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1、Chapter 21 生物氧化l 生物氧化概念l 生物氧化的特点l 生物氧化的本质及过程l NADH和FADH2的彻底氧化一、生物氧化概念 有机物在生物体内的氧化包括物质分解和产能呼吸作用O2CO2+H2O细胞呼吸（微生物）二、生物氧化的特点1.1.生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应反应条件温和条件温和（水溶液，中性（水溶液，中性pHpH和常温）。和常温）。2.2.氧化进行过程中，必然伴随氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应生物还原反应的的 发生。发生。3.3.水水是是许许多多生生物物氧氧化化反反应应的的氧氧供供体体。通通过过加加水水脱脱氢
2、氢作用直接参予了氧化反应。作用直接参予了氧化反应。4.4.在在生生物物氧氧化化中中，碳碳的的氧氧化化和和氢氢的的氧氧化化是是非非同同步步进进行行的的。氧氧化化过过程程中中脱脱下下来来的的氢氢质质子子和和电电子子，通通常常由各种载体，如由各种载体，如NADHNADH等传递到氧并生成水。等传递到氧并生成水。5.5.生物氧化是一个生物氧化是一个分步分步进行的过程。每一步都由进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。的条件下释放能
3、量，提高能量利用率。6.6.生物氧化释放的能量，通过与生物氧化释放的能量，通过与ATPATP合成相偶联，合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能转换成生物体能够直接利用的生物能ATPATP。1.本质 生物氧化的本质是电子的得失，失电生物氧化的本质是电子的得失，失电子者为还原剂，是电子供体，得电子者为氧化子者为还原剂，是电子供体，得电子者为氧化剂，是电子受体剂，是电子受体.在生物体内，它有三种方式：在生物体内，它有三种方式：加氧氧化加氧氧化电子转移电子转移 三、生物氧化的本质及过程O2苯丙氨酸苯丙氨酸 酪氨酸酪氨酸乳酸脱氢酶n 脱氢氧化脱氢氧化 在无氧条件下，兼性生物或厌气生物能利用细胞在无
4、氧条件下，兼性生物或厌气生物能利用细胞中的中的氧化型物质氧化型物质作为电子受体，将燃料分子氧化作为电子受体，将燃料分子氧化分解，这称为分解，这称为无氧氧化无氧氧化。这些生物有的以有机物。这些生物有的以有机物分子作为最终的氢受体分子作为最终的氢受体(如厌氧发酵如厌氧发酵)，有的则以，有的则以无机物分子作为氢受体无机物分子作为氢受体(如微生物中的化能自养菌如微生物中的化能自养菌对对NONO3-3-、SO4SO42-2-的利用的利用)。2.无氧氧化 3.有氧氧化 生物氧化在有氧和无氧条件下都能进行。在有氧条件下，好气生物或兼性生物吸收空气中的氧作为电子受体，可将燃料分子完全氧化分解，这称为有氧氧化。
5、因为有氧氧化燃烧完全，产能多，所以，只要有氧气存在，细胞都优先进行有氧氧化。4.生物能及其存在形式 生物能和ATPATPATP是生物能存在的主要形式是生物能存在的主要形式ATPATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。是能够被生物细胞直接利用的能量形式。生物化学反应与普通的化学反应一样生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从热也服从热力学的规律。力学的规律。高能化合物nn生物体通过生物氧化所产生的能量，除一部分生物体通过生物氧化所产生的能量，除一部分用以维持体温外，大部分可以通过磷酸化作用用以维持体温外，大部分可以通过磷酸化作用转移至高能磷酸化合物转移至高能磷酸化合物ATPATP中。中。根据生
6、物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型：磷氧键型a)酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸10.1千卡/摩尔 1 1.8千卡/摩尔氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸b)焦磷酸化合物A TP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔c)烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔 氮磷键型磷酸肌酸 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。硫酯键型3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸酰基辅酶A 甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸四、NADH和FADH2的彻底氧化（末端电子传递链）（末端电子传递链）1.在生物体内NADH和FADH2的彻底氧化可以产生大量的能
7、量，这一过程是通过呼吸链来完成的。(1)概念及位置呼吸链又叫电子传递体系或电子传递链，它是代呼吸链又叫电子传递体系或电子传递链，它是代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，分解为谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，分解为HH+和和ee-,e,e-经过一系列的传递体，最后传递给经过一系列的传递体，最后传递给OO22,O,O22被激活成活性的氧原子，与被激活成活性的氧原子，与HH+结合而生成水的全结合而生成水的全部体系。在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜部体系。在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上，原核生物中，它位于细胞膜上。上，原核生物中，它位于细胞膜上。2.呼吸链respiratory chain(
8、电子传递链 electron transport chain)线粒体呼吸链(2)组成 呼吸链由许多个组分组成，参加呼吸链的氧化还呼吸链由许多个组分组成，参加呼吸链的氧化还原酶有烟酰胺脱氢酶类、黄素脱氢酶类、铁硫蛋原酶有烟酰胺脱氢酶类、黄素脱氢酶类、铁硫蛋白类、细胞色素类、辅酶白类、细胞色素类、辅酶QQ类等。类等。NADH：还原型辅酶I它是由它是由NADNAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADHNADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。供体之一。铁硫蛋白铁硫蛋白(简写为简写为Fe-S)Fe-S)是一种与电子
9、传递有关的是一种与电子传递有关的蛋白质，它与蛋白质，它与NADHNADHQQ还原酶的其它蛋白质组分还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。它主要以结合成复合物形式存在。它主要以(2Fe-2S)(2Fe-2S)或或(4Fe-4S)(4Fe-4S)形式存在。形式存在。(2Fe-2S)(2Fe-2S)含有两个活泼的无含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过FeFe3+3+Fe Fe2+2+变变化起传递电子的作用化起传递电子的作用铁硫蛋白 NADH泛醌还原酶简写为简写为NADHNADHQQ还原酶还原酶,即复合物即复合物II，它的作用是，它的作用是催化催化NADH
10、NADH的氧化脱氢以及的氧化脱氢以及QQ的还原。所以它既是一的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。种脱氢酶，也是一种还原酶。NADHNADHQQ还原酶最还原酶最少含有少含有1616个多肽亚基。它的活性部分含有辅基个多肽亚基。它的活性部分含有辅基FMNFMN和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。FMNFMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型成还原型FMNHFMNH22。还原型。还原型FMNHFMNH22可以进一步将电子转可以进一步将电子转移给移给QQ。NADH NADH Q Q还原酶 还原酶 NADH+Q+H NADH+Q+H+=NAD=NAD+Q
11、H+QH2 2NADH 泛醌还原酶（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。泛醌简写为QH2-cyt.c还原酶,即复合物III,它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（cyt.c）的还原。QH QH2 2-cyt.c-cyt.c 还原酶 还原酶QH QH2 2+2+2 cyt cyt.c(Fe.c(Fe3+3+)=Q+2)=Q+2 cyt cyt.c(Fe.c(Fe2+2+)+2H)+2H+QH2-cyt.c还原酶由9个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素b 和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。
12、泛醌细胞色素c还原酶（简简写写为为cytcyt.）是是含含铁铁的的电电子子传传递递体体，辅辅基基为为铁铁卟卟啉啉的的衍衍生生物物，铁铁原原子子处处于于卟卟啉啉环环的的中中心心，构构成成血血红红素素。各各种种细细胞胞色色素素的的辅辅基基结结构构略略有有不不同同。线线粒粒体体呼呼吸吸链链中中主主要要含含有有细细胞胞色色素素a,a,b,b,c c 和和cc11等等，组组成成它它们们的的辅辅基基分分别别为为血血红红素素AA、BB和和CC。细细胞胞色色素素a,a,b,b,cc可可以以通通过过它它们们的的紫紫外外-可可见见吸吸收收光光谱谱来来鉴鉴别。别。细胞色素主要是通过细胞色素主要是通过FeFe3+3+
13、Fe Fe2+2+的互变起传递的互变起传递电子的作用的。电子的作用的。细胞色素它是电子传递链中一个 它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于 属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素 水。它与细胞色素c c1 1含 含有相同的辅基，但是蛋 有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在 白组成则有所不同。在电子传递过程中，电子传递过程中，cyt cyt.c c通过 通过 Fe Fe3+3+Fe Fe2+2+的互变起电 的互变起电子传递中间体作用。子传递中间体作用。细胞色素c（cyt.c）简写为简写为cytcyt.c.c
14、氧氧化酶，即复合物化酶，即复合物IVIV，它是位于线，它是位于线粒体呼吸链末端粒体呼吸链末端的蛋白复合物，的蛋白复合物，由由1212个多肽亚基个多肽亚基组成。活性部分组成。活性部分主要包括主要包括cytcyt.a.a和和aa33。细胞色素c氧化酶cyt.acyt.a和和aa33组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。还含有铜原子。cyt.acyt.a a a33可以直接以可以直接以OO22为电子受体。为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生 CuCu+Cu Cu2+2+的互变，将的互变，将cyt.cc
15、yt.c所携带的电子传递所携带的电子传递给给OO22。琥琥珀珀酸酸是是生生物物代代谢谢过过程程（三三羧羧酸酸循循环环）中中产产生生的的中中间间产产物物，它它在在琥琥珀珀酸酸-Q-Q还还原原酶酶（复复合合物物IIII）催催化化下下，将将两两个个高高能能电电子子传传递递给给QQ。再再通通过过QHQH22-cyt,-cyt,cc还原酶、还原酶、cyt.ccyt.c和和cyt.ccyt.c氧化酶将电子传递到氧化酶将电子传递到OO22。琥琥珀珀酸酸-Q-Q还还原原酶酶也也是是存存在在于于线线粒粒体体内内膜膜上上的的蛋蛋白白复复合合物物,它它比比NADH-QNADH-Q还还原原酶酶的的结结构构简简单单，由
16、由44个个不不同同的的多多肽肽亚亚基基组组成成。其其活活性性部部分分含含有有辅辅基基FADFAD和和铁铁硫蛋白。硫蛋白。琥琥珀珀酸酸-Q-Q还还原原酶酶的的作作用用是是催催化化琥琥珀珀酸酸的的脱脱氢氢氧氧化化和和QQ的还原的还原。琥珀酸-Q还原酶(3)作用 呼吸链的作用是接受还原性辅酶上的氢原字对(2H+2e)，使辅酶分子氧化，并将电子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧负离子(O2-)与质子对(2H+)结合，生成水。电子对在传递过程中逐步氧化放能，所释放的能量驱动ADP和无机磷发生磷酸化反应，生成ATP。在生物氧化过程中，氧化放能反应常常有吸能的在生物氧化过程中，氧化放能反应常常有吸能的磷酸化反
17、应偶联发生。偶联反应将氧化释放的一磷酸化反应偶联发生。偶联反应将氧化释放的一部分自由能用于无机磷参加的高能磷酸键生成反部分自由能用于无机磷参加的高能磷酸键生成反应。这种氧化放能反应与磷酸化吸能反应的偶联，应。这种氧化放能反应与磷酸化吸能反应的偶联，称为称为氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用。根据生物氧化方式，可将。根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为氧化磷酸化分为底物水平磷酸化底物水平磷酸化及及电子传递体系电子传递体系磷酸化。磷酸化。3.氧化磷酸化oxidatire phosphorylation底物水平磷酸化底物水平磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化作用。即底物被氧化的
18、过程中，形成了某些高能作用。即底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADPADP生生成成ATPATP。电子传递体系磷酸化电子传递体系磷酸化是指当电子从是指当电子从NADHNADH或或FADHFADH22经经过电子传递体系过电子传递体系(呼吸链呼吸链)传递给氧形成水时，同传递给氧形成水时，同时伴有时伴有ADPADP磷酸化为磷酸化为ATPATP的全过程。通常所说的氧的全过程。通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体或其研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒
19、体或其制剂的制剂的P/OP/O比值和电化学实验。比值和电化学实验。P/OP/O比值是指每消比值是指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。根据所消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间接测出耗的无机磷酸摩尔数，可间接测出ATPATP生成量。实生成量。实验指明验指明NADHNADH呼吸链的呼吸链的P/OP/O值是值是2.52.5，即每消耗一摩，即每消耗一摩尔氧原子就可形成尔氧原子就可形成2.52.5摩尔摩尔ATPATP，FADHFADH22呼吸链的呼吸链的P/OP/O值是值是1.51.5，即消耗一摩尔氧原子可形成，即消耗一摩尔氧原子可形成1.51.5摩尔摩尔ATPATP
20、。(1)ATP产生的数量 ATPATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方，产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，例如，NADHNADH呼吸链生成呼吸链生成ATPATP的三个部位是：的三个部位是：E0E0值值在此三个部位有大的在此三个部位有大的“跳动跳动”，都在，都在0.20.2伏以上。伏以上。(2)ATP产生的部位 氧化与磷酸化作用如何耦联尚不够清楚，目氧化与磷酸化作用如何耦联尚不够清楚，目前主要有三个学说：前主要有三个学说：化学耦联学说化学耦联学说、结构耦联学说结构耦联学说与与化学渗透学说化学渗透学说，化学渗透学说化学渗透学说的主要论点的主要论点呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行
21、时，呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上后者被膜上ATPATP合成酶所利用，使合成酶所利用，使ADPADP与与PiPi合成合成ATPATP。(3)ATP产生的机理抑制剂 电子传递链 抑制ATP合成解偶联剂（uncouplers）2,4-二硝基苯酚（2,4-dinitrophenol DNP2,4-dinitrophenol DNP）(4)氧化磷酸化的抑制剂和解偶联剂本章小结1.生物氧化的概念与作用2.NADH，FADH2的彻底氧化3.呼吸链（电子传递链）4.磷酸化组成与存在位点，作用机制，抑制剂底物水平磷酸化，氧化磷酸化，ATP产生的数量与位置，解偶联剂