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第五章生物氧化BiologicalOxidation糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能一、生物氧化的概念第一节生物氧化概述（一）广义和狭义的生物氧化概念广义：有机物（糖、脂肪、蛋白质等）在体内氧化分解生成CO2和H2O，并逐步释放能量，产生ATP的过程。包括有机物的氧化过程、呼吸链的电子传递和ATP的合成。狭义：呼吸链的电子传递和ATP的合成。（二）生物氧化的特点1.在温和的条件下进行。在pH近中性及体温条件下水溶液内进行。2.是逐步进行的酶促反应3.能量是逐步释放的4.产生的能量贮存于特殊的化合物中。生物氧化与体外燃烧的比较生物氧化体外燃烧反应条件温和剧烈(体温、pH近中性)(高温、高压)反应过程逐步进行的酶促反应一步完成能量释放逐步进行瞬间释放（化学能、热能）（热能）CO2生成方式有机酸脱羧碳和氧结合H2O需要不需要(三)生物氧化中物质的氧化方式（3）加氧（2）脱氢(最主要)（1）失电子RH+O2ROH12COOHC=O+2HCH3（2H++2e）COOHHO－CHCH3Fe2+Fe3++e（四）生物氧化中二氧化碳的生成生物氧化中二氧化碳的生成是由于糖、蛋白质、脂肪等有机物转变成含羧基的化合物进行脱羧反应。1、α-脱羧和β-脱羧；2、直接脱羧和氧化脱羧：氧化脱羧是指脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）。CO2COOHC=OCH3丙酮酸脱氢酶系NADH+H+NAD+CoACH3C～SCoAO异柠檬酸脱氢酶NAD+NADH+H++CO2*丙酮酸脱羧酶CO2COOHC=OCH3CHOCH3（五）生物氧化中水的生成生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合而成的。多数情况下脱氢酶和氧化酶之间需要一些电子传递体才能将质子和电子交给氧生成水。二、生物氧化中有关的酶类（一）电子转移酶只催化电子的得失，实际也是电子传递体。主要有铁硫蛋白和细胞色素类。（二）氧化酶类组成：结合酶酶蛋白辅基：含Fe、Cu举例：细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶等特点：催化底物脱氢后，以O2为直接受氢体，生成H2O。RH22Cu2+O2－H2OR2Cu+O2122H+2e2e（三）需氧脱氢酶特点：催化底物脱氢后，以O2为直接受氢体，生成H2O2。组成：结合酶酶蛋白辅基：FMN、FADRH2FMN/FADH2O2RFMNH2/FADH2O22H2H举例：黄嘌呤氧化酶（四）脱氢酶特点：催化底物脱氢后，以CoQ、NAD＋、NADP＋、FAD或FMN等为直接受氢体。组成：结合酶酶蛋白辅基：NAD＋、NADP＋、FAD等RH2NAD＋RNADH＋H＋2H举例：苹果酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶等（五）加氧酶（1）单加氧酶（混合功能氧化酶、羟化酶）RH+NADPH+H++O2单加氧酶ROH+NADP++H2O（2）双加氧酶O2色氨酸加双氧酶COOHCHCH2NH2NH色氨酸OOHCCOOHCHCH2NH2CNH甲酰犬尿氨酸（六）其它酶类（1）过氧化氢酶（2）过氧化物酶RH2+H2O2R+2H2O过氧化物酶H2O2+H2O22H2O+O2过氧化氢酶（3）超氧物歧化酶（SOD）2O2·+2HH2O2+O2SOD+三、高能化合物(一)高能化合物的概念一般将水解时能够释放20.92kJ/mol（5Kcal/mol)以上自由能的化合物称为高能化合物。在高能化合物分子中，释放出大量自由能时水解断裂的活泼共价键称为高能键。按其分子结构特点及所含高能键的特征分：•磷氧键型•磷氮键型•硫碳键型（硫酯键型、甲硫键型）（二）高能化合物的类型（1）磷氧键型（－O-P)COCHOCH2OHOPOO-O-POO-O-(A)酰基磷酸化合物1,3-二磷酸甘油酸CH3COOPOO-O-乙酰磷酸(A)酰基磷酸化合物H3N+COOPOO-O-氨甲酰磷酸RCOOPOOO-A酰基腺苷酸RCHCOOPOOO-AN+H3氨酰基腺苷酸（B）焦磷酸化合物O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）O-POO-OPOO-O-焦磷酸（C）烯醇式磷酸化合物OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）磷氧键型：酰基磷酸化合物、焦磷酸化合物、烯醇式磷酸化合物（2）氮磷键型（如胍基磷酸化合物）OPOONHCNHNCH3CH2COOHOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2磷酸肌酸磷酸精氨酸这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。H（3）硫碳键型RCOSCoA酰基辅酶AA、硫酯键型B、甲硫键型COO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸（三）最重要的高能化合物—ATP（1）ATP的分子结构特点与水解自由能的关系①ATP是生物体通用的能量货币。②ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。ATP在传递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和转运者，但不是能量的贮存者。（2）ATP在能量转化中的作用磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物质向势能低的物质转移。磷酸基团转移势能在数值上等于其水解反应的ΔG0’。磷酸基团转移势能（kcal/mol)246810121416ATPPEP1，3-二P甘油酸6-P葡萄糖3-P甘油ATP是磷酸基团转移反应的中间载体第二节电子传递链一、电子传递链的概念和存在部位概念:在生物氧化过程中，代谢物上脱下的氢经过一系列的按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传递，最终与氧结合生成水。这些氢和电子的传递体系称为电子传递链.由于此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链。2H2H++2e部位:真核线粒体的内膜上，原核生物在细胞膜上。二、电子传递链的组分（一）黄素蛋白类脱氢酶（二）铁硫蛋白类（三）辅酶Q（四）细胞色素类黄素单核苷酸的结构OOCH3CH3CH2OPO3H2OHHOHHOHHHOHNNNHNOOCH3CH3RNNNHN黄素蛋白类黄素腺嘌呤二核苷酸的结构NH2OOCH2CHHHOHHOHPOOOHPOOOHNNNNOOCH3CH3CH2OHHOHHOHHHOHNNNHNOOCH3CH3RNNNHN黄素核苷酸的作用原理OOCH3CH3RNNNHN核黄素(黄色)-2H+2HHNNOOCH3CH3NHNHH还原型核黄素(无色)FAD/FMNFADH2/FMNH2+2H-2H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Fe2+Fe3+-e+e铁硫蛋白的作用原理FMN（Fe-S）FAD(Fe-S)b辅酶Q的结构及作用原理OCH3CH3H3COH3COO（CH2CH=CCH2）nHOOH3COH3COCH3RH3COH3COOHOHCH3R+2H-2H泛醌细胞色素体系（Cyt）（1）Cyt的本质细胞色素=酶蛋白+血红素（2）Cyt的分类30多种a类：a、a1、a2、a3…b类：b、b1～7、P450…c类：c、c1、c2、c3…血红素Ab型血红素c型血红素b型血红素线粒体（a、a3、b、c、c1）微粒体（b5、P450）（3）Cyt的存在部位Cytaa3（细胞色素氧化酶）：呼吸链中唯一直接将e传递给O2（4）Cyt在呼吸链中的作用2Cyt-Fe3++2e2Cyt-Fe2+2Cytaa3-Fe2++1/2O22Cytaa3-Fe3++O2-总结：呼吸链各组分的作用名称本质在呼吸链中作用尼克酰胺核苷酸NAD+、NADP+不需氧脱氢酶的辅酶NAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2HFAD/FMNFADH2/FMNH2+2H-2H黄素蛋白结合酶FMN、FAD铁硫蛋白结合酶Fe、SFe2+Fe3+-e+e总结：呼吸链各组分的作用名称本质在呼吸链中作用CoQCoQH2+2H-2H辅酶Q(CoQ)脂溶性醌类化合物Fe2+Fe3+-e+e结合酶铁卟啉细胞色素(Cyt)三、呼吸链上电子传递体的排列（一）电子传递链在膜上的存在状态除了CoQ和细胞色素C外，电子传递链上的电子传递体组成了四个复合体。复合体酶名称辅基复合体ⅠNADH-泛醌还原酶FMN,Fe-S复合体Ⅲ泛醌-细胞色素C还原酶铁卟啉,Fe-S复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶FAD,Fe-S复合体Ⅳ细胞色素C氧化酶铁卟啉,CuⅢⅠⅡⅣ胞液侧基质侧线粒体内膜呼吸链各复合体位置示意图1、复合体ⅠNADH-泛醌还原酶复合体Ⅰ将电子从还原型烟酰胺（尼克酰胺）腺嘌呤二核苷酸（NADH）传递给泛醌复合体Ⅰ含有以黄素单核苷酸为辅基的黄素蛋白和以铁硫簇（Fe-S)为辅基的铁硫蛋白。复合体Ⅰ的功能NADH+H+NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH22、复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递给泛醌复合体Ⅱ含有以黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）为辅基的黄素蛋白、铁硫蛋白和细胞色素（Cyt)b5603、复合体Ⅲ泛醌-细胞色素C还原酶复合体Ⅲ将电子从泛醌传递给细胞色素C复合体Ⅲ含有2种细胞色素b（Cytb562,Cytb566）、细胞色素C1和铁硫蛋白4、复合体Ⅳ细胞色素C氧化酶复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧复合体Ⅳ中含有Cyta和Cyta3RH2O2还原态氧化态（二）呼吸链成分的排列顺序1、研究方法（3）利用呼吸链抑制剂（2）呼吸链复合物重组（1）测各组分氧化还原电位（E0′）递增（4）利用光谱变化确定各组分的氧还状态呼吸链中各氧还对的Eo’氧化还原对(V)NAD+/NADH+H+-0.32FMN/FMNH2-0.30FAD/FADH2-0.06Q/QH20.04(或0.10)Cytb(Fe3+)/(Fe2+)0.07Cytc1(Fe3+)/(Fe2+)0.22Cytc(Fe3+)/(Fe2+)0.25Cyta(Fe3+)/(Fe2+)0.29Cyta3(Fe3+)/(Fe2+)0.551/2O2/H2O0.82________________________________________________________________________________________________________________________Eo’NADHFMN（Fe-S）CoQCytb、c1CytcCytaa3O2（Fe-S）（Cu2+）FAD（Fe-S）琥珀酸ⅠⅡⅢⅣ呼吸链复合物重组2Fe2+2Fe3+2eb2Fe2+2Fe3+2ec12Fe2+2Fe3+2ec2Fe2+2Fe3+2eaa31/2O2O2-2e2H+H2O呼吸链中细胞色素的排列及电子传递过程bc1caa31/2O笔洗一洗AA3（散）(三)线粒体内重要的两条呼吸链1、NADH氧化呼吸链RH2NAD+FMNH2CoQ2Cyt-Fe2+1/2O2（Fe-S）RNADHFMNCoQH22Cyt-Fe3+O2-（Fe-S）每2H通过此呼吸链可生成2.5分子ATP。2、琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸FADCoQH22Cyt-Fe3+O2-（Fe-S）b延胡索酸FADH2CoQ2Cyt-Fe2+1/2O2（Fe-S）b每2H通过此呼吸链可生成1.5分子ATP。3、分别进入两条呼吸链的底物苹果酸异柠檬酸琥珀酸3-磷酸甘油醛谷氨酸FAD（Fe-S）NAD+FMNCoQbc1caa3O2FADFAD硫辛酸脂肪酰CoA丙酮酸-酮戊二酸不同点:NADH呼吸链琥珀酸呼吸链普遍程度较普遍次要起始物NADHFADH2ATP2.51.5两种呼吸链的比较:相同:1.将H传递给O2生成水；2.H和O2消耗，其它可反复使用；3.CoQ是两种呼吸链的汇合点。NAD+FMNCoQbc1caa3O2鱼藤酮杀粉蝶菌素A安密妥抗霉素AH2SCOCN作用：阻断电子传递四、电子传递抑制剂一、ATP的生成方式底物水平磷酸化氧化磷酸化(最主要)第三节氧化磷酸化1、底物水平磷酸化：直接将代谢物分子中的能量转移至ADP（或GDP），生成ATP（或GTP）的过程。OHO-OCCHCH2OPOOHOH1,3-二磷酸甘油酸(1,3-DPG)糖酵解过程磷酸甘油酸激酶HOHOOCCHCH2OPOOHOH3-磷酸甘油酸这