第7章-生物氧化

7生物氧化Chapter7Biological生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）本章重点及难点重点：掌握什么是生物氧化，高能磷酸化合物的概念及ATP的作用；掌握呼吸链电子传递体的组成及排列方式，以及受抑制的部位；掌握氧化磷酸化的部位，氧化磷酸化的作用理。难点：与能量代谢有关的一些概念；呼吸链的组成成分、排列顺序；氧化磷酸化的机理。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）第一节生物氧化概述Introduction生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）物质在生物体内进行的氧化称为生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等有机物质在生物体内氧化分解并逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。亦称“组织氧化”、“组织呼吸”或“细胞氧化”。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能一、生物氧化的概念、特点

生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）*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。生物氧化的特点生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）是在细胞内温和的有水环境中（体温，pH接近中性），经一系列酶促反应逐步缓慢进行，能量逐步释放，以ATP形式储存和转运，有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。物质的氧化方式是脱氢反应，脱下的氢在酶、辅酶和电子传递系统参与下经一系列传递与水结合生成H2O；二氧化碳（CO2）是由于糖、脂类和蛋白质转变成含羧基的化合物（有机酸）直接脱羧或氧化脱羧产生。*生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化体外氧化在高温、高压以及干燥的条件下进行，是剧烈的自由基反应，能量是突发式释放的。产生的能量以光与热的形式散发在环境中。产生的CO2.H2O是由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。◆场所：真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂肪酸+甘油氨基酸乙酰CoATCA2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2*生物氧化的一般过程生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）二、生物氧化酶类（一）需氧脱氢酶和氧化酶

生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）（二）过氧化物酶体中的酶类1.过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含4个血红素2H2O22H2O+O2过氧化氢酶

生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）2.过氧化物酶(perioxidase)以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物

R+H2O2RO+H2ORH2+H2O2R+2H2O过氧化物酶

过氧化物酶

生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）反应氧族超氧离子(O2﹣)、H2O2.羟自由基(•OH)的统称。

（三）超氧化物歧化酶2O2﹣+2H+SODH2O2+O2H2O+O2过氧化氢酶SOD：超氧化物歧化酶(superoxidedismutase)生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）

谷胱甘肽过氧化物酶

H2O2(ROOH)

H2O(ROH+H2O)2G–SHG–S–S–GNADP+NADPH+H+*此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤

谷胱甘肽还原酶含硒的谷胱甘肽过氧化物酶生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）（四）微粒体中的酶类1.加单氧酶(monoxygenase)*催化的反应：RH+NADPH+H++O2ROH+NADP++H2O故又称混合功能氧化酶(mixed-functionoxidase)或羟化酶(hydroxylase)。上述反应需要细胞色素P450(CytP450)参与。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）目录生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）2.加双氧酶此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底物中带双键的2个碳原子上。例如：

(O2)

色氨酸吡咯酶生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）三、高能磷酸化合物（一）ATP的形成与作用生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）机械能--运动化学能--合成渗透能--分泌吸收电能--生物电热能--体温光能--生物发光ATP是生物系统能量交换的中心荧火虫ATP的特殊作用二、生物能学生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）一般情况下，ATP将磷酸基团转移给肌酸生成磷酸肌酸将能量贮存起来。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）磷酸肌酸与ATP的转换磷酸肌酸、磷酸精氨酸（无脊椎动物肌肉中）——贮能作用生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）磷酸肌酸磷酸精氨酸生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）ATP的生成和利用ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）体内有些合成反应不直接利用ATP供能，而是由ATP将高能磷酸键转给UDP、CDP和GDP，生成UTP、CTP、GTP，作为能量的直接来源参与合成反应。如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂合成，GTP用于蛋白质合成等。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）高能化合物的共同特点是含有容易断裂的“活泼键”，水解时可释放大于21KJ/mol的能量，常用符号

表示。（二）高能化合物

生物体内的放能反应与吸能反应偶联，最基本的形式是通过高能化合物实现的。1.高能化合物的概念：指含有高能键，在标准条件下（pH=7,250C,1mol/L)发生水解时可释放大量自由能的化合物。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）2.高能化合物的类型：根据分子中是否含有磷酸可分为磷酸类高能化合物和非磷酸类高能化合物。必须注意：并非所有的磷酸化合物都是高能化合物。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生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）1）磷氧键型：如ATP、磷酸烯醇式丙酮酸等2）磷氮键型：如磷酸肌酸等3）硫酯键型：如脂酰CoA等4）甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸也可根据分子结构的特点和所含高能键的特征进行分类。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）磷氧键型（—O~P)(1)酰基磷酸化合物1,3-磷酸甘油酸乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）酰基磷酸化合物氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）磷氮键型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）硫酯键型3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）第二节电子传递链生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）定义在生物氧化过程中，从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，这一系列酶和辅酶组成的连锁传递体系称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。呼吸链是代谢物上氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列电子传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的过程。组成：递氢体和电子传递体（2H

2H++2e），存在于线粒体内膜上

呼吸链的定义生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）线粒体的结构嵴生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）一、电子传递链的组成及功能呼吸链共包括四种具有传递电子功能的酶复合体(complex，由相应酶和传递体共同组成)和两种单独成分。*Q(泛醌)和细胞色素C(Cytc)均不包含在上述四种复合体中。线粒体呼吸链复合体复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-Q还原酶琥珀酸--细胞色素C细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-琥珀酸-Q还原酶QH2-细胞色素C细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）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-生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）①烟酰胺核苷酸类：主要作为一类不需氧脱氢酶的的辅酶。有NAD+和NADP+，大多脱氢酶以NAD+为辅酶。电子和氢离子一起被接受，还原型CoⅠ将氢移到NADH（黄素）脱氢酶上。呼吸链中包括5类电子载体：生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）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。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）②黄素脱氢酶类

黄素脱氢酶（NADH脱氢酶）是黄素蛋白，其辅基FMN（FAD）接受2个氢原子成还原型的黄素单核苷酸。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）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•。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）③铁硫蛋白类NADH脱氢酶还有几个非血红素铁原子与酸不稳定的硫原子结合，组合成铁-硫中心（iron-sulfur

center)。借铁的变价（Fe3

+→Fe2

+

）接受电子并转给辅酶Q。铁-硫中心：存在于微生物、动物组织中，在NADH呼吸链中有多个不同的铁-硫中心。NADH脱氢酶复合物包括两个电子传递系统（酶，FMN，铁-硫中心）。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+

Fe3++e反应传递电子。Ⓢ表示无机硫生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）铁硫蛋白SS无机硫半胱氨酸硫生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）④辅酶Q类又称泛醌（ubiquinone，CoQ)，是脂溶性化合物，可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇（CoQH2）。所以处在呼吸链的中心地位。它与蛋白质结合不紧，可在黄素脱氢酶类与细胞色素类之间起载体作用。泛醇将电子传给细胞色素bc1复合体，H+释出。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）⑤细胞色素类（cytochromes)是一类以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质。广泛分布于生物细胞，由于呈现颜色，故称细胞色素。其作用靠铁的变价传递电子由CoQ传到氧。a、cytbc1复合体：含ctyb、ctyc1及铁-硫蛋白。b、cyt氧化酶：含ctya和ctya3

。除含铁还含铜（Cu2

+→Cu+

）c、cytc：在ctybc1复合体和cty氧化酶间传递电子。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）细胞色素细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）

传递体作用尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）递氢体尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）递氢体黄素蛋白（辅基为FAD和FMN）递氢体铁硫蛋白（Fe-S）单电子传递体辅酶Q递氢体细胞色素类单电子传递体生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）复合体Ⅰ:NADH-Q（泛醌）还原酶功能:

将电子从NADH传递给泛醌

(ubiquinone)

复合体ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2由以上五种电子传递体组成4个复合体和2个单独成分。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）复合体Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）复合体Ⅱ:琥珀酸-Q（泛醌）还原酶功能:

将电子从琥珀酸传递给泛醌

复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）复合体Ⅲ:QH2（泛醌）-细胞色素c还原酶功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c

复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）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。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）呼吸链中传递体的排列顺序实验依据：1）根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序，氧化还原电位逐渐增加，该值越大，说明越易构成氧化剂处于呼吸链的末端，越小，说明越易构成还原剂处于呼吸链的始端。2）电子亲和力增加的顺序排列；3）吸收光谱变化，氧化程度逐渐增高；4）利用电子传递抑制剂选择性阻断；5）拆开和重组6）还原状态呼吸链缓慢给氧，根据各组分氧化还原状态确定顺序生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）呼吸链（电子传递链）电子亲和力递增的顺序ATPFADH2ATPATP生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）1.NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2糖、脂、蛋白质等有机物在氧化分解过程中脱下的氢，大部分经此呼吸链氧化为水。例如丙酮酸、异柠檬酸、乳酸、酮戊二酸、苹果酸、谷氨酸等。2.琥珀酸氧化呼吸链

琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2一般情况下琥珀酸、a-磷酸甘油氧化脱氢生成FADH2作为这条呼吸链的最初供体。体内两条重要的呼吸链生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）电子传递链生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）区别：从琥珀酸分子中脱下的氢原子不经NAD+，而直接传递给黄素酶生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）六、能量的生成和利用ATP的生成：主要由：ADP+pi+能量→ATP

少数情况：AMP+ppi+能量→ATP

ATP是生命活动的直接供能物质，体内能量的生成就是ADP经磷酸化生成ATP的过程。能量贮存在ATP的高能磷酸键中。体内磷酸化主要有两种方式：底物磷酸化和氧化磷酸化。生物化学》（高职高专教材）（陆正清、柯世怀主编）1.底物水平磷酸化定义：