生物化學(xué)：生物氧化

第二十四章生物氧化維持生命活動的能量來源光能（太陽能）：植物和某些藻類，通過光合作用將光能轉(zhuǎn)變成生物能?；瘜W(xué)能：動物和多數(shù)微生物，通過生物氧化作用將有機(jī)物質(zhì)存儲的化學(xué)能釋放出來，并轉(zhuǎn)變成生物能（ATP傳遞）。ATP生成形式光和磷酸化非氧化磷酸化氧化磷酸化（呼吸鏈氧化磷酸化底物氧化磷酸化）生物氧化（biologicaloxidation）有機(jī)物質(zhì)在生物體內(nèi)的氧化作用在組織細(xì)胞中進(jìn)行通常需要消耗氧，生成CO2呼吸作用有機(jī)物質(zhì)最終被氧化成CO2和水釋放出能量脂肪葡萄糖、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，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位

生物體內(nèi)能量產(chǎn)生的三個階段生物氧化的特點(diǎn)1、酶促氧化過程、反應(yīng)條件溫和2、氧化與還原相偶聯(lián)3、質(zhì)子和電子由載體傳遞到氧生成水4、分步進(jìn)行：有利于提高能量利用率5、氧化磷酸化源于有機(jī)酸的脫羧作用（α、β-脫羧）α單純脫羧：有機(jī)酸不經(jīng)氧化作用α氨基酸

胺+CO2

脫羧酶

生物氧化中CO2的生成方式氧化脫羧基作用：同時發(fā)生氧化/脫氫作用丙酮酸CO2+NADH+H+氧化脫羧酶系α氧化脫羧β-單純脫羧β-氧化脫羧③異檸檬酸氧化形成α酮戊二酸OxidationofIsocitratetoα-KetoglutarateandCO2

2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)烯醇化酶

生物氧化中水的生成方式

底物脫水

（1）代謝脫下的成對氫原子（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，在此過程中有ATP的產(chǎn)生（狹義的生物氧化）；（2）酶和輔酶按一定順序排列在線粒體內(nèi)膜；傳遞氫的酶和輔酶——遞氫體傳遞電子的酶和輔酶——遞電子體（3）此過程與細(xì)胞呼吸有關(guān)，此傳遞鏈稱為呼吸鏈。遞氫體、遞電子體都起傳遞電子的作用，又稱電子傳遞體。由呼吸鏈生成水氧化反應(yīng)類型

脫氫生物氧化中，脫氫反應(yīng)占有重要地位它是許多有機(jī)物質(zhì)生物氧化的重要步驟催化脫氫反應(yīng)的是各種類型的脫氫酶。琥珀酸脫氫乳酸脫氫酶

加水脫氫酶催化醛氧化成酸的反應(yīng)即屬于這一類。加水脫氫方式為代謝物提供了更多的脫氫機(jī)會，使生物獲取更多的能量。

C6H12O6脫6次每2個氫原子氧化成水生成2.5分子ATP

糖代謝生成30/32個ATP包括：加氧酶催化的加氧反應(yīng)氧化酶催化的生成水的反應(yīng)加氧酶催化氧分子直接加入到有機(jī)分子中如：甲烷單加氧酶

CH4+NADH+H++O2

CH3-OH+NAD++H2O氧化酶主要催化以氧分子為電子受體的氧化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為水脫氫反應(yīng)中產(chǎn)生的氫質(zhì)子和電子，最后以這種形式進(jìn)行氧化。

氧直接參加的氧化反應(yīng)只有電子得失的反應(yīng)，也是氧化還原反應(yīng)1、脫氫酶使代謝物的氫活化、脫落，傳遞給受氫體或中間傳遞體顯著特點(diǎn)：體外實驗中以甲烯藍(lán)為受氫體氧化型甲烯藍(lán)：蘭色還原型甲烯藍(lán)：無色

參與生物氧化的酶類根據(jù)脫氫酶所含輔助因子的不同分為：（1）以黃素核苷酸為輔助因子的～（又稱為黃素酶）根據(jù)受氫體不同又分為①需氧黃酶：以氧為直接受氫體生成H2O2②不需氧黃酶：氫先傳遞給中間傳遞體，最后才給分子氧生成H2O氧化態(tài)FAM/FAD：黃色，450nm處吸收峰還原態(tài)FAMH2/FADH2：無色代謝物-2HFMNH2O2FAD代謝物FMNH2O2FADH22H2H①需氧黃酶：代謝物-2HFMN傳遞體-2H1/2O2

FAD代謝物FMNH2傳遞體H2O

FADH22H2H2H②不需氧黃酶（2）以煙酰胺核苷酸為輔助因子的～

NAD（CoⅠ）、NADP（CoⅡ）煙酰胺腺嘌呤二核苷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸代謝物-2HNAD+

傳遞體-2H1/2O2

NADP+代謝物NADH+H+傳遞體H2O

NADPH+H+2H2H2H2、氧化酶：以氧為直接受氫體，一般含Cu3、加氧酶：催化加氧反應(yīng)4、傳遞體：傳遞H或電子遞氫體、遞電子體

不能使底物脫氫，也不能使氧活化。狹義的生物氧化過程是一系列的氧化還原反應(yīng)，且是放能的氧化還原反應(yīng)。一、氧化—還原電勢鋅片溶解Zn2+進(jìn)入溶液銅沉積Cu2+得電子e提供電子（還原劑）負(fù)極得到電子（氧化劑）正極ε0=E0正極—E0負(fù)極

電動勢=正負(fù)極電極勢之差標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電極勢為025℃、一大氣壓氫壓力、H+活度為1M、pH=0標(biāo)準(zhǔn)電動勢ε0：反應(yīng)中各種物質(zhì)的活度均為1質(zhì)量摩爾濃度時的電動勢。ε0’標(biāo)準(zhǔn)電極勢E0：電解質(zhì)溶液活度為1

質(zhì)量摩爾濃度時的電極勢。

每個電極都有自己的標(biāo)準(zhǔn)電極勢，有的為正，有的為負(fù)。鋅電極為---0.76銅電極為+0.34氧化還原反應(yīng)中，失去電子的物質(zhì)稱為還原劑，得到電子的物質(zhì)稱為氧化劑。還原劑失去電子的傾向（或氧化劑得到電子的傾向）的大小，則稱為氧化還原電勢。將任何一對氧化還原物質(zhì)的氧化還原對連在一起，都有氧化還原電位的產(chǎn)生。如果將氧化還原物質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成原電池，即可測出氧化還原電勢。標(biāo)準(zhǔn)氧還原電勢用E°表示。E°值愈大，獲得電子的傾向愈大；E°愈小，失去電子的傾向愈大化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和

氧化-還原電勢的關(guān)系

氧化-還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下：

ΔG°′=－nFΔE°′ΔE°′=E0正極—E0負(fù)極

NADH+H++1/2O2====NAD++H2O

正極反應(yīng)：1/2O2+2H++2e

H2O

E+°′

0.82負(fù)極反應(yīng)：NAD++H++2e

NADH

E-°′

-0.3ΔG°′

-nFΔE°′

-2×96485×[0.82-(-0.32)]

-220KJ·mol-1

線粒體二、電子傳遞和氧化呼吸鏈（一）電子傳遞過程按照電子的親和力遞增的順序傳遞電子的傳遞僅發(fā)生在相鄰傳遞體之間E0’決定電子流動方向（二）呼吸鏈由供氫體、傳遞體、受氫體以及相應(yīng)的酶催化系統(tǒng)組成的代謝途徑一般稱為生物氧化還原鏈，當(dāng)受氫體是氧時，稱為呼吸鏈。（三）電子傳遞鏈（四）電子傳遞鏈的組成成分

1、NADH-Q還原酶（NADH脫氫酶、復(fù)合體Ⅰ）電子傳遞：NADHFMNFe-SCoQ鐵硫蛋白（Fe-S）

（非血紅素蛋白）與電子傳遞有關(guān)與其他遞氫體或電子傳遞體結(jié)合成復(fù)合物存在鐵硫蛋白通過Fe3+

Fe2+

變化起傳遞電子的作用Differenttypesofiron-sulfurcentersIronatomscyclebetween

Fe2+(reduced)andFe3+(oxidized).（四）電子傳遞鏈的組成成分2、輔酶Q

（CoQ、Q、泛醌）不同種類CoQ側(cè)鏈異戊二烯基數(shù)目不同脂溶性輔酶、可在脂雙層中擴(kuò)散與蛋白質(zhì)結(jié)合不緊密靈活的電子載體輔酶-Q的功能還原成QH2氧化成Q電子和質(zhì)子的傳遞體CoQ和電子傳遞體的碰撞是電子傳遞的前提和條件Moviecomplex1（四）電子傳遞鏈的組成成分3、琥珀酸—Q還原酶（復(fù)合體Ⅱ）嵌在線粒體內(nèi)膜（包括琥珀酸脫氫酶）電子傳遞：FADH2Fe-SCoQUbiquinone(Q)acceptselectronsfrombothNADHandFADH2intherespiratorychainMoviecomplex2（四）電子傳遞鏈的組成成分4、細(xì)胞色素還原酶（復(fù)合體Ⅲ）

cytochrome,Cyt

是含鐵的Pr

以血紅素為輔基電子傳遞蛋白還原型Cyt有光譜吸收現(xiàn)象通過Fe3+

Fe2+

互變起傳遞電子的作用電子傳遞：CoQCytcCyta：輔基是血紅素ACytb：------------------BCytc：------------------C——卟啉的側(cè)鏈基團(tuán)不同Cyt的鐵卟啉一般以非共價鍵與酶蛋白結(jié)合Cytc例外，以硫醚鍵共價結(jié)合ReducedcytochromeshasthreeabsorptionbandsinthevisiblewavelengthsCyta:~600nmCytb:~560nmCytc:~550nm細(xì)胞色素還原酶（CoQ-細(xì)胞色素c還原酶）

Cytb562/bHCytb566/bLCytc1Cytb硫醚鍵c型Cytb型Cyt為乙烯基所處多肽環(huán)境不同Cytochromebc1complex(complexIII)（四）電子傳遞鏈的組成成分5、細(xì)胞色素c（cytc）單一多肽鏈易溶于水與Cytc1含相同輔基，但蛋白組成不同無血紅素Cytc（細(xì)胞溶膠）內(nèi)外膜間隙（Cytc合成酶）

成熟Cytc（構(gòu)象變化）

線粒體外膜通道×Cytc功能：傳遞電子復(fù)合體Ⅲ復(fù)合體ⅣQ循環(huán)Moviecomplex3（四）電子傳遞鏈的組成成分6、細(xì)胞色素氧化酶（Cytc氧化酶、復(fù)合體Ⅳ）位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復(fù)合物活性部分主要包括cyta和a3Cytaa3復(fù)合體(細(xì)胞色素c氧化酶)除含2個鐵卟啉，還含2個銅原子(Cu+

Cu2+)Thethreecriticalsubunitsofcytochromeoxidase

Cua-CuA聚族a3-CuB聚族Moviecomplex4Movieaswhole（五）電子傳遞抑制劑——阻斷呼吸鏈中某部位電子傳遞的物質(zhì)；氧化作用受阻、能量釋放減少魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素阻斷電子由NADH向CoQ的傳遞；抗霉素A抑制電子從Cytb到Cytc1的傳遞；氰化物、疊氮化物、CO等阻斷電子由Cytaa3傳遞到氧OxidizedReducedReducedOxidizedReducedElectroncarriersmayhaveanorderofincreasingE`0從NADH到分子氧每一電子傳遞體得電子的傾向逐漸增大kineticsofoxidation.三、氧化磷酸化作用代謝物的氧化（脫氫）作用與ADP的磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)生成ATP的過程。部位：線粒體內(nèi)膜（真核）胞漿膜（原核細(xì)胞）數(shù)目、形狀因細(xì)胞而異

底物磷酸化沒有氧的參與分子內(nèi)部所含能量重新分配，生成高能磷酸鍵也稱代謝物水平磷酸化（一）線粒體膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)兩層膜結(jié)構(gòu)：外膜和內(nèi)膜

外膜平滑、有彈性

內(nèi)膜有許多向內(nèi)折疊的突起（嵴）

外膜脂質(zhì)多、密度小

內(nèi)膜Pr含量高、密度稍大

對代謝物的通透性不同、酶的分布不同（二）氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制1、ATP的合成部位NADH氧化過程中有三個反應(yīng)

G

’

值大于30.5kJ/molNADHFMNcytb

cytc1cytaa3

O2-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/mol復(fù)合物ⅣCytc氧化酶復(fù)合物Ⅲ泛醌

Cytc還原酶復(fù)合物ⅠNADH脫氫酶NADH+H++?O2H2O+NAD+ΔG°'=-220kJ/mol電子通過線粒體呼吸鏈傳遞到O2的過程中，釋放出大量能量；這種電子傳遞過程的釋能反應(yīng)與ADP和磷酸合成ATP的需能反應(yīng)相偶聯(lián)，是ATP形成的基本機(jī)制。從NADH

O2產(chǎn)生3個ATP從FADH2

O2產(chǎn)生2個ATPP/O比值—消耗1摩爾氧有多少無機(jī)磷轉(zhuǎn)化為有機(jī)磷—一對電子經(jīng)呼吸鏈傳至氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)

反映氧化磷酸化的效率三、氧化磷酸化作用的機(jī)理1、有關(guān)氧化磷酸化機(jī)理的幾種假說化學(xué)偶聯(lián)假說構(gòu)象偶聯(lián)假說化學(xué)滲透假說（1）化學(xué)偶聯(lián)假說（1953年）（掌握要點(diǎn)）

chemicalcouplinghypothesis

認(rèn)為電子傳遞反應(yīng)釋放的能量通過一系列連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)形成高能共價中間物，最后將其能量轉(zhuǎn)移到ADP中形成ATP。

AH2+B+I-OHAI+BH2+OH-AI+X-H+OH-

X

I+A+H2O

XI+P-OHXP+I-OH

XP+ADPATP+X-HAH2+B+ADP+P-OHA+BH2+ATP+H2O

（2）構(gòu)象偶聯(lián)假說（1964）

conformationalcouplinghypothesis

認(rèn)為電子沿電子傳遞鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜的蛋白質(zhì)組分發(fā)生了構(gòu)象變化，形成一種高能構(gòu)象，這種高能形式通過ATP的合成而恢復(fù)其原來的構(gòu)象。迄今未能分離出這種高能蛋白質(zhì)。但在電子傳遞過程中蛋白質(zhì)組分的構(gòu)象變化還是存在的。

2、化學(xué)滲透假說：a.線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€質(zhì)子泵b.電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時釋放出來的能量，用于驅(qū)動膜內(nèi)側(cè)的H+遷移到膜外側(cè)（內(nèi)膜對H+是不通透的），在膜內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度和電位梯度c.

在膜內(nèi)外勢能差的驅(qū)動下，膜外高能質(zhì)子沿著一個特殊通道（ATP合酶組成部分），跨膜回到膜內(nèi)側(cè)。質(zhì)子跨膜過程中釋放的能量，直接驅(qū)動ADP和磷酸合成ATP超聲波處理嵴重新封閉形成亞線粒體泡內(nèi)膜外翻尿素胰蛋白酶保留電子傳遞功能喪失合成ATP功能氧化磷酸化恢復(fù)①線粒體內(nèi)膜組份完整②電子傳遞伴隨質(zhì)子泵出③質(zhì)子梯度破壞引起氧化磷酸化解偶聯(lián)④TheartificiallyimposedprotongradientalonewasfoundtodriveATPsynthesis!支持化學(xué)滲透假說的實驗證據(jù)：氧化磷酸化作用的進(jìn)行需要封閉的線粒體內(nèi)膜存在。線粒體內(nèi)膜對H+OH-K+Cl-都是不通透的。破壞H+

濃度梯度的形成（用解偶聯(lián)劑或離子載體抑制劑）必然破壞氧化磷酸化作用的進(jìn)行。線粒體的電子傳遞所形成的電子流能夠?qū)+

從線粒體內(nèi)膜逐出到線粒體膜間隙。大量直接或間接的實驗證明膜表面能夠滯留大量質(zhì)子，并且在一定條件下質(zhì)子能夠沿膜表面迅速轉(zhuǎn)移。迄今未能在電子傳遞過程中分離出一個與ATP形成有關(guān)的高能中間化合物，亦未能分離出電子傳遞體的高能存在形式。

H+如何通過電子傳遞鏈“泵”出的？（三）質(zhì)子梯度的形成（耗能過程）（四）ATP合成機(jī)制——ATP酶復(fù)合體線粒體內(nèi)膜表面有一層規(guī)則地間隔排列著的球狀顆粒，稱為ATP酶復(fù)合體/ATP合酶，是ATP合成的場所。結(jié)構(gòu)：頭部：ATP合酶（F1）柄部：棒狀Pr，對寡霉素敏感（OSCP）基底部：疏水Pr，與內(nèi)膜連接（FO）頭部含5種不同的亞基（3

、3

、1

、1

、1

）OSCP是能量轉(zhuǎn)換通道F0與線粒體電子傳遞系統(tǒng)連接（質(zhì)子通道）MovieATPsyntheseThe18Oexperiment:The

G`0forATPsynthesisonpurifiedF1

isclosetozero!

(PaulBoyer)無質(zhì)子梯度質(zhì)子梯度的作用：不是形成ATP；而是使ATP從酶分子釋放結(jié)合變化機(jī)制（binding-changemechanism）O：開放形式，對底物親和力極低L：與底物結(jié)合松弛，無催化能力T：與底物結(jié)合緊密，有催化活性Rod-shapedgsubunit.ADPEmptyEachbsununitofATPsynthasecanassumethreedifferentconformations!Rotationoftheg

subunitandtheringofcsubunitsintheFoF1complexwasobserve