)

在生物体中，脱氢氧化是能源物质氧化的主要反应形式。1、是在酶催化下进行的，反应条件温和。2、底物的氧化是分阶段进行的。能量也是逐步释放的。这样不会因氧化过程中能量骤然释放而损害机体，同时使释放的能量得到有效的利用。3、生物氧化过程中释放的能量通常先储存在一些特殊的高能化合物中(如ATP)，通过这些物质的转移作用满足机体吸能反应的需要。4、生物氧化受细胞的精确调节控制。三、生物氧化的特点∶*生物氧化的一般过程第二节生物氧化体系生物氧化体系

生物氧化作用主要是通过脱氢反应来实现的。 一般包括脱氢、递氢、受氢三个环节。在生物氧化过程中，底物脱下来的氢，大多数情况下不是直接交给受氢体，而是经过一些递氢体进行传递，最终交给受氢体。

本章主要讨论底物上的氢如何脱下，以及在有氧与无氧的情况下氢的去路。生物氧化体系有氧氧化不需传递体体系电子传递体系有机物无机物无氧氧化1、不需传递体体系∶

是最简单的生物氧化体系。从底物脱下来的氢不需传递，直接在酶作用下与分子氧结合。 这种酶可分为∶氧化酶类、需氧脱氢酶类一、有氧氧化体系∶(1)、氧化酶类∶

a、它是含Cu++或Fe++的金属蛋白，不能从底物上脱氢，只能夺取底物上的电子对(2e)，用于激活分子氧(O2)，从而促进氧与底物的化合。

b、氰化物、硫化氢对氧化酶有抑制作用。c、重要的氧化酶有∶细胞色素氧化酶(Fe++)

酚氧化酶(Cu++)

抗坏血酸氧化酶(Cu++)d、由氧化酶催化的反应不能在无氧的条件下进行，没有任何其他受氢体可以代替氧。(2)、需氧脱氢酶∶

这类酶分子是以FMN或FAD为辅基。它催化底物分子脱氢，但与不需氧脱氢酶不同，这类酶需要用分子氧直接作为受氢体，反应生成H2O2。

在无氧的情况下，甲烯蓝或醌可代替氧作为氢受体，而使反应进行。 如∶葡萄糖氧化酶(以FAD为辅基)

氨基酸氧化酶(以FAD或FMN为辅基)不需传递体体系中两种类型的比较∶①氧化酶不能从底物上脱氢，而需氧脱氢酶能脱氢；②最终电子受体为氧时，氧化酶氧化的最终产物是水，而需氧脱氢酶氧化的产物是H2O2③氧化酶只能以氧作为最终电子受体，而需氧脱氢酶在无氧的情况下，可以以甲烯蓝或醌可代替氧作为最终电子受体。2、电子传递体系(electrontransportsystem)

它是生物体主要的生物氧化体系。不需氧脱氢酶脱下的氢主要通过此途径进行氧化。

1、以有机物为最终电子(氢)受体∶

如∶3-P-甘油醛NAD乙醇

1,3-2P-甘油酸NADH乙醛2、以无机物为最终电子(氢)受体∶

此体系常以NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物为最终电子(氢)受体。如∶脱磺脱硫弧菌的无氧氧化。二、无氧氧化体系∶第三节呼吸链及氧化磷酸化定义呼吸链是由位于线粒体内膜中的一系列电子传递体，按标准氧化还原电位的顺序，由低到高排列的一种能量转换体系。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，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。组成递氢体和电子传递体（2H

2H++2e）一、呼吸链呼吸链的功能∶

接受还原型辅酶上的氢原子对使辅酶分子还原，并将电子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧负离子(O2-)与质子对(2H+)结合，生成水。 电子对在氧化过程中逐步氧化放能，所释放的能量驱动ADP和无机磷发生磷酸化反应，生成ATP。典型的电子传递链有两种类型∶ ①NAD传递链

②FAD传递链

复合物Ⅰ：NADH-辅酶Q还原酶（FMN、Fe-S)(NADHdehydrogenasecomplex)复合物Ⅲ：辅酶Q-细胞色素C还原酶(铁卟啉、Fe-S）(CoQ-

Cytochrome

reductase)复合物Ⅳ：细胞色素C氧化酶(铁卟啉，Cu）(Cytochrome

oxidase)辅酶Q-细胞色素C还原酶v复合物Ⅱ：琥珀酸盐-辅酶Q还原酶（FAD、Fe-S)FAD呼吸链NAD呼吸链呼吸链的组成人线粒体呼吸链复合体呼吸链的组成及复合体的排列顺序复合物Ⅰ：NADH-辅酶Q还原酶（FMN、Fe-S)与铁硫蛋白结合成复合物的黄素蛋白铁硫蛋白(Iron-sulfurprotein,

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。几种不同的类型：只含有一个铁原子；含有两个铁原子(2Fe-2S);含有4个铁原子(4Fe-4S)。功能——氢传递体CoQ+2HCoQH2辅酶Q(CoQ)－泛醌化学本质——脂溶性醌类化合物（又称泛醌）

在呼吸链中是一种和蛋白结合不紧密的辅酶，游动性大，作为一种特殊灵活的电子载体。NADH+H+

NAD+FMNFMNH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2

复合体Ⅰ（NADH-辅酶Q还原酶）复合物Ⅱ：

琥珀酸-辅酶Q还原酶（FAD、Fe-S)复合体Ⅱ（琥珀酸-辅酶Q还原酶）琥珀酸延胡索酸

FADFADH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2复合物Ⅲ：

辅酶Q-细胞色素C还原酶

(铁卟啉、Fe-S）细胞色素类（Cytochrome,Cyt）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。分子中的铁通过氧化还原而传递电子，为单电子传递体。复合体Ⅲ(辅酶Q-细胞色素C还原酶)复合物Ⅳ：

细胞色素C氧化酶(铁卟啉，Cu）复合体Ⅳ(细胞色素C氧化酶)复合物Ⅰ：NADH-辅酶Q还原酶（FMN、Fe-S)复合物Ⅲ：辅酶Q-细胞色素C还原酶v(铁卟啉、Fe-S）复合物Ⅱ：琥珀酸盐-辅酶Q还原酶（FAD、Fe-S)复合物Ⅳ：细胞色素C氧化酶(铁卟啉，Cu）NADH链FADH2链134QC2为什么是这样一个顺序呢？Q3C4二、高能键及高能化合物∶

在生物体中有些化合物的个别化学键的自由能很高，因此，其结构不稳定、性质活泼，自发水解和基团转移的趋势很强，当它们发生水解或基团转移反应时，释放或转移的自由能很多，这种含自由能很高的化学键，称为高能键。用符号

“～”表示。高能磷酸化合物磷酸化合物在生物体的换能过程中占有重要地位。机体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基水解时，释放出大量的自由能。这类化合物为高能磷酸化合物。一般将水解时能释放出5.0Kcal(20.92kJ)以上自由能的键视为“高能键”。生物化学中所用的“高能键”的含义和化学中使用的“键能”(energybond)含义是完全不同的。化学中“键能”是指断裂一个化学键所需要提供的能量;而生物化学中所说的“高能键”是指该键水解时所释放出的大量自由能。ATP是细胞中最重要的高能化合物.它是产能和需能反应之间最主要的能量介质；(2)作为磷酸基团的供体参与磷酸化反应。磷酸化是生物物质的一种普遍的活化方式。(3)ATP参与高能磷酸基团的转移反应。细胞中的超高能化合物(1,3-2P-甘油酸)与ATP之间可发生高能磷酸基团的转移反应。底物水平磷酸化和氧化磷酸化 在生物氧化过程中，氧化放能反应常常有吸能的磷酸化反应偶联发生。偶联反应将氧化释放的一部分自由能用于无机磷参加的高能磷酸键生成反应这种氧化放能反应与磷酸化吸能反应的偶联可在两种水平上发生体内ATP生成的方式：

氧化磷酸化

(oxidativephosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。

底物水平磷酸化(substratelevelphos-phorylation)

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。反应底物被脱氢氧化时，分子内能量重新分布，集中较高的自由能，利用无机磷合成高能磷酸键。然后又将高能磷酸基团转移ADP合成ATP。这种底物分子氧化反应与磷酸化反应偶联生成ATP的反应称为底物水平磷酸化底物水平磷酸化在有氧和无氧条件下都能进行。其特殊意义在于它是无氧条件下兼性生物细胞或厌氧微生物从有机物取得生物所需能量的主要来源。1、底物水平磷酸化：(6).3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸醛基氧化成羧基，并加入一分子磷酸，形成混合酸酐。脱下的氢由NAD+接受。(7).1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸此步为底物水平磷酸化反应可逆(9).2-磷酸甘油酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)反应引起分子内能量重新分布，形成高能磷酸键。(10).PEP转变成丙酮酸（pyruvate)第二个底物水平磷酸化，反应不可逆。烯醇式立即自发转变为酮式。(5)(6)

－酮戊二酸氧化脱羧，生成含4C的琥珀酸琥珀酸硫激酶酮戊二酸脱氢酶系

不需氧脱氢酶脱下的氢原子对，在有氧条件下，通过电子传递链的氧化过程中，逐步释放自由能，驱动磷酸化偶联反应，利用ADP和无机磷合成ATP。这种在呼吸链电子传递(氧化)过程中偶联的磷酸化反应，称为氧化磷酸化。2、氧化磷酸化∶氧化磷酸化

(oxidativephosphorylation)氧化磷酸化是需氧细胞生命活动的主要能量来源，是生物产生ATP的主要途径。氧化磷酸化作用指的是与生物氧化作用相伴而生的磷酸化作用;是将生物氧化过程中释放的自由能，用以使ADP和无机磷酸生成高能ATP的作用。真核生物的电子传递和氧化磷酸化都是在细胞的线粒体内膜发生的作用。原核生物则是在浆膜发生的。

氧化磷酸化是有氧呼吸合成ATP的主要方式，是生命活动所需能量的主要来源。

在氧化磷酸化过程中氧的消耗和ATP生成的个数之间有一定的关系，这种关系可用P/O比值(磷氧比值)来表示。 该比值可用瓦勃氏呼吸仪来测定。

对FADH2P/O比值是1.5； 对NADH2P/O比值是2.5。氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)

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。

复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ均有质子泵作用4H+4H+4H+4H+2H+2H+内膜表面基质NADH＋H＋NAD＋琥珀酸延胡索酸½O2＋2H+H2OATP4-F0F1胞液侧基质侧腺苷酸转运蛋