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1、第五章 生物氧化,生物氧化的概念 生物氧化的特点 生物氧化的本质及过程 NADH和FADH2的彻底氧化,一、生物氧化概念 有机物在生物体内氧化分解成二氧化碳和水，并释放和贮存能量的过程。,第一节 概述,二、生物氧化的特点生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，中性pH和常温）。氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参与了氧化反应。在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。,生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步
2、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的条件下释放能量，提高能量利用率。生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。,本质 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，得电子者为氧化剂，是电子受体。在生物体内有三种方式：加氧氧化电子转移,三、生物氧化的本质及过程,O2,苯丙氨酸 酪氨酸,乳酸脱氢酶,脱氢氧化,在无氧条件下，兼性生物或厌气生物能利用细胞中的氧化型物质作为电子受体，将燃料分子氧化分解，这称为无氧氧化。这些生物有的以有机物分子作为最终的氢受体(如厌氧发酵)，有的则以无机物分子作为氢受体(如微生物中的化能自养菌
3、对SO42-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。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。,生物能及其存在形式生物能和ATPATP是生物能存在的主要形式ATP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,也服从热力学的规律。高能化合物定义：水解自由能在20.92 KJ/mol （5千卡/摩尔）以上的化合物。高能化合物中被水解的基团称为“高能基团”，被水解的键称为“高能键”，用表示。,根据生物体内高
4、能化合物键的特性可以把它们分成以下几种类型：磷氧键型,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,11.8千卡/摩尔,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰基腺苷酸,焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,7.3千卡/摩尔,ATP,水解自由能：每个高能键的水解自由能为30.5 KJ/mol。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转移至高能磷酸化合物ATP中。作为能量通货的原因 能量居中，可作为大多数能量转换酶的能量供体或受体。 既有亲水部分，又有疏水部分。 有多个和酶的结合位点。,烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,14.8千卡/摩尔,
5、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,在生物体内NADH和FADH2的彻底氧化可以产生大量的能量，这一过程是通过呼吸链来完成的。,第二节 呼吸链,1 概念及位置呼吸链又叫电子传递体系或电子传递链，它是代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧原子，而生成水的全部体系。在真核生物细胞内，呼吸链位于线粒体内膜上；原核生物中，它位于细胞膜上。,一、呼吸链 respiratory chain(电子传递链 elect
6、ron transport chain),线粒体呼吸链,2 组成 呼吸链主要由蛋白质复合体组成，大致分为4个部分，分别称为NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、细胞色素还原酶、细胞色素氧化酶。 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、铁硫蛋白类、细胞色素类、辅酶Q类等。,线粒体内膜上的两种呼吸链,汇, NADH 它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。, NADH泛醌还原酶简写为NADHQ还原酶, 即复合物I，它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。 NADHQ还原酶最少含有
7、16个多肽亚基。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。,铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ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 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+ Fe2+ 变化起传递电子的作用。,NADH泛醌还原酶 page 349,电子传递：NADH FMN FeS CoQ,（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电子传递链中唯一的有机分子，可接受一
8、对电子和一对质子。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。 复合物III的Q循环 Page 351QH2-cyt.c还原酶由9个多肽亚基组成，又称为细胞色素bc1复合体。活性部分主要包括细胞色素b和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。, 泛醌细胞色素c还原酶,细胞色素简写为cyt. ，是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a、b、c和c1等，组成它
9、们的辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素a、b、c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。细胞色素主要通过Fe3+ Fe2+ 的互变起传递电子的作用。,它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外侧，属于外周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成有所不同。在电子传递过程中，cyt. c通过Fe3+ Fe2+ 的互变起电子传递中间体作用。, 细胞色素c（cyt.c）,简写为cyt. c 氧化酶，即复合物IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。活性部分主要包括cyt. a和a3。, 细胞色素c氧化酶,cyt.a和a3组成一个复合体，除了
10、含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt.a a3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，复合体中的铜离子可以发生 Cu+ Cu2+ 的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。,琥珀酸-Q还原酶（复合物II）的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和辅酶Q的还原。琥珀酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物, 它比NADH-Q还原酶的结构简单，由4个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸-Q还原酶的催化下，将两个高能电子传递给Q。琥珀酸 FADH2FeS CoQ然后再通过QH2-cyt.c还原酶、cyt.c和cyt.c氧
11、化酶将电子传递到O2。, 琥珀酸-Q还原酶,3 作用呼吸链的作用是接受还原性辅酶Q上的氢原子对(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。,二、电子传递抑制剂,鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶素，抑制复合体。抗霉素A ，抑制复合体，实际抑制细胞色素b。CN-、叠氮化合物、CO、H2S ，抑制复合体。复合体无抑制剂。,在生物氧化过程中，氧化放能反应常有吸能的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应
12、。这种生物氧化放能反应与磷酸化吸能反应的偶联，被称为氧化磷酸化作用。定义：伴随着生物氧化作用而进行的磷酸化作用。它是将生物氧化过程中释放的自由能转移，使ADP形成高能ATP的作用。根据生物氧化的方式，可将氧化磷酸化分为底物水平磷酸化和电子传递体系磷酸化。,第三节 氧化磷酸化 oxidatire phosphorylation,底物水平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ADP生成ATP。电子传递体系磷酸化是指当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系(呼吸链)传递给氧形成水时，同时伴随有ADP磷酸化为ATP的全过程
13、。通常所说的氧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制剂的P/O比值和电化学实验。P/O比值是指一对电子通过呼吸链传至O2所产生的ATP分子数。实验指明NADH呼吸链的P/O值是2.5，FADH2呼吸链的P/O值是1.5。,一、ATP产生的数量,ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方。例如，NADH呼吸链生成ATP的三个部位。,二、ATP产生的部位,E0值在此三个部位有大的“跳动”，都在0.2伏以上。,氧化与磷酸化作用如何偶联尚不够清楚，目前主要有三个学说：化学偶联学说、结构偶联学说与化学渗透学说化学渗透学说的要点线粒体的内膜是完整的封闭系统。电子传递
14、过程中，释放能量将质子由内膜内侧泵到内膜外侧。内膜两侧形成质子电化学梯度，蕴藏了进行磷酸化的能量。内膜外侧质子经ATP合酶（F1-F0复合体）回到内膜内侧，释放能量推动ADP磷酸化形成ATP。,三、ATP产生的机理,呼吸链抑制剂 能阻断呼吸链中某些部位电子传递的物质。 如鱼藤酮、粉蝶霉素A及异戊巴比妥等与复合体中的铁硫蛋白结合，从而阻断电子传递。,四、 氧化磷酸化的抑制剂和解偶联剂,解偶联剂 使相互偶联的电子传递的放能过程和ATP合成的需能过程分离的物质。如，二硝基苯酚（DNP）,氧化磷酸化抑制剂直接作用于F1-F0复合体，抑制ATP合成的物质。如，寡霉素。,本章小结,生物氧化的概念与作用NADH，FADH2的彻底氧化呼吸链（电子传递链）氧化磷酸化,组成与存在位点，作用机制，抑制剂,底物水平磷酸化，电子传递体系磷酸化ATP产生的数量与位置，解偶联剂,
