生物化学：5 第五章 生物氧化
生物化学5生物能学与生物氧化
生物能学与生物氧化代谢总论营养物质进入体内，转变为生物体内自身的分子以及生命活动中所需的物质和能量等等。
营养物质在生物体内所经历的一切化学变化总称新陈代谢新城代谢靠酶催化，都有其特殊的调节机制。
ATP的合成反应在线粒体上进行的，而ATP的供能反应大多是在细胞溶胶内进行的。
物质分解代谢产生ATP的的过程大致可分为三个阶段，第一个阶段由营养物的大分子分解为较小的分子，第二个阶段是由各种小分子进一步转化成少数几种共同物质，第三个阶段由柠檬酸循环和氧化磷酸化两个个共同代谢途径组成，这个阶段是形成ATP的主要阶段ATP在提供能量时，在ATP远端的那个磷酸基团水解成无极磷酸分子，ATP分子失掉一个磷酰基而变成腺苷二磷酸（ADP）。
腺苷二磷酸又可以在捕获能量的前提下，再与无极磷酸结合形成ATP。
ATP分子一旦形成就马上被利用掉，所以严格的说ATP并不是能量的储存形式，而是一种传递能量的分子。
递能作用由营养物质分解大写释放出的化学能，除了通过合成APP的途径捕获外，还有另外一种途径就是以氢原子和电子的形式将自由能转移给生物合成的需能反应。
这种具有高能的氢原子是由脱氢反应形成的。
脱氢酶催化物质的脱氢反应，将脱下的氢原子和电子传递给一类特殊能接受这种氢原子和电子的辅酶，叫做辅酶一或辅酶二FMN，译名为黄素腺嘌呤单核甘酸，FAD 译名黄素嘌呤二核苷酸，它们是另一类在传递电子和氢原子中起作用的载体。
FMN和FAD都能接受两个电子和两个氢原子，它们在氧化还原反应当中，特别是在氧化呼吸链中起着传递电子和氢原子的作用辅酶 A 简写为CoＡ，分子中含有腺嘌呤、Ｄ－核糖、磷酸、焦磷酸、泛酸和巯基乙胺。
巯基是ＣｏＡ的活泼基团，它在酶促转乙酰基的反应中个，起着接受或提供乙酰基的作用。
乙酰基和辅酶 A 是通过一个硫脂键结合的。
这个硫脂键与ATP的高能磷酸键类似，在水解时能放出大量热量，因此乙酰辅酶A具有高的乙酰基转移势能。
乙酰辅酶A 携带的乙酰基不是一般的乙酰基，而是活泼的乙酰基团。
人卫版生物化学 第5章 生物氧化
目录
三、生物氧化过程中CO2的生成 生物氧化过程中CO
（一）α单纯脱羧 （二）α 氧化脱羧 （三）β单纯脱羧 （四）β 氧化脱羧
目录
第二节 生物氧化过程中水的生成
目录
*、呼吸链 、
定义 代谢物脱下的成对氢原子（ ） 代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过 多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递， 多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递， 最终与氧结合生成水， 最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶 称为呼吸链 又称电子传递链 在线粒体 呼吸链又称 电子传递链。 称为 呼吸链 又称 电子传递链 。 (在线粒体 内膜上为多酶体系) 内膜上为多酶体系
目录
(一) NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶类
H
氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。 氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。
目录
（二）黄素蛋白：辅基分为FMN或FAD。 黄素蛋白：辅基分为 或 。 FMN与FAD结构中含核黄素，发挥功能的部位是 结构中含核黄素， 与 结构中含核黄素 异咯嗪环，可进行可逆的加氢或脱氢。 异咯嗪环，可进行可逆的加氢或脱氢。
目录
二、参与生物氧化的酶类
（一）、氧化酶类 ）、氧化酶类
催化代谢物脱氢，直接交给O 生成H 催化代谢物脱氢，直接交给O2生成H2O。亚基含有铁 铜离子。 铜离子。
（二）、需氧脱氢酶 ）、需氧脱氢酶
催化代谢物脱氢，直接交给O 生成H 催化代谢物脱氢，直接交给O2生成H2O2。辅基是 FMN、FAD。 FMN、FAD。
O2 CO2和H2O ADP+Pi
能量
ATP
热能
目录
* 生物氧化的一般过程
糖原 脂肪 蛋白质
葡萄糖
第五章 生物氧化(含答案)
20. 过氧化氢酶催化_____ 与_____ 反应，生成和_____ 。
21. 黄嘌呤氧化酶以 _____为辅基，并含有_____ 和 _____，属于金属黄素蛋白酶。它能催化和生成尿酸。
15 .以亚铁原卟啉为辅基的细胞色素有 _____、_____ 、_____ 。以血红素 A 为辅基的细胞色素是 _____。
16. 惟有细胞色素_____ 和_____ 辅基中的铁原子有 _____个结合配位键，它还留_____ 个游离配位
键，所以能和 _____结合，还能和 _____、 _____结合而受到抑制。
（ ） （ ） （ ）
7. 解释氧化磷酸化作用机制被公认的学说是 _____，它是英国生物化学家 _____于 1961呼吸链组分定位于膜上。其递氢体有_____ 作用，因而造成膜
两侧的_____ 差，同时被膜上 _____合成酶所利用，促使 ADP ＋ Pi → ATP 。
1) Pro-Gly-Lys 3) Lys-Gly-Pro
2) Lys-Pro-Gly 4) Pro-Lys-Gly
3. 下列哪一个氨基酸不能使偏振光旋转？
1) 亮氨酸 2) 甘氨酸 3) 丙氨酸 4) 丝氨酸
4. 下列哪组氨基酸只含有非必需氨基酸？
1) 赖氨酸和丙氨酸 2) 碱性氨基酸
3) 具分支的氨基酸 4) 酸性氨基酸
9 .呼吸链中氧化磷酸化生成 ATP 的偶联部位是 _____、_____ 和 _____。
10 .绿色植物生成 ATP 的三种方式是_____ 、 _____和_____ 。
11 .细胞色素 P 450 是由于它与 结合后，在处出现_____ 峰而命名的，它存在于 _____中，通常
生物化学生物氧化ppt课件
一.生物氧化
第一节 生物氧化概述
(一)生物氧化(biological oxidation)：糖、脂、蛋白质等有机
物质在活细胞内氧化分解，产生CO O并放出能量的
作用称生物氧化。
22
特点：一系列酶引起的,在活细胞内发生氧化还原反应。
反应部位：真核线粒体、原核细胞膜
(二)生物氧化的方式 1.CO2的生成 脱羧作用：α脱羧和β脱羧两种类型 脱羧过程：氧化脱羧 直接脱羧 (1) α直接脱羧 丙酮酸脱羧反应 (2) β直接脱羧 草酰乙酸脱羧反应 (3) α氧化脱羧 丙酮酸氧化脱羧反应 (4) β氧化脱羧 苹果酸氧化脱羧反应
第三节 其他生物氧化体系
非线粒体氧化体系，与ATP的生成无关
一、需氧脱氢酶
氧、亚甲蓝（或其他适当物质）作为受氢体，以FMN 或FAD为辅酶。儿茶酚氧化酶，含铜的末端氧化酶。 马铃薯块茎、苹果果实、茶叶等。制红茶、绿茶。
图5-36 多酚氧化酶系统
图5-1几种物质脱羧反应
? 2.水的生成 ? H 脱氢酶 传递体和氧化酶
O2 生成H2O
图5-2 生物氧化体系
二.能量守恒与转化
(一)自由能的概念 自由能(free energy)：在一个体系中，能够用来做有用功的
那部份能量，又称Gibbs自由能，用符号G来表示。 (二)氧化还原电位
通常用氧化还原电极电位(氧化还原电势)来相对表示各化合 物对电子亲和力的大小。
电极电位大小及各种因素的影响用奈斯特方程来表示，其方 程为:
E′=Eo′+
RT nF
In
C氧化态 C还原态
(三)氧化还原电位与自由能的关系 △Go'=-nF △Eo'
三. 高能磷酸化合物
生物化学__生物氧化
生物氧化（一）名词解释1．生物氧化2．呼吸链3．底物水平磷酸化（一）名词解释1．生物氧化：生物体内有机物质氧化而产生大量能量的过程称为生物氧化。
生物氧化在细胞内进行，氧化过程消耗氧放出二氧化碳和水，所以有时也称之为“细胞呼吸”或“细胞氧化”。
生物氧化包括：有机碳氧化变成CO2；底物氧化脱氢、氢及电子通过呼吸链传递、分子氧与传递的氢结成水；在有机物被氧化成CO2和H2O的同时，释放的能量使ADP转变成ATP。
2．呼吸链：有机物在生物体内氧化过程中所脱下的氢原子，经过一系列有严格排列顺序的传递体组成的传递体系进行传递，最终与氧结合生成水，这样的电子或氢原子的传递体系称为呼吸链或电子传递链。
电子在逐步的传递过程中释放出能量被用于合成ATP，以作为生物体的能量来源。
3．氧化磷酸化：在底物脱氢被氧化时，电子或氢原子在呼吸链上的传递过程中伴随ADP 磷酸化生成ATP的作用，称为氧化磷酸化。
氧化磷酸化是生物体内的糖、脂肪、蛋白质氧化分解合成ATP的主要方式。
5．底物水平磷酸化：在底物被氧化的过程中，底物分子内部能量重新分布产生高能磷酸键（或高能硫酯键），由此高能键提供能量使ADP（或GDP）磷酸化生成A TP（或GTP）的过程称为底物水平磷酸化。
此过程与呼吸链的作用无关，以底物水平磷酸化方式只产生少量ATP。
(二) 填空题1．生物氧化有3种方式：____脱氢_____、_脱电子__________和_____与氧结合_____ 。
2．生物氧化是氧化还原过程，在此过程中有___酶；______、______辅酶；___和_____电子传递体___ 参与。
7．生物体内高能化合物有___焦磷酸化合物；；；______、___酰基磷酸化合物______、____烯醇磷酸化合物；_____、__胍基磷酸化合物；_______、____硫酯化合物_____、______甲硫键化合物___等类。
8．细胞色素a的辅基是____血红素A；_____与蛋白质以_____非共价____键结合。
生物化学第五章生物氧化
1、NADH-Q还原酶（复合体Ⅰ）
功能：将电子从NADH传递给CoQ
复合体Ⅰ NADH→FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2
辅基：FMN，铁硫蛋白
→CoQ
2、复合体Ⅱ：琥珀酸- CoQ还原酶
功能：将电子从琥珀酸传递给CoQ
复合体Ⅱ 琥珀酸→ Fe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 →CoQ
NADH +H+
H
+
H3N
-
-
OOC-CH2-CH2-C-COO
H
苹果酸 脱氢酶
NAD+
O -OOC-CH 2-CH2-C-COO -
谷氨酸-天冬 氨酸转运体
+
H3N
-
-
OOC-CH2-C-COO
H 天冬氨酸
呼吸链
O
+
H3N
-OOC-CH 2-C-COO -
-
-
OOC-CH2-CH2-C-COO
线
谷氨酸
定义式：ΔＧ=ΔH-TΔS 物理意义：－ΔＧ＝Ｗ ΔG<0，反应能自发进行 ΔG=0，反应处于平衡状态 ΔG>0，反应不能自发进行
2、标准自由能变化与平衡常数的关系
A + B == C + D ΔG′=ΔG°′+ RTlnQc (Qc-浓度商) ΔG°′= - RTlnKeq 例：磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化
生物氧化与体外氧化之相同点
生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、 失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。
物质在体外氧化时所消耗的氧量、最终产物 （CO2、H2O）和释放的能量均相同。
5 生物氧化
生物氧化和氧化磷酸化知识要点生物氧化的实质是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧生成CO2和H2O，与体外有机物的化学氧化（如燃烧）相同，释放总能量都相同。
生物氧化的特点是：作用条件温和，通常在常温、常压、近中性pH及有水环境下进行；有酶、辅酶、电子传递体参与，在氧化还原过程中逐步放能；放出能量大多转换为ATP 分子中活跃化学能，供生物体利用。
体外燃烧则是在高温、干燥条件下进行的剧烈游离基反应，能量爆发释放，并且释放的能量转为光、热散失于环境中。
（一）高能磷酸化合物生物体内有许多磷酸化合物，其磷酸基团水解时可释放出20.92kJ／mol以上自由能的化合物称为高能磷酸化合物。
按键型的特点可分为：1．磷氧键型：焦磷酸化合物如腺三磷（ATP）是高能磷酸化合物的典型代表。
ATP磷酸酐键水解时，释放出30.54kJ／mol能量，它有两个高能磷酸键，在能量转换中极为重要；酰基磷酸化合物如1,3二磷酸甘油酸以及烯醇式磷酸化合物如磷酸烯醇式丙酮酸都属此类。
2．磷键型化合物如磷酸肌酸、磷酸精氨酸。
3．酯键型化合物如乙酰辅酶A。
4．甲硫健型化合物如S-腺苷甲硫氨酸。
此外，脊椎动物中的磷酸肌酸和无脊椎动物中的磷酸精氨酸，是ATP的能量贮存库，作为贮能物质又称为磷酸原。
（二）电子传递链电子传递链是在生物氧化中，底物脱下的氢（H+ + eˉ），经过一系列传递体传递，最后与氧结合生成H2O的电子传递系统，又称呼吸链。
呼吸链上电子传递载体的排列是有一定顺序和方向的，电子传递的方向是从氧还电势较负的化合物流向氧化还原电势较正的化合物，直到氧。
氧是氧化还原电势最高的受体，最后氧被还原成水。
电子传递链在原核细胞存在于质膜上，在真核细胞存在于线粒体的内膜上。
线粒体内膜上的呼吸链有NADH呼吸链和FADH2呼吸链。
1．构成电子传递链的电子传递体成员分五类：（1）烟酰胺核苷酸（NAD＋）多种底物脱氢酶以NAD＋为辅酶，接受底物上脱下的氢成为还原态的NADH+ ＋H＋，是氢（H＋和eˉ）传递体。
生物化学(生物氧化)
程为:
E′=Eº′+
RT
C氧化态
nF In C还原态
(三)氧化还原电位与自由能的关系
△Gº’=-nF △Eº’
三. 高能磷酸化合物
(一)高能磷酸化合物的概念
高能磷酸化合物：一般将水解时释放20.9KJ/mol以上自由 能的化合物称之，含有高能量的键称为高能键，常 用” ～” 符号表示，典型的代表是三磷酸腺苷(ATP)含有 两个高能键。
二、三羧酸循环生成的ATP
乙酰CoA＋3NAD+＋FAD ＋ GDP＋Pi＋2H2O→
CO2＋3NADH＋FADH2＋GTP＋2H+＋CoASH 每个分子G彻底氧化为H2O和CO2，共能产生： 5（或7）＋12.5×2＝30（或32）分子ATP
三、三羧酸循环的回补反应
草酰乙酸的回补反应
1、丙酮酸的羧化 图6-25 丙酮酸的羧化
(二)呼吸链 呼吸链(respiratory chain,电子传递链ETC):指代谢物上
脱下的氢(质子和电子)经一系列递氢体或电子传递体按对电 子亲和力渐渐升高的顺序依次传递，最后传给分子氧而生 成水的全部体系。
NADH呼吸链
呼吸链
FADH2呼吸链
图5-17 NADH呼吸链（A）和FADH2呼吸链（B）
第五章 生物氧化
第一节 生物氧化概述 一.生物氧化 (一)生物氧化(biological oxidation)：糖、脂、蛋白质等有机 物质在活细胞内氧化分解，产生CO2和H2O并放出能量的 作用称生物氧化。
特点：一系列酶引起的,在活细胞内发生氧化还原反应。 反应部位：真核线粒体、原核细胞膜
(二)生物氧化的方式 1.CO2的生成 脱羧作用：α 脱羧和β 脱羧两种类型 脱羧过程：氧化脱羧 直接脱羧 (1) α 直接脱羧 丙酮酸脱羧反应 (2) β 直接脱羧 草酰乙酸脱羧反应 (3) α 氧化脱羧 丙酮酸氧化脱羧反应 (4) β 氧化脱羧 苹果酸氧化脱羧反应
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第一节 生物氧化概述
一、生物氧化
生物氧化(biological oxidation)：有 机物在生物细胞内进行氧化分解而生成CO2和 H2O并释放能量形成ATP的过程。
生物氧化又称细胞氧化或细胞呼吸
1、CO2的生成
（1）直接脱羧
O
O
‖
丙酮酸脱羧酶
‖
CH3 C COOH
CH3 C H + CO2
（2）氧化脱羧
G + O2
糖 类 的 分 解 代 谢
CO2 + H2O + ATP
G EMP
2ATP 2NADH+H+
2丙酮酸 2NADH+H+
2CO2 2乙酰CoA6NADH+H+ 、
TCA
2FADH2
2GTP 4CO2
第五章 生物氧化与氧化磷酸化(P171)
第一节 生物氧化概述 第二节 电子传递链（ 呼吸链） 第三节 氧化磷酸化 第b、Cytc1 、Cytc 辅基:血红素
Cyta、Cyta3
辅基:血红素A， 还含有两个必 需的铜离子
典型的细胞色素传递顺序是：b c1 c aa3 o2
17个碳的碳氢链
2
3
1
4
共同
8
5
7
6
卟啉环
Cyta类中的血红素A
Cytb 、c类中的血红素
（二）电子传递中的功能复合体
参与线粒体电子传递的组分以功能复合 体的形式位于线粒体内膜上进行电子和质 子的传递与跨膜转移，共包括四类功能复 合体，分别为复合物I，复合物II，复合物 III，复合物IV。
第二节 电子传递链（ 呼吸链）
(Electron Transport System, ETS)
一、概念
ETS：存在于线粒体内膜上的一系列能 接受氢或电子的中间传递体组成的链式反 应体系。
根据呼吸底物上氢的初始受体的不同， 线粒体内呼吸链可分为：
NADH呼吸链 FADH2呼吸链
二、电子传递链的组成
作用：通过铁的价态变化而传递电子
3、辅酶Q（又称泛醌，CoQ）
ETS上唯一的非蛋白组分，是脂溶性小 分子醌类化合物。
CH3O CH3O
O
OH
CH3 2 H++ 2 e CH3O
CH3
R
CH3O
R
O
OH
作用：传递质子和电子
4、细胞色素类（Cyt）
一类以铁卟啉为辅基的色素蛋白 作用：通过辅基中铁的价态变化而传递电子
各组分氧化还原电位
(-0.32) (-0.30) (-0.02) ( 0.10) ( 0.00) ( 0.04) (0.22)
1、复合物I ：NADH-CoQ还原酶
组成：FMN+铁硫蛋白，功能为电子传递和 质子的跨膜转移
2、复合物II ：琥珀酸-CoQ还原酶
组成：FAD+铁硫蛋白，功能为电子传递
Ⅱ
3 2
3、复合物III ：细胞色素C还原酶
组成：Cytb+Fe-S+ Cytc1，功 能为电子传递及质子跨膜转移
4、复合物IV ：细胞色素氧化酶 组成：Cyta+ Cyta3+含铜蛋白
大量的自由能≥20.92 KJ.mol-1 (5 Kcal. mol-1)
∽ - 高能键（ high-energy bond） 不稳定键
（一）高能化合物的类型
1、高能磷酸化合物 根据其键型有磷氧型和磷氮型 （1）磷氧键型：ATP，1,3-DPGA （2）磷氮键型：肌酸 2、高能非磷酸化合物（硫碳键型）
能荷是细胞能量状态的一种度量。由 Atkinson于1968年提出。
能荷：是指生物体中ATP-ADP-AMP体 系中高能磷酸键的可获性量度。
[ATP] + 0.5[ADP] 能荷 =
[ATP] + [ADP] + [AMP]
意义：
1、能荷高时，促进合成代谢抑制分解代谢 2、能荷低时，促进分解代谢抑制合成代谢 3、能荷的调节是靠ATP、ADP、AMP对代谢中 酶的变构调节实现的
※三、电子传递链的顺序
ⅠNADH-CoQ还原酶
Ⅲ细胞色素还原酶
NADH+H+→FMN→ Fe-S→CoQ→Cytb→Fe-S→Cytc1 NADH呼吸链
Ⅱ琥珀酸CoQ还原酶
Fe-S FAD
Cytc
Ⅳ细胞色 素氧化酶
Cytaa3
琥珀酸
O2
FADH2呼吸链
研究方法
(1) 测各组分氧化还原电位（E0’） (2) 呼吸链复合物重组 (3) 利用光谱变化确定各组分的氧化还原状态 (4)利用呼吸链抑制剂
∆Ｇ＜０，反应体系不平衡，反应自发进行（放能） ∆Ｇ＝０，反应体系平衡 ∆Ｇ＞０，体系不平衡，不能自发进行，需供给能
量才能进行（吸能）
氧化－还原电位与自由能的关系
-∆ＧƟ’＝nF∆E0’ n为转移电子的摩尔数 F为法拉利常数 ∆E0为标准氧化还原电位的变化
三、高能化合物（P177)
高能化合物：在生化反应中，在水解或 基团转移反应中可释放出大量的自由能的 化合物。
（一）电子传递链的组分
1、黄素蛋白类（FP）
包括NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶，分别 以 FMN、FAD为辅基
NADH + H+ + FMN NADH脱氢酶 NAD+ + FMNH2 琥珀酸 + FAD 琥珀酸脱氢酶延胡索酸 + FADH2
作用：传递电子和质子
2、铁硫蛋白（Fe-S）
它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式 存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机 硫和两个铁原子。
2、ATP与其它NTP的相互转变 其它NTP，如GTP（蛋白质的合成），CTP （磷脂的合成）的合成需由ATP供能
3、ATP是磷酸基团转移载体
16
14 1,3-DPGA
12 10
~P
~P
~P
8
ATP
磷酸肌酸 （磷酸基团储备物）
6
~P
4
~P
G-6-P
2
G-3-P
ATP作为磷酸基团传递体示意图
四、能荷 （P191）
丙酮酸 + CO2 苹果酸E 苹果酸 苹果酸脱氢E OAA NADPH.H+ NADP+ NAD+ NADH.H+
2、生物氧化中H2O的生成
在脱氢酶、传递体、氧化酶组成的体系 催化下生成。
AH2
脱氢酶 氢传递体 -2H
2e-电子传递体 氧化酶 1/2O2
2H+
O2-
H2O
二、生化反应中自由能的变化
乙酰COA,琥珀酰COA
（二）ATP的结构与功能
生物氧化 ~P
ATP
肌酸 磷酸 肌酸
ADP
生物体内能 量的储存和利用 都以ATP为中心。
~P 机械能(肌肉收缩) 渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢) 电能(生物电) 热能(维持体温)
1、ATP是生物体内的“能量货币”
（1）ATP的结构特点决定其易于水解放能 （2）ATP的分解与合成与能量偶联