生物化学：第四章 生物氧化

第四章生物氧化BiologicalOxidation第一节生物氧化的概念一、生物氧化二、高能磷酸化合物三、生物氧化的生物学意义一、生物氧化有机物在细胞内氧化分解，最终生成CO2

和H2O，并释放和存贮能量的过程，称为生物氧化，又称细胞氧化或细胞呼吸。有机物+O2CO2+H2O+能量

有机物中的碳氧化为二氧化碳，氢形成为水，能量贮存于ATP或以热的形式释放糖原甘油三酯蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoA

呼吸链H2O

ADP+PiATP

CO2

生物氧化的一般过程2H

TAC1、生物氧化特点条件温和酶促反应逐步释放能量与磷酸化偶联2、生物氧化的方式脱氢COOHC=O+2H

CH3（2H++2e）

COOH

HO－CH

CH3

加氧Cu+O2

CuO12

脱羧3、CO2的生成(1)直接脱羧

O‖ CH3CCOOH

O‖CH3CH+CO2

(2)脱氢脱羧

丙酮酸脱氢酶系CH3-CO-COOH+HSCoACH3CO~SCoA+CO2NAD+NADH+H+丙酮酸乙酰CoA丙酮酸脱羧酶CO-COOH+CO2CH3CH2-COOHOHCH-COOHNADP+

NADPH+H+苹果酸丙酮酸苹果酸酶4、H2O的生成是代谢底物脱下的氢与氧结合而成的。二、高能磷酸化合物1、类型①磷氧键型酰基磷酸化合物如1,3-二磷酸甘油酸焦磷酸化合物如三磷酸腺苷（ATP）烯醇式磷酸化合物如磷酸烯醇式丙酮酸②氮磷键型如磷酸肌酸③硫酯键型如酰基辅酶A④甲硫键型

如S-腺苷甲硫氨酸2、ATP的作用(1)供能(2)ATP为能量货币：能量合成与利用以ATP为中心，ATP-ADP循环是生物系统的能量交换中枢。(3)磷酸基团转移反应的中间体4、高能磷酸键的储存常见磷酸化合物标准水解自由能ΔG°′

化合物

(kcal/mol)

(kJ/mol)

磷酸烯醇式丙酮酸

－14.8－61.9

1,3-二磷酸甘油酸

－11.8－49.3

磷酸肌酸－10.3－43.0S-腺苷甲硫氨酸－10.0－41.8ATP→AMP+PPi－7.7－32.2

乙酰CoA－7.5－30.4

ATP＋H2O→ADP+Pi

－7.3－30.5

1-磷酸葡萄糖

－5.0－20.9

6-磷酸葡萄糖－3.3－13.83-磷酸甘油－2.2－9.2～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基团转移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油三、生物氧化的生物学意义1．能量代谢2．生物合成与代谢调节3．其它作用

解毒、抗衰老、抗逆性等。第二节电子传递链一、线粒体二、电子传递链三、电子传递抑制剂一、线粒体的结构二、电子传递链（一）电子传递链的概念（二）电子传递链的组成成分（三）呼吸链的顺序（一）电子传递链的概念在生物氧化中代谢物上的H原子被脱氢酶激活脱落后，以质子和电子的形式由线粒体内膜上的一系列传递体传递，最终传给被激活的O2，而生成H2O，由这些传递体组成的传递链称为电子传递链（呼吸链）。典型的呼吸链：NADH呼吸链——长链 FADH2呼吸链——短链NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链呼吸链呼吸链是一系列电子载体按照对电子亲合力逐渐升高的顺序组成的电子传递系统，所有组成成分都嵌合于线粒体内膜，线粒体的内膜是重要的能量交换部位，电子传递链和氧化磷酸化的有关组分都存在于此。电子传递链

构成呼吸链的递氢体或递电子体通常以复合体的形式存在于线粒体内膜上。

由以下实验确定①标准氧化还原电位②拆开和重组③特异抑制剂阻断④还原状态呼吸链缓慢给氧（二）呼吸链成分的排列顺序1．烟酰胺核苷酸是体内很多脱氢酶的辅酶，连接三羧酸循环和呼吸链，其功能是将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。有质子泵功能AH2ANAD+NADH+H+FMNFMNH22H+2e-2、黄素蛋白以FMN，FAD为辅基是膜内侧的一个嵌入蛋白，含FMN或FAD活性中心在膜的内侧,可催化琥珀酸氧化为延胡索酸，无质子泵功能。每个FMN或FAD可接受2个电子2个质子NADH脱氢酶以FMN为辅基琥珀酸脱氢酶以FAD为辅基。2e-2H+琥珀酸延胡索酸FADFADH23、铁硫蛋白（Fe－S）铁硫蛋白4、辅酶Q（CoQ)——泛醌

电子传递链中唯一的非蛋白质组分，在膜中比较自由，功能基团是苯醌，可接受一对质子和一对电子。５、细胞色素类

以铁卟啉为辅基的色素蛋白，是呼吸链中将电子从CoQ传递到氧的专一酶类，通过辅基中铁离子的价态变化进行电子传递。高等动物线粒体电子传递链中至少有五种细胞色素。包括：cyta,a3,b,c,c1Cytaa3——未端氧化酶细胞色素类1.Cytb

是膜的嵌入蛋白，可接受CoQ的电子，且具有质子泵功能CytbCytc12.Cytc1

膜的嵌入蛋白，与Cytb组成一个复合体，它可接受Cytb的电子，并把它传给Cytc4H+CoQH2CoQ2e-2e-3.Cytc是膜上唯一的外周蛋白，处于膜的外侧，可接受Cytc1的电子，并传给Cytaa3。Ctyce-e-两个细胞色素的复合体，跨膜蛋白，含有Cu离子。Cyta接受Cytc的电子，经过Cu传给a3。Cyta3的活性中心在膜的内侧，可以将其电子直接传给氧分子而生成水。该复合体也有质子泵功能。1/2O2+H+H2O2H+该复合体又称为细胞色素氧化酶呼吸链末端氧化酶4.Cyta·a3aa3e-（三）呼吸链的顺序NADH+H+NAD+FMNFMNH2Fe2+NADH脱氢酶Fe3+QH2QFe3+Fe2+Fe3+Fe2+Fe2+Fe3+1/2O22Fe-SCoQCytbCytc1CytcCytaa3Fe2+Fe3+4H+2H+4H+2H+H2ONADH呼吸链电子传递过程的循环O2－胞液侧

基质侧

线粒体内膜

氧化呼吸链的排列顺序Q

1/2O2+2H+H2OⅢⅠ

Ⅱ

Ⅳ

延胡索酸

琥珀酸

e-Cytce-e-e-e-NADH+H+NAD+呼吸链组分排列顺序及氧化还原电位NADH→FMN→CoQ→b→c1

→

c→aa3

→

O2电子传递方向性由氧化还原电位决定电子从E′0值小的传递体向E′0值大的传递体传递-0.32–0.300～0.1+0.00+0.22+0.25+0.385+0.82琥珀酸→

FAD→CoQ→b→c1→

c→aa3

→

O2

+0.06三、电子传递抑制剂能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质，称为电子传递抑制剂。利用专一性电子传递抑制剂选择性地阻断呼吸链中某个传递步骤，再测定链中多组分的氧化还原态情况，是研究电子传递链顺序的一种重要方法。NADH脱氢酶抑制剂抗菌素与aa3中的卟啉形成配位键第三节氧化磷酸化一、氧化磷酸化的概念及类型二、氧化磷酸化的偶联三、氧化磷酸化的机理四、氧化磷酸化的解偶联及抑制五、线粒体穿梭系统六、能荷一、氧化磷酸化的概念及类型1、概念氧化磷酸化是指利用生物氧化过程中，释放的自由能使ADP磷酸化为ATP的过程。2、类型底物水平磷酸化电子传递偶联的磷酸化(氧化磷酸化)（1）底物水平磷酸化底物氧化过程中，高能代谢中间产物，通过酶促磷酸基团转移反应，直接偶联ATP的形成。底物水平磷酸化见于下列三个反应：1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP3-磷酸甘油酸激酶

⑴

⑵丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP⑶琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP（2）电子传递偶联的磷酸化（氧化磷酸化）当电子从NADH或FADH2经过电子传递体传递到O2

形成H2O时，同时偶联ADP磷酸化为ATP，这一过程称电子传递偶联的磷酸化。1/2O2NAD+或FADNADH+H+或FADH2ADP+Pi能量ATP2e-H2O2H2H呼吸链ATP生成方式二、氧化磷酸化的偶联1、氧化电位差判断ΔG0'=-nfΔE0' ≥35.1KJ/mol

或7.3KCal/mol2、P/O比判断每消耗一个氧原子所形成的ATP数或每对电子经过呼吸链所形成的ATP数。测定长呼吸链中P/O比为3

（3个部位生成ATP）短呼吸链中P/O比为2

（2个部位生成ATP）①NADH→CoQ②Cytb→CytC1③Cytaa3→O23、氧化磷酸化偶联部位三、氧化磷酸化的机理（一）机理（二）线粒体偶联因子F1－F0（三）化学渗透学说的实验证据（四）腺苷酸的转运（一）机理化学偶联假说（1953年E.C.Slater提出)H的氧化过程中，形成一个高能中间物，然后传递能量交给ADP形成ATP。构象偶联假说（1964年P.D.Boyer提出)H的氧化过程中，形成高能构象然后将能量释放，使ADP→ATP化学渗透学说化学渗透学说是英国米歇尔经过大量实验后于1961年首先提出的（1）递H体与递电子体交替排列，定位于线粒体内膜（2）递H体有H泵作用，将H+泵出内膜，2e传给递电子体，整个过程泵出5对H+（3）线粒体膜对H+不通透，造成H+跨膜梯度。（4）H+通过线粒体F1—F0—ATP酶进入内膜，释放出的自由能推动ATP合成。动画递氢体递电子体4H＋4H＋2H＋2H＋H+跨膜梯度（二）线粒体偶联因子F1－F0氧化磷酸化偶联因子，包含ATP合成酶系统，可利用电子传递的高能状态将ADP和Pi合成为ATP。偶联因子F1—F0

由两个主要部分F1

和F0

组成，因而又称为F1—F0—ATP酶复合物或ATP合成酶。F1作用：合成ATP的催化部位。F0

作用：含有质子通道柄作用：调控F1—F0因子线粒体

偶联因子

F1－F0ATP合酶每当一对质子沿F1-F0复合体穿过时就会合成一分子ATPATP合成模式图（三）化学渗透学说的实验证据氧化磷酸化的重组实验（四）腺苷酸的转运细胞内的ATP主要在线粒体内由ADP磷酸化而成，大部分ATP在线粒体外被利用后又变为ADP。由于ADP和ATP都不能自由地穿过线粒体内膜，因而必需有一种机制将线粒体外的ADP运入，同时把ATP运到线粒体外。现已证实由线粒体内膜上的腺苷酸载体（二聚体，只有一个腺苷酸结合位点）负责其双向运输，又称ADP/ATP交换体。面向外侧时结合位点对ADP亲和力高，面向内侧时结合位点对ATP亲和力高。四、氧化磷酸化的解偶联及抑制用特殊的试剂可将氧化磷酸化过程分解成若干个反应阶段，这是研究氧化磷酸化中间步骤的有效方法。不同的化学因素对氧化磷酸化过程的影响不同，根据它们不同的影响方式可分为三大类：解偶联剂、氧化磷酸化抑制剂、离子载体抑制剂1.解偶联剂使电子传递与ADP磷酸化两个过程分开，不抑制电子传递过程，只抑制ATP的生成，使电子传递所产生的自由能以热的形式耗散。（注：解偶联剂只抑制电子传递链磷酸化，不影响底物水平磷酸化。）解偶联剂通常引起线粒体内膜对质子的通透性增加，从而使线粒体内膜两侧的质子梯度不能形成。例：DNP：2.4—二硝基苯酚（DNP）2.氧化磷酸化抑制剂抑制氧的利用和ATP的形成，(与电子传递抑制剂不同)，不直接抑制电子传递，氧化磷酸化抑制剂的作用是直接干扰ATP的生成过程，结果也使电子传递不能进行，例寡霉素。与F1－F0

结合，抑制氢离子内流即抑制氧的利用。DNP（解偶联剂）可解除它对氧利用的抑制作用。3.离子载体抑制剂生物膜上的脂溶性物质，与某些离子结合，并作为它们的载体，使这些离子能够穿过膜，破坏跨膜电化学梯度，从而破坏氧化磷酸化过程。与解偶联剂区别：改变除H+离子以外的一价阳离子透性。例 缬氨霉素—K+

短杆菌肽—K+，Na+五、线粒体穿梭系统糖酵解（细胞质）氧化磷酸化（线粒体）生物氧化和氧化磷酸化主要在线粒体内进行NAD+和NADH不能自由地透过线粒体内膜胞液内（如糖酵解途径）生成的NADH必须通过特殊的穿梭机制进入线粒体。已知动物Cell有两个穿梭系统：甘油-3-磷酸穿梭系统苹果酸穿梭系统（一）磷酸甘油穿梭系统主要存在于脑和骨骼肌中。NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，由于经琥珀酸氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故只能产生2分子ATP。

线粒体内膜

线粒体外膜膜间腔

线粒体基质

FADH2

NAD+

FAD

-磷酸甘油脱氢酶

琥珀酸氧化呼吸链

磷酸二羟丙酮

-磷酸甘油

NADH+H+-磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油穿梭系统甘油-3-磷酸穿梭系统（二）苹果酸穿梭系统主要存在于肝和心肌中。胞液中NADH+H+的一对氢原子经此穿梭系统带入一对氢原子，由于经NADH氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故可生成3分子ATP。苹果酸穿梭外源NADH被转移到线粒体内，这种系统中