第章生物氧化与生物能

维持生命活动的能量，主要有两个来源：光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。化学能：动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。有机物质在生物体内的氧化作用，称为生物氧化。在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧化成CO2和水，并释放出能量。由于生物氧化在细胞内进行，通常需要消耗氧，产生二氧化碳，故又称“细胞呼吸”。当前1页，总共78页。⑴生物氧化与体外氧化的相同点

★生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。★物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。⑵生物氧化与体外氧化的不同点生物氧化体外氧化是在细胞内温和的环境中由酶催化进行的，能量是逐步释放的，并储存于ATP中。能量是突然释放的。代谢物脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。当前2页，总共78页。6.1生物氧化的方式和特点6.1.1生物氧化的方式

脱电子

脱氢

加氧生物氧化是在一系列氧化——还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化。在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。当前3页，总共78页。1.脱氢氧化反应⑴脱氢在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。烷基脂肪酸脱氢琥珀酸脱氢当前4页，总共78页。⑵加水脱氢酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。醛酮脱氢乳酸脱氢酶当前5页，总共78页。2.氧直接参加的氧化反应

这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化的生成水的反应。⑴加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如：甲烷单加氧酶CH4＋NADH＋O2CH3-OH＋NAD＋＋H2O⑵氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。当前6页，总共78页。3.生成二氧化碳的氧化反应⑴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。例如丙酮酸的脱羧。⑵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。例如苹果酸的氧化脱羧生成丙酮酸。当前7页，总共78页。6.1.2生物氧化的特点1.生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，pH≈7和常温）。2.在生物氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。3.水是许多生物氧化反应的氧供体，通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。4.在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。当前8页，总共78页。5.生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。6.生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。7.进行生物氧化反应的部位⑴线粒体⑵内质网、微粒体、过氧化酶体等8.生理意义：供给机体能量，进行正常生理生化活动，转化有害废物。当前9页，总共78页。6.2生物能及其存在形式6.2.1生物能和ATP1.ATP是生物能存在的主要形式⑴生物能是一种能被生物细胞直接利用的特殊的能量形式。⑵光能需要通过光合作用转变成ATP，化学能则需要通过生物氧化转变成ATP。⑶生物能的化学本质是储存于ATP分子焦磷酸键中的化学能。当前10页，总共78页。ATP作为持续的生物能源具有的特点⑴是一种瞬时自由能供体，一经生成即通过水解或磷酰化反应提供能量。ATP不是能量贮存形式。⑵ATP、ADP和Pi在细胞内始终处于动态平衡状态。⑶ATP和ADP循环的速率非常快。2.生物化学反应的自由能变化生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从热力学的规律。ΔGӨ＝ΔHӨ－TΔSӨ当前11页，总共78页。3.ATP与需能生化反应的偶联生物体内进行的许多反应，是热力学不利的反应。但是，这类反应可通过与一个热力学有利反应偶联来实现。即两个偶联反应的自由能变化之和为负值，则此偶联反应能顺利进行。ATP水解不仅可以与许多热力学不利反应偶联，也可以与其它需能生物活动，如物质转运、细胞运动、肌肉收缩等偶联，为需能生物活动提供自由能。当前12页，总共78页。6.2.2高能化合物

磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起者重要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放出自由能。一般将水解时能够释放21kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能（ΔGθ’＜－21kJ/mol）的化合物称为高能化合物。ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。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。当前13页，总共78页。3-磷酸甘油酸磷酸11.8千卡/摩尔乙酰磷酸10.1千卡/摩尔1.磷氧键型（－O～P）酰基磷酸化合物当前14页，总共78页。氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸⑴酰基磷酸化合物当前15页，总共78页。ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔⑵焦磷酸化合物当前16页，总共78页。磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔⑶烯醇式磷酸化合物当前17页，总共78页。这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。2.氮磷键型磷酸肌酸10.3千卡/摩尔磷酸精氨酸7.7千卡/摩尔当前18页，总共78页。3’-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A3.硫酯键型当前19页，总共78页。S-腺苷甲硫氨酸4.甲硫键型当前20页，总共78页。6.3线粒体呼吸链和ATP合成细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所，主要功能是将代谢物脱下的氢通过多种酶及辅酶所组成的传递体系的传递，最终与氧结合生成水。由递氢体或递电子体在线粒体内膜上按一定顺序排列组成的连锁反应体系称为电子传递链。它与细胞摄取氧的呼吸过程相关，故又称呼吸链。当前21页，总共78页。6.3.1线粒体膜的结构特点MitochondriaInnerStruture当前22页，总共78页。线粒体结构模型当前23页，总共78页。6.3.2线粒体呼吸链的组成

由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成的这种代谢途径一般称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，称为呼吸链。

当前24页，总共78页。当前25页，总共78页。线粒体呼吸链当前26页，总共78页。线粒体呼吸链当前27页，总共78页。1.呼吸链的主要成分⑴NAD+和NADP为辅酶的脱氢酶

成分：酶蛋白、尼克酰胺（Vpp）核糖、磷酸与AMP。作用：辅酶接受代谢物脱下的2H，传递给黄素蛋白。NADH：还原型辅酶它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。当前28页，总共78页。当前29页，总共78页。⑵铁硫蛋白铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。【组成成分】含等量的铁原子和硫原子（Fe2S2，Fe4S4）铁原子与铁硫蛋白的半胱氨酸相连。【作用】将FMN或FAD中的电子传递给泛醌。【传递机制】单电子传递当前30页，总共78页。铁硫蛋白它主要以(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。铁硫蛋白通过Fe3+

Fe2+变化起传递电子的作用。当前31页，总共78页。当前32页，总共78页。⑶泛醌

简写为Q或辅酶-Q（CoQ）：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。当前33页，总共78页。辅酶-Q的功能Q（醌型结构）很容易接受电子和质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出电子和质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。当前34页，总共78页。①NADH-泛醌还原酶

简写为NADH-Q还原酶,即复合物I，它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。NADH-Q还原酶最少含有16个多肽亚基。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。

NADHQ还原酶NADH+Q+H+=========NAD++QH2当前35页，总共78页。NADH泛醌还原酶当前36页，总共78页。②泛醌细胞色素c还原酶

简写为QH2-cyt.c还原酶,即复合物Ⅲ,它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（cyt.c）的还原。QH2-cyt.c还原酶QH2+2cyt.c(Fe3+)===============Q+2cyt.c(Fe2+)+2H+QH2-cyt.c还原酶由9个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素b（b562、b566）和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。当前37页，总共78页。当前38页，总共78页。⑷细胞色素

（简写为cyt.）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a,b,c和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素a,b,c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。细胞色素主要是通过Fe3+

Fe2+的互变起传递电子的作用的。当前39页，总共78页。细胞色素c（cyt.c）它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。当前40页，总共78页。由于QH2是一个双电子载体，而参与上述反应过程的其它组分(如cyt.c)都是单电子传递体，所以，实际反应情况比较复杂。QH2所携带的一个高能电子通过铁硫蛋白，传递给cyt.c，本身形成半醌自由基（QH）；另一个电子则传递给cyt.b。还原型cyt.b可以将QH还原成QH2。其结果是通过一个循环，QH2将其中的一个电子传递给cyt.c。当前41页，总共78页。细胞色素c氧化酶简写为cyt.c氧化酶，即复合物Ⅳ，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。活性部分主要包括cyt.a和a3。当前42页，总共78页。Cyt.a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。Cyt.aa3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+

Cu2+的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。当前43页，总共78页。细胞色素c氧化酶当前44页，总共78页。⑸黄素酶-黄素蛋白（Flavoprotein）【组成成分】酶蛋白、黄素单核苷酸（FMN）黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），它们由核黄素（VitB2）、磷酸、AMP组成。【作用】进行可逆的脱氢加氢反应。【传递机制】异咯嗪的第1、10位N上可加氢【主要形式】琥珀酸脱氢酶以FAD为辅酶，将代谢物脱下的H传入呼吸链。当前45页，总共78页。异咯嗪结构当前46页，总共78页。⑹琥珀酸-Q还原酶

琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸-Q还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子传递给Q。再通过QH2-cyt,c还原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶将电子传递到O2。琥珀酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物,它比NADH-Q还原酶的结构简单，由4个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD、Cyt.b560和铁硫蛋白。琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原。当前47页，总共78页。2.体内主要呼吸链⑴NADH氧化呼吸链

【组成与作用】脱氢酶（CoI）、黄素蛋白、铁硫蛋白、CoQ和细胞色素。⑵FADH氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）【组成和作用】脱氢酶（FAD）、CoQ、细胞色素【差异】脱下的2H不经过NAD+传递,其余过程与NADH呼吸链相同.当前48页，总共78页。NADHFP(FMN)UQCytbCytC1CytcCytaa3O2

(Fe-S)

FP(FAD-Fe-S)当前49页，总共78页。当前50页，总共78页。线粒体呼吸链当前51页，总共78页。在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物(氧化剂）接受电子。在线粒体呼吸链中，推动电子从NADH传递到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+和1/2O2/H2O两个半反应之间存在很大的电势差。(a)½O2+2H++2e-

H2OE0’=+0.82V(b)NAD++H++2e-

NADHE0’=-0.322V将(a)减去(b)，即得(c)式：(c)½O2+NADH+2H+

H2O+NAD+E0’=+1.14VG’=-nFE0’=-2965001.14=-220kJ/mol6.3.3氧化——还原电势与自由能的变化当前52页，总共78页。6.4电子传递和ATP的合成作用物水平的磷酸化（substratelevelphoaphorylation）：高能化合物在进行反应的过程中，将能量转给ADP生成ATP。当前53页，总共78页。NADH或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到O2的过程中，释放出大量的能量。这种高能电子传递过程的释能反应与ADP和磷酸合成ATP的需能反应相偶联，是ATP形成的基本机制。

代谢物氧化脱氢经呼吸链传递给氧生成水的同时，伴有ADP磷酸化生成ATP的过程为氧化磷酸化，因氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联发生，有称偶联磷酸化。此为体内生成ATP的主要方式。当前54页，总共78页。1.ATP酶复合体线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的球状颗粒，称为ATP酶复合体，是ATP合成的场所。ATP酶，含有5种不同的亚基（按3、3、1、1和1的比例结合）。OSCP为一个蛋白，是能量转换的通道。F0为一个疏水蛋白，是与线粒体电子传递系统连接的部位。当前55页，总共78页。当前56页，总共78页。2.ATP合成反应——氧化磷酸化生物氧化的释能反应与ADP的磷酰化反应偶联合成ATP的过程，称为氧化磷酸化(Oxidativephosphorylation）。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。

FMNH2

Qcytbcytc1cytaa3

O2G’-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/moL

这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联，产生3个ATP。这些反应称为呼吸链的偶联部位。当前57页，总共78页。P/O:物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数。NADH氧化呼吸链生成3个ATP/传递1对电子（P/O=3）。从琥珀酸O2只产生2个ATP（P/O=2）.解偶联：有代谢物的氧化过程，不伴有ADP磷酸化的过程为氧化磷酸化的解偶联。当前58页，总共78页。(2)偶联机制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（膜对H+是不通透的）。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（）；当前59页，总共78页。c.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。当前60页，总共78页。当前61页，总共78页。3.影响氧化磷酸化的因素（1）氧化磷酸化的调节a.ADP和ATP的调节：正常生理条件下，ADP是氧化磷酸化的主要调节者，ADP则氧化磷酸化。b.甲状腺激素：它诱导Na+,K+-ATP酶的生成使ATP分解,因ADP导致氧化。它还使解偶联蛋白基因表达和耗氧，产热。（2）线粒体DNA突变mtDNA突变率是核内DNA的10-20倍，如突变发生在氧化磷酸化的基因上，将使ATP生成,导致疾病。当前62页，总共78页。（3）抑制剂①呼吸链抑制剂【作用】阻断呼吸链中某些部位的电子传递，导致生命活动停止,引起死亡。[例1]鱼藤酮、粉蝶霉素A、异戊巴比妥等:抑制复合物I的Fe-S蛋白。[例2]抗霉素A、二巯基丙醇:抑制CytbCytc1(复合物Ⅲ)的电子传递。[例3]CO、CN-、N3及H2S等:抑制Cytaa3（复合物Ⅳ）。当前63页，总共78页。②解偶联剂（uncoupler）【作用】使氧化磷酸化脱离[例1]二硝基苯酚（dinitrophenol,DNP）:脂溶性物质，自由通过内膜，将H+带入基质,破坏了H+梯度.[例2]解偶联蛋白:人体棕色脂肪组织中含大量线粒体，其内膜中含解偶联蛋白，它转运H+，释放热量，维持体温。（骨骼肌，心肌）③氧化磷酸化抑制剂【作用】对电子传递和ADP的磷酸化均有抑制。[例]寡霉素:与ATP合酶的F0部位结合，破坏H+回流，影响呼吸链质子泵的功能，抑制电子传递。当前64页，总共78页。四、线粒体内膜的物质转运线粒体基质与胞液之间有内、外膜相隔，外膜通透性高，内膜依赖其膜上的转运载体完成转运。（一）胞液中NADH的氧化胞液中生成的NADH不能自由通过线粒体内膜转运胞液NADH的机制主要有：苹果酸-天冬氨酸穿梭和-磷酸甘油穿梭作用。当前65页，总共78页。1.α-磷酸甘油穿梭机制当前66页，总共78页。当前67页，总共78页。1.-磷酸甘油穿梭（glycerol--phosphateshuttle）

[部位]脑、骨骼肌[催化酶]磷酸甘油脱氢酶（FAD）[能量生成]经呼吸链生成2个ATP，在脑与骨骼肌组织中，1分子葡萄糖彻底氧化生成36分子ATP2.苹果酸-天冬氨酸穿梭（malate-aspartateshuttl