第六章 生物氧化

1、一、生物氧化的概念和特点一、生物氧化的概念和特点 w 有机物在生物体内进行的氧化，包有机物在生物体内进行的氧化，包括消耗括消耗O O2 2，生成，生成COCO2 2和和H H2 2O,O,并放出能并放出能量的过程叫生物氧化，通常也叫末量的过程叫生物氧化，通常也叫末端氧化。端氧化。w 末端氧化酶末端氧化酶( (细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶) )：所：所起的作用是在末端进行氧化的酶。起的作用是在末端进行氧化的酶。1.1.概念概念P P172172第六章第六章 生物氧化生物氧化(Biological oxidation)(Biological oxidation)2.特点特点P172 w 实质相同：

2、都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗实质相同：都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气；都生成氧气；都生成CO2和和H2O；所释放的能量相同。；所释放的能量相同。w 条件和历程不同：条件和历程不同：提问：有机物的生物氧化与体外氧化燃烧提问：有机物的生物氧化与体外氧化燃烧有何异同？有何异同？转换为光和热，散失转换为光和热，散失 转化成转化成ATP，被利用，被利用 能量爆发释放能量爆发释放 逐步氧化放能，能量利用率高逐步氧化放能，能量利用率高 无机催化剂无机催化剂 一系列酶促反应一系列酶促反应 高温或高压、干燥条件高温或高压、干燥条件 细胞内温和条件细胞内温和条件燃燃 烧烧 生生 物物 氧氧 化化 本章包

3、括的内容本章包括的内容w 代谢物分子中的碳代谢物分子中的碳COCO2 2，w 代谢物分子中的氢代谢物分子中的氢H H2 2O O；w 有机物被氧化时，细胞如何将氧化时有机物被氧化时，细胞如何将氧化时产生的能量搜集和贮存起来产生的能量搜集和贮存起来, ,生成生成ATPATP。二、生物氧化二、生物氧化中中COCO2 2的生成的生成P P1721721.1.直接脱羧作用直接脱羧作用( (如丙酮酸脱如丙酮酸脱羧形成乙醛羧形成乙醛) ) 2.2.氧化脱羧作用（如氧化脱羧作用（如-酮戊酮戊二酸脱氢形成琥珀酰二酸脱氢形成琥珀酰CoACoA）三、生物氧化中水的生成三、生物氧化中水的生成 w 真核生物线粒体内膜

4、或原核生物细胞真核生物线粒体内膜或原核生物细胞膜上的呼吸链作用下产生膜上的呼吸链作用下产生1.1.呼吸链呼吸链( (电子传递链电子传递链) )的概念的概念w 呼吸代谢中间产物氧化脱下的氢原子，沿呼吸代谢中间产物氧化脱下的氢原子，沿着按照一定顺序排列的一组呼吸传递体着按照一定顺序排列的一组呼吸传递体( (氢氢传递体和电子传递体传递体和电子传递体) )氧化还原，迅速传递氧化还原，迅速传递到氧分子生成水的总轨道称为呼吸链。到氧分子生成水的总轨道称为呼吸链。氧化酶氧化酶2e2H+HH2 2OOO2-1/2 O2电子传递体电子传递体氢传递体氢传递体脱氢辅酶脱氢辅酶 -2H-2HMH2w 线粒体呼吸链，线

5、粒体呼吸链，分分NADHNADH链和链和FADHFADH2 2链链2.2.线粒体呼吸链线粒体呼吸链( (传递体传递体) )的组成的组成w 以以NADNAD+ +或或NADPNADP+ +为辅酶为辅酶, ,目前已知目前已知200200多种多种; ;w 接受代谢物上的接受代谢物上的H H，本身被还原为，本身被还原为NADHNADH、NADPHNADPH，为递氢体。，为递氢体。(1)(1)烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类MHMH2 2 + NAD(P) + NAD(P)+ + M + NAD(P)H + H M + NAD(P)H + H+ +(2)(2)黄素脱氢酶类黄素脱氢酶类( (递氢体递氢体)P)

6、P180180w 以以FADFAD或或FMNFMN为辅基的不需氧脱氢酶为辅基的不需氧脱氢酶w MHMH2 2+E-FMNM+E-FMNH+E-FMNM+E-FMNH2 2 如如NADHNADH脱氢酶脱氢酶w MHMH2 2+E-FADM+E-FADH+E-FADM+E-FADH2 2 如琥珀酸脱氢酶如琥珀酸脱氢酶(3) (3) 铁硫蛋白类铁硫蛋白类(Fe-S)(Fe-S) ( (非血红素铁蛋白非血红素铁蛋白) )w 蛋白质活性中心有两个活泼的蛋白质活性中心有两个活泼的S S和两和两个个FeFe原子，故称原子，故称Fe-SFe-S中心。中心。w 共有共有3 3种，特点是借铁的变价进行单种，特点是

7、借铁的变价进行单电子传递电子传递 FeFe3+3+eFe+eFe2+2+(4)(4)辅酶辅酶Q(CoQQ(CoQ) ) w 是一种脂溶性是一种脂溶性的醌类化合物的醌类化合物, ,又叫泛醌，属又叫泛醌，属于递氢体；于递氢体；w 是一种中间传是一种中间传递体，不能从递体，不能从底物接受底物接受H,H,只只能从黄素酶的能从黄素酶的FMNHFMNH2 2或或FADHFADH2 2接受和传递接受和传递H H。(5)(5)细胞色素类细胞色素类(Cyt(Cyt) )w 组成：一类以组成：一类以FeFe卟啉为辅基的蛋白质卟啉为辅基的蛋白质w 作用：依靠铁和铜的变价传递电子作用：依靠铁和铜的变价传递电子 FeF

8、e3+3+eFe+eFe2+ 2+ CuCu2+2+ eCu+ eCu+ +w 顺序：顺序： CytbCytcCytbCytc1 1CytcCytaaCytcCytaa3 3OO2 2 6 6配位键全被结合配位键全被结合 留有一个配位键留有一个配位键 结合结合O O2 2、CNCN、CO CO w 由于由于CytaCyta和和a a3 3组成组成CytCyt氧化酶，它是有氧条氧化酶，它是有氧条件下电子传递最末端的载体，故称为末端件下电子传递最末端的载体，故称为末端氧化酶氧化酶。血红素血红素血红素血红素A A多聚异戊二烯长链多聚异戊二烯长链3.3.呼吸链中传递体的顺序呼吸链中传递体的顺序w 确定

9、的原则：确定的原则： 1 1）各传递体的氧化还原电位）各传递体的氧化还原电位E E0 0；P P176176 2 2）抑制剂试验；）抑制剂试验； 3 3）重组实验；）重组实验； 4 4）传递体复合物的分离。）传递体复合物的分离。 (Fe-S ) (Fe-S)NADHFMNCoQCytbCytc1CytcCytaa3O2-0.32 0.30 +0.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816 FADH2 (Fe-S) -0.18 电子迁移方向电子迁移方向 氧化还原电位氧化还原电位E0 低低高高电电子子传传递递链链复合物复合物复合物复合物复合物复合物复合物复合物4.电子传递抑制

10、作用电子传递抑制作用w 能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质为质为电子传递抑制剂。电子传递抑制剂。鱼藤酮鱼藤酮抗霉素抗霉素A A安密妥安密妥杀粉蝶菌素杀粉蝶菌素AN3-、H2S 四、生物氧化中四、生物氧化中ATPATP的生成的生成 w生物氧化释放的能量，通过与生物氧化释放的能量，通过与ATPATP合成相偶联，转换成生物体合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能能够直接利用的生物能ATPATP。1.1.高能化合物高能化合物w 在生化反应中，随着水解反应或基团转在生化反应中，随着水解反应或基团转移反应可放出大量自由能的化合物称高移反应可放出大量自由能的化合

11、物称高能化合物。能化合物。w 一般化合物一般化合物 G0 =-8=-820KJ/mol20KJ/molw 高能化合物高能化合物 G0=-30=-3067KJ/mol67KJ/molw 生物意义：生物意义： A B G0 0 (不能自发进行，要补充能量才能进行不能自发进行，要补充能量才能进行) 高能化合物高能化合物(水解水解)低能化合物低能化合物 G0 0 (能自发进行能自发进行) A+高能化合物高能化合物 B+低能化合物低能化合物 G0 0 (能自发进行能自发进行) 提问：两反应如何可以结合在一起呢？提问：两反应如何可以结合在一起呢？ 高能基团的传递A+高能化合物高能化合物B+低能化合物低能化

12、合物活化（能量增加）反应活化（能量增加）反应D-葡萄糖葡萄糖 + + ATPD-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 + + ADP激酶激酶激酶激酶激酶激酶激活底物（激活底物（A A）连接高能键的酶）连接高能键的酶G-6-PG-6-P比比G G的的G G0 0高，更易于分解，这步活化是高，更易于分解，这步活化是细胞内细胞内G G分解的第一步，也是后续分解的第一步，也是后续G G分解的根基。分解的根基。类似的活化反应十分普遍存在。类似的活化反应十分普遍存在。磷酸化合物磷酸化合物( (磷氧型磷氧型) )a.a.烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物OPOOCOOHCOCH2b.b.酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物CH3

13、COOPOO-O-c.c.焦磷酸化合物焦磷酸化合物O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-PEP G0 =-61.9kJ/mol乙酰磷酸乙酰磷酸G0 =-42.3kJ/molATP G0 =-30.5kJ/mol高能化合物类型高能化合物类型P177磷酸化合物磷酸化合物( (磷氮型磷氮型) )OPOONHCNHNCH3CH2COOHOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2磷酸肌酸磷酸肌酸G0 =-43.1kJ/mol磷酸精氨酸磷酸精氨酸G0 =-38.1kJ/mol非磷酸化合物非磷酸化合物a.硫酯键化合物硫酯键化合物RCOSCoA乙酰辅酶

14、乙酰辅酶A G0 =-31.4kJ/molb.甲硫键化合物甲硫键化合物COO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸G0 =-41.8kJ/mol能量源自能量源自能源物质（糖、脂、偶尔是蛋白质）的分解能源物质（糖、脂、偶尔是蛋白质）的分解分 解 代 谢分 解 代 谢氧 化 产 能氧 化 产 能ADP机械能（运动）机械能（运动）化学能（合成反应）化学能（合成反应）渗透能（分泌、吸收）渗透能（分泌、吸收）电能（生物电）电能（生物电）热能（体温维持）热能（体温维持）光能（生物发光）光能（生物发光） UTP、GTP、CTP、TTP合成，供能合成，供能ATPATPATP的生物学

15、功能的生物学功能2.2.氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用P P185185w 代谢物的氧化作用与代谢物的氧化作用与ADPADP的磷酸化的磷酸化作用相偶联生成作用相偶联生成ATPATP的过程称为氧的过程称为氧化磷酸化。化磷酸化。 底物水平磷酸化底物水平磷酸化w 氧化磷酸化氧化磷酸化 电子传递体系磷酸化电子传递体系磷酸化(1)(1)概念概念底物水平磷酸化底物水平磷酸化( (无无O O2 2参与参与) )w 代谢物被氧化的同时，分子内部能量重新代谢物被氧化的同时，分子内部能量重新分布产生高能化合物，通过酶分布产生高能化合物，通过酶( (激酶激酶) )的作的作用将能量转移至用将能量转移至ADPADP上形成

16、上形成ATPATP。w S XS XP PADP ATP ADP ATP GTP+ ADP GDP + ATP琥珀酰琥珀酰CoACoA合成酶合成酶氧氧化化激激酶酶磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶丙酮酸激酶丙酮酸激酶电子传递体系磷酸化电子传递体系磷酸化P P186186w 当电子当电子从从NADHNADH或或FADHFADH2 2经电子传递链经电子传递链传递传递给给O O2 2形成水时，同时伴有形成水时，同时伴有ADPADP磷磷酸化为酸化为ATPATP，这一全过程称电子传递，这一全过程称电子传递体系磷酸化，又称氧化磷酸化。体系磷酸化，又称氧化磷酸化。w 氧化过程和磷酸化过程同时进行。氧化过程和磷酸化

17、过程同时进行。 (2)(2)氧化磷酸化的偶联部位氧化磷酸化的偶联部位w 偶联部位的证实偶联部位的证实 a.a.电化学实验电化学实验P P186186 G G0 0 = = nFnFE E0 0 从传递体间的从传递体间的E E0 0G G0 0 当当G G0 0-30.55KJ/mol,-30.55KJ/mol, 满足了满足了ADP+PiATPADP+PiATP的需要的需要ATPATPATPb.b.磷氧（磷氧（P/OP/O）比值的测定）比值的测定w P/OP/O比：每消耗比：每消耗1mol1mol氧原子所消耗氧原子所消耗PiPi的的molmol数数每消耗每消耗1mol1mol氧原子所生成氧原子所

18、生成ATPATP的的molmol数数每传递每传递2mol2mol氢生成氢生成ATPATP的的molmol数。数。w 实测得实测得NADHNADH呼吸链：呼吸链：P/OP/O3 3w 实测得实测得FADH2FADH2呼吸链：呼吸链：P/OP/O2 2羟丁酸羟丁酸抗坏血酸抗坏血酸铁氰化物铁氰化物外来的细胞色素外来的细胞色素抗霉素抗霉素A A琥珀酸琥珀酸(3)(3)氧化磷酸化的偶联机制氧化磷酸化的偶联机制( (mechanism mechanism of oxidation phosphorylationof oxidation phosphorylation) ) w 化学偶联假说化学偶联假说 (

19、chemical coupling hypothesis)(chemical coupling hypothesis)w 构象偶联假说构象偶联假说 (conformational coupling hypothesis)(conformational coupling hypothesis)w 化学渗透假说化学渗透假说P P187187 (chemiosmotic (chemiosmotic hypothesis) hypothesis) w 化学渗透学说（化学渗透学说（P.MitchellP.Mitchell）是）是e e在在呼吸链上传递呼吸链上传递时给时给H H+ +泵提供了动力泵提供了动

20、力, ,而而H H+ +通过离子通道时又给通过离子通道时又给ATPATP的形成的形成提供了能量。提供了能量。a.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.b.在电子传递链中，在电子传递链中，e e由高能状态传递到低由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的内侧的H H+ +迁移到膜外侧，这样在膜的内迁移到膜外侧，这样在膜的内外侧就产生了跨膜外侧就产生了跨膜HH+ + 梯度梯度( (外正内负外正内负) )即化学电位差；即化学电位差；化学渗透学说化学渗透学说要点：要点：c.c.在膜内外化学电位差的驱动下，膜外高

21、在膜内外化学电位差的驱动下，膜外高能能H H+ +沿着一个特殊通道沿着一个特殊通道(ATP(ATP酶的组成部分酶的组成部分),),跨膜回到膜内侧，跨膜回到膜内侧，H H+ +跨膜过程中释放的能跨膜过程中释放的能量，直接驱动量，直接驱动ADPADP和和PiPi合成合成ATPATP。ATPATP酶酶, ,含有含有5 5种不同的亚基种不同的亚基(3(3 、3 3 、1 1 、1 1 、1 1 ) )；F F0 0为一个疏水蛋白，是与线粒体电子传为一个疏水蛋白，是与线粒体电子传递系统连接的部位。递系统连接的部位。(4)(4)氧化磷酸化的阻断作用氧化磷酸化的阻断作用P P190190电子传递的抑制作用电

22、子传递的抑制作用呼吸抑制剂呼吸抑制剂P P185185氧化磷酸化的抑制作用氧化磷酸化的抑制作用氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 w 既抑制氧的利用又阻止既抑制氧的利用又阻止ATPATP的生成。的生成。氧化磷酸化解偶联作用氧化磷酸化解偶联作用(uncoupling)(uncoupling)w 在电子传递链上将电子传递过程与在电子传递链上将电子传递过程与ADPADP形成形成ATPATP的储的储能过程分开的现象为解偶联作用能过程分开的现象为解偶联作用w 能导致电子传递链上电子传递和磷酸化作用解偶联能导致电子传递链上电子传递和磷酸化作用解偶联的物质为解偶联剂的物质为解偶联剂(uncouplers(uncouplers) )典型的解偶联剂：典型的解偶联剂：2,42,4二硝基苯酚二硝基苯酚（2,4-dinitrophenol,DNP2,4-dinitrophenol,DNP）呼吸链可与磷酸化脱离，能量全部转化为热呼吸链可与磷酸化脱离，能量全部转化为热w熊冬眠熊冬眠w婴儿及初生的哺乳动物维持体温婴儿及初生的哺乳动物维持体温离子载体抑制剂（离子载体抑制剂（ionophores）：）：能与某些一价阳离子结合，作为载能与某些一价阳离子结