第9章生物氧化

1、l光能（太阳能）光能（太阳能）：植物和某些藻类，通：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。过光合作用将光能转变成生物能。l化学能：化学能：动物和多数微生物，通过生物动物和多数微生物，通过生物氧化作用将有机物质存储的化学能释放氧化作用将有机物质存储的化学能释放出来，并转变成生物能。出来，并转变成生物能。生物氧化（biological oxidation）脂肪脂肪葡萄糖、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coae-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

2、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构成基本结构单位单位1 1、酶促氧化过程、反应条件温和、酶促氧化过程、反应条件温和2 2、质子和电子由载体传递到氧生成水、质子和电子由载体传递到氧生成水3 3、分步进行：有利于提高能量利用率、分步进行：有利于提高能量利用率4 4、氧化磷酸化，形成氧化磷酸化，形成atpatp（atpatp

3、的形成方式的形成方式）区别：区别：生物氧化生物氧化体外燃烧体外燃烧温度温度3737 高温 高温催化催化 酶 酶/ /环境环境中性中性 含水干燥 含水干燥能量的释放能量的释放逐步释放部逐步释放部分以高能磷分以高能磷酸键形式储酸键形式储存存全部以热能全部以热能形式散发形式散发9.1.1 需氧脱氢酶（黄素酶）需氧脱氢酶（黄素酶）催化底物脱氢，氧化生成催化底物脱氢，氧化生成h2o2：ah2 + o2a + h2o2（需（需fad或或fmn）9.1 氧化还原酶类氧化还原酶类9.1.2 不需氧脱氢酶不需氧脱氢酶催化直接从底物上脱氢的反应催化直接从底物上脱氢的反应ah2 +ba +bh2（需辅酶（需辅酶或辅

4、酶或辅酶）9.1.3 氧化酶氧化酶催化将电子传给氧，氧又与催化将电子传给氧，氧又与h+结合生成结合生成h2o的反应。的反应。l源于有机酸的脱羧作用（源于有机酸的脱羧作用（、-脱羧）脱羧）l单纯脱羧：有机酸不经氧化作用单纯脱羧：有机酸不经氧化作用l氨基酸氨基酸 胺胺 + co2 脱羧酶脱羧酶9.2 生物氧化中生物氧化中co2的生成方式的生成方式l氧化脱羧基作用：同时发生氧化氧化脱羧基作用：同时发生氧化/脱氢作用脱氢作用 丙酮酸丙酮酸 co2+nadh+h+氧化脱羧酶系氧化脱羧酶系 氧化脱羧氧化脱羧异柠檬酸氧化形成异柠檬酸氧化形成酮戊二酸酮戊二酸oxidation of isocitrate to

5、 -ketoglutarate and co2 coohchch2ohop2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸coohcch2oph2omg2+磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸(pep)烯醇化酶烯醇化酶9.3 生物氧化中水的生成方式生物氧化中水的生成方式l9.3.1 底物脱水底物脱水9.3.2 9.3.2 由呼吸链生成水由呼吸链生成水线粒体线粒体h2 2、辅酶、辅酶q q 不同种类coq侧链异戊二烯基数目不同脂溶性辅酶、可在脂双层中扩散与蛋白质结合不紧密 传氢体ooch3och3och3(ch2ch c ch2)nhch3n=6-10灵活的电子载体灵活的电子载体还原成还原成qhqh2 2氧化成氧化成q q

6、电子和质子的传递体电子和质子的传递体coq和电子传递体的碰撞是电子传递的前提和条件和电子传递体的碰撞是电子传递的前提和条件但只向下传递电子，而将但只向下传递电子，而将h+释放到反应介质中。释放到反应介质中。l与电子传递有关与电子传递有关l与其他递氢体或与其他递氢体或电子传递体结合电子传递体结合成复合物存在成复合物存在l传电子体传电子体l通过通过fefe3+3+ fe fe2+2+ 变化起传递电子的作用变化起传递电子的作用different types of iron-sulfur centersiron atoms cycle between fe2+ (reduced) and fe3+(o

7、xidized).4 4、细胞色素、细胞色素cytochrome,cyt cytochrome,cyt 传电子体传电子体 是含铁的是含铁的prpr 以血红素为辅基以血红素为辅基 电子传递蛋白电子传递蛋白 通过通过fefe3+3+ fe fe2+2+ 互变起传递电子的作用互变起传递电子的作用lcyta：辅基是血红素alcytb：-blcytc： -c卟啉的侧链基团不同 细胞色素细胞色素c c（cytccytc） （游离成分）（游离成分）l单一多肽链l易溶于水易溶于水l与cytc1含相同辅基，但蛋白组成不同 细胞色素氧化酶（细胞色素氧化酶（ cytccytc氧化酶）氧化酶）l位于线粒体呼位于线粒体

8、呼吸链吸链末端末端的蛋的蛋白复合物白复合物l活性部分主要活性部分主要包括包括cytacyta和和a a3 3lcytaa3复合体(细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶)除含2个铁卟啉，还含2个铜原子(cucu+ + cu cu2+2+) )lnadh氧化呼吸链 细胞内主要的呼吸链lfadh2氧化呼吸链l需要氧的参与；l消耗氧、adp和无机磷酸生成atp； 电子传递水平的磷酸化 呼吸链的排列原则：呼吸链的排列原则： 越是处于后面，氧化能力越强，电子从还越是处于后面，氧化能力越强，电子从还原性强的化合物到氧化性强的化合物，自由原性强的化合物到氧化性强的化合物，自由能降低，放出能量。能降低，放出能量。

9、 氢与不同的原子结合，氢与不同的原子结合，处于不同的能量轨道处于不同的能量轨道自然界中的能量传递都与氢有关自然界中的能量传递都与氢有关太阳能：核衰变太阳能：核衰变h h2o ho h2能量物质能量物质阻断呼吸链中某部位电子传递的物质； 氧化作用受阻、能量释放减少l鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素 阻断电子由nadhnadh向向coqcoq的传递；l抗霉素a抑制电子从cytbcytb到到cytccytc1 1的传递；l氰化物、叠氮化物、co等 阻断电子由cytaacytaa3 3传递到氧传递到氧 电子传递链sh2snad+nadh+ hfmnh2fe sfmnfe scoqcoqh2 fe-sfe-s

10、2cyt-fe2+2cyt-fe3+o212o2-2h2h2h2h+e-22e-h2ocoqcoqh2cyt-fe2+cyt-fe3+cyt-fe3+cyt-fe2+cyt-fe3+cyt-fe2+cyt-fe3+cyt-fe2+cyt-fe3+cyt-fe2+bc1aa3ch2oo2-1o22e-2e-2e-2e-2e-2e-22h+ch2ch2coohcoohfadfe*scytb2he-2 复合物i（nadh-泛醌还原酶） 复合物iii（泛醌细胞色素c还原酶） 复合物iv（细胞色素c氧化酶） 复合物ii（琥珀酸脱氢酶）nadh nadphnadh nadph不能穿过线粒体内膜不能穿过线粒

11、体内膜1 1、甘油、甘油-3-3-磷酸穿梭途径（磷酸穿梭途径（ nadh nadh ）2 2、苹果酸、苹果酸- -天冬氨酸穿梭途径（天冬氨酸穿梭途径（ nadh nadh ） （心脏、肝脏细胞）（心脏、肝脏细胞）胞浆中胞浆中甘油甘油-3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶甘油甘油-3-磷酸磷酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮线粒体中线粒体中甘油甘油-3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶nadh逆浓度梯度进入呼吸链9.4 生物氧化中生物氧化中atp的形成的形成9.4.1 atp9.4.1 atp与高能磷酸化合物与高能磷酸化合物化合物化合物磷酸基团转移势能磷酸基团转移势能 go（千卡（千卡/摩尔）摩尔） go（千焦（千焦/摩尔）摩

12、尔）磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸1486193-磷酸甘油酸磷酸磷酸甘油酸磷酸118493磷酸肌酸磷酸肌酸103431乙酰磷酸乙酰磷酸101423磷酸精氨酸磷酸精氨酸77323atp（adp+pi）73305adp（amp+pi）73305amp（腺苷（腺苷+pi）34142葡萄糖葡萄糖-1-磷酸磷酸50209果糖果糖-6-磷酸磷酸38159葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸33138甘油甘油-1-磷酸磷酸2292 atp atp 是生物体中自由能的通用货币是生物体中自由能的通用货币 作用：作用：能量传递能量传递转转化化传传递递传递传递能量源自能量源自能源物质（能源物质（糖、脂、偶尔是蛋白质糖、脂、

13、偶尔是蛋白质）的分解）的分解分解代谢分解代谢氧化氧化adp机械能机械能（运动）（运动）化学能化学能（合成反应）（合成反应）渗透能渗透能（分泌、吸收）（分泌、吸收）电能电能（生物电）（生物电）热能热能（体温维持）（体温维持）光能光能（生物发光）（生物发光） utp、gtp、ctp、ttp合成，供能合成，供能atp 其他三磷酸核苷的递能作用其他三磷酸核苷的递能作用类似的活化反应类似的活化反应十分普遍存在。十分普遍存在。ld-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖比比d-葡萄糖葡萄糖g高，更易于分解，这步活高，更易于分解，这步活化是细胞内葡萄糖分解的第一步，也是后续葡萄糖分化是细胞内葡萄糖分解的第一步，也是后续葡

14、萄糖分解的根基。解的根基。 atp atp以偶联的方式推动体内自发反应以偶联的方式推动体内自发反应例例d-葡萄糖葡萄糖 + + atpd-6-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖 + + adp激酶激酶能荷能荷能能 荷荷 = = atp+1/2adpatp+1/2adp atp+adpatp+adp +amp+amp 分母是个定值，能荷在一定范围内波动分母是个定值，能荷在一定范围内波动（0.8-0.95)0.8-0.95)，受到机体的严格调控。，受到机体的严格调控。9.4.2 9.4.2 底物磷酸化底物磷酸化 l代谢物的氧化（脱氢）作用代谢物的氧化（脱氢）作用与与adpadp的磷酸化反应偶联生成的磷酸化反应偶

15、联生成atpatp的过程。的过程。l部位：线粒体内膜（真核）部位：线粒体内膜（真核） 胞浆膜（原核细胞）胞浆膜（原核细胞）l从从nadh nadh o o2 2产生产生2.52.5个个atpatpl从从fadhfadh2 2 o o2 2产生产生1.51.5个个atpatplp/op/o比值比值消耗1摩尔氧有多少无机磷转化为有机磷一对电子经呼吸链传至氧所产生的atp分子数 反映氧化磷酸化的效率atpatp的合成部位的合成部位n a d h 氧 化 过 程 中 有 三 个 反 应 g 值 大 于30.5kj/molnadh nadh fmnfmn cytb cytb cytc cytc1 1 c

16、ytaa cytaa3 3 o o2 2-55.6kj/mol -34.7 kj/mol -102.1kj/mol复合物复合物cytc氧化酶复合物复合物泛醌cytc还原酶 复合物复合物nadh脱氢酶nadh + h+ + o2 h2o + nad+g = -220kj/moll电子通过线粒体呼吸链传递到电子通过线粒体呼吸链传递到o o2 2的过程的过程中，释放出大量能量；中，释放出大量能量；l这种电子传递过程的这种电子传递过程的释能反应释能反应与与adpadp和磷和磷酸合成酸合成atpatp的的需能反应需能反应相偶联，是相偶联，是atpatp形形成的基本机制。成的基本机制。9.4.3.3 9.

17、4.3.3 偶联机制偶联机制化学渗透假说：化学渗透假说：a a 氧化磷酸化偶联依赖线粒体内膜的完整性氧化磷酸化偶联依赖线粒体内膜的完整性b b 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c c 电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的能量，用于驱动膜内侧的h h+ +迁移到膜外侧（迁移到膜外侧（内内膜对膜对h h+ +是不通透的是不通透的），在膜内外侧产生了跨膜），在膜内外侧产生了跨膜质子梯度质子梯度 和电位梯度和电位梯度ld d 在膜内外势能差的驱动下，膜外高能质子在膜内外势能差的驱动下，膜外高能质子沿着

18、一个特殊通道（沿着一个特殊通道（atpatp合酶合酶组成部分），组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动量，直接驱动adpadp和磷酸合成和磷酸合成atpatpl线粒体内膜表面有一层规则地间隔排列线粒体内膜表面有一层规则地间隔排列着的球状颗粒，称为着的球状颗粒，称为atpatp酶复合体酶复合体/ atp/ atp合酶合酶，是，是atpatp合成的场所。合成的场所。l结构：结构：头部：atp合酶（f1）柄部：棒状pr，对寡霉素敏感（oscp）基底部：疏水pr，与内膜连接（fo）l头部含头部含5 5种不同的亚基种不同的亚基（3 3 、3 3 、1 1 、1 1 、1 1 ）loscposcp是能量转换通道是能量转换通道lf f0 0与线粒体电子传递系与线粒体电子传递系统连接（质子通道）统连接（质子通道）rotation of the subunit and the ring of c subunitsin the fof1 complexwas observed byin vitro studies using fluorescencemicrosc