生物化学生物氧化与氧化磷酸化

关于生物化学生物氧化与氧化磷酸化第1页，共92页，2023年，2月20日，星期五G+O26CO2+6H2O+能量糖类的分解代谢EMPG2ATP2乙酰CoA4CO22丙酮酸2NADH2NADH2CO26NADH、2FADH22GTPTCA第2页，共92页，2023年，2月20日，星期五一、生物氧化(biologicaloxidation)1、概念有机物在生物细胞内进行氧化分解而生成CO2和H2O并释放能量形成ATP的过程。生物氧化又称细胞氧化或细胞呼吸。第一节生物氧化概述营养物+[O]====H2O+CO2+ATP第3页，共92页，2023年，2月20日，星期五有机物中的H+O2

H2O（ETS）广义生物氧化有机物中的CCO2（脱羧作用：TCA）有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量如何储存于ATP（氧化磷酸化）狭义生物氧化第4页，共92页，2023年，2月20日，星期五生物氧化与体外氧化燃烧相同点：

化学本质：物质分解为CO2和H2O，产能总量相等不同点：条件、过程。

2、生物氧化的特点第5页，共92页，2023年，2月20日，星期五（1）条件温和：

常温常压、近中性pH、有水的活细胞。

（2）酶促反应：在一系列酶、辅酶和中间传递体作用下进行。（3）逐步氧化并放能，释放的能量贮藏在ATP中。（4）CO2是代谢物经脱羧作用产生。（5）原核生物在细胞膜上进行，真核生物在线粒体进行。

第6页，共92页，2023年，2月20日，星期五

（1）脱氢反应琥珀酸+FAD琥珀酸脱氢酶延胡索酸+FADH2

（2）加氧反应

AA+O2+H2OAA氧化酶

a-酮酸+NH3+H2O2

（3）失电子反应：如细胞色素氧化酶

Fe2+Fe3++e-

3、生物体中氧化反应的类型第7页，共92页，2023年，2月20日，星期五（1）直接脱羧A、α-

直接脱羧O‖CH3CH+CO2

O‖CH3CCOOH丙酮酸脱羧酶COOHC=OCH2COOHαβCOOHC=O+CO2

CH3丙酮酸羧化酶+ADP+Pi+ATP+H2O

B、β-

直接脱羧4、CO2的生成第8页，共92页，2023年，2月20日，星期五

（2）氧化脱羧

O‖CH3－C－COOH+CoASH+NAD+

O‖CH3－C～SCoA+NADH+H++CO2丙酮酸脱氢酶系A、α–

氧化脱羧COOHC=O+CO2+NADPH+H+

CH3COOHC=O+NADP+CH2COOHβα苹果酸酶B、β–

氧化脱羧第9页，共92页，2023年，2月20日，星期五

5、H2O的生成脱氢酶-2H电子传递体氧化酶

在脱氢酶、传递体、氧化酶组成的体系催化下生成。AH2氢传递体1/2O2H2O

2e-2H+1/2O2-第10页，共92页，2023年，2月20日，星期五

高能化合物：在生化反应中，在水解或基团转移反应中可释放出大量的自由能的化合物。大量的自由能≥20.92KJ.mol-1

(5Kcal.mol-1)

∽-高能键（high-energybond）不稳定键

二、高能化合物第11页，共92页，2023年，2月20日，星期五1、高能磷酸化合物根据其键型：有磷氧型和磷氮型（1）磷氧键型（一）高能化合物的类型OOA、酰基磷酸化合物

HOCH－C－O~P－OHOCH2OPOH

－C－O~P1,3－DPGA12.3

Kcal.mol-1第12页，共92页，2023年，2月20日，星期五

C、焦磷酸化合物

OOOP－O~P腺苷－O－P－O~P－O~P－OOHOHOH

ATP7.3

Kcal.mol-1B、烯醇式磷酸化合物COOH

－C=C－O～

PC－O～

PCH2

PEP14.8

Kcal.mol-1第13页，共92页，2023年，2月20日，星期五（2）氮磷键型

胍基磷酸化合物

O

－N～PHN～P－OHC=NHOHN—C=HNN－CH3CH2COOH

磷酸肌酸10.3

Kcal.mol-1第14页，共92页，2023年，2月20日，星期五A、硫酯键化合物

OO

－C～S－CH3－C～SCoA

乙酰辅酶A

7.5

Kcal.mol-1B、甲硫键化合物

CH3～S+－CH3～S+－CH2－CH－COOH

腺苷NH2

S-腺苷甲硫氨酸

10.0Kcal.mol-12、高能非磷酸化合物（硫碳键型）第15页，共92页，2023年，2月20日，星期五ATPADP

肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化

~P~P机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。※（二）ATP的结构特点及其生物学功能第16页，共92页，2023年，2月20日，星期五1、ATP是生物体内的“能量货币”

（1）ATP的结构特点决定其易于水解放能（2）ATP的分解与合成与能量偶联

2、ATP是磷酸基团转移载体

3、生成NTP第17页，共92页，2023年，2月20日，星期五磷酯键酸酐键δ-δ+δ+δ+δ-δ-ATP4-+H2OADP3-+Pi2-+H+

ΔG0,=-30.5KJ.mol-1ATP4-+H2OAMP2-+PPi3-+H+

ΔG0,=-33.1KJ.mol-1第18页，共92页，2023年，2月20日，星期五

生理pH下，ATP有4个负电荷（ATP4-

）→分子内磷酸根的静电斥力

由于P=O的极化，电子云偏向氧原子，磷原子带部分正电荷→正电荷相斥使磷酸酐键不稳定。

（1）ATP（反应物）分子结构存在不稳定的因素：第19页，共92页，2023年，2月20日，星期五（2）使产物稳定的因素：

Pi是稳定的共振杂化物；介质中H+的低浓度。ATP易于水解，且释放大量的能量第20页，共92页，2023年，2月20日，星期五一些磷酸化合物水解的标准自由能变化化合物△G0’

磷酸基团转移势能

（kcal/mol)

（kcal/mol)

PEP-14.814.81,3-DPGA-12.312.3磷酸肌酸-10.310.3ATP-7.37.3G-6-P-3.33.3G-3-P-2.22.2第21页，共92页，2023年，2月20日，星期五磷酸基团转移势能/kcal.mol-1246810121416ATP作为磷酸基团共同中间传递体示意图

磷酸肌酸（磷酸基团储备物）1,3-DPGAATPG-6-PG-3-P~P~P~P~P~PPEP第22页，共92页，2023年，2月20日，星期五（三）磷酸肌酸—高能磷酸贮能物质神经和肌肉等细胞活动的直接供能物质—

ATP

含量低（3~8mmol/kg），仅供肌肉剧烈活动约1s的消耗。脑：磷酸肌酸≈1.5ATP

肌肉：磷酸肌酸≈4ATPADP+磷酸肌酸肌酸+ATP

△G≈0第23页，共92页，2023年，2月20日，星期五三、能荷

能荷是细胞能量状态的一种度量。由Atkinson于1968年提出。

能荷：是指生物体中ATP—ADP—AMP体系中高能磷酸键的可获性量度。[ATP]+0.5[ADP]

能荷=

[ATP]+[ADP]+[AMP]

第24页，共92页，2023年，2月20日，星期五能荷能荷相对速率ATP的利用途径

ATP的生成途径能荷对ATP的生成途径和ATP的利用途径相对速率的影响第25页，共92页，2023年，2月20日，星期五1、一般情况下细胞内能荷为0.8-0.9。

2、能荷高时，促进合成代谢抑制分解代谢。

3、能荷低时，促进分解代谢抑制合成代谢。

4、能荷的调节是靠ATP、ADP、AMP对代谢中酶的变构调节实现的。能荷意义：第26页，共92页，2023年，2月20日，星期五1、能量代谢（线粒体氧化体系）。

提供了生命活动所需的大量能量。2、生物合成和代谢调节。

包含了生物体重要的基本反应。3、其它作用（解毒、抗衰老、抗逆境等微粒体氧化体系）四、生物氧化的生物学意义第27页，共92页，2023年，2月20日，星期五

第二节电子传递链（呼吸链）

(ElectronTransferSystemETS)ETS：存在于线粒体内膜上的一系列能接受氢或电子的中间传递体组成的链锁式反应体系。根据呼吸底物上氢的初始受体的不同，线粒体内呼吸链可分为：

NADH呼吸链

FADH2呼吸链一、概念第28页，共92页，2023年，2月20日，星期五

1、黄素蛋白类（FP）包括NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶，分别以FMN、FAD为辅基NADH+H++FMNNADH脱氢酶

NAD++FMNH2

琥珀酸+FAD琥珀酸脱氢酶延胡索酸+FADH2二、电子传递链的组成作用：传递电子和质子第29页，共92页，2023年，2月20日，星期五2、铁硫蛋白（Fe-S）它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。作用：通过铁的价态变化而传递电子第30页，共92页，2023年，2月20日，星期五包括2[4Fe-4S]核心第31页，共92页，2023年，2月20日，星期五ETS上唯一的非蛋白组分，是脂溶性小分子醌类化合物。3、辅酶Q（又称泛醌，CoQ）作用：传递质子和电子第32页，共92页，2023年，2月20日，星期五CoQ的功能：

在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。第33页，共92页，2023年，2月20日，星期五

一类以铁卟啉为辅基的色素蛋白。

作用：通过辅基中铁的价态变化而传递电子Cytb、Cytc1、CytcCyta、Cyta3

辅基血红素辅基血红素A，

还含有两个必

需的铜离子4、细胞色素类（Cyt）第34页，共92页，2023年，2月20日，星期五

a类中的卟啉环

c类中的卟啉环卟啉环共同17个碳的碳氢链第35页，共92页，2023年，2月20日，星期五第36页，共92页，2023年，2月20日，星期五细胞色素C第37页，共92页，2023年，2月20日，星期五

上述ETS组分除UQ和Cytc外，其余组分形成嵌入内膜的复合物NADH链辅酶QNADH-辅酶Q还原酶CoQH2:Cytc氧化还原E复合体Ⅲ细胞色素C细胞色素氧化酶复合体Ⅳ2e复合体Ⅰ线粒体外膜线粒体内膜间隙第38页，共92页，2023年，2月20日，星期五

NADH呼吸链是绝大部分有机物氢最终氧化的途径第39页，共92页，2023年，2月20日，星期五

1、复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶组成：FMN+铁硫蛋白第40页，共92页，2023年，2月20日，星期五2、复合物Ⅱ：琥珀酸-CoQ还原酶

组成：FAD+铁硫蛋白3Ⅱ2第41页，共92页，2023年，2月20日，星期五3、复合物Ⅲ：细胞色素还原E

组成：Cytb+Fe-S+Cytc1第42页，共92页，2023年，2月20日，星期五

组成：Cyta+Cyta3+含铜蛋白4、复合物Ⅳ：细胞色素氧化E第43页，共92页，2023年，2月20日，星期五※三、电子传递链的顺序FAD

Fe-S琥珀酸NADH+H+→FMN→Fe-S→CoQ→Cytb→Fe-S→Cytc1Cytc

Cytaa3

O2Ⅳ细胞色素氧化酶ⅠNADH-Q还原酶Ⅲ细胞色素还原酶Ⅱ琥珀酸-Q

还原酶NADH呼吸链FADH2呼吸链第44页，共92页，2023年，2月20日，星期五NADH呼吸链为什么是这样一个顺序呢？第45页，共92页，2023年，2月20日，星期五(3)利用光谱变化确定各组分的氧化还原状态(1)测各组分氧化还原电位（E0’）

研究方法(2)呼吸链复合物重组(4)利用呼吸链抑制剂第46页，共92页，2023年，2月20日，星期五

在标准条件下，ΔG=ΔG0,

；

ΔG0,=-nFΔE○,

（

n：转移电子数

F：法拉弟常数F=96.5kJ/V.mol）

ΔE○′=E○′电子受体－E○,电子供体即：电子从E○,值较小的物质转移到E○,值较大的物质，反应自发进行

一个反应能够自发进行，ΔG<0第47页，共92页，2023年，2月20日，星期五NADH+H+→FMN→Fe-S→CoQ→Cytb→Fe-S→Cytc1Cytc

Cytaa3

O2(-0.32)(-0.30)(-0.02)(0.10)(0.00)(0.04)(0.22)(0.25)(0.29)(0.82)△G0′=-nF△E0′第48页，共92页，2023年，2月20日，星期五三羧酸循环中从柠檬酸到草酰乙酸的反应过程其P/O比等于多少？琥珀酸到延胡索酸的反应过程中其P/O比值等于多少？答：等于3答：等于2第49页，共92页，2023年，2月20日，星期五△E0′=0.10-(-0.32)=0.42V△G0′=-nF△E0′=-2×96487×10-3×0.42=-81.05kJ/mol第一个部位是NADH到辅酶Q之间第50页，共92页，2023年，2月20日，星期五第二个部位是cytb和cytc之间△E0’=0.25-0.07=0.18V△G0’=-nF△E0’=-2×96487×10-3×0.18=-34.73kJ/mol第51页，共92页，2023年，2月20日，星期五第三个部位是细胞色素aa3和氧之间△E0’=0.82-0.29=0.53V△G0’=-nF△E0’=-2×96487×10-3×0.53=-102.28kJ/mol第52页，共92页，2023年，2月20日，星期五ATP新的计算方法：P/O比

NADH→2.5ATPFADH2→1.5ATP第53页，共92页，2023年，2月20日，星期五四、电子传递抑制剂

电子传递抑制剂：指阻断呼吸链中某部位电子传递的物质第54页，共92页，2023年，2月20日，星期五电子传递链的顺序鱼藤酮、安密妥抗霉素A氰化物、CO呼吸链的抑制剂及作用部位

第55页，共92页，2023年，2月20日，星期五毒鱼藤是有毒鱼作用的一类藤本植物的统称。毒鱼藤的根皮或种子中含有的杀虫有效成分是鱼藤酮和拟鱼藤酮。

第56页，共92页，2023年，2月20日，星期五第三节氧化磷酸化2H+NADH+H+（或FADH2）H2O

2H

呼吸链2e-

氧化

（放能）

NAD+（或FAD）1/2O2

能量偶联

ADP+PiATP+H2O磷酸化

（吸能）第57页，共92页，2023年，2月20日，星期五

1、概念：利用生物氧化过程中释放的自由能使ADP形成ATP的过程。

2、类型（1）底物水平磷酸化：同高能化合物的放能水解作用相偶联的ATP合成作用。（2）氧化磷酸化：电子从NADH或FADH2经ETS传递到O2生成水时，同时偶联ADP磷酸化生成ATP的过程。一、氧化磷酸化的类型第58页，共92页，2023年，2月20日，星期五线粒体被认为是细胞的“发电厂”，糖、脂类和氨基酸都是在线粒体内被氧化分解为水和CO2，放出能量并形成ATP，供给生物体生理活动的需要。二、氧化磷酸化的细胞结构基础第59页，共92页，2023年，2月20日，星期五基质嵴内膜外膜第60页，共92页，2023年，2月20日，星期五线粒体外膜：自由透过小分子和离子。线粒体内膜：不能自由透过大部分小分子和离子，包括H＋。含有电子传递体（复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）、ATP－ADP转运载体、ATP合酶（F0－F1）。线粒体基质：含有丙酮酸脱H酶系、柠檬酸循环的酶、脂肪酸β-氧化的酶、AA氧化酶、核糖体ATP、ADP、Pi、Mg＋＋、Ca＋＋、K＋和一些可溶性代谢中间产物。第61页，共92页，2023年，2月20日，星期五F1-F0-ATPase结构示意图F0贯穿线粒体内膜，由十多种亚基组成，含有质子通道。F1是球形头部，伸到线粒体基质中，催化ATP的合成。第62页，共92页，2023年，2月20日，星期五

氧化磷酸化重建示意图亚线粒体泡，具有氧化磷酸化功能。氧化磷酸化重建实验证明了呼吸链和F1-F0-ATPase的结构与作用机理的论述。第63页，共92页，2023年，2月20日，星期五1、根据氧化还原电位差判断:ΔG○,=-nFΔE○,

ΔE○,>0.16V

ΔG○,>30.5KJ/molNADH(-0.32)电位

FMN(-0.30)

Fe-SCoQCytbFe-S(0.04)

(-0.02)(0.10)(0.00)

(0.22)Cytc1Cytc(0.25)

Cyta(0.29)能量

Cyta3(0.55)O2(0.82)二、氧化磷酸化的偶联部位第64页，共92页，2023年，2月20日，星期五

P/O：每消耗一个氧原子（或每对电子通过呼吸链传递至氧）所产生的ATP分子数。实验证明：线粒体中的NADH经ETS氧化，P/O=3，FADH2经ETS氧化，P/O=2

3、偶联部位：

NADHCoQ复合物Ⅰ

CytbCytc1

复合物Ⅲ

Cytaa3O2复合物Ⅳ2、根据P/O判断第65页，共92页，2023年，2月20日，星期五根据不同载体的E0′值证明由NADH到分子氧的电子传递链中，有三处能使氧化还原过程所释放的能量足以合成ATP。第66页，共92页，2023年，2月20日，星期五磷氧比（P/O

）NADHFADH2H2OH2O例实测得NADH呼吸链：P/O~3ADP+PiATP例：实测得FADH2呼吸链：P/O~2O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPO212第67页，共92页，2023年，2月20日，星期五1molG经EMP-TCA-ETS彻底氧化生成38molATP（或36）38×30.5

贮能效率：×100%=40.3%

2876.54、氧化磷酸化的贮能效率第68页，共92页，2023年，2月20日，星期五

1、化学偶联假说：电子的传递过程中形成高能中间物，释放能量，使ADP生成ATP。三、氧化磷酸化的机理（一）能量偶联假说第69页，共92页，2023年，2月20日，星期五这一假说的典型例子是G-3-P脱氢酶所催化的产能和贮能过程以及PEP形成丙酮酸并生成ATP的反应。G-3-P+Pi1,3-DPGNAD+NADH＋H+G-3-P脱氢酶1,3-DPG+ADP3-PGA+ATP3-PGA激酶第70页，共92页，2023年，2月20日，星期五2、构象偶联假说：电子的传递过程中形成高能构象，释放能量，使ADP生成ATP。能说明构象偶联假说的例子是ATP形成或水解与肌动球蛋白的结构变化有关第71页，共92页，2023年，2月20日，星期五3、化学渗透假说：1961年由P.Mitchell提出，此假说得到多数人支持。第72页，共92页，2023年，2月20日，星期五化学渗透假说原理示意图4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+

ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-+++++++++__________质子流线粒体内膜磷酸化

氧化

第73页，共92页，2023年，2月20日，星期五

（1）递H体和递电子体交替排列（2）复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ中的递H体利用电子传递反应能量将H+泵出内膜（3）线粒体内膜对H+不通透，造成跨膜H+梯度(质子浓度梯度和电位梯度，合称为质子动力势)

（4）H+通过F1-F0-ATPase回流时，释放能量，生成ATP化学渗透假说内容：（1978年的诺贝尔化学奖）第74页，共92页，2023年，2月20日，星期五

（1）氧化磷酸化的进行要求线粒体内膜完整（2）将线粒体悬浮于无O2缓冲液，当通入O2

时介质很快酸化（3）内膜对H+、OH-、K+和Cl-等离子不通透（4）人为地造成跨膜的质子电子电化学梯度，同时加入ADP和Pi，发现合成了ATP化学渗透假说的证据：第75页，共92页，2023年，2月20日，星期五

合成1分子ATP有多少H+通过F0？

CoQ在电子传递链中的变化？

H+究竟是怎样通过ETS而被逐出的？

该理论存在的疑问第76页，共92页，2023年，2月20日，星期五

F1：球行头部，伸入到线粒体基质中，由五种9个亚基组成

功能：合成ATP的催化部位寡霉素敏感性蛋白（OSCP）：参与调控F1-F0的功能

F0：横贯线粒体内膜功能：质子通道1、ATP合酶复合体（二）ATP合成机制第77页，共92页，2023年，2月20日，星期五2、ATP合成机制PaulBoyer提出的“结合变化机制”（binding-changemechnism)β亚基有三种状态“O”状态：开放形式，对底物亲和力极低“L”状态：松弛形式，对底物结合较松弛，

对底物无催化能力“T”状态：与底物结合紧密，并有催化活性

质子流的能量使“T”部位转变为“O”，“L”部位转变为“T”，“O”部位转变为“L”第78页，共92页，2023年，2月20日，星期五

1、解偶联剂：不阻断电子传递不生成ATP电子传递抑制剂：阻断电子传递不生成ATP作用：使氧化（电子传递）和磷酸化（形成ATP两个偶联的过程脱节，只抑制ATP的形成过程，而不抑制电子传递过程，使电子传递所产生的自由能以热能表达。四、解偶联作用和氧化磷酸化的抑制作用第79页，共92页，2023年，2月20日，星期五2,4-二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外2，4-二硝基苯酚（dinitrophenol,DNP)将质子从膜外侧带到膜内侧，使线粒体内膜对H+的通透性增加，这样就破坏了电子传递形成的跨膜H+梯度的形成抑制了ATP的形成