第21章 生物氧化

第二十一章氧化磷酸化维持生命活动的能量来源光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。化学能：动物和多数微生物，通过生物氧化作用将有机物质存储的化学能释放出来，并转变成生物能（ATP传递）。氧化磷酸化作用：细胞内的有机分子经过氧化分解成CO2和H2O,并释放出能量使ADP和Pi合成ATP的过程。ATP生成形式光合磷酸化:在光照条件下，叶绿体将ADP和无机磷(Pi)结合形成ATP的生物学过程。是光合细胞吸收光能后转换成化学能的一种贮存形式。

氧化磷酸化呼吸链氧化磷酸化:氧化磷酸化是电子从NADH和FADH2经过电子传递链传给氧形成水，这个过程偶联着ADP磷酸化生成ATP。

底物水平磷酸化:底物分子中的能量直接以高能键

形式转移给ADP生成ATP，这个过程称为底物水平磷酸化

生物氧化（biologicaloxidation）有机物质在生物体内的氧化作用在组织细胞中进行通常需要消耗氧，生成CO2呼吸作用有机物质最终被氧化成CO2和水释放出能量脂肪葡萄糖、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）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生物氧化的特点1、酶促氧化过程、反应条件温和2、氧化与还原相偶联3、质子和电子由载体传递到氧生成水4、分步进行：有利于提高能量利用率5、氧化磷酸化

（1）代谢脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，在此过程中有ATP的产生（狭义的生物氧化）；（2）酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜；传递氢的酶和辅酶——递氢体传递电子的酶和辅酶——递电子体（3）此过程与细胞呼吸有关，此传递链称为呼吸链。递氢体、递电子体都起传递电子的作用，又称电子传递体。由呼吸链生成水一、氧化—还原电势锌片溶解Zn2+进入溶液铜沉积Cu2+得电子e提供电子（还原剂）负极得到电子（氧化剂）正极电子流动的方向是从锌电极（负极）流向铜电极（正极）Zn=Zn2++2eCu2++2e=Cu0原电池的电动势ε=E正极—E负极

标准氢电极的电极势为025℃、一大气压氢压力、H+活度为1M、pH=0将任何一对氧化还原物质的氧化还原对连在一起，都有氧化还原电位的产生。如果将氧化还原物质与标准氢电极组成原电池，即可测出氧化还原电势。标准氧还原电势用E°表示。E°值愈大，获得电子的倾向愈大；E°愈小，失去电子的倾向愈大标准电动势ε：反应中各种物质的活度均为1mol/L浓度时的电动势。标准还原势E：电解质溶液各物质的活度为1mol/L时的电极势。

ε=E正极—E负极

ӨӨӨӨӨ一、氧化－还原电势能斯特方程

对于生物化学反应，一般是在pH7（而不是pH=0）的环境下，于是将标准还原势用EnFRTEE][][ln电子供体电子受体+=ӨӨ’还原势每个电极都有自己的标准电极势，有的为正，有的为负。锌电极为-0.76铜电极为+0.34锌的还原能力强，而铜离子的氧化能力强氧化还原反应中，失去电子的物质称为还原剂，得到电子的物质称为氧化剂。还原剂失去电子的倾向（或氧化剂得到电子的倾向）的大小，则称为氧化还原电势。氧化还原反应的ε判据对于氧化还原反应来说，反应可以自发进行，是反应进行的限度。如果已知两个氧还电对的标准电极电势，可以根据ΔG0’=－nFΔE0’计算出该反应的标准自由能变化值。NADH+H++1/2O2====NAD++H2O

正极反应：1/2O2+2H++2e

H2O

E+°′

0.82负极反应：NAD++H++2e

NADH

E-°′

-0.3ΔG°′

-nFΔE°′

-2×96485×[0.82-(-0.32)]

-220KJ·mol-1

线粒体的基本结构二、电子传递和氧化呼吸链（一）电子传递过程按照电子的亲和力递增的顺序传递电子的传递仅发生在相邻传递体之间pH7标准还原势E0’决定电子流动方向（二）呼吸链由供氢体、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。（三）电子传递链NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链（三）电子传递链（四）电子传递链的组成成分

1、NADH-Q还原酶（NADH脱氢酶、复合体Ⅰ）电子传递：NADHFMNFe-SCoQ黄素单核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸铁硫蛋白（Fe-S）

（非血红素蛋白）与电子传递有关与其他递氢体或电子传递体结合成复合物存在铁硫蛋白

铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+

Fe3++e反应传递电子。通过Fe3+

Fe2+变化起传递电子的作用Differenttypesofiron-sulfurcentersIronatomscyclebetween

Fe2+(reduced)andFe3+(oxidized).（四）电子传递链的组成成分2、辅酶Q

（CoQ、Q、泛醌）泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10）,不同种类CoQ侧链异戊二烯基数目不同脂溶性辅酶、可在脂双层中扩散与蛋白质结合不紧密灵活的电子载体辅酶-Q的功能还原型QH2氧化型Q电子和质子的传递体半醌型CoQ和电子传递体的碰撞是电子传递的前提和条件Moviecomplex1复合体I功能:1,通过FMN将基质中NADH上氢负离子和一个质子转移给辅酶Q.2,从基质中转移4个质子到线粒体内外膜的间隙（四）电子传递链的组成成分3、琥珀酸—Q还原酶（复合体Ⅱ）嵌在线粒体内膜（包括琥珀酸脱氢酶）电子传递：琥珀酸FADH2Fe-S细胞色素b560CoQUbiquinone(Q)acceptselectronsfrombothNADHandFADH2intherespiratorychainMoviecomplex2（四）电子传递链的组成成分4、细胞色素还原酶（复合体Ⅲ）cytochrome,Cyt是含铁的Pr

以血红素为辅基电子传递蛋白通过Fe3+

Fe2+互变起传递电子的作用功能：电子传递CoQ膜间隙的Cytc，同时将质子定向从基质转移到膜间隙Cyta：辅基是血红素ACytb：------------------BCytc：------------------C——卟啉的侧链基团不同Cyt的铁卟啉一般以非共价键与酶蛋白结合Cytc例外，以硫醚键共价结合细胞色素还原酶（CoQ-细胞色素c还原酶）Cytb562/bHCytb566/bLCytc1Cytb硫醚键c型Cytb型Cyt为乙烯基所处多肽环境不同Cytochromebc1complex(complexIII)Q循环Moviecomplex3（四）电子传递链的组成成分5、细胞色素c（cytc）单一多肽链易溶于水与Cytc1含相同辅基，但蛋白组成不同（四）电子传递链的组成成分6、细胞色素氧化酶（Cytc氧化酶、复合体Ⅳ）位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物活性部分主要包括cyta和a3Cytaa3复合体(细胞色素c氧化酶)除含2个铁卟啉，还含2个铜原子(Cu+

Cu2+)Thethreecriticalsubunitsofcytochromeoxidase

Cua-CuA聚族a3-CuB聚族Moviecomplex41.NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22.琥珀酸氧化呼吸链

琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链（五）电子传递抑制剂——阻断呼吸链中某部位电子传递的物质；氧化作用受阻、能量释放减少鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素阻断电子由NADH向CoQ的传递；抗霉素A抑制电子从Cytb到Cytc1的传递；氰化物、叠氮化物、CO等阻断电子由Cytaa3传递到氧OxidizedReducedReducedOxidizedReducedElectroncarriersmayhaveanorderofincreasingE`0从NADH到分子氧每一电子传递体得电子的倾向逐渐增大电子总是从低电势流向高电势三、氧化磷酸化作用的机制代谢物的氧化（脱氢）作用与ADP的磷酸化反应偶联生成ATP的过程。部位：线粒体内膜（真核）胞浆膜（原核细胞）数目、形状因细胞而异底物水平磷酸化没有氧的参与分子内部所含能量重新分配，生成高能磷酸键也称代谢物水平磷酸化（一）线粒体膜的结构特点两层膜结构：外膜和内膜

外膜平滑、有弹性

内膜有许多向内折叠的突起（嵴）

外膜脂质多、密度小

内膜Pr含量高、密度稍大

对代谢物的通透性不同、酶的分布不同（二）氧化磷酸化的偶联机制1、ATP的合成部位NADH氧化过程中有三个反应

G

’值大于30.5kJ/molNADHFMNcytb

cytc1cytaa3

O2-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/mol复合物ⅣCytc氧化酶复合物Ⅲ泛醌

Cytc还原酶复合物ⅠNADH脱氢酶NADH+H++½O2H2O+NAD+ΔG°'=-220kJ/mol电子通过线粒体呼吸链传递到O2的过程中，释放出大量能量；这种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。从NADH

O2产生2.5个ATP从FADH2

O2产生1.5个ATPP/O比值—消耗1摩尔氧有多少无机磷转化为有机磷—一对电子经呼吸链传至氧所产生的ATP分子数

反映氧化磷酸化的效率P/O比

用组织匀浆以及组织切片做的实验表明，组织利用O2的同时，ATP含量随之增加，每消耗1个O原子约合成3个ATP分子。这个比例称为P/O比。P/O比又可以看作是一对电子通过呼吸电子传递链传至O2所产生的ATP分子数。根据P/O比为3，人们认为在电子传递链中，ATP是在3个不连续的部位生成的，根据电子传递链中各环节释放的能量，也确实有3个部位释放的能量大于合成ATP所需的能量。FADH2进入电子传递链后的P/O比为2，说明它绕过了1个生成ATP的部位。

三、氧化磷酸化作用的机理1、有关氧化磷酸化机理的几种假说化学偶联假说构象偶联假说化学渗透假说（1）化学偶联假说（1953年）（掌握要点）chemicalcouplinghypothesis

认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的化学反应形成高能共价中间物，最后将其能量转移到ADP中形成ATP。AH2+B+I