第五章 生物氧化 （biological oxidation) * 生物氧化的概念 物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主 要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释 放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。 糖 脂肪 蛋白质 O2 CO2和H2O ADP+Pi 能量 ATP 热能 第 一 节 概 述 introduction 一、生物氧化的方式与特点 （一）生物氧化的方式:加氧、脱氢和失电子反应 1．加氧反应 2．脱氢反应 3．脱电子反应.
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第五章 生物氧化 （biological oxidation) * 生物氧化的概念 物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主 要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释 放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。 糖 脂肪 蛋白质 O2 CO2和H2O ADP+Pi 能量 ATP 热能 第 一 节 概 述 introduction 一、生物氧化的方式与特点 （一）生物氧化的方式:加氧、脱氢和失电子反应 1．加氧反应 2．脱氢反应 3．脱电子反应 （二）生物氧化的特点 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。 生物氧化与体外氧化之不同点 生物氧 化 体外氧 化 是在细胞内温和的环境中（体温， 能量是突然释放的。 pH接近中性），在一系列酶促反 应逐步进行，能量逐步释放有利 于有利于机体捕获能量，提高 ATP生成的效率。 进行广泛的加水脱氢反应使物质 产生的CO2 、H2O由物 能间接获得氧，并增加脱氢的机 质中的碳和氢直接与氧 会；脱下的氢与氧结合产生H2O， 结合生成。 有机酸脱羧产生CO2。 生物氧化的速率受体内多种因素 的调节 二、参与生物氧化的酶类 生物体内的氧化方式以加氧、脱氢及失 去电子为主，其中脱氢反应是最常见的 氧化方式 。 参与生物体内氧化反应的酶可分为氧化酶 类、需氧脱氢酶类、不需氧脱氢酶类等。 三、生物氧化过程中CO2的生成 生物氧化的重要产物之一是CO2 ，人体内CO2 的生成并不是代谢物的碳原子与氧的直接化合， 而是来源于有机酸的脱羧反应。 （一）α-单纯脱羧 （二）α-氧化脱羧 （三）β-单纯脱酸 （四）β-氧化脱羧 第 二 节 生物氧化过程中水的生成 The Oxidation System of H2O Producing 呼吸链（respiratory chain） 生物氧化过程中，代谢物分子中的氢经脱氢 酶催化，脱下的成对氢原子（2H）在线粒 体内通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐 步传递，最终与分子氧结合成水。由于此过 程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼 吸链（respiratory chain） 呼吸链又称为电子传递链。 一、呼吸链的组成及作用 （一）以NAD+ 或NADP+ 为辅酶的脱氢酶类 NAD+： 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，又称辅酶Ⅰ（CoⅠ） NADP+： 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸也称为辅酶Ⅱ（CoⅡ） 可分别与不同的酶蛋白组成功能各异的脱氢酶 功能：该类酶在呼吸链中主要起递氢作用 （二）黄素蛋白 其辅基中含有核黄素（维生素B2）故又称黄素酶 FMN： 黄素单核苷酸 FAD： 黄素腺嘌呤二核苷酸 FMN或FAD发挥功能的部位是核黄素结构中的异咯嗪环 功能：黄素蛋白在呼吸链中起递氢作用 （三）铁硫蛋白 该蛋白以铁硫簇（Fe-S）为辅基 铁硫蛋白类的分子中含非卟啉铁与对酸不 稳定的硫，其作用是借铁的变价互变进行 电子传递。Fe3+ ＋ e → Fe2+ （四）泛醌（ubiquinone Q） 此类酶是一种脂溶性的醌类化合物，其分子 中的苯醌结构能可逆的加氢还原而形成对苯二酚 衍生物，故属于递氢体。在脱氢时将2H解离成 2H+和2e，并将2e交给细胞色素，2H+留在介质 中，故辅酶Q在呼吸链中的顺序介于黄素蛋白和 细胞色素之间。 OH OH CH3O CH3 CH3O [CH2CH=C-CH2] nH CH3 OH 还原型氢醌 O H H O O 半醌型 È«Ñõ»¯ÐÍõ« （五）细胞色素 细胞色素（Cyt）是一类以铁卟啉为辅基的 蛋白质。在呼吸链中也依靠铁的化合价的变化而 传递电子,故又称电子传递体。目前发现的细胞 色素有多种，在线粒体呼吸链中a、a3、b、c1和 c，其中a、a3不易分离合称细胞色素aa3。 细胞色素传递电子的顺序依次为： b → c1 → c → aa3， 最后由细胞色素aa3将电子传递给氧还原成 活性较强O2-，O2-与游离在介质中的2H+结合成 水。由于细胞色素aa3是呼吸链终末传递体能直 接以氧为电子受体，故又称为细胞色素氧化酶。 在上述呼吸链的主要组成成分中，在线粒体内 膜除泛醌与细胞色素C以游离形式存在外，其余的成 分均以复合体的形式存在，复合形式有：①复合体 Ⅰ（又称NADH-泛醌还原酶），该复合体将电子从 NADH经FMN及铁硫蛋白传给泛醌；②复合体Ⅱ （又称琥珀酸-泛醌还原酶），该复合体将电子从琥 珀酸经FAD及铁硫蛋白传递给泛醌；③复合体Ⅲ （又称泛醌-细胞色素C还原酶），该复合体将电子 从泛醌经Cyt b、Cyt c1传给Cyt c（图5-6）；④复 合体Ⅳ（又称细胞色素C氧化酶），该复合体将电子 从Cyt c经Cyt aa3传递给氧。 二、呼吸链成分的排列 NADH氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸脱氢酶、脂肪酰CoA脱氢酶和α-磷酸 甘油脱氢酶的辅基都是FAD。在脱氢酶催化下底 物将脱下的氢交给辅基FAD生成FADH2，然后直 接将2H传递给CoQ生成CoQH2，后面的传递同 NADH氧化呼吸链，因起始端为辅基FAD又称 FADH氧化呼吸链。 （一）NADH氧化呼吸链 在线粒体中，大多数代谢物是通过NADH氧化呼 吸链氧化 （二）琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链） NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链 线粒体内，物质氧化的主要方式是脱氢反应。 通过脱氢酶催化的脱氢反应产生NADH+H+ 和 FADH2，两者再通过呼吸链彻底氧化成水 。 三、胞液中NADH的氧化 （一）α-磷酸甘油穿梭作用 （a-glycerol phosphate shuttle） CoQH2 CoQ 图5-10 α-磷酸甘油穿梭 （二）苹果酸-天冬氨酸穿梭作用 (malate-asparate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭 ①苹果酸脱氢酶 ②天冬氨酸转氨酶 ③④线粒体内膜上的不同转位酶 第 三 节 ATP 的 生 成 The synthesis of ATP 一、高能化合物 高能键是指水解时产生较多能量（>21kJ/mol）的化学键 二、ATP的生成 （一）底物水平磷酸化（substrate phosphorylation） 代谢物在氧化分解过程中，有少数反应因脱氢 或脱水而引起分子内能量重新分布，产生高能 键，然后将高能键转移给ADP生成ATP的过程 （二）氧化磷酸化 1．氧化磷酸化的概念 代谢物脱下的2H，经呼吸链氧化为水时 所释放的能量与ADP磷酸化生成ATP储能 相偶联的过程称为氧化磷酸化。它是体内 生成ATP的最主要方式。 2．氧化磷酸化偶联的部位 P/O比值 ： 氧化磷酸化过程中，无机磷原子消耗 的摩尔数与氧原子消耗的摩尔数之比 由于无机磷酸的消耗伴随ATP的生成 （ADP+H3PO4ATP+H2O），因此，从 P/O比值可了解物质氧化时每消耗1摩尔 氧原子生成的ATP数。 氧化磷酸化偶联部位示意图 3．氧化磷酸化偶联机制 （1）化学渗透假说： 电子经过呼吸链传递时，可将质子（H+） 从线粒体内膜的基质泵到内膜外侧，产生 膜内外质子化学梯度（H+ 浓度梯度和跨 膜电位差），以此储存能量，当质子顺浓 度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。 （2）ATP合酶（ATP synthase） α β β α β α F1 ε γ 基质侧 F0 线粒体 内膜 胞液侧 δ 4．影响氧化磷酸化的因素 （1）ADP/ATP比值的调节 （2）激素的调节 （3）抑制剂的作用： 三、高能化合物的储存和利用 机体内能量的释放、储存和利用都以 ATP为中心。 体内多数合成反应都以ATP为直接能源 ATP可在肌酸激酶的作用下，将～P转移给 肌酸生成磷酸肌酸（creatine phosphate， CP），作为肌肉和脑组织能量的一种储存 形式。 ATP的生成和利用 第四节 其它氧化体系 一、微粒体中的氧化酶 （一）加单氧酶（monooxygenase） （二）加双氧酶 二、过氧化物酶体中的氧化酶类 （一）过氧化氢酶 （二）过氧化物酶 三、超氧化物岐化酶