第八章生物氧化和能量转化

第八章生物氧化和能量转换2/4/20231第一节生物氧化概述一基本概念生物氧化（biologicaloxidation）是指细胞内的糖、蛋白质和脂肪进行氧化分解而生成CO2和H2O，并释放能量的过程。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化还原反应。2/4/20232二、生物氧化的特点1.生物氧化是在细胞内进行的。2.生物氧化是在常温、常压、近于中性及有水环境中进行的。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。2/4/20233三、生物氧化中CO2的生成1.直接脱羧作用氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如草酰乙酸的脱羧。2/4/202342.氧化脱羧作用氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。2/4/20235四、生物氧化中H2O的生成代谢物MH2氧化型M还原型1/2O2H2O一个或多个传递体脱氢酶氧化酶2/4/202361.自由能自由能是指一个化合物分子结构中所固有的能量，是一种能在恒温、恒压条件下作功的能量。如果AB,

则△G＝GB–GA五、自由能和氧化还原电位△G仅决定于反应物（初始状态）的自由能与产物（最终状态）的自由能；与反应途径、反应机理、反应速度无关。2/4/20237当△G＝0时，△Go’＝-RTln[B]/[A]＝-2.303RTlgK’eqK’eq是化学反应的平衡常数，因此△Go’也是一个常数。△G＝GB–GA＝△Go’+RTln[B]/[A]△G：自由能变△Go’：标准自由能变R：摩尔气体常数[8.314J/(mol.K)]T：热力学温度(K)△G<0，反应能自发进行，放能反应。△G>0，供给能量才能进行，吸能反应。△G=0，反应处于平衡状态。2/4/202382.氧化还原电位△E0’

＝E0’正–E0’负＝E0’氧化极–E0’还原极E0’

越小，供电子倾向越大，其还原力越强E0’

越大，得电子倾向越大，其氧化力越强△Go’＝-nF△E0’

n：转移电子数；F：法拉第常数[96.5KJ/(V.mol)]3.自由能变化和氧化还原电位的关系2/4/20239六、高能磷酸化合物生物体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基水解时，释放大量的能量，这些化合物称为高能磷酸化合物。如ATP。一般将水解时能够释放21kJ/mol（5千卡/mol）以上自由能（G’<-21kJ/mol）的化合物称为高能化合物。根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型。2/4/202310⑴酰基磷酸化合物1.磷氧键型（－O～P）3-磷酸甘油酸磷酸11.8千卡/摩尔⑵烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔2/4/202311⑶焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔2/4/202312磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔2.磷氮键型（－N～P）2/4/202313磷酸肌酸存在于肌肉、脑和神经组织中，它可与ATP相互转化。ATP多时，以磷酸肌酸的形式贮能；ATP不足时，磷酸肌酸转化为ATP。因而可认为磷酸肌酸是ATP的贮存库。严格的说，ATP不是能量的贮存者，而是能量的携带者和传递者。以高能磷酸形式储存能量的物质称为磷酸原，包括磷酸肌酸和磷酸精氨酸。2/4/202314S-腺苷甲硫氨酸3.硫碳键型（－C～S）⑴甲硫键化合物酰基辅酶A⑵硫酯键化合物2/4/202315第二节线粒体及其内部氧化体系细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所。在生物氧化中，从代谢物上脱下的氢由一系列传递体所组成的电子传递链而转移，最终达到氧，使氧还原成水，并伴随着自由能的释放和ATP的生成。2/4/2023162/4/202317二、线粒体内膜上的电子传递链在生物氧化过程中，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（respiratorychain）。

由于在传递过程中，在很多部位氢原子实际上以质子（H+）形式进入基质，仅发生电子转移，因此呼吸链又称为电子传递链（electron-transportchain）。2/4/202318电子传递链基本分为：1.

烟酰胺腺嘌呤核苷酸（NAD+、NADP+）2.

黄素蛋白（FMN、FAD）3.

铁硫蛋白（Fe－S）4.

泛醌（辅酶Q，CoQ）5.

细胞色素（cyt）㈡电子传递链的基本组成2/4/2023192/4/202320通过异咯嗪环第1位和第10位上的两个氮原子反复进行加氢和脱氢反应。2/4/202321它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。铁硫蛋白通过Fe3+

Fe2+变化起传递电子的作用。2Fe-2S4Fe-4S2/4/202322它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。2/4/202323细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白的总称。线粒体呼吸链中主要含有cyta、cyta3、cytb、cytc和cytc1

5种。组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素主要是通过Fe3+

Fe2+

的互变起传递电子的作用的。cyta和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+Cu2+的互变.2/4/2023242/4/202325㈢电子传递链各组分的排列顺序线粒体末端氧化呼吸链有两条：1.NADH氧化呼吸链

2.琥珀酸氧化呼吸链电子从低电位流向高电位：NADHFMN

Fe-S

CoQcytb

Fe-S

cytc1cytccytaa3O2FADH2

Fe-S

2/4/202326两条呼吸链中除NADH、CoQ和cytc外，其余组分形成嵌入内膜的结构化超分子复合体。这些复合体有4类：Ⅰ.NADH-Q还原酶复合物

NADH+H+→FMN→Fe-S→→CoQⅡ.琥珀酸－Q还原酶复合物

FADH2→Fe-S→CoQⅢ.Cytbc1复合物CoQcytbcytc1cytcⅣ.细胞色素氧化酶复合物

cytc

cytaa3O22/4/202327线粒体呼吸链2/4/2023282/4/202329㈣电子传递链的抑制2/4/202330第三节氧化磷酸化作用氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指生物体氧化过程中释放出自由能驱动ADP磷酸化形成ATP的过程。线粒体ATP合成的方式有两种：

1.底物水平磷酸化2.电子传递链的磷酸化2/4/2023311)底物水平磷酸化(substrate-levelphospharylation)在底物氧化过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，再通过酶的作用促使磷酸基团转给ADP生成ATP，称为底物水平磷酸化。

2/4/202332

X～P+ADP→ATP+X式中X～P代表底物在氧化过程中所形成的高能磷酸化合物，例如糖酵解中生成的1，3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮酸以及三羧酸循环中的琥珀酰CoA。在发酵作用中是进行生物氧化取得能量的唯一方式。底物水平磷酸化和氧的存在与否无关。2/4/202333底物水平磷酸化：2/4/2023342/4/2023352)电子传递链的磷酸化(oxidativeelectrontransfer)电子从NADH或FADH2经过电子传递链传递给分子氧时,将所释放的能量转移给ADP形成ATP,称为电子传递链的磷酸化。它是需氧生物合成ATP的一种主要方式。因此通常情况下没有特殊说明，氧化磷酸化即是指电子传递链的磷酸化。2/4/202336二、氧化磷酸化的偶联部位根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的G’<-30.5kJ/mol。磷氧比（P/O）是指一对电子通过呼吸链传递到氧时所产生的ATP分子数。2/4/2023372/4/202338

复合体Ⅰ

复合体Ⅲ

复合体Ⅵ

NADHCoQ

cytbcytc1

cytaa3

O2G’-50.24

-41.87

-100.48

这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联。

NADH的P/O比为2.5；FADH2的P/O为1.52/4/202339三、氧化磷酸化的偶联机理㈠ATP合酶（ATPsynthase）ATP合酶由两个主要单元构成，一是起质子通道作用的单元称为F0单元，另一是催化ATP合成的单元称为F1单元。故ATP合酶又称F0F1酶（F0F1－ATPase）。该酶又称复合体Ⅴ

2/4/2023402/4/202341㈡氧化磷酸化的偶联机理化学渗透假说的要点是：a.线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；b.在电子传递链中，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H+迁移到膜外侧。这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度(pH)和电位梯度（）；2/4/2023424442/4/202343c.在膜内外势能差（pH和）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP。2/4/2023442/4/2023452/4/202346四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂1.解偶联剂解偶联剂（uncoupler）作用是使电子传递和ATP生成的两个过程分离。它只抑制ATP的形成，而不抑制电子传递过程。如：2,4－二硝基苯酚（DNP）2/4/202347DNP作用机理图2/4/202348

2.氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂对氧的消耗和ATP的形成都有抑制作用，但是它们对电子传递链的电子传递体没有直接的抑制作用，因此它们有别于电子传递链的抑制剂，如前所述的鱼藤酮、抗霉素A或氰化物。氧化磷酸化抑制剂的作用方式是直接干扰ATP的生成过程，如寡霉素，它能与ATP合酶中F0上的一个亚基结合，干扰质子返回基质。结果也使电子传递不能进行。

2/4/2023493.离子载体抑制剂这是一类脂溶性物质。它们能插入线粒体内膜脂双层，又能与某些离子相结合，并作为离子载体使这些离子能够穿过膜。它们的解偶联剂的区别在于，它们是作为H+以外的其它一价阳离子的载体。例如缬氨霉素能结合K+，短杆菌肽可使K+、Na+及其它一价阳离子穿过膜。解偶联剂2,4-二硝基苯酚是一种H+载体。离子载体抑制剂增大了线粒体内膜对一价阳离子的通透性，从而破坏了膜两侧的电位梯度，最终破坏了氧化磷酸化进程。如缬氨霉素，短杆菌肽。2/4/202350

L-Leu-D-Phe-L-Pro-L-Val

L-OrnL-Orn

L-Val-L-Pro-D-Phe-L-Leu

短杆菌肽S(环十肽)2/4/202351五、腺苷酸的转运ATP/ADP交换体2/4/202352六、线粒体穿梭系统NADH从细胞液进入线粒体的途径：1.3-磷酸甘油穿梭途径（glycerol3-phosphateshuttlesystem）

：主要存在于肌肉细胞中。2.苹果酸－天冬氨酸穿梭途径（malate-aspartateshuttlesystem）：主要存在于心脏和肝细胞中。2/4/2023532/4/2023543-磷酸甘油穿梭途径3-磷酸甘油2/4/2023552/4/202356苹果酸－天冬氨酸穿梭途径苹果酸天冬氨酸苹果酸天冬氨酸