生化课件第六章生物氧化

1、生物氧化生物氧化 生物氧化生物氧化（biological oxidation）是指）是指细胞内的糖、蛋白质和脂肪进行氧化分解细胞内的糖、蛋白质和脂肪进行氧化分解而生成而生成CO2和和H2O，并释放能量的过程。，并释放能量的过程。 生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化还原反应。的一系列氧化还原反应。 一、生物氧化的特点一、生物氧化的特点1. 生物氧化是在生物氧化是在细胞内细胞内进行的，真核生物在线粒体，进行的，真核生物在线粒体，原核生物在细胞膜上进行。原核生物在细胞膜上进行。2. 物质物质氧化的方式是脱氢氧化的方式是脱氢，脱下的氢经一系列传递，脱下的氢

2、经一系列传递与氧结合生成水。与氧结合生成水。3. 在氢传递给氧的过程中在氢传递给氧的过程中逐步释放自由能逐步释放自由能，推动，推动ATP合成及生命活动需要。合成及生命活动需要。4. 二氧化碳二氧化碳的生成是由于糖、脂类和蛋白质等物质的生成是由于糖、脂类和蛋白质等物质转变成含羧基的化合物后发生转变成含羧基的化合物后发生直接脱羧或氧化脱直接脱羧或氧化脱羧产生的羧产生的。生物氧化中生物氧化中H2O的生成的生成代谢物代谢物MH2M脱氢酶脱氢酶氧化型氧化型还原型还原型一个或多个传递体一个或多个传递体氧化酶氧化酶H2O1/2O2生物氧化中生物氧化中CO2的生成的生成2. 氧化脱羧作用，氧化脱羧作用，如如-

3、酮戊二酸的氧化脱羧酮戊二酸的氧化脱羧1. 直接脱羧作用，直接脱羧作用，如草酰乙酸的脱羧如草酰乙酸的脱羧草酸乙酸草酸乙酸+GTP磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸+ CO2+ GDP第一节第一节 自由能自由能自由能自由能是指一个化合物分子结构中所固有的是指一个化合物分子结构中所固有的能量，是一种能在恒温、恒压条件下作功的能量，是一种能在恒温、恒压条件下作功的能量。能量。如果如果 A B , 则则G GB GAG 0，供给能量才能进行，吸能反应。，供给能量才能进行，吸能反应。G = 0，反应处于平衡状态。，反应处于平衡状态。 G 仅决定于反应物（初始状态）的自由能与产仅决定于反应物（初始状态）的自由

4、能与产物（最终状态）的自由能；与反应途径、反应机理、物（最终状态）的自由能；与反应途径、反应机理、反应速度无关。反应速度无关。第二节第二节 ATP 生物体内有许多磷酸化合物，当其磷酰生物体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基水解时，释放大量的能量，这些化合物称基水解时，释放大量的能量，这些化合物称为为高能磷酸化合物高能磷酸化合物。如。如 ATP。 一般将水解时能够释放一般将水解时能够释放21 kJ /mol 以上自由能以上自由能（ G -21 kJ / mol）的化合物称为）的化合物称为高能化合物高能化合物。如：如：磷酸烯醇式丙酮酸、磷酸肌酸等。磷酸烯醇式丙酮酸、磷酸肌酸等。O-POO-NNNNNH

5、2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷） 严格的说，严格的说，ATP不是能量的贮存者，不是能量的贮存者，而是能量的携带者和传递者。而是能量的携带者和传递者。 磷酸肌酸磷酸肌酸存在于肌肉、脑和神经组织中，存在于肌肉、脑和神经组织中，它可与它可与ATP相互转化。相互转化。ATP多时，以磷酸肌酸多时，以磷酸肌酸的形式贮能；的形式贮能；ATP不足时，磷酸肌酸转化为不足时，磷酸肌酸转化为ATP。因而可认为磷酸肌酸是。因而可认为磷酸肌酸是ATP的贮存库。的贮存库。二、两条主要的呼吸链二、两条主要的呼吸链 在生物氧化过程中，从代谢物上脱下的在生物氧化过程中，从代

6、谢物上脱下的氢由一系列传递体依次传递，最后与氧形成氢由一系列传递体依次传递，最后与氧形成水的整个体系称为水的整个体系称为呼吸链（呼吸链（respiratory chain）。由于在传递过程中，在很多部位。由于在传递过程中，在很多部位氢原子实际上以质子（氢原子实际上以质子（H+）形式进入基质，）形式进入基质，仅发生电子转移，因此呼吸链又称为仅发生电子转移，因此呼吸链又称为电子传电子传递链（递链（electron-transport chain）。电子传递链基本组分为：电子传递链基本组分为：1. 烟酰胺腺嘌呤核苷酸（烟酰胺腺嘌呤核苷酸（NAD+）2. 黄素蛋白（黄素蛋白（FMN、FAD）3. 铁硫

7、蛋白（铁硫蛋白（FeS）4. 泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q，CoQ）5. 细胞色素（细胞色素（cyt） NADH是由是由NAD+接受多种代谢产物脱氢接受多种代谢产物脱氢得到的产物。它所携带的高能电子是线粒得到的产物。它所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。体呼吸链主要电子供体之一。 FMN通过异咯嗪环第通过异咯嗪环第1位和第位和第10位上的两位上的两个氮原子反复进行加氢和脱氢反应。个氮原子反复进行加氢和脱氢反应。 Fe-S 它主要以它主要以 (2Fe-2S) 或或 (4Fe-4S) 形式形式存在。铁硫蛋白通过存在。铁硫蛋白通过Fe3+ Fe2+ 变化起传递变化起传递电子的作用。电子的作用。

8、2Fe-2S4Fe-4S CoQ它是电子传它是电子传递链中唯一的非蛋递链中唯一的非蛋白电子载体。为一白电子载体。为一种脂溶性醌类化合种脂溶性醌类化合物。物。 Q (醌型结构醌型结构) 很容易很容易接受电子和质子，还原接受电子和质子，还原成成QH2（还原型）；（还原型）；QH2也容易给出电子和也容易给出电子和质子，重新氧化成质子，重新氧化成Q。 细胞色素细胞色素是一类含有血红素辅基的电子是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白的总称。传递蛋白的总称。 线粒体呼吸链中主要含有线粒体呼吸链中主要含有cyta、cyta3、cytb、cytc和和cytc1 5种。组成它们的辅基分别种。组成它们的辅基分别为血红

9、素为血红素A、B和和C。 细胞色素主要是通过细胞色素主要是通过Fe3+ Fe2+ 的互变的互变起传递电子的作用的。起传递电子的作用的。 线粒体末端氧化呼吸链有两条：线粒体末端氧化呼吸链有两条：NADH氧化呼吸链氧化呼吸链和和 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链 两条呼吸链中除两条呼吸链中除CoQ和和cytc外，其余组分形成嵌外，其余组分形成嵌入内膜的结构化超分子复合体。这些复合体有入内膜的结构化超分子复合体。这些复合体有4类：类：. NADH-Q还原酶还原酶. 琥珀酸琥珀酸Q还原酶还原酶. QH2 细胞色素细胞色素c还原酶还原酶. 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶 电子传递排列顺序：电子传递排列顺序

10、：FADH2NADH-Q还原酶还原酶琥珀酸琥珀酸Q还原酶还原酶QH2 细胞细胞色素色素c还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶NADHCoQcyt cO2线粒体呼吸链线粒体呼吸链Four multi-protein Complexes (I, II, III, and IV)Two mobileElectron carriersIIIIIIIV电子传递链的抑制电子传递链的抑制第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 氧化氧化磷酸化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指生物体氧化过程中释放出自由能驱动是指生物体氧化过程中释放出自由能驱动ADP磷酸化形成磷酸化形成A

11、TP的过程。的过程。 ATP合成的方式有两种：合成的方式有两种： 1. 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 2. 氧化磷酸化氧化磷酸化 氧化氧化磷酸化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 是是指生物体氧化过程中释放出自由能驱动指生物体氧化过程中释放出自由能驱动ADP磷磷酸化形成酸化形成ATP的过程。的过程。 四、氧化磷酸化作用四、氧化磷酸化作用 磷氧比（磷氧比（P/O）是指一对电子通过呼吸是指一对电子通过呼吸链传递到氧时所产生的链传递到氧时所产生的ATP的分子数的分子数. (每消每消耗一原子氧时，产生多少摩尔耗一原子氧时，产生多少摩尔ATP.) 根据氧化根据氧化-还原电势与

12、自由能变化关系式，计算还原电势与自由能变化关系式，计算出在出在NADH氧化过程中，有三个反应的氧化过程中，有三个反应的 G -30.5 kJ / mol。 NADH-Q还原酶还原酶 QH2 细胞色素细胞色素c 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶 NADH Co Q cyt b cyt c1 cyt aa3 O2 G -50.24 -41.87 -100.48 这三个反应分别与这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联，推的磷酰化反应偶联，推动动ATP产生。这些反应称为呼吸链的偶联部位。产生。这些反应称为呼吸链的偶联部位。从从FADH2 O2 只有只有2个部位可推动个部位可推动ATP产生产生. 根据氧化

13、根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算还原电势与自由能变化关系式，计算出在出在FADH2氧化过程中，有二个反应的氧化过程中，有二个反应的 G -30.5 kJ / mol。 QH2 细胞色素细胞色素c 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶 cyt b cyt c1 cyt aa3 O2 G -41.87 -100.48 这二个反应分别与这二个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联，推的磷酰化反应偶联，推动动1-2分子分子ATP产生产生,即磷氧比即磷氧比(P/O)大于大于1.1. ATP合酶（合酶（ATP synthase） ATP合酶合酶由两个主要单元构成，一是起由两个主要单元构成，一是起质子通道作用

14、的单元称为质子通道作用的单元称为F0单元单元，另一是催，另一是催化化ATP合成的单元称为合成的单元称为F1单元单元。故。故ATP合酶合酶又称又称F0 F1 酶（酶（ F0 F1 ATPase） 。该酶又。该酶又称称复合体复合体 五、化学渗透假说五、化学渗透假说 ATP合酶将电子传递与氧化磷酸化合酶将电子传递与氧化磷酸化偶联在一起偶联在一起.a. 线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；b. 在电子传递链中，电子由高能状态传递到在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的侧的H+迁移到膜外侧。

15、这样，在膜的内侧与迁移到膜外侧。这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度外侧就产生了跨膜质子梯度 ( pH) 和电位梯和电位梯度（度（）；）；2. 化学渗透假说化学渗透假说的要点是：的要点是：c. 在膜内外势能差（在膜内外势能差（ pH 和和）的驱动下，）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP酶的酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成和磷酸合成ATP。质子流经质子流经ATP合成酶时合成酶时,每每3个质子回流可个质子回流可推动推动1个个ADP合成合成1

16、个个ATP.每个每个ATP从线粒体基质运出线粒体需要从线粒体基质运出线粒体需要1个质子回流个质子回流.因此因此,基质每合成基质每合成1个个ATP并将之运出需要并将之运出需要4个质子回流个质子回流.氧化磷酸化的解偶联氧化磷酸化的解偶联 解偶联剂（解偶联剂（uncoupler）作用是使电子传）作用是使电子传递和递和ATP生成的两个过程分离。它只抑制生成的两个过程分离。它只抑制ATP的形成，而不抑制电子传递过程。的形成，而不抑制电子传递过程。如：如：2,4二硝基苯酚（二硝基苯酚（DNP）一对电子从一对电子从NADH传递到传递到O2,有有4+4+2=10个质子被泵出个质子被泵出;一对电子从一对电子从F

17、ADH2传递到传递到O2,有有4+2=6个质子被泵出个质子被泵出.所以所以,一对电子从一对电子从NADH传递到传递到O2共可产共可产生生10/4=2.5个个ATP;一对电子从一对电子从FADH2传递传递到到O2共可产生共可产生6/4=1.5个个ATP.三、细胞液中三、细胞液中NADH的氧化的氧化 NADH从细胞液进入线粒体的途径：从细胞液进入线粒体的途径：1. 苹果酸天冬氨酸穿梭途径苹果酸天冬氨酸穿梭途径 (malate-aspartate shuttle system )：主要存在于心脏和肝细胞中。：主要存在于心脏和肝细胞中。 2. 磷酸甘油穿梭途径磷酸甘油穿梭途径 (glycerol 3-phosphate shuttle system) ：主要存在于肌肉细胞中。：主要存在于肌肉细胞中。苹果酸天冬氨酸穿梭途径苹果酸天冬氨酸穿梭途径苹果酸苹果酸天冬氨酸天冬氨酸苹果酸苹果酸天冬氨酸天冬氨酸草酰乙酸草酰