生物氧化生物能

關(guān)于生物氧化生物能第一頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二糖脂肪蛋白質(zhì)CO2和H2OO2能量ADP+PiATP第二頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.1生物氧化的方式和特點(diǎn)6.1.1生物氧化的方式生物氧化是在一系列氧化-還原酶催化下分步進(jìn)行的。每一步反應(yīng)，都由特定的酶催化。在生物氧化過(guò)程中，主要包括如下幾種氧化方式。第三頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二1．脫氫氧化反應(yīng)（1）脫氫在生物氧化中，脫氫反應(yīng)占有重要地位。它是許多有機(jī)物質(zhì)生物氧化的重要步驟。催化脫氫反應(yīng)的是各種類(lèi)型的脫氫酶。第四頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二烷基脂肪酸脫氫琥珀酸脫氫琥珀酸脫氫酶琥珀酸延胡索酸第五頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二醇脫氫成醛酮乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶乳酸丙酮酸第六頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）加水脫氫酶催化的醛氧化成酸的反應(yīng)即屬于這一類(lèi)。第七頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二2．氧直接參加的氧化反應(yīng)這類(lèi)反應(yīng)包括：加氧酶催化的加氧反應(yīng)和氧化酶催化的生成水的反應(yīng)。加氧酶能夠催化氧分子直接加入到有機(jī)分子中。例如，

CH4+NADH+O2

CH3-OH+NAD++H2O甲烷單加氧酶第八頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二氧化酶主要催化以氧分子為電子受體的氧化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為水。在各種脫氫反應(yīng)中產(chǎn)生的氫質(zhì)子和電子，最后都是以這種形式進(jìn)行氧化的。第九頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二3．生成二氧化碳的氧化反應(yīng)（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。例如丙酮酸的脫羧。第十頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）氧化脫羧作用氧化代謝中產(chǎn)生的有機(jī)羧酸,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。例如蘋(píng)果酸的氧化脫羧生成丙酮酸。蘋(píng)果酸丙酮酸第十一頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.1.2生物氧化的特點(diǎn)1，生物氧化是在生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的酶促氧化過(guò)程，反應(yīng)條件溫和（水溶液，pH7和常溫）。2，氧化進(jìn)行過(guò)程中，必然伴隨生物還原反應(yīng)的發(fā)生。3，水是許多生物氧化反應(yīng)的氧供體。通過(guò)加水脫氫作用直接參予了氧化反應(yīng)。4，在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進(jìn)行的。氧化過(guò)程中脫下來(lái)的氫質(zhì)子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水。第十二頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二5，生物氧化是一個(gè)分步進(jìn)行的過(guò)程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反應(yīng)的產(chǎn)物都可以分離出來(lái)。這種逐步進(jìn)行的反應(yīng)模式有利于在溫和的條件下釋放能量，提高能量利用率。6，生物氧化釋放的能量，通過(guò)與ATP合成相偶聯(lián)，轉(zhuǎn)換成生物體能夠直接利用的生物能ATP。第十三頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.2生物能及其存在形式6.2.1生物能和ATP1.ATP是生物能存在的主要形式ATP是能夠被生物細(xì)胞直接利用的能量形式。光合磷酸化：光能通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)變成ATP氧化磷酸化：化學(xué)能通過(guò)生物氧化轉(zhuǎn)變成ATP生物能的化學(xué)本質(zhì)是存儲(chǔ)于ATP分子高能磷酸鍵中的化學(xué)能第十四頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二ATP的特點(diǎn)是一種瞬時(shí)自由能供體。一經(jīng)生成，立馬通過(guò)水解或磷?；磻?yīng)向各種需能活動(dòng)提供能量，而本身則變成ADP或AMPATP、ADP、Pi在細(xì)胞內(nèi)始終處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)ATP和ADP的循環(huán)速率非常快第十五頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.生物化學(xué)反應(yīng)的自由能變化生物化學(xué)反應(yīng)與普通的化學(xué)反應(yīng)一樣,也服從熱力學(xué)的規(guī)律。?G?’=+14kJ/mol?G?’?G?’=-31kJ/mol=-17kJ/mol第十六頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.2.2生物體系中的高能磷酸酯類(lèi)化合物磷酸酯類(lèi)化合物在生物體的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中起著重要作用。許多磷酸酯類(lèi)化合物在水解過(guò)程中都能夠釋放出自由能。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(chēng)為高能化合物。ATP是生物細(xì)胞中最重要的高能磷酸酯類(lèi)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(lèi)型。第十七頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

1,磷氧鍵型（—O~P)(1)酰基磷酸化合物1,3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸10.1千卡/摩爾11.8千卡/摩爾第十八頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二(1)?；姿峄衔锇奔柞Ａ姿狨；佘账岚滨；佘账岬谑彭?yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩爾第二十頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩爾第二十一頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二2,氮磷鍵型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩爾7.7千卡/摩爾這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲(chǔ)存能量的作用。第二十二頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二3,硫酯鍵型5‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸?；o酶A第二十三頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二4,甲硫鍵型S-腺苷甲硫氨酸第二十四頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.3線粒體呼吸鏈和ATP合成

細(xì)胞內(nèi)的線粒體是生物氧化的主要場(chǎng)所，主要功能是將代謝物脫下的氫通過(guò)多種酶及輔酶所組成的電子傳遞體系的傳遞，最終與氧結(jié)合生成水。由供氫體、傳遞體、受氫體以及相應(yīng)的酶催化系統(tǒng)組成的這種代謝途徑一般稱(chēng)為生物氧化還原鏈，當(dāng)受氫體是氧時(shí)，稱(chēng)為呼吸鏈。釋放的能量用來(lái)合成ATP。

第二十五頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.3.1線粒體膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外膜：平滑有彈性。含脂質(zhì)較多，含酶蛋白較少。內(nèi)膜：向內(nèi)折疊突起，稱(chēng)為嵴。分布的酶和蛋白質(zhì)很多，ATP合成電子傳遞過(guò)程在內(nèi)膜上進(jìn)行?；|(zhì)：內(nèi)膜內(nèi)含有的膠體狀物質(zhì)。富含酶和蛋白質(zhì)，還有DNA、RNA和核糖體。糖的有氧分解在基質(zhì)中進(jìn)行。第二十六頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二分布在內(nèi)膜上。由四種酶蛋白復(fù)合物組成，以超分子的形式存在。6.3.2線粒體呼吸鏈的組成第二十七頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二NADH-輔酶Q氧化還原酶復(fù)合體

輔酶Q-細(xì)胞色素C氧化還原酶復(fù)合體細(xì)胞色素C氧化酶復(fù)合體

琥珀酸-輔酶Q氧化還原酶復(fù)合體第二十八頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二線粒體呼吸鏈第二十九頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二NADH：還原型輔酶它是由NAD+接受多種代謝產(chǎn)物脫氫得到的產(chǎn)物。NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。第三十頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三十一頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二鐵硫蛋白鐵硫蛋白(簡(jiǎn)寫(xiě)為Fe-S)是一種與電子傳遞有關(guān)的蛋白質(zhì)，是NADHQ還原酶的活性部位，與其它蛋白質(zhì)組分結(jié)合成復(fù)合物形式存在。第三十二頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二鐵硫蛋白它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有兩個(gè)活潑的無(wú)機(jī)硫和兩個(gè)鐵原子。鐵硫蛋白通過(guò)Fe3+

Fe2+

變化起傳遞電子的作用第三十三頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二NADH泛醌還原酶簡(jiǎn)寫(xiě)為NADHQ還原酶,即復(fù)合物I，它的作用是催化NADH的氧化脫氫以及Q的還原。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。NADHQ還原酶最少含有16個(gè)多肽亞基。它的活性部分含有輔基FMN和鐵硫蛋白。FMN的作用是接受脫氫酶脫下來(lái)的電子和質(zhì)子，形成還原型FMNH2。還原型FMNH2可以進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)移給Q。

NADHQ還原酶

NADH+Q+H+=========NAD++QH2第三十四頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二NADH泛醌還原酶第三十五頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三十六頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

泛醌（簡(jiǎn)寫(xiě)為Q）或輔酶-Q（CoQ）：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(lèi)化合物。第三十七頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二輔酶-Q的功能Q(醌型結(jié)構(gòu))很容易接受電子和質(zhì)子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出電子和質(zhì)子，重新氧化成Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。第三十八頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

泛醌細(xì)胞色素c還原酶簡(jiǎn)寫(xiě)為QH2-cyt.c還原酶,即復(fù)合物III,它是線粒體內(nèi)膜上的一種跨膜蛋白復(fù)合物，其作用是催化還原型QH2的氧化和細(xì)胞色素c（cyt.c）的還原。

QH2-cyt.c還原酶QH2+2cyt.c(Fe3+)====Q+2cyt.c(Fe2+)+2H+QH2-cyt.c還原酶由9個(gè)多肽亞基組成?；钚圆糠种饕?xì)胞色素b和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。第三十九頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二第四十頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二細(xì)胞色素(簡(jiǎn)寫(xiě)為cyt.)是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環(huán)的中心，構(gòu)成血紅素。各種細(xì)胞色素的輔基結(jié)構(gòu)略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有細(xì)胞色素a,b,c和c1等，組成它們的輔基分別為血紅素A、B和C。細(xì)胞色素a,b,c可以通過(guò)它們的紫外-可見(jiàn)吸收光譜來(lái)鑒別。細(xì)胞色素主要是通過(guò)Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用的。第四十一頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

細(xì)胞色素c（cyt.c）它是電子傳遞鏈中一個(gè)獨(dú)立的蛋白質(zhì)電子載體，位于線粒體內(nèi)膜外表，屬于膜周蛋白，易溶于水。它與細(xì)胞色素c1含有相同的輔基，但是蛋白組成則有所不同。在電子傳遞過(guò)程中，cyt.c通過(guò)Fe3+

Fe2+

的互變起電子傳遞中間體作用。第四十二頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二由于QH2是一個(gè)雙電子載體，而參與上述反應(yīng)過(guò)程的其它組分(如cyt.c)都是單電子傳遞體，所以，實(shí)際反應(yīng)情況比較復(fù)雜。QH2所攜帶的一個(gè)高能電子通過(guò)鐵硫蛋白，傳遞給cyt.c，本身形成半醌自由基（QH）；另一個(gè)電子則傳遞給cyt.b。還原型cyt.b可以將QH

還原成QH2。其結(jié)果是通過(guò)一個(gè)循環(huán)，QH2將其中的一個(gè)電子傳遞給cyt.c。第四十三頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

細(xì)胞色素c氧化酶簡(jiǎn)寫(xiě)為cyt.c氧化酶，即復(fù)合物IV，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復(fù)合物，由12個(gè)多肽亞基組成。活性部分主要包括cyt.a和a3。第四十四頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二Cyt.a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。Cyt.a和a3可以直接以O(shè)2為電子受體。在電子傳遞過(guò)程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+

Cu2+

的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2。第四十五頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二細(xì)胞色素c氧化酶第四十六頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二琥珀酸-Q還原酶琥珀酸是生物代謝過(guò)程（三羧酸循環(huán)）中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，它在琥珀酸-Q還原酶（復(fù)合物II）催化下，將兩個(gè)高能電子傳遞給Q。再通過(guò)QH2-cyt.c還原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶將電子傳遞到O2。第四十七頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二琥珀酸-Q還原酶也是存在于線粒體內(nèi)膜上的蛋白復(fù)合物,它比NADH-Q還原酶的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由4個(gè)不同的多肽亞基組成。其活性部分含有輔基FAD和鐵硫蛋白。琥珀酸-Q還原酶的作用是催化琥珀酸的脫氫氧化和Q的還原。第四十八頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二1.NADH氧化呼吸鏈NADH→復(fù)合體Ⅰ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O22.琥珀酸氧化呼吸鏈

琥珀酸→復(fù)合體Ⅱ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2第四十九頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二電子傳遞鏈第五十頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、氧化-還原電勢(shì)與自由能的變化在生物氧化反應(yīng)中，氧化與還原總是相互偶聯(lián)的。一個(gè)化合物（還原劑）失去電子，必然伴隨另一個(gè)化合物(氧化劑）接受電子。在線粒體呼吸鏈中，推動(dòng)電子從NADH傳遞到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+

和1/2O2/H2O兩個(gè)半反應(yīng)之間存在很大的電勢(shì)差。(a)?O2+2H++2e-

H2OE?’=+0.82V(b)NAD++H++2e-

NADHE?’=-0.322V將(a)減去(b)，即得(c)式：(c)?O2+NADH+2H+

H2O+NAD+E?’=+1.14VG?’=-nFE?’=-2965001.14=-220kJ/mol第五十一頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.3.4電子傳遞和ATP的合成

NADH或琥珀酸所攜帶的高能電子通過(guò)線粒體呼吸鏈傳遞到O2的過(guò)程中，釋放出大量的能量。這種高能電子傳遞過(guò)程的釋能反應(yīng)與ADP和磷酸合成ATP的需能反應(yīng)相偶聯(lián)，是ATP形成的基本機(jī)制。第五十二頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二1.ATP酶復(fù)合體

線粒體內(nèi)膜的表面有一層規(guī)則地間格排列著的球狀顆粒，稱(chēng)為ATP酶復(fù)合體，是ATP合成的場(chǎng)所。第五十三頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二F1為ATP酶，含有5種不同的亞基（按3、3、1、1

和1

的比例結(jié)合）。OSCP為一個(gè)蛋白，是能量轉(zhuǎn)換的通道。F0為一個(gè)疏水蛋白，是與線粒體電子傳遞系統(tǒng)連接的部位。F0OSCPF1第五十四頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.ATP合成反應(yīng)-氧化磷酸化生物氧化的釋能反應(yīng)與ADP的磷酰化反應(yīng)偶聯(lián)合成ATP的過(guò)程，稱(chēng)為氧化磷酸化。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(guò)程中，有三個(gè)反應(yīng)的G’<-30.5kJ/mol。

FMNH2

Qcyt.bcyt.c1cyt.aa3

O2G’-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/moL

這三個(gè)反應(yīng)分別與ADP的磷?；磻?yīng)偶聯(lián)，產(chǎn)生3個(gè)ATP。這些反應(yīng)稱(chēng)為呼吸鏈的偶聯(lián)部位。從琥珀酸

O2只產(chǎn)生2個(gè)ATP.第五十五頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二第五十六頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二呼吸鏈的組成四種具有傳遞電子功能的酶復(fù)合體(complex)*泛醌和Cytc

均不包含在上述四種復(fù)合體中。人線粒體呼吸鏈復(fù)合體第五十七頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.電子傳遞反應(yīng)與ATP合成偶聯(lián)機(jī)制化學(xué)滲透假說(shuō)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(lái)的能量，用于驅(qū)動(dòng)膜內(nèi)側(cè)的H+遷移到膜外側(cè)（膜對(duì)H+是不通透的）。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（）；第五十八頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二c.

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(guò)程中釋放的能量，直接驅(qū)動(dòng)ADP和磷酸合成ATP。第五十九頁(yè)，共六十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+H+胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)++++++++++---------化學(xué)滲透假說(shuō)詳細(xì)示意圖