生物氧化和能量转换

关于生物氧化和能量转换第1页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五生物氧化（biologicaloxidation）：细胞内的糖、脂肪和蛋白质进行氧化分解而生成CO2

和H2O，并释放能量的过程。又称为细胞氧化或细胞呼吸、组织呼吸。一、生物氧化的基本概念第一节生物氧化概述CO2

如何形成?直接脱羧、氧化脱羧H2O

如何形成?脱氢酶、氧化酶、传递体能量如何形成?第2页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五糖原甘油三酯蛋白质葡萄糖脂肪酸+甘油氨基酸乙酰CoA

呼吸链

H2O

ADP+PiATP

CO22H

TCA

生物氧化的一般过程第3页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五（1）生物氧化是在细胞内进行的；（2）生物氧化是在温和条件下进行的；（3）生物氧化所产生的能量是逐步释放的；（4）生物氧化所产生的能量首先转移到一些特殊的高能化合物中。二、生物氧化的特点（与体外燃烧相比）第4页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五1.直接脱羧作用

（directdecarboxylation）α-直接脱羧：如氨基酸脱羧β-直接脱羧：如草酰乙酸脱羧三、生物氧化中CO2的生成第5页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五2.氧化脱羧作用

（oxidativedecarboxylation）β-氧化脱羧：如异柠檬酸的氧化脱羧α-氧化脱羧：如丙酮酸的氧化脱羧第6页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五1.底物脱水四、生物氧化过程中H2O的生成第7页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五在生物氧化中，水是代谢物上脱下的氢与生物体吸进的O2化合生成的。代谢物上的氢需要在脱氢酶的作用下才能脱下；吸入的O2要通过氧化酶的作用才能转化为高活性的氧。在此过程中，还需要有一系列传递体才能把氢传递给氧，生成水。生物氧化过程中水的生成2.由呼吸链生成水第8页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五五、自由能和氧化还原电位1878年，JosiahWillardGibbs提出关于自由能的公式。△G为在恒压和恒温下发生变化的体系的自由能的变化。反应的自由能变化（△G）是反应能否自发进行的重要标准。

自由能：一个化合物分子结构中所固有的能量，是指能用于做功的能量。

△G＜0，反应才能自发进行；

△G=0，体系处于平衡，不能发生净变化；

△G＞0，反应不能自发进行，需要输入自由能以推动这样的反应。第9页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五

氧化还原反应：凡有电子从一种物质（还原剂）转移到另一种物质（氧化剂）的化学反应

氧化还原电势（位）：在氧化还原体系中，丢失或获得电子趋势的大小。电子总是从低的氧化还原电位向高的氧化还原电位流动。第10页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五自由能变化和氧化还原电位的关系：在标准条件下，电子从氧化还原电位低的流向电位高的倾向是自由能降低的结果。电子总是向反应系统自由能降低的方向移动。第11页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五

化学上的高能键：指形成一个键需要释放较多的能量或打开一个键需要消耗较多的能量，是指稳定的键。六、高能化合物

一般将水解（或基团的转移反应）时能释放出大量的自由能（＞20.92kJ/mol）的化学键称为高能键，用符号“～”表示。含有高能键的化合物就称为高能化合物（high-energyorenergy-richcompound）。含磷酸基团的这类化合物叫高能磷酸化合物（High-energyphosphatecompound）。在这些高能磷酸化合物中的酸酐键，能释放大量自由能。

ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸化合物。第12页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五高能键型1.磷氧键型（—O～P)2.磷氮键型（—N～P)3.硫碳键型（—C～S)根据生物体内高能化合物键的特性可以把它们分成以下几种类型：第13页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五

1.磷氧键型（-O～P）（1）酰基磷酸化合物1,3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸氨甲酰磷酸第14页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五（2）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸第15页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五（3）焦磷酸化合物焦磷酸第16页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五2.磷氮键型（-N～P）磷酸肌酸磷酸精氨酸这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用第17页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五3.硫碳键型（-C～S）酰基辅酶AS-腺苷甲硫氨酸硫酯键型甲硫键型第18页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五ATP分子中含有两个高能的不稳定的酸酐键（A-P~P~P），均可以水解供能。ATP水解为ADP并供出能量之后，又可通过氧化磷酸化重新合成，从而形成ATP循环。ATP作为能量传递的中间载体，有“通用货币”之称。ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式，是能量的携带者和传递者，但不是能量的储存物质。ATPATP（三磷酸腺苷）第19页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五

表各种磷酸化合物的水解自由能

磷酸化合物

水解自由能ΔG（kJ/moL）磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）-61.91,3-二磷酸甘油酸-49.3磷酸肌酸（CP）-43.1乙酰磷酸-42.3乙酰CoA-32.2ATP（→ADP+Pi）-30.51-磷酸葡萄糖（G-1-P）-20.96-磷酸葡萄糖（G-6-P）-13.83-磷酸甘油-9.2ATP在能量交换中的作用如同能量“货币”，是一种可以流通的能量物质：即可从能量较高的化合物获得能量，也可较容易地向能量较低的化合物传递能量。第20页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五

在细胞内如磷酸肌酸（脊椎动物肌肉、脑和神经组织）和磷酸精氨酸（无脊椎动物肌肉中）才是真正的能量储存物质。以高能磷酸形式贮能的物质统称为磷酸原（phosphagen）。当机体消耗ATP过多致使ADP增多时，磷酸肌酸可将其高能键转给ADP生成ATP，以供生理活动之用。磷酸原第21页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五第二节线粒体及其内部氧化体系

线粒体线粒体内膜上的电子传递链第22页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五一、线粒体线粒体有双层膜结构，外膜光滑，内膜折叠成嵴，伸向基质。内外膜之间为膜间腔。基质中含有全部三羧酸循环酶系、脂肪酸β氧化作用酶系等；内膜上存在着多种酶与辅酶组成的电子传递链；内膜上的ATP合成酶利用电子传递过程释放的能量合成ATP。第23页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五呼吸链（respiratorychain）：在生物氧化过程中，从代谢物上脱下的氢由一系列传递体依次传递，最后与氧形成水的整个体系称为呼吸链。由于在传递过程中，在很多部位氢原子实际上以质子形式进入线粒体基质，仅发生电子转移，因此呼吸链又称为电子传递链（electron-transportchain）。（一）电子传递链的基本概念原核细胞—质膜真核细胞—线粒体内膜二、线粒体内膜上的电子传递链第24页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶以FMN或FAD为辅基的脱氢酶铁硫蛋白（铁硫中心）泛醌（CoQ）细胞色素（Cyta、Cytb、Cytc）（二）电子传递链的基本组成嵌于线粒体内膜上第25页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五以NAD+为辅酶的脱氢酶催化代谢物脱氢，脱下的氢由辅酶NAD+（CoI）接受，转化为NADH+H+即可参与组成呼吸链而进行电子传递。

NAD+和NADH结构示意图1.以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶第26页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五以NADP+为辅酶的脱氢酶催化代谢物脱氢生成的NADPH，大多数存在于线粒体外，主要作为还原能用于物质的合成代谢。线粒体内生成的少量NADPH，可在转氢酶催化下生成NADH，再进入呼吸链被氧化。第27页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五以FMN（黄素单核苷酸）或FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）为辅基的脱氢酶，称为黄素酶类。此类酶催化代谢物脱下2H并分别加到FMN或FAD上，从而生成FMNH2或FADH2。2.以FMN或FAD为辅基的脱氢酶第28页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五3.铁硫蛋白（铁硫中心）是一类金属蛋白质，在生物氧化中起传递电子的作用。分子中含有非血红素铁和对酸不稳定的硫。根据所含铁原子的数目不同，可将铁硫蛋白分为2Fe-2S、4Fe-4S。利用铁的化合价的改变来传递电子。第29页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五4.泛醌泛醌（辅酶Q，CoQ，Q）是游离存在于线粒体内膜中的脂溶性有机化合物，由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链，氧化还原反应时可在醌型与氢醌型之间相互转变，因此是递氢体。第30页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五5.细胞色素（cytochrome，Cyt）其传递电子的方式如下：

这是一类以血红素（铁卟啉）为辅基的电子传递蛋白质的总称，因其有颜色又普遍存在于细胞内，故称为细胞色素。细胞色素为单电子传递体。第31页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五铁卟啉辅基的分子结构

细胞色素根据其铁卟啉辅基的结构以及吸收光谱的不同而分类。第32页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五在已知的细胞色素中，只有Cyta3可以直接以氧分子为电子和质子受体，它是催化氢和氧结合生成水的氧化酶。但Cyta3常与Cyta结合在一起，不能分开，故统称该复合物Cytaa3为细胞色素氧化酶。由于它处于电子传递连的最末端，故又称为末端氧化酶（terminaloxidase）。它不仅含有血红素铁，还含有两个铜原子，也能进行电子传递。第33页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五NADH氧化呼吸链

琥珀酸氧化呼吸链（FADH2呼吸链）（三）电子传递链及其各组分的排列顺序在有线粒体的生物中，电子传递链有两条：第34页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五第35页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五各复合物之间的相互关系

在NADH氧化呼吸链及琥珀酸氧化呼吸链中，除NADH、CoQ和细胞色素C外，其余组分形成嵌入内膜的结构化超分子复合体。第36页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五1.NADH氧化呼吸链是细胞内最主要的呼吸链，因为生物氧化过程中绝大多数脱氢酶都是以NAD+为辅酶，当这些酶催化代谢物脱氢后，脱下来的氢使NAD+转变为NADH，后者通过这条呼吸链将氢最终传给氧而生成水。第37页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五2.琥珀酸氧化呼吸链这个呼吸链由琥珀酸脱氢酶复合体、CoQ和细胞色素组成。琥珀酸氧化呼吸链的电子传递途径如图：第38页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五能够阻断呼吸链中某一特定部位电子传递的物质称为电子传递链抑制剂。（四）电子传递链的抑制电子传递链抑制剂作用点第39页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五第三节氧化磷酸化作用

氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）：指生物氧化过程中释放出的自由能驱动ADP磷酸化形成ATP的过程。一、氧化磷酸化的概念及类型第40页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五1.底物水平磷酸化：（不需O2）在底物氧化过程中，形成某些高能中间产物或某种高能状态，再通过酶的作用使其能量转给ADP生成ATP的过程。能量来源于底物分子中能量的重新分布与集中。

2.电子传递链的磷酸化：（需O2）电子从NADH或者FADH2经过电子传递链传递给分子氧时，将释放的能量转移给ADP生成ATP的方式。通常所说的氧化磷酸化即指电子传递链磷酸化。氧化磷酸化类型第41页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五底物水平磷酸化见于下列三个反应：第42页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五二、氧化磷酸化的偶联部位磷氧比（P/O）指一对电子通过呼吸链传递到氧时所产生的ATP的分子数。一对电子从NADH传递到氧的途径中产生了2～3分子的ATP，即P/O>2。表明呼吸链中有3个不连续的ATP形成部位。而当一对电子从FADH2传递到氧时，其P/O>1。P/O不一定是整数。第43页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五

镶嵌在线粒体内膜上合成ATP的酶系是一个复合物，称为ATP合成酶或称FoF1-ATP酶。它由两个主要部分Fo和F1再加柄连接而构成。F1即偶联因子，呈球形，通过一个柄（由蛋白质组成）接到包埋在线粒体内膜的柄底F0上，故又称三联体。（一）ATP合成酶三、氧化磷酸化的偶联机理头部：F1，含α、β、γ、δ、ε五种亚基，β亚基催化ADP和Pi发生磷酸化，生成ATP。基底部：Fo，具有质子通道的作用，传送质子通过膜到达F1的催化部位。柄部：连接F1和Fo，控制质子的流动，从而控制ATP的生成速度。含有寡霉素敏感性蛋白。第44页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五（二）氧化磷酸化的偶联机理三种假说：化学偶联假说高能共价中间产物构象偶联假说高能构象中间产物化学渗透假说1961，P.Mitchell

第45页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五1.化学偶联假说（1953年）

chemicalcouplinghypothesis

认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的化学反应形成高能共价中间物，最后将其能量转移到ADP中形成ATP。第46页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五

2.构象偶联假说（1964）

conformationalcouplinghypothesis

认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能构象，这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。第47页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五线粒体内膜的完整性和质子的不可通透性是氧化和磷酸化偶联的基础。质子泵：借助电子传递产生的自由能将H+从基质泵入膜间隙。3.化学渗透学说

（Chemiosmotichypothesis）该学说认为呼吸链上的电子在传递过程中产生的能量驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H+电化学梯度。这种电化学梯度转变为质子驱动力，驱使H+返回线粒体基质。H+通过内膜上专一的质子通道（Fo）返回。这样，驱使H+返回基质的质子驱动力为ATP的合成提供了能量。第48页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五NADH呼吸链完全氧化：（4+4+2）/4=2.5个ATPFADH2呼吸链完全氧化：（4+2）/4=1.5个ATP第49页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五1.解偶联剂2.氧化磷酸化抑制剂3.离子载体抑制剂四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂第50页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五1.解偶联剂机理:

使电子传递和ATP的生成的两个过程分离。只抑制ATP的形成，而不抑制电子传递过程，使电子传递产生的自由能都变为热能而散失。2,4-二硝基苯酚（DNP），中性环境以解离形式存在，不能透过线粒体膜；酸性环境下形成脂溶性的非解离形式，易于透过线粒体膜，并将一个质子带入膜内基质中，破坏了电子传递形成的跨膜的质子电化学梯度，抑制了ATP的合成。DNP作用机理图第51页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五2.氧化磷酸化抑制剂机理：抑制氧化磷酸化（抑制ATP的形成），不直接抑制电子传递链上载体的作用。寡霉素第52页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五3.离子载体抑制剂机理：为脂溶性物质，与某些离子结合并作为离子载体（除H+以外的一价阳离子）使这些离子能够穿过膜，从而破坏膜两侧的电位梯度，最终破坏氧化磷酸化。缬氨霉素：结合K+短杆菌肽：结合K+

、Na+及其他一价阳离子第53页，共60页，2022年，5月20日，11点10分，星期五真核细胞的线粒体是合成ATP的主要场所，而细胞很多利用ATP代谢过程主要是在细胞质中。通过什么机制将合成的ATP进行跨线粒体内膜运输的呢？通过线粒体内膜上的腺苷酸载体负责这种双向运输，称为