生物能学和生物氧化课件

第九章、生物能学和生物氧化主要内容新陈代谢生物能学生物氧化9.1新陈代谢新陈代谢是生物与外界环境进行物质交换与能量交换的全过程，是生物体内一切化学变化的总称，是生物体表现其生命活动的重要特征之一。

生物体内能量代谢的基本规律

生物体和周围环境既有物质交换，又有能量交换，因此，它属于热力学开放体系。生物体内能量代谢服从热力学定律。热力学第一定律是能量守恒定律，即能量不能创造也不能消灭，只能从一种形式转变成另一种形式。生物体内的能量可以相互转变，但生物体与环境的总能量保持不变。热力学第二定律的核心是宇宙总是趋向于越来越无序，即向熵增大的方向进行。生物体是开放的体系，为了维持自身的有序性，不断将生命活动中产生的正熵释放至环境中，使环境的熵值增加，而自身保持低熵。尽管生物体是高度有序的整体，但并没有偏离热力学第二定律。9.2高能磷酸化合物高能键及高能化合物在生物体中，水解每摩尔释放出自由能大于21kJ者称高能化合物，被水解的化学键称为高能键（energy-richbond），常用符号“~”表示。在生物化学中所谓的“高能键”指的是自由能高，而不是键能特别高，即指随着水解反应或基团转移反应可放出大量自由能的键。2．氮磷键型（-N~P）3．硫酯键型4．甲硫键型上述高能化合物中含磷酸基团的占绝大多数，但并不是所有含磷酸基团的化合物都是高能磷酸化合物。

ATP和其它高能磷酸化合物ATP的分子结构：三个磷酸基团、两个高能键。活性形式：MgATP2-

其它作为能量直接来源的三磷酸核苷酸UTP用于多糖合成。CTP用于磷脂合成。GTP用于蛋白质合成。能荷=———————————﹝ATP﹞+0.5﹝ADP﹞

﹝ATP﹞+﹝ADP﹞+﹝AMP﹞能荷：高能状态的腺苷酸与总腺苷酸浓度之比。能荷是细胞中ATP-ADP-AMP系统中高能磷酸化状态的一种量度。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），又叫细胞氧化或细胞呼吸。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。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生物氧化的特点生物氧化的能量是逐步释放的。生物氧化过程产生的能量储存在高能化合物中主要是ATP。ATP中的能量可以通过水解而被释放出来，供给生物体的需能反应。生物氧化具有严格的细胞内定位。

原核生物的生物氧化是在细胞膜上进行的，真核生物的生物氧化是在线粒体中进行的。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-NH2RH2O的生成

代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。从底物直接脱水。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脱氢酶例：1\2O2NAD+电子传递链

H2O2eO=2H+一、线粒体结构特点二、电子传递呼吸链的概念三、呼吸链的组成四、机体内两条主要的呼吸链及其功能ATP的产生—电子传递体系（呼吸链）线粒体的功能特点外膜对大多数小分子物质和离子可通透，内膜须依赖膜上的特殊载体选择性地运载物质进出。基质中含有全部与有机酸氧化分解有关的酶。内膜上存在着多种酶与辅酶组成的电子传递链，或称呼吸链。内膜上的ATP合成酶利用电子传递过程释放的能量合成ATP，完成线粒体的供能作用。二、线粒体呼吸链的概念呼吸链（respiratatorychain）由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶系统所组成的这种代谢途径一般称为生物氧化还原链。如果受氢体是氧，则称为呼吸链。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。琥珀酸(FADH2）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。其中琥珀酸脱氢酶复合体包括FAD、铁硫中心和另一种细胞色素b（称为b558）。琥珀酸氧化呼吸链的电子传递途径如图：三、呼吸链的组成复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶（NADH脱氢酶）复合物Ⅱ：琥珀酸-CoQ还原酶（琥珀酸脱氢酶）复合物Ⅲ：CoQ-细胞色素c还原酶复合物Ⅳ细胞色素氧化酶其中NADH呼吸链由复合物I、复合物Ⅲ、复合物Ⅳ、泛醌、细胞色素c组成；FADH2呼吸链是由复合物Ⅱ、复合物Ⅲ、复合物Ⅳ、泛醌、细胞色素c组成。电子传递链标准氧化还原自由能变化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C还原酶细胞色素C氧化酶琥珀酸-辅酶Q还原酶-0.2-0.400.20.40.60.8E0/V复合物ⅠNADHQ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，在电子传递链中共有3个质子泵，该酶是第一个质子泵。黄素酶：辅基为FMN、FAD，均能脱氢和加氢，为递氢体和电子传递体，能传递2个H+和2个e-。铁硫蛋白是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在，通过Fe3+Fe2+变化起传递电子的作用。泛醌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。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。复合物II琥珀酸-Q还原酶（复合物II）的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原。复合物III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还原酶由9个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素b和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。复合物IV

细胞色素属于色蛋白类的结合蛋白质，辅基是铁卟啉的衍生物，因其有颜色又普遍存在于细胞内，故称为细胞色素。根据其结构与吸收光谱的不同可将细胞色素分为a、b和c三类。细胞色素属于电子传递体。细胞色素c的结构示意图ATP的生成与调节底物水平磷酸化电子传递氧化磷酸化线粒体外NADH的氧化磷酸化

底物水平磷酸化

底物水平磷酸化是指代谢物在氧化分解过程中，有少数反应步骤由于脱氢或脱水而引起分子内部能量重新分布，形成了某些高能磷酸键，它可转移给ADP形成ATP的过程。氧化磷酸化

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磷氧比（P/O

）呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比。P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。NADHFADH2O212H2OH2O例NADH呼吸链：P/O~3（2.5）ADP+PiATPFADH2呼吸链：P/O~2（1.5）O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP氧化磷酸化的偶联部位注意：生物氧化的能量是通过氢离子转换的

在NADH呼吸链，通过氧化磷酸化产生能量的有3个部位（见图）。从NADH来的一对电子传递到氧上，经过这3个偶联部位，生成3分子ATP（复合物1、2、3）。氧化磷酸化的偶联机理

化学偶联假说：在1953年提出的，认为在电子传递过程中生成高能中间物，再由高能中间物裂解释放的能量驱动ATP的合成。构象偶联假说：于1964年提出的，认为电子传递使线粒体内膜的蛋白质构象发生变化，推动了ATP的生成。化学渗透假说得到广泛的实验支持，荣获了1978年的诺贝尔化学奖。但化学渗透假说未能解决H+被泵到膜间的机制和ATP合成的机制。内膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基质膜间隙电子传递链

电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成H+跨线粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化学势(ΔH+)驱动ATP的合成。化学渗透假说

(chemiosmotichypothasis)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

线粒体电子传递和H+排出的数目和途径H2O2H+CytcCytcCytcQFMNFeSFeSCytc1CytbKCytbrCytaFeSCyta32e-2e-NADH+H+NAD+O2+2H+H2O4H+4H+2H+复合物III12以P/O值为依据计算氧化磷酸化产生的ATP分子数并不准确，而应考虑一对电子经过呼吸链到O2，有多少质子从线粒体基质泵出，因为ATP的生成与泵出的质子数有定量关系。每对电子通过复合物Ⅰ有4个质子从基质泵出，通过复合物Ⅲ有2个质子从基质泵出，通过复合物Ⅳ有4个质子从基质泵出。合成1分子ATP需要3个质子通过ATP合成酶返回基质来驱动，同时，生成的ATP从线粒体基质进入胞质还需要消耗1个质子来运送，所以，每产生1分子ATP需要4个质子。因此，一对电子从NADH到O2将产生2.5分子ATP，而一对电子从FADH2到O2将产生1.5分子ATP。合成ATP的酶系

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F0－F1ATP酶。它由两个主要部分F0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。线粒体ATP合酶氧化磷酸化的抑制剂一些化合物对氧化磷酸化有抑制作用，根据其作用机制不同，分为解偶联剂、磷酸化抑制剂和电子传递抑制剂。解偶联剂解偶联剂是指使氧化磷酸化电子传递过程和ADP磷酸化为ATP过程不能发生偶联反应的物质。对电子传递过程没有抑制作用，但抑制ADP磷酸化生成ATP的作用，使产能过程和贮能过程相脱离，使电子传递产生的自由能都变为热能。目前已发现了多种解偶联剂，如2，4-二硝基苯酚（2,4-DNP）、双香豆素等。氧化磷酸化抑制剂作用特点抑制氧的利用又抑制ATP的形成，但不直接抑制电子传递链上载体的作用。氧化磷酸化抑制剂的作用是直接干扰ATP的生成过程，结果使电子传递不能进行。寡霉素属于这类抑制剂。实验表明：当在线粒体悬浮液中，加入寡霉素后，再加入ADP，不见有刺激活性的作用发生，这时若加入DNP解偶联试剂，则可看到呼吸作用立即加快，表明寡霉素对利用氧的抑制作用可被解偶联试剂解除。电子传递抑制剂阻断电子传递链上某一部位的电子传递的物质。由于电子传递阻断使物质氧化过程中断，磷酸化则无法进行，故电子传递抑制剂同样也可抑制氧化磷酸化。鱼藤酮、阿密妥、粉蝶霉素A等，该类抑制剂专一结合于NADH-CoQ还原酶中的铁硫蛋白上，从而阻断电子传递。抗霉素A具有阻断电子从细胞色素b到细胞色素c1的传递作用。氰化物（CN－）、CO及N3－等，该类抑制剂可与氧化型的细胞色素氧化酶牢固地结合，阻断电子传至氧的作用。电子传递抑制剂

NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸复合物II复合物IV复合物I复合物III鱼藤酮安密妥抗霉素A氰化物CO抗霉素A的抑制部位NADFPQbcaa3NADFPQbcaa3呼吸链的比拟图解线粒体外NADH的氧化磷酸化作用苹果酸—天冬氨酸穿梭系统异柠檬酸穿梭系统磷酸甘油穿梭系统

酵解（细胞质）氧化磷酸化（线粒体）磷酸甘油穿梭作用胞液中的NADH在α–磷酸甘油脱氢酶（辅酶为NAD+）催化下，将磷酸二羟丙酮还原生成α-磷酸甘油，后者可以容易地进入线粒体内膜，在线粒体内膜上的α–磷酸甘油脱氢酶（其辅酶为FAD）催化下重新生成磷酸二羟丙酮和FADH2。磷酸二羟丙酮穿出线粒体参与下一轮穿梭，而FADH2经呼吸链氧化生成ATP。通过这种穿梭作用，