1、第九章 生物氧化,第一节 生物氧化与生物能一生物氧化的涵义 生物氧化（biological oxidation）又称细胞氧化或细胞呼吸，指的是有机物质在细胞内氧化分解成二氧化碳和水并释放出能量形成ATP的过程。生命的一个最基本特征是能够有效地利用能量。一些生物体如高等植物和光合细菌，以太阳光的辐射能作为能源，这些生物体被称为光养生物；而另一些生物体如动物和大多数微生物，则以营养物分子中的化学能作为能源，被称为化养生物。,二、生物氧化的本质与特点 1、生物氧化是在细胞温和的条件下，经历许多复杂的酶促反应历程而逐步完成的。生物氧化中的能量也是逐步释放出来的。这些被释放出来的能量一部分转变成热能，一
2、部分用来推动ATP分子中高能磷酸键的形成。2、进行生物氧化的代谢物分子大多是有机物，它们在氧化时除了失去电子外，还要失去质子，一个电子和一个质子相当于一个氢原子。所以生物氧化反应往往也是脱氢反应。3、生物氧化过程还受到生物体的精确调节，这种调节控制着生物氧化的速率能正好满足生物体对ATP的需要。,三、有氧氧化和无氧氧化生物氧化并非仅在有氧条件下发生，无氧条件下也能进行。需氧生物和兼性生物在有氧条件下，以氧作为最终电子受体所进行的氧化作用，叫有氧氧化（aerobic oxidation）。 专性厌氧生物和兼性生物在缺氧条件下，最终电子受体不是氧，电子交给了营养物分解代谢过程产生的某种有机分子，或
3、者某些外源性电子受体，如硝酸盐、亚硝酸盐等。这种不需要氧参加的生物氧化过程叫无氧氧化（anaerobic oxidation）。需要注意的是，需氧生物的某些细胞或组织在某种条件下也进行无氧氧化。,四、高能键和高能化合物在生物化学中，将那些结构很不稳定，很容易发生水解或者基团的转移，同时释放出大量自由能的化学键称为高能键（high energy bond） ，用符号“”表示。在生物体中重要的高能键有高能磷酸键和高能硫酯键。分子中含有高能键的化合物叫高能化合物。高能化合物中含有磷酸基团的占绝大多数，但并不是所有含磷酸基团的化合物部属于高能磷酸化合物。,ATP在能量代谢中的作用,当ATP水解为ADP
4、和磷酸（Pi）时或ADP水解为AMP和磷酸（Pi）时，释放出大量的能量：ATP + H2OADP + PiG0 -7.3kcal/molADP + H2OAMP + Pi G0 -7.3kcal/mol在典型细胞中，以上水解反应的G= -12kcal/mol。ATP水解释放出的能量直接用来推动细胞中的需能过程。ATP的再生则是通过营养物的降解（或光合生物通过捕获光能）推动ADP和Pi脱水而成。,第二节 生物氧化酶类,生物氧化是在多种氧化还原酶的催化下进行的。在酶的系统分类中，氧化还原酶被规定为第一大类。氧化还原酶的种类很多，参与生物氧化的重要酶类主要是脱氢酶和氧化酶，其中脱氢酶又可分为不需氧脱
5、氢酶和需氧脱氢酶两类。,一、不需氧脱氢酶（anaerobic dehydrogenase）类是直接催化代谢物分子发生氧化反应的主要酶类，它们催化代谢物分子的脱氢反应，脱下的氢传递给非分子氧的受氢体或递氢体，反应过程不需要氧分子的参加。这类酶大多数是以NAD+或NADP+为辅酶，也有以FAD或FMN为辅基的。辅酶或辅基在反应中作为电子和质子的受体。 典型代表：乳酸脱氢酶乳酸+ NAD+丙酮酸+ NADH+H+,二、需氧脱氢酶（aerobic dehydrogenase）类 这类酶也催化脱氢反应。与不需氧脱氢酶的区别是它需要分子氧作为受氢体。氧接受电子后生成过氧化氢（H2O2）。由此可见，需氧脱氢
6、酶既催化底物脱氢又激活分子氧，兼具脱氢酶和氧化酶的特点，因此，需氧脱氢酶有时也被称为氧化酶。需氧脱氢酶都是以FAD或FMN为辅基，所以，都属于黄素蛋白。典型代表：葡萄糖氧化酶 D-葡萄糖+H2O+O2D-葡萄糖酸+H2O2,三、氧化酶（oxidase）类能够激活分子氧，从而促进氧与底物的结合，使底物被氧直接氧化，但不能从底物上脱氢，这类酶在化学组成上与脱氢酶不同，分子中含有铜离子或铁离子。氰化物和硫化氢对氧化酶具有抑制作用。重要的氧化酶有：细胞色素氧化酶（存在于呼吸链中）、过氧化物酶、过氧化氢酶、酚氧化酶等。,第三节 生物氧化体系,一、生物氧化体系的类型 代谢物在体内的氧化有两种类型：一种不需
7、要电子传递体，另一种需要电子传递体。,需传递体的生物氧化体系这是生物体内的主要氧化体系，由不需氧脱氢酶和多个电子传递体组成。呼吸链是其典型代表。,二、呼吸链 生物氧化体系中的传递体所组成的电子传递体系（electron transport system）称为呼吸链，或叫电子传递链（electron transport chain）。发生在线粒体上。,细胞中存在有两种电子传递链：一种叫NADH传递链，另一种叫FADH2传递链。第一种传递链负责传递以NAD为辅酶的不需氧脱氢酶氧化底物所得来的电子。从NADH至分子氧的整个电子传递过程发生在三个连续的膜结合传递体（复合体、复合体和复合体）上。电子传递
8、的顺序是：代谢物NADH复合体辅酶Q复合体细胞色素c复合体氧P/O = 2.5,第二条传递链负责传递以FAD为辅基的不需氧脱氢酶（琥珀酸脱氢酶是其代表）氧化底物所得来的电子。电子从FADH2到分子氧的传递顺序是：代谢物复合体（FADH2）辅酶Q复合体细胞色素c复合体氧P/O = 1.5两条传递链的后半部分（辅酶Q氧）是相同的。,三、细胞质中NADH的氧化 NAD和NADH都不能通过线粒体内膜，这使得线粒体内和线较体外的这些辅酶库被物理地分开。（NADP、NADPH、CoA和乙酰CoA也一样，由于缺乏专一载体，内膜对它们也不通透）。因此，在胞质里生成的所有NADH必须将电子转运到内膜的电子传递链
9、上去，而不是辅酶本身进入膜内。主要有两个穿梭系统来实现这一目的。,1、甘油-3-磷酸穿梭系统这种穿梭作用越过了NADH脱氢酶（复合体），结果使得NADH合成ATP的数量减少（细胞质中的NADH通过这种穿梭系统将电子传给呼吸链，最终也就只能合成1.5个ATP，与FADH2相同）。,2、苹果酸天冬氨酸穿梭系统净结果是将电子从细胞质的NADH传递到线粒体基质中的NAD上。因此，通过这种传递系统，胞质中NADH氧化所能合成ATP的数量像线粒体中的NADH分子一样是2.5。,第四节 氧化磷酸化作用,磷酸化作用就是指ATP的生成作用。氧化磷酸化是ATP生成的主要方式。分为底物水平磷酸化和电子传递磷酸化（氧
10、化磷酸化）。底物水平磷酸化是指因分子内能量重新排布而生成高能化合物，高能化合物的高能键和磷酸基转移给ADP生成ATP的过程。氧化磷酸化指伴随呼吸链进行的同时，生成ATP的作用。换句话说，ATP的生成和呼吸链的进行是相偶联的。,一、化学渗透偶联学说 按照化学渗透偶联学说的假定，电子传递和氧化磷酸化作用是通过质子浓度梯度偶联起来的。电子在呼吸链中的传递伴随着质子从线粒体基质中的泵出，结果造成线粒体内膜两侧质子浓度的差别（质子浓度梯度），基质中质子的浓度低于膜外侧质子的浓度，同时产生一种膜电势，膜外侧为正。这样一种电化学状态储存了电子传递过程所释放的部分自由能，形成由膜外到膜内的质子迁移力（prot
11、on-motive force）。随后，膜外侧的质子通过特殊的通道返回基质，并推动ATP的合成。,二、P/O比值P/O比值用来表示呼吸作用中每利用1个氧原子所生成ATP的分子数。由于每个氧原子可以接受2个电子，P/O比值相当于1对电子从还原型辅酶（或其他电子供体）经过呼吸链传递到氧时合成ATP的分子数。,实验表明，以NADH作为电子供体时，P/O比值为2.5；以FADH2作为电子供体时P/O比值为1.5。一对电子从NADH传递到氧的过程中共有10个H从线粒体基质中泵出。其中，在复合体的位置泵出4个，复合体的位置泵出4个，复合体的位置泵出2个。每合成一分子ATP需要有3个H从线粒体外返回到基质，
12、同时ADP、Pi进入线粒体和ATP从线粒体中移出相当于一个H进入基质。也就是说每合成一分子ATP共需要314个H返回线粒体基质。所以一个NADH的氧化可产生1042.5个ATP,一对电子从FADH2传递到氧共有6个H从线粒体的基质中泵出。其中，复合体的位置泵出4个，复合体的位置泵出2个。所以FADH2的氧化可产生641.5个ATP。但在细菌中不存在线粒体，没有ATP的转移，少消耗一个H，合成一个ATP只需3个H从细胞质膜外进入细胞质。所以NADH的氧化可产生1033个ATP；FADH2的氧化可产生632个ATP。,三、氧化磷酸化作用的抑制和解偶联一些试剂可以影响氧化磷酸化作用，这些试剂可以分成
13、三种类型：电子传递抑制剂、解偶联剂和氧化磷酸化作用抑制剂。电子传递抑制剂有鱼藤酮、抗霉素、氰化物等，他们对电子传递链中的电子传递体具有抑制作用。电子传递被抑制的结果使底物停止利用，氧气停止消耗。当然，ATP的合成也无法进行。传递和ATP的合成都停止。,解偶联剂，如2,4二硝基苯酚等使电子传递过程与原先紧密相连的氧化磷酸化作用相分离。因此，解偶联剂使电子传递从它的正常受控状态中解放出来，使它在没有ATP合成的情况下进行电子的传递。结果是氧被过量地消耗，底物被不受控制地利用，能量以热的形式散失。传递不停止，ATP的合成停止。,氧化磷酸化抑制剂，如寡霉素等直接抑制ATP的合成。ATP的合成受到抑制后，质子浓度梯度得不到释放，电子传递过程在难以泵出质子时也会慢慢停止。,思考题,1.什么叫生物氧化？有何特点？2.参与生物氧化的酶类有哪些？他们在 化学组成上有何特点？3.简述ATP在能量代谢中的作用。4.化学渗透偶联学说的要点有哪些？ 5.什么叫PO值？有何意义？6.什么叫氧化磷酸化？底物水平磷酸化？,
