第八章生物氧化 物质在生物体内进行氧化称为生物氧化( biological oxidation),主要是糖、脂肪、蛋白质等在 体内分解时逐步释放能量,最终生成二氧化碳和水的过程。其中有相当一部分能量可使ADP磷酸化生 成ATP,供生命活动之需,其余能量主要以热能形式释放,可用于维持体温。 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。物质在体内 外氧化时所消耗的氧量,最终产物(C2,H20)和释放能量均相同。但生物氧化是在细胞内温和的环境 中(体温,pH接近中性),在一系列酶的催化下逐步进行的,因此物质中的能量得以逐步释放,有利于 机体捕获能量提高AˆP生成的效率。生物氧化过程中进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧, 并增加脱氢的机会:生物氧化中生成的水是由脱下的氢与氧结合产生的,CO2由有机酸脱羧产生。体外 氧化(燃烧)产生的CO,HO由物质中的碳和氢直接与氧结合生成,能量是突然释放的 第一节生成ATP的氧化体系 呼吸链 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,最终与氧结合生 成水。由于此过程与细胞呼吸有关,所以将此传递链称为呼吸链( respiratory chain)。它们按一定顺序 排列在线粒体内膜上。其中传递氢的酶或辅酶称之为递氢体,传递电子的酶或辅酶称之为电子传递体 不论递氢体还是电子传递体都起传递电子的作用(2H2H+2e),所以呼吸链又称电子传递链 (electron transfer chain (一)呼吸链的组成 用胆酸,脱氧胆酸等反复处理线粒体内膜,可将呼吸链分离得到4种仍具有传递电子功能的酶复 合体( complex)(表8-1),其中复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ完全镶嵌在线粒体内膜中,复合体Ⅱ镶嵌在内膜的 内侧(图8-1)。下面以复合体为基础叙述呼吸链电子传递的过程(图8-2)。 1.复合体Ⅰ一NAD泛醌还原酶大部分代谢物脱下的2H由氧化型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸 ( nicotinamide adenine dinucleotide,NADˆ)接受形成还原型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸。复合体Ⅰ将 还原型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸中的2H传递给泛醌( ubiquinone),泛醌又称辅酶Q( Coenzyme Q,CoQ Q)。人复合体Ⅰ中含有以黄素单核苷酸( flavin mononucleotide,FMN)为辅基的黄素蛋白 ( flavoprotein)和以铁硫簇(iron- sulfur cluster,Fe-S)为辅基的铁硫蛋白(iron- sulfur protein) 黄素蛋白和铁硫蛋白均具有催化功能。 NAD(辅酶I, coenzyme I,CoI),与NADP'(辅酶Ⅱ, Coenzyme I CoⅡ)是烟酰胺脱氢酶 类的辅酶,其结构式如下: NAD或NADP分子中烟酰胺的氮为五价,能接受电子成为三价氮。其对侧的碳原子也比较活泼,能 进行加氢反应。上述反应是可逆的。烟酰胺在加氢反应时只能接受一个氢原子和一个电子,将另一个 H游离出来,因此将还原型的NAD和NADP分别写成NADH+H(NADH)和 NADPH+H( NADPH)。 FMN中含有核黄素(维生素B2),其发挥功能的结构是异咯嗪环。氧化型或醌型的FMN可接受 1个质子和1个电子形成不稳定的半醌型FMNH·,再接受1个质子和1个电子转变为还原型或氢醌型 FMNH21 第八章 生物氧化 物质在生物体内进行氧化称为生物氧化(biological oxidation),主要是糖、脂肪、蛋白质等在 体内分解时逐步释放能量，最终生成二氧化碳和水的过程。其中有相当一部分能量可使 ADP 磷酸化生 成 ATP，供生命活动之需，其余能量主要以热能形式释放，可用于维持体温。 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。物质在体内 外氧化时所消耗的氧量，最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。但生物氧化是在细胞内温和的环境 中（体温，pH 接近中性），在一系列酶的催化下逐步进行的，因此物质中的能量得以逐步释放，有利于 机体捕获能量提高 ATP 生成的效率。生物氧化过程中进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧， 并增加脱氢的机会；生物氧化中生成的水是由脱下的氢与氧结合产生的，CO2 由有机酸脱羧产生。体外 氧化（燃烧）产生的 CO2，H2O 由物质中的碳和氢直接与氧结合生成，能量是突然释放的。 第一节 生成 ATP 的氧化体系 一、呼吸链 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，最终与氧结合生 成水。由于此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链（respiratory chain）。它们按一定顺序 排列在线粒体内膜上。其中传递氢的酶或辅酶称之为递氢体，传递电子的酶或辅酶称之为电子传递体。 不论递氢体还是电子传递体都起传递电子的作用（2H 2H++2e），所以呼吸链又称电子传递链 (electron transfer chain)。 （一）呼吸链的组成 用胆酸，脱氧胆酸等反复处理线粒体内膜，可将呼吸链分离得到 4 种仍具有传递电子功能的酶复 合体（complex）（表 8-1），其中复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ完全镶嵌在线粒体内膜中，复合体Ⅱ镶嵌在内膜的 内侧（图 8-1）。下面以复合体为基础叙述呼吸链电子传递的过程（图 8-2）。 1．复合体Ⅰ — NADH-泛醌还原酶 大部分代谢物脱下的 2H 由氧化型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸 （nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+）接受形成还原型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸。复合体Ⅰ将 还原型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸中的 2H 传递给泛醌（ubiquinone），泛醌又称辅酶 Q（Coenzyme Q，CoQ， Q）。人复合体Ⅰ中含有以黄素单核苷酸（flavin mononucleotide, FMN）为辅基的黄素蛋白 （flavoprotein）和以铁硫簇（iron-sulfur cluster, Fe-S）为辅基的铁硫蛋白（iron-sulfur protein）。 黄素蛋白和铁硫蛋白均具有催化功能。 NAD+（辅酶Ⅰ，coenzyme I, Co I），与 NADP+（辅酶Ⅱ，Coenzyme Ⅱ Co Ⅱ）是烟酰胺脱氢酶 类的辅酶，其结构式如下： NAD+或 NADP+分子中烟酰胺的氮为五价，能接受电子成为三价氮。其对侧的碳原子也比较活泼，能 进行加氢反应。上述反应是可逆的。烟酰胺在加氢反应时只能接受一个氢原子和一个电子，将另一个 H+游离出来，因此将还原型的 NAD+和 NADP+分别写成 NADH + H（+ NADH）和 NADPH+H（+ NADPH）。 FMN 中含有核黄素（维生素 B2），其发挥功能的结构是异咯嗪环。氧化型或醌型的 FMN 可接受 1 个质子和 1 个电子形成不稳定的半醌型 FMNH·,再接受 1 个质子和 1 个电子转变为还原型或氢醌型 FMNH2