生物氧化与氧化磷酸化课件

第七章生物氧化与氧化磷酸化第一节生物氧化概述第二节电子传递链（呼吸链）第三节氧化磷酸化第一节生物氧化概述一、生物氧化的概念二、生物氧化的特点三、生化反应的自由能变化四、高能化合物有机物质（糖、脂肪和蛋白质）在生物细胞内进行氧化分解而生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化(biologicaloxidation)。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。1、概念一、生物氧化的概念糖、脂肪和蛋白质CO2+H2O+能量2、生物氧化主要包括三方面的内容：（1）细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的C变成CO2。

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。糖、脂肪和蛋白质CO2+H2O+能量CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH

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1\2O2NAD+电子传递链

H2O2eO=2H+（2）在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2O。

（3）当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP。底物水平磷酸化氧化磷酸化脂肪葡萄糖、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）丙酮酸、乙酰CoA等经过三羧酸循环电子传递及磷酸化彻底氧化为CO2、H2O。释放大量的能量大分子降解成基本结构单位生物氧化的三个阶段

释放的能量转化成ATP被利用转换为光和热，散失二、生物氧化的特点生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成CO2和H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：生物氧化

体外燃烧温和条件高温或高压、干燥条件（常温、常压、中性pH、水溶液）逐步氧化放能，能量利用率高能量爆发释放自由能变化（ΔG）:AB

ΔG=GB-

GAΔG是衡量反应自发性的标准。

ΔG<0，放能，自发进行

ΔG=0，平衡状态

ΔG>0，吸能，非自发进行三、生化反应的自由能变化自由能（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。ΔG随温度和物质浓度而变化1、生化标准自由能变化(ΔG0’)

指在标准条件下，即温度为25℃，参加反应的物质浓度为1mol/L,若有气体，则为1个大气压，pH为7时，测定的自由能变化。单位为J/mol,KJ/mol

生化标准条件下某一可逆反应的平衡常数用k

表示。

ΔG0’=-RTlnk

=-2.303RTlgk

标况下，T=298K,R=1.987cal/mol.k=8.314J/mol.k

2、自由能变化与平衡常数的关系生化标准氧化还原电位（E0’）：生化标准条件下，发生氧化还原反应的每一氧还对的电子转移势能。在氧化还原反应中，电子总是从E0’值较小的物质转移到E0’值较大的物质，即从还原剂流向氧化剂。

3、自由能变化与氧化还原电位差的关系氧还对：氧化还原反应中，参与反应的每一种物质都有氧化态和还原态，称为氧还对。

ΔE0’=E0’氧化剂-E0’还原剂

ΔG0’=-nF

ΔE0’

其中n为转移的电子数，

F为法拉第常数，F=96.496kJ/v.mol=23.063kcal/v.mol

生化标准氧化还原电位差（ΔE0’）：四、高能化合物一般将水解时能够释放21kJ/mol（5千卡/mol)及以上自由能（G’<-21kJ/mol）的化合物称为高能化合物。高能磷酸化合物：水解每摩尔磷酸基能释放5千卡/mol或以上能量的磷酸化合物在高能化合物分子中，释放出大量自由能时水解断裂的活泼共价键称为高能键。

1、概念生物氧化过程涉及高能化合物产生磷氧键型磷氮键型硫酯键型甲硫键型2、高能化合物的类型据分子结构特点及所含高能键的特征

1、磷氧键型（—O~P)(1)酰基磷酸化合物乙酰磷酸10.1千卡/摩尔1,3-二磷酸甘油酸11.8千卡/摩尔氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸（2）焦磷酸化合物焦磷酸ATP（三磷酸腺苷）7.3千卡/摩尔（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔2、磷氮键型磷酸肌酸10.3千卡/摩尔磷酸精氨酸7.7千卡/摩尔磷酸肌酸是易兴奋组织（如肌肉、脑、神经）唯一的能起暂时储能作用的物质。磷酸精氨酸是无脊椎动物肌肉中的储能物质3、硫酯键型3´-磷酸腺苷-5´-磷酸硫酸酰基辅酶A4、甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸在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-）3、ATP的特点及其特殊作用（1）ATP的分子结构特点与水解自由能的关系ATP4-不稳定，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-+H2OADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ•mol-1水解反应b、ATP水解产物具有更大的稳定性，其水解产物ADP3-和Pi的某些电子的能量水平远远小于ATP。

ATP4-不稳定，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）。a、ATP分子结构存在不稳定因素：①ATP分子内有4个负电荷（ATP4-），产生静电斥力，促使ATP水解成ADP3-，而减弱斥力。②ATP分子内存在相反共振现象。由于在相邻的两个磷原子之间夹着一个氧原子，氧原子上存在有未共用电子对，而磷原子因P=O和P-O-间的诱电子效应带有部分正电荷，于是在两个相邻的磷原子之间存在竞争氧原子上的未共用电子的现象，这种作用的结果会影响ATP分子结构稳定。ATP4-+H2OADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ•MOL-1①ATP是生物体通用的能量货币。②ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。

（2）ATP在能量转化中的作用ATP是通用的能量货币ATP将分解代谢的产能反应和合成代谢的需能反应偶联在一起，被生物界普遍用作“能量货币”。ATP/ADP循环是生物体系中能量交换的基本形式。有机物氧化分解产生的能量并不直接用于活细胞的生理活动，而是将ADP磷酸化生成ATP当ATP＋H2O→ADP+Pi时，释放出的自由能，为生命活动提供能量；即构成了ATP/ADP循环。磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物质向势能低的物质转移。磷酸基团转移势能在数值上等于其水解反应的ΔG0’。ATP是磷酸基团转移反应的中间载体已糖激酶：Glc+ATP→G-6-P+ADP甘油激酶：甘油+ATP→3-磷酸甘油+ADP

化合物

磷酸基团转移势能G

（千卡/摩尔）磷酸烯醇式丙酮酸

14.81，3-二磷酸甘油酸

11.8氨甲酰磷酸

12.3磷酸肌酸

10.3乙酰磷酸

10.1磷酸精氨酸

7.7ATP（ATP→ADP+Pi）

7.3ADP（ADP→AMP+Pi）

7.3AMP（AMP→腺苷+Pi）

3.41-磷酸葡萄糖

5.06-磷酸葡萄糖

3.36-磷酸果糖

3.81-磷酸甘油酸

2.2

某些磷酸化合物磷酸基团的转移势能6

ATP→ADP+Pi）ΔG0’=7.3，

居中故ATP是磷酸基团转移反应的中间载体磷酸基团转移势能（kcal/mol)24810121416ATPPEP1，3-二P甘油酸6-P葡萄糖3-P甘油丙酮酸激酶：PEP+ADP→丙酮酸+ATP已糖激酶：Glc+ATP→G-6-P+ADP（3）能荷（energycharge)

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，处于动态平衡中:ADP→ATP，ATP→ADP→AMP即细胞内存在

ATP、ADP和AMP这三种形式的腺苷酸，细胞所处的能量状态可用能荷来表示。能荷指总的腺苷酸库中所负荷的ATP的比例当细胞内所有的腺苷酸全部转变为AMP时,能荷值为0，当腺苷酸全部转变为ATP时，能荷值为1。大多数细胞的能荷处于0.8-0.95之间。[ATP]+1/2[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]能荷=能荷调节主要是通过ATP、ADP、AMP作为一些调节酶的变构效应物而起作用的。

如糖酵解中磷酸果糖激酶的调控：高浓度的ATP是该酶的变构抑制剂，ATP的抑制作用可被AMP解除。能荷调节能荷可调节代谢，能荷高时，抑制物质分解代谢，促进物质的合成代谢；能荷低，促进物质分解代谢，抑制物质的合成代谢。能荷相对速率ATP的利用途径

ATP的生成途径能荷对ATP的生成途径和ATP的利用途径相对速率的影响第七章生物氧化第一节生物氧化概述第二节电子传递链（呼吸链）第三节氧化磷酸化细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2O第二节线粒体电子传递链一、概念二、电子传递链的电子传递顺序三、电子传递链的各成员四、电子传递链的电子传递抑制剂在生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经过一系列按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传递，最后交给分子氧并生成水，这个氢和电子的传递体系称为电子传递链（eclctrontransferchain)

。由于消耗氧，故也叫呼吸链。电子传递链在原核生物存在于质膜上，在真核细胞存在于线粒体内膜上。一、概念线粒体内膜向内折叠形成嵴（cristae），扩大了内膜的面积。内膜表面含有执行氧化反应的电子传递链ATP合成酶线粒体内膜转运蛋白线粒体的结构外膜、膜间隙、内膜和基质复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体Ⅳ在线粒体内膜上主要有两条电子传递链电子传递链由一系列的氢传递体和电子传递体组成二、电子传递链的电子传递顺序实验证据之一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复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体Ⅳ三、电子传递链的各成员复合体Ⅰ是一个大的蛋白质复合体,包括以FMN为辅基的黄素蛋白和以铁硫中心为辅基的铁硫蛋白1、复合体Ⅰ(NADH-Q还原酶)作用：催化NADH氧化，从中获得2个高能电子辅酶Q；由辅基FMN和（Fe-S）负责传递电子。FMN或FAD通过氧化还原变化传递氢。

NADH+H++FMNFMNH2+NAD+铁硫中心主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在铁硫中心2Fe-2S4Fe-4SCysSSSCys

Fe3+Fe3+

CysSSSCysCysSSSCys

Fe3+Fe2+

CysSSSCys+e--e-铁硫中心通过Fe3+

Fe2+

变化起传递电子的作用，每次传递一个电子.

FMNH2

2(Fe-S)

CoQ

2e-2e-M

MH2NAD+NADHFMNFMNH2

2Fe3+

2Fe2+2(Fe-S)

CoQH2

CoQ基质2H+

复合体Ⅰ基质H+2、辅酶Q（泛醌)脂溶性醌类化合物，分子较小，可在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散功能基团是苯醌,通过醌/酚的互变传递氢电子传递链中唯一的非蛋白组分。氧化型还原型辅酶Q（泛醌)

FMNH22(Fe-S)CoQ

2e-2e-M

MH2NAD+NADHFMNFMNH2

2Fe3+

2Fe2+2(Fe-S)

CoQH2

CoQH+基质2H+

复合体Ⅰ基质H+以FAD和Fe-S中心为辅基。3、复合体Ⅱ

（琥珀酸-Q还原酶

or琥珀酸脱氢酶）（2）

FADH2又将电子传递给Fe-S中心，最后电子由Fe-S中心传递给CoQ。（1）4、复合体Ⅲ

（细胞色素bc1复合体

or细胞色素还原酶）含有两种细胞色素（b、c1）和一个铁硫蛋白。关于细胞色素(下页)作用：将电子从QH2转移到细胞色素c细胞色素血红素辅基是以铁卟啉（血红素）为辅基的色素蛋白根据吸收光谱分成a、b、c三类

高等动物线粒体呼吸链中主要含有

5种细胞色素a、a3、b、c、c1等细胞色素主要是通过辅基中

Fe3+

Fe2+

的互变传递电子。一个细胞色素每次传递一个电子。MMH2NAD+NADHFMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2cytb2Fe3+2Fe2+2cytb2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2cytb2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+2cytc12Fe2+2Fe3+2Fe3+2Fe2+2cytaa32(Fe-S)2cytcH2O1/2O2H+2H+H+2H+2cytb→铁硫中心→2cytc12e-2e-5、细胞色素c在复合体Ⅲ和Ⅳ之间传递电子。是一个分子质量较小的球形蛋白质，它处于线粒体内膜外侧，是电子传递链中唯一的外周蛋白质。MMH2NAD+NADH2FMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2cytb2Fe3+2Fe2+2cytb2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2cytb2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+2Cytc12Fe2+2Fe3+2Fe3+2Fe2+2cytaa32(Fe-S)2cytcH2O1/2O2H+2H+2H+2H+细胞色素c6、复合体Ⅳ（细胞色素氧化酶）由cyta和a3组成，催化电子从cytc分子O2形成水复合体Ⅳ还含有2个铜原子（CuA，CuB），铜离子可在+1和+2价之间变化cyt.c→CuA

→Cyta→cyt.a3-CuB→O2(cyt.a3-CuB上有

O2结合位点)复合体Ⅳ也叫末端氧化酶MMH2NAD+NADH2FMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2cytb2Fe3+2Fe2+2cytb2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2cytb2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+2Cytc12Fe2+2Fe3+2Fe3+2Fe2+2cytaa32(Fe-S)2cytcH2O1/2O2H+2H+H+2H+复合体Ⅳ还原1个氧原子需2个电子，生成1H2O四、呼吸链的电子传递抑制剂

能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。电子传递抑制剂的使用是研究呼吸链中电子传递体顺序的有效方法。1、概念2、常用的几种电子传递抑制剂及其作用部位鱼藤酮、安密妥、杀蝶素A阻断电子在复合体内Ⅰ的传递，即阻断电子由NADH向CoQ的传递抗霉素A阻断电子从cytb向cytc1的传递氰化物、一氧化碳、硫化氢、叠氮化合物能与cytaa3结合形成复合物，抑制其活力，阻断电子由cytaa3向分子氧的传递第七章生物氧化第一节生物氧化概述第二节电子传递链第三节氧化磷酸化有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP?第三节氧化磷酸化

oxidativephosphorylation一、概念二、氧化磷酸化机理三、ATP合成机制四、氧化磷酸化的解偶联和抑制五、细胞质NADH的再氧化一、概念生物体内高能磷酸化合物ATP的生成主要有三种方式：

氧化磷酸化底物水平磷酸化光合磷酸化（植物)

在底物氧化过程中形成了某些高能中间代谢物，再通过磷酸基团转移反应生成ATP，即为底物水平磷酸化。1、底物水平磷酸化磷酸甘油酸激酶1，3-二P甘油酸+ADP3-P甘油酸+ATP丙酮酸激酶PEP+ADP丙酮酸+ATPATP琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA+GDP+Pi琥珀酸+GTP+CoA

TCA循环中：糖酵解过程中：

是与电子传递过程偶联的磷酸化过程。即电子从NADH或FADH2经电子传递链传给O2生成H2O,是逐步释放能量的过程，所释放的自由能用于ADP磷酸化生成ATP，这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷酸化。这是需氧生物合成ATP的主要途径。真核生物的电子传递和氧化磷酸化均在线粒体内膜上进行。原核生物则在质膜上进行。2、氧化磷酸化化学偶联假说构象偶联假说

化学渗透假说二、氧化磷酸化机理电子传递如何促使ADP磷酸化？

电子传递过程中将产生一种活泼的高能共价中间物，通过此中间物进一步氧化产生能量来驱动ATP的合成。

1、化学偶联假说（1953）

－chemicalcouplinghypothesis

EdwardSlaterADPATP磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油酸激酶依据：底物水平磷酸化3-磷酸甘油醛3-磷酸甘油酸

认为电子传递过程中，线粒体内膜上的蛋白质组分发生了构象变化，转变成一种高能形态。这种高能形态通过将能量转移到ADP合成ATP后，又得以恢复其原来的构象。

未找到有力证据，但ATP合成过程中，存在不同形式的构象偶联现象。2、构象偶联假说（1964）

－conformationalcouplinghypothesisPaulBoyer认为电子传递释放的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H+电化学梯度，这个梯度的电化学电势驱动ATP的合成。PeterMitchell3、化学渗透学说（1961）－chemiosmotichypothesisChemiosmoticmodel膜电位梯度(△￠)H＋浓度梯度(△pH);机械破坏内膜或解偶联剂实验证据人工建立膜两侧质子浓度和电位梯度（没有呼吸底物，没有电子传递，照样产生ATP)复合体Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ起质子泵的作用，利用电子传递释放的大部分能量将H+泵出线粒体内膜质子转移假说三、ATP合成机制ATP合酶ATP合酶结构示意图F0F133当膜外的质子经F0质子通道到达F1时便推动ATP的合成。质子流如何驱动AＴP合成？Boyer提出旋转催化假说解释ATP酶作用机理。Walker获得F1的晶体结构支持了Boyer的假说。“O”状态：有利于ATP释放的构象

“Ｌ”状态：松弛结合ADP和Pi“Ｔ”状态：催化ＡＤＰ→ＡＴＰ，紧密结合AＴP旋转催化假说有与ADP与Pi结合的构象有与ATP生成的构象无核苷酸结合的开放状态“O”状态：无核苷酸结合的开放状态“Ｌ”状态：松弛结合ADP和Pi“Ｔ”状态：催化ＡＤＰ→ＡＴＰ，紧密结合AＴP旋转催化假说LTO(PaulBoyer,1980s)X-raycrystallographyThethreebsubunits

ofF1indeedassume

threedifferent conformationsgsubunitJohnWalker,1994p299-302.FluorescencemicroscopyDirectobservationoftherotationofthegsubunitp299-302.NorotationifATPisabsentorinhibitorsofF1-ATPaseispresent!RecordedrotationoftheactinfilamentusingaCCDcamera即每两个电子经呼吸链传给氧的过程中，消耗的磷原子数与消耗的氧原子数之比（P/O比）。1940年，（Ochoa

S）通过放射性同位素标记实验最先测定，NADH呼吸链P/O为2-3，FADH2呼吸链P/O为1-2每一对电子通过呼吸链传递给氧产生的ATP数？研究显示：一对电子通过NADH电子传递链可泵出10个Ｈ＋，通过FADH2呼吸链有6个Ｈ＋泵出。每合成1个ATP需要3个Ｈ＋通过ATP合酶，同时，把ATP从线粒体基质转运到胞液需要消耗1个Ｈ＋，所以每形成1molATP就需要4个Ｈ＋的流动。因此一对电子通过NADH电子传递链P/O比2.5

（2.5ATP）；一对电子通过FADH2

P/O比1.5

（1.5ATP）

解偶联剂

氧化磷酸化抑制剂离子载体抑制剂四、氧化磷酸化的解偶联和抑制某些化合物能消除跨膜的质子电化学梯度，使ATP不能合成，这种作用称为解偶联作用，这类化合物称为解偶联剂。解偶联剂不抑制电子传递。

化学解偶联剂：2，4-二硝基苯酚解偶联蛋白１、解偶联剂

－2，4-二硝基苯酚（DNP)NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外解偶联蛋白２、氧化磷酸化抑制剂直接作用于ATP合酶复合体而抑制ATP合成的一类化合物。如寡霉素间接抑制电子传递3.离子载体抑制剂是一类脂溶性物质，能与H+以外的其他一价阳离子结合，并作为它们的载体使它们能过穿过膜，消除跨膜的电位梯度。

缬氨霉素（K+）

短杆菌肽（K+

、Na+）五、细胞质NADH的再氧化

——线粒体穿梭系统真核细胞胞液中产生的NADH?外膜内膜膜间空间胞液基质NADH+H+NADH+H+