Transcript 课件二

湖北大学生科院
第八章
生物氧化
（biological oxidation ）
第一节
概 论
一、概念： 生物氧化是有 机 物 在 生
物体 内 氧 化分 解 为 二 氧 化 碳和水
并 释放能量的过程。
实际是需氧细胞呼吸作用中一系
列氧化还原反应，因表现为细胞内O2
的消耗和CO2的形成，故又称组织呼吸、
细胞呼吸（celluar respiration） 。
二、生物氧化所讨论的问题
1、细胞如何在酶的催化下将代谢
物分子中的C变成CO2？
2、细胞如何利用O2将代谢物分子
中的H氧化成H2O ？
3、当有机物被氧化时，细胞如何
贮存和利用氧化所产生的能量？
三、生物氧化中CO2生成方式
1. 单纯脱羧基作用
（1）α—单纯脱羧
O
α---酮酸脱羧酶
O
CH3—C—COOH
CH3—C + CO2
Mg2+ TPP
H
（2）β—单纯脱羧
CO—COOH β- 酮酸脱羧酶
O
CH2—COOH
CH3—C—COOH + CO2
2. 氧化脱羧作用
（1）α—氧化脱羧
丙酮酸脱氢酶系
C
CH3—C—COOH
+ HSCoA + NAD+
O
CH3- C~SCoA + NADH+H+ + CO2
（2） β—氧化脱羧
HO-CH—COOH 苹果酸酶
O
CH2—COOH
CH3—C—COOH + CO2
NADP+
NADPH+H+
四、生物氧化中物质氧化的方式
生物体内氧化作用主要有三种方式：
1.失电子 如： Fe2+—→Fe3++e—
2.脱氢
如： 醇氧化为醛
3.加氧
如： 醛氧化为酸（加水脱氢反应）
*生物体内氧化还原反应的同时，有能量的
释放和转移
五、生物氧化的特点




在活细胞内的水溶液中进行
体温条件（370C、pH7±）
在一系列酶的催化下
逐步进行，能量逐步释放
加水脱氢方式使生物体能获取更多的能量
在学习生物氧化之前，有必要复习氧化还原电势
的概念
六、 氧化-还原电势（电位）
（一）概念：
一个氧化还原对失去电子或获得电子的倾向称为
氧化还原电势(电位) ：
生物氧化中包括许多氧化还原反应：
H2 ←→
电子供体
(还原型)
2H++2e
电子受体
(氧化型)
Fe2+ ←→ Fe3++e
电子供体
电子受体
(还原型)
(氧化型)
分别构成氧化还原(电)对: H+/1/2 H2 ， Fe3+/ Fe2+
在生物氧化反应中，通常用氧化还原电位来相对
地表示各种化合物对电子亲合力的大小。
六、 氧化-还原电势
在标准条件(250C,常压,[氧化型][还原型]:1mol)下,
每一个氧化还原对都有一个标准氧化还原电势(E0);
生物体氧化还原反应的标准条件:PH=7,故用E0’表
示,此时氢电极 E0’= -0.421 (P.117 表24-1)
（ 二）标准电势与自由能的关系：
△E0′；氧化还原体系中两个半反应的氧化还原 电
位差： E0′正极 - E0′负极（失去电子倾向高）
ΔG0′ = -nΔE0’ F
（三）标准电势与平衡常数的关系：
ΔG0′= -2.303 RT logeK’eq = -nΔE0’ F
七、参与生物氧化的酶类和电子载体
1、脱氢酶（dehydrogenase）
根据所含辅因子的不同，可将脱氢酶分为两类：
 以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶
SH2 + E-FMN→S+E-FMNH2
SH2 + E-FAD→S+E-FADH2
氧 、递氢体
如琥珀酸脱氢酶（FAD）、NADH脱氢酶（FMN）等;
 以烟酰胺核苷酸为辅酶的脱氢酶
这类酶均不能直接以氧为受氢体
SH2 + E- NAD+
S+E-NADH+H+
SH2 + E-NADP+
S+E-NADPH+H+
参与生物氧化的酶类和电子载体
2.
氧化酶
3. 加氧酶
4. 传递体
如细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶等
加单氧酶 、加双氧酶
递氢体（hydrogen carrier）
主要有黄素蛋白传递体及辅酶Q（CoQ）
递电子体（electron carrier），
主要有多种细胞色素及铁硫蛋白
第二节 线粒体氧化体系
生物氧化中最重要的是线粒体氧化体系
此外，还有微粒体氧化体系，过氧化氢体
氧化酶体系，多酚氧化酶体系，抗坏血酸氧
化酶体系等 。
一、呼吸链的概念 （respiratory chain）
由一系列递氢体和递电子体以及相应的酶
系统按一定顺序排列在线粒体内膜上构成的
一条长链（生物氧化还原链或称为电子传递
链），因与细胞摄取氧的呼吸过程有关，故
又称呼吸链。
一、呼吸链的组成成分
组分
作用
•尼克酰胺腺嘌呤二核苷 酸
递氢体
（NAD+
NADH+H+ ）
•（ NAD+ +NADPH+H+
NADH+H+ +NADP+ ）
•黄素蛋白（辅基为 FAD
递氢体
和 FMN）
•铁硫蛋白（Fe-S）
单电子传递体
•辅酶Q （CoQ）
递氢体
•细胞色素类
单电子传递体
1. 吡啶核苷酸类
（以NAD或NADP为辅酶的脱 氢酶）：
生物体内大多数脱氢酶以NAD+为辅酶，有的
以NADP+为辅酶。
反应机制如下：
2. 以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶
（1）NADH脱氢酶（FMN）
NADH+H+ + E-FMN
NAD+ +E-FMNH2
（2）琥珀酸脱氢酶（FAD）
AH2
FADH2
CoQ
电子传递链上的唯一非蛋白组分,脂溶性,醌
类化合物，侧链为异戊二烯基的化合物是：
3. 辅酶Q （CoQ）：
CoQ有许多辅酶特征：分子量低；必须从食物中获得；
不是蛋白质，但它是酶促反应的辅助因子；以游离或结
合蛋白的形式出现；它的长长的异戊二烯侧链使得其整
个分子在膜脂层中是可溶的。
CoQ（270—290nm有光吸收）能可逆地还原成氢醌
（光吸收消失），这是它传递氢和电子功能的基础。
CoQ是来自连接 NADH和FADH2两种脱氢酶的集合
点，因此它在传递链上居于中心位置。事实上，CoQ是
传递链上唯一没有紧密地或共价地与蛋白质结合地传
递体。这使得CoQ在黄素蛋白和 Cyt C 之间作为流动的
电子传递体发挥了战略作用。
4. 铁硫蛋白（ Fe-S ）：
非血红素铁蛋白的铁和硫原子以等摩尔量存在，并以四
面体形式与4个Cys—SH残基的巯基配位。铁原子实际上是
电子的受体或供体。当铁硫蛋白受到热或酸作用而变性时，
即放出 H2S 。
5. 细胞色素类 （cytochrome ，Cyt）：
线粒体中有Cyt b、Cyt c1、Cyt c、 Cyt a 、Cyt a3等。
微粒体中还有P450等。是一类具有特殊吸收光谱的有色
物质。各种Cyt的差别在于铁卟啉辅基侧链或辅基与酶
蛋白的连接方式不同。
这些细胞色素有其独特的结构和性质，Cyt 都以血红
素作为辅基，但各自的血红素的结构在卟啉的侧链基团
不同。大多数 Cyt 的铁卟啉以非共价键与酶蛋白结合，
唯Cyt c例外（以硫醚键结合）。
Cyt 通过铁卟啉中的铁原子氧化还原而往复传递电子。
其中，只有Cyt aa3 可直接以氧分子为电子受体，Cyt aa3
复合体含有两个血红素A和Cu ，在氧化还原反应中也发
生价态变化（Cu2+ Cu+），又称细胞色素氧化酶。
二、呼吸链中各组分的排列顺序
★确定呼吸链中各递氢体或递电子体的排列顺序的实
验方法有多种
（一）测定各种电子传递体的标准氧化还原电位
（E0′），依还原电位大小排列：
NADH—FMN.Fe.S—CoQ—Cytb—Cytc1—Cytc—Cytaa3—O2
-0.32
-0.12
琥珀酸
+0.045
+0.23
+0.25 +0.29 +0.8
FAD- Fe.S
（二）用分离出的电子传递体进行呼吸链复合物体外
重组实验
（三）利用呼吸链的特殊阻断抑制剂，阻断链中某些
特定的电子传递环节。
（四）利用光谱变化观察线粒体各传递体氧化顺序
三、线粒体內的两条重要呼吸链
（一）NADH氧化呼吸链
（二 ）琥珀酸氧化呼吸链
琥珀酸→[FAD-Fe.S] → CoQ→[Cyt b—Fe.S—Cyt c1]
→Cyt c→ [Cyt a——Cyt a3 ] →O2
四、呼吸链抑制剂作用点
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
五. 胞液中NADH及NADPH的氧化
 （一）-磷酸甘油穿梭系统
主要存在于肌肉、神经组织等细胞内
 （二）苹果酸穿梭系统
主要存在于肝脏、心肌等细胞 内
（一）-磷酸甘油穿梭系统
(二)
苹果酸穿梭系统
第三节
ATP的生成
（一）ATP生成的方式
（二）氧化磷酸化概念
（三）氧化磷酸化偶联部位
（四）ATP合成的结构基础
（五）氧化磷酸化偶联机理
（六）氧化磷酸化的调节
（七）氧化磷酸化抑制剂
（一）ATP生成的方式
1.底物水平磷酸化：底物的高能磷酸基团直接转
移给ADP生成ATP。
2.氧化磷酸化:是指在电子传递过程中,释放的能量
使ADP磷酸化成ATP的过程。又称电子传递水平
磷酸化。
当氢从代谢物分子脱下并进入呼吸链，在呼吸
链传递过程中消耗O2，并伴有ADP+Pi合成 ATP
的反应，同时有大量能量产生（ΔG0′= - 52.7 kcal /
mol）
释放出来的能量在细胞内以 ATP 的形式储存
（21.9/52.7 = 42 %）起来，以供细胞代谢活动的
需要，这就是氧化磷酸化。
（二）氧化磷酸化概念
AH2
A（ΔG0′= - 52.7kcol/mol）或（-220.497KJ/ mol）
氧化：2H
NADH+H++1/2 O2
（放能反应）
（吸能反应）
NAD++H2O
+1/2 O2 + H2O
能量
磷酸化：3ADP + 3H3PO4
氧化磷酸化
偶联反应
3ATP + 3H2O
（ΔG0′= +21.9kcol/mol）或（+91.63 KJ/ mol）
在底物被氧化，即电子或氢原子在呼吸链上传递过程
中伴随有 ADP 磷酸化生成 ATP 的作用称之（oxidative
phosphorylation ）或偶联磷酸化
确定氧化磷酸化偶联部位（ATP生成部位）
的实验方法：
1. P/O比值测定：一对电子通过呼吸链传递至
O2所产生的ATP分子数。
经过几种不同底物在离体线粒体实验中测得：
琥珀酸 P/O = 1.7
苹果酸P/O = 3.0
由此确定NADH呼吸链中有三个偶联部位：
NADH-----CoQ
Cytb ----- Cytc
Cytaa3 --- O2
而琥珀酸呼吸链中只有二个偶联部位：
Cytb ----- Cytc
Cytaa3 --- O2
2. 电位变化测定：
琥珀酸（ FAD- Fe.S）
NADH—FMN.Fe.S—CoQ—Cytb—Cytc1—Cytc—Cytaa3—O2
（-0.32 -0.12
+0.10 +0.04 +0.23 +0.25 +0.29 +0.8）
①
ΔE0’=0.33V
ΔG0′= - 63.7
(KJ/mol)
②
③
ΔE0’=0.31V
ΔE0’ =0.58V
= -59.8
= -110
(ATP-30.54 KJ/mol)
（三）氧化磷酸化偶联部位
氧化磷酸化如何偶联？
即氧化过程中释放的能量如何使ADP磷酸化生成ATP？
学习这个问题之前 需先复习线粒体内膜结构特点：见图
线粒体内膜上有ATP-合成酶系统：由F1和F0二部分构成。
（1）F1球体：一种酶复合物，MW=360000，5种多肽，
有二种功能：形成ATP（ATP合成酶）
水解ATP（F1ATP酶）
（2）F0：一般认为是构成H+通道（质子流通道），由几
种蛋白质构成，含有较多亮氨酸、丙氨酸等，是
疏水蛋白质，故可进入膜脂质，贯穿整个膜。
有调节质子流作用，而控制ATP合成。
（四）ATP生成的结构基础
先后有三种假说（1）化学偶联假说（高能共价中间物？）
（2）构象偶联假说（构象变化？）
（3）化学渗透假说：1961年，英国Mitchell
化学渗透假说基本要点：
电子经呼吸链传递的同时，可将质子（H+）从内膜的基
质面排到内膜外，而造成膜内外的电化学梯度。
 呼吸链中递氢体和递电子体是交替排列的，在内膜中都
有特定的位置，催化的反应是定向的；
 当递氢体从内膜内侧接受底物传来的2H后，可将其中的
电子传给其后的递电子体，而将2H+泵到内膜外侧，故具有
氢泵作用。
 线粒体内膜不能让H+自由通过，2 H+泵出使内膜外侧
[H+] ，造成“跨膜化学电位差”。电化学梯度的形成可看
成能量的储存，是由电子传递时释放的能量所引起。因而
当离子顺梯度回流（通过F0回流到基质）时释放出自由能，
可使 ADP+Pi
ATP。
（五）氧化磷酸化的偶联机理
(六) 氧化磷酸化抑制剂
 1.解偶联剂:这类物质的作用是使电子传递和
ATP合成两个过程分离,即解偶联过程。典型
的解偶联剂是2，4-二硝基苯酚:
2.电子传递抑制剂：这类抑制剂通过与电子传
递体结合而阻断电子传递使底物氧化过程中断。
（七）氧化磷酸化的调节
1.NADH/NAD+对氧化磷酸化的调节
2.ADP+Pi/ATP对氧化磷酸化的调节
3.Ca+的调节作用
4.甲状腺素作用
三.高能磷酸化合物的
储存和利用
(一)高能建和高能化合物
(二)ATP的利用
(三)磷酸肌酸和ATP的转换
(一)高能健和高能化合物
生物化学中把磷酸化合物水解时放出
的能量大于20KJ/mol者,称高能磷酸化合
物。其所含健称高能磷酸键。
高能磷酸化合物主要有四类：
1.磷酸酐
2.混合酐
3.烯醇磷酸
4.磷酸胍类
(二)ATP的利用
ATP参1.与反应
2.ATP促进其他多磷酸核酐的生
成
3.ATP为生命活动直接供能
(三)磷酸肌酸与ATP的转换
四.其他氧化酶类
 (一)需氧脱氢酶和氧化酶
 (二)加氧酶类

1.加单氧酶 2.加双氧酶
 (三)氢过氧化酶类

1.过氧化氢酶 2.过氧化物酶

3.超氧化物歧化酶
主要内容
 一 氧化呼吸链
 二 ATP的生成
 三 高能磷酸化合
物的储存和利
用
 四 其他氧化酶类
 五 二氧化碳的生
成
一、 氧化磷酸化
一、概念
二、呼吸链的组分
三、呼吸链中各组分
的排列顺序
四、线粒体中两条重
要呼吸链
五、胞液中NADH和
NADPH的氧化
一、概

念
催化生物
氧化电子传递
的酶及其辅酶
的连锁反应体
系称为电子传
递链。

由于电子
传递链与细胞
摄取氧的呼吸