第六章生物氧化

1、 第六章第六章 生物氧化生物氧化 Biological oxidation 第一节第一节 生物氧化概述生物氧化概述 第二节第二节 电子传递链电子传递链 第三节第三节 氧化磷酸化氧化磷酸化 Outline 学习要点学习要点 1 理解氧化磷酸化与底物水平磷酸化概念 2 掌握生物体能常见的高能化合物 3 掌握电子传递链的概念，了解其组成 4 理解氧化磷酸化的产能机制 一、生物氧化一、生物氧化的概念及特点的概念及特点 1、概念 生物氧化：有机物在生物细胞中被氧化分 解，产生CO2和H2O同时释放能量形成ATP的过程。 生物氧化又称细胞氧化或细胞呼吸。 第一节第一节 生物氧化概述生物氧化概述 O2 脂肪

2、脂肪 葡萄糖、葡萄糖、 其它单糖其它单糖 三羧酸三羧酸 循环循环 电子传递电子传递 （氧化）（氧化） 蛋白质蛋白质 脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油 多糖多糖 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA e- 磷酸化磷酸化 +Pi 小分子化合物小分子化合物 分解成共同的分解成共同的 中间产物（如中间产物（如 丙酮酸、乙酰丙酮酸、乙酰 CoA等）等） 共同中间物进共同中间物进 入三羧酸循环入三羧酸循环, 氧化脱下的氢由氧化脱下的氢由 电子传递链传递电子传递链传递 生成生成H2O，释放，释放 出大量能量，其出大量能量，其 中一部分通过磷中一部分通过磷 酸化储存在酸化储存在ATP 中。中。 大分子降解大分子降解 成基本结

3、构成基本结构 单位单位 生物体内能量生物体内能量 产生的三个阶段产生的三个阶段 2 2、生物氧化的特点、生物氧化的特点 在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放 而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效 的利用。 n条件温和（条件温和（3737，近，近中性）中性） n酶催化酶催化，高效可控，高效可控 n逐步释放能量逐步释放能量 n有机酸脱羧生成有机酸脱羧生成 COCO2 2 n有机物脱氢经呼吸链生成有机物脱氢经呼吸链生成 H H2 2O O （1）脱氢反应 琥珀酸 + FAD 琥珀酸脱氢酶 延胡索酸 + FADH2 （2）加氧反应 AA + O2 + H2O AA氧化酶 -酮酸 + NH3 +

4、 H2O2 （3）失电子反应：如细胞色素氧化酶 Fe2+ Fe3+ + e- 3、生物体中氧化反应的类型 （1 1）直接脱羧）直接脱羧 A A、- 直接脱羧直接脱羧 O CH3 C H + CO2 O CH3 C COOH 丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶 COOH C =O CH2 COOH COOH C =O + CO2 CH3 丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶 + ADP + Pi + ATP + H2O B B、- 直接脱羧直接脱羧 4、CO2的生成 （2 2）氧化脱羧）氧化脱羧 O CH3CCOOH + CoASH + NAD+ O CH3C SCoA + NADH + H+ + CO2 丙酮酸脱氢

5、酶系丙酮酸脱氢酶系 A A、 氧化脱羧氧化脱羧 COOH C =O + CO2 +NADPH + H+ CH3 COOH C =O + NADP+ CH2 COOH 苹果酸酶苹果酸酶 B B、 氧化脱羧氧化脱羧 5、H2O的生成 脱氢酶 -2H 电子传递体 氧化酶 在脱氢酶、传递体、氧化酶组成的体系 催化下生成。 AH2 氢传递体 1/2O2 H2O 2e- 2H+1/2O2- 高能化合物：在生化反应中，在水解或在生化反应中，在水解或 基团转移反应中可释放出基团转移反应中可释放出大量的自由能大量的自由能的的 化合物。化合物。 大量的自由能大量的自由能20.92 KJ.mol20.92 KJ.m

6、ol-1 -1 (5 Kcal. mol (5 Kcal. mol-1 -1) ) - - 高能键（高能键（ high-energy bondhigh-energy bond） 不稳定键不稳定键 二、高能化合物二、高能化合物 1、高能磷酸化合物 根据其键型有磷氧型和磷氮型 （1）磷氧键型 （一）高能化合物的类型（一）高能化合物的类型 O O A、酰基磷酸化合物、酰基磷酸化合物 HOCHCO POH O CH2O P OH CO P 1,3DPGA 12.312.3 Kcal. molKcal. mol-1 -1 C C、焦磷酸化合物、焦磷酸化合物 O O O PO P 腺苷腺苷OPOPOPO

7、OH OH OH ATP 7.37.3 Kcal. molKcal. mol-1 -1 B B、烯醇式磷酸化合物、烯醇式磷酸化合物 COOHCOOH C=CC=CO O P CP CO O P P CH CH2 2 PEPPEP 14.814.8 Kcal. molKcal. mol-1 -1 （2）磷氮键型 胍基磷酸化合物胍基磷酸化合物 O N P HNPOH C=NH OH N C = HN NCH3 CH2COOH 磷酸肌酸磷酸肌酸 10.310.3 Kcal. molKcal. mol-1 -1 A、硫酯键化合物硫酯键化合物 O O CS CH3CSCoA 乙酰辅酶乙酰辅酶A 7.57

8、.5 Kcal. molKcal. mol-1 -1 B、 甲硫键化合物甲硫键化合物 CH3S+ CH3S+CH2CHCOOH 腺苷腺苷 NH2 S-腺苷甲硫氨酸 腺苷甲硫氨酸 10.0Kcal. molKcal. mol-1 -1 2、高能非磷酸化合物（硫碳键型） ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸 肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 机械能机械能( (肌肉收缩肌肉收缩) ) 渗透能渗透能( (物质主动转运物质主动转运) ) 化学能化学能( (合成代谢合成代谢) ) 电能电能( (生物电生物电) ) 热能热能( (维持体温维持体温) ) 生物体内能生物体内能 量的储

9、存和利用量的储存和利用 都以都以ATPATP为中心。为中心。 （二）（二）ATPATP的结构特点及其转换作用的结构特点及其转换作用 1、ATP是生物体内的“能量货币” （1）ATP的结构特点决定其易于水解放能 （2）ATP的分解与合成与能量偶联 2、ATP是磷酸基团转移载体 磷酯键磷酯键 酸酐键酸酐键 - + - - ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ GG0 0, ,= = -30.5 KJ.molKJ.mol-1 -1 ATP4- + H2O AMP2- + PPi3- + H+ GG0 0, ,= = -33.1 KJ.molKJ.mol-1 -1 一些磷酸化合物

10、水解的标准自由能变化一些磷酸化合物水解的标准自由能变化 化合物化合物 G G0 0 磷酸基团转移势能磷酸基团转移势能 （kcal/mol)kcal/mol) （kcal/mol)kcal/mol) PEP -14.8 14.8 1,3-DPGA -12.3 12.3 磷酸肌酸磷酸肌酸 -10.3 10.3 ATP -7.3 7.3 G-6-P -3.3 3.3 G-3-P -2.2 2.2 1,3-diposphoglyceric acid ：1,3-DPGA 磷酸基团转移势能/kcal.mol-1 2 4 6 8 10 12 14 16 ATP作为磷酸基团传递体示意图 磷酸肌酸 （磷酸基团储

11、备物） 1,3-DPGA ATP G-6-P G-3-P P P P P P 第二节第二节 电子传递链（电子传递链（ 呼吸链）呼吸链） (Electron Transport System ETS)(Electron Transport System ETS) ETS：存在于线粒体内膜上的一系列能 接受氢或电子的中间传递体组成的链锁式 反应体系，又称呼吸链。 根据呼吸底物上氢的初始受体的不同， 线粒体内呼吸链可分为： NADH呼吸链 FADH2呼吸链 一、概念 1、黄素蛋白类（FP） NADH + H+ + FMN NADH脱氢酶 NAD+ + FMNH2 琥珀酸 + FAD琥珀酸脱氢酶 延胡

12、索酸 + FADH2 二、电子传递链的组成二、电子传递链的组成 作用：传递电子和质子 包括NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶，分 别以 FMN、FAD为辅基 H VB2（核黄素）（核黄素） 化学结构化学结构 核苷键核苷键 VB2 传递传递 存在形式存在形式 黄素单核苷酸黄素单核苷酸 FMN 黄素腺嘌呤黄素腺嘌呤 二核苷酸二核苷酸 FAD 2、铁硫蛋白（Fe-S） 它主要以它主要以 (2Fe-2S) (2Fe-2S) 或或 (4Fe-4S) (4Fe-4S) 形形 式存在。式存在。(2Fe-2S)(2Fe-2S)含有两个活泼的无含有两个活泼的无 机硫和两个铁原子。机硫和两个铁原子。 作用：通过铁的价态

13、变化而传递电子 Fe2+Fe3+ + e- ETS上唯一的非蛋白组分，是脂溶性小 分子醌类化合物。 3、辅酶Q（又称泛醌，CoQ） 作用：传递质子和电子 一类以铁卟啉为辅基的色素蛋白 作用：通过辅基中铁的价态变化而传递电子 Cytb、Cytc1 、Cytc Cyta、Cyta3 辅基血红素 辅基血红素A， 单电子传递 还含有两个必 需的铜离子 4、细胞色素类（Cyt） 以以O2为电子受体为电子受体 a类中的血红素类中的血红素Ab 、c类中的血红素类中的血红素 共 同 1 2 3 4 5 6 7 8 17个碳的碳氢链个碳的碳氢链 Fe2+ Fe3+ + e- 递电子体：递电子体： 线粒体呼吸链四

14、大复合体线粒体呼吸链四大复合体 NADH-辅酶辅酶 Q还原酶还原酶 琥珀酸琥珀酸-泛泛 醌还原酶醌还原酶 细胞色素细胞色素C 还原酶还原酶 细胞色素细胞色素 氧化酶氧化酶 上述ETS组分除UQ和Cytc外，其余组分 形成嵌入内膜的复合物 复合体 复合体 2e2e 复 合 体 线粒线粒 体体外外 膜膜 线粒线粒 体体内内 膜膜 NADH呼吸链是绝大部分有机物氢 最终氧化的途径 1、复合物：NADH-CoQ还原酶 组成：FMN+铁硫蛋白 1、复合物I：NADH-CoQ还原酶 2、复合物：琥珀酸-CoQ还原酶 组成：FAD+铁硫蛋白 3、复合物： 细胞色素C还原E 组成：Cytb+Fe-S+ Cyt

15、c1 组成：Cyta+ Cyta3+含铜蛋白 4、复合物：细胞色素氧化E 三、电子传递链的顺序三、电子传递链的顺序 FAD FAD Fe-SFe-S 琥珀酸琥珀酸 NADH+HNADH+H+ +FMN Fe-SCoQCytbFe-SCytcFMN Fe-SCoQCytbFe-SCytc1 1 Cytc Cytc Cytaa Cytaa3 3 O O2 2 细胞色细胞色 素氧化酶素氧化酶 NADH-QNADH-Q还原酶还原酶细胞色素还原酶细胞色素还原酶 琥珀酸琥珀酸-Q -Q 还原酶还原酶 NADHNADH呼吸链呼吸链 FADHFADH2 2呼吸链呼吸链 为什么是这样一个顺序呢？ (3) 利用光

16、谱变化确定各组分的氧化还原状态利用光谱变化确定各组分的氧化还原状态 (1) 测各组分氧化还原电位（测各组分氧化还原电位（E0） 研究方法 (2) 呼吸链复合物重组呼吸链复合物重组 (4)利用呼吸链抑制剂利用呼吸链抑制剂 低电位物质低电位物质 高电位物质高电位物质 ee 在标准条件下， G = G0 0 , , ； G0 0, , = -nFE , , （ n n：转移电子数 F：法拉弟常数 F = 96.5 kJ/V.mol） E , , = E, ,电子受体 E, ,电子供体 即：电子从E , ,值较小的物质转移到E, ,值 较大的物质，反应自发进行 一个反应能够自发进行， G 30.5KJ

17、/mol， 即偶联部位 E , 160 mV 二、氧化磷酸化的偶联部位二、氧化磷酸化的偶联部位 NADH + H+ O2 G = -220kJ/mol P/O ：每消耗一个氧原子（或每对电子 通过呼吸链传递至氧）所产生的ATP分子数。 实验证明：线粒体中的NADH经ETS氧化， P/O=2.5，FADH2经ETS氧化，P/O=1.5 3、偶联部位： NADH CoQ 复合物 Cytb Cytc1 复合物 Cytaa3 O2 复合物 2、根据P/O判断 电子从NADH传递给O2时，产生的自由能： 4、氧化磷酸化的贮能效率 NADH + H+ + O2 H2O + NAD+ G = -220 kJ

18、/mol 2.5ADP + 2.5 Pi ATP G = 2.530.5 kJ/mol 合成ATP消耗的能量： 储能效率 = 2.530.5/220.07100%= 34.7% 1、化学偶联假说：电子的传递过程中形 成高能中间物，释放能量，使ADP生成ATP。 2、构象偶联假说：电子的传递过程中形 成高能构象，释放能量，使ADP生成ATP。 3、化学渗透假说：1961年由P.Mitchell 提出，此假说得到多数人支持。 （一）能量偶联假说（一）能量偶联假说 三、氧化磷酸化的机理三、氧化磷酸化的机理 for his contribution to the understanding of bi

19、ological energy transfer through the formulation of the chemiosmotic theory” Peter D. Mitchell United Kingdom Glynn Research Laboratories The Nobel Prize in Chemistry 1978 1920-1992 化学渗透假说内容 （1）递H体和递电子体交替排列 （2）复合物、 和中的递H体利用 电子传递反应能量将H+泵出内膜 （3）线粒体造成跨膜H+梯度(质子浓度梯 度和电位梯度，合称为质子动力势) （4） H+通过F1-F0-ATPase回流

20、时，释放 能量，生成ATP 化学渗透假说内容： 代谢物代谢物 化学能化学能 讨论讨论 1 设计实验为该假说提供证据？ 2 该假说不能回答的问题？ （1）氧化磷酸化的进行要求线粒体内膜完 整 （2）将线粒体悬浮于无O2缓冲液，当通入 O2 时介质很快酸化 （3）内膜对H+、OH-、K+和Cl-等离子不通透 （4）人为地造成跨膜的质子电子电化学梯 度，同时加入ADP和Pi，发现合成了ATP 化学渗透假说的证据： 超声波处理 嵴重新封闭 形成亚线粒体泡 内膜外翻内膜外翻 尿素 胰蛋白酶 保留电子传递功能 丧失合成ATP功能 氧化磷酸化恢复氧化磷酸化恢复 线粒体内膜组份完整线粒体内膜组份完整 很多问题

21、有待揭示： 合成1分子ATP有多少H+通过F0 ？ CoQ在电子传递链中的变化 ？ H+究竟是怎样通过ETS而被逐出的？ F1：球行头部，伸入到线粒体基质中，由 五种9个亚基组成 功能：合成ATP的催化部位 寡霉素敏感性蛋白（OSCP）：参与调控 F1-F0的功能 F0：横贯线粒体内膜 功能：质子通道 1、ATP合酶复合体 （三）（三）ATP合成机制合成机制 ATP合酶结构模式图合酶结构模式图 疏水部分疏水部分Fo （a1b2c912亚基）亚基） 亲水部分亲水部分 F1 （339亚基）亚基） 转子转子 定子定子 ATP 酶的模型与高级结构酶的模型与高级结构 ATP 酶酶F1部分的高级结构部分的

22、高级结构 John E. Walker 2、ATP合成机制 Paul Boyer提出的“结合变化机制” （binding-change mechnism) 亚基有三种 状态： “O”状态：开放形式，对底物亲和力极低 “L”状态：松弛形式，对底物结合较松弛， 对底物无催化能力 “T”状态：与底物结合紧密，并有催化活性 Paul D. Boyer The Nobel Prize in Chemistry 1997 for for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine tr

23、iphosphate (ATP) 质子流的能量推动催化亚基质子流的能量推动催化亚基在在O O、 L L和和T T 间转换间转换 1、解偶联剂：不阻断电子传递 不生成ATP 电子传递抑制剂：阻断电子传递 不生成ATP 作用：使氧化（电子传递）和磷酸化 （形成ATP）两个偶联的过程脱节，只抑制 ATP的形成过程，而不抑制电子传递过程， 使电子传递所产生的自由能以热能表达。 四、氧化磷酸化的抑制四、氧化磷酸化的抑制 解偶联剂DNP的抑制原理: 破坏跨膜H+梯度 DNP 直接将H+ 从膜间携带到线粒体基质，破坏 跨膜梯度。 脂溶性脂溶性 线粒体线粒体 内膜内膜 作用：直接作用于ATPase复合体而抑制

24、ATP 的合成；间接抑制了电子传递和分子氧的消耗。 这类抑制剂有短杆菌肽、缬氨霉素、芸香 霉素和寡霉素。 寡酶素抑制原理：与Fo-F1-ATPase复合体 柄部（Fo）的一个亚基结合“堵塞”了其内的 质子通道,阻止膜外的H+回流到基质内。 2、 氧化磷酸化的抑制 呼吸链可与磷 酸化脱离，能 量全部转化为 热。 n熊冬眠 l婴儿及初生的 哺乳动物维持 体温 颈背部褐色脂肪细胞 五、线粒体外五、线粒体外NADH的氧化磷酸化的氧化磷酸化 胞外产生的NADH的P/O比 是多少？ （一）外（一）外NADHNADH脱氢酶脱氢酶( (真菌和高等植物真菌和高等植物) ) 外NADH脱氢酶分布在内膜的外侧朝向膜

25、 空间，以FAD为辅基的黄素蛋白，接受来自 于胞液的NADH的氢原子，传递给CoQ。 P/O=1.5 内NADH脱氢酶分布在内膜的内侧朝向基 质，以FMN为辅基的黄素蛋白，接受来自于 线粒体衬质的NADH的氢原子，传递给CoQ。 P/O=2.5 动物体内的NADH必须通过线粒体穿梭系 统。 线粒体穿梭：生物氧化和氧化磷酸化主 要在线粒体内进行，NAD+、NADH不能自由进 入线粒体，因此胞液中生成的NADH必须通过 特殊的穿梭机制进入线粒体。 （二）线粒体穿梭（二）线粒体穿梭 1、磷酸甘油穿梭系统 动物肌细胞、脑细胞 NADH 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 FADH2 +

26、H+ 甘油磷酸甘油磷酸 甘油磷酸甘油磷酸 线粒体线粒体 脱氢酶脱氢酶 脱氢酶脱氢酶 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜 NAD+ 甘油磷酸甘油磷酸 甘油磷酸甘油磷酸 FAD 胞液胞液 甘油甘油-3-磷酸穿梭机制磷酸穿梭机制 P/O= 1.5 2、苹果酸穿梭系统动物的肝、肾、心脏细胞 线粒体线粒体 胞液胞液 外膜外膜 内膜内膜 衬质衬质 NAD+ 苹果酸苹果酸 苹果酸苹果酸 NAD+ NADH+H+ OAA OAA NADH+H+ a-酮戊二酸酮戊二酸 a-酮戊二酸酮戊二酸 Glu Glu Asp Asp ：苹果酸：苹果酸a-酮戊二酸反向交换载体酮戊二酸反向交换载体 II ：AapGlu反向交换载体反向交换载体 苹果酸穿梭机制苹果酸穿梭机制 P/O= 2