单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第十章 生物氧化,第一节 概述,一、生物氧化的概念,能源物质,(,糖、脂、蛋白质等有机物,),在活细胞内氧化分解，产生,CO,2,和,H,2,O,，,释放化学能并转化为生物能的生化过程,称为生物氧化,。,高等动物通过肺进行呼吸，吸入氧气、排出,CO,2,。,吸入的,O,2,用以氧化摄入体内的营养物质，获得能量，所以生物氧化又,称呼吸作用,。,由于微生物是以细胞直接进行呼吸，故又称为细胞呼吸或细胞氧化。,二、生物氧化的方式,生物氧化在有氧和无氧的条件下都能进行，故生物氧化可分为两类,有氧氧化利用,O,2,分子来氧化底物，最终生 成,CO,2,和,H,2,O,。,这种方式的氧化 彻底，释放的能量多。,无氧氧化是指以非分子氧氧化的方式。,以氧化型物质作为电子受体，,这种氧化不完全、产能少。,无氧氧化可分为,:,以有机物为受氢体进行的氧化。,以无机物为受电子体进行的氧化。,生物体内氧化反应有,失电子氧化,(,如氢在呼吸链中的氧化,),加氧氧化,(,如氨基酸氧化酶催化的氧化脱氨,),脱氢氧化,(,如琥珀脱氢酶催化的反应,),加水脱氢氧化,(,如,TCA,循环中，延胡索酸到草 酰乙酸的氧化,),在生物体中，脱氢氧化和加水脱氢氧化是能源物质氧化的主要反应形式。,三、生物氧化的特点,1,、是在酶催化下进行的，反应条件温和。,2,、底物的氧化是分阶段进行的。能量也是逐步释放的。这样不会因氧化过程中能量骤然释放而损害机体，同时使释放的能量得到有效的利用。,3,、生物氧化过程中释放的能量通常先储存在一些特殊的高能化合物中,(,如,ATP),，,通过这些物质的转移作用满足机体吸能反应的需要。,4,、生物氧化受细胞的精确调节控制。,第二节 生物氧化体系及有关的酶类,一、生物氧化体系,生物氧化作用主要是通过脱氢反应来实现的。,一般包括脱氢、递氢、受氢三个环节。在生物氧化过程中，底物脱下来的氢，大多数情况下不是直接交给受氢体，而是经过一些递氢体进行传递，最终交给受氢体。,本章主要讨论底物上的氢如何脱下，以及在有氧与无氧的情况下氢的去路。,生物氧化体系 有氧氧化 不需传递体体系,电子传递体系,无氧氧化 有机物,无机物,(,一,),、有氧氧化体系,共性以分子氧为最终受体。,1,、不需传递体体系,是最简单的生物氧化体系。从底物脱下来的氢不需传递，直接在酶作用下与分子氧结合。这种酶可分为 氧化酶类,需氧脱氢酶类,(1),氧化酶类催化的反应模式,(,见,P514,图,13-2),氧化酶类,它是含,Cu,+,或,Fe,+,的金属蛋白，不能从底物上脱氢，只能夺取底物上的电子对(2,e),，,用于激活分子氧,(O,2,),，,从而促进氧与底物的化合。氰化物、硫化氢对氧化酶有抑制作用。,重要的氧化酶有细胞色素氧化酶,(Fe,+,),酚氧化酶,(Cu,+,),抗坏血酸氧化酶,(Cu,+,),细胞色素氧化酶是由细胞色素氧化酶,a,和细胞色素氧化酶,a,3,组成的蛋白复合物，用,Cytaa,3,表示。复合物中含有两分子的血红素,A,。,由氧化酶催化的反应不能在无氧的条件下进行，没有任何其他受氢体可以代替氧,。,(2),需氧脱氢酶类催化的反应模式,需氧脱氢酶,这类酶分子是以,FMN,或,FAD,为辅基的黄素蛋白。它催化底物分子脱氢，但与不需氧脱氢酶不同，这类酶需要用分子氧直接作为受氢体，反应生成,H,2,O,2,。,在无氧的情况下，甲烯蓝或醌可代替氧作为氢受体，而使反应进行。,如葡萄糖氧化酶,(,以,FDA,为辅基,),氨基酸氧化酶,(,以,FDA,或,FMN,为辅基,),不需传递体体系中两种类型的比较,氧化酶不能从底物上脱氢，而需氧脱氢酶能脱氢；,最终电子受体为氧时，氧化酶氧化的最终产物是水，而需氧脱氢酶氧化的产物是,H,2,O,2,只能以氧作为最终电子受体，而需氧脱氢酶在无氧的情况下，可以以甲烯蓝或醌可代替氧作为最终电子受体。,2,、,电子传递体系,它是生物体主要的生物氧化体系。,不需氧脱氢酶脱下的氢主要通过此途径进行氧化。,该体系的成员包括,以,NAD+,为辅酶的不需氧脱氢酶,以,FMN,或,FAD,为辅基的黄素蛋白,(FP),泛醌,(UQ,，,即辅酶,Q),细胞色素,(,Cyt)b,c,1,c,细胞色素氧化酶,不需氧脱氢酶：,以,NAD,+,或,NADP,+,为辅酶,以,FMN,或,FAD,为辅酶,凡直接作用于底物分子，使之脱氢氧化，又不以氧作为直接受氢体的酶，,称为不需氧脱氢酶,。,以,NAD,+,或,NADP,+,为辅酶的不需氧脱氢酶类,此类酶大多数,以,NAD,+,为辅酶，以,NADP,+,为辅酶的相对较少。,以,NAD,+,为辅酶从底物分子脱下的氢原子,(2H),主要是通过呼吸链发生氧化磷酸化，合成,ATP,。,以,NADP,+,为辅酶脱下的氢则主要为生物合成提供还原力。如脂肪酸、氨基酸、核苷酸的生物合成需要大量的,NADP+H,+,。,这类酶通常催化仲醇基,(-CHOH-),的脱氢反应和氨基酸的,-,碳原子的氨甲基基团,(-CHNH,2,),的脱氢反应。如苹果酸脱氢酶、,L-,谷氨酸脱氢酶。,以,FMN,或,FAD,为辅酶不需氧脱氢酶类,这类酶分子中，,FMN,或,FAD,与酶蛋白结合牢固，故称为辅基。由于,FMN,或,FAD,均是核黄素的衍生物，这类酶的纯化制品呈黄色，故又称为黄酶或黄素蛋白。,它们专一性地催化烃链中相邻亚甲基,(-CH,2,-CH,2,-),的脱氢，使底物分子中产生双键。如,琥珀酸脱氢酶。,这类酶成员不多，常见的有琥珀酸脱氢酶、脂酰辅酶,A,脱氢酶、二氢硫辛酸脱氢酶,和,-,磷酸甘油脱氢酶。,(,二,),无氧氧化体系,1,、以有机物为最终电子,(,氢,),受体,如,3-P-,甘油醛,NAD,乙醇,1,，,3-2P-,甘油酸,NADH,乙醛,2,、以无机物为最终电子,(,氢,),受体,此体系常以,NO,3,-,、,NO,2,-,、,SO,4,2-,、,S,2,O,3,2-,、,CO,2,等无机物为最终电子,(,氢,),受体。如脱磺脱硫弧菌的无氧氧化。,第三节 呼吸链及氧化磷酸化,一、高能键及高能化合物,在生物体中有些化合物的个别化学键的自由能很高，因此，其结构不稳定、性质活泼，自发水解和基团转移的趋势很强，当它们发生水解或基团转移反应时，释放或转移的自由能很多，,这种含自由能很高的化学键，称为高能键。,用符号,“,”,表示。,高能键的高能不是“,键能”,特别高，而是自由能高。细胞中重要的高能键有高能键磷酸键,(OP),、,高能键硫酯键,(CS),。,分子中含有高能键的化合物，,称为高能化合物。,生物体中常见的高能化合物,ATP,是细胞中最重要的高能化合物，其作用如下,(1),它是产能和需能反应之间最主要的能量介质；,(2),作为磷酸基团的供体参与磷酸化反应。磷酸化是生物物质的一种普遍的活化方式。,(3)ATP,参与高能磷酸基团的转移反应。细胞中的超高能化合物,(1,，,3-2P-,甘油酸、磷酸肌醇,),与,ATP,之间可发生高能磷酸基团的转移反应。,二、呼吸链的概念及类型,呼吸链是由位于线粒体内膜中的一系列电子传递体，按标准氧化还原电位的顺序，由低到高排列的一种能量转换体系。,在电子传递体系中，底物脱下来的氢不是直接交给氧，而是经一系列传递体，最终传给氧，,该体系又称为电子传递链或呼吸链。,呼吸链的功能,接受还原型辅酶上的氢原子对,(2H,+,+2e),，,使辅酶分子还原，并将电子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧负离子,(O,2-,),与质子对,(2H,+,),结合，生成水。,电子对在氧化过程中逐步氧化放能，所释放的能量驱动,ADP,和无机磷发生磷酸化反应，生成,ATP,。,典型的电子传递链有两种类型,NAD,传递链,FAD,传递链,三、底物水平磷酸化和氧化磷酸化,在生物氧化过程中，氧化放能反应常常有吸能的磷酸化反应偶联发生。偶联反应将氧化释放的一部分自由能用于无机磷参加的高能磷酸键生成反应，这种氧化放能反应与磷酸化吸能反应的偶联可在两种水平上发生，一种是底物水平的磷酸化；另一种是氧化磷酸化。,1,、底物水平磷酸化,如糖酵解中，从,1,，,3-2P-,甘油酸到,3-P-,甘油酸的反应。,这种底物分子氧化与磷酸化反应偶联生成,ATP,的反应称为底物水平磷酸化。,底物水平磷酸化在有氧和无氧条件下都能进行。其特殊意义在于它是无氧条件下兼性生物细胞或厌氧微生物从有机物取得生物所需能量的主要来源。,2,、氧化磷酸化,不需氧脱氢酶脱下的氢原子对，在有氧条件下，通过电子传递链的氧化过程中，逐步释放自由能，驱动磷酸化偶联反应，利用,ADP,和无机磷合成,ATP,。,这种在电子传递,(,氧化,),过程中偶联的磷酸化反应，称为氧化磷酸化。,在氧化磷酸化过程中氧的消耗和,ATP,生成的个数之间有一定的关系，这种关系可用,P/O,比值,(,磷氧比值,),来表示。该比值可用瓦勃氏呼吸仪来测定。对,FADH,2,P/O,比值是,2,；对,NADH,2,P/O,比值是,3,。,氧化磷酸化是有氧呼吸合成,ATP,的主要方式，是生命活动所需能量的主要来源。,3.,氧化磷酸化的偶联机理,3,、氧化磷酸化的解偶联和电子传递的抑制,氧化磷酸化和电子传递过程受许多化学因素的作用，不同的化学因素对氧化磷酸化过程的影响方式不同，根据它们的不同影响方式可分成两大类解偶联；,电子传递的抑制,(1),解偶联剂,电子传递磷酸化是一种偶联作用。在正常情况下，电子传递链传递时总伴随有,ATP,的生成。,解偶联剂的作用是使电子传递和,ATP,形成,两个过程分离。这些化合物能破坏电子传递和磷酸,化的偶联关系，此类化合物并不影响电子的传递，,但却能抑制,ATP,的生成。典型的解偶联剂是,2,，,4-,二硝基苯酚,(DPN),。,(2),电子传递的抑制剂,能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。,它们抑制呼吸链的电子传递，从而阻止,ATP,的产生。典型的电子传递的抑制剂有鱼藤酮、安密妥、抗霉素,A,、,氰化物、叠氮化合物和,CO,。,抑制剂对电子传递的抑制部位,