生物化學(xué)：第十章 生物氧化

第十章生物氧化BiologicalOxidation主要學(xué)習(xí)內(nèi)容

兩種類型呼吸鏈

NAD電子傳遞鏈

FAD電子傳遞鏈底物水平磷酸化和氧化磷酸化第一節(jié)概述一、生物氧化的概念 能源物質(zhì)(糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物)在活細(xì)胞內(nèi)氧化分解，產(chǎn)生CO2和H2O，釋放化學(xué)能并轉(zhuǎn)化為生物能的生化過程稱為生物氧化（生物能學(xué)bioenergetics）。 高等動(dòng)物通過肺進(jìn)行呼吸，吸入氧氣、排出CO2。吸入的O2用以氧化攝入體內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)，獲得能量，所以生物氧化又稱呼吸作用(aerobicrespiration)。

由于微生物是以細(xì)胞直接進(jìn)行呼吸，故又稱為細(xì)胞呼吸或細(xì)胞氧化。 二、生物氧化的方式

生物氧化在有氧和無氧的條件下都能進(jìn)行，故生物氧化可分為兩類∶

有氧氧化∶利用O2分子來氧化底物，最終生成CO2和H2O。這種方式的氧化徹底，釋放的能量多。

無氧氧化∶是指以非分子氧氧化的方式。以氧化型物質(zhì)作為電子受體，這種氧化不完全、產(chǎn)能少。生物體內(nèi)氧化反應(yīng)有∶失電子氧化(如∶氫在呼吸鏈中的氧化)加氧氧化(如∶氨基酸氧化酶催化的氧化脫氨)脫氫氧化(如∶琥珀脫氫酶催化的反應(yīng))

在生物體中，脫氫氧化是能源物質(zhì)氧化的主要反應(yīng)形式。1、是在酶催化下進(jìn)行的，反應(yīng)條件溫和。2、底物的氧化是分階段進(jìn)行的。能量也是逐步釋放的。這樣不會(huì)因氧化過程中能量驟然釋放而損害機(jī)體，同時(shí)使釋放的能量得到有效的利用。3、生物氧化過程中釋放的能量通常先儲(chǔ)存在一些特殊的高能化合物中(如ATP)，通過這些物質(zhì)的轉(zhuǎn)移作用滿足機(jī)體吸能反應(yīng)的需要。4、生物氧化受細(xì)胞的精確調(diào)節(jié)控制。三、生物氧化的特點(diǎn)∶*生物氧化的一般過程第二節(jié)生物氧化體系生物氧化體系

生物氧化作用主要是通過脫氫反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。 一般包括脫氫、遞氫、受氫三個(gè)環(huán)節(jié)。在生物氧化過程中，底物脫下來的氫，大多數(shù)情況下不是直接交給受氫體，而是經(jīng)過一些遞氫體進(jìn)行傳遞，最終交給受氫體。

本章主要討論底物上的氫如何脫下，以及在有氧與無氧的情況下氫的去路。生物氧化體系有氧氧化不需傳遞體體系電子傳遞體系有機(jī)物無機(jī)物無氧氧化1、不需傳遞體體系∶

是最簡(jiǎn)單的生物氧化體系。從底物脫下來的氫不需傳遞，直接在酶作用下與分子氧結(jié)合。 這種酶可分為∶氧化酶類、需氧脫氫酶類一、有氧氧化體系∶(1)、氧化酶類∶

a、它是含Cu++或Fe++的金屬蛋白，不能從底物上脫氫，只能奪取底物上的電子對(duì)(2e)，用于激活分子氧(O2)，從而促進(jìn)氧與底物的化合。

b、氰化物、硫化氫對(duì)氧化酶有抑制作用。c、重要的氧化酶有∶細(xì)胞色素氧化酶(Fe++)

酚氧化酶(Cu++)

抗壞血酸氧化酶(Cu++)d、由氧化酶催化的反應(yīng)不能在無氧的條件下進(jìn)行，沒有任何其他受氫體可以代替氧。(2)、需氧脫氫酶∶

這類酶分子是以FMN或FAD為輔基。它催化底物分子脫氫，但與不需氧脫氫酶不同，這類酶需要用分子氧直接作為受氫體，反應(yīng)生成H2O2。

在無氧的情況下，甲烯藍(lán)或醌可代替氧作為氫受體，而使反應(yīng)進(jìn)行。 如∶葡萄糖氧化酶(以FAD為輔基)

氨基酸氧化酶(以FAD或FMN為輔基)不需傳遞體體系中兩種類型的比較∶①氧化酶不能從底物上脫氫，而需氧脫氫酶能脫氫；②最終電子受體為氧時(shí)，氧化酶氧化的最終產(chǎn)物是水，而需氧脫氫酶氧化的產(chǎn)物是H2O2③氧化酶只能以氧作為最終電子受體，而需氧脫氫酶在無氧的情況下，可以以甲烯藍(lán)或醌可代替氧作為最終電子受體。2、電子傳遞體系(electrontransportsystem)

它是生物體主要的生物氧化體系。不需氧脫氫酶脫下的氫主要通過此途徑進(jìn)行氧化。

1、以有機(jī)物為最終電子(氫)受體∶

如∶3-P-甘油醛NAD乙醇

1,3-2P-甘油酸NADH乙醛2、以無機(jī)物為最終電子(氫)受體∶

此體系常以NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等無機(jī)物為最終電子(氫)受體。如∶脫磺脫硫弧菌的無氧氧化。二、無氧氧化體系∶第三節(jié)呼吸鏈及氧化磷酸化定義呼吸鏈?zhǔn)怯晌挥诰€粒體內(nèi)膜中的一系列電子傳遞體，按標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位的順序，由低到高排列的一種能量轉(zhuǎn)換體系。代謝物脫下的成對(duì)氫原子（2H）通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈(respiratorychain)又稱電子傳遞鏈(electrontransferchain)。組成遞氫體和電子傳遞體（2H

2H++2e）一、呼吸鏈呼吸鏈的功能∶

接受還原型輔酶上的氫原子對(duì)使輔酶分子還原，并將電子對(duì)順序傳遞，直至激活分子氧，使氧負(fù)離子(O2-)與質(zhì)子對(duì)(2H+)結(jié)合，生成水。 電子對(duì)在氧化過程中逐步氧化放能，所釋放的能量驅(qū)動(dòng)ADP和無機(jī)磷發(fā)生磷酸化反應(yīng)，生成ATP。典型的電子傳遞鏈有兩種類型∶ ①NAD傳遞鏈

②FAD傳遞鏈

復(fù)合物Ⅰ：NADH-輔酶Q還原酶（FMN、Fe-S)(NADHdehydrogenasecomplex)復(fù)合物Ⅲ：輔酶Q-細(xì)胞色素C還原酶(鐵卟啉、Fe-S）(CoQ-

Cytochrome

reductase)復(fù)合物Ⅳ：細(xì)胞色素C氧化酶(鐵卟啉，Cu）(Cytochrome

oxidase)輔酶Q-細(xì)胞色素C還原酶v復(fù)合物Ⅱ：琥珀酸鹽-輔酶Q還原酶（FAD、Fe-S)FAD呼吸鏈NAD呼吸鏈呼吸鏈的組成人線粒體呼吸鏈復(fù)合體呼吸鏈的組成及復(fù)合體的排列順序復(fù)合物Ⅰ：NADH-輔酶Q還原酶（FMN、Fe-S)與鐵硫蛋白結(jié)合成復(fù)合物的黃素蛋白鐵硫蛋白(Iron-sulfurprotein,

Fe-S)又叫鐵硫中心或鐵硫簇。含有等量鐵原子和硫原子。鐵除與硫連接外，還與肽鏈中Cys殘基的巰基連接。鐵原子可進(jìn)行Fe2+

Fe3++e反應(yīng)傳遞電子，為單電子傳遞體。幾種不同的類型：只含有一個(gè)鐵原子；含有兩個(gè)鐵原子(2Fe-2S);含有4個(gè)鐵原子(4Fe-4S)。功能——?dú)鋫鬟f體CoQ+2HCoQH2輔酶Q(CoQ)－泛醌化學(xué)本質(zhì)——脂溶性醌類化合物（又稱泛醌）

在呼吸鏈中是一種和蛋白結(jié)合不緊密的輔酶，游動(dòng)性大，作為一種特殊靈活的電子載體。NADH+H+

NAD+FMNFMNH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2

復(fù)合體Ⅰ（NADH-輔酶Q還原酶）復(fù)合物Ⅱ：

琥珀酸-輔酶Q還原酶（FAD、Fe-S)復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸-輔酶Q還原酶）琥珀酸延胡索酸

FADFADH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2復(fù)合物Ⅲ：

輔酶Q-細(xì)胞色素C還原酶

(鐵卟啉、Fe-S）細(xì)胞色素類（Cytochrome,Cyt）是一類以鐵卟啉為輔基的電子傳遞蛋白。呼吸鏈中主要有a、b、c、三類。差別在于鐵卟啉的側(cè)鏈以及鐵卟啉與蛋白部分連接的方式不同。分子中的鐵通過氧化還原而傳遞電子，為單電子傳遞體。復(fù)合體Ⅲ(輔酶Q-細(xì)胞色素C還原酶)復(fù)合物Ⅳ：

細(xì)胞色素C氧化酶(鐵卟啉，Cu）復(fù)合體Ⅳ(細(xì)胞色素C氧化酶)復(fù)合物Ⅰ：NADH-輔酶Q還原酶（FMN、Fe-S)復(fù)合物Ⅲ：輔酶Q-細(xì)胞色素C還原酶v(鐵卟啉、Fe-S）復(fù)合物Ⅱ：琥珀酸鹽-輔酶Q還原酶（FAD、Fe-S)復(fù)合物Ⅳ：細(xì)胞色素C氧化酶(鐵卟啉，Cu）NADH鏈FADH2鏈134QC2為什么是這樣一個(gè)順序呢？Q3C4二、高能鍵及高能化合物∶

在生物體中有些化合物的個(gè)別化學(xué)鍵的自由能很高，因此，其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、性質(zhì)活潑，自發(fā)水解和基團(tuán)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)很強(qiáng)，當(dāng)它們發(fā)生水解或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)時(shí)，釋放或轉(zhuǎn)移的自由能很多，這種含自由能很高的化學(xué)鍵，稱為高能鍵。用符號(hào)

“～”表示。高能磷酸化合物磷酸化合物在生物體的換能過程中占有重要地位。機(jī)體內(nèi)有許多磷酸化合物，當(dāng)其磷酰基水解時(shí)，釋放出大量的自由能。這類化合物為高能磷酸化合物。一般將水解時(shí)能釋放出5.0Kcal(20.92kJ)以上自由能的鍵視為“高能鍵”。生物化學(xué)中所用的“高能鍵”的含義和化學(xué)中使用的“鍵能”(energybond)含義是完全不同的。化學(xué)中“鍵能”是指斷裂一個(gè)化學(xué)鍵所需要提供的能量;而生物化學(xué)中所說的“高能鍵”是指該鍵水解時(shí)所釋放出的大量自由能。ATP是細(xì)胞中最重要的高能化合物.它是產(chǎn)能和需能反應(yīng)之間最主要的能量介質(zhì)；(2)作為磷酸基團(tuán)的供體參與磷酸化反應(yīng)。磷酸化是生物物質(zhì)的一種普遍的活化方式。(3)ATP參與高能磷酸基團(tuán)的轉(zhuǎn)移反應(yīng)。細(xì)胞中的超高能化合物(1,3-2P-甘油酸)與ATP之間可發(fā)生高能磷酸基團(tuán)的轉(zhuǎn)移反應(yīng)。底物水平磷酸化和氧化磷酸化 在生物氧化過程中，氧化放能反應(yīng)常常有吸能的磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)發(fā)生。偶聯(lián)反應(yīng)將氧化釋放的一部分自由能用于無機(jī)磷參加的高能磷酸鍵生成反應(yīng)這種氧化放能反應(yīng)與磷酸化吸能反應(yīng)的偶聯(lián)可在兩種水平上發(fā)生體內(nèi)ATP生成的方式：

氧化磷酸化

(oxidativephosphorylation)是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化。

底物水平磷酸化(substratelevelphos-phorylation)

是底物分子內(nèi)部能量重新分布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成ATP的過程。反應(yīng)底物被脫氫氧化時(shí)，分子內(nèi)能量重新分布，集中較高的自由能，利用無機(jī)磷合成高能磷酸鍵。然后又將高能磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移ADP合成ATP。這種底物分子氧化反應(yīng)與磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)生成ATP的反應(yīng)稱為底物水平磷酸化底物水平磷酸化在有氧和無氧條件下都能進(jìn)行。其特殊意義在于它是無氧條件下兼性生物細(xì)胞或厭氧微生物從有機(jī)物取得生物所需能量的主要來源。1、底物水平磷酸化：(6).3-磷酸甘油醛氧化為1,3-二磷酸甘油酸醛基氧化成羧基，并加入一分子磷酸，形成混合酸酐。脫下的氫由NAD+接受。(7).1,3-二磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變成3-磷酸甘油酸此步為底物水平磷酸化反應(yīng)可逆(9).2-磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)反應(yīng)引起分子內(nèi)能量重新分布，形成高能磷酸鍵。(10).PEP轉(zhuǎn)變成丙酮酸（pyruvate)第二個(gè)底物水平磷酸化，反應(yīng)不可逆。烯醇式立即自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)橥健?5)(6)

－酮戊二酸氧化脫羧，生成含4C的琥珀酸琥珀酸硫激酶酮戊二酸脫氫酶系

不需氧脫氫酶脫下的氫原子對(duì)，在有氧條件下，通過電子傳遞鏈的氧化過程中，逐步釋放自由能，驅(qū)動(dòng)磷酸化偶聯(lián)反應(yīng)，利用ADP和無機(jī)磷合成ATP。這種在呼吸鏈電子傳遞(氧化)過程中偶聯(lián)的磷酸化反應(yīng)，稱為氧化磷酸化。2、氧化磷酸化∶氧化磷酸化

(oxidativephosphorylation)氧化磷酸化是需氧細(xì)胞生命活動(dòng)的主要能量來源，是生物產(chǎn)生ATP的主要途徑。氧化磷酸化作用指的是與生物氧化作用相伴而生的磷酸化作用;是將生物氧化過程中釋放的自由能，用以使ADP和無機(jī)磷酸生成高能ATP的作用。真核生物的電子傳遞和氧化磷酸化都是在細(xì)胞的線粒體內(nèi)膜發(fā)生的作用。原核生物則是在漿膜發(fā)生的。

氧化磷酸化是有氧呼吸合成ATP的主要方式，是生命活動(dòng)所需能量的主要來源。

在氧化磷酸化過程中氧的消耗和ATP生成的個(gè)數(shù)之間有一定的關(guān)系，這種關(guān)系可用P/O比值(磷氧比值)來表示。 該比值可用瓦勃氏呼吸儀來測(cè)定。

對(duì)FADH2P/O比值是1.5； 對(duì)NADH2P/O比值是2.5。氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制化學(xué)滲透假說(chemiosmotichypothesis)

電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將質(zhì)子（H+）從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲(chǔ)存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ADP與Pi生成ATP。

復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ均有質(zhì)子泵作用4H+4H+4H+4H+2H+2H+內(nèi)膜表面基質(zhì)NADH＋H＋NAD＋琥珀酸延胡索酸?O2＋2H+H2OATP4-F0F1胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋