第24章 生物氧化

生物氧化Biologicaloxidation生物能量转换示意图前言1、生命活动能量的来源●来自于体内糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化，生物体内的氧化和外界的燃烧在化学本质上相同，方式不同。2、什么是生物氧化？●有机分子在机体内氧化分解成CO2和H2O并释放出能量的过程，称为生物氧化（细胞氧化或细胞呼吸)

。

生物氧化在形式上虽有加氧、脱氢和失电子的不同形式，但从氧化的基本概念来看，生物氧化与体外的化学氧化，实质相同，即一种物质失去电子是氧化，得到电子是还原。

Chapter24

生物氧化3、生物氧化的特点：

生物氧化是生物体在热力学允许的条件下的有序、可控的氧化过程，因为生物氧化的场所是细胞，其基本过程是大分子分解为CO2和H2O，并产生能量。

1)逐步氧化，有序可控；

2)条件温和，多步酶促反应;3)能量逐步释放并以ATP的方式转换；

4)分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系。4、生物氧化的方式（1）加氧氧化

（2）脱氢氧化

①加水脱氢:②直接脱氢：HOOC-CH2-CH2-COOH————

HOOC-CH=CH-COOH+2H++2e－

琥珀酸琥珀酸脱氢酶延胡索酸③脱电子：Fe2+————

Fe3++e－4、CO2生成方式（1）直接脱羧（2）氧化脱羧:苹果酸

丙酮酸苹果酸酶苹果酸

丙酮酸苹果酸酶HOOCCH2CHOHCOOHCH3CCOOH+CO2NADP+NADPH+H+OCH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脱羧酶（α-脱羧）生物体内CO2的生成来源于有机物转变为含羧基化合物的脱羧作用R-CH(NH2)-COOH——————

RCH2-NH2+CO2

氨基酸氨基酸脱羧酶胺

AH2AH2O1/2O2酶

一酶体系H2O1/2O2AH2A

酶1……

酶2

酶3

酶n多酶体系5、H2O的生成方式H2O的生成

代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。生物体主要以脱氢酶、传递体及氧化酶组成生物氧化体系，以促进水的生成。MH2M递氢体递氢体H2NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ还原型氧化型Cyt递电子体

b,c1,c,aa32H+2e½

O2O2-H2O脱氢酶氧化酶一、氧化—还原电势1、氧化—还原反应的概念●氧化—还原反应：凡在反应过程中有电子从一物质（还原剂）转移到另一物质（氧化剂）的化学反应。

An+

+

ne=====A2、氧化—还原电势的概念●电动势（ξ）：ξ=E（正极电极电势）–E（负极电极电势）3、生物体内重要的氧化—还原电势（117页）Chapter24

生物氧化在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物(氧化剂）接受电子。在线粒体呼吸链中，推动电子从NADH传递到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+

和1/2O2/H2O两个反应之间存在很大的电势差。

(a)½O2+2H++2e-

H2OE0’=+0.82V(b)NAD++H++2e-

NADHE0’=-0.322V将(a)减去(b)，即得(c)式：

(c)½O2+NADH+2H+

H2O+NAD+E0’=+1.14V

G

’=-nF

E0’=-2

96500

1.14=-220kJ/mol氧化-还原电势与自由能的变化二、电子传递过程和氧化呼吸链（一）生物氧化的方式●生物氧化中物质的氧化方式包括加氧、脱氢和失电子，与化学上氧化—还原的概念是一致的，但需递氢体和递电子体。（糖、脂肪、氨基酸等）脱氢脱氢酶的辅酶（氧化型）NAD+、FAD

还原型辅酶（NADH、FADH2）氢以质子形式脱下，进入递氢体电子沿一系列的电子传递体转移，最后转移到分子氧，同时逐步释放大量的自由能，ADP磷酸化形成ATP。质子和离子氧结合生成水

生物组织CO2的产生主要是有机酸在酶的催化下脱羧反应完成的。生物氧化的一般过程糖原甘油三酯蛋白质

葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoA

TACCO2

2H

呼吸链ADP+PiATP

H2O

（二）电子传递过程●什么是电子传递过程？——还原型辅酶通过电子传递再氧化，这个过程称为电子传递过程。电子传递和ATP形成的偶联机制称为氧化磷酸化作用，该全过程又称氧化呼吸链或呼吸代谢。（118页）

●电子传递链的部位：原核细胞存在于质膜上，真核细胞存在于线粒体内膜上。（三）呼吸链（电子传递链）概念的建立

它是指代谢物上脱下的氢经一系列递氢体或电子传递体的依次传递，最后传给分子氧从而生成水的全部体系。

按照还原电势大小排列，即电子亲和力不断增加的顺序待氧化底物NAD+E-FMNFeSCoQCyt-bCyt-cCyt-aO2NADH2H+1/2O¯H2ONADH→FMN→CoQ→b→c1

→

c→aa3

→

O2

-0.32–0.300～0.1+0.07+0.22+0.25+0.29+0.816

琥珀酸→

FAD→CoQ→b→c1→

c→aa3

→

O2

+0.06工作机理：1.呼吸链组分排列顺序及氧化还原电位：2.工作机理：

复合酶III复合酶I复合酶IV复合酶IIA呼吸链的组成*泛醌和Cytc

不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体1．复合体Ⅰ（NADH-泛醌还原酶）：NADH还原酶+4×(Fe-S)FMN;Fe-SN-1a/b;

Fe-SN-2;

Fe-SN-3;Fe-SN-4NADH→→CoQ内膜外内

催化NADH脱氢，并具有质子泵功能2．复合体Ⅱ（琥珀酸-泛醌还原酶）：

琥珀酸脱氢酶+3×(Fe-S)+Cytb560FAD;Fe-S1;

b560;

Fe-S2;

Fe-S3琥珀酸→→CoQ内膜外内

催化琥珀酸氧化为延胡索酸，无质子泵功能。3．复合体Ⅲ（泛醌-细胞色素c还原酶）：2×Cytb+Cytc1+(Fe-S)b562;b566;Fe-S;c1QH2→

→Cytc

内膜外内（1）Cytb：Cytb是膜的嵌入蛋白，可接受CoQ的电子，且具有质子泵功能（2）Cytc1:膜的嵌入蛋白，与Cytb组成一个复合体，它可接受b的电子，并把它传给CytcCyta+Cyta3

4．复合体Ⅳ（细胞色素c氧化酶）：CuA→a→a3→CuB还原型Cytc→→O2Cytc2e-内膜外内2H+内膜外内（四）线粒体呼吸链的类型

呼吸链按其组成成分、排列顺序和功能上的差异，目前普遍认为生物体有两条典型的呼吸链即NADH呼吸链和FADH2呼吸链

●NADH呼吸链：是人和动物细胞内的主要呼吸链。因为NAD+（又叫辅酶I）是生物体内大多数脱氢酶的辅酶。每传递一对电子释放的自由能可产生2.5分子ATP●FADH2呼吸链：以FADH2起始而得名。每传递一对电子释放的自由能可产生1.5分子ATP。●呼吸链的作用：（1）代谢水的生成；（2）能量的生成。氧化呼吸链的组成⑴NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2⑵琥珀酸氧化呼吸链(FADH2)琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2氧化呼吸链的排列胞液侧

基质侧

线粒体内膜

Q

1/2O2+2H+H2OⅢⅠ

Ⅱ

Ⅳ

延胡索酸

琥珀酸

e-Cytce-e-e-e-NADH+H+NAD+两条电子传递链的关系NADH呼吸链，每传递一对电子释放的自由能可形成2.5分子ATP。FADH2呼吸链，每传递一对电子释放的自由能可形成1.5分子ATP。IIIIIIIVcQ内膜内外外膜FP2FP3FP4b5

NADH→FP2（内膜内侧）→Q→b→c1→c→aa3→O2NADH→FP3（内膜外侧）→Q→b→c1→c→aa3→O2NADH→FP4（外膜）→b5→c→aa3→O2植物中的呼吸支路NADHNADH1/2O2琥珀酸NADH（五）电子传递的抑制剂（128页）●概念：能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。常见的有鱼藤酮、抗霉素A、氰化物等等。●抑制剂的作用部位：1、鱼藤酮等：阻断电子由DANH向CoQ的传递。2、抗霉素A：抑制电子从还原型CoQ（QH2）到细胞色素的传递作用。3、氰化物、CO等：阻断电子在细胞色素氧化酶中的传递作用。NADH→FMN→CoQ→b→c1→

c→aa3→

O2电子传递抑制剂抑制部位：鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶素抗霉素ACN–、N3–CO、H2S

抑制部位1.抑制NADH→Q还原酶内的电子传递抑制部位2.抑制CoQ→c1

的所在传递抑制部位3.抑制细胞色素氧化酶中电子的传递三、氧化磷酸化作用（一）线粒体的结构要点（130页）●是需氧细胞生命活动的能量来源——“发电站”。●两层膜；内膜有许多向内折叠的嵴，形成内膜球体结构。Chapter24

生物氧化三、氧化磷酸化作用（二）氧化磷酸化作用的概念●在线粒体中，底物分子脱下的氢原子经递氢体系传递给氧，在此过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP，这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化。Chapter24

生物氧化磷酸化作用的三大类型氧化磷酸化作用底物磷酸化作用光合磷酸化作用（植物）丙酮酸激酶●高能磷酸化合物在酶的作用下直接将底物分子中的高能磷酸基团转移给ADP合成ATP的过程称为底物水平磷酸化。氧化磷酸化：与呼吸链电子传递相偶联合成ATP的过程

,又叫偶联磷酸化。

NADHO2呼吸链能量ADP+PiATP偶联部位:

1.电位：电位差在0.158伏以上的部位可以偶联产生ATP0.53V0.22V0.32VNADHQbcaO2

每消耗1原子氧同时消耗几原子磷，即每传递1对电子可偶联产生几分子ATP

底物 NADH 琥珀酸 CoQ 细胞色素cP/O 3 2 2 1ATP2.51.51.512.P/O：NADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cyta.a3→O2ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPIIIIIV琥珀酸→FADII呼吸主链产能部位:第一部位NADH------CoQ产生1个ATP

第二部位CoQ-------CytC产生0.5个ATP

第三部位CytC1--------O2产生1个ATP

三、氧化磷酸化作用（三）氧化磷酸化作用的机制1、P/O比值定义●定义：每消耗1mol原子氧时，ADP磷酸化摄取无机磷（酸）的mol数（也即生成ATP的mol数）NADHP/O=3FADH2P/O=2Chapter24

生物氧化三、氧化磷酸化作用2、ADP形成ATP的部位部位I：NADH和辅酶Q之间部位II：辅酶Q和cyt-c之间部位III：cyt-a和O之间NADHFADH21分子ATP无

0.5分子ATP0.5分子ATP1分子ATP1分子ATP

代谢物脱出的氢，大多数通过呼吸链完成其氧化过程。ATP的形成也主要靠呼吸链的氧化磷酸化作用。

Chapter24

生物氧化3、氧化磷酸化机理:1.氧化磷酸化的细胞结构基础线粒体（mitochondria）外膜（outermembrane）内膜（innermembrane）嵴（sterility）2.F1-F0因子：结构膜bdgebabaadgeF1F0F1：3a、3b、g、d、e5种共9个亚基，亚基为ATP合成部位F0：多个疏水亚基，嵌入膜内，为质子通道和F1的基底。g亚基突出与F0结合ATPADP+Pigaaabbb内膜bdgebaADP+PiATP2H+F1-F0的工作机理IIIIIIIVcQ内膜内外FMNbc1aa3F1F0

（1）化学偶联假说（Chemicalcouplinghypothesis)

（2）构象偶联假说(conformationalcouplinghypothesis)

（3）化学渗透学说（Chemicalosmotictheory）（Mitchell1961）1/2O2H2O2H+2H+2H+ADP+PiATPNADH+H+NAD+琥珀酸2H+电子传递泵出质子，内膜的内外侧形成质子的浓度梯度和电位梯度，总称为质子的电化学梯度2H+2.氧化磷酸化机理化学渗透学说机理化学渗透学说要点线粒体的内膜是完整的封闭系统。电子传递过程中，释放能量将质子由内膜内侧泵到内膜外侧。内膜两侧形成质子电化学梯度，蕴藏了进行磷酸化的能量。4.质子经F1—F0复合体回到内膜内侧，推动ADP磷酸化形成ATP。化学渗透学说的试验根据—

氧化磷酸化重建试验（只传递电子）（水解ATP）（电子传递、氧化磷酸化）（电子传递、氧化磷酸化）外膜内膜MH2MNAD+2H+FeS2e2H+FMN2H+Cytb2H+2eCoQ2H+Cytc1CytcCytaa32e½O2O2-X-+IO-XHIOHH2OX~IX~IX~I

头部ATP合酶ADP+PiATP2H+X-+IO-H2O化学渗透学说设A、B为呼吸链邻近的两个电子传递体AH2+B+I→A~I+BH2

（可进行下一轮传递）A~I+X→X~I+AX~I+Pi→X~P+IX~P+ADP→ATP+X作用机理：将内膜外侧的质子转移到内膜的内侧，从而瓦解质子的电化学梯度。解偶联(uncoupling)—使相互偶联的电子传递的放能过程和ATP合成的需能过程分离的现象称为解偶联。能够解偶联的物质叫解偶联剂。

解偶联剂有多种物质，如：解偶联蛋白、2.4-二硝基苯酚、双香豆素等典型的解偶联剂2，4—二硝基苯酚作用机理。外内内膜四、氧化磷酸化的解偶联剂(uncoupler)和抑制剂氧化磷酸化抑制剂(oxidativephosphorylationinhibitor)：直接作用于F1—F0复合体，抑制ATP合成的物质。如寡霉素，其作用机理使堵塞了质子通道。内膜bdgebab内膜aadge2H+2H+2H+2H+2H+寡Q→b→c1→c→a.a3内膜外膜细胞质五、氧化磷酸化物质的运输III1.外源NADH运输

（1）动物：穿梭系统：磷酸甘油穿梭组成：两种磷酸甘油脱氢酶O2磷酸二羟丙酮

-磷酸甘油磷酸二羟丙酮

-磷酸甘油酶II嵌入蛋白功能：将磷酸甘油的电子传给CoQ，而使外源NADH的电子进入呼吸链。外源NADH的电子被转移到呼吸链，这种系统中，NADH可以产生1.5个ATP。酶I：可溶性酶，存在于细胞质中

-磷酸甘油磷酸二羟丙酮FADFADH2①①②②呼吸链C2内膜外膜C1苹果酸穿梭:

该系统由两种苹果酸脱氢酶（①，存在于细胞质和线粒体），两种谷草转氨酶（②，存在于细胞质和线粒体）和C1、C2两个载体组成外源NADH被转移到线粒体内，这种系统中，NADH可以产生2.5个ATP。-酮戊二酸天冬氨酸谷氨酸-酮戊二酸谷氨酸天冬氨酸苹果酸草酰乙酸NADH+H+NAD+苹果酸草酰乙酸NAD+NADH+H+酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+苹果酸苹果酸NAD+草酰乙酸NADH天冬氨酸NADH呼吸链苹果酸-天冬氨酸转运NADH系统（2）植物植物可以通过其呼吸支路将外源NADH转移到呼吸链，当然这种方式每个NADH只能产生1.5个ATPIIIIIVcQ1/2O2内膜内外外膜NADHFP3FP4b52.ATP、ADP和无机磷酸的运输（1）ATP、ADP的交换运输

ATP、ADP是由同一个载体叫ATP/ADP交换体，也叫腺苷酸载体的膜蛋白进行交换运输的。这个载体为二聚体，其机理见图。

属于主动运输（2）无机磷酸的运输由线粒体膜上的磷酸载体进行交换运输，属于主动运输线粒体内膜细胞质H2PO4－HO－线粒体内膜细胞质ADP3－ATP4－ATP4－ADP3－ATP4－

1.ATP能量的利用其主要方式是水解，以释放其高的水解自由能，催化方式有两种：ATP+H2O→ADP+PiATP水解的高能磷酸基团往往使底物磷酸化，使有机分子提高能位或蛋白质分子发生变构。ATP+H2O→AMP+PPi

这种水解方式产生的PPi迅速被焦磷酸酶水解，因此该过程消耗了ATP的两个高能键，是高度供能的过程。

2.ATP能量的贮存七、ATP能量的利用与贮存肌酸磷酸肌酸八、细胞内ATP含量的调节

能荷（energycharge）：总腺苷酸中所负荷的ATP的比例正常条件下，细胞中能荷在0.8左右。ATP、ADP、AMP以及Pi是一些调节酶的变构剂，通过调节酶的活性来调节细胞的能荷。ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；反之，当ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢。

其它末端氧化酶一、多酚氧化酶系统

褐变、杀菌、生色（制茶）二、抗坏血酸氧化酶系统多酚氧化酶醌还原酶脱氢酶抗坏血酸（As）脱氢抗坏血酸（DAs）抗坏血酸氧化酶脱氢酶谷胱甘肽还原酶脱氢抗坏血酸还原酶抗坏血酸氧化酶三、黄素蛋白氧化酶AH2A或FMN或FMNH2酶四、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶超氧化物歧化酶（superoxidedismutase,SOD

）：广泛地存在于需氧生物中，作用为细胞的保护剂。

产物过氧化氢对细胞也