生物化学--生物氧化
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生物化学--生物氧化
脱电子 Fe2+
Fe3+ + e
生物氧化中的CO2的生成
绝大部分有机物生物氧化中的CO2生成是经 ？ 中的脱羧作用产生的。
答案：三羧酸循环
其他一些CO2产生途径如： 糖异生
草酰乙酸 + GTP → PEP +GDP + CO2 氨基酸脱羧
NH2
脱羧酶
NH2
R C COOH
R C H + CO2
磷酸烯醇式丙酮 酸羧激酶
COCOOH
GTP
GDP
β-氧化脱羧：
CH2 CO～ P + CO2 COOH
CHOH－COOH CH－COOH CH2－COOH
异柠檬酸脱氢酶
CO－COOH CH2
NAD+
NADH+H+ CH2－COOH
+CO2
生物氧化中H2O的生成
真核生物线粒体内膜上的电子传递链作用下产生
化合物
磷酸烯醇式丙酮酸 氨基甲酰磷酸
kJ/mol －61.9 －51.4
△E0′
(kcal/mol) (－14.8) (－12.3)
1，3-二磷酸甘油酸 磷酸肌酸
ATP →ADP＋Pi 乙酰辅酶A
ADP →AMP＋Pi 焦磷酸
1-磷酸葡萄糖
－49.3 －43.1 －30.5 －31.5 －27.6 －27.6 －20.9
线粒体结构模式图
二、ATP
NH2
NN
O- OOPγ～- O
OP～β O O-
O Pα O-
O CH2
N O
N
OH OH AM P ADP
ATP
高能磷酸键与高能磷酸化合物
生物化学第五章 生物氧化
2、氧化磷酸化：代谢物脱下的氢经电
子传递链与氧结合成水的同时，逐步 释放出能量，使ADP磷酸化为ATP的
过程。
氧化磷酸化偶联部位
ATP
ATP
ATP
40
α-磷酸甘油穿梭：
胞液
CH2OH
线粒体膜
基质
1 O 2 2
NADH + +H
C O CH2O P CH2OH
CoQH 2 FAD CoQ
2~ P H2O
*通过苹果酸穿梭系统，一对氢原子可产生3分 子ATP
三、氧化磷酸化中ATP生成的基础
ATP合酶的分子结构
线粒体膜间隙 线粒体内膜
线粒体基粒
四、 氧化磷酸化的偶联机理 1、化学渗透假说：
电子经呼吸链传递时，可将质子 （H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内 膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯 度储存能量。当质子顺浓度梯度回流 时驱动ADP与Pi生成ATP。
功能：递氢体
（三）铁硫蛋白 辅基：铁硫簇(Fe-S)
Fe-S含有等量铁原子和硫原子 ，其中铁原子可进行
Fe2+ Fe3++e 反应传递电子。
功能：电子传递体
Ⓢ 表示无机硫
铁硫蛋白
S
无机硫
S
半胱氨酸硫
（四）泛醌（CoQ）
O H3CO CH3 CH3 H3CO O (CH2 CH C CH2)nH
76
Cyt的功能： 电子传递体
参与铁硫蛋白 的电子传递过程
在呼吸链的NAD+、FMN、CoQ和
Fe-S几种电子传递体中不与蛋白质 结合的电子载体是CoQ。
四种具有传递电子功能的酶复合体 人线粒体呼吸链复合体
基础生物化学-生物氧化
内膜约含 80％的蛋白质，包括电子传递链和氧 化磷酸化的有关组分，是线粒体功能的主要 担负者 。 线粒体 的内腔 充满半流动的基质 （衬质），其中包含大量的酶类以及线粒体 DNA和核糖体。 线粒体基质酶类包括 TCA酶类、脂肪酸-氧化 酶类和氨基酸分解代谢酶类。
哺乳动物线粒体 DNA 为环状分子，编码包括 细胞色素氧化酶、细胞色素 b 和 F0 疏水亚基 在内的10多种蛋白质，约占内膜总蛋白质的 20％，其余的蛋白质均由核基因编码，在细 胞质中合成后运入线粒体。 线粒体内膜的内表面有一层排列规则的球形颗 粒，通过一个细柄与构成嵴的内膜相连接， 这就是ATP合酶(偶联因子F1-F0)。
6.1.1.3 生物氧化中CO2和H2O的生成 ① CO2的生成 代谢底物在酶的作用下经一系列脱氢、加水等 反应，转变为含羧基的化合物，经脱羧反应 生成CO2，包括直接脱羧和氧化脱羧。
② H2O的生成 生物氧化中底物脱下的氢与氧结合生成水。
6.1.2 生物氧化的自由能变化 6.1.2.1 自由能概念 生物体不能直接利用热能做动，在生命活动过 程中所需的能量都来自体内生化反应释放的 自由能。 自由能(free energy) ：在恒温、恒压条件下一 个体系可用于做有用功的能量。又称Gibbs自 由能，以G表示。
②黄素蛋白(flavoproteins) 与电子传递链有关的黄素蛋白有两种，分别以 FMN和FAD为辅基。
在FAD、FMN分子中的异咯嗪部分可进行可逆 的脱氢加氢反应。氧化型黄素辅基从NADH接 受两个电子和一个质子，或从底物(如琥珀酸) 接受两个电子和两个质子而还原： NADH+H++FMN=NAD++FMNH2 琥珀酸+FAD=延胡索酸+FADH2
生物化学第六章 生物氧化(共77张PPT)
O O- P
O-
O O P O-
O-
NH2
N
N
焦磷酸
ATP（三磷酸腺苷） 千卡/摩尔
O O- P
O-
O O- P
O-
O O- P
O-
NN OCH2 O
HH
H
H
OH OH
（3）烯醇式磷酸化合物
COOH O CO PO CH2 O
磷酸烯醇式丙酮酸
千卡/摩尔
2.氮磷键型
O
NH
PO
C NH O
N CH3 C H 2C O O H
利用专一性电子传递抑制剂选择性的阻断呼吸 链中某个传递步骤，再测定链中各组分的氧化-还原 状态情况，是研究电子传递中电子传递体顺序的一 种重要方法。
2、常用的几种电子传递抑制剂及其作用部位
（1）鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：其作用是阻断电子在NADH— Q还原酶内的传递，所以阻断了电子由NADH向CoQ的传递。
3．生成二氧化碳的氧化反应
（1）直接脱羧作用 氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接
从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。 （2）氧化脱羧作用
氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱
羧酶的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。 例如苹果酸的氧化脱羧生成丙酮酸。
第二节、生物能及其存在形式
4、复合体Ⅳ: 细胞色素c氧化酶
功能：将电子从细胞色素c传递给氧
复合体IV
还原型Cytc → CuA→a→a3→CuB
→O2
其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。
复 合 体 Ⅳ 的 电 子 传 递 过 程
Cytc
e-
胞液侧
生物化学(生物氧化)
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
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
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
生物化学第八章 生物氧化
1 O2 2
H2O
实测得FADH2呼吸链： P/O~ 2
FADH2
线粒体是真核细胞的一种细胞器，是生物氧化和能 量转换的主要场所。是组织细胞的“发电厂”。 线粒体内，外膜的化学组成有显著的区别; 外膜：磷脂，胆固醇含量高，蛋白质含量低 内外膜间隙：腺苷酸激酶，核苷酸激酶等 内膜：有些脱氢酶，氧化呼吸链有关的酶， ATP 合成酶 基质： 催化糖有氧分解，脂肪酸氧化，氨基酸分 解和蛋白质生物合成的酶
3
二、生物氧化的一般过程
主要解决三个问题：
1．代谢物中C如何在酶催化下生成CO2；
2．细胞如何利用O2将代谢物中的H氧化成H2O；
3．氧化产生的自由能怎样被收集、转换和储存。
4
生物氧化的三个阶段
脂肪 多糖 蛋白质
大分子降解 成基本结构 单位
脂肪酸、甘油
葡萄糖、 其它单糖
氨基酸
乙酰CoA
小分子化合物 分解成共同的 中间产物（如 丙酮酸、乙酰 CoA等）
31
2. 高能化合物
生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释
放出大量自由能（ >20 千焦 / 摩尔）的化合物称为 高能化合物。
32
高 能 化 合 物 类 型
33
3. ATP的特点
在 pH=7 环 境 中 ， ATP 分子中的三个磷 酸基团完全解离成带 4个负电荷的离子形 式 （ ATP4-）， 具 有 较大势能，加之水解 产物稳定，因而水解 自由能很大（ ΔG°′= -30.5千焦/摩尔）。
34
4.ATP的特殊作用
在机体的能量代谢中， ATP 就好像能量通币， 高能化合物虽有多种，只有 ATP 可为一切生 理机能与生物合成反应提供能量； ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体
生物化学—生物氧化
目录
第二节 氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与 ADP磷酸化偶联生成ATP
目录
ATP生成方式
氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指代谢 物脱下的氢，经线粒体呼吸链电子传递释放能量， 偶联ADP磷酸化生成ATP，又称为偶联磷酸化。 底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation) 与脱氢反应偶联，生成高能代谢物分子，后者将 高能键转移给 ADP(GDP) 磷酸化生成 ATP(GTP) 的过程。不经电子传递。
（三）复合体Ⅲ将电子从还原型泛醌传递给细 胞色素c
复合体Ⅲ又叫泛醌-细胞色素C还原酶，含有细
胞色素b(b562, b566)、细胞色素c1和一种可移 动的铁硫蛋白。 泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子并穿 梭传递到复合体Ⅲ。
电子传递过程：CoQH2→(Cyt b566→Cyt b562)
和ATP的过程与细胞的呼吸有关，需要消耗氧，参
与氧化还原反应的组分由含辅助因子的多种蛋白
酶复合体组成，形成一个连续的传递链，因此称
为氧化呼吸链（oxidative respiratory chain）。也称 电子传递链(electron transfer chain)。
目录
外膜 外膜
膜间腔 膜 间 腔 基质
的物质移向E0值较大的物质，即从还原剂（电子
供体）移向氧化剂（电子受体）。
目录
呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位
氧化还原对 NAD+ /NADN+H+
FMN /FMNH2 FAD /FADH2 Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+
E0 (V) －0.32
生物化学生物氧化
生物化学生物氧化生物化学是研究生物体内分子组成、结构和功能的科学领域。
其中，生物氧化是生物化学领域的一个重要分支，涉及到生物体内化学反应的产生和调控过程。
本文将为您介绍生物化学生物氧化的基本概念、反应类型和调控机制。
一、生物氧化的基本概念生物氧化是生物体内一系列化学反应的过程，其中有机物被氧化剂氧气作为电子受体参与反应。
这些反应通常涉及能量的释放，是生物体维持基本代谢和生命活动所必需的。
生物氧化主要发生在细胞的线粒体内，通过三大类酶系统催化进行。
二、生物氧化的反应类型1. 细胞色素P450系统：这是一种广泛存在于动植物细胞中的酶系统，参与多种生物化学反应。
细胞色素P450能够催化药物代谢、内源性化合物合成等重要反应，具有显著的生物转化能力。
2. 酒精脱氢酶系统：这个系统参与酒精代谢，将酒精转化为醋酸，并释放能量。
酒精脱氢酶系统在细胞色素P450系统之外发挥着重要的作用，对于控制酒精代谢和酒精相关疾病具有重要意义。
3. 过氧化物酶系统：过氧化物酶是一类分布广泛的酶，可以催化多种底物的氧化反应。
其中，超氧化物歧化酶和过氧化氢酶是两个主要的成员，它们能够清除细胞内的有害氧自由基，保护细胞不受氧化损伤。
三、生物氧化的调控机制生物氧化的反应需要精确的调控，以保持正常的细胞代谢和生命活动。
以下是一些常见的生物氧化调控机制：1. 酶的磷酸化修饰：磷酸化是一种常见的酶活性调控方式，通过磷酸化修饰可以改变酶的构象和催化活性。
例如，在能量代谢途径中，磷酸化酶可以通过接受磷酸基团来调控酶活性，进而影响反应速率。
2. 信号转导通路：细胞内的信号转导通路能够感知和传递外界刺激，以调节相关的生物氧化反应。
例如，细胞内的糖尿病信号通路可以调控葡萄糖代谢和胰岛素分泌，从而影响生物氧化反应。
3. 代谢产物的反馈调控：生物氧化的反应产生的产物可以通过负反馈机制来调节反应速率。
当产物浓度过高时，可以抑制反应进行，以避免过度的产物积累。
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CH2－COOH
磷酸烯醇式丙酮 酸羧激酶
COCOOH
GTP
GDP
➢β-氧化脱羧：
CH2 CO～ P + CO2 COOH
CHOH－COOH CH－COOH CH2－COOH
异柠檬酸脱氢酶
CO－COOH CH2
NAD+
NADH+H+ CH2－COOH
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+CO2
10
生物氧化中H2O的生成
真核生物线粒体内膜上的电子传递链作用下产生
H
H
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8
生物氧化中CO2生成方式
➢α-单纯脱羧：
R－CH－COOH NH2
R－CH2NH2 + CO2 氨基酸脱羧酶
a-氨基酸
胺
➢α-氧化脱羧：
O CH3－C－COOH
丙酮酸脱氢酶系
CH3CO～SCoA +CO2
HSCoA NAD+
NADH+H+
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9
生物氧化中CO2生成方式
➢β-单纯脱羧：
第六章
生物氧化
Biological Oxidation
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1
生物氧化概述
▪ 生物氧化的概念、方式、特点 ▪ ATP
第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系
▪ 氧化呼吸链 ▪ 氧化磷酸化 ▪ 氧化磷酸化的影响因素 ▪ 线粒体内膜的物质转运
第二节 不生成ATP的氧化体系
生物氧化概述
Introduction to Biological oxidation
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12
基质中脱氢、产生CO2
CO2、H2O、能量的产生位置 ——线粒体
产H2O 产能
真核细胞
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13
线粒体
主要功能： 氧化营养物，生成ATP。
• 结构： 外膜：通透性较高 内膜：对物质的通过有 严格选择性 内膜高度折叠形成嵴 膜间腔 基质
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基质
外膜
嵴
膜间腔
F 1 -F 0 复合体
➢概念
在线粒体内膜上具有氧化还原功能的酶和 辅酶按一定顺序排列组成，能传递氢和电子的 链 式 反 应 体 系 称 为 电 子 传 递 链 （ electron transfer chain）。
脱氢辅酶
MH2 -2H 递氢体
2H+
电子传递体 氧化酶
2e
1/2 O2
O2-
H2O
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11
生物氧化
体外氧化 (燃烧)
反应性质 产物 耗氧量 环境 条件 能量释放方式 产物生成方式
相 同（氧化还原反应）
相 同（ CO2、H2O ） 相同
细胞内
体外
体温，需酶
高温，不需酶
逐步释放
骤然释放
水由代谢物脱下的氢 水和CO2由物质中 与氧结合产生，CO2 的碳和氢直接与氧 由有机酸脱羧产生 结合产生
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3
Chapter Biologic Oxidation 第 章 生物氧化
Catalase 过氧化氢酶 Cytochrome 细胞色素 Electron transfer chain 电子传递链 Flavoprotein 黄素蛋白 Glycerophosphate shuttle 磷酸甘油穿梭 Iron-sulfur protein 铁硫蛋白 Malate-aspartate shuttle 苹果酸－天冬氨酸穿梭 Monooxygenase 加单氧酶 Oxidative phosphorylation 氧化磷酸化 Perioxidase 过氧化物酶 Superoxide dismutase 超氧化物歧化酶 Ubiquinone 泛醌
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5
* 生物氧化的一般过程
糖原
三酯酰甘油
葡萄糖
脂酸+甘油
乙酰CoA
蛋白质 氨基酸
TAC
CO2 2H
ADP+Pi ATP
呼吸链
H2O
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6
生物氧化中物质氧化方式
➢ 脱氢 COOH
COOH
HO CH
C=O + 2H
CH3
CH3 (2H+ + 2e)
➢加氧 RCHO + 1/2 O2 RCOOH
氧化磷酸化 底物水平磷酸化 ~P
肌酸
磷酸 肌酸
ADP
~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)
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22
第一节
生成ATP的氧化磷酸化体系
The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing
➢脱电子 Fe2+
Fe3+ + e
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7
生物氧化中的CO2的生成
绝大部分有机物生物氧化中的CO2生成是经 ？ 中的脱羧作用产生的。
答案：三羧酸循环
其他一些CO2产生途径如： 糖异生
草酰乙酸 + GTP → PEP +GDP + CO2 氨基酸脱羧
NH2
脱羧酶
R C COOH
NH2
R C H +CO2
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19
磷酸肌酸
磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。
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20
Q：下列哪些化合物属于高能磷酸键化合物？
A：1,6-二磷酸果糖
B： 三磷酸肌醇
C： 磷酸烯醇式丙酮酸
D：磷酸肌酸
E：UTP
(CDE)
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21
ATP的生成和利用 ATP
生物体内能量 的储存和利用都以 ATP为中心。
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4
一、生物氧化（biological oxidation）的概念
糖
脂肪 蛋白质
O2
CO2和H2O
能量
ADP+Pi ATP
热能
营养物质在生物体内进行的氧化称生物氧化，主要指糖、
脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。
此过程需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称 细胞呼吸(cellular respiration)。
△E0′
(kcal/mol) (－14.8) (－12.3) (－11.8) (－10.3) (－7.3) (－7.5) (－6.6) (－6.6) (－5.0)
腺苷酸激酶的作用
ADP
核苷二磷酸激酶的作用
ATP + UDP ATP + CDP ATP + GDP
ADP + UTP ADP + CTP ADP + GTP
内膜
线粒体结构模式图
14
二、ATP
O
-
O P O
γ～ -
O
O P
～β
O
O-
O Pα O-
NH2 NN
NN O
CH2 O
OH OH AMP
ADP
ATP
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16
高能磷酸键与高能磷酸化合物
高能磷酸键 水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸
酯键，常表示为 P。
高能磷酸化合物 含有高能磷酸键的化合物
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17
一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能
化合物
磷酸烯醇式丙酮酸 氨基甲酰磷酸
1，3-二磷酸甘油酸 磷酸肌酸
ATP →ADP＋Pi 乙酰辅酶A
ADP →AMP＋Pi 焦磷酸
1-磷酸葡萄糖
kJ/mol －61.9 －51.4 －49.3 －43.1 －30.5 －31.5 －27.6 －27.6 －20.9