第十四章生物氧化 糖、脂、蛋白质等有机物质在活细胞内氧化分解,产生CO2、H2O并放出供给生物一切活动所需要的 能,这种作用称为生物氧化。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化还原作用。生物氧化 在活细胞内进行,而且必须在有酶参加和在适宜的温度、pH等条件下进行,放出的能主要以ATP及磷酸 肌酸形式储存起来,供需要时使用。 第一节高能磷酸化合物 磷酸化合物在生物机体的换能过程中起着重要作用。在机体内有许多磷酸化合物,其磷酸键中贮有 大量的能量,这种能量称为磷酸键能。生物学中,高能键常用“~”符号表示。 在生物化学中所谓的“高能键”指的是随着水解反应或基团转移反应可放出大量自由能的键。而在物 理化学中的高能键指的是当该键断裂时,需要大量的能量。二者的含义有着根本的区别。 、高能磷酸化合物的类型 在生物体内具有高能键的化合物是很多的。根据键的特性可以分为几种类型: 1、磷氧键型(一O~P)属于这种键型的化合物很多,又可分成几类: (1)酰基磷酸化合物 H3C-C--O-P--O H HO--CH O 乙酰磷酸 氨甲酰磷酸 H2C--O RC-O~P—O—腺苷 C-O~PO—腺苷 3-磷酸甘油酸磷酸 酰基腺苷酸 氨酰腺苷酸 (2)焦磷酸化合物 腺苷—O-PO,PO,PO AMF OH 机焦磷酸 (3)烯醇式磷酸化合物 COoH O 磷酸烯醇式丙酮酸 267
第十四章 生物氧化 糖、脂、蛋白质等有机物质在活细胞内氧化分解，产生CO2、H2O并放出供给生物一切活动所需要的 能，这种作用称为生物氧化。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化还原作用。生物氧化 在活细胞内进行，而且必须在有酶参加和在适宜的温度、pH等条件下进行，放出的能主要以ATP及磷酸 肌酸形式储存起来，供需要时使用。 第一节 高能磷酸化合物 磷酸化合物在生物机体的换能过程中起着重要作用。在机体内有许多磷酸化合物，其磷酸键中贮有 大量的能量，这种能量称为磷酸键能。生物学中，高能键常用“～”符号表示。 在生物化学中所谓的“高能键”指的是随着水解反应或基团转移反应可放出大量自由能的键。而在物 理化学中的高能键指的是当该键断裂时，需要大量的能量。二者的含义有着根本的区别。 一、高能磷酸化合物的类型 在生物体内具有高能键的化合物是很多的。根据键的特性可以分为几种类型： 1、磷氧键型(－O～P) 属于这种键型的化合物很多，又可分成几类： (1)酰基磷酸化合物 C O CH O HO H2COP O O O P O O O ～ H3C C O O P O O O ～ H3N C O O P O O O ～ R C O O P O O O ～ 腺苷 C C O O P O O O ～ 腺苷 H NH3 R 3-磷酸甘油酸磷酸 乙酰磷酸 氨甲酰磷酸 酰基腺苷酸 氨酰腺苷酸 (2)焦磷酸化合物 O P O O O P O O OH O P O O P O O O 腺苷 ～ P O O O O ～ 1 2 3 AMP 腺一磷 ADP 腺二磷 ATP 腺三磷 无机焦磷酸 β γ (3)烯醇式磷酸化合物 C COOH O P O O O ～ CH2 磷酸烯醇式丙酮酸 267
2、氮磷键型胍基磷酸化合物属于此类 HOOC—CHN HOOC-CH(CH2)3-N CH3NH H O HN 磷酸肌酸 磷酸精氨酸 3、硫酯键型 NH2 3′-磷酸腺苷-5′-磷酰硫酸H (活性硫酸基) OH 酰基辅酶A 4、甲硫键型 H3C-SCH2-CH2--CH-COOH 腺苷 NH, S-腺苷蛋氨酸 (活性蛋氨酸 以上的高能化合物中含有磷酸基团的占绝大多数。但是,并不是所有的含有磷酸基团的化合物都属 于高能磷酸键。例如葡萄糖-6-磷酸,甘油磷脂等化合物中的磷酯键就属于低能磷酸键 二、ATP的特殊作用 在不同的磷酸化合物之间,AG°的大小并没有明显的高能和低能的界限。有一些磷酸化合物释放的 G°值高于ATP释放的自由能,有一些磷酸化合物释放的△G值低于ATP释放的自由能,ATP在表 14-1中处于中间的位置 表14-1中,在ATP以上的任何一种磷酸化合物都倾向于将它的磷酸基团转移给在它以下的磷酸受 体分子。例如ADP能接受在ATP上的磷酸基团。同样,ATP倾向于将其磷酸基团转移给在它以下的受 体,例如D-葡萄糖。 表14-1某些磷酸化合物水解的标准自由能变化 磷酸基团转移势能 化合物 G(kJ/mol) 磷酸烯醇式丙酮酸 61.9 619 3-磷酸甘油酸磷酸 磷酸肌酸 43.1 乙酰磷酸 -42.3 42.3 磷酸精氨酸 ATP(→ADP+Pi) -30.5 30.5 葡萄糖-1-磷酸 -209 20.9 果糖-6-磷酸 葡萄糖-6-磷酸 13.8 甘油-1-磷酸 -9.2 9.2
2、氮磷键型 胍基磷酸化合物属于此类。 CH2 N CH3 C NH N H P O O O ～ (CH2)3 N H C NH N H P O O O HOOC CH ～ 磷酸肌酸 磷酸精氨酸 HOOC H2N 3、硫酯键型 N N N H N NH2 O O OH H H H H CH2 P O O O P O O O O S O O ～ 3 6 O -磷酸腺苷- （活性硫酸基） 3′ 5′ -磷酰硫酸 R C O ～SCoA 酰基辅酶A 4、甲硫键型 H3C S ～ CH2 CH2 CH NH2 COOH 腺苷 S-腺苷蛋氨酸 （活性蛋氨酸） 以上的高能化合物中含有磷酸基团的占绝大多数。但是，并不是所有的含有磷酸基团的化合物都属 于高能磷酸键。例如葡萄糖-6-磷酸，甘油磷脂等化合物中的磷酯键就属于低能磷酸键。 二、ATP 的特殊作用 在不同的磷酸化合物之间， 的大小并没有明显的高能和低能的界限。有一些磷酸化合物释放的 值高于 ATP 释放的自由能，有一些磷酸化合物释放的 值低于 ATP 释放的自由能，ATP 在表 14-1 中处于中间的位置。 0' ∆G 0' ∆G 0' ∆G 表 14-1 中，在 ATP 以上的任何一种磷酸化合物都倾向于将它的磷酸基团转移给在它以下的磷酸受 体分子。例如 ADP 能接受在 ATP 上的磷酸基团。同样，ATP 倾向于将其磷酸基团转移给在它以下的受 体，例如 D-葡萄糖。 表 14-1 某些磷酸化合物水解的标准自由能变化 化 合 物 G (kJ / mol) 0' ∆ 磷酸基团转移势能 G (kJ / mol) 0' ∆ 磷酸烯醇式丙酮酸 -61.9 61.9 3-磷酸甘油酸磷酸 -49.3 49.3 磷酸肌酸 -43.1 43.1 乙酰磷酸 -42.3 42.3 磷酸精氨酸 -32.2 32.2 ATP(→ADP＋Pi) -30.5 30.5 葡萄糖-1-磷酸 -20.9 20.9 果糖-6-磷酸 -15.9 15.9 葡萄糖-6-磷酸 -13.8 13.8 甘油-1-磷酸 - 9.2 9.2 268
ATP在磷酸化合物中所处的位置具有重要的意义,它在细胞的酶促磷酸基团转移中是一个“共同中间 体”。ATP可以接受表中在它以上的化合物的磷酸基团,所形成的ATP又可将磷酸基团转移给其他的受 体,形成在ATP以下的磷酸化合物 表中所用的磷酸基团转移势能表示提供磷酸基团能力的大小。一般用无方向的正值表示。 细胞内的 ATP-ADP磷酸转移系统的中间作用还可以用图14-1表示 ATP的结构中除酸酐键本身的特点外还有三个重要因素影响其自由能的释放。其一是它的三个磷酸 基团在pH70时带有在空间上相距很近而互相排斥的四个负电荷促使其水解放能;其二是ATP水解所形成 的产物ADP3和HPO2-都是共振杂化物,其中某些电子所处的位置正是具有能量最小的构象形式;其 是在标准状况下,ATP及水解产物ADP和HPO2的浓度均为1mol,而在pH70时的H浓度只有10 mol。低浓度的H推动ATP向分解方向进行。上述因素的综合作用使ATP水解时能释放较高的自由能。 磷酸烯醇式丙酮酸 3-磷酸甘 油酸磷酸 高能P供体磷酸肌酸 (磷酸贮备物) 葡萄糖-6-磷酸 低能P接受体 甘油-3-磷酸 图14-1磷酸基团转移图 (磷酸基团由高能磷酸供体通过 ATP-ADP系统转至低能磷酸受体,转移的方向是由高能化合物到低能化合物,磷酸基团转移势能的测定条件为标 准状态下,反应物和产物浓度皆为lmoL。) 三、磷酸肌酸和磷酸精氨酸的贮能作用 ATP虽然在提供能量方面起重要作用,但是,它并不是化学能量的贮存库,严格地说,它只是一个 能量的携带者或传递者。细胞内ATP的含量在任何情况下,都只能在比较短暂的时间内供给细胞需要。 起贮存能量作用的物质称为“磷酸原”,在脊椎动物是磷酸肌酸。当ATP浓度高时,肌酸即通过酶的作用 直接接受ATP的高能磷酸基团形成磷酸肌酸。当ATP浓度低时,磷酸肌酸又将高能磷酸基团转移给 ADP。磷酸肌酸只通过这唯一的途径转移其磷酸基团,因此,它是ATP高能磷酸基团的贮存库。磷酸肌 酸系统对于骨骼肌有特殊的意义,它可以在几分钟内保证肌肉收缩所需的化学能。在平滑肌、神经细胞 内都有磷酸肌酸存在。但是在肝脏、肾及其他组织的含量却极少。在细菌中则缺乏磷酸肌酸。无脊椎动 物则以磷酸精氨酸作为磷酸原。磷酸原使细胞中的ATP含量维持在相对恒定的水平,即保证了ATP系 统的动态平衡 第二节呼吸链 呼吸链的概念 呼吸链是指还原型载体,例如NADH和FADH2的氧化过程,同时将释放的能量偶联形成ATP。 NADH、FADH2以及其他的还原型载体上的氢原子本身以质子的形式和周围环境中的物质混杂在一起, 只是电子发生转移。因此,由这些载体组成的这个传递链称为电子传递链或称呼吸链。 、呼吸链电子传递的顺序 吸链传递电子的顺序可用图142及图14-3表示。图142中例举的各种有机物,如a-酮戊二酸、 丙酮酸、苹果酸、异柠檬酸、谷氨酸、3-羟酰-CoA、脂酰-Coλ、磷酸甘油、琥珀酸等都是糖、脂肪、蛋 白质的中间代谢产物
ATP 在磷酸化合物中所处的位置具有重要的意义，它在细胞的酶促磷酸基团转移中是一个“共同中间 体”。ATP 可以接受表中在它以上的化合物的磷酸基团，所形成的 ATP 又可将磷酸基团转移给其他的受 体，形成在 ATP 以下的磷酸化合物。 表中所用的磷酸基团转移势能表示提供磷酸基团能力的大小。一般用无方向的正值表示。 细胞内的 ATP-ADP 磷酸转移系统的中间作用还可以用图 14-1 表示。 ATP的结构中除酸酐键本身的特点外还有三个重要因素影响其自由能的释放。其一是它的三个磷酸 基团在pH7.0 时带有在空间上相距很近而互相排斥的四个负电荷促使其水解放能；其二是ATP水解所形成 的产物ADP3-和 都是共振杂化物，其中某些电子所处的位置正是具有能量最小的构象形式；其三 是在标准状况下，ATP 2− HPO4 4-及水解产物ADP3-和 的浓度均为 1mol，而在pH7.0 时的H 2− HPO4 + 浓度只有 10- 7 mol。低浓度的H+ 推动ATP4-向分解方向进行。上述因素的综合作用使ATP水解时能释放较高的自由能。 0 2 4 6 8 10 12 14 16 高能P供体 磷酸肌酸 （磷酸贮备物） 低能P接受体 甘油-3-磷酸 3-磷酸甘 油酸磷酸 ATP P P P P P 葡萄糖-6-磷酸 磷酸烯醇式丙酮酸 图14-1 磷酸基团转移图 ～ ～ ～ ～ ～ (磷酸基团由高能磷酸供体通过 ATP-ADP 系统转至低能磷酸受体，转移的方向是由高能化合物到低能化合物，磷酸基团转移势能的测定条件为标 准状态下，反应物和产物浓度皆为 1mol/L。) 三、磷酸肌酸和磷酸精氨酸的贮能作用 ATP 虽然在提供能量方面起重要作用，但是，它并不是化学能量的贮存库，严格地说，它只是一个 能量的携带者或传递者。细胞内 ATP 的含量在任何情况下，都只能在比较短暂的时间内供给细胞需要。 起贮存能量作用的物质称为“磷酸原”，在脊椎动物是磷酸肌酸。当 ATP 浓度高时，肌酸即通过酶的作用 直接接受 ATP 的高能磷酸基团形成磷酸肌酸。当 ATP 浓度低时，磷酸肌酸又将高能磷酸基团转移给 ADP。磷酸肌酸只通过这唯一的途径转移其磷酸基团，因此，它是 ATP 高能磷酸基团的贮存库。磷酸肌 酸系统对于骨骼肌有特殊的意义，它可以在几分钟内保证肌肉收缩所需的化学能。在平滑肌、神经细胞 内都有磷酸肌酸存在。但是在肝脏、肾及其他组织的含量却极少。在细菌中则缺乏磷酸肌酸。无脊椎动 物则以磷酸精氨酸作为磷酸原。磷酸原使细胞中的 ATP 含量维持在相对恒定的水平，即保证了 ATP 系 统的动态平衡。 第二节 呼 吸 链 一、呼吸链的概念 呼吸链是指还原型载体，例如NADH和FADH2的氧化过程，同时将释放的能量偶联形成ATP。 NADH、FADH2以及其他的还原型载体上的氢原子本身以质子的形式和周围环境中的物质混杂在一起， 只是电子发生转移。因此，由这些载体组成的这个传递链称为电子传递链或称呼吸链。 二、呼吸链电子传递的顺序 呼吸链传递电子的顺序可用图 14-2 及图 14-3 表示。图 14-2 中例举的各种有机物，如α-酮戊二酸、 丙酮酸、苹果酸、异柠檬酸、谷氨酸、3-羟酰-CoA、脂酰-CoA、磷酸甘油、琥珀酸等都是糖、脂肪、蛋 白质的中间代谢产物。 269
C-酮戊二酸一FP6 琥珀酸 丙酮酸一FP 部位Ⅱ 部位Ⅲ atp 苹果酸 异柠檬酸一NAD→F(4FeS)Q-(2Fe6)-ytb(Fe)ve1-cyt-cyay-O2 鱼藤酮 安密妥 抗霉素A 氰化物 3-羟酰CoA抑制位点 抑制位点 抑制位点 酰 -CoA- FP3 磷酸甘油 FP 图14-2哺乳动物的呼吸链 图中表明各种代谢产物如α-酮戊二酸、丙酮酸、苹果酸、异柠檬酸、谷氨酸、3-羟酰-CoA、脂酰-CoA、磷酸甘油等进入氧化呼吸链的焦点 NAD’及辅酶Q)、电子传递的抑制位,以及ATP产生的可能部位 FP代表NADH脱氢酶,FP2~FP代表不同的黄素蛋白,FeS表示铁硫中心(至少有5种),Q代表辅酶Q,eyt代表细胞色素。其中cyta部位还含 有两个铜离子Cu2+,即[aCu2Cu2,eytb为b562和b566 图142及图14-3表明,许多代谢中间物上的两个氢原子经以NAD为辅酶的脱氢酶作用,使NAD 还原成为NADH+H。再经过NADH脱氢酶(以FMN为辅酶),辅酶Q,铁硫蛋白,细胞色素b,细胞色素 c1,细胞色素a,细胞色素a3到分子氧,这是一条电子传递途径。另外一些代谢中间物的氢原子不是由以 NAD为辅酶的脱氢酶脱氢,而是由以FAD为辅酶的脱氢酶脱氢,例如琥珀酸脱氢酶和脂酰CoA脱氢 酶,脱下的电子通过辅酶Q进入呼吸链,这又是一条电子传递途径。NAD和辅酶Q在呼吸链中的作用是 接受由脱氢酶脱下的电子。 NAD FMNH, -2HCoQ: Cyt-Fe--Cyt-Fe Cyt-Fe --+202 ((b-c) NADH s FMN CoQH, CytFe CvtF H 图14-3呼吸链氧化一还原反应示意图 三、电子传递抑制剂 能够切断呼吸链中某一部位电子流的物质称为电子传递抑制剂。利用某种特异的抑制剂切断某部位 的电子流,再测定电子传递中各组分的氧化-还原状态,是研究电子传递顺序的一种重要方法。经典的抑 制剂有以下几种: (1)渔鱼藤酮、安密妥以及杀粉蝶菌素,它们的作用是阻断电子由NADH向辅酶Q的传递。鱼藤酮是一种 极毒的植物生物碱,常用作重要的杀虫剂。安密妥用作麻醉药都是根据这个原理。杀粉蝶菌素的结构类 似辅酶Q,因此可和辅酶Q相竞争。这些化合物对NADH脱氢酶有抑制作用。 (2霉素A是由链霉菌分离出的抗菌素,有抑制电子从细胞色素b到细胞色素c1传递的作用。 (3)氰化物、硫化物、叠氮化物和一氧化碳等有阻断电子由细胞色素a传至氧的作用,这就是氰化物等中 毒的原理 四、呼吸链的多型性 以上介绍的呼吸链是哺乳动物的呼吸链,也是典型的呼吸链形式,在生物体内的呼吸链还有很多变 化,有的是中间传递体的成员不同;有的缺少辅酶Q用其他物质代替。例如在有些细菌中,用维生素K 代替辅酶Q;还有些生物体,例如大多数细菌,没有完整的细胞色素系统。尽管有很多差异,但是呼吸 链传递电子的顺序基本上还是一致的。 呼吸链除了在不同生物种类之间存在中间传递成员的不同之外,在同一生物体,同一细胞内,还存 在末端氧化酶体系的多样性。末端氧化酶处于氢的氧化过程的末端,其作用是将来自大气的分子态氧活 化成为氢的最终受体而生成水(植物和有些微生物还可以利用NO3,SO4等氧化物为受氢体) 在呼吸链中,末端氧化酶一侧的呼吸传递体的特征是它们只传递氢原子中的电子,H则游离于介质
-酮戊二酸 丙酮酸 苹果酸 异柠檬酸 谷氨酸 3-羟酰-CoA 脂酰-CoA 磷酸甘油 FP6 琥珀酸 FP5 NAD Q FP2 FP3 FP4 ATP 部位Ⅰ FP1(4Fe S) (2Fe S) cytb(Fe S)cytc1 cytc cytaa3 O2 ATP 部位Ⅱ ATP 部位Ⅲ 鱼藤酮 安密妥 抑制位点 抑制位点 抗霉素A 氰化物 抑制位点 图14-2 哺乳动物的呼吸链 图中表明各种代谢产物如α-酮戊二酸、丙酮酸、苹果酸、异柠檬酸、谷氨酸、3-羟酰-CoA、脂酰-CoA、磷酸甘油等进入氧化呼吸链的焦点 (NAD+ 及辅酶Q)、电子传递的抑制位，以及ATP产生的可能部位。 FP1代表NADH脱氢酶，FP2～FP6代表不同的黄素蛋白，Fe·S表示铁硫中心(至少有 5 种)，Q代表辅酶Q，cyt代表细胞色素。其中cytaa3部位还含 有两个铜离子Cu2+，即[aa3Cu2+Cu2+]，cytb为b562 和b566。 图 14-2 及图 14-3 表明，许多代谢中间物上的两个氢原子经以NAD+ 为辅酶的脱氢酶作用，使NAD+ 还原成为NADH+H+ 。再经过NADH脱氢酶(以FMN为辅酶)，辅酶Q，铁·硫蛋白，细胞色素b，细胞色素 c1，细胞色素a，细胞色素a3到分子氧，这是一条电子传递途径。另外一些代谢中间物的氢原子不是由以 NAD+ 为辅酶的脱氢酶脱氢，而是由以FAD为辅酶的脱氢酶脱氢，例如琥珀酸脱氢酶和脂酰-CoA脱氢 酶，脱下的电子通过辅酶Q进入呼吸链，这又是一条电子传递途径。NAD+ 和辅酶Q在呼吸链中的作用是 接受由脱氢酶脱下的电子。 2 1 SH2 NAD+ 2H S NADH FMNH2 CoQ Fe2+ Cyt Fe3+ Cyt O2 2e CytFe 2+ CytFe 3+ CytFe 3+ O2+ (a-a3) Fe2+ Cyt 2e FMN CoQH2 H2O 2H H+ 2e 2H+ 2e 图14-3 呼吸链氧化-还原反应示意图 (1) (2) (3) (4)(b c1) c 2H 三、电子传递抑制剂 能够切断呼吸链中某一部位电子流的物质称为电子传递抑制剂。利用某种特异的抑制剂切断某部位 的电子流，再测定电子传递中各组分的氧化-还原状态，是研究电子传递顺序的一种重要方法。经典的抑 制剂有以下几种： (1)鱼藤酮、安密妥以及杀粉蝶菌素，它们的作用是阻断电子由 NADH 向辅酶 Q 的传递。鱼藤酮是一种 极毒的植物生物碱，常用作重要的杀虫剂。安密妥用作麻醉药都是根据这个原理。杀粉蝶菌素的结构类 似辅酶 Q，因此可和辅酶 Q 相竞争。这些化合物对 NADH 脱氢酶有抑制作用。 (2)抗霉素A是由链霉菌分离出的抗菌素，有抑制电子从细胞色素b到细胞色素c1传递的作用。 (3)氰化物、硫化物、叠氮化物和一氧化碳等有阻断电子由细胞色素aa3传至氧的作用，这就是氰化物等中 毒的原理。 四、呼吸链的多型性 以上介绍的呼吸链是哺乳动物的呼吸链，也是典型的呼吸链形式，在生物体内的呼吸链还有很多变 化，有的是中间传递体的成员不同；有的缺少辅酶 Q 用其他物质代替。例如在有些细菌中，用维生素 K 代替辅酶 Q；还有些生物体，例如大多数细菌，没有完整的细胞色素系统。尽管有很多差异，但是呼吸 链传递电子的顺序基本上还是一致的。 呼吸链除了在不同生物种类之间存在中间传递成员的不同之外，在同一生物体，同一细胞内，还存 在末端氧化酶体系的多样性。末端氧化酶处于氢的氧化过程的末端，其作用是将来自大气的分子态氧活 化成为氢的最终受体而生成水(植物和有些微生物还可以利用NO3 - ，SO4 - 等氧化物为受氢体)。 在呼吸链中，末端氧化酶一侧的呼吸传递体的特征是它们只传递氢原子中的电子，H+ 则游离于介质 270
中。经过一系列电子传递体与末端氧化酶构成末端氧化酶体系。 生物界中末端氧化酶体系已知有好几种,其中最主要的是细胞色素体系,此外,普遍存在的还有酚 氧化酶体系、抗坏血酸氧化酶体系、黄素蛋白氧化酶体系、过氧化物酶体系与过氧化氢酶等 1、细胞色素氧化酶体系细胞色素是以铁卟啉为辅基的蛋白质,因为有颜色,所以称为细胞色素。细胞 色素的种类很多,已发现的有存在于线粒体中的a3、b、c、c1和存在于微粒体中的bs,P-450等多种,活 性中心是卟啉环中的铁离子(Fe2Fe3),功能是传递电 细胞色素a和a3迄今还不能分开,故合称为aa3。在各种细胞色素中,只有细胞色素a3能直接以分子 氧为受电子体,故又称为电子色素氧化酶,含有两个必需的铜离子 C-O HOOC COOH 血红素A(细胞色素a3的辅基) 2、酚氧化酶体系酚氧化酶是一种含Cu的氧化酶,在呼吸过程中的作用如下: NAD 2Ph·Cu2 H,O A NADE+H 2 Ph. Cut∠ 2h- 脱氢酶 醌还原酶 酚氧化酶 式中SH2为还原态底物,S为脱氢底物。Ph为酚氧化活性功能域。 在损伤植物组织细胞中,作为呼吸传递体酚-醌氧化还原系统的平衡被破坏,醌大量聚积,造成褐 变 酚氧化酶的活力很容易用测压法测定,提取也很容易,马铃薯中含量特别丰富 3、抗坏血酸氧化酶体系抗坏血酸氧化酶也是含Cu氧化酶。在这一末端氧化酶体系参与的呼吸链中还 需要谷胱甘肽(GSH)在NADP和抗坏血酸之间作递氢体。 2GSH DHA ncU. 12O2|2H NADPH+H 2Cu HO 脱氢酶 谷胱甘肽还原酶脱氢抗坏血酸还原酶 抗坏血酸氧化酶 式中GSH为还原型谷胱甘肽,GSSG为氧化型谷胱甘肽,DHA为脱氢抗坏血酸,AA为抗坏血酸。 抗坏血酸氧化酶广泛(但不是普遍)存在于高等植物中,十字花科植物及葫芦科植物是最丰富的来 源。此酶在酸性条件下相当稳定。萌芽豌豆子叶中由抗坏血酸氧化酶体系消耗的氧占呼吸氧量的 20%25%。动物细胞中也含有此酶 4、黄素蛋白氧化酶切以FMN或FAD为辅基的酶或传递体都可称为黄酶,由于酶蛋白结构不同 功用各异,有的属于脱氢酶类,有的属于氧化酶类(即所谓需氧脱氢酶),称为黄素蛋白氧化酶,它的作 用是不经过细胞色素或其他传递体而将氢直接交给分子氧,生成过氧化氢。作用模式如下:
中。经过一系列电子传递体与末端氧化酶构成末端氧化酶体系。 生物界中末端氧化酶体系已知有好几种，其中最主要的是细胞色素体系，此外，普遍存在的还有酚 氧化酶体系、抗坏血酸氧化酶体系、黄素蛋白氧化酶体系、过氧化物酶体系与过氧化氢酶等。 1、细胞色素氧化酶体系 细胞色素是以铁卟啉为辅基的蛋白质，因为有颜色，所以称为细胞色素。细胞 色素的种类很多，已发现的有存在于线粒体中的aa3、b、c、c1和存在于微粒体中的b5，P-450 等多种，活 性中心是卟啉环中的铁离子(Fe2+/Fe3+)，功能是传递电子。 细胞色素a和a3迄今还不能分开，故合称为aa3。在各种细胞色素中，只有细胞色素aa3能直接以分子 氧为受电子体，故又称为电子色素氧化酶，含有两个必需的铜离子。 N N Fe N N C H O HO 血红素A（细胞色素aa3的辅基) 1 3 2 4 5 6 7 8 HOOC COOH 2、酚氧化酶体系 酚氧化酶是一种含 Cu 的氧化酶，在呼吸过程中的作用如下： SH2 S NAD+ NADF+H+ 2Ph 2Ph OH OH O O O 1/2O2 2e 2H+ H2O 脱氢酶 醌还原酶 酚氧化酶 Cu2+ Cu+ 式中SH2为还原态底物，S为脱氢底物。Ph为酚氧化活性功能域。 在损伤植物组织细胞中，作为呼吸传递体酚-醌氧化还原系统的平衡被破坏，醌大量聚积，造成褐 变。 酚氧化酶的活力很容易用测压法测定，提取也很容易，马铃薯中含量特别丰富。 3、抗坏血酸氧化酶体系 抗坏血酸氧化酶也是含 Cu 氧化酶。在这一末端氧化酶体系参与的呼吸链中还 需要谷胱甘肽(GSH)在 NADP 和抗坏血酸之间作递氢体。 SH2 S NADP+ NADPH+H+ 2GSH GSSG DHA AA 2Cu+ 2Cu 2+ 1/2 O2 O 2H+ H2O 脱氢酶 谷胱甘肽还原酶 脱氢抗坏血酸还原酶 抗坏血酸氧化酶 2e 2e 式中 GSH 为还原型谷胱甘肽，GSSG 为氧化型谷胱甘肽，DHA 为脱氢抗坏血酸，AA 为抗坏血酸。 抗坏血酸氧化酶广泛(但不是普遍)存在于高等植物中，十字花科植物及葫芦科植物是最丰富的来 源。此酶在酸性条件下相当稳定。萌芽豌豆子叶中由抗坏血酸氧化酶体系消耗的氧占呼吸氧量的 20%~25%。动物细胞中也含有此酶。 271 4、黄素蛋白氧化酶 一切以 FMN 或 FAD 为辅基的酶或传递体都可称为黄酶，由于酶蛋白结构不同， 功用各异，有的属于脱氢酶类，有的属于氧化酶类(即所谓需氧脱氢酶)，称为黄素蛋白氧化酶，它的作 用是不经过细胞色素或其他传递体而将氢直接交给分子氧，生成过氧化氢。作用模式如下：
SH2/NAD(或NADP FMNH2(或FADH2) NADH(或 NADPH)+H FMN(或FAD) 动物、植物组织细胞中都含有黄素蛋白氧化酶类,如氨基酸氧化酶、羟乙酸氧化酶等。 在呼吸链的末端氧化酶或加氧酶的反应中,每分子氧需要接受4个电子才能完全还原生成氧离子并 进一步生成水。但如接受的电子不足,就会形成超氧化基团(O2)或过氧化基团(O2),O在接受2H后即 形成H2O2,而超氧化基团O2在超氧化物歧化酶(SOD)的催化下与H作用,一个O被氧化成O2,另一个 O2被还原成H2O2。 5、过氧化物酶与过氧化氢酶过氧化物酶及过氧化氢酶总称为氢过氧化物酶,也是含铁卟啉衍生物辅 基的酶。这两种酶在生物组织中起着消除H2O2的“解毒”作用,反应模式如下 2H2O2 2H20+O2 AH+H 22H,0+A (2 过氧化氢酶催化反应(1),效率极高,在0℃下的周转率为264×10°/min。因此体内不会发生H2O2的 蓄积中毒 过氧化物酶是生物组织中广泛存在的一种酶,在辣根中含量很高,是制备此酶的原料。过氧化物酶 是高度耐热性的酶,甚至在100℃经短时间加热后还能保持其活性,因此在水果、蔬菜加工中常以过氧 化物酶活性的有无作为热烫适度与否的指标。 第三节氧化磷酸化作用 生活有机体中含碳底物降解的主要目的是为供给其机体的生长发育所需要的能量。厌氧生物中糖降 解成酒精或乳酸,糖分子中的一些可供利用的能量转变成高能磷酸化合物而储存起来,供有机体利用。 当丙酮酸经过三羧酸循环而氧化成CO2和H2O时,葡萄糖分子中90%有用的能量都被释放出来。但是,在 此过程中仅有一个高能化合物即琥珀酰CoA,是由循环中的底物反应而合成的,在琥珀酰CoA合成酶催 化下,利用此硫酯化合物将GDP转化为GTP。 生物体中高能磷酸化合物的生成有两种类型。在第一种类型中,底物先生成磷酸化或硫酯化的衍生 物,然后用以生成ATP。例如糖酵解反应中生成的13-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮酸以及三羧酸循 环中琥珀酰CoA合成酶催化的反应。这些磷酸化过程称底物水平的磷酸化作用,以区别于与呼吸链偶联 的磷酸化作用,后者称为氧化磷酸化作用。线粒体内膜是磷酸化作用酶的分布场所,催化的氧化磷酸化 作用与三羧酸循环中间物的氧化作用偶联。在理想条件下,每消耗一原子氧可生成3个分子的ATP。其 磷氧比(P:O)为30。磷氧比是用来表示在氧化作用中磷酸酯化的磷原子数和消耗氧原子的比例。 磷酸化的部位 根据自由能变化的计算公式 △G=- fAEC 呼吸链中在三个部位有较大的自由能变化(图142)。这三个部位每一步释放的自由能,都足以保证 ADP和无机磷酸形成ATP。分别称为部位I,即在NADH和辅酶Q之间的部位:部位Ⅱ,即细胞色素 b和细胞色素c之间的部位;部位Ⅲ,即细胞色素a和氧之间的部位。这样就把电子对由 NADH(E=-0.32V)传递到分子氧(E=+0.82V)所释放的相当大量的自由能或者说由每个氧原子还原所 产生的自由能分成几步,一步步地将能量释放出来即能量降)。 、解偶联作用 在完整线粒体内,电子传递与磷酸化之间紧密偶联,但这两个过程可被解偶联剂如2,4-二硝基酚①DNP) 解偶联。这时虽然能进行电子传递,但不能发生ADP的磷酸化作用。当它们解偶联时,电子的传递迅速 进行,所以ADP的磷酸化作用对电子传递起限速作用。这时葡萄糖产生的能量完全以热能的形式浪费 掉,不能回收储存在ATP中,2,4二硝基酚是一种有效的磷酸化解偶联剂。但是它对糖酵解的底物水平 磷酸化没有作用。另外还有一些解偶联剂如水杨酰替苯胺、短杆菌肽、缬氨霉素等。芸香霉素和寡霉素
SH2 S NAD+ (或NADP+ ) NADH(或NADPH）+H+ FMNH2(或FADH2) FMN(或FAD) O2 H2O2 动物、植物组织细胞中都含有黄素蛋白氧化酶类，如氨基酸氧化酶、羟乙酸氧化酶等。 在呼吸链的末端氧化酶或加氧酶的反应中，每分子氧需要接受 4 个电子才能完全还原生成氧离子并 进一步生成水。但如接受的电子不足，就会形成超氧化基团(O2-)或过氧化基团(O2=)，O2=在接受 2H+ 后即 形成H2O2，而超氧化基团O2-在超氧化物歧化酶(SOD)的催化下与H+ 作用，一个O2-被氧化成O2，另一个 O2-被还原成H2O2。 5、过氧化物酶与过氧化氢酶 过氧化物酶及过氧化氢酶总称为氢过氧化物酶，也是含铁卟啉衍生物辅 基的酶。这两种酶在生物组织中起着消除H2O2的“解毒”作用，反应模式如下： 2H2O2 2H2O + O2 (1) AH2 + H2O2 2H2O + A R + H2O2 RO + H2O 或 (2) 过氧化氢酶催化反应(1)，效率极高，在 0℃下的周转率为 2.64×106 /min。因此体内不会发生H2O2的 蓄积中毒。 过氧化物酶是生物组织中广泛存在的一种酶，在辣根中含量很高，是制备此酶的原料。过氧化物酶 是高度耐热性的酶，甚至在 100℃经短时间加热后还能保持其活性，因此,在水果、蔬菜加工中常以过氧 化物酶活性的有无作为热烫适度与否的指标。 第三节 氧化磷酸化作用 生活有机体中含碳底物降解的主要目的是为供给其机体的生长发育所需要的能量。厌氧生物中糖降 解成酒精或乳酸，糖分子中的一些可供利用的能量转变成高能磷酸化合物而储存起来，供有机体利用。 当丙酮酸经过三羧酸循环而氧化成CO2和H2O时，葡萄糖分子中 90%有用的能量都被释放出来。但是，在 此过程中仅有一个高能化合物即琥珀酰CoA，是由循环中的底物反应而合成的，在琥珀酰CoA合成酶催 化下，利用此硫酯化合物将GDP转化为GTP。 生物体中高能磷酸化合物的生成有两种类型。在第一种类型中，底物先生成磷酸化或硫酯化的衍生 物，然后用以生成 ATP。例如糖酵解反应中生成的 1,3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮酸以及三羧酸循 环中琥珀酰 CoA 合成酶催化的反应。这些磷酸化过程称底物水平的磷酸化作用，以区别于与呼吸链偶联 的磷酸化作用，后者称为氧化磷酸化作用。线粒体内膜是磷酸化作用酶的分布场所，催化的氧化磷酸化 作用与三羧酸循环中间物的氧化作用偶联。在理想条件下，每消耗一原子氧可生成 3 个分子的 ATP。其 磷氧比(P:O)为 3.0。磷氧比是用来表示在氧化作用中磷酸酯化的磷原子数和消耗氧原子的比例。 一、磷酸化的部位 根据自由能变化的计算公式： 0' 0' ∆G = −nF∆E 呼吸链中在三个部位有较大的自由能变化(图 14-2)。这三个部位每一步释放的自由能，都足以保证 ADP 和无机磷酸形成 ATP。分别称为部位Ⅰ，即在 NADH 和辅酶 Q 之间的部位；部位Ⅱ，即细胞色素 b 和细胞色素 c 之间的部位；部位Ⅲ，即细胞色素 a 和氧之间的部位。这样就把电子对由 NADH( )传递到分子氧( )所释放的相当大量的自由能或者说由每个氧原子还原所 产生的自由能分成几步，一步步地将能量释放出来(即能量降)。 E 0.32V 0' = − E 0.82V 0' = + 二、解偶联作用 在完整线粒体内,电子传递与磷酸化之间紧密偶联，但这两个过程可被解偶联剂,如 2,4-二硝基酚(DNP) 解偶联。这时虽然能进行电子传递，但不能发生 ADP 的磷酸化作用。当它们解偶联时，电子的传递迅速 进行，所以 ADP 的磷酸化作用对电子传递起限速作用。这时葡萄糖产生的能量完全以热能的形式浪费 掉，不能回收储存在 ATP 中，2,4-二硝基酚是一种有效的磷酸化解偶联剂。但是它对糖酵解的底物水平 磷酸化没有作用。另外还有一些解偶联剂,如水杨酰替苯胺、短杆菌肽、缬氨霉素等。芸香霉素和寡霉素 272
则同时对电子传递和氧化磷酸化都有抑制作用 氧化磷酸化的解偶联效应也被生物所利用。例如在冬眠动物和适应寒冷的哺乳动物中,它是一种能 够产生热以维持体温的方法。 三、氧化磷酸化作用的机理 在电子传递中释放的能量与ADP磷酸化将能量储存生成ATP之间的分子机理目前仍不清楚。得到较 多支持的是1961年 Mitchell提出了化学渗透学说。三羧酸循环在内膜内侧的衬质中进行,在其中形成的 NADH能把电子交给分布在膜上的呼吸链。由于线粒体内膜两侧是不对称的,电子载体在内膜上呈不对 称分布。在电子传递过程中,电子三次从膜的一侧移至另一侧(参见图14-3),同时使两个质子(2H)从线 粒体内部转移到外部(内膜外面)。这样每传递一对电子就转移出6个H(质子),结果就造成一个质子递 度,即膜外的质子浓度高,膜内的质子浓度低;膜外的电位高而膜内电位低。这种梯度就是质子返回膜 内的一种动力。由质子梯度和电位梯度生成的能量促进ATP的形成。即当两个质子穿过膜上的F1-F复合 体(即ATP酶,参见图88)再回到内膜内部时,由ADP和无机磷酸就形成一个ATP分子
273 则同时对电子传递和氧化磷酸化都有抑制作用。 氧化磷酸化的解偶联效应也被生物所利用。例如在冬眠动物和适应寒冷的哺乳动物中，它是一种能 够产生热以维持体温的方法。 三、氧化磷酸化作用的机理 在电子传递中释放的能量与ADP磷酸化将能量储存生成ATP之间的分子机理目前仍不清楚。得到较 多支持的是 1961 年Mitchell提出了化学渗透学说。三羧酸循环在内膜内侧的衬质中进行，在其中形成的 NADH能把电子交给分布在膜上的呼吸链。由于线粒体内膜两侧是不对称的，电子载体在内膜上呈不对 称分布。在电子传递过程中，电子三次从膜的一侧移至另一侧(参见图 14-3)，同时使两个质子(2H+ )从线 粒体内部转移到外部(内膜外面)。这样每传递一对电子就转移出 6 个H+ (质子)，结果就造成一个质子递 度，即膜外的质子浓度高，膜内的质子浓度低；膜外的电位高而膜内电位低。这种梯度就是质子返回膜 内的一种动力。由质子梯度和电位梯度生成的能量促进ATP的形成。即当两个质子穿过膜上的F1-F0复合 体(即ATP酶，参见图 8-8)再回到内膜内部时，由ADP和无机磷酸就形成一个ATP分子