章生物能學(xué)原理及氧化

第十一章生物能學(xué)原理及生物氧化PrincipleofBioenergeticsandBiologicalOxidation物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行氧化稱生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時(shí)逐步釋放能量，最終生成CO2和H2O的過程。此過程需耗氧、排出CO2，又在活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，故又稱細(xì)胞呼吸(cellularrespiration)。

*生物氧化（biologicaloxidation）的概念糖脂肪蛋白質(zhì)CO2和H2OO2能量ADP+PiATP熱能*生物氧化的一般過程第一節(jié)生物能學(xué)的基本原理PrinciplesofBioenergetics一、生物系統(tǒng)遵循熱力學(xué)定律一個體系及其周圍環(huán)境的總能量是一個常數(shù)。能量可以在系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)移，或從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。有機(jī)化合物氧化時(shí)釋放的能量等于該物質(zhì)所具有的化學(xué)鍵能與其氧化產(chǎn)物所含化學(xué)鍵能之差。（一）熱力學(xué)第一定律——能量守恒定律熵（entropy）表示一個系統(tǒng)的無序或隨機(jī)程度。常用?G(自由能的變化)衡量一個生物化學(xué)過程是否能夠自發(fā)進(jìn)行：?G<0，反應(yīng)不可逆?G>0，反應(yīng)為吸能反應(yīng)（?G值越大，則系統(tǒng)越穩(wěn)定，發(fā)生反應(yīng)的傾向越小。）?G=0，反應(yīng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)（二）熱力學(xué)第二定律

——自動發(fā)生的過程總熵增加?Go:當(dāng)反應(yīng)物濃度為1mol/L，反應(yīng)溫度為25℃，壓力為1大氣壓時(shí)，用?Go表示標(biāo)準(zhǔn)自由能變化。?Go

：生物化學(xué)反應(yīng)時(shí)，將pH定為7.0，這種狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化用?Go

表示。?Go

可根據(jù)平衡常數(shù)Keg進(jìn)行計(jì)算：

?Go

=-2.303RTlogKeg

R為氣體常數(shù)R=8.31×10-3kJ/mol·K，T為絕對溫度。

（一）代謝物轉(zhuǎn)變時(shí)釋放的自由能提供另一種代謝物的轉(zhuǎn)變二、體內(nèi)吸能過程與放能過程偶聯(lián)進(jìn)行A+C→B+D+熱能（二）一個熱力學(xué)上不利的反應(yīng)可被熱力學(xué)有利的反應(yīng)驅(qū)動AB+CBDAD+C（三）放能反應(yīng)時(shí)生成高能化合物提供吸能反應(yīng)所需的自由能ACB~DEE～E代表高能化合物，E為相應(yīng)的低能化合物

三、ATP在能量捕獲、轉(zhuǎn)移、儲存和利用過程中起核心作用一般將?Go

大于ATP（包括ATP），或?Go

大于21kJ/mol的磷酸化合物稱為高能磷酸化合物。用符號~P表示高能磷酸鍵。（一）高能磷酸化合物的磷?；鈺r(shí)釋放出大量自由能高能磷酸化合物:一些生物學(xué)重要的有機(jī)磷酸化合物水解時(shí)釋放的標(biāo)準(zhǔn)自由能化合物?Go

kJ/mol（kcal/mol）磷酸烯醇式丙酮酸-61.9(-14.8)氨基甲酰磷酸-51.4(-12.3)1,3-二磷酸甘油酸-49.3(-11.8)磷酸肌酸-43.1(-10.3)ATP→ADP+Pi-30.5(-7.3)ADP→AMP+Pi-27.6(-6.6)焦磷酸-27.6(-6.6)1-磷酸葡萄糖-20.9(-5.0)6-磷酸果糖-15.9(-3.8)AMP-14.2(-3.4)6-磷酸葡萄糖-13.8(-3.3)3-磷酸甘油醛-9.2(-2.2)（二）ATP將熱力學(xué)上不利的過程和有利的反應(yīng)相偶聯(lián)體內(nèi)許多代謝物的“活化”反應(yīng)（吸能）大多直接或間接地與ATP酸酐鍵的水解放能反應(yīng)相偶聯(lián)，使“活化”反應(yīng)能順利進(jìn)行。OCH2HOHOHOHHOHHOHHH葡萄糖ATPADPMg2+己糖激酶(hexokinase)OHOHOHHOHHOHHOCH2H6-磷酸葡萄糖PP（三）腺苷酸激酶（adenylatekinase）催化腺嘌呤核苷酸之間相互轉(zhuǎn)變

ATP+AMP2ADP（四）核苷二磷酸激酶催化UTP、CTP、GTP生成

ATP+UDP→ADP+UTP

ATP+CDP→ADP+CTP

ATP+GDP→ADP+GTP（五）磷酸肌酸作為肌和腦中能量的一種儲存形式ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P機(jī)械能(肌肉收縮)滲透能(物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運(yùn))化學(xué)能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)生物體內(nèi)能量的儲存和利用都以ATP為中心。人體內(nèi)ATP的來源和去路:第二節(jié)

氧化磷酸化

OxidativePhosphorylation定義代謝物脫下的成對氫原子(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，這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈(respiratorychain)又稱電子傳遞鏈(electrontransferchain)。組成遞氫體和電子傳遞體（2H

2H++2e）一、氧化呼吸鏈又稱電子傳遞鏈（一）氧化呼吸鏈由4種復(fù)合體所組成*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)合體復(fù)合體酶名稱復(fù)合體Ⅰ復(fù)合體Ⅱ復(fù)合體Ⅲ復(fù)合體ⅣNADH-泛醌還原酶琥珀酸-泛醌還原酶泛醌-細(xì)胞色素C還原酶細(xì)胞色素C氧化酶輔基FMN，F(xiàn)e-SFAD，F(xiàn)e-S鐵卟啉，F(xiàn)e-S鐵卟啉，Cu多肽鏈數(shù)3941113呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置1.復(fù)合體Ⅰ將NADH+H+中的兩個電子傳遞給泛醌（ubiquinone）

復(fù)合體ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu)R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+（NADP+）

的加氫和脫氫反應(yīng)

氧化還原反應(yīng)的變化發(fā)生在五價(jià)氮和三價(jià)氮之間。FMN的加氫和脫氫反應(yīng)

FMN結(jié)構(gòu)中含核黃素，功能部位是異咯嗪環(huán)，氧化還原反應(yīng)時(shí)不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN?。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。?表示無機(jī)硫鐵硫簇(iron-sulfurcluster

)的結(jié)構(gòu)

鐵硫蛋白(iron-sulfurprotein

)SS無機(jī)硫半胱氨酸硫泛醌（CoenzymeQ

,CoQ,Q）由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反應(yīng)時(shí)可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。泛醌的加氫和脫氫反應(yīng)

NADH→FMN→N1a

→（N3,N1b,N4）→N2→

QP-N→Q

（Fe2S2）（Fe4S4）（Fe2S2）（Fe4S4）（Fe4S4）目前推測復(fù)合體Ⅰ中電子傳遞順序如下：2.復(fù)合體Ⅱ?qū)㈦娮訌溺晁醾鬟f給泛醌

（FAD，S1）→S3→QP-S琥珀酸→→Q復(fù)合體Ⅱ中電子傳遞順序:一些含有FAD的脫氫酶也可將底物中的電子傳遞給泛醌。細(xì)胞色素（Cytochrome，Cyt）

細(xì)胞色素是一類以血紅素（heme）為輔基的電子傳遞蛋白，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。各種還原型細(xì)胞色素的主要光吸收峰細(xì)胞色素波長（nm）αβγa600439b562532429c550521415c1554524418血紅素中的鐵原子可進(jìn)行Fe2+Fe3++e反應(yīng)傳遞電子,屬單電子傳遞體。3.復(fù)合體Ⅲ將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素c泛醌-細(xì)胞色素C還原酶同二聚體結(jié)構(gòu)

復(fù)合體ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1復(fù)合體Ⅲ傳遞電子的過程通過Q循環(huán)(Qcycle)來實(shí)現(xiàn):（1）第一分子QH2氧化過程（2）第二分子QH2氧化過程

QH2QH2Fe2S22H+Q·ˉQQeˉc1eˉeˉeˉbLbHQ0QieˉQH2QH2Fe2S22H+Q·ˉQQeˉc1eˉeˉeˉbLbHQ0QieˉQH22H+Q·ˉQ·ˉ4.復(fù)合體Ⅳ將電子從細(xì)胞色素C傳遞給氧

復(fù)合體Ⅳ還原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB其中Cyta3

和CuB形成的活性部位將電子交給O2。細(xì)胞色素C氧化酶CuA中心細(xì)胞色素氧化酶a3-CuB中心Fe(Ⅱ)

Fe(Ⅱ)CuB2+CuB2+CuB+CuB+HO-YHO-Y(Tyrosine244)HO-YHO-YHO-YHO-YHO-YO2Fe(III)Fe(IV)Fe(IV)Fe(IV)Fe(III)+Fe(III)+Fe(III)e-e-H+H2OH+CuB+OH∣CuB+CuB2+·O-YO=OOH∣OH∣O‖O‖O‖O-OOH∣CuB+H+H2Oe-H+,e-

細(xì)胞色素C氧化酶a3-CuB中心使O2還原生成H2O的過程目錄

由以下實(shí)驗(yàn)確定:①標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位②特異抑制劑阻斷③還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧④拆開和重組（二）氧化呼吸鏈組分按氧化還原電位從低到高排列目錄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氧化呼吸鏈可分為兩條途徑:NADH氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈電子傳遞鏈氧化呼吸鏈電子傳遞概貌α

二、氧化磷酸化將氧化呼吸鏈釋能與ADP磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)*定義氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化。

底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)是底物分子內(nèi)部能量重新分布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成ATP的過程。（一）復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ是氧化磷酸化偶聯(lián)部位1.根據(jù)P/O比值推測氧化磷酸化偶聯(lián)部位線粒體離體實(shí)驗(yàn)測得的一些底物的P/O比值注：近年的實(shí)驗(yàn)確定，NADH呼吸鏈P/O比值大約為2.5；琥珀酸呼吸鏈P/O比值約為1.5。2.根據(jù)電子傳遞時(shí)自由能變化確定可能的偶聯(lián)部位⊿Go'=-nF⊿Eo'電子傳遞鏈自由能變化

區(qū)段電位變化(⊿Eo′)自由能變化⊿Go′=-nF⊿Eo′能否生成ATP(⊿Go′是否大于30.5kJ)Cytaa3~O20.53V102.3kJ/mol能NAD+~CoQ0.36V69.5kJ/mol能CoQ~Cytc0.21V40.5kJ/mol能ATPATPATP氧化磷酸化偶聯(lián)部位（二）氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制是跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度化學(xué)滲透假說(chemiosmotichypothesis)

電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，驅(qū)動質(zhì)子（H+）從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，從而產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲存能量,當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動ADP與Pi生成ATP。線粒體基質(zhì)

線粒體膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化學(xué)滲透假說簡單示意圖氧化呼吸鏈質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)移的機(jī)制F1:親水部分(α3β3γδε亞基,OSCP,IF1亞基)F0:疏水部分(a,b2,c9~12亞基)（三）ATP合酶利用質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)釋放的能量合成ATP

1.ATP合酶（ATPsynthase）由F1

和F0組成2.質(zhì)子通過ATP合酶Fo順濃度梯度回流使F1γ亞基旋轉(zhuǎn)ATP合酶Fo中a亞基和c亞基結(jié)構(gòu)示意通過C環(huán)的旋轉(zhuǎn)，質(zhì)子從內(nèi)膜胞漿側(cè)進(jìn)入胞漿半通道，通過基質(zhì)半通道釋放進(jìn)入線粒體基質(zhì)。c環(huán)與γδ亞基緊密相連，當(dāng)c環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)會帶動γ亞基旋轉(zhuǎn)。當(dāng)H+順濃度遞度經(jīng)Fo中a亞基和c亞基之間回流時(shí)，γ亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個β亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。ATP合酶的工作機(jī)制3.γ亞基旋轉(zhuǎn)使β亞基構(gòu)象改變導(dǎo)致ATP合成和釋放三、一些因素影響氧化磷酸化的進(jìn)行呼吸鏈抑制劑阻斷氧化呼吸鏈的電子傳遞

如：魚藤酮（rotenone）

2.解偶聯(lián)劑使氧化與磷酸化偶聯(lián)過程脫離如：解偶聯(lián)蛋白（uncouplingprotein,UCP）

3.ATP合酶抑制劑對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用

如：寡霉素（oligomycin）

（一）氧化磷酸化抑制劑有3類魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥×抗霉素A二巰基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn)不同底物和抑制劑對線粒體氧耗的影響

解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)解偶聯(lián)蛋白熱能H+H+ADP+PiATP寡霉素(oligomycin)可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成。寡霉素ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖（二）正常機(jī)體氧化磷酸化速率主要受ADP調(diào)節(jié)呼吸鏈電子傳遞和ATP生成的偶聯(lián)關(guān)系是相互依賴的。呼吸控制率(respiratorycontrolratio,RCR)（三）甲狀腺激素使機(jī)體耗氧和產(chǎn)熱均增加

甲狀腺激素誘導(dǎo)Na+,K+–ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)增加。（四）線粒體DNA突變使氧化磷酸化功能降低線粒體DNA（mitochondrialDNA,mtDNA）病衰老電子傳遞鏈及氧化磷酸化系統(tǒng)概貌ΔμH+跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度；H+m內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)H+；H+c

內(nèi)膜胞液側(cè)H+目錄四、線粒體內(nèi)膜對物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)具有選擇性線粒體基質(zhì)與胞漿之間有線粒體內(nèi)、外膜相隔，外膜對物質(zhì)通透的選擇性不強(qiáng)，內(nèi)膜依賴各種跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(transporter)對各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。線粒體內(nèi)膜中的一些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對代謝物轉(zhuǎn)運(yùn)（一）胞漿中的NADH通過穿梭進(jìn)入線粒體參加氧化磷酸化轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制主要有兩條:α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)蘋果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)1.

α-磷酸甘油穿梭主要存在于骨骼肌和腦中2.

蘋果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于心肌和肝中（二）腺苷酸移位酶使ATP和ADP反向轉(zhuǎn)運(yùn)腺苷酸移位酶（adeninenucleotidetranslocase）又稱腺苷酸載體（adeninenucleotidecarrier）或腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。

（三）Ca2+通過線粒體內(nèi)膜中兩種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)出線粒體線粒體是儲存Ca2+的細(xì)胞器。由膜電位驅(qū)動，通過內(nèi)膜中的鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（calciumuniporter）轉(zhuǎn)運(yùn)，使Ca2+進(jìn)入線粒體。轉(zhuǎn)運(yùn)速度隨胞漿中[Ca2+]濃度增加而增加。線粒體基質(zhì)中的Ca2+與胞漿中的Na+可通過Na+-Ca2+交換蛋白（Na+-Ca2+exchanger）對向轉(zhuǎn)運(yùn)。（四）線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中均存在3個前后重復(fù)的結(jié)構(gòu)線粒體內(nèi)膜還存在其他與代謝物轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，它們大多含有3個以100個氨基酸殘基為單位的重復(fù)結(jié)構(gòu)，空間結(jié)構(gòu)分析，每個單位存在兩個跨膜段，有利于形成跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)通道。

第三節(jié)

不生成ATP的氧化途徑OxidationWithoutATPGeneration一、微粒體細(xì)胞色素P450單加氧酶系使底物分子羥化單加氧酶(monoxygenase)RH+NADPH+H++O2ROH+NADP++H2O上述反應(yīng)需要細(xì)胞色素P450(CytP450)參與。它催化氧分子中一個氧原子加到底物分子中(羥化)，故也稱羥化酶(hydroxylase)；同時(shí)將另一個氧原子與NADPH+H+中的2H結(jié)合生成水，故又稱混合功能氧化酶(mixed-functionoxidase)。

Fe(Ⅱ)Fe(III)Fe(IV)Fe(III)Fe(III)Fe(III)e-CuB+O=OO‖O-OHH+H2O微粒體細(xì)胞色素P450基本反應(yīng)機(jī)制

Fe(III)O-O·AHAHAHAHAHAHA-OHFe(Ⅱ)AOHe-H+H2O22H+·O2ˉAHO2+目錄目錄二、生物氧化過程中產(chǎn)生超氧陰離子（一）活性氧類包括超氧陰離子、過氧化氫和羥自由基超氧陰離子（superoxideanion）：O2ˉ過氧化氫（hydrogenperoxide）：H2O2羥自由基（hydroxylfreeradical）：·OHO2

O2-

H2O2

·OH

H2Oe-e-+2H+e-+H+e-+H+H2O活性氧類（reactiveoxygenspecies,ROS）：自由基（freeradical）是指任何帶未成對電子的原子、分子或基團(tuán)。H2O2不是自由基，但在細(xì)胞內(nèi)Fe2+或Cu+的存在下可通過芬頓（Fenton）或哈伯-韋斯（Haber-Weiss）反應(yīng)轉(zhuǎn)變成羥自由基。Fe2++H2O2

Fe3++·OH+OHˉFenton反應(yīng)