第八章生物氧化

第八章生物氧化在代謝過程中，第三階段和第四階段是所有有機物分解的共同途徑，因此通常將第三和第四階段合并為一章，稱為生物氧化生物氧化包括三羧酸循環(huán)和氫的傳遞兩個部分，生物氧化的產(chǎn)物為CO2、H2O和能量.其中三羧酸循環(huán)階段產(chǎn)生氫和CO2,氫的傳遞階段生成

H2O和能量.生物氧化主要討論有機物在生物體內(nèi)的分解.生物體內(nèi)的分解代謝過程如圖:第一節(jié)生物氧化概述第二節(jié)CO2的生成第三節(jié)呼吸鏈和水的生成第四節(jié)能量的生成和利用第五節(jié)三羧酸循環(huán)脂類蛋白質(zhì)多糖脂肪酸單糖氨基酸乙酰CoA能量CO2H2O2H第一階段第三階段第二階段第四階段O2TCA三羧酸循環(huán)氫的傳遞生物氧化第一節(jié)一.生物氧化的涵義二.生物氧化的特點由前述分解代謝的總方程式：有機物+O2CO2+

H2O+能量（ATP）則有機物的分解是一種有氧參與的氧化反應(yīng)，且反應(yīng)發(fā)生在生物體內(nèi)，故稱為生物氧化定義有機物質(zhì)在生物體細胞內(nèi)的氧化分解作用稱為生物氧化由于此過程消耗氧生成CO2，且在細胞中進行，因此又稱為細胞呼吸一.生物氧化的涵義二.生物氧化的特點生物氧化和體外的氧化（如燃燒）在本質(zhì)上是相同的，但在表現(xiàn)形式、反應(yīng)條件、產(chǎn)物的生成方式上有很大不同生物氧化過程見圖（一）反應(yīng)條件溫和生物氧化是在近乎中性及體溫條件下的細胞內(nèi)水溶液中進行的，條件溫和體外氧化是在干燥高溫條件下進行，伴有光和熱產(chǎn)生（二）反應(yīng)歷程復(fù)雜而生物氧化是在活細胞的水溶液中進行的，途徑迂回曲折，有條不紊，反應(yīng)歷程復(fù)雜，都是酶促反應(yīng)葡萄糖的氧化反應(yīng)方程式：C6H12O6+6O26CO2+6H2O在體內(nèi)和體外都是一樣的，但各自的反應(yīng)歷程不同,體外氧化是一次反應(yīng)完全的例（三）代謝物以脫氫的方式氧化物質(zhì)氧化的方式有兩種：直接氧化和脫氫氧化1.直接氧化：指物質(zhì)直接與氧反應(yīng)，生成氧化物4Fe+3O2

2Fe2O3CH4+2O2CO2+2H2O2.脫氫氧化:指物質(zhì)脫去兩個氫原子被氧化CH3CH2OHCH3HC＝O+2H鐵的氧化和甲烷的燃燒乙醇氧化為乙醛生物氧化中的代謝物通常以脫氫方式氧化例例要點（四）CO2由代謝物脫羧生成CO2是由代謝物中含羧基的中間物脫羧生成的，與氧的參與無關(guān)氨基酸脫羧反應(yīng)例NH2R－CH－COOHR－CH2－NH2+CO2氨基酸胺（五）H2O是由代謝物脫下的氫經(jīng)傳遞給氧生成的代謝物脫下的氫須經(jīng)一系列傳遞體傳遞，這些傳遞體系稱為呼吸鏈。最后氫傳給氧生成水（六）能量在傳遞過程中逐步釋放并儲存體外氧化的能量通常以光和熱的形式驟然釋放，而生物氧化的能量是逐步釋放的，這有利于機體截留能量并加以ATP形式儲存代謝物傳遞體A傳遞體B傳遞體CO2H2O2H能量能量能量呼吸鏈脫氫氧化此過程即物質(zhì)分解代謝的第三和第四階段因此第四階段即呼吸鏈,此階段需要O2的參與,產(chǎn)物為H2O和能量CO2第二節(jié)一.直接脫羧基作用二.氧化脫羧基作用是由生物體中的代謝物經(jīng)脫羧基作用產(chǎn)生的，脫羧作用有以下兩種：二.氧化脫羧基作用指有機酸在脫羧過程中也發(fā)生氧化作用（即脫氫作用）。氧化脫羧作用需要多種酶和輔因子參與遞氫氧化脫羧作用也分為兩種方式：α－氧化脫羧和β－氧化脫羧第三節(jié)二.呼吸鏈的組成一.呼吸鏈的概念三.呼吸鏈的類型及組分排列順序由由線粒體內(nèi)的供氫體，傳遞體，受氫體以及相應(yīng)的酶系統(tǒng)組成的代謝途徑稱為呼吸鏈，其中受氫體為氧呼吸鏈的反應(yīng)場所是細胞內(nèi)的線粒體呼吸鏈的功能就是將氫通過多種酶和輔酶組成的傳遞體系的傳遞，最后交給受氫體氧生成水定義代謝物脫下的氫不能在體內(nèi)游離存在，必須有某種受氫體要點一.呼吸鏈的概念二.呼吸鏈的組成呼吸鏈包括供氫體，受氫體和傳遞體其中供氫體是代謝物，受氫體是氧，因此主要討論傳遞體呼吸鏈的傳遞體有兩種：遞氫體和遞電子體遞氫體包括NAD+(NADP+)、FMN(FAD)和CoQ遞電子體包括鐵硫蛋白(Fe-S)、細胞色素體系要點1.NAD+或NADP+這類脫氫酶以NAD+或NADP+為輔酶，首先激活代謝物特定位置的氫，并使之脫落，脫下的氫由NAD+或NADP+接受方程式見維生素一章，如下：NAD++2H(H+H++e)NADH+H+NADP++2H(H+H++e)NADPH+H+因此NAD+或NADP+每次傳遞2molH（即1molH2）2.FMN或FAD這類以黃素核苷酸（FMN或FAD）為輔基的脫氫酶稱為黃素酶。它們催化代謝物脫氫，并由FMN或FAD

接受方程式見維生素一章，如下：FAD+2HFADH2FMN+2HFMNH2因此FAD每次傳遞2molH（即1molH2）3.輔酶Q（CoQ）輔酶Q是一種脂溶性醌類物質(zhì)，因廣泛存在于生物體內(nèi)又稱為泛醌。輔酶Q可以結(jié)合兩個氫而被還原方程式如下：CoQ+2HCoQH2

CoQ每次傳遞2molH（即1molH2）1.鐵硫蛋白（Fe－S）

鐵硫蛋白是存在于線粒體內(nèi)膜上的一種與傳遞電子有關(guān)的蛋白質(zhì)。通常與其他遞氫體或遞電子體結(jié)合成復(fù)合物而存在鐵硫蛋白是單電子傳遞體，反應(yīng)如下：Fe3+－S+eFe2+－S2.細胞色素(Cyt)細胞色素是屬于色蛋白類的結(jié)合蛋白，其輔基是含鐵卟啉的衍生物(血紅素A,血紅素B,血紅素C)細胞色素共有五種，分別為Cyt

a,Cytb,Cytc1,Cytc，Cyta3.細胞色素在呼吸鏈中是通過鐵卟啉中的鐵原子氧化還原作用而往復(fù)傳遞電子，細胞色素是單電子傳遞體方程式如下：2Cyt·Fe3++2e-2Cyt·Fe2+(b,c1,c)在各種細胞色素中，只有Cytaa3可以直接以氧分子為電子受體，因此又稱為細胞色素氧化酶，電子最終由Cytaa3傳給氧使氧變?yōu)镺2-2Cyt·Cu2++2e-

2Cyt·Cu+（aa3）2Cyt·Cu++1/2O2O2-+

2Cyt·Cu2+方程式如下：2.細胞色素(Cyt)其中Cyt

a和Cyta3由于不可分開而形成Cytaa3復(fù)合體，復(fù)合體除含鐵卟啉外，還含有銅原子通過銅原子的化合價變化傳遞電子三.呼吸鏈的類型及組分排列順序

由于生物體內(nèi)脫氫酶的輔酶不同，脫下的氫可經(jīng)兩種呼吸鏈傳遞：NADH氧化呼吸鏈和琥珀酸氧化呼吸鏈O2NADFMNCoQcc1aa3CytbFAD異檸檬酸α－酮戊二酸蘋果酸丙酮酸谷氨酸琥珀酸脂酰CoAα－磷酸甘油要點各種進入不同呼吸鏈的重要代謝物兩條呼吸鏈在CoQ處匯合，傳遞過程如下:

兩條主要的呼吸鏈FAD呼吸鏈NADH呼吸鏈這是細胞內(nèi)最主要的呼吸鏈，因為體內(nèi)絕大多數(shù)脫氫酶都以NAD+為輔酶。酶催化代謝物脫下的氫使NAD+變?yōu)镹ADH

，然后通過NADH呼吸鏈傳遞給氧生成水（一）NADH氧化呼吸鏈整個NADH呼吸鏈的成員排列順序及電子傳遞方向如下圖：代謝物NADCoQFMNc1aa3CytbO2c2H2e-2H+H2O（二）琥珀酸(FAD)氧化呼吸鏈體內(nèi)還有些代謝物（如琥珀酸脫氫）脫氫后，脫氫酶的輔酶是FAD

，則產(chǎn)生的FADH2進入FAD呼吸鏈整個FAD呼吸鏈的成員排列順序及電子傳遞方向如下圖：c代謝物CoQc1aa3O22HCytb2e-2H+FADH2O第四節(jié)一.能量的儲存形式二.氧化還原電位三.ATP的生成四.氧化磷酸化的生成機制五.氧化磷酸化的抑制作用六.線粒體外的氧化磷酸化生物氧化是最重要的將是代謝物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)樯锬埽⒓右詢Υ婧屠?，通常是將能量儲存在一些高能化合物中?能量的儲存形式高能化合物分子結(jié)構(gòu)中含有高能鍵的化合物稱為高能化合物含自由能很高的化學(xué)鍵稱為高能鍵，用“～”表示“高能”不是指鍵能高，而是指自由能高，高能鍵水解或基團轉(zhuǎn)移時，釋放或轉(zhuǎn)移的自由能很多定義細胞中重要的高能鍵有兩種：－O～P－C～SCoAO高能硫脂鍵：高能磷酸鍵：常見的高能鍵和高能化合物見下表含有高能硫酯鍵的化合物稱為高能硫脂化合物含有高能磷酸鍵的化合物稱為高能磷酸化合物高能化合物ATP是生物氧化中能量的儲存和表現(xiàn)形式要點生物氧化中釋放的能量通過合成ATP貯存，在機體需能時又由ATP水解供給能量ATP水解時，釋放能量為30.5kJ/mol同樣由ADP和Pi合成ATP需能量為30.5kJ/mol方程式如下：ATP+H2OADP+Pi+30.5kJ要點高能化合物PCH2＝C－O～PR－C－O～O-31.8乙酰CoA-32.2琥珀酰CoA-30.5ADP,UDP高能硫脂鍵高能磷酸鍵脂酰輔酶A-30.5ATP,GTP焦磷酸鍵-49.31，3二磷酸甘油酸脂?；姿徭I-61.9磷酸烯醇式丙酮酸烯醇式磷酸鍵自由能變化kJ/mol

代表化合物

鍵的結(jié)構(gòu)

高能鍵種類R－C～SCoAOP核苷-P-O～PP核苷-O～～表8-1高能鍵及重要的高能化合物三.ATP的生成生物氧化產(chǎn)生的能量來自于電子傳遞中氧還電位變化產(chǎn)生的電勢能（自由能），此能量以ATP的形式儲存ATP的生成有以下三種方式無氧參與：非氧化磷酸化、底物磷酸化有氧參與：氧化磷酸化1.非氧化磷酸化由代謝物脫水生成高能磷酸鍵，反應(yīng)既不脫氫也無氧參與例3﹣磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸ATPADPH2O（含高能磷酸鍵）2.底物磷酸化由于代謝物脫氫（氧化）后分子內(nèi)部所含能量重新分布，形成高能磷酸鍵，此高能鍵可交給ADP生成ATP。這種方式稱為底物磷酸化3﹣磷酸甘油醛1，3﹣二磷酸甘油酸1，3﹣二磷酸甘油酸3﹣二磷酸甘油酸例（含高能磷酸鍵）NADH+H+NAD+ATPADP3.氧化磷酸化由代謝物脫下的氫（電子和質(zhì)子）經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧時，由于電子傳遞的電位變化而產(chǎn)生大量自由能，此能量可用于合成ATP。這種生成方式稱為氧化磷酸化，也叫呼吸鏈磷酸化由于由ADP合成

ATP需能量30.5kJ，因此呼吸鏈中由電位變化產(chǎn)生的自由能必須大于30.5kJ才能產(chǎn)生1ATP。在呼吸鏈中，有三個部位產(chǎn)生的能量能夠合成ATP。分別為：因為這三個部位的其自由能變化都在30.5kJ以上，足以形成ATPNADHFMNCytbCytc1Cytaa3O23.氧化磷酸化呼吸鏈產(chǎn)能部位如下圖：ATPADP+Pi1molH2（或電子）經(jīng)NADH呼吸鏈傳遞產(chǎn)生3molATP，經(jīng)琥珀酸呼吸鏈則產(chǎn)生2molATP要點ATPADP+PiATPADP+PiO2NADFMNCoQcc1aa3CytbFAD2H2H3.氧化磷酸化五.氧化磷酸化的抑制作用氧化磷酸化產(chǎn)生ATP的過程是氧化（電子傳遞）作用和磷酸化作用偶聯(lián)的結(jié)果,這是需氧生物進行新陳代謝維持正常生命活動最關(guān)鍵的反應(yīng)破壞二者的偶聯(lián)作用,會抑制氧化磷酸化產(chǎn)生ATP,常見的因素有以下兩種:解偶聯(lián)作用和電子傳遞抑制作用某些物質(zhì)可抑制呼吸鏈中遞氫或電子傳遞的不同環(huán)節(jié)，從而使氧化作用受阻，ATP生成減少，這種作用稱為電子傳遞抑制作用這種抑制劑只抑制電子傳遞，不抑制磷酸化作用，因此抑制點之前的部位可照常產(chǎn)生ATP電子傳遞抑制作用常見的抑制劑和抑制點見下圖：阿的平阿米妥魚藤酮抗霉素ACOCN-N3-O2NADFMNCoQcc1aa3CytbFADATPATPATP要點當用阿米妥和抗霉素A分別作用于NADH呼吸鏈和琥珀酸呼吸鏈時，各產(chǎn)生多少ATP？問題O2NADFMNCoQcc1aa3CytbFADATPATPATP阿米妥抗霉素A電子傳遞和氧化磷酸化如圖:NADH呼吸鏈阿米妥1ATP抗霉素A1ATP琥珀酸呼吸鏈2ATP0ATP五.線粒體外的氧化磷酸化通常代謝物的徹底氧化是在線粒體內(nèi)經(jīng)呼吸鏈而生成水和ATP但有些代謝物的氧化在線粒體外進行，這些代謝物氧化產(chǎn)生的NADH+H+不能自由進入線粒體，必須通過一種“穿梭機制”才能進入線粒體和呼吸鏈，生成ATP生物體有以下幾種穿梭機制：異檸檬酸穿梭作用、磷酸甘油穿梭作用、蘋果酸穿梭作用因此，線粒體內(nèi)生成的NADH+H+進入呼吸鏈能產(chǎn)生3ATP但在線粒體外的NADH+H+由于進入線粒體的穿梭機制不同，可產(chǎn)生2ATP或3ATP要點五.線粒體外的氧化磷酸化（二）磷酸甘油穿梭作用要點線粒體外的NADH+H+經(jīng)磷酸甘油穿梭后生成FADH2，進入FAD呼吸鏈產(chǎn)生2ATP線粒體外產(chǎn)生的NADH+H+可通過生成α﹣磷酸甘油而進入線粒體，α﹣磷酸甘油脫下的氫進入呼吸鏈細胞液磷酸甘油脫氫酶（以NAD+為輔酶）線粒體內(nèi)膜線粒體基質(zhì)磷酸甘油脫氫酶（以FAD為輔酶）NADH+H+FAD呼吸鏈（2ATP）磷酸二羥丙酮α﹣磷酸甘油NAD+α﹣磷酸甘油磷酸甘油穿梭FADH2磷酸二羥丙酮（三）蘋果酸穿梭作用要點線粒體外的NADH+H+經(jīng)蘋果酸穿梭后生成NADH+H+

，進入NADH呼吸鏈產(chǎn)生3ATP線粒體外產(chǎn)生的NADH+H+可通過生成蘋果酸而進入線粒體，異檸檬酸蘋果酸脫下的氫進入呼吸鏈細胞液蘋果酸脫氫酶（以NAD+為輔酶）線粒體內(nèi)膜線粒體基質(zhì)NADH+H+呼吸鏈（3ATP）草酰乙酸蘋果酸NAD+蘋果酸門冬氨酸門冬氨酸蘋果酸脫氫酶（以NAD+為輔酶）NAD+轉(zhuǎn)氨轉(zhuǎn)氨蘋果酸穿梭草酰乙酸NADH+H+第五節(jié)三羧酸循環(huán)一.三羧酸循環(huán)的反應(yīng)歷程三.三羧酸循環(huán)的調(diào)節(jié)控制二.三羧酸循環(huán)的生理意義三羧酸循環(huán)是有機物徹底分解的共同途徑,反應(yīng)在線粒體中進行,起始物為乙酰CoA，產(chǎn)物為CO2和氫,產(chǎn)生的氫隨即進入呼吸鏈產(chǎn)能。此即分解代謝的第三階段。由各代謝物共同產(chǎn)生的乙酰CoA須經(jīng)一個環(huán)式代謝后徹底分解為CO2和氫，循環(huán)共有十步反應(yīng)，乙酰CoA經(jīng)歷多次脫羧和脫氫，最終被完全分解.三羧酸循環(huán)為一個環(huán)式代謝途徑,