生物化学：第四章 生物氧化与氧化磷酸化

绪论第一章蛋白质化学第二章核酸化学第三章酶化学第四章生物氧化与氧化磷酸化第五章糖代谢第六章脂类代谢第七章蛋白质的酶促降解及氨基酸代谢第八章核酸的酶促降解及核苷酸代谢第九章核酸的生物合成第十章蛋白质的合成第十一章物质代谢的联系与调节生物化学目录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（一）概念

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）。又称“细胞氧化”或“细胞呼吸”。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1、反应条件温和；2、生物氧化由一系列酶催化；3、氧化反应分阶段进行，能量逐步释放；4、生物氧化释放的能量与磷酸化反应偶联，并贮存在高能磷酸化合物（主要是ATP）中。第一节生物氧化概述一、生物氧化的概念生物氧化反应的部位：真核：线粒体；原核：细胞膜。方式：糖、脂、蛋白质等有机物经一系列脱氢、加水等反应，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：直接脱羧和氧化脱羧。CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶CH2-NH2RCO2的生成（三）生物氧化中CO2和H2O的产生第一节生物氧化概述一、生物氧化的概念直接脱羧氧化脱羧

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被氧化酶激活的氧而生成H2O

。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脱氢酶1\2O2NAD+电子传递链

H2O2eO-2H+H2O的生成（三）生物氧化中CO2和H2O的产生第一节生物氧化概述一、生物氧化的概念1、自由能（freeenergy）的概念物理意义：恒温恒压下，体系中能对环境作功的那部分能量称为自由能，又称Gibbs自由能，用G表示)。ΔＧ=ΔH–TΔS

第一节生物氧化概述二、生物化学反应的自由能变化自由能的变化预示某一过程能否自发进行，即：

ΔG<0，未达平衡，反应能自发进行；

ΔG>0，未达平衡，反应不能自发进行；

ΔG=0，反应处于平衡状态。ABΔG仅取决于反应物与产物的自由能，与反应途径和反应机制无关。2、氧化还原电位生物氧化属于氧化还原反应，失去电子的物质为还原剂；获得电子的物质为氧化剂。物质失去或得到电子的倾向用氧化还原电位(E)表示。为比较不同物质的电位，规定以标准氢电极的电位为零。

第一节生物氧化概述二、生物化学反应的自由能变化25℃，被平衡在0.1MPaH2中，含有1mol/LH+溶液中的铂电极的电位。将任何具有氧化还原能力的物质与标准氢电极组成原电池，即可测出该物质的氧化还原电位EӨ。EӨ为负值表明待测物质能将电子传递给H+，作为还原剂；反之则为氧化剂。第一节生物氧化概述二、生物化学反应的自由能变化强的还原剂(如NADH)具有一个负的电位，而强的氧化剂(如O2)则有一个正的氧化还原电位。EӨ愈大表明该物质获得电子的倾向愈大，EӨ愈小则失去电子的倾向愈大。因此，在氧化还原体系中，电子总是由低电位物质流向高电位物质。第一节生物氧化概述氧化还原电位与自由能之间的关系：在氧化还原反应系统中，标准自由能变化与标准氧化还原电位变化之间存在下列关系：

ΔGӨ’

=-nFΔEӨ’

n为电子转移数；F为法拉第常数(F=96.5KJ/V·mol)一般将水解或基团转移时能够释放21kJ/mol以上自由能（

GӨ’<-21kJ/mol）的化合物称为高能化合物。根据生物体内高能键的特点分成以下几种类型。(一）、生物体内的高能化合物第一节生物氧化概述三、高能化合物

1、磷氧键型（-O～P)(1)酰基磷酸化合物42.3kJ/mol(一）、生物体内的高能化合物第一节生物氧化概述三、高能磷酸化合物（2）焦磷酸化合物30.5kJ/mol

1、磷氧键型（-O～P)(一）、生物体内的高能化合物第一节生物氧化概述三、高能磷酸化合物（3）烯醇式磷酸化合物61.9kJ/mol(一）、生物体内的高能化合物第一节生物氧化概述三、高能磷酸化合物2、磷氮键型3、硫碳键型甲硫键型-31.4kJ/mol-41.8kJ/mol硫酯键型-43.1kJ/mol(SAM)ATP被称为生物界中的“能量货币”：生物氧化过程中释放的能量一般不能直接用来做功，而是先形成高能磷酸化合物ATP，然后再水解生成ADP和Pi并释放大量能量(ΔGӨ’

=-30.5kJ/摩尔)。（二）、ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸化合物第一节生物氧化概述三、高能磷酸化合物★

ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体。～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基团转移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油（二）ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸化合物第一节生物氧化概述三、高能磷酸化合物（二）、ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸化合物生物体内，ATP处于不断消耗和不断补充的动态平衡之中。第一节生物氧化概述三、高能磷酸化合物在细胞中，除了ATP作为主要的能量供体外，还有其他形式的核苷酸作为高能磷酸化合物，参与细胞的能量转换与利用。UTP多糖合成CTP磷脂合成GTP蛋白质合成第二节电子传递链(呼吸链）一、线粒体细胞内的线粒体是生物氧化和氧化磷酸化的主要场所，电子传递链是一系列电子载体按对电子的亲和力逐渐升高的顺序排列组成的电子传递系统。由于它与细胞摄取氧的呼吸过程相关，称为呼吸链。第二节电子传递链(呼吸链）二、电子传递链（electrontransferchain，ETC）电子传递与能量转换相偶联。（一）电子传递链的组成1.黄素蛋白（flavoprotein,FP）2.铁硫蛋白（iron—sulfurprotein)3.

泛醌（ubiquinone）4.细胞色素（cytochromes）第二节电子传递链(呼吸链）二、电子传递链1、黄素蛋白

特点：以FAD或FMN为辅基。类别：NADH脱氢酶(FMN)

琥珀酸脱氢酶(FAD)机理：FAD(FMN)FAD(FMN)H2第二节电子传递链(呼吸链）二、电子传递链（一）电子传递链的组分4Fe4S4Cys

特点：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和S常以等摩尔存在，构成Fe—S中心（Fe2S2,Fe4S4)，Fe与蛋白质中的4个Cys残基的巯基相连结。2Fe2S4Cys2、铁硫蛋白的结构及递电子机理第二节电子传递链(呼吸链）二、电子传递链传递电子机理：Fe3+

Fe2+-e+e（一）电子传递链的组分

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。苯醌是电子传递链中唯一的非蛋白质组分。

3、CoQ的结构和递氢原理第二节电子传递链(呼吸链）二、电子传递链（一）电子传递链的组分CoQ+2HCoQH2传递电子机理：醌/酚结构互变3、CoQ的结构和递氢原理第二节电子传递链(呼吸链）二、电子传递链（一）电子传递链的组分

类别:含5种（b、c、c1、a和a3)，a和a3以复合物存在于电子传递链末端，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。4、细胞色素第二节电子传递链(呼吸链）二、电子传递链（一）电子传递链的组分

传递电子机理：

+e

Fe3+Fe2+-e

+eCu2+Cu+-e

4、细胞色素第二节电子传递链(呼吸链）二、电子传递链（一）电子传递链的组分第二节电子传递链(呼吸链）二、电子传递链

酶名称NADH-CoQ还原琥珀酸-CoQ还原酶CoQ-CytC还原酶Cyt氧化酶

辅基

FMN，Fe-SFAD，Fe-S，Cytb

铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu复合体复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体Ⅳ

呼吸链中的电子传递有着严格的方向和顺序，即电子从EӨ’低的传递体依次通过EӨ’较高的传递体逐步流向氧原子，这些成员不可缺少，顺序不可颠倒。（二）线粒体呼吸链第二节电子传递链(呼吸链）二、电子传递链NADHCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等（FAD）（FMN）细胞色素类铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白NADH呼吸链H2O12O2O2-MH2还原型代谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+

细胞色素b-c1-c-aa3FeS2H+M氧化型代谢底物FADH2呼吸链FADFADH2琥珀酸FeS2Fe2+2Fe3+

细胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸复合物II复合物IV复合物I复合物III抗霉素A氰化物CO鱼藤酮安密妥杀粉蝶菌素AH2S、RN3三、电子传递抑制剂第二节电子传递链第三节氧化磷酸化概念:

利用生物氧化过程中释放的自由能使ADP磷酸化生成ATP的过程，称为氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)。类别：底物水平磷酸化:高能中间代谢物通过酶促磷酸基团转移反应直接把磷酸基团转给ADP生成ATP的过程。

X～P＋ADP＝XH＋ATP电子传递磷酸化:电子从NADH或者FADH2经电子传递链传递到分子氧形成水，同时偶联ADP磷酸化形成ATP，是需氧生物合成ATP的主要方式。第三节氧化磷酸化一、氧化磷酸化的概念及类型（一）呼吸链中电子传递时自由能的下降FADH22e-第三节氧化磷酸化二、氧化磷酸化与电子传递的偶联呼吸链的偶联部位-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/moLΔG’

=-nFΔEӨ′

=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07kJ·mol-1贮能效率=91.5/220.07×100%=41.6%（一）呼吸链中电子传递时自由能的下降第三节氧化磷酸化NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化FADH22e-二、氧化磷酸化与电子传递的偶联放能ΔG’

=-nFΔEӨ′=-2×96.5×[0.82-(-0.18)]=-193.0kJ·mol-1贮能效率＝61/193×100%=33.7%（一）呼吸链中电子传递时自由能的下降第三节氧化磷酸化FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化FADH22e-二、氧化磷酸化与电子传递的偶联磷氧比指生物氧化过程中每消耗一个氧原子(或每对电子通过电子传递链传递至氧)所生成的ATP分子数。（二）测定P/O比第三节氧化磷酸化FADH22e-NADH呼吸链的磷氧比:3FADH2呼吸链的磷氧比:2二、氧化磷酸化与电子传递的偶联（一）线粒体偶联因子F0-F1F1含有5种不同的亚基（

3

3

），是合成ATP的催化部位；F0为一个疏水蛋白，含有质子通道；ATP合酶。第三节氧化磷酸化三、氧化磷酸化的机理（二）化学渗透学说要点：a.呼吸链中的电子传递体在线粒体内膜中有着特定的不对称分布，递氢体和递电子体是间隔交替排列的，催化反应是定向的；b.利用在电子传递链中释放的能量，复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ中的递氢体作为质子泵，将H+从线粒体内膜基质定向地泵至内膜外侧空间；第三节氧化磷酸化三、氧化磷酸化的机理要点：

c.线粒体内膜对质子是不透性的，在线粒体内膜两侧建立质子浓度梯度，形成膜电位；跨膜的质子电化学梯度就是推动ATP合成的原动力，称为质子推动力；（二）化学渗透学说第三节氧化磷酸化三、氧化磷酸化的机理d.当存在足够高的跨膜质子电化学梯度时，膜外质子沿着一个特殊通道（ATP酶的F0组分），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。（二）化学渗透学说第三节氧化磷酸化三、氧化磷酸化的机理化学渗透假说示意图4H+4H+2H+2H+NADH+H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-2e-2e-+++++++++__________质子流线粒体内膜F0-F1解偶联剂（uncoupler)氧化磷酸化抑制剂离子载体抑制剂第三节氧化磷酸化四、氧化磷酸化的解偶联和抑制1、解偶联剂（uncoupler）使电子传递与ADP磷酸化分离，只抑制ATP的形成，而不抑制电子传递。

NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外第三节氧化磷酸化四、氧化磷酸化的解偶联和抑制[例1]2,4-二硝基苯酚（dinitrophenol,DNP）解偶联剂只抑制电子传递磷酸化，不影响底物水平磷酸化。2、氧化磷酸化抑制剂【作用】直接干扰ATP的合成，间接抑制电子传递。

[例]寡霉素:与ATP合酶的F0部位结合，破坏H+回流，影响呼吸链质子泵的功能，抑制电子传递。第三节氧化磷酸化四、氧化磷酸化的解偶联和抑制3、离子载体抑制剂

【作用】脂溶性物质，嵌入线粒体内膜的脂双层，结合并使离子穿过膜，破坏膜两侧的电位梯度，从而破坏ADP的磷酸化。

[例]缬氨霉素结合K＋短杆菌肽结合K＋、Na＋

只抑制ATP的合成，而不抑制电子传递。

第三节氧化磷酸化四、氧化磷酸化的解偶联和抑制胞液中生成