第五章生物氧化biologicaloxidation本章簡介從本章開始起生物化學的學習進入了動態(tài)生化部分。本章介紹有關生物氧化基本知識，重點闡述生物氧化基本概念，理論，類型以及作用機理，有關酶類以及能量轉(zhuǎn)換等。要求應根據(jù)基本的氧化-還原理論理解生物氧化的概念，并集合糖，脂以及蛋白質(zhì)代謝的化學過程說明生物氧化的重要性。要搞清楚參加生物氧化過程的酶類以及輔酶類的作用機制。理解各種呼吸鏈的組成以及氫和電子的傳遞過程。弄清楚生物氧化的兩大最終產(chǎn)物水和二氧化碳的形成過程和方式，了解ATP的合成方式以及其在體內(nèi)的重要性。第一節(jié)生物氧化的概念

一、生物氧化的意義

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人體在生命活動過程中，通過三大營養(yǎng)素在生物細胞中氧化分解，最終徹底氧化成二氧化碳和水，并釋放能量的過程，稱為生物氧化(biologicaloxidation)。 由于生物氧化是在組織細胞中進行的，氧化過程又和吸入氧和呼出二氧化碳的呼吸作用密切相關，所以又將生物氧化稱為細胞氧化(cellularoxidation)或細胞呼吸(cellularrespiration)。

生物氧化意義在于為機體提供生命活動所需要的能量。真核生物細胞的生物氧化在線粒體中進行，而原核生物細胞是在細胞質(zhì)膜上進行。二、生物氧化的特點

與非生物氧化相比，生物氧化的特點為：在常溫、常壓、中性pH及有水的環(huán)境中進行，氧化條件緩和。是在一系列酶、輔酶和傳遞體作用下進行的。能量的釋放是逐步的：一部分是以ATP形式貯存起來，需要時再由ATP分子中釋出；一部分是以熱或光的形式放出。這樣不會因溫度迅速上升而損害機體，又可以使釋放出來的能量得到最有效的利用。第二節(jié)線粒體氧化體系

一、呼吸鏈和電子傳遞系統(tǒng)

1.概念

生物氧化體系是指代謝物分子中的氫由脫氫酶激活脫出，脫下的氫經(jīng)一個或幾個中間傳遞體及氧化酶按一定的順序傳遞，最后與分子氧結(jié)合成水。呼吸鏈(respiratorychain)p209是指在生物氧化中，基質(zhì)脫下的氫經(jīng)過一系列傳遞體傳遞，最后與氧結(jié)合成水的電子傳遞過程，此系統(tǒng)又叫電子傳遞體系。

2.呼吸鏈的種類

在具有線粒體的生物中，典型的呼吸鏈有兩種，即NADH呼吸鏈和FAD呼吸鏈。 這兩種呼吸鏈的區(qū)別，僅在于最初的受氫體不同。在NADH呼吸鏈中，最初的受氫體是NAD+；在FAD呼吸鏈中，最初的受氫體是FAD。

除此之外，其余組分基本一致。

呼吸鏈圖解呼吸鏈簡圖

FP1：FMN為輔基的NADH脫氫酶FP2：FAD為輔基的脫氫酶

NADH呼吸鏈的功能廣泛，是細胞內(nèi)的主要呼吸鏈。在糖、脂肪、蛋白質(zhì)的分解代謝中，絕大部分脫氫氧化反應都是通過NADH呼吸鏈來完成的；只有少部分代謝物(如琥珀酸、脂酰CoA)是通過FADH2呼吸鏈完成。

二、呼吸鏈的主要成分和作用

(一)、以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶類 大多數(shù)脫氫酶以NAD+為輔酶，有的以NADP+為輔酶，還有極少數(shù)的酶，如谷氨酸脫氫酶，能用NAD+或NADP+兩種輔酶。 這些脫氫酶都是以NAD+或NADP+作為電子受體，所以這一類脫氫酶稱為與NAD(P)+相關的脫氫酶(NAD+/NADP+-linkeddehydrofenases)。

NAD+又名CoI，中文名為煙酰胺（尼克酰胺）腺嘌呤二核苷酸；

NADP+又名CoII，中文名為煙酰胺（尼克酰胺）腺嘌呤二核苷酸磷酸。這類脫氫酶催化的反應

后面章節(jié)將要講到的磷酸戊糖途徑的生理意義之一就是生成了NADPH，NADPH具有重要的生理作用。(二)、黃素蛋白(flavoprotein,FP)

黃素蛋白也是一類氧化還原酶，又稱黃酶。其輔基有兩種：一種是黃素單核苷酸(FMN)，另一種是黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)。FMN是重要的遞氫體，而FAD則是一些酶的輔酶，如三羧酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶，其輔酶就為FAD。

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呼吸鏈中的FP也有兩類： 一類是黃素脫氫酶(FP2)，屬于不需氧脫氫酶，如琥珀酸脫氫酶(其輔基為FAD)，可以催化底物的脫氫反應。 另一類是還原型脫氫輔酶的脫氫酶(FP1)，如NADH脫氫酶(其輔基為FMN)，催化NADH脫氫，把氫傳遞給呼吸鏈的下一個成員，在細胞中它傳遞給CoQ。

除呼吸鏈的FP之外，還有一類稱為黃素氧化酶，屬于需氧脫氫酶，這類氧化酶將底物脫下的氫直接遞給分子氧，生成的產(chǎn)物是H2O2，而不是H2O。(三)鐵硫蛋白(iron-sulfurprotein)p211

是存在于線粒體內(nèi)膜上的一種與電子傳遞有關的非血紅素鐵蛋白，作用是借助鐵的變價互變進行電子傳遞。

Fe3++e→Fe2+

，每次只傳遞一個電子，所以是一種單電子傳遞體。

鐵硫蛋白在線粒體內(nèi)膜上常常和其他遞氫體或遞電子體結(jié)合成復合體而存在。從NADH脫氫酶到氧的呼吸鏈中，至少有7個不同的Fe-S中心，4個與NADH脫氫酶(FP1)結(jié)合成復合物，2個與細胞色素b結(jié)合，還有1個與細胞色素c1結(jié)合。在微粒體脫氫輔酶還原酶(FAD)和細胞色素P450之間也有存在。(四)泛醌(ubiqinone，Q)

以往曾認為它是一種輔酶，所以稱為輔酶Q(coenzymeQ)，但后來發(fā)現(xiàn)它是呼吸鏈中唯一不與蛋白質(zhì)結(jié)合的電子載體，所以稱為泛醌更為恰當。它接受黃素蛋白和鐵硫蛋白傳遞來的氫，并將電子傳遞給細胞色素體系，所以泛醌是呼吸鏈中一種中間傳遞體。

(五)細胞色素類

(cytochromes,Cyt)

是廣泛分布于需氧生物細胞線粒體內(nèi)膜上的一類色素蛋白，其輔基為含鐵卟啉衍生物。

在呼吸鏈中，也是依靠Fe原子化合價的可逆變化而傳遞電子的。

Fe3++e→Fe2+

現(xiàn)在已經(jīng)知道有30多種細胞色素。從高等動物細胞的線粒體內(nèi)膜上至少分離出5中細胞色素，包括Cyta、a3、b、c、c1等。在典型的線粒體呼吸鏈中，其傳遞順序是b→c1→c→aa3→O2。一氧化碳，氰化物均可與細胞色素a3和P450結(jié)合，使其喪失傳遞電子的功能，以至整個呼吸鏈電子傳遞中斷。

線粒體中的Cyt多數(shù)與膜緊密結(jié)合，只有Cytc結(jié)合得比較疏松，容易提純。Cyta和Cyta3現(xiàn)在還不能分開，把a和a3合稱為細胞色素氧化酶。 在Cytaa3分子中除鐵卟啉外，還含有2個Cu原子，依靠其化合價的變化，把電子從a3傳到O2：

Cu2++e→Cu+

。三、呼吸鏈中傳遞體的順序

(一)確定排列順序的方法

呼吸鏈中氫和電子的傳遞有嚴格的順序和方向，這些順序和方向的確定，有這么幾個關鍵的實驗證據(jù)。

①從NAD+到分子氧，每一電子傳遞體的氧化還原電位逐漸增加。氧化還原電位的數(shù)值越低，則供電子的傾向越大，越易成為還原劑而處于呼吸鏈的前面。因此按呼吸鏈中各組份的E0’(pH7.0時的標準氧化還原電位)而決定其順序。呼吸鏈中NAD+/NADH的E0’最小，而O2/H2O的E0’最大，恰好表明電子的傳遞方向是從NAD+到分子O2。

②用分離出的電子傳遞體進行重組實驗表明，NADH可使NADH脫氫酶還原，但是不能直接使Cytb、c或Cytaa3還原。同樣還原型NADH脫氫酶不能直接與Cytc起作用，必須經(jīng)過CoQ和Cytb、c后才能與Cytc起作用。

③在分離呼吸鏈的各組分中，從線粒體中分離到一些傳遞體的復合物，這些復合物在傳遞功能上都是有順序地聯(lián)在一起的。復合物中各成分的相關性，說明了呼吸鏈各組分的順序性。

④最直接的證據(jù)是用分光光度法通過吸收光譜的變化來測定完整線粒體中呼吸鏈的各個電子傳遞體的氧化還原狀態(tài)。測定結(jié)果表明：在呼吸鏈的NAD+一端，電子傳遞體的還原性最強，而靠近氧一端，電子傳遞體幾乎全部處于氧化狀態(tài)。這說明電子是沿著底物到氧的方向傳遞。(二)氧化呼吸鏈

1.NADH氧化呼吸鏈

人體內(nèi)大多數(shù)脫氫酶都以NAD+作輔酶，在脫氫酶催化下底物SH2脫下的氫交給NAD+生成NADH+H+，在NADH脫氫酶作用下，NADH+H+將兩個氫原子傳遞給FMN生成FMNH2，再將氫傳遞至CoQ生成CoQH2，此時兩個氫原子解離成2H++2e，2H+游離于介質(zhì)中