能量代谢生物氧化

第一节生物氧化的特点和方式

一、生物氧化的特点二、生物氧化过程中CO2的生成三、生物氧化过程中H2O的生成四、有机物在体内氧化释能的三个阶段

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。当前第1页\共有54页\编于星期四\22点生物氧化的特点

在活的细胞中（pH接近中性、体温条件下），有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。当前第2页\共有54页\编于星期四\22点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-COOH

O丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶CH2-NH2R当前第3页\共有54页\编于星期四\22点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。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脱氢酶例：1\2O2NAD+电子传递链

H2O2eO=2H+当前第4页\共有54页\编于星期四\22点脂肪葡萄糖、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

小分子化合物分解成共同的中间产物(如乙酰CoA)

共同中间物进入三羧酸循环,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

生物体内能量产生的

三个阶段+PiATPADP+Pi当前第5页\共有54页\编于星期四\22点第二节电子传递和氧化磷酸化

一、生物体电子传递的方式与电子载体二、线粒体呼吸链及其组成三、氧化磷酸化作用四、氧化磷酸化的调节及抑制当前第6页\共有54页\编于星期四\22点生物体电子传递的方式1、电子的直接传递；Fe2++Cu2+Fe3++Cu+

NAD(P)H+H+NAD(P)++2H3、以氢负离子的方式传递电子；FAD+2HFADH22、以氢原子的方式传递电子；21R-CH3+O2R-CH2-OH4、直接与氧结合。当前第7页\共有54页\编于星期四\22点呼吸链及其组成

一、呼吸链的概念二、呼吸链的组成三、呼吸链中传递体排列顺序的确定四、呼吸链电子传递过程自由能计算当前第8页\共有54页\编于星期四\22点呼吸链的电子载体1、以NAD(P)为辅酶的脱氢酶2.黄素蛋白酶类（flavoproteins,FP）3.铁-硫蛋白类（iron—sulfurproteins)4.辅酶Ｑ（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）当前第9页\共有54页\编于星期四\22点以NAD或NADP为辅酶的脱氢酶

特点：不以氧为直接受氢体，存在于线粒体、基质或胞液中，以NAD+

或NADP+为递氢辅酶。NAD(P)++2H++2eNAD(P)H+H+传递氢机理:

当前第10页\共有54页\编于星期四\22点黄素蛋白酶类

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当前第11页\共有54页\编于星期四\22点铁硫蛋白的结构及递电子机理SFe1Fe0S2-4Cys2Fe2S2-4Cys4Fe4S2-4Cys传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+e

特点：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。当前第12页\共有54页\编于星期四\22点CoQ（ubiquinone）

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

－2H当前第13页\共有54页\编于星期四\22点CoQ的结构和递氢原理CoQ+2HCoQH2当前第14页\共有54页\编于星期四\22点细胞色素(cytochromes)

特点：以血红素(heme)为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。

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在呼吸链中为电子传递体，a和a3以复合物物存在，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。-e+e传递电子机理：Fe3+Fe2+Cu2+Cu+

-e+e当前第15页\共有54页\编于星期四\22点细胞色素血红素的结构传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+e波长/nm

还原型Cytc的吸收光谱当前第16页\共有54页\编于星期四\22点当前第17页\共有54页\编于星期四\22点线粒体呼吸链

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。当前第18页\共有54页\编于星期四\22点呼吸链的组成复合物

II琥珀酸-辅酶Q还原酶辅酶

Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黄素蛋白（FAD）黄素蛋白（FMN）铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白（Fe-S）NADH复合物

IV复合物

I复合物

IIINADH-辅酶Q还原酶细胞色素bc1复合物细胞色素c氧化酶IIIIIIVI当前第19页\共有54页\编于星期四\22点当前第20页\共有54页\编于星期四\22点NADH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-c1-c-aa3

FeS2H+M氧化型代谢底物FADH2呼吸链电子传递和水的生成2eH2OFADFADH2琥珀酸

FeS2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+延胡索酸2e当前第21页\共有54页\编于星期四\22点NADH-辅酶Q还原酶

复合物I当前第22页\共有54页\编于星期四\22点琥珀酸-辅酶Q还原酶

复合物

II当前第23页\共有54页\编于星期四\22点复合物III细胞色素bc1复合物QH2+٠Q-

+2H+(内侧)

+

CytC1(氧化型)→QH2+2H+

(外侧)+CytC1(还原型)QH2+CytC1(氧化型)→

٠Q-+2H+

(外侧)+CytC1(还原型)当前第24页\共有54页\编于星期四\22点CoQ在呼吸链电子传递的作用

1FMNFe-SQH2CytbCytC1(Fe-S)Cytaa3(2Fe2+,2Cu+)IIIIVCytC2H++1/2O2H2OFADFe-Se-e-e-ComplexIComplexII2H+2e-(线粒体内膜外側)(线粒体内膜内側)NADH琥珀酸2H2H2H当前第25页\共有54页\编于星期四\22点呼吸链电子传递的Q循环FMNFe-SQH22H+Cytb565Cytb562CytC1(Fe-S)Cytaa3(2Fe2+,2Cu+)IIIIVCytCQQ-2H++1/2O2H2O2H+FADFe-Se-e-e-ComplexIComplexII2H+e-e-(线粒体内膜外側)(线粒体内膜内側)NADH琥珀酸2H2H2e-Q-e-e-Fe-S当前第26页\共有54页\编于星期四\22点复合物IV

细胞色素c氧化酶当前第27页\共有54页\编于星期四\22点呼吸链中电子传递时自由能的下降FADH22e-NADH当前第28页\共有54页\编于星期四\22点电子传递链标准氧化还原自由能变化当前第29页\共有54页\编于星期四\22点利用电子传递抑制剂确定呼吸链中电子传递体排列顺序图解抗霉素A的抑制部位NADFPQb

caa3无抑制剂NADFPQb

caa3当前第30页\共有54页\编于星期四\22点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)]=-220.07千焦·mol-1总反应：FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.18)]=-193.0千焦·mol-1FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化当前第31页\共有54页\编于星期四\22点三、氧化磷酸化作用1、氧化磷酸化的概念2、氧化磷酸化的偶联机理3、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用当前第32页\共有54页\编于星期四\22点氧化磷酸化

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。类别：底物水平磷酸化电子传递水平磷酸化ADP+PiATP+H2O生物氧化过程中释放出的自由能当前第33页\共有54页\编于星期四\22点2、氧化磷酸化的偶联机理

(1)线粒体ATP合酶（mitochondrialATPase）(2)能量偶联假说

1953年EdwardSlater

化学偶联假说

1964年PaulBoyer构象偶联假说1961年PeterMitchell化学渗透假说(3)ATP合成的机制—旋转催化理论(4)P/O比和氧化磷酸化效率Mitchell

1978年获诺贝尔化学奖当前第34页\共有54页\编于星期四\22点线粒体ATP合酶当前第35页\共有54页\编于星期四\22点ATP合酶结构示意图定子OSCPF1H+通道FO柄DCCD结合蛋白基质表面外表面DCCD—二环己基碳二亚胺OSCP—寡霉素敏感性付与蛋白当前第36页\共有54页\编于星期四\22点

氧化磷酸化重建示意图当前第37页\共有54页\编于星期四\22点内膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基质膜间隙电子传递链呼吸链上的电子在传递过程中产生的能量驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H+电化学梯度，这种电化学梯度转变为质子驱动力，驱使H+返回线粒体基质。由于线粒体内膜对H+的不通透性，H+只能通过内膜上的质子通道F0返回，这样H+驱动力为ATP的合成提供了能量。化学渗透假说

(chemiosmotichypothasis)当前第38页\共有54页\编于星期四\22点化学渗透假说模型线粒体外间隙基质琥珀酸延胡索酸ADP+PiATPNADH+H+NAD+4H+2H+4H+内侧呈碱性pH产生化学能质子迁移驱动ATP合成内侧呈负电性产生电极电势当前第39页\共有54页\编于星期四\22点Boyer和Walker的工作

英国科学家Walker通过x光衍射获得高分辩率的牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构，证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个β亚基的确有不同构象，从而有力地支持了Boyer的假说。Boyer和Walker共同获得1997年诺贝尔化学奖。

美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋转催化假说，认为ATP合成酶β亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个β亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜H+提供。当前第40页\共有54页\编于星期四\22点ATPase的旋转催化模型

旋转催化理论认为当质子流通过Fo单元返回基质时，触发了C亚基的旋转，C亚基带动、以至()3复合物一起旋转,使和亚基发生构象变化，从而导致ATP的合成。亚基的中心-螺旋被认为是转子,a、b与亚基组合在一起组成定子,它压住/异质六聚体.当前第41页\共有54页\编于星期四\22点ATP酶作用机理

ADP+PiProtenFluxH+ATP+H2O

ATPADP+PiProtenFlux有于ADP与Pi结合的构象有于ADP与Pi生成的构象有利于ATP释放的构象当前第42页\共有54页\编于星期四\22点H2O2H+CytcCytcCytcQFMNFeSFeSCytc1CytbKCytbrCytaFeSCyta32e-2e-NADH+H+NAD+O2+2H+H2O4H+4H+2H+12

磷氧比(P/O)指每消耗1摩尔原子氧使无机磷酸（Pi）渗入到ATP中的摩尔数,或指每对电子经呼吸链传递给氧原子所产生的ATP分子数。一对电子从NADH或从FADH2传递到氧,分别有10个或6个电子传递到膜外侧,已知每形成一个ATP需要消耗4个质子,合成一个ATP分子是由3个H+通过ATP合酶所驱动,多余的一个H+,可能用于将ATP从基质运往膜外细胞溶胶。故NADH呼吸链的磷氧比为2.5,

FADH2呼吸链为1.5.(4)磷氧比(P/O)和氧化磷酸化效率

FADFeS琥珀酸延胡索酸当前第43页\共有54页\编于星期四\22点磷氧比（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。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此测定P/O可推测一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。NADHH2O例：实测得NADH呼吸链的P/O~

2.6ADP+PiATPO2122e-ADP+PiATPADP+PiATPFADH2O212H2O实测得FADH2呼吸链的P/O~

1.62e-ADP+PiATPADP+PiATP当前第44页\共有54页\编于星期四\22点3、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用

磷酸甘油穿梭系统

苹果酸—天冬氨酸穿梭系统

酵解（细胞质）氧化磷酸化（线粒体）当前第45页\共有54页\编于星期四\22点-磷酸甘油穿梭（线粒体基质）磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油FADFADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2NADHNAD+线粒体内膜（细胞液）当前第46页\共有54页\编于星期四\22点苹果酸-草酰乙酸穿梭作用细胞液线粒体内膜体天冬氨酸-酮戊二酸苹果酸草酰乙酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸苹果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+线粒体基质苹果酸脱氢酶NADH+H+ⅣⅠⅡⅢ苹果酸脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为膜上的转运载体）呼吸链当前第47页\共有54页\编于星期四\22点葡萄糖完全氧化产生的ATP酵解阶段：2ATP21NADH兑换率1:2.5(或1.5)2ATP2(1.5或2.5ATP)三羧酸循环：21GTP23NADH21FADH221

ATP27.5ATP21.5ATP兑换率1:2.5兑换率1:1.5丙酮酸氧化：21NADH兑换率1：2.522.5ATP总计：30ATP或32ATP当前第48页\共有54页\编于星期四\22点葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算

葡萄糖分解通过糖酵解和柠檬酸循环形成的ATP或GTP的分子数，根据化学计算可以得到明确的答复。但是氧化磷酸化产生的ATP分子数并不十分准确，因为质子泵、ATP的合成以及代谢物的转运过程并不需要是完整的数值甚至不需要是固定值，根据当前最新测定，H+经NADH-Q还原酶、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶从线粒体内膜基质泵出到膜外的细胞液侧时，一对电子泵出的质子数依次为4、2和4。合成一个ATP分子是由3个H+通过ATP合酶所驱动，多余的一个H+，可能用于将ATP从基质运往膜外细胞溶胶。因此一对电子从NADH传至02，所产生的

ATP分子数是2.5个。在细胞色素还原酶的水平进人电子传递链的电子，如琥珀酸，或细胞液中的NADH，它们的电子对只产生