第21章 生物氧化

第二十一章氧化磷酸化維持生命活動的能量來源光能（太陽能）：植物和某些藻類，通過光合作用將光能轉(zhuǎn)變成生物能?；瘜W(xué)能：動物和多數(shù)微生物，通過生物氧化作用將有機物質(zhì)存儲的化學(xué)能釋放出來，并轉(zhuǎn)變成生物能（ATP傳遞）。氧化磷酸化作用：細(xì)胞內(nèi)的有機分子經(jīng)過氧化分解成CO2和H2O,并釋放出能量使ADP和Pi合成ATP的過程。ATP生成形式光合磷酸化:在光照條件下，葉綠體將ADP和無機磷(Pi)結(jié)合形成ATP的生物學(xué)過程。是光合細(xì)胞吸收光能后轉(zhuǎn)換成化學(xué)能的一種貯存形式。

氧化磷酸化呼吸鏈氧化磷酸化:氧化磷酸化是電子從NADH和FADH2經(jīng)過電子傳遞鏈傳給氧形成水，這個過程偶聯(lián)著ADP磷酸化生成ATP。

底物水平磷酸化:底物分子中的能量直接以高能鍵

形式轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP，這個過程稱為底物水平磷酸化

生物氧化（biologicaloxidation）有機物質(zhì)在生物體內(nèi)的氧化作用在組織細(xì)胞中進(jìn)行通常需要消耗氧，生成CO2呼吸作用有機物質(zhì)最終被氧化成CO2和水釋放出能量脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中間物進(jìn)入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位

生物體內(nèi)能量產(chǎn)生的三個階段生物氧化的特點1、酶促氧化過程、反應(yīng)條件溫和2、氧化與還原相偶聯(lián)3、質(zhì)子和電子由載體傳遞到氧生成水4、分步進(jìn)行：有利于提高能量利用率5、氧化磷酸化

（1）代謝脫下的成對氫原子（2H）通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，在此過程中有ATP的產(chǎn)生（狹義的生物氧化）；（2）酶和輔酶按一定順序排列在線粒體內(nèi)膜；傳遞氫的酶和輔酶——遞氫體傳遞電子的酶和輔酶——遞電子體（3）此過程與細(xì)胞呼吸有關(guān)，此傳遞鏈稱為呼吸鏈。遞氫體、遞電子體都起傳遞電子的作用，又稱電子傳遞體。由呼吸鏈生成水一、氧化—還原電勢鋅片溶解Zn2+進(jìn)入溶液銅沉積Cu2+得電子e提供電子（還原劑）負(fù)極得到電子（氧化劑）正極電子流動的方向是從鋅電極（負(fù)極）流向銅電極（正極）Zn=Zn2++2eCu2++2e=Cu0原電池的電動勢ε=E正極—E負(fù)極

標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電極勢為025℃、一大氣壓氫壓力、H+活度為1M、pH=0將任何一對氧化還原物質(zhì)的氧化還原對連在一起，都有氧化還原電位的產(chǎn)生。如果將氧化還原物質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成原電池，即可測出氧化還原電勢。標(biāo)準(zhǔn)氧還原電勢用E°表示。E°值愈大，獲得電子的傾向愈大；E°愈小，失去電子的傾向愈大標(biāo)準(zhǔn)電動勢ε：反應(yīng)中各種物質(zhì)的活度均為1mol/L濃度時的電動勢。標(biāo)準(zhǔn)還原勢E：電解質(zhì)溶液各物質(zhì)的活度為1mol/L時的電極勢。

ε=E正極—E負(fù)極

?????一、氧化－還原電勢能斯特方程

對于生物化學(xué)反應(yīng)，一般是在pH7（而不是pH=0）的環(huán)境下，于是將標(biāo)準(zhǔn)還原勢用EnFRTEE][][ln電子供體電子受體+=??’還原勢每個電極都有自己的標(biāo)準(zhǔn)電極勢，有的為正，有的為負(fù)。鋅電極為-0.76銅電極為+0.34鋅的還原能力強，而銅離子的氧化能力強氧化還原反應(yīng)中，失去電子的物質(zhì)稱為還原劑，得到電子的物質(zhì)稱為氧化劑。還原劑失去電子的傾向（或氧化劑得到電子的傾向）的大小，則稱為氧化還原電勢。氧化還原反應(yīng)的ε判據(jù)對于氧化還原反應(yīng)來說，反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行，是反應(yīng)進(jìn)行的限度。如果已知兩個氧還電對的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢，可以根據(jù)ΔG0’=－nFΔE0’計算出該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化值。NADH+H++1/2O2====NAD++H2O

正極反應(yīng)：1/2O2+2H++2e

H2O

E+°′

0.82負(fù)極反應(yīng)：NAD++H++2e

NADH

E-°′

-0.3ΔG°′

-nFΔE°′

-2×96485×[0.82-(-0.32)]

-220KJ·mol-1

線粒體的基本結(jié)構(gòu)二、電子傳遞和氧化呼吸鏈（一）電子傳遞過程按照電子的親和力遞增的順序傳遞電子的傳遞僅發(fā)生在相鄰傳遞體之間pH7標(biāo)準(zhǔn)還原勢E0’決定電子流動方向（二）呼吸鏈由供氫體、傳遞體、受氫體以及相應(yīng)的酶催化系統(tǒng)組成的代謝途徑一般稱為生物氧化還原鏈，當(dāng)受氫體是氧時，稱為呼吸鏈。（三）電子傳遞鏈NADH氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈（三）電子傳遞鏈（四）電子傳遞鏈的組成成分

1、NADH-Q還原酶（NADH脫氫酶、復(fù)合體Ⅰ）電子傳遞：NADHFMNFe-SCoQ黃素單核苷酸黃素腺嘌呤二核苷酸鐵硫蛋白（Fe-S）

（非血紅素蛋白）與電子傳遞有關(guān)與其他遞氫體或電子傳遞體結(jié)合成復(fù)合物存在鐵硫蛋白

鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其中鐵原子可進(jìn)行Fe2+

Fe3++e反應(yīng)傳遞電子。通過Fe3+

Fe2+變化起傳遞電子的作用Differenttypesofiron-sulfurcentersIronatomscyclebetween

Fe2+(reduced)andFe3+(oxidized).（四）電子傳遞鏈的組成成分2、輔酶Q

（CoQ、Q、泛醌）泛醌（輔酶Q,CoQ,Q）由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈（人CoQ10）,不同種類CoQ側(cè)鏈異戊二烯基數(shù)目不同脂溶性輔酶、可在脂雙層中擴散與蛋白質(zhì)結(jié)合不緊密靈活的電子載體輔酶-Q的功能還原型QH2氧化型Q電子和質(zhì)子的傳遞體半醌型CoQ和電子傳遞體的碰撞是電子傳遞的前提和條件Moviecomplex1復(fù)合體I功能:1,通過FMN將基質(zhì)中NADH上氫負(fù)離子和一個質(zhì)子轉(zhuǎn)移給輔酶Q.2,從基質(zhì)中轉(zhuǎn)移4個質(zhì)子到線粒體內(nèi)外膜的間隙（四）電子傳遞鏈的組成成分3、琥珀酸—Q還原酶（復(fù)合體Ⅱ）嵌在線粒體內(nèi)膜（包括琥珀酸脫氫酶）電子傳遞：琥珀酸FADH2Fe-S細(xì)胞色素b560CoQUbiquinone(Q)acceptselectronsfrombothNADHandFADH2intherespiratorychainMoviecomplex2（四）電子傳遞鏈的組成成分4、細(xì)胞色素還原酶（復(fù)合體Ⅲ）cytochrome,Cyt是含鐵的Pr

以血紅素為輔基電子傳遞蛋白通過Fe3+

Fe2+互變起傳遞電子的作用功能：電子傳遞CoQ膜間隙的Cytc，同時將質(zhì)子定向從基質(zhì)轉(zhuǎn)移到膜間隙Cyta：輔基是血紅素ACytb：------------------BCytc：------------------C——卟啉的側(cè)鏈基團不同Cyt的鐵卟啉一般以非共價鍵與酶蛋白結(jié)合Cytc例外，以硫醚鍵共價結(jié)合細(xì)胞色素還原酶（CoQ-細(xì)胞色素c還原酶）Cytb562/bHCytb566/bLCytc1Cytb硫醚鍵c型Cytb型Cyt為乙烯基所處多肽環(huán)境不同Cytochromebc1complex(complexIII)Q循環(huán)Moviecomplex3（四）電子傳遞鏈的組成成分5、細(xì)胞色素c（cytc）單一多肽鏈易溶于水與Cytc1含相同輔基，但蛋白組成不同（四）電子傳遞鏈的組成成分6、細(xì)胞色素氧化酶（Cytc氧化酶、復(fù)合體Ⅳ）位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復(fù)合物活性部分主要包括cyta和a3Cytaa3復(fù)合體(細(xì)胞色素c氧化酶)除含2個鐵卟啉，還含2個銅原子(Cu+

Cu2+)Thethreecriticalsubunitsofcytochromeoxidase

Cua-CuA聚族a3-CuB聚族Moviecomplex41.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→O2NADH氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈（五）電子傳遞抑制劑——阻斷呼吸鏈中某部位電子傳遞的物質(zhì)；氧化作用受阻、能量釋放減少魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素阻斷電子由NADH向CoQ的傳遞；抗霉素A抑制電子從Cytb到Cytc1的傳遞；氰化物、疊氮化物、CO等阻斷電子由Cytaa3傳遞到氧OxidizedReducedReducedOxidizedReducedElectroncarriersmayhaveanorderofincreasingE`0從NADH到分子氧每一電子傳遞體得電子的傾向逐漸增大電子總是從低電勢流向高電勢三、氧化磷酸化作用的機制代謝物的氧化（脫氫）作用與ADP的磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)生成ATP的過程。部位：線粒體內(nèi)膜（真核）胞漿膜（原核細(xì)胞）數(shù)目、形狀因細(xì)胞而異底物水平磷酸化沒有氧的參與分子內(nèi)部所含能量重新分配，生成高能磷酸鍵也稱代謝物水平磷酸化（一）線粒體膜的結(jié)構(gòu)特點兩層膜結(jié)構(gòu)：外膜和內(nèi)膜

外膜平滑、有彈性

內(nèi)膜有許多向內(nèi)折疊的突起（嵴）

外膜脂質(zhì)多、密度小

內(nèi)膜Pr含量高、密度稍大

對代謝物的通透性不同、酶的分布不同（二）氧化磷酸化的偶聯(lián)機制1、ATP的合成部位NADH氧化過程中有三個反應(yīng)

G

’值大于30.5kJ/molNADHFMNcytb

cytc1cytaa3

O2-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/mol復(fù)合物ⅣCytc氧化酶復(fù)合物Ⅲ泛醌

Cytc還原酶復(fù)合物ⅠNADH脫氫酶NADH+H++?O2H2O+NAD+ΔG°'=-220kJ/mol電子通過線粒體呼吸鏈傳遞到O2的過程中，釋放出大量能量；這種電子傳遞過程的釋能反應(yīng)與ADP和磷酸合成ATP的需能反應(yīng)相偶聯(lián)，是ATP形成的基本機制。從NADH

O2產(chǎn)生2.5個ATP從FADH2

O2產(chǎn)生1.5個ATPP/O比值—消耗1摩爾氧有多少無機磷轉(zhuǎn)化為有機磷—一對電子經(jīng)呼吸鏈傳至氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)

反映氧化磷酸化的效率P/O比

用組織勻漿以及組織切片做的實驗表明，組織利用O2的同時，ATP含量隨之增加，每消耗1個O原子約合成3個ATP分子。這個比例稱為P/O比。P/O比又可以看作是一對電子通過呼吸電子傳遞鏈傳至O2所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。根據(jù)P/O比為3，人們認(rèn)為在電子傳遞鏈中，ATP是在3個不連續(xù)的部位生成的，根據(jù)電子傳遞鏈中各環(huán)節(jié)釋放的能量，也確實有3個部位釋放的能量大于合成ATP所需的能量。FADH2進(jìn)入電子傳遞鏈后的P/O比為2，說明它繞過了1個生成ATP的部位。

三、氧化磷酸化作用的機理1、有關(guān)氧化磷酸化機理的幾種假說化學(xué)偶聯(lián)假說構(gòu)象偶聯(lián)假說化學(xué)滲透假說（1）化學(xué)偶聯(lián)假說（1953年）（掌握要點）chemicalcouplinghypothesis

認(rèn)為電子傳遞反應(yīng)釋放的能量通過一系列連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)形成高能共價中間物，最后將其能量轉(zhuǎn)移到ADP中形成ATP。AH2+B+I