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湖北大学生科院. 第八章 生物氧化 （ biological oxidation ）. 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 O 2 的消耗和 CO 2 的形成，故又称组织呼吸、细胞呼吸 （ celluar respiration ） 。. 第一节 概 论. 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 CO 2 ？

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  1. 湖北大学生科院

  2. 第八章 生物氧化（biological oxidation ） 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） 。 第一节 概 论

  3. 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？

  4. 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

  5. 2. 氧化脱羧作用 （1）α—氧化脱羧 C 丙酮酸脱氢酶系 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+

  6. 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

  7. 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

  8. 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 ←→ 2H++2e Fe2+ ←→ Fe3++e 电子供体 电子受体 电子供体 电子受体 (还原型) (氧化型) (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。

  9. 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

  10. 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+

  11. 参与生物氧化的酶类和电子载体 2.氧化酶如细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶等 3.加氧酶加单氧酶 、加双氧酶 4. 传递体 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

  12. 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。

  13. 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

  14. 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：

  15. 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：

  16. 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。

  17. 4. 铁硫蛋白（ Fe-S）： 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。 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 。

  18. 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。

  19. 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 +0.045 +0.23 +0.25 +0.29 +0.8 琥珀酸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

  20. 三、线粒体內的两条重要呼吸链（一）NADH氧化呼吸链三、线粒体內的两条重要呼吸链（一）NADH氧化呼吸链

  21. （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

  22. 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

  23. 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

  24. （一）-磷酸甘油穿梭系统

  25. (二) 苹果酸穿梭系统

  26. 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

  27. （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。

  28. （二）氧化磷酸化概念 AH2A（ΔG0′= - 52.7kcol/mol）或（-220.497KJ/ mol） 氧化：2H NADH+H++1/2 O2 NAD++H2O （放能反应） +1/2 O2 + H2O 氧化磷酸化 （吸能反应） 能量 偶联反应 磷酸化：3ADP + 3H3PO4 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

  29. 确定氧化磷酸化偶联部位（ATP生成部位）的实验方法：确定氧化磷酸化偶联部位（ATP生成部位）的实验方法： • 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

  30. 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 ② ③ • ΔE0’=0.33VΔE0’=0.31VΔE0’=0.58V • ΔG0′= - 63.7 = -59.8 = -110 • (KJ/mol) (ATP-30.54 KJ/mol)

  31. （三）氧化磷酸化偶联部位

  32. 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。

  33. （四）ATP生成的结构基础

  34. 化学渗透假说基本要点： 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 • 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。

  35. （五）氧化磷酸化的偶联机理

  36. (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。

  37. （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

  38. 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

  39. (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

  40. (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

  41. (三)磷酸肌酸与ATP的转换

  42. 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

  43. 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

  44. 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

  45. 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过程有关，通常又称为氧化呼吸链。

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