第七章生物氧化和能量转换[1]

1、第七章第七章 生物氧化和能量转换生物氧化和能量转换生物氧化和能量转换生物氧化和能量转换 生物氧化概述（了解） 电子传递链及内部氧化体系（掌握，重点） 氧化磷酸化作用（掌握，重点）第一节 生物氧化概述一、生物氧化的概念一、生物氧化的概念* *有机分子（主要包括糖、脂肪和蛋白质）在生有机分子（主要包括糖、脂肪和蛋白质）在生物细胞内进行氧化分解而生成物细胞内进行氧化分解而生成CO2和和H2O并释放并释放出能量的过程。出能量的过程。 生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列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，所以又称为细胞氧化或细胞呼氧化还原反应，所以又称为细胞氧化或细胞呼吸。吸

2、。糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能二、生物氧化的特点二、生物氧化的特点释放释放的能量转化成的能量转化成ATPATP被利用被利用 转换为光和热，散失转换为光和热，散失 生物氧化生物氧化 体外体外燃烧燃烧 细胞细胞内温和条件内温和条件 高温高温或高压、干燥条件或高压、干燥条件 一系列一系列酶促反应酶促反应 无机无机催化剂催化剂逐步氧化放能，能量利用率高逐步氧化放能，能量利用率高 能量能量爆发释放爆发释放 糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi AT

3、P * 生物氧化的一般过程三三、高能化合物、高能化合物 高能键：水解时能释放出20.92kj以上自由能的键。用符号“”表示。 高能化合物：含有高能键的化合物。 高能磷酸化合物：机体内含有很多磷酸化合物，其磷酰基团水解时可释放出大量的自由能，这类化合物称为高能磷酸化合物。高能化合物的类型高能化合物的类型 磷氧键型磷氧键型（O P）酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物氨酰腺苷酸氨酰腺苷酸焦磷酸化合物焦磷酸化合物烯醇烯醇式化合物式化合物磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 磷氮键型磷氮键型（N P）磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸 硫碳键型硫碳键型（C S）甲硫键甲硫键化合物化合物硫酯键硫酯键化合物化合物酰

4、基辅酶酰基辅酶A A*ATP的特殊作用的特殊作用 ATP在传递能量方面起着转运站的作用。它是能量的在传递能量方面起着转运站的作用。它是能量的携带者和转运者，但并不是能量的贮存者。携带者和转运者，但并不是能量的贮存者。 有贮能作用的物质是有贮能作用的物质是磷酸肌酸磷酸肌酸和和磷酸精氨酸磷酸精氨酸。磷酸肌酸作为磷酸肌酸作为肌肉、脑和神经组织肌肉、脑和神经组织中能量的一种贮存形式。中能量的一种贮存形式。 ATP的生成和利用ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 底物底物水平水平磷酸磷酸化化 电子传递链电子传递链磷酸磷酸化化 机械能机械能( (肌肉收缩肌肉收缩) )渗透能渗透能( (物质主动转运物

5、质主动转运) ) 化学能化学能( (合成代谢合成代谢) )电能电能( (生物电生物电) )热能热能( (维持体温维持体温) )生物体内能量的储存和利用都生物体内能量的储存和利用都以以ATP为中心。为中心。第二节 电子传递链及内部氧化体系定义定义代谢物脱下的成对氢原子（代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链呼吸链(respiratory chain)又称又称电子传递链电子传递链(electron transfer chain)。组成组

6、成递氢体和电子传递体（递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e） 一、呼吸链的概念一、呼吸链的概念二、电子传递链的基本组成二、电子传递链的基本组成烟酰胺腺嘌呤核苷酸烟酰胺腺嘌呤核苷酸NAD+和和NADP+的结构的结构R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+NAD+（NADP+）和）和NADH（NADPH）相互转变）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间之间在呼吸链中只有在呼吸链中只有NAD+参与，参与，NADP +一般不参与一般不参与黄素蛋白黄素蛋白黄素蛋白的辅基有两种：黄素蛋白的辅基有两种：黄素单核苷酸（黄素单核苷酸（FMNFMN）

7、和黄素腺嘌呤二核苷酸（）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FADFAD）发挥功能的部位是异咯嗪环第发挥功能的部位是异咯嗪环第1 1位和第位和第5 5位的两个氮原子位的两个氮原子铁硫蛋白铁硫蛋白铁硫蛋白中辅基铁硫簇铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反反应传递电子。应传递电子。 表示无机硫表示无机硫 铁硫蛋白铁硫蛋白 无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人形成较长的疏水侧链（人CoQ10），是一种脂溶性），是一种脂溶性

8、的醌类化合物，是电子传递链中唯一非蛋白组分。的醌类化合物，是电子传递链中唯一非蛋白组分。泛醌泛醌细胞色素细胞色素细胞色素是一类细胞色素是一类以铁以铁卟啉为辅基的催化电子传递的卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。呼吸链中细胞色素至少有呼吸链中细胞色素至少有CytCyt a a、 CytCyt a a3 3、CytCyt b b、CytCyt c c和和CytCyt c c1 1。基质：三羧酸循环酶系、脂肪酸基质：三羧酸循环酶系、脂肪酸beta氧化作用酶系等氧化作用酶系等内膜：电子传递链组分、内膜：电子传递链组分、ATP合酶等合酶等习题乙醛酸

9、循环的概念是什么？乙醛酸循环的概念是什么？在植物和微生物中有一个与三羧酸循环相类似，其代谢中间产物有在植物和微生物中有一个与三羧酸循环相类似，其代谢中间产物有乙醛酸的循环，这个生化过程没有形成二氧化碳，保留了碳素。整乙醛酸的循环，这个生化过程没有形成二氧化碳，保留了碳素。整个过程相当于用两分子乙酰个过程相当于用两分子乙酰CoACoA形成一分子琥珀酸。形成一分子琥珀酸。磷酸戊糖途径的概念是什么？磷酸戊糖途径的概念是什么？在生物体内，葡萄糖除了通过糖酵解、三羧酸循环进行分解外，还在生物体内，葡萄糖除了通过糖酵解、三羧酸循环进行分解外，还存在另一条氧化分解途径，即磷酸戊糖途径，又称磷酸己糖支路。存在

10、另一条氧化分解途径，即磷酸戊糖途径，又称磷酸己糖支路。该途径在胞质中进行，将葡萄糖还原为另一种代谢能，即该途径在胞质中进行，将葡萄糖还原为另一种代谢能，即NADPHNADPH的的过程。过程。呼吸链呼吸链代谢物脱下的成对氢原子（代谢物脱下的成对氢原子（2H2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链。应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链。有贮能作用的物质是有贮能作用的物质是? ?磷酸肌酸和磷酸精氨酸磷酸肌酸和磷酸精氨酸三、电子传递链及其各组分的排列顺序三、电子传递链及其各组分的排列顺序呼吸链的

11、各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，在线粒体内膜上主要有两条呼吸链的，在线粒体内膜上主要有两条呼吸链：NADH NADH 氧化呼吸链氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链NADH-QNADH-Q还原酶还原酶Q Q细胞色素细胞色素bc1bc1复合复合物物细胞色细胞色素素C C细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶O O2 2琥珀酸琥珀酸- -Q Q还原酶还原酶FADHFADH2 2NADHNADH* * NADHNADH、泛醌、泛醌 和和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。均不包含在上述四种复合体中。复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体

12、复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数394 1013 复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽

13、链数394 1013 呼吸链复合体名称和组成呼吸链复合体名称和组成呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-u 功能功能: : 将电子从将电子从NADHNADH传递给泛醌传递给泛醌 ( (ubiquinoneubiquinone) ) 复合体复合体NADH NADH CoQCoQ FMN; FMN; Fe-SFe-S1. 复合体: NADH-泛醌还原酶NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2还原

14、型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2复合体复合体的功能的功能 u 功能功能 将电子从琥珀酸传递给泛醌将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体复合体琥珀酸琥珀酸 CoQFAD; Fe-S 2. 复合体: 琥珀酸-泛醌还原酶u 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 复合体复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c13. 复合体: 泛醌-细胞色素c还原酶 u 功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧 复合体复合体还原型还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB形成的活性部位将电子交给形成的活

15、性部位将电子交给O2。4. 复合体: 细胞色素c氧化酶NADHNAD+FMNFMNH2Fe2+SFe3+SCoQCoQH2cyt. bFe2+cyt. bFe3+Fe3+SFe2+Scyt. c1Fe2+cyt. c1Fe3+cyt. cFe3+cyt. cFe2+cyt. aFe2+Cu+cyt. aFe3+Cu2+cyt. a3Fe3+Cu2+cyt. a3Fe2+Cu+H2O1/2O2NADH-CoQ还原酶还原酶CoQ-细胞色素细胞色素c还原还原酶酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶FADH2FADFe3+SFe2+S琥珀酸琥珀酸CoQ还原酶还原酶电子传递的过程电子传递的过程1. NADH氧

16、化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体复合体CoQ 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O22. 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 CoQ 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸氧氧化呼吸链化呼吸链电子传递的抑制剂电子传递的抑制剂能够阻断呼吸链中某一特定部位电子传递的能够阻断呼吸链中某一特定部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。物质称为电子传递抑制剂。鱼藤酮鱼藤酮杀粉蝶杀粉蝶菌菌素素A A安密妥安密妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 CO氰化物（氰化物（CN-）叠氮化物（叠氮化物（N3-）H2S各种呼吸链抑制剂的阻断位

17、点各种呼吸链抑制剂的阻断位点第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用一、氧化磷酸化作用的概念及类型一、氧化磷酸化作用的概念及类型 定义定义生物氧化过程中释放出的自由能驱动生物氧化过程中释放出的自由能驱动ADP磷磷酸化形成酸化形成ATP的过程。的过程。 类型类型底物水平磷酸化底物水平磷酸化电子传递链磷酸化电子传递链磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化 底物水平磷酸化指底物分子内部能量重新底物水平磷酸化指底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使分布，生成高能键，使ADP 磷酸化生成磷酸化生成ATP 的过程。的过程。电子传递链磷酸化电子传递链磷酸化 指电子从指电子从NADH或者或者FADH2经过电子

18、传递经过电子传递链传递给分子氧时，将所释放的能量转移链传递给分子氧时，将所释放的能量转移给给ADP，形成，形成ATP的过程的过程 电子传递链与磷酸化偶联电子传递链与磷酸化偶联 需氧生物合成需氧生物合成ATP的主要方式的主要方式二、氧化磷酸化的偶联部位二、氧化磷酸化的偶联部位P/O比：比： 1940年，年，S. Ochoa测定了在呼吸链中测定了在呼吸链中O2的消耗与的消耗与ATP生成的比例关系，提出了生成的比例关系，提出了P/O比的概念。比的概念。v当一对电子经呼吸链传给当一对电子经呼吸链传给O2的过程中所产生的的过程中所产生的ATP分子数。实质是伴随分子数。实质是伴随ADP磷酸化所消耗的无机磷

19、酸化所消耗的无机磷酸的分子数与消耗分子氧的氧原子数之比磷酸的分子数与消耗分子氧的氧原子数之比,称为称为P/O比比。v 线粒体线粒体NADH+H+经呼吸链氧化经呼吸链氧化P/O比为比为2.5，FADH2经呼吸链氧化经呼吸链氧化P/O比为比为1.5。形成形成ATP的部位（氧化与磷酸化偶联部位）的部位（氧化与磷酸化偶联部位）电子传递链自由能变化电子传递链自由能变化区段区段电位变化电位变化(E)自由能变化自由能变化G=-nFE能否生成能否生成ATP(G是否大于是否大于30.5KJ) Cyt aa3O2 0.53V 102.3KJ/mol 能能NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/mol 能能CoQC

20、yt c 0.21V 40.5KJ/mol 能能ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位鱼藤酮鱼藤酮抗霉素抗霉素A ACO、CN-、N3-、H2Sv电子由电子由NADH到氧的传递过程中，释放自由能到氧的传递过程中，释放自由能的部位有三处：的部位有三处： 在在NADH和辅酶和辅酶Q之间之间 复合体复合体（NADH脱氢酶复合物）脱氢酶复合物） 在辅酶在辅酶Q和细胞色素和细胞色素c之间之间 复合体复合体 （细胞色素（细胞色素bc1复合物）复合物） 在细胞色素在细胞色素a和氧之间和氧之间 复合体复合体IV（细胞色素（细胞色素c氧化酶复合物）氧化酶复合物）三、氧化磷酸化的偶联机理三、氧

21、化磷酸化的偶联机理化学偶联假说（化学偶联假说（1953年年） 认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的化学认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的化学反应形成反应形成高能共价中间物高能共价中间物，这个中间物在电子传递中，这个中间物在电子传递中形成，它们随后裂解驱动氧化磷酸化，即将其能量转形成，它们随后裂解驱动氧化磷酸化，即将其能量转移到移到ADP中形成中形成ATP。 构象偶联假说（构象偶联假说（1964）认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的蛋白质组蛋白质组分分发生了构象变化，形成一种高能构象，这种高能形发生了构象变化，形成一种高能构象，这种高能形式通

22、过式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。的合成而恢复其原来的构象。化学渗透假说（化学渗透假说（1961） v19611961年由英国生物化学家年由英国生物化学家Peter MitchellPeter Mitchell最先提最先提出。出。v认为电子传递释放的自由能和认为电子传递释放的自由能和ATPATP的合成是与一种的合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。v即电子传递释放的自由能驱动即电子传递释放的自由能驱动H H+ +从线粒体基质跨从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的过内膜进入膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H H+ +电化学梯度，这个跨膜

23、的电化学电势驱动电化学梯度，这个跨膜的电化学电势驱动ATPATP的合的合成。成。化学渗透假说示意图化学渗透假说示意图支持化学渗透假说的实验证据支持化学渗透假说的实验证据(1)(1) 氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。(2)(2) 线粒体内膜对线粒体内膜对H+ OH- K+ Cl-都是不通透的。都是不通透的。(3)(3) 破坏破坏H+浓度梯度的形成必然破坏氧化磷酸化作用的浓度梯度的形成必然破坏氧化磷酸化作用的进行。进行。(4)(4) 线粒体的电子传递所形成的电子流能够将线粒体的电子传递所形成的电子流能够将H+从线粒从线粒体内膜逐出到线粒体

24、膜间隙。体内膜逐出到线粒体膜间隙。(5)(5) 大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质子，并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。子，并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。 H+如何通过电子传递链如何通过电子传递链“泵泵”出的？出的？H+不断从内膜内侧泵至内膜外侧，而又不能自由不断从内膜内侧泵至内膜外侧，而又不能自由返回内膜内侧，从而在内膜两侧建立起质子浓度梯返回内膜内侧，从而在内膜两侧建立起质子浓度梯度和电位梯度即电化学梯度，也称为度和电位梯度即电化学梯度，也称为质子动力质子动力。当存在足够的跨膜电化学梯度时，强大的质子流通当存在足够的

25、跨膜电化学梯度时，强大的质子流通过嵌在线粒体内膜的过嵌在线粒体内膜的FoF1-ATP合酶合酶返回基质，质返回基质，质子电化学梯度蕴藏的自由能释放，推动子电化学梯度蕴藏的自由能释放，推动ATP的合成。的合成。重组实验证明膜囊泡上含有电子传递链的酶系，而可溶重组实验证明膜囊泡上含有电子传递链的酶系，而可溶性蛋白则含有将电子传递链与氧化磷酸化连接起来的偶性蛋白则含有将电子传递链与氧化磷酸化连接起来的偶联因子，其中包含联因子，其中包含ATP合酶合酶，它可利用电子传递的高能，它可利用电子传递的高能状态将状态将ADP和和Pi合成合成ATP。该酶又称为复合体。该酶又称为复合体V。ATP合酶（合酶（FoF1-

26、ATP合酶）合酶）由亲水部分由亲水部分 F1（33亚基亚基 ）和 疏 水 部 分和 疏 水 部 分 Fo（a1b2c912亚基）亚基）组成。组成。ATP合酶结构模式图合酶结构模式图ATP的合成酶机制的合成酶机制当当H+顺浓度递度经顺浓度递度经Fo中中a亚基和亚基和c亚基之间回流亚基之间回流时，时，亚基发生旋转，亚基发生旋转，3个个亚基的构象发生改变。亚基的构象发生改变。 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 3H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 4H+ 2H+ 4H+ 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 + + + + + + + +

27、 + + - - - - - - - - - ATP H+ NADH (4+4+2)/(3+1)=2.5ATPFADH2 (4+2)/(3+1)=1.5ATP四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂l三大类：解偶联剂，氧化磷酸化抑制剂和离子载体三大类：解偶联剂，氧化磷酸化抑制剂和离子载体抑制剂。抑制剂。解偶联剂解偶联剂l它只抑制它只抑制ATPATP的形成过程，不抑制电子传递过程，的形成过程，不抑制电子传递过程，使电子传递所产生的自由能都变为热能。使电子传递所产生的自由能都变为热能。 典型的解偶联剂是典型的解偶联剂是2,4-2,4-二硝基苯酚二硝基苯酚 DNP在在pH=7

28、的环境中以解离形式存在，是脂不溶的，的环境中以解离形式存在，是脂不溶的，不能过膜。不能过膜。 在酸性环境中接受在酸性环境中接受H+,成为不解离形式，是脂溶性的，成为不解离形式，是脂溶性的，很容易过膜，同时将很容易过膜，同时将H+带入膜内，起消除质子浓度梯带入膜内，起消除质子浓度梯度的作用。度的作用。氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂v这类试剂的作用特点是既抑制氧的利用又抑制这类试剂的作用特点是既抑制氧的利用又抑制ATP的形成；但的形成；但不直接抑制电子传递链上载体的作用不直接抑制电子传递链上载体的作用。v间接抑制电子传递间接抑制电子传递v寡寡霉霉素属于该类素属于该类离子载体抑制剂离子载体抑制剂v是一类脂溶性物质，是一类脂溶性物质，能与能与H+以外的其他一价阳离子结合，以外的其他一价阳离子结合，并并作为他们的载体使他们能穿过膜，消除跨膜的电位梯度。作