第07章：生物氧化与氧化磷酸化

1、l概述概述l电子传递链（生物氧化中电子传递链（生物氧化中H2O的生的生成）成）l氧化磷酸化作用（氧化磷酸化作用（ATP的生成）的生成）第一节第一节 概述概述能量的来源：能量的来源：l光能光能：植物和某些藻类：植物和某些藻类 光合作用光合作用l化学能化学能：动物和大多数的微生物：动物和大多数的微生物 生物生物氧化氧化 化学能化学能生物能生物能（主要是（主要是ATP）糖原糖原脂肪脂肪蛋白质蛋白质葡萄糖葡萄糖脂肪酸脂肪酸 甘油甘油氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAeH+1/22+2ADP ATPPi O2H2OTCACoA营养物分解代谢的三个阶段营养物分解代谢的三个阶段一、生物氧化（一、生物氧化（biolo

2、gical oxidation）1、定义：、定义： 有机物在有机物在活细胞活细胞内进行氧化分解产生内进行氧化分解产生CO2和和H2O，并释放出能量的过程，称并释放出能量的过程，称为为生物氧化生物氧化，又称，又称呼吸作用呼吸作用。2、内容：、内容：1）CCO22）HH2O3）能量如何产生能量如何产生底物水平磷酸化底物水平磷酸化 氧化磷酸化氧化磷酸化电子传递链电子传递链脱羧反应脱羧反应3、特点（与燃烧的比较）、特点（与燃烧的比较）相同点：相同点：l都是脱氢、失电子或与氧结合；都是脱氢、失电子或与氧结合；l都生成都生成CO2和和H2O；l释放的能量相同释放的能量相同 生生 物物 氧氧 化化 燃燃 烧

3、烧 细胞内温和条件，水环境细胞内温和条件，水环境高温或高压，干燥条件高温或高压，干燥条件 一系列酶促反应一系列酶促反应 无机催化剂无机催化剂 能量逐步释放能量逐步释放能量爆发释放能量爆发释放转化成转化成ATP，被利用被利用 转换为光和热，散失转换为光和热，散失 不同点：不同点：二、生物能学原理二、生物能学原理lG 0，反应自发进行；，反应自发进行；lG= G+RT lnQlG =-nFE（在氧还反应中，电子总是从（在氧还反应中，电子总是从E较低的物质转移到较低的物质转移到E较高的物质）较高的物质）；l在热力学上不能自发进行的反应可以被有利反在热力学上不能自发进行的反应可以被有利反应所推动。应所

4、推动。三、高能化合物三、高能化合物1、概念：、概念： 水解时能够释放水解时能够释放20.92 kJ/mol（5kcal/mol）自由能的化合物称为自由能的化合物称为高能高能化合物化合物。其中断裂释放出大量自由能的共。其中断裂释放出大量自由能的共价键称为价键称为高能键高能键，用，用表示。表示。2、类型（了解）、类型（了解）（1）磷氧键型（磷氧键型（-OP）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H3N+COOPOO-O-氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸 焦磷酸化合物焦磷酸化合物O-POO-O POO-O-焦磷酸焦磷酸NNNNN H2OO H

5、 O HCH2OOOPAMPADPATP-POOPOOOOONNNNNH2OOHOHCH2OOOPAMPADPATP-POOPOOOOO 烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸（2）氮磷键型（氮磷键型（-NP）OPOONHCNHNCH3CH2COOHOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸（3）硫酯键型硫酯键型RCOSCoA酰基酰基CoA（4）甲硫键型甲硫键型COO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸（1）ATP的作用的作用A、生物体通用的能量货币生物体通

6、用的能量货币l提供反应所需能量、细胞活动的机械能、提供反应所需能量、细胞活动的机械能、细胞吸收物质时的能量；产生电效应；细胞吸收物质时的能量；产生电效应；转变成光能或热能。转变成光能或热能。B、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3、最重要的高能化合物、最重要的高能化合物-ATP（磷酸原）（磷酸原）（2）ATP的结构特点的结构特点NNNNNH2OOHOHCH2OOOPAMPADPATP-POOPOOOOOATP是是能量的携能量的携带者、转运者带者、转运者，但但不是能量的不是能量的贮存者贮存者。（3）能荷与）能荷与ATPl能荷能荷：在总的腺苷酸系统中（即：在总的腺苷酸系统中（即A

7、TP、ADP、AMP之和）所含的高能磷酸基数之和）所含的高能磷酸基数量。量。l细胞内能荷值细胞内能荷值 = 0.8 0.95；l能荷低（能荷低（0.95）ATP过多过多产能代谢抑产能代谢抑制，贮能代谢加强；制，贮能代谢加强；第二节第二节 线粒体电子传递链线粒体电子传递链一、线粒体一、线粒体（mitochondria）l真核生物的真核生物的发电站发电站；l双层膜双层膜结构；结构； 外膜：对小分子和离子通透；外膜：对小分子和离子通透； 内膜：对多数小分子和离子不通透。内膜：对多数小分子和离子不通透。二、电子传递链二、电子传递链（electron transfer chain, ETC）l也叫也叫呼

8、吸链呼吸链（respiratory chain）l定位：原核生物定位：原核生物质膜质膜，真核细胞，真核细胞线粒体内膜线粒体内膜；l组成：一系列按组成：一系列按严格顺序严格顺序排列的排列的电子传递体电子传递体；l作用：将代谢物脱下的氢传递给氧生成水作用：将代谢物脱下的氢传递给氧生成水l种类：种类： NADH链链和和FADH2链链l线粒体线粒体内膜内膜上分离到上分离到4种酶复合体、种酶复合体、CoQ、Cytc复合体复合体I：NADH-CoQ还原酶还原酶复合体复合体II：琥珀酸琥珀酸-CoQ还原酶还原酶复合体复合体III：CoQ-细胞色素细胞色素c还原酶还原酶复合体复合体IV：细胞色素细胞色素c氧化

9、酶氧化酶lNADH链链：由：由I、CoQ、III、Cytc、IV组成组成lFADH2链链：由：由II、CoQ、III、Cytc、IV组成组成线粒体线粒体内膜内膜线粒体线粒体外膜外膜FADH2链链线粒体线粒体内膜内膜1、复合体、复合体I：NADH-CoQ还原酶还原酶 组成组成：FMN（递（递氢氢体）体）、Fe-S蛋白（通过蛋白（通过Fe3+、Fe2+互变传递互变传递单单电子）电子） 功能功能：将：将电子从电子从NADH传递到传递到CoQ；质子；质子泵泵（4H+）NADH链链2、复合体、复合体II：琥珀酸琥珀酸-CoQ还原酶还原酶l组成组成：FAD、Fe-S蛋白蛋白l功能功能：将：将电子电子从琥珀

10、酸传递从琥珀酸传递到到CoQ琥珀酸琥珀酸 延胡索酸延胡索酸FADH2链链l非蛋白非蛋白，醌类，侧链为异戊二烯；，醌类，侧链为异戊二烯；l递递H体；体；l中间传递体中间传递体：只能从黄素酶的辅基上接受：只能从黄素酶的辅基上接受H3、辅酶辅酶Q（coenzyme Q） 泛醌、泛醌、CoQ4、细胞色素细胞色素（cytochrome，Cyt） 一类功能相关，含血红素辅基的色素复合物，一类功能相关，含血红素辅基的色素复合物，只存在于需氧细胞只存在于需氧细胞； 通过通过Fe3+、Fe2+互变传递互变传递单单电子；电子； 种类：种类：b、c1、c、a、a3；复合体复合体III：Cytb+Cytc1Cytc复

11、合体复合体IV：Cytaa3（1）复合体）复合体III：CoQ-细胞色素细胞色素c还原酶还原酶l组成组成：Cytb、Cytc1、Fe-S蛋白蛋白l功能功能：将将电子从电子从CoQ传递到传递到Cytc；质子泵；质子泵（4H+）（2）复合体）复合体IV： 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶l组成组成：Cytaa3、Fe-S蛋白、蛋白、含含Cu蛋白蛋白l功能功能：将电子从：将电子从Cytc传递传递给氧；质子泵（给氧；质子泵（2H+）；）；依据：依据：各传递体的各传递体的E0、差异光谱、电子传递抑制差异光谱、电子传递抑制 FADH2 NADHFMNCoQbc1caa3O2E0 低低高高，对电子亲和力，对电

12、子亲和力小小大大 FADH2NADHFMNCoQ b c1 c aa3 O2 -0.32 -0.22 +0.04 -0.08 +0.22 +0.24 +0.29 +0.82 +0.55-0.22二、各电子传递体排列顺序的确定二、各电子传递体排列顺序的确定电子传递抑制：电子传递抑制： 1、NADHFMNCoQbc1caa3O2鱼藤酮鱼藤酮安密妥安密妥杀蝶素杀蝶素差异光谱：差异光谱：FADH2 细胞色素中，细胞色素中，b最先被还原，最先被还原，aa3最先被氧化最先被氧化 2、NADHFMNCoQbc1caa3O23、NADHFMNCoQbc1caa3O2CN-、CON3-、H2S抗霉素抗霉素A第三

13、节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用一、概念一、概念1、ATP生成的途径生成的途径l底物水平磷酸化底物水平磷酸化 直接与直接与代谢物的反应相偶联代谢物的反应相偶联；有无；有无O2均可发生均可发生l氧化磷酸化（或电子传递磷酸化）氧化磷酸化（或电子传递磷酸化） 通过通过电子传递链电子传递链产能；产能；好氧好氧生物能量的主要来源生物能量的主要来源2、氧化磷酸化：、氧化磷酸化：生物氧化生物氧化 G ADPATPATP合酶合酶产水反应的产水反应的G磷酸化磷酸化二、二、P/O比和比和ATP形成的部位形成的部位l1940年年 S. Ochoa 提出提出P/O比比lP/O比比：当一对电子经呼吸链传给：当一对

14、电子经呼吸链传给O2时所产生时所产生的的ATP分子数，分子数，即即每消耗每消耗1个个氧原子氧原子所产生所产生ATP的个数。的个数。 l真核细胞中，一对电子经过真核细胞中，一对电子经过NADH链传递至链传递至O2共泵出共泵出10个个H+；l每每4个个H+促使促使1个个ATP合成并输出至细胞质；合成并输出至细胞质；l因此因此1个个NADH经过呼吸链产生经过呼吸链产生10/4=2.5个个ATP；l一对电子经过一对电子经过FADH2呼吸链传送时有呼吸链传送时有6个个H+被泵出；被泵出；l因此因此1个个FADH2经过呼吸链产生经过呼吸链产生6/4=1.5个个ATP；l在在原核细胞原核细胞中，没有线粒体，

15、因此没有中，没有线粒体，因此没有ATP的输出，的输出，故故NADH呼吸链产生呼吸链产生10/33个个ATP， FADH2呼吸链产呼吸链产生生6/3=2个个ATP计算线粒体中计算线粒体中1mol琥珀酰琥珀酰CoA生成生成OAA的的P/Ol琥珀酰琥珀酰CoA琥珀酸，产生琥珀酸，产生1mol GTP，不消耗不消耗O； l琥珀酸琥珀酸延胡索酸，产生延胡索酸，产生1 mol FADH2，通过电通过电子传递链将合成子传递链将合成1.5mol ATP，消耗消耗1mol O；l苹果酸苹果酸OAA，产生，产生1 mol NADH，通过电子传通过电子传递链将合成递链将合成2.5mol ATP，消耗消耗1mol O

16、； OP 0 + 1 + 1= 2.51 + 1.5 + 2.5三、氧化磷酸化的能量偶联机制三、氧化磷酸化的能量偶联机制 - 化学渗透学说化学渗透学说l目前被普遍接受的假说目前被普遍接受的假说lP.Mitchell 获获1978年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖l要点：要点：1、各电子传递体在内膜上各有其特定的位置，、各电子传递体在内膜上各有其特定的位置，催化定向的反应；催化定向的反应；2、部分传递体利用、部分传递体利用电子传递的能量电子传递的能量将将H+泵出内膜；泵出内膜；3、由于、由于H+不能自由透过内膜，造成不能自由透过内膜，造成H+跨膜浓度梯度，跨膜浓度梯度，形成跨膜电位差（形成跨膜电位差（

17、E）；）；4、H+通过通过ATP合酶合酶返回基质，伴随返回基质，伴随E的抵消，释的抵消，释放的能量推动放的能量推动ADP磷酸化成磷酸化成ATP。证据：证据：1）氧化磷酸化时线粒体基质内的）氧化磷酸化时线粒体基质内的pH值高于内膜外侧值高于内膜外侧的，说明基质内的的，说明基质内的H+少少2）不进行氧化或阻断电子传递，人为造成膜两侧）不进行氧化或阻断电子传递，人为造成膜两侧pH梯度，也有梯度，也有ATP生成生成3）电子传递体形成的电子流能将）电子传递体形成的电子流能将H+逐出内膜逐出内膜前提：前提：线粒体内膜或亚线粒体囊泡的完整性线粒体内膜或亚线粒体囊泡的完整性不足：不足：没有说明没有说明H+如何

18、泵到膜外？如何泵到膜外？四、四、ATP合成机制合成机制-FoF1-ATP合酶合酶v定位定位：线粒体内膜表面：线粒体内膜表面 球状颗粒球状颗粒v组成组成： F0 ：柄柄，嵌入内膜，嵌入内膜，4种种6条肽链。条肽链。 F1：头头，伸向线粒体基质，伸向线粒体基质，5种种9条肽链。条肽链。v功能功能： F0：质子通道；：质子通道； F1：催化：催化ATP合成的部位。合成的部位。当膜外当膜外H+经质子通道到达经质子通道到达F1时便推动时便推动ATP的合成的合成Boyer旋转催化理论旋转催化理论五、氧化磷酸化的阻断五、氧化磷酸化的阻断不能合成不能合成ATP的原因：的原因：l呼吸链不能传递电子呼吸链不能传递

19、电子电子传递抑制剂电子传递抑制剂l不能产生跨膜电位差不能产生跨膜电位差解偶联剂解偶联剂lATP合酶不能合成合酶不能合成ATP氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂l概念概念：将电子传递过程和：将电子传递过程和ADP生成生成ATP的过程的过程分离的物质。分离的物质。l能抑制能抑制ATP的形成，但不抑制电子传递。的形成，但不抑制电子传递。l解偶联剂：解偶联剂：2,4-二硝基苯酚二硝基苯酚（DNP）l作用：作用：携带携带H+跨膜扩散，消除跨膜扩散，消除H+梯度。梯度。1、解偶联剂解偶联剂（uncoupler）电子传递与磷酸电子传递与磷酸化脱离，化脱离，能量全能量全部转化为热部转化为热非非战栗性产热战栗性产热l熊（冬眠）熊（冬眠）l初生婴儿初生婴儿l初生哺乳动物初生哺乳动物维持体温维持体温2、氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂（inhibitor）l 结合到结合到Fo亚基上，抑制亚基上，抑制H+通过通过Fo。l 代表代表：寡霉素：寡霉素六、线粒体穿梭系统六、线粒体穿梭系统l真核真核细胞质细胞质中的中的NADH必须进入线粒体，必须进入线粒体，才能经呼吸链氧化并生成才能经呼吸链氧化并生成ATP。