第五章 生物氧化
第一节 概述
一、生物氧化,生物体内有机物氧化分解，产生 CO2、
H2O、释放能量的过程。
特点：
1,化学本质上与体外氧化一样。
2,在细胞内进行：常温、常压,pH近中性、多水环境。
3,氧化反应分阶段进行，能量逐步释放：大部分转移到
ATP中去，一部分以热能散发，少量产生 H2O。
4,在酶催化下进行，需要辅因子 /中间传递体。
二、生物氧化中 CO2的生成：
代谢物脱氢、加水 —— >含羧基的化合物
直接脱羧：特殊脱羧酶催化
氧化脱羧：脱羧伴随着氧化 (脱氢 )
三、生物氧化中 H2O 的生成：
代谢物脱下的氢与吸入的氧结合形成水。
四、自由能和氧还电位
五、高能键 水解时释放 >20.92 kJ/mol自由能。
第二节 呼吸链 (respiratory chain)
1,Concept：
呼吸链 是生物体内 氧化还原链 的一种，也叫电子传递
链 (electron-transport chain)。
氧化还原链,由 (被氧化的 )代谢物、供氢体、传递体、最
终受氢体及相应的酶系统组成的代谢途径。
包含,呼吸链、微粒体氧化体系、过氧化物酶氧化体系、
抗坏血酸氧化体系和多酚氧化酶体系 (in plants)。
其中，呼吸链有 ATP产生，将重点讲述。
第二节 呼吸链 (respiratory chain)
1,Concept：
? 呼吸链的 最终受氢体,氧。
?产生 H2O。
? 呼吸链的 中间传递体,H,H+,e三种。
? 呼吸链的 分类：
根据最初供氢体 <辅因子 >的不同，分为两类
NADH+H+ respiratory chain
FADH2 respiratory chain
1,Concept：
1,Concept：
2,components of respiratory chain：
1),Intracellular site
2,components of respiratory chain：
2,components of respiratory chain：
2),5 components:
? 烟酰胺脱氢酶类, 辅酶为 NAD+ \ NADP+
? 黄素脱氢酶类, 辅基 FMN \ FAD
(分别为 NADH脱氢酶 和 琥珀酸脱氢酶 的辅基，都含有 Fe2+)
? Fe S 蛋白, 非血红素的 Fe、对酸不稳定的 S
(单个电子的传递体 )
? 辅酶 Q,唯一的非蛋白成分。广泛存在于生物中的 (?泛醌 )、
脂溶性的酚类物质，侧链以异戊二烯为单位。
递氢体：醌 ?2H?酚
? 细胞色素蛋白 (see also next page)
2,components of respiratory chain：
? 细胞色素蛋白 (cytochromes)
以血红素 (含铁卟啉 )为辅基的色素蛋白，是单个电子的传递体。
o 种类, cyt b,cyt c1,cyt c,cyt aa3。
5种 cyt均 含铁, cyt a3还含 Cu+；除 cyt c外，均与线粒体
(mitochondrion)紧密结合。
o 形成 2个酶,
CoQH2-cyt c 还原酶：含 cyt b,FeS,cyt c。
作用：催化电子由 CoQH2传递给 cyt c。
Cyt c 氧化酶：含 cyt aa3。
作用：将电子由 cyt c 传递给 cyt aa3。
3),Sequences of transporters in respiratory chain
S?NADH?FMN?FeS?CoQ
Succinate?FAD
cyt b?FeS?cyt b1 ?cyt c?cyt aa3?O2Complex II
Complex III Complex IV
Complex I
? Respiratory Chain (see also Fig 6.6 on p189)
4,Product of ATP
3 steps,(3 enzyme complex)
NADH ?CoQ (NADH的电势为 -3.2V)
CoQ ? cyt c
Cyt c ? O2
呼吸链的电位由低到高 (负 ?正 )
还原电势越负，则越容易失去电子。
4,Product of ATP
5,Inhibition of electron transport
?抑制剂的作用部位,(中断电子传递 )
此前为还原状态，此后为氧化状态。
?常见的三类抑制剂及其作用部位：
1) 鱼藤酮、阿米妥、戊巴比妥 (麻醉剂 )
阻断电子由 FMN ? CoQ的传递
2) 抗霉素 A
抑制电子从 cyt b ?cyt c1
2条呼吸链均无 ATP产生
3) 氰化物、叠氮化物,CO,H2S (致命 )
抑制电子从 cyt aa3 ?O2
4,Oxidation of NADH in cytoplasm
? Reason,NADH could not cross through the membrane of
mitochondrion.
? 2 Shuttles,(Fig.)
苹果酸穿梭 (肝脏和心肌细胞 )
3-P甘油穿梭 (肌肉和大脑细胞 )
NB,isoenzyme
第三节 氧化磷酸化作用
(Oxidative phosphorylation)
1,Concept:
1),氧化磷酸化
指代谢物氧化脱下来的 H与 呼吸链的 ADP磷酸化生成 ATP相偶联。
2),分类
A.呼吸链的磷酸化作用 (需要氧 )
B,底物水平的磷酸化作用
(不需要氧，有氧化和非氧化 2种方式 )
3),P/O
每消耗 1mol氧原子所消耗无机 P的 mol数。
4),能荷 (energy charge) (Atkinson,1968)
在总的腺苷酸中所负荷 (含有 )的高能磷酸基的量。
即 [ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]
1,Concept:
2,Mechanism of Oxidative phosphorylation
1),化学渗透假说
2),电子传递和 ATP生成偶联及调节
3),呼吸链磷酸化解偶联及抑制
1),化学渗透假说 (chemiosmotic hypothesis)
Key points of chemiosmotic hypothesis
(Mitchell,1961)
1,呼吸链中的电子传递体在线粒体内膜中有着特定的不对称分布，
递氢体与递电子体是间隔交替排列的，催化反应是定向的。
2,在电子 -氢的传递中，复合物起着质子泵的作用，将 H+从内膜内
侧基质泵向内膜外侧，将 (2e)电子传给其后的电子传递体。
?内膜两侧产生 [H+]差 ?质子浓度梯度、电位梯度 (差 )
3,线粒体内膜对 H+不透性形成质子浓度梯度 (跨膜质子电化学梯
度 )，使内膜内负外正。这种质子电化学梯度是推动 ATP合成的
原动力。
Coupling hypothesis,
chemical or conformational ~ (omitted)
Key points of chemiosmotic hypothesis
(Mitchell,1961) ---- cont.
4,强大的质子流通过镶嵌在线粒体内膜上的 F0F1ATP合成酶 (三联
体 )进入基质时释放的自由能推动 ATP合成。
5,ATP合成酶复合体 结构,
1)头部 F1催化 ATP合成
2)柄部 (OSCP)是能量转换通道，控制质子的流动速度
?对寡酶素蛋白敏感 = = = >？
3)后基部 (F0)横跨线粒体内膜，起到质子通道的作用
?ATP生成与电子传递偶联 。
Experimental evidences for the hypothesis
? 线粒体悬浮于无氧的缓冲液中，通入 O2，介质很快酸化。且每消
耗 1个 O就移出 4个 (底物经 FAD氧化 )或 6个 (底物经 NAD+氧化 )H+。
? 将 (内外翻转的 )线粒体小泡悬浮于无氧的缓冲液中，通入 O2，介
质 pH值上升。
? 质子不能自由穿过线粒体内膜，氧化磷酸化作用要求内膜完整。
跨膜 H+浓度梯度和电位梯度不能形成 (或一旦破坏 )，氧化磷酸化
作用就不能进行 (或受到破坏 )。
? 将嗜盐菌的紫膜蛋白和线粒体 F0F1ATP合成酶嵌入脂质体，悬浮
在含 ADP和 Pi的溶液中，照光，紫膜蛋白会摄取 H+，生成 ATP。
2),电子传递和 ATP生成 偶联及调节
了解 寡酶素 作用机制后，可知 (寡酶素 )抑制 ATP
生成，会间接抑制呼吸链电子传递。
?偶联及其调节
偶联关系,ATP生成必须以电子传递为前提，只有 ATP
生成才能推动电子传递。
生物氧化磷酸化的条件,电子传递,O2,ADP,Pi
cf 能荷
3),呼吸链磷酸化解偶联及抑制
A.解偶联剂
只抑制或破坏 ATP生成，但不抑制电子传递过程。
即泵出的 H+经解偶联剂带回内侧，而不经 ATP合成酶，无 ATP形成。
?能量以热能形式散失。 ----any examples?
如,DNP (2,4二硝基 (苯 )酚 )，可作氢的载体，使 H+返回内膜。
?电子传递可进行，但无 ATP生成 。即 解偶联 。
B.呼吸链磷酸化的抑制剂
直接抑制 ATP生成，间接抑制电子传递
如,寡酶素 (已介绍 )
cf 前述呼吸链的三种抑制剂。
此
两
种
抑
制
剂
对
底
物
水
平
的
磷
酸
化
无
影
响
第一节 概述
一、生物氧化,生物体内有机物氧化分解，产生 CO2、
H2O、释放能量的过程。
特点：
1,化学本质上与体外氧化一样。
2,在细胞内进行：常温、常压,pH近中性、多水环境。
3,氧化反应分阶段进行，能量逐步释放：大部分转移到
ATP中去，一部分以热能散发，少量产生 H2O。
4,在酶催化下进行，需要辅因子 /中间传递体。
二、生物氧化中 CO2的生成：
代谢物脱氢、加水 —— >含羧基的化合物
直接脱羧：特殊脱羧酶催化
氧化脱羧：脱羧伴随着氧化 (脱氢 )
三、生物氧化中 H2O 的生成：
代谢物脱下的氢与吸入的氧结合形成水。
四、自由能和氧还电位
五、高能键 水解时释放 >20.92 kJ/mol自由能。
第二节 呼吸链 (respiratory chain)
1,Concept：
呼吸链 是生物体内 氧化还原链 的一种，也叫电子传递
链 (electron-transport chain)。
氧化还原链,由 (被氧化的 )代谢物、供氢体、传递体、最
终受氢体及相应的酶系统组成的代谢途径。
包含,呼吸链、微粒体氧化体系、过氧化物酶氧化体系、
抗坏血酸氧化体系和多酚氧化酶体系 (in plants)。
其中，呼吸链有 ATP产生，将重点讲述。
第二节 呼吸链 (respiratory chain)
1,Concept：
? 呼吸链的 最终受氢体,氧。
?产生 H2O。
? 呼吸链的 中间传递体,H,H+,e三种。
? 呼吸链的 分类：
根据最初供氢体 <辅因子 >的不同，分为两类
NADH+H+ respiratory chain
FADH2 respiratory chain
1,Concept：
1,Concept：
2,components of respiratory chain：
1),Intracellular site
2,components of respiratory chain：
2,components of respiratory chain：
2),5 components:
? 烟酰胺脱氢酶类, 辅酶为 NAD+ \ NADP+
? 黄素脱氢酶类, 辅基 FMN \ FAD
(分别为 NADH脱氢酶 和 琥珀酸脱氢酶 的辅基，都含有 Fe2+)
? Fe S 蛋白, 非血红素的 Fe、对酸不稳定的 S
(单个电子的传递体 )
? 辅酶 Q,唯一的非蛋白成分。广泛存在于生物中的 (?泛醌 )、
脂溶性的酚类物质，侧链以异戊二烯为单位。
递氢体：醌 ?2H?酚
? 细胞色素蛋白 (see also next page)
2,components of respiratory chain：
? 细胞色素蛋白 (cytochromes)
以血红素 (含铁卟啉 )为辅基的色素蛋白，是单个电子的传递体。
o 种类, cyt b,cyt c1,cyt c,cyt aa3。
5种 cyt均 含铁, cyt a3还含 Cu+；除 cyt c外，均与线粒体
(mitochondrion)紧密结合。
o 形成 2个酶,
CoQH2-cyt c 还原酶：含 cyt b,FeS,cyt c。
作用：催化电子由 CoQH2传递给 cyt c。
Cyt c 氧化酶：含 cyt aa3。
作用：将电子由 cyt c 传递给 cyt aa3。
3),Sequences of transporters in respiratory chain
S?NADH?FMN?FeS?CoQ
Succinate?FAD
cyt b?FeS?cyt b1 ?cyt c?cyt aa3?O2Complex II
Complex III Complex IV
Complex I
? Respiratory Chain (see also Fig 6.6 on p189)
4,Product of ATP
3 steps,(3 enzyme complex)
NADH ?CoQ (NADH的电势为 -3.2V)
CoQ ? cyt c
Cyt c ? O2
呼吸链的电位由低到高 (负 ?正 )
还原电势越负，则越容易失去电子。
4,Product of ATP
5,Inhibition of electron transport
?抑制剂的作用部位,(中断电子传递 )
此前为还原状态，此后为氧化状态。
?常见的三类抑制剂及其作用部位：
1) 鱼藤酮、阿米妥、戊巴比妥 (麻醉剂 )
阻断电子由 FMN ? CoQ的传递
2) 抗霉素 A
抑制电子从 cyt b ?cyt c1
2条呼吸链均无 ATP产生
3) 氰化物、叠氮化物,CO,H2S (致命 )
抑制电子从 cyt aa3 ?O2
4,Oxidation of NADH in cytoplasm
? Reason,NADH could not cross through the membrane of
mitochondrion.
? 2 Shuttles,(Fig.)
苹果酸穿梭 (肝脏和心肌细胞 )
3-P甘油穿梭 (肌肉和大脑细胞 )
NB,isoenzyme
第三节 氧化磷酸化作用
(Oxidative phosphorylation)
1,Concept:
1),氧化磷酸化
指代谢物氧化脱下来的 H与 呼吸链的 ADP磷酸化生成 ATP相偶联。
2),分类
A.呼吸链的磷酸化作用 (需要氧 )
B,底物水平的磷酸化作用
(不需要氧，有氧化和非氧化 2种方式 )
3),P/O
每消耗 1mol氧原子所消耗无机 P的 mol数。
4),能荷 (energy charge) (Atkinson,1968)
在总的腺苷酸中所负荷 (含有 )的高能磷酸基的量。
即 [ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]
1,Concept:
2,Mechanism of Oxidative phosphorylation
1),化学渗透假说
2),电子传递和 ATP生成偶联及调节
3),呼吸链磷酸化解偶联及抑制
1),化学渗透假说 (chemiosmotic hypothesis)
Key points of chemiosmotic hypothesis
(Mitchell,1961)
1,呼吸链中的电子传递体在线粒体内膜中有着特定的不对称分布，
递氢体与递电子体是间隔交替排列的，催化反应是定向的。
2,在电子 -氢的传递中，复合物起着质子泵的作用，将 H+从内膜内
侧基质泵向内膜外侧，将 (2e)电子传给其后的电子传递体。
?内膜两侧产生 [H+]差 ?质子浓度梯度、电位梯度 (差 )
3,线粒体内膜对 H+不透性形成质子浓度梯度 (跨膜质子电化学梯
度 )，使内膜内负外正。这种质子电化学梯度是推动 ATP合成的
原动力。
Coupling hypothesis,
chemical or conformational ~ (omitted)
Key points of chemiosmotic hypothesis
(Mitchell,1961) ---- cont.
4,强大的质子流通过镶嵌在线粒体内膜上的 F0F1ATP合成酶 (三联
体 )进入基质时释放的自由能推动 ATP合成。
5,ATP合成酶复合体 结构,
1)头部 F1催化 ATP合成
2)柄部 (OSCP)是能量转换通道，控制质子的流动速度
?对寡酶素蛋白敏感 = = = >？
3)后基部 (F0)横跨线粒体内膜，起到质子通道的作用
?ATP生成与电子传递偶联 。
Experimental evidences for the hypothesis
? 线粒体悬浮于无氧的缓冲液中，通入 O2，介质很快酸化。且每消
耗 1个 O就移出 4个 (底物经 FAD氧化 )或 6个 (底物经 NAD+氧化 )H+。
? 将 (内外翻转的 )线粒体小泡悬浮于无氧的缓冲液中，通入 O2，介
质 pH值上升。
? 质子不能自由穿过线粒体内膜，氧化磷酸化作用要求内膜完整。
跨膜 H+浓度梯度和电位梯度不能形成 (或一旦破坏 )，氧化磷酸化
作用就不能进行 (或受到破坏 )。
? 将嗜盐菌的紫膜蛋白和线粒体 F0F1ATP合成酶嵌入脂质体，悬浮
在含 ADP和 Pi的溶液中，照光，紫膜蛋白会摄取 H+，生成 ATP。
2),电子传递和 ATP生成 偶联及调节
了解 寡酶素 作用机制后，可知 (寡酶素 )抑制 ATP
生成，会间接抑制呼吸链电子传递。
?偶联及其调节
偶联关系,ATP生成必须以电子传递为前提，只有 ATP
生成才能推动电子传递。
生物氧化磷酸化的条件,电子传递,O2,ADP,Pi
cf 能荷
3),呼吸链磷酸化解偶联及抑制
A.解偶联剂
只抑制或破坏 ATP生成，但不抑制电子传递过程。
即泵出的 H+经解偶联剂带回内侧，而不经 ATP合成酶，无 ATP形成。
?能量以热能形式散失。 ----any examples?
如,DNP (2,4二硝基 (苯 )酚 )，可作氢的载体，使 H+返回内膜。
?电子传递可进行，但无 ATP生成 。即 解偶联 。
B.呼吸链磷酸化的抑制剂
直接抑制 ATP生成，间接抑制电子传递
如,寡酶素 (已介绍 )
cf 前述呼吸链的三种抑制剂。
此
两
种
抑
制
剂
对
底
物
水
平
的
磷
酸
化
无
影
响
