生物化学 第十一章 生物氧化

生物化学

第十一章生物氧化

第一节生物能学的基本概念一、生物体能量的转化遵循热力学定律1、热力学第一定律（能量的守恒与转化）燃烧葡萄糖 CO2+H2O 2872kJ/mol葡萄糖 EMPTCA途径 呼吸链 CO2+H2O2872kJ/mol2、热力学第二定律（熵与自由能）ΔG=ΔH-TΔS自由能(G)：指一个反应体系中能够做功的那部分能量。ΔG：产物的自由能与反应物的自由能之差，与反应转变过程无关。熵（S）：混乱度ΔS：反应前后体系混乱度的改变值T：绝对温度ΔG的意义ΔG<0 反应自发进行ΔG=0反应达到平衡ΔG>0反应不能自发进行标准自由能的变化(ΔG0)：298K（250C），101.3KPa，反应物浓度为1mol/L。生化反应中标准自由能的变化(ΔG’0)：298K，101.3KPa，反应物浓度为1mol/L，pH=7。二、自由能变化与平衡常数ΔG<0反应自发进行--------ΔG’0<

-RT

lnKeqΔG=0反应达到平衡--------ΔG’0=-RT

lnKeqΔG>0逆反应自发进行------ΔG’0>-RT

lnKeqaA+bB

cC+dDΔG=ΔG’0+RT

ln[C]c[D]d[A]a[B]bΔG=ΔG’0+RT

lnKeq三、偶联化学反应自由能的可加和性反应1不能自发进行，因为ΔG’0(1)>0反应2可以自发进行，因为ΔG’0(2)<0反应1和2的偶联反应3可以自发进行，因为ΔG’0(3)<0AB+CBDΔG’0

(1)=20.9kJ/molΔG’0(2)

=-33.5kJ/molAD+CΔG’0(3)=-12.6kJ/mol(1)(2)(3)第二节ATP与其他高能化合物生物氧化：物质在生物体内的氧化，主要是指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。糖原脂肪蛋白质葡萄糖脂肪酸甘油氨基酸乙酰CoAⅠⅡⅢTCA营养物分解代谢的三个阶段eH+1/22+2ADPATPPi

O2H2OATP与高能磷酸键ATP+H2OADP+Pi ΔG0’=-30.5KJ/molADP+H2OAMP+Pi ΔG0’=-30.5KJ/molAMP+H2O腺苷+Pi ΔG0’=-14.2KJ/mol高能磷酸键：生化中把磷酸化合物水解时释出的能量＞20KJ/mol者所含的磷酸键称高能磷酸键，常用~P表示，含有高能键的化合物称为高能化合物。高能磷酸键的类型磷酸酐：ATP、ADP、UTP、CTP、PPi等；烯醇磷酸：PEP；混合酐：1,3-BP-甘油酸；磷酸胍类：磷酸肌酸。另有高能硫酯键：乙酰CoA、脂酰CoA等。高能化合物分子结构的特点分子本身不稳定，如ATP中相邻的磷酸基团之间存在静电斥力；水解后产物的分子稳定。磷酸酐烯醇磷酸（PEP）PEP混合酐（酰基磷酸）1,3-BP-甘油酸磷酸胍类磷酸肌酸高能硫酯键乙酰CoAATP的作用作为能量载体，提供合成代谢或分解代谢初始阶段所需的能量；供给机体生命活动所需的能量；生成核苷三磷酸（NTP）；将高能磷酸键转移给肌酸以磷酸肌酸（creatinephosphate）形式储存。提供合成代谢或分解代谢初始阶段所需的能量

G+ATPG-6-P+ADP

脂酸+CoA+ATP

脂酰~CoA+AMP+PPi

氨基酸+ATP氨基酰~AMP+PPi供给机体生命活动所需的能量生成核苷三磷酸（NTP）将高能磷酸键转移给肌酸以磷酸肌酸形式储存ATP的生成方式氧化磷酸化：代谢物脱下的氢经电子传递链与氧结合成水的同时，逐步释放出能量，使ADP磷酸化为ATP的过程。底物水平磷酸化：代谢物脱氢与ADP（或GDP）的磷酸化相偶联。共3个反应。底物水平磷酸化它们都通过底物脱H2O、H、CO2形成高能键，并直接转移给ADP或GDP形成ATP或GTP（没有经过呼吸链）第三节电子传递和氧化呼吸链电子传递链的组成电子传递链的顺序电子传递链中生成ATP的部位质子梯度的形成机制一、线粒体主要功能：氧化营养物，生成ATP。结构外膜：通透性较高内膜：对物质的通过有严格选择性内膜高度折叠形成嵴膜间腔基质线粒体结构线粒体结构模式图线粒体嵴的分子组成二、氧化磷酸化的基本机制来自中间代谢物的还原物质（NADH或FADH2）经电子传递链传递给氧生成水时，释放出大量的能量，这部分能量可推动ADP与Pi合成ATP。NADH：ΔG0’=-221.5KJ/molFADH2：ΔG0’=-171.4KJ/molH→H+（质子）+e（电子）生物氧化中所生成的水，是代谢物脱下的H经过中间传递体和吸入的O2结合生成的。不管是H还是O，都要变成离子型才能结合电子传递链（呼吸链）概念：线粒体内膜上存在由多种酶和辅基组成的传递H和电子的反应链，它们按一定顺序排列，称电子传递链(或呼吸链)（electrontransferchain或respiratorychain）。电子传递链的组成电子传递链的顺序电子传递链中生成ATP的部位质子梯度的形成机制电子传递链的组成从线粒体内膜上分离到四种酶复合体及辅酶Q(CoQ)和细胞色素(Cyt)。复合体Ⅰ：NADH-CoQ还原酶复合体Ⅱ：琥珀酸-CoQ还原酶复合体Ⅲ：CoQ-细胞色素C还原酶复合体Ⅳ：细胞色素氧化酶NADH呼吸链：由复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ及CoQ、Cyt组成FADH2呼吸链：由复合体Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及CoQ、Cyt组成复合体Ⅰ：NADH-CoQ还原酶功能：将电子从NADH传递给CoQ辅基：FMN(黄素腺嘌呤单核苷酸)，铁硫蛋白NAD+：R=H；

NADP+：R=PO32-铁硫蛋白呼吸链的几乎每个过程都有Fe-S参与，有9种。含非血红素铁和对酸不稳定的硫。主要分布在线粒体内膜上，它与NAD+或NADP+共同组成复合体，参与电子传递：Fe3+←→Fe2+，而且两个Fe离子中只有一个参与，所以是单电子传递。铁硫簇(Fe4S4)功能：单电子传递体

泛醌（CoQ）是脂溶性醌类化合物，由于在生物中广泛存在，所以也称泛醌。它处于呼吸链的中心枢纽，也是中间传递体复合体Ⅲ：CoQ-细胞色素C还原酶功能：将电子从CoQ传递给Cytc组成：Cytb、Fe-S、Cytc1细胞色素(Cyt)：含铁卟啉辅基的有色蛋白，分a、b、c三类，每类中又分几种亚类。细胞色素（血红素）功能：单电子传递体细胞色素为有色蛋白，有效成分是辅基铁噗啉。主要存在有氧呼吸的细胞中。根据光吸收带不同分为：Cytb，c1，c，aa3等。辅基中的Fe起传递电子作用：Fe3+←→Fe2+由于Cytaa3靠近O2，故称为Cyt氧化酶，也称Cyt末端氧化酶复合体Ⅳ：细胞色素氧化酶功能：将电子从Cytc最终传递到O2组成：Cyta、Cyta3、Cu复合体Ⅱ：琥珀酸-CoQ还原酶功能：将电子从琥珀酸传递给CoQ辅基：FAD、Fe-S、Cytb560NADH呼吸链:FADH2呼吸链:四、还原电位与电子传递链的顺序电子传递链中各组分的顺序由还原电位决定电子传递方向：（还原电位）低高标准还原电位：将一个半反应体系与一个标准氢电极(pH7)相连所测的还原电位。原电池半反应ΔE0’（V）2H++2eH2-0.41NAD++2H++2eNADH+H+

-0.32FMN+2H++2eFMNH2-0.30FAD+2H++2eFADH2-0.06CoQ+2H++2eCoQH2

0.04(或0.10)Cytb(Fe3+)+eCytb(Fe2+)

0.07Cytc1(Fe3+)+eCytc1(Fe2+)

0.23Cytc(Fe3+)+eCytc(Fe2+)

0.25Cyta(Fe3+)+eCyta(Fe2+)

0.29Cyta3(Fe3+)+eCyta3(Fe2+)

0.55

O2+2H++2eH2O

0.82电子传递链的顺序测定各种电子传递体标准氧化还原电位（E0’

，pH7.0，25℃）的数值，由此来确定排列顺序。根据生物中各种反应物对电子的亲和力可判断它们易被氧化或易还原：电位势越低，越易失去电子：NAD+/NADH=-0.32（最小），O2/H2O=+0.82（最大）电子传递链中生成ATP的部位P/O比值每消耗1/2molO2所消耗无机磷酸的mol数（即合成ATP的mol数）电位降落与自由能：ΔG0’=-nFΔE0’NADHCoQ：ΔG0’=-2×96.5×0.33=-63.7KJ/molCoQ

Cytc：ΔG0’=-2×96.5×0.31=-59.8KJ/molCyta3O2：ΔG0’=-2×96.5×0.58=-111.9KJ/mol合成ATP需自由能51.6KJ/molNADHO2可合成3分子ATPNADH+H++3ADP+3Pi+1/2O2→NAD++4H2O+3ATP底物电子传递链P/O比值生成ATP数β羟丁酸NADHFMNCoQbc1caa3O23.03琥珀酸

FADCoQbc1caa3O22.02维生素C

Cytc

aa3O21.01线粒体的P/O比值第四节、氧化磷酸化作用机理化学偶联假说构象偶联假说化学渗透偶联假说1、化学偶联假说最早的假说，也称活性中间产物学说。电子传递产生的能量是通过一个共同的化学中间产物转移到ATP分子中。

AH2+B+C→A~C+BH2A~C+Pi+ADP→A+C+ATP例如：

G-3-P→1,3-二磷酸甘油酸（一个高能键）

磷酸烯醇式丙酮酸（一个高能键）

琥珀酰CoA（一个高能键）

在糖酵解中存在高能中间产物，但在氧化磷酸化尚未分离到；这不要求膜的完整性，而氧化磷酸化需要膜的完整性。2、构象偶联假说电子传递产生的能量的储存是通过一种电子传递蛋白或叫偶联因子（F1ATP酶）分子的构象变化实现的；这种高能构象状态的产生是维持蛋白质三维构象的弱键位置和数目发生变化的结果；这些弱键的数目和位置的变化是由能量变化引起的。这种高能结构中的能量即提供给ADP和Pi形成ATP，同时能量携带蛋白又可逆地回到原来低能状态。该电子传递蛋白未被发现。3、化学渗透偶联假说在电子传递和ATP形成之间起偶联作用的是H+电化学梯度；在偶联过程中，线粒体内膜必须是完整的、封闭的，才能发挥作用；H+不能自由通过线粒体内膜，需要“氧泵”的作用，促使基质中的H+穿过线粒体内膜；泵出内膜外侧的H+不能自由返回膜内侧，因而内膜外侧的H+浓度高于内侧，造成H+浓度的跨膜梯度，使原有的外正内负的跨膜电位增高，这个电位差就包含着使ADP→ATP的能量（渗透能）；由电子传递“泵”出的H+通过F0F1ATP酶分子上的特殊通道又流回线粒体基质时，释放出的自由能的反应和ATP的合成反应相偶联。化学渗透偶联假说中质子梯度的形成机制线粒体基质线粒体膜间隙影响氧化磷酸化的因素氧化磷酸化主要受ADP的调节抑制剂1、呼吸链抑制剂能阻断呼吸链中某些部位电子传递。如鱼藤酮（rotenone）、粉蝶霉素A（piericidinA）及异戊巴比妥（amobarbital）等与复合体I中的铁硫蛋白结合