生化课件生物氧化

1、 上海市精品课程系列-生物化学第七章 生物氧化 自由能高能化合物能荷代谢与能量的关系 代谢与能量的关系自由能指在某一个热力学过程中系统减少的内能中指在某一个热力学过程中系统减少的内能中可以转化为可以转化为对外作功对外作功的部分的部分定义式：定义式：G = H - TS = G产物产物 - G底物底物物理意义：物理意义：G = W ( (体系中能对环境作功的能量体系中能对环境作功的能量) )当熵增加时，系统的自由能便会下降当熵增加时，系统的自由能便会下降物理和化学过程达物理和化学过程达到平衡时，即达到到平衡时，即达到系统的系统的自由能最小自由能最小而而熵最大熵最大自由能的变化能预示某一过程自由能

2、的变化能预示某一过程能否自发进行能否自发进行 G0 反应不能自发进行反应不能自发进行 G=0 反应处于平衡状态反应处于平衡状态 代谢与能量的关系高能化合物在标准条件下（在标准条件下（pH7，25，1mol/L）发生水解时，可释放出发生水解时，可释放出5kcal/mol（21 kJ/mol）以上自由能的化合物）以上自由能的化合物在高能化合物分子中，被水解断裂时释放出在高能化合物分子中，被水解断裂时释放出大量自由能大量自由能的的活泼共价键，常用符号活泼共价键，常用符号“”表示表示 高能磷酸化合物：高能磷酸化合物：一类一类分子中含分子中含磷酸基团磷酸基团，它被，它被水解下来时释放出水解下来时释放出大

3、量自大量自由能由能的高能化合物的高能化合物高能键高能键 键能高键能高 焦磷酸化合物（焦磷酸化合物（ATP） 酰基磷酸化合物（酰基磷酸化合物（1,3-二磷酸甘油酸）二磷酸甘油酸） 烯醇磷酸化合物（磷酸烯醇式丙酮酸）烯醇磷酸化合物（磷酸烯醇式丙酮酸） 胍基磷酸化合物（磷酸肌酸）胍基磷酸化合物（磷酸肌酸） 硫酯化合物（乙酰硫酯化合物（乙酰CoA） 甲硫键化合物（甲硫键化合物（S-腺苷甲硫氨酸）腺苷甲硫氨酸） 代谢与能量的关系焦磷酸化合物焦磷酸化合物最重要的高能化合物最重要的高能化合物ATP 能量转换过程的中间载体能量转换过程的中间载体 磷酸基团转移反应的中间载体磷酸基团转移反应的中间载体 代谢与能量

4、的关系COCHOCH2OHOPOO-O-POO-O-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸（磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）OPOOCOOHCOCH2烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物 代谢与能量的关系OPOONHCNHNCH3CH2COOH磷酸肌酸磷酸肌酸胍基磷酸化合物胍基磷酸化合物硫酯化合物硫酯化合物RCOSCoA酰基辅酶酰基辅酶ACOO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸甲硫键化合物甲硫键化合物 代谢与能量的关系能荷是细胞中是细胞中高能磷酸状态高能磷酸状态一种数量上的衡量，对一种数量上的衡量，对代谢起着重要的调控作用代谢起着重要

5、的调控作用能荷 =能荷 =ATP + 0.5ADPATP + ADP + AMP数值在数值在01之间，大多数细胞维之间，大多数细胞维持在持在0.80.95范围内范围内 代谢与能量的关系代谢与能量的关系太阳太阳光能光能化学能化学能化学能化学能生物能生物能CO2 + H2O燃料分子燃料分子ATPADP + Pi生物合成生物合成机 械 功机 械 功主动运输主动运输生物发热生物发热生物发电生物发电生物发光生物发光O2 + (CH2O)光光合合作作用用生生物物氧氧化化生生命命活活动动 生物氧化的特点和方式生物氧化的定义生物氧化的内容生物氧化的特点生物氧化的方式ATP的生成方式 生物氧化的特点和方式生物氧

6、化的定义有机物质在生物体内的有机物质在生物体内的氧化作用氧化作用（伴随着还原（伴随着还原作用）统称为生物氧化作用）统称为生物氧化细胞呼吸细胞呼吸实质为有机化合物（糖、脂、实质为有机化合物（糖、脂、蛋白质等）在蛋白质等）在活细胞活细胞中进行氧中进行氧化，生成化，生成H2O和和CO2，并伴有，并伴有ATP生成的过程生成的过程 生物氧化的特点和方式生物氧化的内容 CO2是如何生成的？（脱羧反应）是如何生成的？（脱羧反应） H2O是如何生成的？（电子传递链）是如何生成的？（电子传递链） 能量能量如何转化？（底物水平磷酸化和氧化磷酸化）如何转化？（底物水平磷酸化和氧化磷酸化） 直接脱羧作用直接脱羧作用

7、氧化脱羧作用氧化脱羧作用代谢物上脱下的氢代谢物上脱下的氢与生物体吸进的与生物体吸进的O2化合生成化合生成代谢物代谢物MH2 氧化型氧化型 H2O 一个或多个传递体一个或多个传递体 M 还原型还原型 O2 生物氧化的特点和方式生物氧化的特点共同点共同点 化学本质化学本质相同相同 常见方式有常见方式有脱氢脱氢、脱电子脱电子和和加氧加氧 最终产物是最终产物是CO2和和H2O 同种物质释放同种物质释放能量相等能量相等相比于体外氧化相比于体外氧化（非生物氧化反应）（非生物氧化反应）不同点不同点 在在活细胞活细胞中进行中进行 在细胞中有在细胞中有严格的定位严格的定位（细胞膜和线粒体）（细胞膜和线粒体） 有

8、有酶酶催化，反应条件催化，反应条件温和温和 分阶段逐步分阶段逐步缓慢地氧化，能量也缓慢地氧化，能量也逐步释放逐步释放 释放的能量可先释放的能量可先贮存贮存在高能化合物中在高能化合物中 生物氧化的特点和方式生物氧化的方式A + O2CO2 + H2O + 能量(能量(ATP) )NAD+FADATPO2NADH + H+FADH2ATPA氧化产物氧化产物IIIH2O(小部分)(小部分)(大部分)(大部分)不同底物、不同组不同底物、不同组织、不同生长周期织、不同生长周期各不相同各不相同狭义的狭义的生物氧化生物氧化的概念的概念 生物氧化的特点和方式ATP的生成方式生物氧化途径生物氧化途径光合作用途径

9、光合作用途径 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 氧化磷酸化（氧化磷酸化（主要主要）底物通过氧化引起分子内部能量重底物通过氧化引起分子内部能量重新分布，形成的高能磷酸化合物直新分布，形成的高能磷酸化合物直接将接将磷酸基团磷酸基团转移给转移给ADP，使之磷，使之磷酸化生成酸化生成ATPNADH或或FADH2将电子传递给分子将电子传递给分子氧氧的过程与的过程与ADP的的磷酸化磷酸化偶联，偶联，使电子传递过程中释放的能量用于使电子传递过程中释放的能量用于ATP的生成的生成 光合磷酸化光合磷酸化 生物氧化的特点和方式底物水平磷酸化底物水平磷酸化 生物氧化的特点和方式氧化磷酸化（线粒体内膜）氧化磷酸化（线粒体

10、内膜） 生物氧化的特点和方式光合磷酸化光合磷酸化（叶绿体的类囊体）（叶绿体的类囊体） 线粒体生物氧化体系线粒体的结构和功能特点呼吸链氧化磷酸化线粒体外NADH的氧化 线粒体生物氧化体系线粒体的结构和功能特点 双层膜双层膜结构结构 外膜光滑，内膜折叠成外膜光滑，内膜折叠成嵴嵴，伸向基质，伸向基质 内外膜之间为膜间腔内外膜之间为膜间腔 线粒体生物氧化体系 外膜对大多数小分子物质和离子可通透外膜对大多数小分子物质和离子可通透 内膜须依赖膜上的内膜须依赖膜上的特殊载体特殊载体选择性地运选择性地运 载物质进出载物质进出 基质中含有全部与基质中含有全部与有机酸氧化分解有机酸氧化分解有关有关 的酶的酶 内膜

11、上存在着多种酶与辅酶组成的内膜上存在着多种酶与辅酶组成的电子电子 传递链传递链，或称呼吸链，是线粒体功能的，或称呼吸链，是线粒体功能的 主要承担者主要承担者 内膜上的内膜上的ATP合成酶合成酶利用电子传递过程利用电子传递过程 释放的能量合成释放的能量合成ATP， 完成线粒体的供完成线粒体的供 能作用能作用 线粒体生物氧化体系呼吸链 NADH呼吸链（呼吸链（主要主要） FADH2呼吸链呼吸链概念类型由一系列的由一系列的递氢体递氢体和和递电子体递电子体按一定的顺序排列所组按一定的顺序排列所组成的成的连续反应体系连续反应体系，它将代谢物脱下的成对氢原子交，它将代谢物脱下的成对氢原子交给氧生成水，同时

12、有给氧生成水，同时有ATP生成生成本质是酶、辅酶、本质是酶、辅酶、辅基或辅因子辅基或辅因子烟腺胺腺嘌呤二核苷酸或烟腺胺腺嘌呤二核苷酸或CoI，是许多不需氧脱氢酶的，是许多不需氧脱氢酶的辅酶辅酶，烟酰胺基团的烟酰胺基团的可逆性还原而递氢可逆性还原而递氢，接受代谢物上脱下的氢，接受代谢物上脱下的氢，生成生成NADH，是，是双电子传递体双电子传递体 线粒体生物氧化体系 NAD+ 黄素蛋白（黄素蛋白（FP） 铁硫蛋白铁硫蛋白 辅酶辅酶Q 细胞色素细胞色素呼吸链的组成NAD+代谢物代谢物氧化产物氧化产物 水溶性水溶性 与酶蛋白可逆结合与酶蛋白可逆结合 往返于基质和内膜往返于基质和内膜含有两种辅基，一种为

13、黄素单核苷酸含有两种辅基，一种为黄素单核苷酸（FMN），另一种为黄素腺嘌呤二核），另一种为黄素腺嘌呤二核苷酸（苷酸（FAD）。在）。在FAD、FMN分子上分子上可以进行可逆的脱氢加氢反应，是可以进行可逆的脱氢加氢反应，是双电双电子传递体子传递体 线粒体生物氧化体系黄素蛋白（黄素蛋白（FP）分子中常含分子中常含 2或或 4个个Fe（称非血红素铁）和（称非血红素铁）和 2或或4个对个对酸不稳定硫，其中酸不稳定硫，其中一个一个Fe原子能原子能可逆地还原而传递电可逆地还原而传递电子。在子。在NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶中均含有多个不脱氢酶和琥珀酸脱氢酶中均含有多个不同的铁硫蛋白，它们可将电子由同的铁硫

14、蛋白，它们可将电子由FMNH2（或（或FADH2）转移到泛醌上转移到泛醌上 线粒体生物氧化体系铁硫蛋白铁硫蛋白Fe-4S2Fe-2S4Fe-4S + 1e- 1e属醌类，属醌类，脂溶性脂溶性，可在内膜的脂双，可在内膜的脂双层中层中自由扩散自由扩散。它通过。它通过醌醌/酚结构互酚结构互变变进行电子传递，进行电子传递， 每次传递两个电每次传递两个电子和两个质子，在呼吸链中作为子和两个质子，在呼吸链中作为双双电子传递体电子传递体 线粒体生物氧化体系辅酶辅酶Q（CoQ）唯一的唯一的非蛋白组分非蛋白组分是以是以铁卟啉铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质，属（血红素）为辅基的蛋白质，属单电子单电子传递体传递体，

15、通过辅基中的通过辅基中的铁离子价铁离子价的可逆变化进行电的可逆变化进行电子传递子传递 线粒体生物氧化体系细胞色素细胞色素 +eFe3+ Fe2+ e +eCu2+ Cu+ e Cyta（Cytaa3）末端氧化酶末端氧化酶 Cytb Cytc（Cytc、Cytc1）Cytc：外周蛋白，其辅基血：外周蛋白，其辅基血红素与酶蛋白共价连接红素与酶蛋白共价连接 线粒体生物氧化体系呼吸链组分在线粒体内膜上的分布四种四种具有传具有传递电子功能递电子功能的复合物和的复合物和两种两种可移动可移动的电子传递的电子传递体体 C o Q 和和Cytc 复合物复合物 I：NADH-CoQ还原酶，催化还原酶，催化NADH

16、氧化，氧化，CoQ还原还原 复合物复合物 II：琥珀酸琥珀酸-CoQ还原酶，催化琥珀酸氧化，还原酶，催化琥珀酸氧化，CoQ还原还原 复合物复合物 III：CoQ-细胞色素细胞色素c还原酶，催化还原酶，催化CoQH2氧化，氧化，Cytc还原还原 复合物复合物 IV：细胞色素氧化酶，催化细胞色素氧化酶，催化Cytc氧化，氧化，O2还原还原 线粒体生物氧化体系膜间腔（膜间腔（P侧，正极）侧，正极）基质（基质（N侧，负极）侧，负极）NADH脱氢酶（复合物脱氢酶（复合物 I） 线粒体生物氧化体系膜间腔膜间腔基质基质3-磷酸甘油磷酸甘油3-磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶琥珀酸琥珀酸 脂酰脂酰CoA 脂酰脂酰

17、CoA脱氢酶脱氢酶琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶（复合物（复合物 II） 线粒体生物氧化体系膜间腔（膜间腔（P侧）侧）基质（基质（N侧）侧）细胞色素还原酶细胞色素还原酶（复合物（复合物 III） 线粒体生物氧化体系膜间腔膜间腔（P侧）侧）基质（基质（N侧）侧）2CuACuBHeme aHeme a3细胞色素氧化酶（复合物细胞色素氧化酶（复合物 IV） 线粒体生物氧化体系FP(FMN)INADH铁硫蛋白铁硫蛋白CoQFP(FAD)铁硫蛋白铁硫蛋白IIIIIIVCytcO2Cytb铁硫蛋白铁硫蛋白Cytc1Cytaa3琥珀酸琥珀酸NADH呼吸链呼吸链FADH2呼吸链呼吸链 线粒体生物氧化体系呼吸链的电子

18、传递顺序 线粒体生物氧化体系电子流动方向电子流动方向呼吸链中电子传呼吸链中电子传递时递时标准氧还电标准氧还电位的升高位的升高 线粒体生物氧化体系呼吸链的电子传递抑制剂鱼藤酮、安密妥、杀蝶素鱼藤酮、安密妥、杀蝶素A抗霉素抗霉素A氰化物、氰化物、CO、H2S、叠氮化合物、叠氮化合物 线粒体生物氧化体系氧化磷酸化伴随着代谢物脱氢及氢和电子在呼吸链上传递伴随着代谢物脱氢及氢和电子在呼吸链上传递最后交给氧生成水的氧化途径，所释放的最后交给氧生成水的氧化途径，所释放的能量能量使使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP，这种氧化放能和，这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程生成（磷酸化）相偶联的过程氧化磷

19、酸化的磷氧比（P/O）呼吸过程中无机磷酸（呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧）消耗量和分子氧 （O2） 消耗量的比值称为磷氧比。消耗量的比值称为磷氧比。 由于在氧由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子原子，而每生成一分子ATP消耗一分子消耗一分子Pi， 因因此此P/O的数值相当于的数值相当于一对电子经呼吸链传递至一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的分子氧所产生的ATP分子数分子数新的测定结果新的测定结果 NADH：2.5 FADH2：1.5 线粒体生物氧化体系氧化磷酸化的机理氧化和磷酸化之间通过氧化和磷酸化之间通过H+

20、的电化学梯度的电化学梯度偶联起来。偶联起来。H+离子电离子电化学梯度是质子返回膜内的势能，称为化学梯度是质子返回膜内的势能，称为质子移动力质子移动力，是，是ADP磷酸化形成磷酸化形成ATP的动力。的动力。 ADP + Pi + H+膜外膜外 ATP + H2O + H+膜内膜内 化学偶联假说化学偶联假说 构象偶联假说构象偶联假说 化学渗透偶联假说化学渗透偶联假说电子的传递相当于是电子的传递相当于是质子泵质子泵 线粒体生物氧化体系化学渗透偶联假说化学渗透偶联假说化学势化学势内碱外酸内碱外酸质子回流质子回流驱动驱动ATP合成合成电动势电动势内负外正内负外正ATP合成酶合成酶 线粒体生物氧化体系AT

21、P合酶复合体合酶复合体F1F0 镶嵌在线粒体内膜上的许镶嵌在线粒体内膜上的许 多小的球状颗粒，是合成多小的球状颗粒，是合成 ATP 的多酶复合物，的多酶复合物， 称称 ATP合成酶合成酶，或称，或称F0-F1 ATP酶，是氧化磷酸化的酶，是氧化磷酸化的 重要偶联因子重要偶联因子 它由两个主要部分它由两个主要部分F0和和F1 再加柄连接构成。再加柄连接构成。F1即偶即偶 联因子，呈球形，通过一联因子，呈球形，通过一 个柄（由蛋白质组成）接个柄（由蛋白质组成）接 到包埋在线粒体内膜的柄到包埋在线粒体内膜的柄 底底F0上上ATP的生成量 线粒体生物氧化体系 辅助因子辅助因子 辅助因子辅助因子 辅助因

22、子辅助因子 辅助因子辅助因子 FMNFe-S FADFe-S Fe-S，血红素，血红素 血红素，血红素，Cu离子离子 线粒体生物氧化体系10 H+ / 6 H+ （一对电子泵出的质子数）（一对电子泵出的质子数）4 H+（合成一分子（合成一分子ATP消耗的质子数）消耗的质子数）NADHFADH2ATP 3个个H+通过通过ATP合酶驱动合酶驱动ADP的磷酸化，的磷酸化，1个个H+用于用于转移转移ATPNADH：2.5FADH2：1.5氧化磷酸化的偶联部位 线粒体生物氧化体系偶联部位偶联部位 线粒体生物氧化体系影响氧化磷酸化的因素甲状腺激素能甲状腺激素能促进促进线粒体的氧化磷线粒体的氧化磷酸化，增加

23、酸化，增加ATP的形成的形成 激素的调节激素的调节 ATP/ADP比值的影响比值的影响 抑制剂的作用抑制剂的作用主要受细胞对主要受细胞对能量需求能量需求的调节：的调节：ATP多时，多时，ATP的生成受抑制；的生成受抑制；ADP多时，多时，ATP的合成加快的合成加快 呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂阻断电子传递而抑制氧化磷酸化阻断电子传递而抑制氧化磷酸化 解偶联剂解偶联剂阻断呼吸链释放的能量用于阻断呼吸链释放的能量用于ATP合成合成 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂直接作用于直接作用于ATP合酶复合体合酶复合体2, 4-二硝基苯酚二硝基苯酚：消除跨膜的质子消除跨膜的质子浓度梯度，使浓度梯度，使ATP不能合成不能合成寡霉素寡霉素：与：与F0结合而阻止结合而阻止H+