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1、第6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。热能糖 CO2和H2O O2能量ATP脂肪 蛋白质 一、一、生物氧化的方式与特点生物氧化的方式与特点( (一一) )生物氧化的方式生物氧化的方式生物氧化与物质在体外的氧化方式在化学本质上是相同的，生物氧化的方式有加氧 、脱氢和失电子反应。第1节 概 述 1. 1.加氧反应加氧反应RCHO+1/2O2 RCOOH醛 酸 2. 2.脱氢反应脱氢反应 CH3CH(OH)COOH CH3COCOOH+2H乳酸乳
2、酸 丙酮酸丙酮酸3. 3. 失电子反应失电子反应Fe2+ Fe3+ + e(二)生物氧化的特点为细胞内恒定条件下酶促反 应逐步进行，能量逐步释放， 生成ATP。加水脱氢反应使物质间接获 得氧，脱下的氢与氧结合产生 H2O，有机酸脱羧产生CO2。生物氧化体外氧化为不恒定条件下非酶 促反应，能量以热能形 式突然释放。 产生的CO2、H2O由 物质中的碳和氢直接与 氧结合生成。氧化方式均为加氧、脱氢、失电子。氧化方式均为加氧、脱氢、失电子。耗氧、释放能量、终产物（CO2，H2O）均相同。不不 同同 点点相相 同同 点点二、生物氧化的酶类( (一一) ) 氧化氧化酶酶类类类类细细胞色素氧化酶、抗坏血酸
3、氧化酶等属于此 类类酶，该类该类 酶的亚亚基常含有铁铁、铜铜等金属离子。2H+H2OSH2+ 2e2Cu2+O2-S2Cu+1/2O2SH2:底物S:产物2H+H2OSH2+2Cu2+O2-S2Cu+1/2O22e( (二二) ) 需氧脱需氧脱氢氢氢氢酶酶类类类类( (三三) ) 不需氧脱不需氧脱氢氢氢氢酶酶类类类类乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶等 。L-氨基酸氧化酶、 黄嘌呤氧化酶等属于此 类酶。2HH2O2SH2SO2FMN或 FADFMNH2或 FADH22HSH2SFMN(或FAD)FMNH2(或FADH2)SH2SNAD+(NADP+)NADH+H+(NADPH+H+)三、生物氧化过程中三
4、、生物氧化过程中COCO2 2的生成的生成人体内人体内COCO2 2的生成来源于有机酸的脱羧反应。的生成来源于有机酸的脱羧反应。 根据脱去的羧基在有机酸分子中的位置不同，根据脱去的羧基在有机酸分子中的位置不同， 分为分为-脱羧脱羧和和-脱羧脱羧两种；又根据脱羧是否伴有氧两种；又根据脱羧是否伴有氧化，可分为化，可分为单纯脱羧单纯脱羧和和氧化脱羧氧化脱羧两种类型。两种类型。( (一一)-)-单纯脱羧单纯脱羧胺-氨基酸2CO+2R-CH NH2氨基酸脱羧酶2NHR- CH- COOH( (二二)-)-氧化脱羧氧化脱羧( (三三)-)-单纯脱羧单纯脱羧( (四四)-)-氧化脱羧氧化脱羧+ CO2CHO
5、H-COOHCH-COOHCH2-COOH异柠檬酸CH2-COOHCH2CO-COOH-酮戊二酸异柠檬酸脱氢酶+NADH+H+NAD丙酮酸 草酰乙酸CO2+CH3COCOOH丙酮酸羧化酶COCOOHHCH2- COO乙酰辅酶A+ CO2SCoACH3COHSCoA+丙酮酸 CH3COCOOH丙酮酸脱氢酶系+NADH+H+NAD代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种 酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与 氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链 (respiratory chain)又称电子传递链(electron transfer chain)。一、呼吸链( (respiratory ch
6、ain and oxidative phosphorylation) )第2节 生成ATP的氧化体系四种具有传递氢和电子功能的酶复合体。泛醌 和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称复合体 复合体 复合体 复合体 琥珀酸- 泛醌还原酶泛醌- 细胞色素c还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN ，Fe-S FAD ，Fe-S 铁卟啉， Fe-S 铁卟啉， Cu 多肽链数394 1113 复合体 复合体 复合体 复合体 NADH- 泛醌还原酶NADH- 泛醌还原酶琥珀酸- 泛醌还原酶泛醌- 细胞色素还原酶FMN ，Fe-S FAD ，Fe-S 铁卟啉， Fe-S 铁卟啉
7、， Cu 呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。2HHHeH+HRHCONH2N+Ce +RHHCONH2N+H+H+H+NAD(P)+ NAD(P)H+H+2H- 2H(一) 复合体 : NADH-泛醌还原酶(1)NAD+和NADP+1. 1.复合体复合体的组成的组成NADH CoQ FMN; Fe-S FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是 异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是 FMN 。(2)FMN (FAD)OOCH3CH3RNNNHNOOCH3CH3RNNNHN +H- H+H- HH HOOCH3CH3RNNNHNH HH HFMN(FM
8、N(或或FAD)FAD)FMNH(FMNH(或或FADH),FADH),即即FMN FMNHFMNH2 2( (或或FADHFADH2 2) )氧化型或醌型氧化型或醌型半醌型半醌型还原型或氢醌型还原型或氢醌型铁硫蛋白铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁 原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传 递电子。 表示无机硫 (3)铁硫蛋白FeFeFeFeFeFeFeFeS SCHCH2 2S SCHCH2 2S SCHCH2 2S SCHCH2 2泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。(4)辅
9、酶Q（不属于任何复合体 ）o o H H3 3COCOH H3 3COCOCHCH3 3o oR RR R o oH HOOH H3 3COCOH H3 3COCOCHCH3 3 HH+ + +e+eHH+ + +e+eH H3 3COCOR R o oH HOH OHH H3 3COCOCHCH3 3泛醌泛醌泛醌泛醌HH 二氢泛醌二氢泛醌氧化型或醌型氧化型或醌型半醌型半醌型还原型或氢醌型还原型或氢醌型NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2还原型Fe-S 氧化型Fe-S QQH22.复合体的功能 (二) 复合体: 琥珀酸-泛醌还原酶功能: : 将电子从琥珀酸传递给泛醌。 琥珀酸 CoQF
10、e-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 (三) 复合体: 泛醌-细胞色素c还原酶 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c c。QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1细胞色素c的结构CHCH3 3蛋蛋 白白 质质H H3 3C CH H3 3C CN NN NN NN NFeFe3+3+CHCH3 3CH-CHCH-CH3 3CH-CHCH-CH3 3S SCysCysS SCysCysCOOHCOOHCHCH2 2CHCH2 2COOHCOOHCHCH2 2CHCH2 2细胞色素 是一类以铁卟 啉为辅基的催 化电子传递的
11、酶类，根据它 们吸收光谱不 同而分类。1.细胞色素的结构(四) 复合体: 细胞色素c氧化酶功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞色素c c传递给氧，传递给氧，其中其中Cyt aCyt a3 3 和和Cu Cu B B形成的活性部位将电子交给形成的活性部位将电子交给OO2 2。还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 细胞色素a的结构CH=CHCH=CH2 2CHCH3 3HO-CHHO-CHOOHCHCH H3 3C CN NN NN NN NFeFe3+3+CHCH3 3COOHCOOHCHCH2 2CHCH2 2COOHCOOHCHCH2 2CHCH2 2CHCH3 3CHCH2 2 (
12、 (CHCH2 2-CH=C-CH-CH=C-CH2 2 ) )H H3 3 标准氧化还原电位 拆开和重组 特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧2. NADH氧化呼吸链 NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 3. 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O21. 1.排列顺序确 定的实验依据( (五五) ) 呼吸链成分的排列顺序呼吸链成分的排列顺序4.两条呼吸链的排列顺序NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链FMNFMN (Fe(FeS)S)NADHNADH琥珀酸琥珀酸FADFAD (Fe(FeS)S)CoQCoQCyt bCyt bCyt cCyt c1
13、 1Cyt cCyt cCyt aaCyt aa3 3OO2 2二、氧化磷酸化（ATP的生成）(一)氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)(oxidative phosphorylation) 是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化， 生成ATP，又称为偶联磷酸化。 是底物分子内部能量重新分布，生成高能键， 使ADP磷酸化生成ATP的过程。(三)底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) (二)P/O 比值 氧化磷酸化过程中，每消耗1摩尔无机磷原子数 与所消耗的氧原子摩尔数之比即P/O比值。 (四)氧化磷酸化偶联部位 1.
14、氧化磷酸化偶联部位 复合体、。 2.偶联部位的确定 根据P/O比值和自由能变 化（G=-nFE）。线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值底 物呼吸链的组成P/O比值可能生成的ATP数 羟丁酸NAD+复合体CoQ复合体2.42.8 3Cytc复合体O2琥珀酸复合体CoQ复合体1.7 2Cytc复合体O2抗坏血酸Cytc复合体O20.88 1细胞色素 c (Fe2+) 复合体O20.610.68 1-电子传递链自由能变化 区段电位变化 (E)自由能变化 G=-nFE能否生成ATP (G是否大于30.5KJ) Cyt aa3O2 0.53V 102.3KJ/mol 能NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/m
