生物化学：第六章 生物氧化

1、第六章第六章 生物氧化和能量转换生物氧化和能量转换 生物氧化概述生物氧化概述 线粒体及其内部氧化体系线粒体及其内部氧化体系 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 第一节第一节 概述概述 生物氧化生物氧化：有机物质在生物体内氧化分解：有机物质在生物体内氧化分解 成成COCO2 2 和和H H2 2O O并释放并释放能量能量的过程。的过程。 （细胞氧化、细胞呼吸、组织呼吸）（细胞氧化、细胞呼吸、组织呼吸） 生物氧化的特点生物氧化的特点 （1 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 2）生物氧化是在温和条件下进行的）生物氧化是在温和条件下进行的 （3 3）生物氧化所产生的能量是逐步释放

2、的）生物氧化所产生的能量是逐步释放的 （4 4）生物氧化所产生的能量首先转移到一些特殊）生物氧化所产生的能量首先转移到一些特殊 的高能化合物中的高能化合物中 生物能与生物能与ATPATP 1. ATP1. ATP是生物能存在的主要形式是生物能存在的主要形式 ATPATP是能够被生物细胞直接利用的能量形是能够被生物细胞直接利用的能量形 式式, ,是能量的携带者和传递者是能量的携带者和传递者 2.2.磷酸原磷酸原 以高能磷酸形式贮能的物质统称为以高能磷酸形式贮能的物质统称为. 磷酸肌酸、磷酸精氨酸等磷酸肌酸、磷酸精氨酸等 高能磷酸化合物：生物体内有一些磷酸化 合物,当其磷酸基团水解或转移时，可释

3、放出大量的自由能，这类化合物称为. ATPATP是生物细胞是生物细胞 中最重要的高中最重要的高 能磷酸酯类化能磷酸酯类化 合物。合物。 根据生物体内根据生物体内 高能化合物键高能化合物键 的特性可以把的特性可以把 他们分成以下他们分成以下 几种类型。几种类型。 O - P O O - N N N N NH 2 O H H OH H OH H OCH 2 O - P O O - O - P O O - 1,1,磷氧键型（磷氧键型（OP)OP) CO CH O CH2 OH OP O O- O- P O O- O- (1)酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物 3-磷酸甘油酸磷酸磷酸甘油酸磷酸 CH3C O

4、 OP O O- O- 乙酰磷酸乙酰磷酸 10.1千卡千卡/摩尔摩尔11.8千卡千卡/摩尔摩尔 H3N+C O OP O O- O- 氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸 R C O OP O O O- A 酰基腺苷酸酰基腺苷酸 RCH C O OP O O O- A N+H3 氨酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸 （2 2）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 O- O- 焦磷酸焦磷酸 7.3千卡千卡/摩尔摩尔 （3 3）烯醇式磷酸化合物）烯

5、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 14.814.8千卡千卡/ /摩尔摩尔 2,2,磷氮键型磷氮键型 OP O O NH CNH NCH3 CH2COOH 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 这两种高能化合物在生物体内起储存能这两种高能化合物在生物体内起储存能 量的作用。量的作用。 3,3,硫碳键型硫碳键型 RC O SCoA 酰基辅酶酰基辅酶A COO- CHNH3+ CH2 CH2 S+H3CA S-腺苷甲

6、硫氨酸腺苷甲硫氨酸 2.1 2.1 基本知识基本知识 2.2 2.2 电子传递链的组成电子传递链的组成 2.3 2.3 电子传递链抑制剂电子传递链抑制剂 第二节第二节 电子传递链电子传递链 呼吸链：呼吸链：在生物氧化过程中，从代谢物上在生物氧化过程中，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成为呼吸链。与氧形成水的整个体系成为呼吸链。 电子传递链：电子传递链：由于在传递过程中，在很多由于在传递过程中，在很多 部位氢原子实际上以质子形式进入基质，部位氢原子实际上以质子形式进入基质， 仅发生电子转移，因此呼吸链又称为仅发生电子转移，

7、因此呼吸链又称为 2.1 2.1 电子传递链基本知识电子传递链基本知识 部位：部位： 原核细胞原核细胞-质膜质膜 真核细胞真核细胞-线粒体内膜线粒体内膜 分类：分类： NADH：NADHNADH电子传递链电子传递链 最初的供氢体 FADH2：FADHFADH2 2电子传递链电子传递链 最初的供氢体 2.1 2.1 电子传递链基本知识电子传递链基本知识 线粒体结构线粒体结构 2.2 2.2 电子传递链组成电子传递链组成 电子传递链是一系列电子传递体按对电电子传递链是一系列电子传递体按对电 子亲和力逐渐升高的顺序组成的电子传子亲和力逐渐升高的顺序组成的电子传 递系统递系统 电子传递链的主要组分包括

8、：电子传递链的主要组分包括：烟酰胺腺烟酰胺腺 嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸、黄素蛋白黄素蛋白、铁硫蛋白铁硫蛋白、泛泛 醌醌及及细胞色素细胞色素类类 重要的两条呼吸链重要的两条呼吸链 1.NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 2.琥珀酸琥珀酸(FADH2)氧化呼吸链氧化呼吸链 IIIIIIIIII IVIV IVIV IIIIIIIIII 2.3 电子传递链抑制剂 能够阻断呼吸链中某一特定部位电子传递的 物质称为. 第三节第三节 氧化磷酸化作氧化磷酸化作用用 氧化磷酸化氧化磷酸化（oxidative phosphorylation） 指生物氧化过程中释放出的自由能驱动指生物氧化过程中释放出的自由能驱动 ADPA

9、DP磷酸化形成磷酸化形成ATPATP的过程的过程 氧化磷酸化类型氧化磷酸化类型 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 电子传递链的磷酸化电子传递链的磷酸化 3.1 ATP3.1 ATP的生成方式的生成方式 1 1 氧化磷酸化：氧化磷酸化： ( (需需O O2 2) ) 电子从电子从NADHNADH或者或者FADHFADH2 2经过电子传递链经过电子传递链 传递给分子氧时，将释放的能量转移给传递给分子氧时，将释放的能量转移给 ADPADP生成生成ATPATP的方式。的方式。 2 2 底物水平磷酸化：底物水平磷酸化： ( (不需不需O O2 2) ) 在底物氧化过程中，形成某些高能中间在底物氧化过程中，形

10、成某些高能中间 产物或某种高能状态，再通过酶的作用使产物或某种高能状态，再通过酶的作用使 其能量转给其能量转给ADPADP生成生成ATPATP的过程。的过程。 底物水平磷酸化：底物水平磷酸化： 3.2 3.2 氧化磷酸化的细胞结构基础氧化磷酸化的细胞结构基础 线粒体线粒体组成：外膜、内膜、膜间隙、基质组成：外膜、内膜、膜间隙、基质 主要功能：进行氧化磷酸化，合成主要功能：进行氧化磷酸化，合成ATPATP 基粒基粒：内膜和嵴的基质面上有许多排列规则：内膜和嵴的基质面上有许多排列规则 的带柄的球状小体，简称的带柄的球状小体，简称 基粒组成：基粒组成：头部头部(F(F1 1) )、柄部柄部(OSCP

11、)(OSCP)、基部基部(F(F0 0) ) F F1 1、 、OSCP OSCP、F F0 0 统称 统称ATPATP合成酶合成酶或或F F1 1FF0 0 复合 复合 体体或或三联体三联体 ATPATP生成的结构基础生成的结构基础 头部头部:F:F1 1, ,含含，五种亚基五种亚基 作用：作用：催化催化ADPADP和和PiPi发生磷酸化，生成发生磷酸化，生成ATP,ATP, 也可水解也可水解ATPATP。 基部基部：F F0 0， 作用：作用：具有质子通道的作用，传送质子通具有质子通道的作用，传送质子通 过膜到达过膜到达F F1 1的催化部位的催化部位 柄部柄部：连接：连接F F1 1和和

12、F F0 0 作用：作用：控制质子的流动，从而控制控制质子的流动，从而控制ATPATP的生的生 成速度成速度 3.3 ATP3.3 ATP的生成与的生成与P/OP/O的关系的关系 P/OP/O 指一对电子通过呼吸链传递到指一对电子通过呼吸链传递到 氧时所产生的氧时所产生的ATPATP的分子数的分子数 NADHNADH呼吸链完全氧化时：呼吸链完全氧化时： P/O =2.5P/O =2.5 FADHFADH2 2呼吸链完全氧化时：呼吸链完全氧化时：P/O =1.5P/O =1.5 3.4 3.4 呼吸链氧化磷酸化的机制呼吸链氧化磷酸化的机制 三种假说： 化学偶联假说 高能共价中间产物 构象偶联假说

13、 高能构象中间产物 化学渗透假说化学渗透假说 19611961，P.MitchellP.Mitchell 化学渗透学说的内容化学渗透学说的内容 1)1)递氢体和递电子体间隔排列递氢体和递电子体间隔排列, ,催化定向催化定向 反应反应. . 2)2)递氢体递氢体( (复合物复合物I. II.III.)I. II.III.)起起质子泵质子泵作作 用用, ,把质子从内膜内侧泵到内膜外侧把质子从内膜内侧泵到内膜外侧. . 3)3)线粒体内膜对线粒体内膜对质子不透性质子不透性, ,于是内膜两于是内膜两 侧形成了侧形成了pHpH梯度梯度和和跨膜电位梯度跨膜电位梯度. . 4) 4) pHpH梯度梯度和和跨

14、膜电位梯度跨膜电位梯度合称为合称为质子电化学质子电化学 梯度，梯度，是推动是推动ATPATP合成原动力合成原动力. . 5)5)强大的质子流通过嵌在线粒体内膜上的强大的质子流通过嵌在线粒体内膜上的 F F1 1- - F F0 0-ATP-ATP合成酶合成酶( (三联体三联体) )进入线粒体基质时进入线粒体基质时, ,释释 放的自由能推动放的自由能推动ATPATP的合成的合成. . 化学渗透假说成立的条件化学渗透假说成立的条件：线粒体：线粒体内膜的完整内膜的完整 性性和和对质子的不透性对质子的不透性 3.5 3.5 影响氧化磷酸化的因素影响氧化磷酸化的因素 (1)(1)呼吸链呼吸链电子传递抑制

15、剂电子传递抑制剂： 抑制机理抑制机理: :阻断呼吸链的电子传递阻断呼吸链的电子传递, ,使使 电子不能传递给氧电子不能传递给氧, ,而使细胞呼吸停而使细胞呼吸停 止。止。 (2)(2)解偶联解偶联剂剂 机理机理: : 电子传递与电子传递与ATPATP合成两过程分离合成两过程分离 （线粒体内膜对（线粒体内膜对H H+ +通透性增加）通透性增加） 二硝基苯酚二硝基苯酚： 脂溶性，可结合、释放脂溶性，可结合、释放 H H+ +细菌、病毒可产生解偶联剂细菌、病毒可产生解偶联剂 解偶联蛋白解偶联蛋白： 位于棕色脂肪组织的线位于棕色脂肪组织的线 粒体内膜中，为质子通道粒体内膜中，为质子通道，H H+ +回流时产回流时产 热御寒。热御寒。 DNP作用机理图 (3)(3)氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 机理：机理：抑制氧化磷酸化抑制氧化磷酸化, ,不抑制电子不抑制电子 传递传递. . 寡霉素：寡霉素：可与可与ATPATP合酶的寡霉素敏感蛋合酶的寡霉素敏感蛋 白白( (柄部柄部) )结合，阻断质子通道。结合，阻断质子通道。 （4 4） 离子载体抑制剂离子载体抑制剂 机理机理：线粒体内膜增加了对一价阳：线粒体内膜增加了对一价阳 离子