第六章生物氧化和生物能

生物氧化主要讨论的问题细胞如何利用O2将代谢产物分子中的H氧化成水。代谢产物中的C如何在酶的催化作用下生成CO2有机物被氧化时产生的自由能如何被收集、转换或存储当前第1页\共有123页\编于星期五\23点一、生物氧化概念有机物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并释放出CO2，所以又称为呼吸作用。主要指糖、脂肪、蛋白质在体内分解时逐步释放能量，最终生成二氧化碳和水的过程。有机物在生物体内的氧化包括物质分解和产能

当前第2页\共有123页\编于星期五\23点二、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，主要包括如下三种氧化方式。当前第3页\共有123页\编于星期五\23点1．脱氢氧化反应（1）直接脱氢(最主要)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。当前第4页\共有123页\编于星期五\23点脂肪酸脱氢琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢酶当前第5页\共有123页\编于星期五\23点醛酮脱氢乳酸脱氢当前第6页\共有123页\编于星期五\23点（2）加水脱氢酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。当前第7页\共有123页\编于星期五\23点2．加氧的氧化反应（1）加氧酶催化的加氧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当前第8页\共有123页\编于星期五\23点2．加氧的氧化反应（2）氧化酶催化的生成水的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。2细胞色素c（Fe2+）+2H++1/2O2细胞色素c氧化酶2细胞色素c（Fe3+）+H2O当前第9页\共有123页\编于星期五\23点3．失电子的氧化反应例如：Fe2+Fe3+当前第10页\共有123页\编于星期五\23点4、CO２生成的方式

基本方式：有机酸脱羧分类α-脱羧β-脱羧（羧基位置）直接脱羧（不伴氧化）氧化脱羧（伴氧化）当前第11页\共有123页\编于星期五\23点（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。当前第12页\共有123页\编于星期五\23点α-直接脱羧

COOHC=OCH2COOHαββ-直接脱羧COOHC=O+CO2

CH3

O‖CH3CCOOH

O‖CH3CH+CO2

草酰乙酸丙酮酸草酰乙酸脱羧酶

α-酮酸脱羧酶当前第13页\共有123页\编于星期五\23点（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当前第14页\共有123页\编于星期五\23点氧化脱羧COOHC=O+CO2+NADH+H+

CH3COOHCHOH+NAD+CH2COOHβα苹果酸丙酮酸当前第15页\共有123页\编于星期五\23点5、H2O生成方式

代谢产物被各种脱氢酶催化作用下脱氢，脱下的氢经过一系列传递体的传递，最后与氧结合生成水。当前第16页\共有123页\编于星期五\23点三、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.生物氧化过程中，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与了氧化反应。当前第17页\共有123页\编于星期五\23点三、生物氧化的特点4.在生物氧化中含碳化合物的氧化过程通过脱氢来实现（氢质子和电子），脱下来的H通常由各种载体接受，如NAD+等，进而把氢传递到氧并生成水（氢的氧化）。碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。当前第18页\共有123页\编于星期五\23点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。当前第19页\共有123页\编于星期五\23点生物氧化的特点

反应条件

温和剧烈(体温、pH近中性)(高温、高压)反应过程

逐步进行的酶促反应一步完成能量释放

逐步进行瞬间释放

（化学能、热能）（热能）CO2生成方式

有机酸脱羧碳和氧结合H2O

需要不需要速率受体内多种因素调节

生物氧化

体外燃烧当前第20页\共有123页\编于星期五\23点本质

生物氧化的本质是电子的得失，失电子者为还原剂，是电子供体，得电子者为氧化剂，是电子受体.在生物体内，它有三种方式：加氧氧化电子转移

四、生物氧化的本质及过程O2苯丙氨酸酪氨酸当前第21页\共有123页\编于星期五\23点乳酸脱氢酶

脱氢氧化当前第22页\共有123页\编于星期五\23点

在无氧条件下，兼性生物或厌氧生物能利用细胞中的氧化型物质作为电子受体，将燃料分子氧化分解，这称为无氧氧化。这些生物有的以有机物分子作为最终的氢受体(如厌氧发酵)，有的则以无机物分子作为氢受体(如微生物中的化能自养菌对NO3-、SO42-的利用)。2.无氧氧化当前第23页\共有123页\编于星期五\23点3.有氧氧化

生物氧化在有氧和无氧条件下都能进行。在有氧条件下，好氧生物或兼性生物吸收空气中的氧作为电子受体，可将燃料分子完全氧化分解，这称为有氧氧化。因为有氧氧化燃烧完全，产能多，所以，只要有氧气存在，细胞都优先进行有氧氧化。当前第24页\共有123页\编于星期五\23点第二节生物能及其存在形式一、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特殊能量形式。ATP是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。光能——ATP化学能——ATP光合作用生物氧化当前第25页\共有123页\编于星期五\23点2.ATP的结构ATP（三磷酸腺苷）腺嘌呤核糖核苷三磷酸生物能的化学本质：存储于ATP分子焦磷酸碱的化学能焦磷酸键当前第26页\共有123页\编于星期五\23点为什么ATP可以提供能量？释放能量△Gθ=-31KJ/mol释放能量△Gθ=-31KJ/molADP+PiATP水解或磷酸化AMP+PPiATP水解ATPADP+Pi光能（光合作用）化学能（生物氧化）储存能量ATP与ADP之间的相互转变是生物利用光能或化学能的基本分子机制，是连接光能和化学能的纽带当前第27页\共有123页\编于星期五\23点3.ATP的特点（1）ATP是一种瞬时的自由能供体。它一经生成，即通过水解或磷酰化反应向各种需能活动提供能量，而本身则变成ADP（或AMP）。因此，ATP不是能量的长效贮存者。（2）ATP、ADP和Pi在细胞内始终动态平衡状态，以适应细胞对能量的需求。如在细菌中，ATP、ADP和Pi的摩尔比约为8：1：8。（3）ATP是生命活动中能量的主要直接供体，因此ATP不断产生又不断消耗，ATP和ADP的转换率非常高。例如：一个静卧的人24小时内生成和消耗约40公斤ATP。

当前第28页\共有123页\编于星期五\23点二、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。自由能的公式：

G⊝=H⊝-TS⊝

自由能(G）:指在一个体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量。自由能对于生物有特别重要的意义。因为我们不仅可以用它判断生物化学反应是否可以自发进行，而且生物所利用的也正是生物化学反应所释放出的自由能。当前第29页\共有123页\编于星期五\23点利用自由能判断反应的进行方向自由能变化（ΔG）:AB

ΔG=GB-

GAΔG是衡量反应自发性的标准。

ΔG=0，平衡状态；

ΔG<0，放能，自发进行，可以产生有用的功；

ΔG>0，吸能，非自发进行，要想使过程进行，必需向系统提供足够多的能量。

当前第30页\共有123页\编于星期五\23点在生物系统中，为了使某一个G>0的反应顺利进行，往往需要和另一个可以释放能量的反应偶联：AB+CXY酶G=+20kJ/molG=-33.47kJ/mol则：G=-13.47kJ/mol可见，虽然上一个反应的G为正，反应不能自发进行，但由于它和另一个反应偶联，其总的G为负数，所以，总反应是可以自发进行的。自由能变化的可加性及其

在生物化学中的意义当前第31页\共有123页\编于星期五\23点ATP在生命活动中起极其重要的作用，几乎所有的生物需能反应都由ATP释放能量来驱动。ATP末端磷酸基团水解时，其标准自由能变化为－30.5千焦/摩尔，它通过酶和其它生物化学反应相偶联，即可以使多数不能自发进行的反应得以顺利进行。ATPADP+PiA+BC+D酶G>0

G<0G<0ATP与需能生化反应相偶联当前第32页\共有123页\编于星期五\23点二、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以上自由能（G’<-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。当前第33页\共有123页\编于星期五\23点

1.磷氧键型（—O~P)酰基磷酸化合物1,3–二磷酸甘油酸乙酰磷酸42.2kJ/mol49kJ/mol当前第34页\共有123页\编于星期五\23点2.焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸31kJ/mol当前第35页\共有123页\编于星期五\23点3.烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸62kJ/mol当前第36页\共有123页\编于星期五\23点4.氮磷键型磷酸肌酸43kJ/mol这种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。当前第37页\共有123页\编于星期五\23点5.硫酯键型3’-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A当前第38页\共有123页\编于星期五\23点6.甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸当前第39页\共有123页\编于星期五\23点第三节线粒体呼吸链和ATP合成生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢，经生物氧化作用和吸入的氧结合而成的。生物体主要以脱氢酶、传递体及氧化酶组成生物氧化体系，以促进水的生成。当前第40页\共有123页\编于星期五\23点H2OMH2M递氢体递氢体H2NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ还原型氧化型Cyt递电子体b,c1,c,aa32H+2e½

O2O2-脱氢酶氧化酶当前第41页\共有123页\编于星期五\23点一、线粒体膜的结构特点原核细胞不含线粒体，大多数动植物真核细胞都含有线粒体。线粒体为棒状小粒，由内外膜和基质组成。外膜：平滑，有弹性。脂质多，酶蛋白量少。通透性较大，分子量小于一万的分子都可以通过。内膜：内膜部分曲折伸入基质使内外膜之间形成孔穴。向内折叠的突起为嵴，酶蛋白较多。半透膜，只有部分小分子物质可以通过。基质：富含酶和蛋白质，还含有DNA、RNA等。当前第42页\共有123页\编于星期五\23点嵴放大示意图内膜外膜内、外膜间隔嵴ATP合酶ATP生成的结构基础当前第43页\共有123页\编于星期五\23点线粒体含有多种酶系。内膜：主要是呼吸链电子传递酶系（脱氢酶和氧化还原酶）、氧化磷酸化酶系脂质体内：糖类分解氧化酶系、脂酸的氧化酶系、核酸合成酶系和蛋白质合成酶系线粒体是进行生物代谢和能量转换最重要的场所。当前第44页\共有123页\编于星期五\23点真核细胞：线粒体原核细胞：质膜氧化还原酶，按一定顺序排列。构成它们的辅酶或辅基起到传递氢或电子的作用，称为：传递体

递氢体：传递氢的辅酶或辅基递电子体：传递电子的辅酶或辅基。

当前第45页\共有123页\编于星期五\23点二、呼吸链定义:由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶系构成的氧化还原体系，与细胞利用氧的呼吸过程有关，通常称为呼吸链，生物氧化还原链或电子传递链。呼吸作用中的电子传递链，分布于线粒体内膜。当前第46页\共有123页\编于星期五\23点1.典型的呼吸链有两种，即NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链。线粒体呼吸链的分类和组成当前第47页\共有123页\编于星期五\23点呼吸链的种类返回当前第48页\共有123页\编于星期五\23点当前第49页\共有123页\编于星期五\23点NADH氧化呼吸链电子从NADH传递到O2是线粒体呼吸链电子传递的一条主要途径。包括电子载体和蛋白质复合物。电子载体：NADH，泛醌Q或辅酶Q，细胞色素c蛋白质复合物：NADH-泛醌还原酶（复合物I），泛醌-细胞色素c还原酶（复合物III），细胞色素c氧化酶（复合物IV）当前第50页\共有123页\编于星期五\23点NADH：还原型辅酶。它是NAD+的还原产物，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。泛醌（Q）或辅酶-Q（CoQ）：是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。细胞色素c：电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体。电子载体当前第51页\共有123页\编于星期五\23点NADH中的功能结构：NADH中的功能部分NAD+（烟酰胺环）NAD+接受电子和质子，还原成NADH，NADH也容易给出电子和质子，氧化成NAD+。因此可以作为电子和质子的传递体。电子载体（烟酰胺环）当前第52页\共有123页\编于星期五\23点NAD+和NADP+的结构NAD+：R=HNADP+：R=PO32-尼克酰胺核苷酸类当前第53页\共有123页\编于星期五\23点泛醌（Q）或辅酶-Q（CoQ）Q容易接受电子和质子，还原成QH2（还原性），QH2也容易给出电子和质子，重新氧化成Q。因此可以作为电子和质子的传递体。QQH2电子载体当前第54页\共有123页\编于星期五\23点辅酶-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。当前第55页\共有123页\编于星期五\23点细胞色素（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。

当前第56页\共有123页\编于星期五\23点当前第57页\共有123页\编于星期五\23点细胞色素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。电子载体当前第58页\共有123页\编于星期五\23点功能：单电子传递体细胞色素主要是通过Fe3+

Fe2+的互变起传递电子的作用的。当前第59页\共有123页\编于星期五\23点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。NADHQ还原酶NADH+Q+H+=========NAD++QH2蛋白质复合物当前第60页\共有123页\编于星期五\23点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。(将电子从NADH传递给CoQ)蛋白质复合物NADH泛醌还原酶辅基：FMN，铁硫蛋白当前第61页\共有123页\编于星期五\23点FMN（黄素腺嘌呤单核苷酸）

FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）

功能结构：异咯嗪环当前第62页\共有123页\编于星期五\23点黄素核苷酸的作用原理核黄素(黄色)FAD/FMN

FADH2/FMNH2+2H-2H+2H-2H还原型核黄素(无色)当前第63页\共有123页\编于星期五\23点铁硫蛋白铁硫蛋白(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。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第64页\共有123页\编于星期五\23点Fe2+

Fe3+-e+e铁硫蛋白的作用原理FMN（Fe-S）FAD(Fe-S)b当前第65页\共有123页\编于星期五\23点NADH泛醌还原酶FMN接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2将电子转移给铁硫蛋白，铁硫蛋白再将电子和电子传递给辅酶Q。(总过程是将电子和质子从NADH传递给CoQ)当前第66页\共有123页\编于星期五\23点泛醌细胞色素c还原酶简写为QH2-cytc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）。蛋白质复合物当前第67页\共有123页\编于星期五\23点功能：将电子从CoQ传递给Cytc组成：Cytb、Fe-S、Cytc1细胞色素(Cyt)：含铁卟啉辅基的色蛋白，分a、b、c三类，每类中又分几种亚类。泛醌细胞色素c还原酶当前第68页\共有123页\编于星期五\23点泛醌细胞色素c还原酶还原型的辅酶Q，脱去H+，并将电子给了Cytb,Cytb将电子传递给氧化型的铁硫蛋白，还原型铁硫蛋白将电子给了Cytc1，还原型Cytc1又将电子给了Cytc。总过程：还原型辅酶Q中的电子传递给了Cytc当前第69页\共有123页\编于星期五\23点由于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。当前第70页\共有123页\编于星期五\23点简写为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。蛋白质复合物细胞色素c氧化酶当前第71页\共有123页\编于星期五\23点细胞色素c氧化酶功能：将电子从Cytc最终传递到O2当前第72页\共有123页\编于星期五\23点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。当前第73页\共有123页\编于星期五\23点NADH呼吸链NADH呼吸链应用最广，糖、蛋白质、脂肪三大燃料分子分解代谢中的脱氢氧化反应，绝大部分是通过NADH呼吸链完成。当前第74页\共有123页\编于星期五\23点电子传递的另一条途径是从琥珀酸传递到O2，在这条呼吸链中，代谢中间物的氢原子是由以FAD为辅基的脱氢酶脱氢，即底物脱下氢的初始受体是FAD。所以琥珀酸氧化呼吸链又称为FADH2呼吸链。琥珀酸氧化呼吸链当前第75页\共有123页\编于星期五\23点功能：将电子从琥珀酸传递给CoQ辅基：FAD、Fe-S琥珀酸-Q还原酶当前第76页\共有123页\编于星期五\23点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。琥珀酸氧化呼吸链当前第77页\共有123页\编于星期五\23点NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-S复合物IV复合物I复合物IIINADH-Q还原酶细胞色素还原酶细胞色素氧化酶FADH2Fe-S琥珀酸等复合物II琥珀酸-Q还原酶两条呼吸链当前第78页\共有123页\编于星期五\23点呼吸链中，在CoQ之前是传递氢的，在CoQ之后是传递电子，而氢以H+质子形式进入介质中。当前第79页\共有123页\编于星期五\23点当前第80页\共有123页\编于星期五\23点氧化还原反应—指反应过程中凡是有电子从一物质（还原剂）转移到另一物质（氧化剂）的化学反应都属于氧化还原反应。氧化剂A3+A2+B2+还原剂B3+A3+/A2+氧化-还原电对B3+/B2+得失电子能力不同e二、氧化-还原电势与自由能的变化当前第81页\共有123页\编于星期五\23点1、氧化还原电势：指氧化还原反应中，反应物得失电子的能力。用E表示。通常所说某一物质的氧化还原电势都是和标准氢电极比较得到的。标准状态下测得的为标准氧化还原电势E0；而生化反应是在pH=7.0条件下进行的，故此时测得的氧化还原电位为生化氧化还原电势E0。生物体内一些氧化还原体系的生化氧化还原电势E0。P.206当前第82页\共有123页\编于星期五\23点一般E0

值越小，表示该氧还对的还原态失电子能力越大，即还原能力越强，是强还原剂。E0’值越大，表示该氧还对的氧化态得电子能力越大，即氧化能力越强，是强氧化剂。在氧化还原反应中，电子总是从E0’值较小的物质转移到值较大的物质，即从还原剂流向氧化剂。氧化剂A3+A2+B2+还原剂B3+A3+/A2+氧化-还原电对B3+/B2+得失电子能力不同e当前第83页\共有123页\编于星期五\23点当前第84页\共有123页\编于星期五\23点呼吸链中电子传递方向是从E0’值小向大的方向传递★E0’越小，越易失去电子，处于呼吸链的前面，反之，E0’越大，越易得到电子，处于呼吸链的后面。

★当电子从E0’值小的物质传到E0’值大的物质时，伴随着自由能的降低，即有热量放出:

△G0’=－nF△E0’

=－nF

（E0’受体－E0’供体）

其中：n是转移的电子数，F是法拉第常数。当前第85页\共有123页\编于星期五\23点在生物氧化反应中，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当前第86页\共有123页\编于星期五\23点三、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。当前第87页\共有123页\编于星期五\23点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。线粒体呼吸链的电子传递过程是在其内膜上进行的。当前第88页\共有123页\编于星期五\23点ATP酶，含有5种不同的亚基（按3、3、1、1和1

的比例结合）。F0为一个疏水蛋白，是与线粒体电子传递系统连接的部位。ATP酶复合体当前第89页\共有123页\编于星期五\23点2.ATP合成反应-氧化磷酸化电子从NADH经电子传递链转移到分子氧时，同时伴随有大量的自由能释放。电子传递链中释放出的自由能大于30.5kJ/mol部位可能就是氧化磷酸化的偶联部位。当前第90页\共有123页\编于星期五\23点电子传递体系的氧化磷酸化(也称氧化磷酸化)定义：呼吸链电子传递过程中释放的能量，在ATP合成酶的催化下，使ADP磷酸化成ATP的过程，由于代谢物的氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联进行，故称为氧化磷酸化。呼吸链AH22H(2H++2e)A能ADP+PiATPO212氧化磷酸化偶联H2O当前第91页\共有123页\编于星期五\23点

ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，NADH呼吸链生成ATP的三个部位是：E0'值在此三个部位有大的“跳动”，都在0.2伏以上。ATP产生的部位当前第92页\共有123页\编于星期五\23点NADH氧化呼吸链——以NAD为辅酶的脱氢酶催化的物质氧化，是细胞内最重要的呼吸链。偶联式：当前第93页\共有123页\编于星期五\23点琥珀酸氧化呼吸链——FAD为辅基的脱氢酶催化氧化。体内尚有少数代谢物如琥珀酸，脂肪酰CoA，α—磷酸甘油等的脱氢酶是琥珀酸脱氢酶复合体[包括FAD，铁硫中心和细胞色素b，它们在氧化过程中脱去的氢，在呼吸链中的传递顺序和上述的略有不同。琥珀酸氧化呼吸链当前第94页\共有123页\编于星期五\23点琥珀酸氧化呼吸链简写式：与NADH氧化呼吸链相比，琥珀酸氧化呼吸链在CoQ之前少一步递氢过程，所以，其呼吸链稍短一些，释放的能量也少一些。当前第95页\共有123页\编于星期五\23点电子传递链将NADH和FADH2上的电子传递给氧的过程中释放自由能，供给ATP的合成。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。

NADH

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产生2个ATP.当前第96页\共有123页\编于星期五\23点底物水平磷酸化：这是不需氧，也不通过呼吸链的一种氧化磷酸化，它是在代谢底物脱氢（氧化）时，分子内部发生能量重新分配而形成高能键，并用于ATP生成。当前第97页\共有123页\编于星期五\23点非氧化性磷酸化——没有氧化过程的ATP生成这种方式既不需氧也没有代谢物脱氢，而是代谢物在脱水、基团转移等过程中，分子内部能量重新分布，形成一个高能键，然后再转移到ADP形成ATP。

当前第98页\共有123页\编于星期五\23点P／O：是指1对电子（相当于1个氧原子）通过呼吸链传递到氧所产生ATP的分子数。实质是伴随ADP磷酸化所消耗的Pi的分子数与消耗氧原子数之比,称为P/O比。反映了ATP产生的效率。NADH的P/O=3，FADH2的P/O=2。磷氧比P/O当前第99页\共有123页\编于星期五\23点氧化磷酸化偶联部位

P/O=1P/O=1P/O=1

NADH

FMNFe-SCoQcytbFe-Scytc1cytccytaa3O2

FAD

琥珀酸

P/O=2当前第100页\共有123页\编于星期五\23点体内重要的两条呼吸链NADH氧化呼吸链SH2NAD+FMNH2CoQ2Cyt-Fe2+1/2O2

（Fe-S）SNADHFMNCoQH22Cyt-Fe3+O2-（Fe-S）每2H通过此呼吸链可生成3分子ATP。当前第101页\共有123页\编于星期五\23点每2H通过此呼吸链可生成2分子ATP。琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸

延胡索酸12FAD（Fe-S）b

FADH2

（Fe-S）bCoQH2CoQ2Cyt-Fe3+2Cyt-Fe2+

O2O2-(b、c1、c

、aa3)当前第102页\共有123页\编于星期五\23点偶联机制化学渗透假说：在呼吸链上传递时给H+泵提供了动力，而H+通过特殊通道（离子通道）时又给ATP的形成提供了能量。化学渗透假说的要点：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（）；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。当前第103页\共有123页\编于星期五\23点复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ均有质子泵作用4H+4H+4H+4H+2H+2H+内膜表面基质NADH＋H＋NAD＋琥珀酸延胡索酸½O2＋2H+H2O当前第104页\共有123页\编于星期五\23点线粒体基质线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图当前第105页\共有123页\编于星期五\23点氧化磷酸化的影响因素①电子传递抑制剂

（呼吸毒物）：某些物质，能抑制呼吸链传递氢和传递电子，使氧化作用受阻，ATP不能生成。鱼藤酮、异戊巴比妥，抗霉素、一氧化碳、氰化物等，这些物质称为呼吸毒物。

当前第106页\共有123页\编于星期五\23点氧化磷酸化的影响因素②氧化磷酸化抑制剂

：同时抑制电子传递和ADP磷酸化。如寡霉素（oligomycin）可与ATP合酶柄部OSCP结合，阻断质子通道回流，抑制ATP生成；H+在线粒体内膜外积累，影响呼吸链质子泵的功能，从而抑制电子传递。当前第107页\共有123页\编于星期五\23点氧化磷酸化的影响因素③解偶联剂（uncoupler）：抑制剂破坏内膜两侧的电化学梯度，而使氧化与磷酸化偶联脱离。最常见的解偶联剂是二硝基苯酚（dinitrophenol，DNP）。

当前第108页\共有123页\编于星期五\23点底物氧化放能磷酸化吸能物质氧化与磷酸化相偶联氧化磷酸化当前第109页\共有123页\编于星期五\23点解偶联使呼吸链释放的能量不能形成ATP，以至ADP堆积，刺激细胞呼吸，氧化过程加速，这样氧化所释放的能量大部分以热的形成散失，不能为机体有效地利用。感冒或患传染性疾病时，体温升高，就是因为细菌或病毒产生一种解偶联剂，使呼吸作用释放的能量较多地转变为热的形式而使体温升高。当前第110页\共有123页\编于星期五\23点第六章

生物氧化和生物能复习题

一名词解释1．生物氧化2．呼吸链3．氧化磷酸化4．磷氧比P/O当前第111页\共有123页\编于星期五\23点答案1．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。2．呼吸链在生物氧化过程中，由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成的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。电子在逐步的传递过程中释放出能量被用于合成ATP，以作为生物体的能量来源。当前第112页\共有123页\编于星期五\23点3．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。4．磷氧比P/O：是指1对电子（相当于1个氧原子）通过呼吸链传递到氧所产生ATP的分子数。实质是伴随ADP磷酸化所消耗的Pi的分子数与消耗氧原子数之比,称为P/O比。反映了ATP产生的效率。当前第113页\共有123页\编于星期五\23点二填空题1.典型的呼吸链包括______和_____两种，这是根据接受代谢物脱下的氢的____

不同而区别的。2.NADH呼吸链中氧化磷酸化的偶联部位是_______、_______、_______。3.体内CO2

的生成不是碳与氧的直接结合，而是______。4.△G0＇为负值是_________反应，可以_________进行。5.化学渗透学说主要论点认为：呼吸链组分定位于_____内膜上。