生物化学生物氧化和能量转化

1、二、生物氧化的特点二、生物氧化的特点 1. 生物氧化是在细胞内进行的。生物氧化是在细胞内进行的。 2. 生物氧化是在常温、常压、近于中性及有水环生物氧化是在常温、常压、近于中性及有水环 境中进行的。境中进行的。 3. 生物氧化所产生的能量是逐步释放的。生物氧化所产生的能量是逐步释放的。 4. 生物氧化所产生的能量首先转移到一些特殊的生物氧化所产生的能量首先转移到一些特殊的 高能化合物中。高能化合物中。 三、生物氧化中三、生物氧化中CO2的生成的生成 1. 直接脱羧作用直接脱羧作用 氧化代谢的中间产物羧酸在氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶脱羧酶的催化下，直的催化下，直 接从分子中脱去羧基。例如草酰

2、乙酸的脱羧。接从分子中脱去羧基。例如草酰乙酸的脱羧。 2. 氧化脱羧作用氧化脱羧作用 氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧氧 化脱羧酶系化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化 （脱氢）作用。（脱氢）作用。 四、生物氧化中四、生物氧化中H2O的生成的生成 代谢物代谢物MH2 氧化型氧化型 M 还原型还原型1/2O2 H2O 一个或多个传递体一个或多个传递体 脱氢酶脱氢酶 氧化酶氧化酶 1. 自由能自由能 自由能自由能是指一个化合物分子结构中所固有的能量，是指一个化合物分子结构中所固有的能量， 是一种能在恒温、恒

3、压条件下作功的能量。是一种能在恒温、恒压条件下作功的能量。 五、自由能和氧化还原电位五、自由能和氧化还原电位 如果如果 A B , 则则G GB GA G 0，供给能量才能进行，吸能反应。，供给能量才能进行，吸能反应。 G = 0，反应处于平衡状态。，反应处于平衡状态。 2. 氧化还原电位氧化还原电位 Go -n F E0 n：转移电子数；：转移电子数； F：法拉第常数：法拉第常数96.5 KJ/(V.mol) 3. 自由能变化和氧化还原电位的关系自由能变化和氧化还原电位的关系 丙酮酸丙酮酸 + NADH + H+ 乳酸乳酸 + NAD + 丙酮酸丙酮酸 + H+ + 2e- 乳酸乳酸 E0

4、= -0.19 V NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+ E0 = -0.32 V E0 -0.19 (-0.32) = 0.13 V 六、高能磷酸化合物六、高能磷酸化合物 生物体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基水解时，生物体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基水解时， 释放大量的能量，这些化合物称为释放大量的能量，这些化合物称为高能磷酸化合物高能磷酸化合物。 如如 ATP。 一般将水解时能够释放一般将水解时能够释放21 kJ /mol 以上自由能的以上自由能的 化合物称为化合物称为高能化合物高能化合物。 根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分根据生物体内高能化合物键的特性可以把他

5、们分 成以下几种类型成以下几种类型: 酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物 1. 磷氧键型（磷氧键型（OP） CO C H O C H 2 O H OP O O - O - P O O - O - 1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 11.8千卡千卡/摩尔摩尔 烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物 OP O OCOOH CO CH2 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 14.8千卡千卡/摩尔摩尔 焦磷酸化合物焦磷酸化合物 O- P O O- N N N N NH2 O H H OH H OH H OCH2O-P O O- O- P O O- ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷） O- P O O- O P O

6、O- O- 焦磷酸焦磷酸 7.3千卡千卡/摩尔摩尔 OP O O N H CN H NCH3 CH2CO O H OP O O NH CNH NCH3 CH2CH2CH2CHCOOH NH2 磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸 10.3千卡千卡/摩尔摩尔7.7千卡千卡/摩尔摩尔 2. 磷磷氮氮键型（键型（NP） 磷酸肌酸磷酸肌酸存在于肌肉、脑和神经组织中，它可与存在于肌肉、脑和神经组织中，它可与 ATP相互转化。相互转化。ATP多时，以磷酸肌酸的形式贮能；多时，以磷酸肌酸的形式贮能； ATP不足时，磷酸肌酸转化为不足时，磷酸肌酸转化为ATP。因而可认为。因而可认为磷磷 酸肌酸是酸肌酸是ATP

7、的贮存库的贮存库。 严格的说，严格的说，ATP不是能量的贮存者，而是能量的不是能量的贮存者，而是能量的 携带者和传递者。携带者和传递者。 以高能磷酸形式储存能量的物质称为以高能磷酸形式储存能量的物质称为磷酸原磷酸原，包，包 括括磷酸肌酸磷酸肌酸和和磷酸精氨酸磷酸精氨酸。 COO - CHNH3 + CH2 CH2 S + H3CA S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸 3. 硫碳键型（硫碳键型（CS） 甲硫键化合物甲硫键化合物 RC O SCoA 酰基辅酶酰基辅酶A 硫酯键化合物硫酯键化合物 第二节第二节 线粒体及其内部氧化体系线粒体及其内部氧化体系 细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所。细胞内的线粒体

8、是生物氧化的主要场所。 在生物氧化中，从代谢物上脱下的氢由一系在生物氧化中，从代谢物上脱下的氢由一系 列传递体所组成的电子传递链而转移，最终达到列传递体所组成的电子传递链而转移，最终达到 氧，使氧还原成水，并伴随着自由能的释放和氧，使氧还原成水，并伴随着自由能的释放和 ATP的生成。的生成。 二、线粒体内膜上的电子传递链二、线粒体内膜上的电子传递链 在生物氧化过程中，从代谢物上脱下的氢由一在生物氧化过程中，从代谢物上脱下的氢由一 系列传递体依次传递，最后与氧形成水的整个体系系列传递体依次传递，最后与氧形成水的整个体系 称为称为呼吸链（呼吸链（respiratory chain）。 由于在传递过

9、程中，在很多部位氢原子实际上由于在传递过程中，在很多部位氢原子实际上 以质子（以质子（H+）形式进入基质，仅发生电子转移，因）形式进入基质，仅发生电子转移，因 此呼吸链又称为此呼吸链又称为电子传递链（电子传递链（electron-transport chain）。 电子传递链基本分为：电子传递链基本分为： 1. 烟酰胺腺嘌呤核苷酸（烟酰胺腺嘌呤核苷酸（NAD+、NADP+） 2. 黄素蛋白（黄素蛋白（FMN、FAD） 3. 铁硫蛋白（铁硫蛋白（FeS） 4. 泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q，CoQ） 5. 细胞色素（细胞色素（cyt） 电子传递链的基本组成电子传递链的基本组成 通过异咯嗪环第通过异咯嗪

10、环第1位和第位和第10位上的两个氮原子反位上的两个氮原子反 复进行加氢和脱氢反应。复进行加氢和脱氢反应。 FMN + 2H FMNH2 它主要以它主要以 (2Fe-2S) 或或 (4Fe-4S) 形式存在。铁硫形式存在。铁硫 蛋白通过蛋白通过Fe3+ Fe2+ 变化起传递电子的作用。变化起传递电子的作用。 2Fe-2S4Fe-4S 它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为 一种脂溶性醌类化合物。一种脂溶性醌类化合物。 细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋 白的总称。白的总称。 线粒体呼吸链中主要含有线粒体呼吸链

11、中主要含有cyta、cyta3、cytb、 cytc和和cytc1 5种。组成它们的辅基分别为血红素种。组成它们的辅基分别为血红素A、 B和和C。 细胞色素主要是通过细胞色素主要是通过Fe3+ Fe2+ 的互变起传递的互变起传递 电子的作用的。电子的作用的。 电子传递链各组分的排列顺序电子传递链各组分的排列顺序 线粒体末端氧化呼吸链有两条：线粒体末端氧化呼吸链有两条： 1. NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 2. 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 两条呼吸链中除两条呼吸链中除CoQ和和cytc外，其余组分形成嵌入内膜外，其余组分形成嵌入内膜 的结构化超分子复合体。这些复合体有的结构化超分子复合体。

12、这些复合体有4类：类： . NADH - Q还原酶还原酶 . 琥珀酸琥珀酸Q还原酶还原酶 . Q-Cytc还原酶还原酶 . 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶 线粒体呼吸链线粒体呼吸链 NADH FMN Fe-S O2 FAD Fe-S琥珀酸琥珀酸 等等 复合物复合物 II 复合物复合物 IV 复合物复合物 I 复合物复合物 III NADH脱氢酶脱氢酶 Q-细胞色素还原酶细胞色素还原酶 细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶 琥珀酸琥珀酸-Q还原酶还原酶 CoQ Cyt b Fe-S Cyt c1 Cyt c Cyt aa3 电子传递排列顺序电子传递排列顺序 电子传递链的抑制电子传递链的抑制 第第 三三

13、节节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 氧化氧化磷酸化磷酸化(oxidative phosphorylation) 是指生是指生 物体氧化过程中释放出自由能驱动物体氧化过程中释放出自由能驱动ADP磷酸化形磷酸化形 成成ATP的过程。的过程。 线粒体线粒体ATP合成的方式有两种：合成的方式有两种： 1. 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 2. 氧化磷酸化氧化磷酸化 二、氧化磷酸化的偶联部位二、氧化磷酸化的偶联部位 根据氧化根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算还原电势与自由能变化关系式，计算 出在出在NADH氧化过程中，有三个反应的氧化过程中，有三个反应的 G -30.5 kJ / mol。 磷氧比

14、（磷氧比（P/O）是指一对电子通过呼吸链传递是指一对电子通过呼吸链传递 到氧时所产生的到氧时所产生的ATP分子数。分子数。 复合体复合体 复合体复合体 复合体复合体IV NADH Co Q cyt b cyt c1 cyt aa3 O2 G -50.24 -41.87 -100.48 这三个反应分别与这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联。的磷酰化反应偶联。 NADH的的P/O比为比为2.5；FADH2的的P/O为为1.5 三、氧化磷酸化的偶联机理三、氧化磷酸化的偶联机理 ATP合酶（合酶（ATP synthase） ATP合酶合酶由两个主要单元构成，一是起质子通由两个主要单元构成，一是起质子

15、通 道作用的单元称为道作用的单元称为F0单元单元，另一是催化，另一是催化ATP合成合成 的单元称为的单元称为F1单元单元。故。故ATP合酶又称合酶又称F0 F1 酶（酶（ F0 F1 ATPase） 。 该酶又称该酶又称复合体复合体 氧化磷酸化的偶联机理氧化磷酸化的偶联机理 化学渗透假说化学渗透假说的要点是：的要点是： a. 线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵； b. 在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放 出来的能量，用于驱动膜内侧的出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧。这样，在迁移到膜

16、外侧。这样，在 膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度 ( pH) 和电位梯度和电位梯度 （）；）； c. 在膜内外势能差（在膜内外势能差（ pH 和和）的驱动下，膜外高能质子）的驱动下，膜外高能质子 沿着一个特殊通道（沿着一个特殊通道（ATP酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。 质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成和磷酸合成ATP。 化学渗透假说示意图化学渗透假说示意图 4H+ 4H+ 2H+ 4H+ NADH+H+ 2H+ 10H+ 10H+ ADP+PiATP 高高 质质 子子 浓浓

17、 度度 H2O 2e- + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 质子流质子流 线粒体内膜线粒体内膜 磷酸化磷酸化 氧化氧化 四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂 1. 解偶联剂解偶联剂 解偶联剂（解偶联剂（uncoupler）作用是使电子传递和）作用是使电子传递和 ATP生成的两个过程分离。它只抑制生成的两个过程分离。它只抑制ATP的形成，的形成， 而不抑制电子传递过程。而不抑制电子传递过程。 如：如：2,4二硝基苯酚（二硝基苯酚（DNP） 2. 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 氧化磷酸化抑制剂的作用是抑制氧的利用，又抑氧化磷酸

18、化抑制剂的作用是抑制氧的利用，又抑 制制ATP的形成，但不直接抑制电子传递链上载体的的形成，但不直接抑制电子传递链上载体的 作用。作用。 如：寡霉素（如：寡霉素（oligomycin） 3. 离子载体抑制剂离子载体抑制剂 离子载体抑制剂的作用是与某些离子结合，作为离子载体抑制剂的作用是与某些离子结合，作为 离子载体使这些离子能够穿过膜，从而破坏膜两侧离子载体使这些离子能够穿过膜，从而破坏膜两侧 的电位梯度，最终破坏氧化磷酸化。的电位梯度，最终破坏氧化磷酸化。 如：缬氨霉素、如：缬氨霉素、 短杆菌肽短杆菌肽 五、腺苷酸的转运五、腺苷酸的转运 ATP/ADP 交换体交换体 六、线粒体穿梭系统六、线

19、粒体穿梭系统 NADH从细胞液进入线粒从细胞液进入线粒 体的途径：体的途径： 1. 3-磷酸甘油穿梭途径磷酸甘油穿梭途径 （glycerol 3-phosphate shuttle system） ：主要存在于肌肉：主要存在于肌肉 细胞中。细胞中。 2. 苹果酸天冬氨酸穿梭苹果酸天冬氨酸穿梭 途径（途径（malate-aspartate shuttle system）：主要存在于心脏和：主要存在于心脏和 肝细胞中。肝细胞中。 糖酵解糖酵解 （细胞质）（细胞质） 氧化磷酸化氧化磷酸化 （线粒体）（线粒体） 3-磷酸甘油穿梭途径磷酸甘油穿梭途径 3-磷酸甘油磷酸甘油 苹果酸天冬氨酸穿梭途径苹果酸天

20、冬氨酸穿梭途径 苹果酸苹果酸 天冬氨酸天冬氨酸 苹果酸苹果酸 天冬氨酸天冬氨酸 七、能荷七、能荷 能荷表示细胞的腺苷酸库中充满高能磷酸根能荷表示细胞的腺苷酸库中充满高能磷酸根 的程度。的程度。 C6H12O6 + 6 O2 + 10 NAD+ + 2 FAD + 4 ADP + 4Pi 6 CO2 + 6 H2O + 10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 4 ATP C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 2876 KJ 生物体能量利用率为：生物体能量利用率为：3030.54 / 2876 = 31.9% or : 3230.54 / 2876 = 34

21、.0 1. 名词解释名词解释 生物氧化生物氧化 、呼吸链、呼吸链 、磷氧比、磷氧比P/O（P/O）、）、 氧化磷酸氧化磷酸 化化 、底物磷酸化、底物磷酸化 2. 图示两条呼吸链，并标出图示两条呼吸链，并标出ATP产生部位及抑制部位、抑产生部位及抑制部位、抑 制剂。制剂。 3. 简述化学渗透学说的内容。简述化学渗透学说的内容。 2. 氧化脱羧作用氧化脱羧作用 氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧氧 化脱羧酶系化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化 （脱氢）作用。（脱氢）作用。 细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋 白的总称。白的总称。 线粒体呼吸链中主要含有线粒体呼吸链中主要含有cyta、cyta3、cytb、 cytc和和cytc1 5种。组成它们的辅基分别为血红素种。组成它们的辅基分别为血红素A、 B和和C。 细胞色素主要是通过细胞色素主要是通过Fe3+ Fe2+ 的互变起传递的互变起传递 电子的作用的。电子的作用的。 NADH FMN Fe-S O2 FAD Fe-S琥珀酸琥珀酸 等等 复合物复合物 II 复合物复合物 IV 复合物复合物 I 复合物复合物 III NADH脱氢酶脱氢酶 Q-细胞色素还原酶细胞色素