生物氧化三羧酸循环

生物氧化三羧酸循环第1页，共78页，2023年，2月20日，星期一概述维持生命活动的能量来源：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。第2页，共78页，2023年，2月20日，星期一概述生物氧化有机物质在生物体内的氧化作用，称为生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。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。第3页，共78页，2023年，2月20日，星期一生物代谢

生物代谢是指生物活体与外界环境不断进行的物质（包括气体、液体和固体）和能量交换的过程。合成代谢一般是指将简单的小分子物质转变成复杂的大分子物质的过程。该过程中伴随着能量的消耗。分解代谢则是将复杂的大分子物质转变成小分子物质的过程。该过程中伴随着能量的释放。包括营养物质的消化吸收、中间代谢以及代谢产物的排泄等阶段。生物化学中着重讨论中间代谢。第4页，共78页，2023年，2月20日，星期一生物代谢糖、脂和蛋白质的合成代谢途径各不相同，但是它们的分解代谢途径则有共同之处，即糖、脂和蛋白质经过一系列分解反应后都生成了酮酸并进入三羧酸循环（TCA,tricarboxylicacidcycle），最后被氧化成CO2和H2O。第5页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.1生物氧化的方式和特点8.1.1生物氧化的方式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。脱氢氧化作用、加氧氧化作用和生成二氧化碳的氧化作用第6页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.1.1.1脱氢氧化反应（1）直接脱氢在生物氧化中，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。第7页，共78页，2023年，2月20日，星期一烷基脂肪酸脱氢琥珀酸脱氢第8页，共78页，2023年，2月20日，星期一醛酮脱氢乳酸脱氢第9页，共78页，2023年，2月20日，星期一（2）加水脱氢酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。第10页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.1.1.2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。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+O2

CH3-OH+NAD++H2O第11页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.1.1.2氧直接参加的氧化反应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。第12页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.1.1.3生成二氧化碳的氧化反应（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。例如丙酮酸的脱羧。（p.147）第13页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.1.1.3生成二氧化碳的氧化反应（2）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(氢)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。。（p.147）第14页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.1.2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，pH7和常温）。2.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氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。第15页，共78页，2023年，2月20日，星期一5.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。8.1.2生物氧化的特点第16页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.2.1生物能和ATP1）ATP是生物能存在的主要形式ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。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。8.2生物能及其存在形式第17页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.2.2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着重要作用。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（G’<-21kJ/mol）的化合物称为高能化合物。第18页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.2.2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分成以下几种类型。P.144表7-3第19页，共78页，2023年，2月20日，星期一

1）磷氧键型（—O~P)(1)酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔第20页，共78页，2023年，2月20日，星期一(1)酰基磷酸化合物氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸第21页，共78页，2023年，2月20日，星期一（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔第22页，共78页，2023年，2月20日，星期一（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔第23页，共78页，2023年，2月20日，星期一2）氮磷键型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。第24页，共78页，2023年，2月20日，星期一3）硫酯键型腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A第25页，共78页，2023年，2月20日，星期一4）甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸第26页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.3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。8.3.1线粒体呼吸链的组成第27页，共78页，2023年，2月20日，星期一第28页，共78页，2023年，2月20日，星期一Overviewofoxidativephosphorilation第29页，共78页，2023年，2月20日，星期一线粒体呼吸链第30页，共78页，2023年，2月20日，星期一线粒体呼吸链第31页，共78页，2023年，2月20日，星期一

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。第32页，共78页，2023年，2月20日，星期一铁硫蛋白铁硫蛋白(简写为Fe-S)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。第33页，共78页，2023年，2月20日，星期一铁硫蛋白它主要以(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第34页，共78页，2023年，2月20日，星期一

NADH泛醌还原酶简写为NADHQ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。

NADHQ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第35页，共78页，2023年，2月20日，星期一NADH泛醌还原酶第36页，共78页，2023年，2月20日，星期一第37页，共78页，2023年，2月20日，星期一泛醌（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。第38页，共78页，2023年，2月20日，星期一辅酶-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。第39页，共78页，2023年，2月20日，星期一泛醌细胞色素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和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。第40页，共78页，2023年，2月20日，星期一第41页，共78页，2023年，2月20日，星期一细胞色素（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。第42页，共78页，2023年，2月20日，星期一细胞色素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。在电子传递过程中，cyt.c通过Fe3+

Fe2+

的互变起电子传递中间体作用。第43页，共78页，2023年，2月20日，星期一由于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。第44页，共78页，2023年，2月20日，星期一细胞色素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。第45页，共78页，2023年，2月20日，星期一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第46页，共78页，2023年，2月20日，星期一细胞色素c氧化酶第47页，共78页，2023年，2月20日，星期一琥珀酸-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。第48页，共78页，2023年，2月20日，星期一琥珀酸-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。第49页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.3.2氧化-还原电势与自由能的变化在生物氧化反应中，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/mol第50页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.3.2氧化-还原电势与自由能的变化第51页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.3.3电子传递和ATP的合成

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。第52页，共78页，2023年，2月20日，星期一（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。第53页，共78页，2023年，2月20日，星期一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。第54页，共78页，2023年，2月20日，星期一（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。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

Qcyt.bcyt.c1cyt.aa3

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。从琥珀酸

O2只产生2个ATP.第55页，共78页，2023年，2月20日，星期一（2）ATP合成反应-氧化磷酸化ATP合成与质子浓度梯度紧密偶联，即ATP合成伴随着质子浓度梯度的下降。由于质子浓度梯度是通过位于线粒体内膜上的电子传递复合物建立的，所以有可能用底物的氧化来表示合成的ATP的量。用分离出的线粒体进行的实验表明，NADH，FAD2和对二（二甲氨基）苯二胺（tetramethy-p-phenylenediamine）（直接提供电子对给复合物IV）的氧化分别合成大约3、2和1个ATP。该定量关系称为P/O比，表明合成的ATP量与还原的氧量之间的关系。第56页，共78页，2023年，2月20日，星期一（3）胞浆中NADH的转移

苹果酸穿梭(malateaspartateshuttle)

这种穿梭机制主要在肝、肾、心中发挥作用，其穿梭机制比较复杂，不仅需借助苹果酸、草酸乙酸的氧化还原，而且还要借助α酮酸与氨基酸之间的转换，才能使胞液中来的NADH的还原当量转移进入线粒体氧化。第57页，共78页，2023年，2月20日，星期一（3）胞浆中NADH的转移

苹果酸穿梭(malateaspartateshuttle)第58页，共78页，2023年，2月20日，星期一（3）胞浆中NADH的转移

α--磷酸甘油穿梭(glycerolα-phosphateshuttle)

该穿梭机制主要在脑及骨骼肌中，它是借助于α-磷酸甘油与磷酸二羟丙酮之间的氧化还原转移还原当量，使线粒体外来自NADH的还原当量进入线粒体的呼吸链氧化。第59页，共78页，2023年，2月20日，星期一

（3）胞浆中NADH的转移

α-磷酸甘油穿梭(glycerole-phosphateshuttle)当胞液中NADH浓度升高时，胞液中的磷酸二羟丙酮首先被NADH还原成α磷酸甘油(3－磷酸甘油)，反应由甘油磷酸脱氢酶(辅酶为NAD+)催化，生成的α磷酸甘油可再经位于线粒体内膜近外侧部的甘油磷酸脱氢酶催化氧化生成磷酸二羟丙酮。第60页，共78页，2023年，2月20日，星期一（3）胞浆中NADH的转移

α-磷酸甘油穿梭(glycerolα-phosphateshuttle)线粒体与胞液中的甘油磷酸脱氢酶为同工酶，两者不同在于线粒体内的酶是以FAD为辅基的脱氢酶，而不是NADH+，FAD所接受的质子、电子可直接经泛醌、复合体Ⅲ、Ⅳ传递到氧，这样线粒体外的还原当量就被转运到线粒体氧化了，但通过这种穿梭机制结果只能生成2分子ATP而不是3分子ATP。

第61页，共78页，2023年，2月20日，星期一（4）偶联机制线粒体的内膜中电子传递与线粒体释放H+是偶联的，即呼吸链在传递电子过程中释放出来的能量不断地将线粒体基质内的H+逆浓度梯度泵出线粒体内膜，这一过程的分子机理还不十分清楚。第62页，共78页，2023年，2月20日，星期一（4）偶联机制第63页，共78页，2023年，2月20日，星期一（4）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（）；第64页，共78页，2023年，2月20日，星期一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。第65页，共78页，2023年，2月20日，星期一（4）偶联机制H+不能自由透过线粒体内膜，结果使得线粒体内膜外侧H+浓度增高，基质内H+浓度降低，在线粒体内膜两侧形成一个质子跨膜梯度，线粒体内膜外侧带正电荷，内膜内侧带负电荷，这就是跨膜电位△ψ。由于线粒体内膜两侧H+浓度不同，内膜两侧还有一个pH梯度△pH，膜外侧pH较基质pH约低1.0单位，底物氧化过程中释放的自由能就储存于△ψ和△pH中，若以△P表示总的质子移动力，那么三者的关系可用下式表示：△P=△ψ-59△pH第66页，共78页，2023年，2月20日，星期一（4）偶联机制线粒体外的H+可以通过线粒体内膜上的三分子体顺着H+浓度梯度进入线粒体基质中，这相当于一个特异的质子通道，H+顺浓度梯度方向运动所释放的自由能用于ATP的合成，寡霉素能与OSCP结合，特异阻断这个H+通道，从而抑制ATP合成。有关ATP合成的分子机制目前还不十分清楚。4.解偶联剂的作用是促进H+被动扩散通过线粒体内膜，即增强线粒体内膜对H+的通透性，解偶联剂能消除线粒体内膜两侧的质子梯度，所以不能再合成ATP。第67页，共78页，2023年，2月20日，星期一（4）偶联机制总之，化学渗透学说认为在氧化与磷酸化之间起偶联作用的因素是H+的跨膜梯度。每对H+通过三分子体回到线粒体基质中可以生成一分子ATP。以NADH+H+作底物，其电子沿呼吸链传递在线粒体内膜中形成三个回路，所以生成3分子ATP。以FADH2为底物，其电子沿琥珀酸氧化呼吸链传递在线粒体内膜中形成两个回路，所以生成两个ATP分子。第68页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.3.4底物水平磷酸化ATP的生成方式

体内ATP生成有两种方式：A.底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)底物分子中的能量直接以高能键形式转移给ADP生成ATP，这个过程称为底物水平磷酸化，这一磷酸化过程在胞浆和线粒体中进行，包括有：

第69页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.3.4底物水平磷酸化第70页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.3.4底物水平磷酸化B.氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)

氧化和磷酸化是两个不同的概念。氧化是底物脱氢或失电子的过程，而磷酸化是指ADP与Pi合成ATP的过程。在结构完整的线粒体中氧化与磷酸化这两个过程是紧密地偶联在一起的，即氧化释放的能量用于ATP合成，这个过程就是氧化磷酸化，氧化是磷酸化的基础，而磷酸化是氧化的结果。第71页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.3.4底物水平磷酸化

机体代谢过程中能量的主要来源是线粒体，既有氧化磷酸化，也有底物水平磷酸化，以前者为主要来源。胞液中底物水平磷酸化也能获得部分能量，实际上这是酵解过程的能量来源。对于酵解组织、红细胞和组织相对缺氧时的能量来源是十分重要的。

第72页，共78页，2023年，2月20日，星期一8.3.5氧化磷酸化抑制剂

氧化磷酸化抑制剂可分为三类，即呼吸抑制剂、磷酸化抑制剂和解偶联剂。A.呼吸抑制剂这类抑制剂抑制呼吸链的电子传递，也就是抑制氧化，氧化是磷酸化的基础，抑制了氧化也就抑制了磷酸化。呼吸链某一特定部位被抑制后，其底物一侧均为还原状态，其氧一侧均为氧化态，这很容易用分光光度法(双波长分光光度计)检定，重要的呼吸抑制剂有以下几种。鱼藤酮(rotenone)系从植物中分离到的呼