生物氧化和能量转化

关于生物氧化和能量转化11.04.2024111.04.20242第一节生物氧化概述一基本概念

生物氧化（biologicaloxidation）是指细胞内的糖、蛋白质和脂肪进行氧化分解而生成CO2和H2O，并释放能量的过程。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化还原反应。第2页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.20243二、生物氧化的特点1.生物氧化是在细胞内进行的。2.

生物氧化是在常温、常压、近于中性及有水环境中进行的。3.

生物氧化所产生的能量是逐步释放的。4.

生物氧化所产生的能量首先转移到一些特殊的高能化合物中。第3页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.20244三、生物氧化中CO2的生成1.直接脱羧作用氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如草酰乙酸的脱羧。第4页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202452.氧化脱羧作用氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。第5页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.20246四、生物氧化中H2O的生成代谢物MH2氧化型M还原型1/2O2H2O一个或多个传递体脱氢酶氧化酶第6页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202471.自由能

自由能是指一个化合物分子结构中所固有的能量，是一种能在恒温、恒压条件下作功的能量。

如果AB,

则△G

＝GB–GA五、自由能和氧化还原电位△G仅决定于反应物（初始状态）的自由能与产物（最终状态）的自由能；与反应途径、反应机理、反应速度无关。第7页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.20248当△G

＝0时，△Go’

＝-RTln[B]/[A]＝-2.303RTlgK’eqK’eq是化学反应的平衡常数，因此△Go’也是一个常数。△G

＝GB–GA＝△Go’+RTln[B]/[A]△G：自由能变△Go’：标准自由能变

R：摩尔气体常数[8.314J/(mol.K)]T：热力学温度(K)△G<0，反应能自发进行，放能反应。△G>0，供给能量才能进行，吸能反应。△G=0，反应处于平衡状态。第8页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202492.氧化还原电位△E0’

＝E0’正

–E0’负＝E0’氧化极

–E0’还原极E0’

越小，供电子倾向越大，其还原力越强

E0’

越大，得电子倾向越大，其氧化力越强△Go’＝-nF△E0’

n：转移电子数；

F：法拉第常数[96.5KJ/(V.mol)]3.自由能变化和氧化还原电位的关系第9页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202410六、高能磷酸化合物

生物体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基水解时，释放大量的能量，这些化合物称为高能磷酸化合物。如ATP。

一般将水解时能够释放21kJ/mol（5千卡/mol）以上自由能（

G

’<-21kJ/mol）的化合物称为高能化合物。

根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型。第10页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202411⑴酰基磷酸化合物1.磷氧键型（－O～P）3-磷酸甘油酸磷酸11.8千卡/摩尔⑵烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔第11页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202412⑶焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔第12页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202413磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔2.磷氮键型（－N～P）第13页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202414

磷酸肌酸存在于肌肉、脑和神经组织中，它可与ATP相互转化。ATP多时，以磷酸肌酸的形式贮能；ATP不足时，磷酸肌酸转化为ATP。因而可认为磷酸肌酸是ATP的贮存库。

严格的说，ATP不是能量的贮存者，而是能量的携带者和传递者。

以高能磷酸形式储存能量的物质称为磷酸原，包括磷酸肌酸和磷酸精氨酸。第14页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202415S-腺苷甲硫氨酸3.硫碳键型（－C～S）⑴甲硫键化合物酰基辅酶A⑵硫酯键化合物第15页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202416第二节线粒体及其内部氧化体系

细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所。

在生物氧化中，从代谢物上脱下的氢由一系列传递体所组成的电子传递链而转移，最终达到氧，使氧还原成水，并伴随着自由能的释放和ATP的生成。第16页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202417第17页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202418二、线粒体内膜上的电子传递链

在生物氧化过程中，从代谢物上脱下的氢由一系列传递体依次传递，最后与氧形成水的整个体系称为呼吸链（respiratorychain）。

由于在传递过程中，在很多部位氢原子实际上以质子（H+）形式进入基质，仅发生电子转移，因此呼吸链又称为电子传递链（electron-transportchain）。第18页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202419电子传递链基本分为：1.

烟酰胺腺嘌呤核苷酸（NAD+、NADP+）2.

黄素蛋白（FMN、FAD）3.

铁硫蛋白（Fe－S）4.

泛醌（辅酶Q，CoQ）5.

细胞色素（cyt）㈡电子传递链的基本组成第19页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202420第20页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202421

通过异咯嗪环第1位和第10位上的两个氮原子反复进行加氢和脱氢反应。第21页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202422

它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。铁硫蛋白通过Fe3+

Fe2+

变化起传递电子的作用。2Fe-2S4Fe-4S第22页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202423

它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。第23页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202424

细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白的总称。

线粒体呼吸链中主要含有cyta、cyta3、cytb、cytc和cytc1

5种。组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素主要是通过Fe3+

Fe2+

的互变起传递电子的作用的。

cyta和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+

Cu2+的互变.第24页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202425第25页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202426㈢电子传递链各组分的排列顺序

线粒体末端氧化呼吸链有两条：

1.NADH氧化呼吸链

2.

琥珀酸氧化呼吸链

电子从低电位流向高电位：

NADHFMN

Fe-S

CoQcytb

Fe-S

cytc1cytccytaa3O2FADH2

Fe-S

第26页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202427

两条呼吸链中除NADH、CoQ和cytc外，其余组分形成嵌入内膜的结构化超分子复合体。这些复合体有4类：Ⅰ.NADH-Q还原酶复合物

NADH+H+→FMN→Fe-S→→CoQⅡ.琥珀酸－Q还原酶复合物

FADH2→Fe-S→CoQⅢ.Cytbc1

复合物

CoQcytbcytc1cytcⅣ.细胞色素氧化酶复合物

cytc

cytaa3O2第27页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202428线粒体呼吸链第28页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202429第29页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202430㈣电子传递链的抑制第30页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202431第三节氧化磷酸化作用

氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指生物体氧化过程中释放出自由能驱动ADP磷酸化形成ATP的过程。线粒体ATP合成的方式有两种：

1.底物水平磷酸化

2.电子传递链的磷酸化第31页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.2024321)底物水平磷酸化(substrate-levelphospharylation)

在底物氧化过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，再通过酶的作用促使磷酸基团转给ADP生成ATP，称为底物水平磷酸化。

第32页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202433

X～P+ADP→ATP+X式中X～P代表底物在氧化过程中所形成的高能磷酸化合物，例如糖酵解中生成的1，3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮酸以及三羧酸循环中的琥珀酰CoA。在发酵作用中是进行生物氧化取得能量的唯一方式。底物水平磷酸化和氧的存在与否无关。第33页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202434底物水平磷酸化：第34页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202435第35页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.2024362)电子传递链的磷酸化(oxidativeelectrontransfer)电子从NADH或FADH2经过电子传递链传递给分子氧时,将所释放的能量转移给ADP形成ATP,称为电子传递链的磷酸化。它是需氧生物合成ATP的一种主要方式。因此通常情况下没有特殊说明，氧化磷酸化即是指电子传递链的磷酸化。第36页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202437二、氧化磷酸化的偶联部位

根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的

G

’<-30.5kJ/mol。

磷氧比（P/O）是指一对电子通过呼吸链传递到氧时所产生的ATP分子数。第37页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202438第38页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202439

复合体Ⅰ

复合体Ⅲ

复合体Ⅵ

NADHCoQ

cytb

cytc1

cytaa3

O2

G

’-50.24

-41.87

-100.48

这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联。

NADH的P/O比为2.5；FADH2的P/O为1.5第39页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202440三、氧化磷酸化的偶联机理㈠ATP合酶（ATPsynthase）

ATP合酶由两个主要单元构成，一是起质子通道作用的单元称为F0单元，另一是催化ATP合成的单元称为F1单元。故ATP合酶又称F0F1

酶（F0F1

－ATPase）。该酶又称复合体Ⅴ

第40页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202441第41页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202442㈡氧化磷酸化的偶联机理化学渗透假说的要点是：a.

线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；b.

在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧。这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度(

pH)和电位梯度（

）；第42页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202443444第43页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202444c.

在膜内外势能差（

pH和

）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP酶的组成部分），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。第44页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202445第45页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202446第46页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202447四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂1.解偶联剂

解偶联剂（uncoupler）作用是使电子传递和ATP生成的两个过程分离。它只抑制ATP的形成，而不抑制电子传递过程。如：2,4－二硝基苯酚（DNP）第47页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202448DNP作用机理图第48页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202449

2.氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂对氧的消耗和ATP的形成都有抑制作用，但是它们对电子传递链的电子传递体没有直接的抑制作用，因此它们有别于电子传递链的抑制剂，如前所述的鱼藤酮、抗霉素A或氰化物。氧化磷酸化抑制剂的作用方式是直接干扰ATP的生成过程，如寡霉素，它能与ATP合酶中F0上的一个亚基结合，干扰质子返回基质。结果也使电子传递不能进行。

第49页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.2024503.离子载体抑制剂这是一类脂溶性物质。它们能插入线粒体内膜脂双层，又能与某些离子相结合，并作为离子载体使这些离子能够穿过膜。它们的解偶联剂的区别在于，它们是作为H+以外的其它一价阳离子的载体。例如缬氨霉素能结合K+，短杆菌肽可使K+、Na+及其它一价阳离子穿过膜。解偶联剂2,4-二硝基苯酚是一种H+载体。离子载体抑制剂增大了线粒体内膜对一价阳离子的通透性，从而破坏了膜两侧的电位梯度，最终破坏了氧化磷酸化进程。如缬氨霉素，短杆菌肽。第50页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202451

L-Leu-D-Phe-L-Pro-L-Val

L-OrnL-Orn

L-Val-L-Pro-D-Phe-L-Leu

短杆菌肽S(环十肽)第51页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202452五、腺苷酸的转运ATP/ADP交换体第52页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202453六、线粒体穿梭系统

NADH从细胞液进入线粒体的途径：

1.3-磷酸甘油穿梭途径（glycerol3-phosphateshuttlesystem）

：主要存在于肌肉细胞中。

2.苹果酸－天冬氨酸穿梭途径（malate-aspartateshuttlesystem）：主要存在于心脏和肝细胞中。第53页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202454第54页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.2024553-磷酸甘油穿梭途径3-磷酸甘油第55页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202456第56页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202457苹果酸－天冬氨酸穿梭途径苹果酸天冬氨酸苹果酸天冬氨酸第57页,共64页，2024年2月25日，星期天11.04.202458七、能荷

能荷表示细胞的腺苷酸库中充满高能磷酸根的程度。第