第八章生物氧化和能量轉(zhuǎn)化

第八章生物氧化和能量轉(zhuǎn)換2/4/20231第一節(jié)生物氧化概述一基本概念生物氧化（biologicaloxidation）是指細(xì)胞內(nèi)的糖、蛋白質(zhì)和脂肪進(jìn)行氧化分解而生成CO2和H2O，并釋放能量的過程。生物氧化實(shí)際上是需氧細(xì)胞呼吸作用中的一系列氧化還原反應(yīng)。2/4/20232二、生物氧化的特點(diǎn)1.生物氧化是在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的。2.生物氧化是在常溫、常壓、近于中性及有水環(huán)境中進(jìn)行的。3.生物氧化所產(chǎn)生的能量是逐步釋放的。4.生物氧化所產(chǎn)生的能量首先轉(zhuǎn)移到一些特殊的高能化合物中。2/4/20233三、生物氧化中CO2的生成1.直接脫羧作用氧化代謝的中間產(chǎn)物羧酸在脫羧酶的催化下，直接從分子中脫去羧基。例如草酰乙酸的脫羧。2/4/202342.氧化脫羧作用氧化代謝中產(chǎn)生的有機(jī)羧酸（主要是酮酸）在氧化脫羧酶系的催化下，在脫羧的同時(shí)，也發(fā)生氧化（脫氫）作用。2/4/20235四、生物氧化中H2O的生成代謝物MH2氧化型M還原型1/2O2H2O一個(gè)或多個(gè)傳遞體脫氫酶氧化酶2/4/202361.自由能自由能是指一個(gè)化合物分子結(jié)構(gòu)中所固有的能量，是一種能在恒溫、恒壓條件下作功的能量。如果AB,

則△G＝GB–GA五、自由能和氧化還原電位△G僅決定于反應(yīng)物（初始狀態(tài)）的自由能與產(chǎn)物（最終狀態(tài)）的自由能；與反應(yīng)途徑、反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)速度無關(guān)。2/4/20237當(dāng)△G＝0時(shí)，△Go’＝-RTln[B]/[A]＝-2.303RTlgK’eqK’eq是化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)，因此△Go’也是一個(gè)常數(shù)?！鱃＝GB–GA＝△Go’+RTln[B]/[A]△G：自由能變△Go’：標(biāo)準(zhǔn)自由能變R：摩爾氣體常數(shù)[8.314J/(mol.K)]T：熱力學(xué)溫度(K)△G<0，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，放能反應(yīng)?！鱃>0，供給能量才能進(jìn)行，吸能反應(yīng)?！鱃=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。2/4/202382.氧化還原電位△E0’

＝E0’正–E0’負(fù)＝E0’氧化極–E0’還原極E0’

越小，供電子傾向越大，其還原力越強(qiáng)E0’

越大，得電子傾向越大，其氧化力越強(qiáng)△Go’＝-nF△E0’

n：轉(zhuǎn)移電子數(shù)；F：法拉第常數(shù)[96.5KJ/(V.mol)]3.自由能變化和氧化還原電位的關(guān)系2/4/20239六、高能磷酸化合物生物體內(nèi)有許多磷酸化合物，當(dāng)其磷?；鈺r(shí)，釋放大量的能量，這些化合物稱為高能磷酸化合物。如ATP。一般將水解時(shí)能夠釋放21kJ/mol（5千卡/mol）以上自由能（G’<-21kJ/mol）的化合物稱為高能化合物。根據(jù)生物體內(nèi)高能化合物鍵的特性可以把他們分成以下幾種類型。2/4/202310⑴?；姿峄衔?.磷氧鍵型（－O～P）3-磷酸甘油酸磷酸11.8千卡/摩爾⑵烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩爾2/4/202311⑶焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩爾2/4/202312磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩爾7.7千卡/摩爾2.磷氮鍵型（－N～P）2/4/202313磷酸肌酸存在于肌肉、腦和神經(jīng)組織中，它可與ATP相互轉(zhuǎn)化。ATP多時(shí)，以磷酸肌酸的形式貯能；ATP不足時(shí)，磷酸肌酸轉(zhuǎn)化為ATP。因而可認(rèn)為磷酸肌酸是ATP的貯存庫。嚴(yán)格的說，ATP不是能量的貯存者，而是能量的攜帶者和傳遞者。以高能磷酸形式儲(chǔ)存能量的物質(zhì)稱為磷酸原，包括磷酸肌酸和磷酸精氨酸。2/4/202314S-腺苷甲硫氨酸3.硫碳鍵型（－C～S）⑴甲硫鍵化合物?；o酶A⑵硫酯鍵化合物2/4/202315第二節(jié)線粒體及其內(nèi)部氧化體系細(xì)胞內(nèi)的線粒體是生物氧化的主要場(chǎng)所。在生物氧化中，從代謝物上脫下的氫由一系列傳遞體所組成的電子傳遞鏈而轉(zhuǎn)移，最終達(dá)到氧，使氧還原成水，并伴隨著自由能的釋放和ATP的生成。2/4/2023162/4/202317二、線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞鏈在生物氧化過程中，從代謝物上脫下的氫由一系列傳遞體依次傳遞，最后與氧形成水的整個(gè)體系稱為呼吸鏈（respiratorychain）。

由于在傳遞過程中，在很多部位氫原子實(shí)際上以質(zhì)子（H+）形式進(jìn)入基質(zhì)，僅發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，因此呼吸鏈又稱為電子傳遞鏈（electron-transportchain）。2/4/202318電子傳遞鏈基本分為：1.

煙酰胺腺嘌呤核苷酸（NAD+、NADP+）2.

黃素蛋白（FMN、FAD）3.

鐵硫蛋白（Fe－S）4.

泛醌（輔酶Q，CoQ）5.

細(xì)胞色素（cyt）㈡電子傳遞鏈的基本組成2/4/2023192/4/202320通過異咯嗪環(huán)第1位和第10位上的兩個(gè)氮原子反復(fù)進(jìn)行加氫和脫氫反應(yīng)。2/4/202321它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。鐵硫蛋白通過Fe3+

Fe2+變化起傳遞電子的作用。2Fe-2S4Fe-4S2/4/202322它是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為一種脂溶性醌類化合物。2/4/202323細(xì)胞色素是一類含有血紅素輔基的電子傳遞蛋白的總稱。線粒體呼吸鏈中主要含有cyta、cyta3、cytb、cytc和cytc1

5種。組成它們的輔基分別為血紅素A、B和C。細(xì)胞色素主要是通過Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用的。cyta和a3組成一個(gè)復(fù)合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。在電子傳遞過程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+Cu2+的互變.2/4/2023242/4/202325㈢電子傳遞鏈各組分的排列順序線粒體末端氧化呼吸鏈有兩條：1.NADH氧化呼吸鏈

2.琥珀酸氧化呼吸鏈電子從低電位流向高電位：NADHFMN

Fe-S

CoQcytb

Fe-S

cytc1cytccytaa3O2FADH2

Fe-S

2/4/202326兩條呼吸鏈中除NADH、CoQ和cytc外，其余組分形成嵌入內(nèi)膜的結(jié)構(gòu)化超分子復(fù)合體。這些復(fù)合體有4類：Ⅰ.NADH-Q還原酶復(fù)合物

NADH+H+→FMN→Fe-S→→CoQⅡ.琥珀酸－Q還原酶復(fù)合物

FADH2→Fe-S→CoQⅢ.Cytbc1復(fù)合物CoQcytbcytc1cytcⅣ.細(xì)胞色素氧化酶復(fù)合物

cytc

cytaa3O22/4/202327線粒體呼吸鏈2/4/2023282/4/202329㈣電子傳遞鏈的抑制2/4/202330第三節(jié)氧化磷酸化作用氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指生物體氧化過程中釋放出自由能驅(qū)動(dòng)ADP磷酸化形成ATP的過程。線粒體ATP合成的方式有兩種：

1.底物水平磷酸化2.電子傳遞鏈的磷酸化2/4/2023311)底物水平磷酸化(substrate-levelphospharylation)在底物氧化過程中，形成了某些高能磷酸化合物的中間產(chǎn)物，再通過酶的作用促使磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)給ADP生成ATP，稱為底物水平磷酸化。

2/4/202332

X～P+ADP→ATP+X式中X～P代表底物在氧化過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環(huán)中的琥珀酰CoA。在發(fā)酵作用中是進(jìn)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與否無關(guān)。2/4/202333底物水平磷酸化：2/4/2023342/4/2023352)電子傳遞鏈的磷酸化(oxidativeelectrontransfer)電子從NADH或FADH2經(jīng)過電子傳遞鏈傳遞給分子氧時(shí),將所釋放的能量轉(zhuǎn)移給ADP形成ATP,稱為電子傳遞鏈的磷酸化。它是需氧生物合成ATP的一種主要方式。因此通常情況下沒有特殊說明，氧化磷酸化即是指電子傳遞鏈的磷酸化。2/4/202336二、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位根據(jù)氧化-還原電勢(shì)與自由能變化關(guān)系式，計(jì)算出在NADH氧化過程中，有三個(gè)反應(yīng)的G’<-30.5kJ/mol。磷氧比（P/O）是指一對(duì)電子通過呼吸鏈傳遞到氧時(shí)所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。2/4/2023372/4/202338

復(fù)合體Ⅰ

復(fù)合體Ⅲ

復(fù)合體Ⅵ

NADHCoQ

cytbcytc1

cytaa3

O2G’-50.24

-41.87

-100.48

這三個(gè)反應(yīng)分別與ADP的磷酰化反應(yīng)偶聯(lián)。

NADH的P/O比為2.5；FADH2的P/O為1.52/4/202339三、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理㈠ATP合酶（ATPsynthase）ATP合酶由兩個(gè)主要單元構(gòu)成，一是起質(zhì)子通道作用的單元稱為F0單元，另一是催化ATP合成的單元稱為F1單元。故ATP合酶又稱F0F1酶（F0F1－ATPase）。該酶又稱復(fù)合體Ⅴ

2/4/2023402/4/202341㈡氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理化學(xué)滲透假說的要點(diǎn)是：a.線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€(gè)質(zhì)子泵；b.在電子傳遞鏈中，電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時(shí)釋放出來的能量，用于驅(qū)動(dòng)膜內(nèi)側(cè)的H+遷移到膜外側(cè)。這樣，在膜的內(nèi)側(cè)與外側(cè)就產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度(pH)和電位梯度（）；2/4/2023424442/4/202343c.在膜內(nèi)外勢(shì)能差（pH和）的驅(qū)動(dòng)下，膜外高能質(zhì)子沿著一個(gè)特殊通道（ATP酶的組成部分），跨膜回到膜內(nèi)側(cè)。質(zhì)子跨膜過程中釋放的能量，直接驅(qū)動(dòng)ADP和磷酸合成ATP。2/4/2023442/4/2023452/4/202346四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑和抑制劑1.解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑（uncoupler）作用是使電子傳遞和ATP生成的兩個(gè)過程分離。它只抑制ATP的形成，而不抑制電子傳遞過程。如：2,4－二硝基苯酚（DNP）2/4/202347DNP作用機(jī)理圖2/4/202348

2.氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑對(duì)氧的消耗和ATP的形成都有抑制作用，但是它們對(duì)電子傳遞鏈的電子傳遞體沒有直接的抑制作用，因此它們有別于電子傳遞鏈的抑制劑，如前所述的魚藤酮、抗霉素A或氰化物。氧化磷酸化抑制劑的作用方式是直接干擾ATP的生成過程，如寡霉素，它能與ATP合酶中F0上的一個(gè)亞基結(jié)合，干擾質(zhì)子返回基質(zhì)。結(jié)果也使電子傳遞不能進(jìn)行。

2/4/2023493.離子載體抑制劑這是一類脂溶性物質(zhì)。它們能插入線粒體內(nèi)膜脂雙層，又能與某些離子相結(jié)合，并作為離子載體使這些離子能夠穿過膜。它們的解偶聯(lián)劑的區(qū)別在于，它們是作為H+以外的其它一價(jià)陽離子的載體。例如纈氨霉素能結(jié)合K+，短桿菌肽可使K+、Na+及其它一價(jià)陽離子穿過膜。解偶聯(lián)劑2,4-二硝基苯酚是一種H+載體。離子載體抑制劑增大了線粒體內(nèi)膜對(duì)一價(jià)陽離子的通透性，從而破壞了膜兩側(cè)的電位梯度，最終破壞了氧化磷酸化進(jìn)程。如纈氨霉素，短桿菌肽。2/4/202350

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

L-OrnL-Orn

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

短桿菌肽S(環(huán)十肽)2/4/202351五、腺苷酸的轉(zhuǎn)運(yùn)ATP/ADP交換體2/4/202352六、線粒體穿梭系統(tǒng)NADH從細(xì)胞液進(jìn)入線粒體的途徑：1.3-磷酸甘油穿梭途徑（glycerol3-phosphateshuttlesystem）

：主要存在于肌肉細(xì)胞中。2.蘋果酸－天冬氨酸穿梭途徑（malate-aspartateshuttlesystem）：主要存在于心臟和肝細(xì)胞中。2/4/2023532/4/2023543-磷酸甘油穿梭途徑3-磷酸甘油2/4/2023552/4/202356蘋果酸－天冬氨酸穿梭途徑蘋果酸天冬氨酸蘋果酸天冬氨酸