第五章 生物氧化 - 天津農學院

1、第五章 生物氧化 第一節(jié) 概 述一、什么是生物氧化？種類？（1）生物氧化：生物體內一切代謝物在細胞內進行的氧化作用，由于是在細胞內進行的也叫組織呼吸或細胞呼吸。（2）種類：線粒體氧化體系：真核生物在線粒體內膜上發(fā)生，與能量產生有關。 原核生物在質膜上發(fā)生，與能量產生有關。 非線粒體氧化體系：發(fā)生在內質網膜上，與能量產生無關。二、生物氧化的特點1、 生物氧化是在生物細胞內進行的酶促氧化過程，反應條件溫和（水溶液，中性pH和常溫）；2、 氧化進行過程中，必然伴隨生物還原反應的發(fā)生；3、 水是許多生物氧化反應的氧供體。通過加水脫氫作用直接參與了氧化反應；4、 在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步

2、進行的。氧化過程中脫下來的氫質子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水；5、 生物氧化是一個分步進行的過程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反應的產物都可以分離出來。這種逐步進行的反應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，通過與ATP合成相偶聯(lián)，轉換成生物體能夠直接利用的生物能ATP。三、生物氧化的本質及過程1.本質：生物氧化的本質是電子的得失，失電子者為還原劑，是電子供體，得電子者為氧化劑，是電子受體在生物體內，它有三種方式：加氧氧化、電子轉移和脫氫氧化。2.無氧氧化：在無氧條件下，兼性生物或厭氣生物能利用細胞中的氧化型物質作為電子受體，將燃

3、料分子氧化分解，這稱為無氧氧化。這些生物有的以有機物分子作為最終的氫受體(如厭氧發(fā)酵)，有的則以無機物分子作為氫受體(如微生物中的化能自養(yǎng)菌對NO3-、SO42-的利用)。3.有氧氧化生物氧化在有氧和無氧條件下都能進行。在有氧條件下，好氣生物或兼性生物吸收空氣中的氧作為電子受體，可將燃料分子完全氧化分解，這稱為有氧氧化。因為有氧氧化燃燒完全，產能多，所以，只要有氧氣存在，細胞都優(yōu)先進行有氧氧化。4.生物能及其存在形式生物能和ATPATP是生物能存在的主要形式，是能量的攜帶者和傳遞者；ATP是能夠被生物細胞直接利用的能量形式；生物化學反應與普通的化學反應一樣,也服從熱力學的規(guī)律；ATP可作為能量

4、的重要偶聯(lián)劑。高能化合物生物體通過生物氧化所產生的能量，除一部分用以維持體溫外，大部分可以通過磷酸化作用轉移至高能磷酸化合物ATP中。根據生物體內高能化合物鍵的特性可以把他們分成以下幾種類型：磷氧鍵型（?；姿峄衔铩⒔沽姿峄衔?、烯醇式磷酸化合物）、氮磷鍵型、硫酯鍵型、甲硫鍵型。第二節(jié) 線粒體氧化體系一、生物氧化中CO2的生成方式1、 需要明確的是生物體氧化生成的CO2并不是C原子與O原子的直接化合，而是有機酸的脫羧結果。2、 脫羧的方式有以下幾種：（1） -單純脫羧：脫羧反應發(fā)生在-碳原子相連的羧基上，不發(fā)生氧化 作用；（2） -氧化脫羧：脫羧反應發(fā)生與-碳原子相連的羧基上，同時發(fā)生氧化作

5、用（脫羧脫氧）。（3） -氧化脫羧：脫羧反應發(fā)生與-碳原子相連的羧基上，并發(fā)生氧化作用。二、呼吸鏈（一）、什么是呼吸鏈？什么是遞氫體與遞電子體？1、呼吸鏈又稱電子傳遞鏈，是由存在于線粒體內膜上的一系列能接受氫或電子的中間傳遞體組成，指代謝物在分解代謝過程中產生還原型輔酶，這些還原型輔酶在線粒體內經一系列傳遞體的傳遞作用，將代謝物上的經脫氫酶脫下的氫傳遞給被激活的氧原子而生成水，由于參與這一系列催化反應的酶與輔酶一個接一個構成鏈狀反應，因此稱為呼吸鏈。2、遞氫體：凡是參與呼吸鏈中傳遞氫原子的輔酶或輔基。遞電子體：凡是參與呼吸鏈中傳遞電子的輔酶或輔基。（二）、呼吸鏈的種類根據代謝物上脫下氫的初始受

6、體不同分兩種：NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈 生物進化呼吸鏈也逐漸高級越完善。（三）、呼吸鏈的組成 從NADH到O2的呼吸鏈：NADH-Q還原酶細胞色素bc1復合物（CoQ-cytc還原酶）細胞色素氧化酶 （復合物） （復合物） （復合物） 從FADH2到O2的呼吸鏈: 琥珀酸-Q還原酶復合物細胞色素bc1復合物細胞色素氧化酶組成 （復合物）*電子傳遞鏈的結構復合物包括：復合物（NADH-CoQ-還原酶）：由NADH脫氫酶和鐵硫蛋白組成。復合物（CoQ-細胞色素c還原酶）：由細胞色素b和c1及特殊的鐵硫蛋白組成。復合物（CoQ-細胞色素c氧化酶）：由細胞色素a和a3組成。復合物（琥珀酸-Co

7、Q還原酶）：由琥珀酸脫氫酶和鐵硫蛋白組成。 *NADH、CoQ和cytc在這幾個復合物之間起橋梁作用。（四）、呼吸鏈組成成分的簡介（1） 以NAD或NADP為輔酶的脫氫酶接受代謝物脫下的H轉變?yōu)檫€原型輔酶NADH2或NADPH2。（2） NADH-Q-還原酶：是一種與鐵硫蛋白結合成復合物的黃素蛋白，其輔酶為FMN或FAD（黃色）（黃素酶），活性部分還含有鐵硫蛋白。它的作用是結合NADH2，將其氧化為NAD+，脫下的2H由其輔酶接受變?yōu)镕MNH2，其電子通過鐵硫蛋白傳遞給輔酶Q（CoQ）。（3） 鐵硫蛋白（Fe-S）：是一種存在于線粒體內膜上與電子傳遞有關的非血紅素鐵蛋白質，有兩種形式：2Fe2

8、S或4Fe4S，通過Fe3+Fe2+變化傳遞電子，因活性部位含有兩個活潑的鐵原子和硫原子，故也稱鐵硫中心。（4） 輔酶Q（泛醌）：是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體，脂溶性的。（5） 細胞色素類（cyt）：是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉環(huán)衍生物，鐵位于卟啉環(huán)中心，構成血紅素。主要包括b、c1、c、a和a3,傳遞順序為bc1caa3,a和a3構成細胞色素氧化酶，兩者無法分開，只有cytaa3能與O2為電子受體。其中除含鐵原子外，還含有銅原子，Cu+Cu2+把電子傳給O2，4個電子O2生成2分子H2O，細胞色素bc1復合物由b、c1和一個FeS蛋白，電子從CoQH2cytbFeScytc1。（6

9、） 琥珀酸-Q-還原酶復合物:該復合物含有以FAD或FMN為輔酶的黃素蛋白和鐵硫中心組成，該復合物存在于線粒體內膜上，F(xiàn)AD或FMN接受琥珀酸脫掉的2H轉變?yōu)镕ADH2，其中的兩個電子經該復合物中的硫鐵中心傳遞給CoQ而進入電子傳遞鏈，使CoQ被氧化。（五）、呼吸鏈中傳遞體的排列順序 各組分的排列順序依E的大小排列的。 E=0.059/n·lg氧化態(tài)/還原態(tài)從式子可見：E越大，氧化態(tài)越大，受電子勢越大，越易形成氧化劑，因此處于呼吸鏈末端；E越小，還原態(tài)越大，供電子勢越大，越易形成還原劑，因此處于呼吸鏈前端。從左到右，呼吸鏈的各組分的E越來越大。見表8-2，p231。（六）、呼吸鏈的作

10、用 接受還原性輔酶上的氫原子對（2H2+2e），使輔酶氧化； 將電子對（2e）順序傳遞到激活的O2，使O2-與質子對（2H2+）結合生成水； 電子對在傳遞過程中氧化放能，釋放的能量驅動ADP+Pi磷酸化，生成ATP。三、氧化磷酸化（一）、什么是氧化磷酸化？種類？呼吸鏈中的電子傳遞與放能磷酸化合物的偶聯(lián)反應，也就是當電子從NADH2或FADH2經過電子傳遞體傳遞給O2形成H2O，同時伴隨著ADP磷酸化形成ATP。這一過程稱為。根據生物氧化方式，可將氧化磷酸化分為底物水平磷酸化及電子傳遞體系磷酸化。氧化磷酸化是體內生成ATP的主要方式。（二）、底物水平磷酸化由于底物脫氫或脫水時伴隨著分子內部能量的

11、重新分布而形成高能鍵，也是生物捕獲能量的一種形式。（三）、氧化磷酸化的作用機理 氧化與磷酸化是如何偶聯(lián)在一起的，主要有三種學說：化學偶聯(lián)學說、結構偶聯(lián)學說和化學滲透學說。主要介紹一下化學滲透學說，要點為：呼吸鏈上的遞氫體和遞電子體是交替排列的，并在線粒體內膜上都有特定的位置。傳氫體有氫泵的作用，傳氫體接受2H后將2e傳給電子傳遞體，F(xiàn)eS將2H泵到膜外側，2H2+不能自由通過線粒體內膜，因而膜外H+濃度越來越高，形成外正內負的電位差，這種電位差包含著放能的趨勢。線粒體內膜上有ATP合成酶，當質子穿過線粒體內膜返回內側時釋放能量，使ADP+Pi合成ATP。 a:偶聯(lián)因子F1：指ATP復合物的頭部

12、，位于線粒體內膜基質側表面，由5種亞基組成的9聚體。 b:ATP合成酶的結構：由頭部、基底部和柄部組成（見圖示） F1 F0（四）、ATP產生的部位： ATP產生的部位在有大的電位差變化的地方-0.32 -0.30 0.1 0.07 0.22 0.25 0.29 0.39 0.8 NADH FMN CoQ b c1 c a a3 O2 p p p （五）、P/O比值： 指每消耗1mol氧所消耗無機磷的摩爾數，也就是每消耗1mol原子氧時生成多少mol ATP。 P/O比值不能作為ATP生成的主要依據，而是一對電子從NADH2或FADH2到O2有多少質子泵出，又有多少質子通過F0F1復合物返回基

13、質，生成ATP的量為準。一般形成1個ATP/3質子泵動，1個ATP形成消耗一個質子。 從NADH：10質子泵動/4=2.5個ATP 從FADH2： 6個質子泵動/4=1.5個ATP四、呼吸鏈的加強、抑制和解偶聯(lián) 什么是呼吸鏈控制？ ADP濃度對氧化磷酸化速率的調空現(xiàn)象叫。當胞內ATP水平高而ADP不足時，氧化磷酸化速度減慢，則NADH堆積，導致TCA循環(huán)速度減慢，ATP合成減少；當胞內ATP消耗時，反之。 電子傳遞抑制劑？凡是能夠切斷呼吸鏈中某一部位電子流的物質和化學藥品，統(tǒng)稱為。哪些物質？ A：魚藤酮和安密妥，阻斷從NADH到CoQ。 B：抗霉素A，阻斷cytb到c1。 C：氰化物、疊氮化物

14、、CO，阻斷aa3到O2，CO抑制Fe2+形成（中毒）。解偶聯(lián)劑？ 有些抑制劑并不阻斷呼吸鏈的電子傳遞，而是抑制ADP+Pi生成ATP磷酸化過程，這種抑制劑稱為氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑。如2，4-二硝基苯酚。 氧化磷酸化抑制劑，寡霉素，既抑制O2的利用又抑制ATP的生成。五、線粒體外(胞液中)氧化磷酸化作用由于NAD和NADH2都不能自由通過線粒體內膜，如何實現(xiàn)NAD和NADH2在線粒體呼吸鏈中的氧化還原，主要由兩個系統(tǒng)實現(xiàn)磷酸甘油穿梭系統(tǒng)和蘋果酸-天門冬氨酸穿梭系統(tǒng)。磷酸甘油穿梭系統(tǒng) a：胞液和線粒體中都存在3-磷酸甘油脫氫酶，但其輔酶不同，胞液中的酶輔酶是NAD，線粒體的酶輔酶是FAD。 b:來自糖酵解產生的NADH放出2H，使磷酸二羥丙酮在胞液3-磷酸甘油脫氫酶還原為3-磷酸甘油，它可以自由出入線粒體內膜。 c:進入線粒體后，3-磷酸甘油脫2H，在線粒體3-磷酸甘油脫氫酶的作用下，將電子和2H使FADFADH2，進入呼吸鏈，徹底氧化。蘋果酸-天門冬氨酸穿梭系統(tǒng)。