第9章生物氧化

1、本章主要内容本章主要内容4 生物氧化概述生物氧化概述4 atp4 氧化磷酸化氧化磷酸化4 其他生物氧化系统其他生物氧化系统 1 生物氧化生物氧化( biological oxidation) 营养物质在动物机体内氧化，生成二氧化碳和水，营养物质在动物机体内氧化，生成二氧化碳和水，并有能量释放。这个过程在细胞中进行，宏观上表现并有能量释放。这个过程在细胞中进行，宏观上表现为呼吸作用，因此也将生物氧化称为组织氧化或细胞为呼吸作用，因此也将生物氧化称为组织氧化或细胞氧化、组织呼吸或细胞呼吸。氧化、组织呼吸或细胞呼吸。 不同于有机物质在体外的剧烈燃烧，伴随着大量不同于有机物质在体外的剧烈燃烧，伴随着大

2、量热能的释放，生物氧化在温和的条件下进行，能量缓热能的释放，生物氧化在温和的条件下进行，能量缓慢的释放。慢的释放。动物机体能量的产生与转移与利用动物机体能量的产生与转移与利用 营养物质经过生物氧化生成二氧化碳和水，在此过程中营养物质经过生物氧化生成二氧化碳和水，在此过程中释放能量。其中一部分以热的形式释放，另一部分被释放能量。其中一部分以热的形式释放，另一部分被“截获截获”并储存到并储存到atp分子中（使分子中（使adp+pi atp, 即磷酸化），可即磷酸化），可以作为有用功在各种生理活动，如肌肉收缩（机械能）、神以作为有用功在各种生理活动，如肌肉收缩（机械能）、神经传导（电能）、生物合成（

3、化学能）、分泌吸收（渗透能）经传导（电能）、生物合成（化学能）、分泌吸收（渗透能）中利用。中利用。 因此，因此，atp（三磷酸腺苷）被称为机体中（三磷酸腺苷）被称为机体中通用的能量通用的能量货币。货币。 线粒体线粒体细胞的动力站细胞的动力站生物氧化过程主要在线粒体的内膜上进行，内膜上分布着生物氧化过程主要在线粒体的内膜上进行，内膜上分布着许多的酶和电子传递体，构成两条许多的酶和电子传递体，构成两条呼吸链呼吸链。内膜上结合的。内膜上结合的颗粒（颗粒（内膜粒子内膜粒子，或称基粒、三分体等）具有，或称基粒、三分体等）具有atp合酶的合酶的活性，称活性，称fof1atpase 。 2 atp （三磷酸

4、腺苷）（三磷酸腺苷） 2.1 atp的分子结构和高能磷酸键的分子结构和高能磷酸键 atp等的分子中的焦等的分子中的焦磷酸键在水解时或在磷酸键在水解时或在转移时，可释放很高转移时，可释放很高的能量，大于的能量，大于30.56kj/mol，称，称高高能磷酸键能磷酸键。2hhoccn-ohohhhohhoch2oo-ooop-pooopocnchhccnnnatpampadp 表表 9 9 3 3 各种磷酸化合物的水解自由能各种磷酸化合物的水解自由能 磷酸化合物磷酸化合物 水解自由能水解自由能 g（kj/mol）磷酸烯醇式丙酮酸（磷酸烯醇式丙酮酸（pep）- -61.69氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸-

5、-50.50乙酰基磷酸乙酰基磷酸- -43.12磷酸肌酸（磷酸肌酸（cp）- -43.12焦磷酸（焦磷酸（ppi）- -33.49atp（adp + pi）- -30.56葡萄糖葡萄糖-1-磷酸（磷酸（g-1-p）- -20.93葡萄糖葡萄糖-6-磷酸（磷酸（g-6-p）- -13.82-磷酸甘油磷酸甘油- -9.21高能磷酸化合物有转移其磷酰基的倾向，高能磷酸化合物有转移其磷酰基的倾向，形成较低能量的磷酸脂。形成较低能量的磷酸脂。atpatp是磷酰基的传递体。是磷酰基的传递体。2.2 atp具有较高的磷酸基团转移势具有较高的磷酸基团转移势 2.3 atp以偶联反应的方式推动非自发的反应以偶联

6、反应的方式推动非自发的反应 例如，细胞中合成脂肪酸时有以下反应：例如，细胞中合成脂肪酸时有以下反应： 乙酰乙酰coa + co2 丙二酸单酰丙二酸单酰coa g = +18.84kj/mol，不能自发进行。，不能自发进行。 乙酰乙酰coa羧化酶（生物素为辅酶）催化以下反应：羧化酶（生物素为辅酶）催化以下反应： 1e-生物素生物素 + co2 + atp +h2o e-生物素生物素- co2 + adp + pi g = - 17.58 kj/mol 2. e-生物素生物素- co2 + 乙酰乙酰coa e-生物素生物素 + 丙二酸单酰丙二酸单酰coa g = -1.00 kj/mol 总反应为

7、：总反应为：乙酰乙酰coa + co2+ atp +h2o 丙二酸单酰丙二酸单酰coa + adp + pi g = -18.59kj/mol2.4 atp的生成方式的生成方式 1. 底物水平的磷酸化（回忆糖的分解代谢）底物水平的磷酸化（回忆糖的分解代谢） 2. 氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxydative phosphorylation ) 底物脱下的氢（底物脱下的氢（2h 2h+ + 2e）经过呼吸链）经过呼吸链( respiratory chain) 或电子传递系统或电子传递系统( electronic transport system )的传递最后交给氧，的传递最后交给氧，并与之结合生成

8、水。在此过程中并与之结合生成水。在此过程中,氧化释放的部分能量以高能磷酸氧化释放的部分能量以高能磷酸键的形式储存在键的形式储存在atp分子中分子中 （adp+pi atp），这种氧化过程与磷酸化过程的偶联称为氧），这种氧化过程与磷酸化过程的偶联称为氧化磷酸化化磷酸化 。这是需氧生物合成这是需氧生物合成atp的主要方式的主要方式。不需氧脱氢酶不需氧脱氢酶辅酶辅酶q（coq，泛醌），泛醌）细胞色素（细胞色素（cyt）铁硫复合物（又称铁硫中心，铁硫复合物（又称铁硫中心，fes）细胞色素细胞色素aa3，即细胞色素，即细胞色素c氧化酶氧化酶 这些成分在呼吸链上以一定的顺序排列传递电子和氢，构这些成分在呼

9、吸链上以一定的顺序排列传递电子和氢，构成电子传递系统（成电子传递系统（electronic transport system）3 呼吸链呼吸链( respiratory chain)3.1 呼吸链的组成成分呼吸链的组成成分不需氧脱氢酶不需氧脱氢酶 底物脱下的氢交给氢或电子的传递体，而氧并不是氢的底物脱下的氢交给氢或电子的传递体，而氧并不是氢的直接受体。直接受体。 举例举例: 3-磷酸甘油醛脱氢酶（磷酸甘油醛脱氢酶（nad） 异柠檬酸脱氢酶（异柠檬酸脱氢酶（nad） nadh-coq还原酶（还原酶（fmn） 琥珀酸琥珀酸-coq还原酶（还原酶（fad） coq-细胞色素细胞色素c还原酶（还原酶（

10、铁卟啉辅基铁卟啉辅基）辅酶辅酶q （泛醌，（泛醌，coq） 脂溶性的小分子，通过氧化脂溶性的小分子，通过氧化/还原（醌还原（醌/酚）两种形式传递氢，酚）两种形式传递氢，因此是递氢体。因此是递氢体。ooch3och3och3(ch2ch c ch2)nhch3n=6-10细胞色素细胞色素（cytochrome, cyt ） 细胞色素是一类细胞色素是一类含血红素含血红素的的电子传递蛋白电子传递蛋白，fe原子处于原子处于血红素环中央，借助化学价的变化（血红素环中央，借助化学价的变化（fe+/fe+）传递电子。）传递电子。 有十几种细胞色素，不同的细胞色素对特定波长的可见光有十几种细胞色素，不同的细胞

11、色素对特定波长的可见光有不同的吸收。有不同的吸收。 cyt c和和c1的血红素与蛋白部分共价结合。的血红素与蛋白部分共价结合。 cytaa3又称细胞色素又称细胞色素c氧化酶氧化酶,处于呼吸链的末端处于呼吸链的末端,既含既含fe原原子，又有子，又有cu原子，通过铜原子的化合价变化（在原子，通过铜原子的化合价变化（在+1和和+2之间）之间）最终将电子传递给氧。最终将电子传递给氧。cytaa3可以被可以被cn-和和co抑制。抑制。细胞色素细胞色素c 的结构的结构 cyt c和和c1的血红素与蛋白部分共价结合。的血红素与蛋白部分共价结合。 fe-s 复合物复合物 含硫的非血红素铁蛋白含硫的非血红素铁蛋

12、白，也称铁硫中心，借助，也称铁硫中心，借助fe化学价的化学价的变化（变化（fe+/fe+）传递电子。）传递电子。fe与与4个个cys 的的s相连相连2fes，2fe分别与分别与2s和和4个个 cys 的的s相连相连4fes，4fe分别与分别与4s和和4个个 cys 的的s相连相连表表 9 9 1 1 呼吸链复合体呼吸链复合体 复合物复合物 酶名称酶名称 亚亚 基基 辅辅 基基 nadh-q还原酶还原酶 39 fmn，fes 琥珀酸琥珀酸-q还原酶还原酶 4 fad，fes， 铁卟啉铁卟啉 q-细胞色素细胞色素c还原酶还原酶 10 铁卟啉，铁卟啉，fes 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶 13 铁

13、卟啉，铁卟啉，cu2+呼吸链含有呼吸链含有4 4种复合体种复合体3.2 nadh 呼吸链的组成呼吸链的组成复合物复合物i（nadh-coq 还原酶，含还原酶，含fmn，fe-s）coq（泛醌）（泛醌）复合物复合物iii（coq-细胞色素细胞色素c还原酶，含还原酶，含cytb562、 cytb566，fe-s，cytc1）cytc复合物复合物iv（细胞色素细胞色素c氧化酶，氧化酶，cyta,a3，含，含cua、 cub）3.3 fadh 呼吸链（琥珀酸呼吸链）的组成呼吸链（琥珀酸呼吸链）的组成复合物复合物ii（ 琥珀酸琥珀酸-q 还原酶，含还原酶，含fad、fe-s， cytb560）coq复合

14、物复合物iii（同（同 nadh 呼吸链）呼吸链）cytc复合物复合物iv （同（同 nadh 呼吸链）呼吸链） cytcqnadh+h+nad+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2o2+2h+h2o胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-电子在呼吸链中的传递方式电子在呼吸链中的传递方式(i)(ii)(iii)(iv)nadhfmn（fes）coqcyt b（fes）cyt c1cyt co2fadh（fes）cyt aa3nadh 呼吸链呼吸链fadh 呼吸链呼吸链两条呼吸链总结两条呼吸链总结琥珀酸琥珀酸iiiiiiiv4 氧化磷酸化（氧化磷酸化（oxidat

15、ive phosphorylation）4.1 磷氧比（磷氧比（p/o） 当电子在呼吸链传递消耗氧的同时，有无机磷酸（当电子在呼吸链传递消耗氧的同时，有无机磷酸（pi）的消耗。消）的消耗。消耗耗p原子的摩尔数与原子的摩尔数与o原子的摩尔数之比称为原子的摩尔数之比称为p/o比。比。 研究组织呼吸的实验显示研究组织呼吸的实验显示: nadh 呼吸链的呼吸链的p/o为为2.5，fadh呼吸链呼吸链的的p/o为为1.5。即在。即在nadh呼吸链中，将一对电子传递给呼吸链中，将一对电子传递给o，实现了，实现了2.5次次的磷酸化反应（的磷酸化反应（adp + pi atp），而在），而在fadh呼吸链只有

16、呼吸链只有1.5次次.4.2 atp的产生的产生 推动推动adp磷酸化形成磷酸化形成atp所需的标准自由能大约在所需的标准自由能大约在-30.56kj/mol。在在nadh 呼吸链上，在呼吸链上，在nadhcoq，cytbc1 和和 cytaa3o2 之间释之间释放的能量足以实现磷酸化。在放的能量足以实现磷酸化。在fadh呼吸链，则在呼吸链，则在cytbc1 和和 cytaa3o2 之间。之间。 电子的传递方向和释放的能量可能推动形成电子的传递方向和释放的能量可能推动形成atp的部位的部位-50.24kj/mol-41.87kj/mol-100.48kj/mol4.3 氧化磷酸化的机制氧化磷酸

17、化的机制化学渗透学说化学渗透学说 - 底物脱下的氢的一对电子通过底物脱下的氢的一对电子通过nadh呼吸链传递给氧原子，呼吸链传递给氧原子，期间分别有期间分别有4、4、2共共5对质子从线粒体的基质转移到膜的间隙对质子从线粒体的基质转移到膜的间隙中。呼吸链发挥了质子泵的作用。中。呼吸链发挥了质子泵的作用。 - 结果在线粒体内膜的两侧形成了质子的电化学梯度，积蓄结果在线粒体内膜的两侧形成了质子的电化学梯度，积蓄了很大的自由能。了很大的自由能。 - 当质子顺着电化学梯度通过基粒返回到基质时，有自由能当质子顺着电化学梯度通过基粒返回到基质时，有自由能的释放。释放的能量在内膜粒子的的释放。释放的能量在内膜

18、粒子的atp合酶（合酶（fof1atpase）的）的作用下，通过作用下，通过adp 的磷酸化生成的磷酸化生成atp分子。分子。 f0 f1 cytcqnadh+h+nad+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 h+1/2o2+2h+h2oadp+piatph+h+h+胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 +-化学渗透假说详细示意图化学渗透假说详细示意图化学渗透学说（化学渗透学说（chemiosmotic hypothesis) 内膜粒子、基粒、内膜粒子、基粒、 fof1atpase（atp合酶），合酶），现又称复合体现又称复合体v。 f1有有5个亚基，有个亚基，有atp合酶的活性，合酶的活性，fo有有4个亚基

19、，个亚基，镶嵌在线粒体的内膜上，镶嵌在线粒体的内膜上，作为质子通道。作为质子通道。5 解偶联与氧化磷酸化的抑制解偶联与氧化磷酸化的抑制5.1 解偶联（解偶联（uncoupling） 使电子传递与使电子传递与atp的生成（磷酸化）分离。解偶联剂破坏质子梯的生成（磷酸化）分离。解偶联剂破坏质子梯度的形成，从而抑制度的形成，从而抑制atp的生成，但不抑制电子的传递，因此电子的生成，但不抑制电子的传递，因此电子传递过程中生成的自由能转变为热能。如解偶联剂传递过程中生成的自由能转变为热能。如解偶联剂2，4二硝基苯二硝基苯酚（酚（dnp）。）。5.2 氧化磷酸化的抑制氧化磷酸化的抑制 抑制氧的利用，直接干扰抑制氧的利用，直接干扰atp的生成。如的生成。如cn-、n3-和和co 抑制抑制cyt a3将电子传递给氧，鱼藤酮抑制将电子传递给氧，鱼藤酮抑制nadh还原酶将氢传递给还原酶将氢传递给coq，抗霉，抗霉素素a阻止电子从阻止电子从cytb传递到传递到c1。 6 nadh从胞液转入线粒体的两种穿梭作用从胞液转入线粒体的两种穿梭作用草酰乙酸苹果酸穿梭作用+nadh+hnad+-酮戊二酸-酮戊二酸谷氨酸天冬氨酸草酰乙酸苹果酸+nadh+hnad+线粒体胞液呼吸链线粒体内膜谷氨酸天冬氨酸草酰乙酸苹果酸在肝脏和心肌等组织在肝脏和心肌等组织。 注意注意：通过