生物化學(xué)06生物氧化

生物氧化BiologicalOxidation第六章第一節(jié)生物氧化概述一生物氧化的概念及特點(diǎn)物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行的氧化稱生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時(shí)逐步釋放能量，最終生成CO2和H2O的過(guò)程。其實(shí)質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼吸代謝過(guò)程中所進(jìn)行的一系列氧化還原反應(yīng)過(guò)程。糖脂肪蛋白質(zhì)CO2和H2OO2能量ADP+PiATP熱能1.生物氧化的概念*生物氧化與體外氧化之相同點(diǎn)生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。物質(zhì)在體內(nèi)外氧化時(shí)所消耗的氧量、最終產(chǎn)物（CO2，H2O）和釋放能量均相同。是在細(xì)胞內(nèi)溫和的環(huán)境中（體溫，pH接近中性），在一系列酶促反應(yīng)逐步進(jìn)行，能量逐步釋放有利于有利于機(jī)體捕獲能量，提高ATP生成的效率。進(jìn)行廣泛的加水脫氫反應(yīng)使物質(zhì)能間接獲得氧，并增加脫氫的機(jī)會(huì)；脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生H2O，有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生CO2。*生物氧化與體外氧化之不同點(diǎn)生物氧化體外氧化能量是突然釋放的。產(chǎn)生的CO2、H2O由物質(zhì)中的碳和氫直接與氧結(jié)合生成。CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。

類型：α-脫羧和β-脫羧氧化脫羧和單純脫羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脫氫酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2RH2O的生成代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通過(guò)一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O。例：CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脫氫酶1\2

O2NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO=2H+2.生物氧化的特點(diǎn)(1)生物氧化是在生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的酶促氧化過(guò)程，反應(yīng)條件溫和（水溶液，中性pH和常溫）。(2)氧化進(jìn)行過(guò)程中，必然伴隨生物還原反應(yīng)的發(fā)生。(3)水是許多生物氧化反應(yīng)的氧供體。通過(guò)加水脫氫作用直接參予了氧化反應(yīng)。(4)在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進(jìn)行的。氧化過(guò)程中脫下來(lái)的氫質(zhì)子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水。(5)生物氧化是一個(gè)分步進(jìn)行的過(guò)程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反應(yīng)的產(chǎn)物都可以分離出來(lái)。這種逐步進(jìn)行的反應(yīng)模式有利于在溫和的條件下釋放能量，提高能量利用率。(6)生物氧化釋放的能量，通過(guò)與ATP合成相偶聯(lián)，轉(zhuǎn)換成生物體能夠直接利用的生物能ATP。脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中間物進(jìn)入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過(guò)磷酸化儲(chǔ)存在ATP中。大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位

生物氧化的三個(gè)階段生物能是一種能夠被生物細(xì)胞直接利用的特殊能量形式。ATP是生物能存在的主要形式；ATP是一種瞬時(shí)自由能供體；ATP、ADP和Pi在細(xì)胞內(nèi)始終處于動(dòng)態(tài)平衡；ATP和ADP循環(huán)速度非?？?。生物能的化學(xué)本質(zhì)是存儲(chǔ)于ATP分子焦磷酸鍵中的化學(xué)能。二、生化反應(yīng)中自由能的變化1.生物化學(xué)反應(yīng)的自由能（freeenergy）變化定義式：ΔＧ=ΔH-TΔS物理意義：－ΔＧ＝Ｗ*(體系中能對(duì)環(huán)境作功的能量)自由能的變化能預(yù)示某一過(guò)程能否自發(fā)進(jìn)行，即：ΔG<0，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行ΔG>0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行ΔG=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)?；瘜W(xué)反應(yīng)自由能的計(jì)算a.利用化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)計(jì)算基本公式：ΔG′=ΔGo′+RTlnQc(Qc-濃度商)

ΔGo′=-RTlnKeqb.利用標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位（Eo

）計(jì)算（限于氧化-還原反應(yīng)）基本公式：ΔGo′=－nFΔEo′(ΔEo′=E0+

′-E0-

′)計(jì)算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化

達(dá)平衡時(shí)=Keq=19解：ΔGo′=-RTlnKeq=-2.303

8.314

311

log19=-7.6kJ.mol-1ΔG′=ΔGo′+RTlnQc(Qc-濃度商)=-7.6+2.303

8.314

311

log0.1=-13.6kJ.mol-1未達(dá)平衡時(shí)=Qc=0.1反應(yīng)G-1-PG-6-P在38℃達(dá)到平衡時(shí)，G-1-P占5%，G-6-P占95%，求

G0

。如果反應(yīng)未達(dá)到平衡，設(shè)[G-1-P]=0.01mol.L，[G-6-P]=0.001mol.L，求反應(yīng)的

G

是多少？例題：例題：計(jì)算下反應(yīng)式ΔGo′N(xiāo)ADH+H++1/2O2=NAD++H2O

正極反應(yīng)：1/2O2+2H++2e

H2O

E+o′

0.82V負(fù)極反應(yīng)：NAD++H++2e

NADH

E-o′

-0.32VΔGo′

-nFΔEo′

-2×96485×[0.82-(-0.32)]

-220KJ·mol-1生物體通過(guò)生物氧化所產(chǎn)生的能量，除一部分用以維持體溫外，大部分可以通過(guò)磷酸化作用轉(zhuǎn)移至高能磷酸化合物如ATP中。1.生物體系中的高能磷酸酯類化合物三、高能化合物高能磷酸鍵水解時(shí)釋放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯鍵，常表示為

P。高能磷酸化合物含有高能磷酸鍵的化合物高能化合物：在生化反應(yīng)中，發(fā)生水解或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)時(shí)釋放的自由能大于21kJ/mol的化合物。高能化合物的類型2.ATP的特點(diǎn)及其特殊作用

在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個(gè)磷酸基團(tuán)完全解離成帶4個(gè)負(fù)電荷的離子形式（ATP4-），具有較大勢(shì)能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因而水解自由能很大（ΔG°′=-30.5千焦/摩爾）。腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-

+

+

+Mg2+ATP4-+H2O＝ADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ?mol-1ATP3-+H2O＝ADP2-+Pi3-+H+G＝-33.1kJ?mol-1ATP的特殊作用★

ATP是細(xì)胞內(nèi)的“能量通貨”★

ATP是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的中間載體～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基團(tuán)儲(chǔ)備物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第二節(jié)電子傳遞鏈一、電子傳遞鏈1.在生物體內(nèi)NADH和FADH2的徹底氧化可以產(chǎn)生大量的能量，并與ATP的合成相偶聯(lián)，這一過(guò)程是通過(guò)電子傳遞鏈來(lái)完成的。在真核生物中，它位于線粒體內(nèi)膜上。

線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場(chǎng)所，底物在這里氧化代謝所產(chǎn)生的NADH和FADH2，將其攜帶的質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過(guò)一系列氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給O2生成H2O。這種由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈（eclctrontransferchain)，因?yàn)槠涔δ芎秃粑饔弥苯酉嚓P(guān)，亦稱為呼吸鏈。2.概念及位置三、呼吸鏈的組成及排列順序1.四種具有傳遞電子功能的多酶復(fù)合物*輔酶Q和細(xì)胞色素c均不包含在上述四種復(fù)合體中。2.呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)線粒體內(nèi)膜e-e-e-e-e-（1）復(fù)合體Ⅰ:NADH-泛醌還原酶功能:

將H和電子從NADH傳遞給泛醌

(ubiquinone)

復(fù)合體ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2NDAH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一

3.與呼吸鏈有關(guān)的酶和傳遞體及其作用機(jī)制①NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu)R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互轉(zhuǎn)變氧化還原反應(yīng)時(shí)變化發(fā)生在五價(jià)氮和三價(jià)氮之間。FMN結(jié)構(gòu)中含核黃素，發(fā)揮功能的部位是異咯嗪環(huán)，氧化還原反應(yīng)時(shí)不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN?。②FMN與FMNH2的結(jié)構(gòu)鐵硫蛋白(簡(jiǎn)寫(xiě)為Fe-S)是一種與電子傳遞有關(guān)的蛋白質(zhì)，它與NADH

Q還原酶的其它蛋白質(zhì)組分結(jié)合成復(fù)合物形式存在。③鐵硫蛋白

特點(diǎn)：含有Fe和對(duì)酸不穩(wěn)定的S原子，F(xiàn)e和S常以等摩爾量存在（Fe2S2,Fe4S4)，構(gòu)成Fe—S中心，F(xiàn)e與蛋白質(zhì)分子中的4個(gè)Cys殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。

+e

傳遞電子機(jī)理：Fe3+Fe2+

-eSS無(wú)機(jī)硫半胱氨酸硫復(fù)合體Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+FMNFMNH2還原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2（2）復(fù)合體Ⅲ:泛醌-細(xì)胞色素c還原酶功能：將電子從泛醌輔酶Q傳遞給細(xì)胞色素c

復(fù)合體ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1作用：催化還原型QH2的氧化和細(xì)胞色素c（cytc）的還原

泛醌（輔酶Q,CoQ,Q）由多個(gè)類異戊二烯連接形成較長(zhǎng)的疏水側(cè)鏈（CoQ10），氧化還原反應(yīng)時(shí)可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。CoQ+2H+CoQH2①泛醌輔酶Q②細(xì)胞色素特點(diǎn)：以血紅素（heme）為輔基，血紅素的主要成份為鐵卟啉。類別:根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三類，呼吸鏈中含5種（b、c、c1、a和a3)，cytb和cytc1與鐵硫蛋白組成復(fù)合物Ⅲ：細(xì)胞色素c還原酶；cytc在呼吸鏈中為獨(dú)立的電子傳遞體；a和a3以復(fù)合物存在，稱細(xì)胞色素氧化酶，其分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu，可將電子傳遞給氧，因此亦稱其為末端氧化酶。傳遞電子機(jī)理：

+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+－e－e

細(xì)胞色素c：它是電子傳遞鏈中一個(gè)獨(dú)立的蛋白質(zhì)電子載體，位于線粒體內(nèi)膜外表，屬于膜周蛋白，易溶于水。它與細(xì)胞色素c1含有相同的輔基，但是蛋白組成有所不同。在電子傳遞過(guò)程中，cyt.c通過(guò)Fe3+

Fe2+的互變起電子傳遞中間體作用。（3）復(fù)合體Ⅳ:細(xì)胞色素c氧化酶功能：將電子從細(xì)胞色素c傳遞給氧

復(fù)合體Ⅳ還原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB其中Cyta3和CuB形成的活性部位將電子交給O2。細(xì)胞色素c氧化酶簡(jiǎn)寫(xiě)為cyt.c氧化酶，即復(fù)合物IV，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復(fù)合物，由13個(gè)多肽亞基組成?；钚圆糠种饕╟yt.a和a3。cyt.a和a3組成一個(gè)復(fù)合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。cyt.aa3可以直接以O(shè)2為電子受體。在電子傳遞過(guò)程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+

Cu2+的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2使其活化，并與質(zhì)子結(jié)合生成水。（4）復(fù)合體Ⅱ:琥珀酸-泛醌還原酶功能:

將電子和H從琥珀酸傳遞給泛醌

復(fù)合體Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3琥珀酸-泛醌還原酶也是存在于線粒體內(nèi)膜上的蛋白復(fù)合物,它比NADH-泛醌還原酶的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由4個(gè)不同的多肽亞基組成。其活性部分含有輔基FAD和鐵硫蛋白。琥珀酸-泛醌還原酶的作用是催化琥珀酸的脫氫氧化和CoQ的還原。琥珀酸-泛醌還原酶4.NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈

FADH2

↓

FeS↓

NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2NADH呼吸鏈FADH2呼吸鏈NADH呼吸鏈H2O12O2O2-MH2還原型代謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+細(xì)胞色素b-c1-c-aa3FeS2H+M氧化型代謝底物FADH2呼吸鏈FADFADH2琥珀酸FeS2Fe2+2Fe3+細(xì)胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸5.

電子傳遞鏈中各中間體的順序NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等復(fù)合物II復(fù)合物IV復(fù)合物I復(fù)合物IIINADH脫氫酶輔酶Q-細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素c還原酶琥珀酸-輔酶Q還原酶E0=-0.32V0.360V+0.045V0.190V+0.235V0.580V+0.82V-0.030V呼吸鏈中電子傳遞時(shí)自由能的下降FADH22e-NADH第三節(jié)氧化磷酸化代謝底物在生物氧化過(guò)程中釋放出的自由能，主要用于使ADP與無(wú)機(jī)磷酸作用生成高能化合物ATP（即ADP+Pi→ATP），這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過(guò)程稱氧化磷酸化。ADP+Pi

ATP+H2O生物氧化過(guò)程中釋放出的自由能一、氧化磷酸化的概念和P/O比底物水平磷酸化是指在被氧化的底物上發(fā)生磷酸化作用。即底物被氧化的過(guò)程中，形成了某些高能磷酸化合物的中間產(chǎn)物，通過(guò)酶的作用可使ADP生成ATP。P/O比呼吸過(guò)程中無(wú)機(jī)磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過(guò)程中，每傳遞一對(duì)電子消耗一個(gè)氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的數(shù)值相當(dāng)于一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。NADHFADH2H2OH2O例實(shí)測(cè)得NADH呼吸鏈：P/O

~3ADP+PiATP實(shí)測(cè)得FADH2呼吸鏈：P/O~2O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP實(shí)驗(yàn)指明NADH呼吸鏈的P/O值是3，即每消耗一摩爾氧原子就可形成3摩爾ATP，F(xiàn)ADH2呼吸鏈的P/O值是2，即消耗一摩爾氧