化学生物氧化

化学生物氧化第1页/共58页一、线粒体的结构特点

线粒体由内外两层膜封闭，包括外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区隔。

1、外膜

(out

membrane)含40%的脂类和60%的蛋白质，具有孔蛋白（porin）构成的亲水通道，允许分子量为5KD以下的分子通过，1KD以下的分子可自由通过。2、内膜

（inner

membrane）含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。内膜向内折褶形成许多嵴,

大大增加了内膜的表面积。

3、膜间隙(intermembrane

space)是内外膜之间的腔隙，延伸至嵴的轴心部，腔隙宽约6-8nm。

4、基质（matrix）为内膜和嵴包围的空间。除糖酵解在细胞质中进行外，其他的生物氧化过程都在线粒体中进行。第2页/共58页高能化合物一般对酸、碱和热不稳定。高能磷酸化合物常用~P或~来表示。高能磷酸化合物是最多最常见的高能化合物：1．磷酸酐键：包括各种多磷酸核苷类化合物，如ADP，ATP等。

2．混合酐键：由磷酸与羧酸脱水后形成的酐键，主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。

3．烯醇磷酸键：见于磷酸烯醇式丙酮酸中。

4．磷酸胍键：见于磷酸肌酸中，是肌肉和脑组织中能量的贮存形式。此外尚有硫酯型、甲硫型等化合物。二、高能化合物

生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（>21千焦/摩尔）的化合物称为高能化合物。第3页/共58页高能化合物类型第4页/共58页常见的代谢物水解的标准自由能第5页/共58页ATP的特点

在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（ΔG°′=-30.5千焦/摩尔）。ATP4-+H2O＝ADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ•MOL-1ATP3-+H2O＝ADP2-+Pi3-+H+G＝-33.1kJ•MOL-1腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-+++Mg2+第6页/共58页ATP在能量转运中地位和作用★

ATP是细胞内的“能量通货”★

ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基团转移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第7页/共58页三、生物氧化的特点和方式

糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biologicaloxidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。呼吸作用O2CO2+H2O细胞呼吸（微生物）第8页/共58页脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi

小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）

共同中间产物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位

生物氧化的三个阶段第9页/共58页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，中性pH和常温），伴随生物还原反应的发生。2、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。3、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氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。（一）、生物氧化的特点第10页/共58页4、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。5、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。第11页/共58页本质：生物氧化的本质是电子的得失，在生物体内，有三种方式：（二）、生物氧化的本质及过程O2苯丙氨酸酪氨酸3、脱氢氧化2、电子转移1、加氧氧化：第12页/共58页1、CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。

类型：α-脱羧和β-脱羧氧化脱羧和单纯脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶CH2-NH2R过程：第13页/共58页2、H2O的生成

代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O

。例：1\2O2NAD+电子传递链

H2O2eO=2H+CH3CH2OHCH3CHONAD+乙醇脱氢酶NADH+H+

第14页/共58页直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子中的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷酸化。

X~P+ADPATP+X底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：

3-磷酸甘油酸激酶

1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP

丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP烯醇式丙酮酸+ATP

琥珀酰硫激酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP

(1)底物水平磷酸化3、ATP的生成底物水平磷酸化电子传递水平磷酸化第15页/共58页

代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP（即ADP+Pi→ATP）,这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。ADP+PiATP+H2O生物氧化过程中释放出的自由能（2）、氧化磷酸化

ADP+Pi+能量ATPAMP+PPi+能量ATP

当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系传递给氧生成H2O时,同时伴有ADP磷酸化为ATP,这一过程称为电子传递体系磷酸化。第16页/共58页

一个典型的哺乳动物线粒体的直径是0.2m到0.8m，长度为0.5m到1.5m，大小类似于大肠杆菌细胞。外膜有膜孔蛋白，通透性大（小于10000），内膜对分子和离子无通透性，由转运蛋白完成。四、线粒体电子传递体系

第17页/共58页1、线粒体呼吸链

线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链（eclctrontransferchain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。第18页/共58页呼吸链的组成(1)烟酰胺脱氢酶类

NAD+,NADP+(2).黄素脱氢酶类（flavoproteins,FP）(3).铁硫蛋白类、（iron—sulfurproteins)(4).辅酶Q类等。（ubiquinone,亦写作CoQ）(5).细胞色素类、（cytochromes）NADH辅酶Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黄素蛋白（FAD）黄素蛋白（FMN）细胞色素类铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白（Fe-S）第19页/共58页烟酰胺脱氢酶类

特点：以NAD+

或NADP+为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。

传递氢机理:NAD(P)++2H++2eNAD(P)H+H+第20页/共58页黄素蛋白酶类

特点：以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白类别：黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）需氧脱氢酶类（如L—氨基酸氧化酶）加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）递氢机理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2第21页/共58页铁硫蛋白的结构及递电子机理传递电子机理：Fe3+

Fe2+-e+e

特点：属于非血红素铁（非卟啉铁）蛋白，含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和S常以等摩尔量存在（Fe2S2,Fe4S4)，构成Fe—S中心，Fe与蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。FeS0Fe2S2Fe4S4第22页/共58页

特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。+2H

传递氢机理：CoQCoQH2

－2HCoQ的结构和递氢原理第23页/共58页细胞色素

特点：以血红素（heme）为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。第24页/共58页

类别

辅基辅基与蛋白质连接方式

备注CytbCytc1Cytc

血红素非共价结合共价结合硫醚键(共价结合)Fe与卟啉环和蛋白质形成6个共价键或配位键，不能再与其他物质结合。CytaCyta3血红素A(还含有2个Cu)非共价结合a3的Fe形成5个配位键，还留有1个配位键，能与O2、CO、CN-等结合。第25页/共58页波长/nm

还原型Cytc的吸收光谱类别:根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c、c1、a和a3)，cytb和cytc1、cytc在呼吸链中的中为电子传递体，a和a3以复合物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu

，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。传递电子机理：

+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+

－e－e

第26页/共58页NADH呼吸链NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等复合物II复合物IV复合体I复合物IIINADH脱氢酶细胞色素还原酶细胞色素氧化酶琥珀酸-辅酶Q还原酶FADH2呼吸链-0.2-0.400.20.40.60.8E0/V第27页/共58页2、呼吸链电子传递过程中自由能的变化（1）.氧化-还原电势氧化剂得到电子或还原剂失掉电子的倾向称为氧化-还原电势。氧化-还原物质连在一起，都可以有氧化-还原电势产生，任何氧还电对都有其特定的标准电势原(E0，pH=0，电解质溶液为1mol/L时的电极势），0（ΔE0

）=E0正极-E0负极RTnFEn=E0+ln[电子受体]a[电子供体]b8.314J/mol.K法拉第常数96485J/V电极上的价数变化Nernst方程第28页/共58页（2）、化学反应自由能的变化和氧化-还原电势的关系氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：

ΔG°′=－nFΔE°′

生物体内任何氧还电对都有其特定的标准电势，而生物体内的氧化还原物质在进行氧化-还原反应时，一般都是pH7.0的环境下，所以用E°′表示。标准电势越小，越易失去电子。氧化-还原反应自由能的变化、平衡常数与标准电势的关系：因为：△G0=-RTlnKeq=-2.303RTlgKeq△E0=lgKeq2.303RTnF第29页/共58页

（3）、呼吸链中传递体的顺序呼吸链中H和电子的传递顺序和方向是根据各种电子传递体的标准氧-还电位（E0）的数值测定的。FADH22e-第30页/共58页NADHFADH2FMNCoQbc1caa3O2-0.32V-0.3V+0.1V+0.07+0.22+0.25+0.29+0.82-0.18V传氢体：FAD、FMN、NAD+、NADP+、CoQ传电子体：Fe-S、Cytb、c1、c、aa3第31页/共58页

电子传递反应的次序第32页/共58页3、呼吸链的作用和传递电子的过程

呼吸链的作用是接受还原性辅酶上的氢原子对(2H++2e)，使辅酶分子氧化，并将电子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧负离子(O2-)与质子对(2H+)结合，生成水。电子对在传递过程中逐步氧化放能，所释放的能量驱动ADP和无机磷发生磷酸化反应，生成ATP。第33页/共58页4、呼吸链电子传递和水的生成H2O12O2O2-MH2还原型代谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+

细胞色素b-c-c1-aa3

FeS2H+M氧化型代谢底物FADH2呼吸链：2eH2OFADFADH2琥珀酸

FeS2Fe2+2Fe3+

细胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+延胡索酸2eNADH呼吸链：第34页/共58页1、复合物INADH-泛醌氧化还原酶（也称之NADH脱氢酶）催化NADH的两个电子转移给泛醌。复合物I中电子转移和质子流

鱼藤酮（一种植物毒素）和安密妥加入到线粒体悬浮液将阻断复合物I中的电子传递。第35页/共58页通过复合物II的电子流2、复合物II将电子由琥珀酸转移到泛醌第36页/共58页3、复合物III将电子由QH2传给细胞色素c

复合物III泛醌-细胞色素c氧化还原酶，一个[2Fe-2S]蛋白质，细胞色素b和细胞色素c1。伴随着一分子QH2的氧化有4个质子被转移到线粒体膜间隙中，两个质子来自QH2，两个来自基质。电子被单电子载体细胞色素c接受，沿着内膜的胞液侧移动并将一个电子转移给复合物IV。复合物III中电子传递和质子流抗霉素A可以阻断电子传递。第37页/共58页4、复合物IV将电子从细胞色素c传给O2

复合物IV——细胞色素c氧化酶含有细胞色素a

和a3，它们的血红素辅基相同，但还原电位不同。复合物IV中其它的氧化-还原辅助因子是两个铜离子（CuA和CuB），当它们参与电子传递时，变换于Cu2+和Cu+状态之间。

一分子O2的还原需要4个电子（相当于两分子NADH＋H＋）和4个质子。O2＋4e－＋4H＋－－－→2H2O第38页/共58页复合物IV中电子传递和质子流动细胞色素c氧化酶对质子浓度梯度的贡献是通过两种方式:(1):每传递一对电子（即为了还原O2中的每一个氧原子）就转移两个H＋;(2)当氧被还原为水时,消耗基质H＋。与每传递一对电子可以净转移4个H＋的效果是一样的。第39页/共58页O2的还原发生在一个催化中心，该中心包括细胞色素a3的血红素铁原子和相邻的铜原子CuB。而这个双核中心可以结合有毒的配体，例如氰化物和一氧化碳。所以氰化物和一氧化碳是复合物IV中电子传递的阻断剂。5、复合物V将质子进入基质与ATP的形成耦联起来复合物V是一个F-型ATP酶（ATPase），称为F0F1ATP合成酶，它将底物氧化与线粒体内ADP的磷酸化耦联起来。第40页/共58页NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化总反应:NADH+H++1/2O2→NAD++H2O

ΔG°′=-nFΔE°′

=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07kJ·mol-1总反应：FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0)]=-158.0kJ·mol-1FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化（一）、呼吸链中电子传递时自由能的变化五、氧化磷酸化第41页/共58页

ᅀG0‘=-nFᅀE0’

（kJ/mol），合成1molATP时，需要提供的能量至少为ΔG0'=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差ΔE0'=0.2V。

FAD~0

↓

NAD+→[FMN(Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2

-0.32

-0.30+0.01+0.07+0.22+0.25+0.29+0.82故在NADH呼吸链中有三处可生成ATP，而在琥珀酸呼吸链中，只有两处可生成ATP。ATPATP

ATP

第42页/共58页ATPATPATP（二）、ADP磷酸化偶联部位第43页/共58页1、线粒体ATP合酶（三）、氧化磷酸化机理第44页/共58页F1组分含有催化亚基，当以可溶性形式将它从膜中分离出来时，它可以催化ATP的水解，习惯上都将F1称之F1ATP酶。

Fo是一个跨膜的质子通道，质子经过通道进入基质的过程与ATP的形成耦联。每合成一分子ATP大约有3H＋经通道进入基质。

F0对寡霉素敏感，寡霉素可结合在通道中，防止质子的进入，抑制ATP的合成。第45页/共58页内膜膜间腔2、氧化磷酸化的偶联机理（1）化学渗透假说外膜第46页/共58页化学渗透假说示意图2H+2H+2H+2H+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

化学渗透假说1961年PeterMitchell提出(获1978年诺贝尔化学奖)：电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧，产生膜内外质子电化学梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差），以储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。第47页/共58页（2）、旋转催化机制PaulBoyer认为，3个亚基的本质相同，但有构象的变化，在任何情况下它们的作用都不相同：“O”状态：开放形式，对底物亲和力低。“L”状态：与底物结合较松驰，无催化能力。“T”状态：与底物结合紧密，有催化活性。第48页/共58页ATP

合

成

模

式

图第49页/共58页（四）、氧化磷酸化的影响因素1、ATP/ADP比值ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；当ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢。2、甲状腺激素甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的速度。原因：甲状腺激素可以激活细胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。第50页/共58页（1）呼吸链的抑制剂NADHFADH2FMNCoQbc1caa3O2鱼藤酮安密妥CN-、N-3CO3、药物和毒物

抗霉素A二巯基丙醇第51页/共58页（2）解偶联作用——2,4-二硝基苯