生物化学课件7.生物氧化

上海市精品课程系列----生物化学第七章

生物氧化第七章生物氧化7.1

代谢与能量的关系7.2

生物氧化的特点和方式7.3

线粒体生物氧化体系7.1

代谢与能量的关系自由能高能化合物能荷代谢与能量的关系7.1

代谢与能量的关系自由能指在某一个热力学过程中系统减少的内能中可以转化为对外作功的部分定义式：ΔG=ΔH-TΔS=G产物

-G底物物理意义：－ΔG=W

(体系中能对环境作功的能量)当熵增加时，系统的自由能便会下降物理和化学过程达到平衡时，即达到系统的自由能最小而熵最大自由能的变化能预示某一过程能否自发进行

ΔG<0

反应能自发进行

ΔG>0

反应不能自发进行

ΔG=0

反应处于平衡状态7.1

代谢与能量的关系高能化合物在标准条件下（pH7，25℃，1mol/L）发生水解时，可释放出5kcal/mol（21kJ/mol）以上自由能的化合物高能键：在高能化合物分子中，被水解断裂时释放出大量自由能的活泼共价键，常用符号“~”表示

高能磷酸化合物：一类分子中含磷酸基团，它被水解下来时释放出大量自由能的高能化合物高能键≠

键能高焦磷酸化合物（ATP）酰基磷酸化合物（1,3-二磷酸甘油酸）

烯醇磷酸化合物（磷酸烯醇式丙酮酸）胍基磷酸化合物（磷酸肌酸）硫酯化合物（乙酰CoA）甲硫键化合物（S-腺苷甲硫氨酸）7.1

代谢与能量的关系焦磷酸化合物最重要的高能化合物——ATP能量转换过程的中间载体磷酸基团转移反应的中间载体7.1

代谢与能量的关系1,3-二磷酸甘油酸酰基磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）烯醇式磷酸化合物7.1

代谢与能量的关系磷酸肌酸胍基磷酸化合物硫酯化合物酰基辅酶AS-腺苷甲硫氨酸甲硫键化合物7.1

代谢与能量的关系能荷是细胞中高能磷酸状态一种数量上的衡量，对代谢起着重要的调控作用数值在0~1之间，大多数细胞维持在0.8~0.95范围内7.1

代谢与能量的关系代谢与能量的关系7.2

生物氧化的特点和方式生物氧化的定义生物氧化的内容生物氧化的特点生物氧化的方式ATP的生成方式7.2

生物氧化的特点和方式生物氧化的定义有机物质在生物体内的氧化作用（伴随着还原作用）统称为生物氧化细胞呼吸实质为有机化合物（糖、脂、蛋白质等）在活细胞中进行氧化，生成H2O和CO2，并伴有ATP生成的过程7.2

生物氧化的特点和方式生物氧化的内容

CO2是如何生成的？（脱羧反应）

H2O是如何生成的？（电子传递链）

能量如何转化？（底物水平磷酸化和氧化磷酸化）

直接脱羧作用

氧化脱羧作用代谢物上脱下的氢与生物体吸进的O2化合生成代谢物MH2

氧化型H2O

一个或多个传递体

M还原型O27.2

生物氧化的特点和方式生物氧化的特点共同点

化学本质相同常见方式有脱氢、脱电子和加氧最终产物是CO2和H2O

同种物质释放能量相等相比于体外氧化（非生物氧化反应）不同点

在活细胞中进行在细胞中有严格的定位（细胞膜和线粒体）有酶催化，反应条件温和

分阶段逐步缓慢地氧化，能量也逐步释放释放的能量可先贮存在高能化合物中7.2

生物氧化的特点和方式生物氧化的方式不同底物、不同组织、不同生长周期各不相同狭义的生物氧化的概念7.2

生物氧化的特点和方式ATP的生成方式生物氧化途径光合作用途径

底物水平磷酸化

氧化磷酸化（主要）底物通过氧化引起分子内部能量重新分布，形成的高能磷酸化合物直接将磷酸基团转移给ADP，使之磷酸化生成ATPNADH或FADH2将电子传递给分子氧的过程与ADP的磷酸化偶联，使电子传递过程中释放的能量用于ATP的生成

光合磷酸化7.2

生物氧化的特点和方式底物水平磷酸化7.2

生物氧化的特点和方式氧化磷酸化（线粒体内膜）7.2

生物氧化的特点和方式光合磷酸化

（叶绿体的类囊体）7.3

线粒体生物氧化体系线粒体的结构和功能特点呼吸链氧化磷酸化线粒体外NADH的氧化7.3

线粒体生物氧化体系线粒体的结构和功能特点

双层膜结构外膜光滑，内膜折叠成嵴，伸向基质内外膜之间为膜间腔7.3

线粒体生物氧化体系

外膜对大多数小分子物质和离子可通透内膜须依赖膜上的特殊载体选择性地运载物质进出基质中含有全部与有机酸氧化分解有关的酶内膜上存在着多种酶与辅酶组成的电子传递链，或称呼吸链，是线粒体功能的主要承担者内膜上的ATP合成酶利用电子传递过程释放的能量合成ATP，完成线粒体的供能作用7.3

线粒体生物氧化体系呼吸链

NADH呼吸链（主要）

FADH2呼吸链概念类型由一系列的递氢体和递电子体按一定的顺序排列所组成的连续反应体系，它将代谢物脱下的成对氢原子交给氧生成水，同时有ATP生成本质是酶、辅酶、辅基或辅因子烟腺胺腺嘌呤二核苷酸或CoI，是许多不需氧脱氢酶的辅酶，烟酰胺基团的可逆性还原而递氢，接受代谢物上脱下的氢，生成NADH，是双电子传递体7.3

线粒体生物氧化体系

NAD+

黄素蛋白（FP）

铁硫蛋白辅酶Q

细胞色素呼吸链的组成NAD+代谢物氧化产物

水溶性

与酶蛋白可逆结合

往返于基质和内膜含有两种辅基，一种为黄素单核苷酸（FMN），另一种为黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。在FAD、FMN分子上可以进行可逆的脱氢加氢反应，是双电子传递体7.3

线粒体生物氧化体系黄素蛋白（FP）分子中常含2或4个Fe（称非血红素铁）和2或4个对酸不稳定硫，其中一个Fe原子能可逆地还原而传递电子。在NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶中均含有多个不同的铁硫蛋白，它们可将电子由FMNH2（或FADH2）转移到泛醌上7.3

线粒体生物氧化体系铁硫蛋白Fe-4S2Fe-2S4Fe-4S+1e-1e属醌类，脂溶性，可在内膜的脂双层中自由扩散。它通过醌/酚结构互变进行电子传递，每次传递两个电子和两个质子，在呼吸链中作为双电子传递体7.3

线粒体生物氧化体系辅酶Q（CoQ）唯一的非蛋白组分是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质，属单电子传递体，通过辅基中的铁离子价的可逆变化进行电子传递7.3

线粒体生物氧化体系细胞色素

+eFe3+Fe2+

－e+eCu2+Cu+

－e

Cyta（Cytaa3）——末端氧化酶

CytbCytc（Cytc、Cytc1）Cytc：外周蛋白，其辅基血红素与酶蛋白共价连接7.3

线粒体生物氧化体系呼吸链组分在线粒体内膜上的分布四种具有传递电子功能的复合物和两种可移动的电子传递体CoQ和Cytc

复合物I：NADH-CoQ还原酶，催化NADH氧化，CoQ还原复合物II：琥珀酸-CoQ还原酶，催化琥珀酸氧化，CoQ还原

复合物III：CoQ-细胞色素c还原酶，催化CoQH2氧化，Cytc还原

复合物IV：细胞色素氧化酶，催化Cytc氧化，O2还原7.3

线粒体生物氧化体系膜间腔（P侧，正极）基质（N侧，负极）NADH脱氢酶（复合物I）7.3

线粒体生物氧化体系膜间腔基质3-磷酸甘油3-磷酸甘油脱氢酶琥珀酸

脂酰CoA

脂酰CoA脱氢酶琥珀酸脱氢酶

（复合物II）7.3

线粒体生物氧化体系膜间腔（P侧）基质（N侧）细胞色素还原酶（复合物III）7.3

线粒体生物氧化体系膜间腔（P侧）基质（N侧）2CuACuBHemeaHemea3细胞色素氧化酶（复合物IV）7.3

线粒体生物氧化体系NADH呼吸链FADH2呼吸链7.3

线粒体生物氧化体系呼吸链的电子传递顺序7.3

线粒体生物氧化体系电子流动方向呼吸链中电子传递时标准氧还电位的升高7.3

线粒体生物氧化体系呼吸链的电子传递抑制剂鱼藤酮、安密妥、杀蝶素A抗霉素A氰化物、CO、H2S、叠氮化合物7.3

线粒体生物氧化体系氧化磷酸化伴随着代谢物脱氢及氢和电子在呼吸链上传递最后交给氧生成水的氧化途径，所释放的能量使ADP磷酸化生成ATP，这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程氧化磷酸化的磷氧比（P/O）呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数新的测定结果NADH：2.5FADH2：1.57.3

线粒体生物氧化体系氧化磷酸化的机理呼吸链中电子传递体在内膜上有着特定的不对称分布，氢和电子的传递体交替排列，使氢和电子交替传递，从而使H+发生定向转移，即从内膜内侧向外侧转移。氧化和磷酸化之间通过H+的电化学梯度偶联起来。H+的电化学梯度是质子返回膜内的势能，称为质子移动力，是ADP磷酸化形成ATP的动力。ADP+Pi

+

{H+}膜外

→

ATP

+

H2O

+

{H+}膜内

化学偶联假说

构象偶联假说

化学渗透偶联假说电子的传递相当于是质子泵7.3

线粒体生物氧化体系化学渗透偶联假说化学势

内碱外酸质子回流驱动ATP合成电动势

内负外正ATP合成酶7.3

线粒体生物氧化体系ATP合酶复合体F1F0镶嵌在线粒体内膜上的许多小的球状颗粒，是合成ATP的多酶复合物，称

ATP合成酶，或称F0-F1

ATP酶，是氧化磷酸化的

重要偶联因子它由两个主要部分F0和F1再加柄连接构成。F1即偶联因子，呈球形，通过一个柄（由蛋白质组成）接到包埋在线粒体内膜的柄底F0上ATP的生成量7.3

线粒体生物氧化体系辅助因子辅助因子辅助因子辅助因子FMN→Fe-SFAD→Fe-SFe-S，血红素血红素，Cu离子7.3

线粒体生物氧化体系10H+

/6H+

（一对电子泵出的质子数）4H+（合成一分子ATP消耗的质子数）NADHFADH2ATP＝3个H+通过ATP合酶驱动ADP的磷酸化，1个H+用于转移ATPNADH：2.5FADH2：1.5氧化磷酸化的偶联部位7.3

线粒体生物氧化体系偶联部位7.3

线粒体生物氧化体系影响氧化磷酸化的因素甲状腺激素能促进线粒体的氧化磷酸化，增加ATP的形成

激素的调节

ATP/ADP比值的影响抑制剂的作用主要受细胞对能量需求的调节：ATP多时，ATP的生成受抑制；ADP多时，ATP的合成加快

呼吸链抑制剂——阻断电子传递而抑制氧化磷酸化

解偶联