第五章生物氧化

第五章生物氧化第1页，共74页。本章主要内容新陈代谢总论生物氧化呼吸链氧化磷酸化第2页，共74页。维持生命活动的能量，主要有两个来源：光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。化学能：动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。第3页，共74页。

生物能流：化学能太阳光能呼吸作用能量通货损失：热、熵光合作用CO2+H2O有机物化学能渗透能电能机械能热能……ATP

第4页，共74页。第一节新陈代谢总论新陈代谢(广义):是生物与外界环境进行物质交换和能量交换的全过程。(狭义)：活细胞内进行的一切化学反应。第5页，共74页。新陈代谢的共同特点：1.由酶催化，反应条件温和。2.诸多反应有严格的顺序，彼此协调。3.对周围环境高度适应。新陈代谢的调节三个水平调节：分子水平------酶浓度和数量的调节（包括基因水平上的调节）细胞水平------细胞区域化调节整体水平------激素和神经的调节第6页，共74页。

概念：水解自由能在20.92kJ/mol（5千卡/mol）以上的化合物。高能化合物中被水解的基团称为“高能基团”，被水解的键称为“高能键”用“～”表示

以磷酸作为高能基团的高能化合物称为“高能磷酸化合物”

“高能键”≠“键能高”高能化合物第7页，共74页。高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型硫酯键化合物甲硫键化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物高能化合物类型：第8页，共74页。1磷氧键型，其高能键是由磷和氧原子构成即“—O～P—”如：磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）、焦磷酸（PPi）等。PEPPPi第9页，共74页。2氮磷键型，高能键是由氮和磷构成，如磷酸肌酸3

硫酯键型，高能键是属于硫酯键，如脂酰辅酶A第10页，共74页。常见磷酸化合物标准水解自由能ATPAMPADP

ATP的结构特性1.结构水解自由能：每个高能键的水解自由能为30.5kJ/mol或7.3kcar/mol

2.产生高水解自由能的原因ATP4–+H2O——ADP3–+HPO4

2–+H+

负电荷集中，共振杂化，H+浓度低第11页，共74页。

ATP在能量转换中的地位和作用ATP是生物体内能量的携带者和传递者，是生物体能量代谢的“共同中间体”，是各种生物的“能量货币”。作为能量通货的原因：能量居中，可作为大多数能量转换酶的能量供体或受体。磷酸烯醇式丙酮酸~P~P~P~PATP甘油酸－1,3－2P18161412108642ATP不是能量的贮存物质,而是传递能量的分子。第12页，共74页。

能荷(energycharge)是细胞中高能磷酸状态一种数量上的衡量，它的大小可用下式表示：

(ATP+0.5ADP)

能荷=(ATP+ADP+AMP)

能荷的数值在0-1之间。大多数细胞维持的稳态能荷状态在0.8-0.95的范围内。第13页，共74页。

ATP生成和消耗的途径和细胞的能荷状态相呼应。

高能荷时，ATP生成过程被抑制，而ATP的利用过程被激发；低能荷时，其效应相反。所以说，能荷对代谢起着重要的调控作用。

第14页，共74页。第二节生物氧化一、概念

有机物（主要指糖、脂肪、蛋白质等）在生物体内氧化分解成CO2和H2O水并释放能量的过程。第15页，共74页。二、生物氧化的特点：生物氧化是生物体在热力学允许的条件下的有序、可控的氧化过程，因为生物氧化的场所是细胞，其基本过程是大分子分解为CO2和H2O，并产生能量。生物氧化又称细胞呼吸（cellularrespiration)

逐步氧化，有序可控；条件温和，多步酶促反应;能量逐步释放并以ATP的方式贮存。分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系。

第16页，共74页。三、生物氧化与体外氧化的异同相同点生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。第17页，共74页。是在细胞内温和的环境中由酶催化进行的，能量是逐步释放的，并储存于ATP中。代谢物脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。不同点生物氧化体外氧化能量是突然释放的。CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。第18页，共74页。CO2如何形成？——脱羧反应。

H2O如何形成？——电子传递链。能量（ATP）如何产生？——底物水平磷酸化、氧化磷酸化。四、生物氧化的地点和内容1.线粒体内：绝大多数生物的生物氧化都在线粒体内进行。2.细胞膜：没有线粒体的原核生物的呼吸作用在细胞膜上进行，如细菌等。3.过氧物酶体：存在于动物细胞和高等植物叶肉细胞中，其在动物细胞中的功能尚不清楚，在植物细胞中氧化乙醇酸，摄入O2，放出CO2，称为光呼吸，在光照下与叶绿体的光合作用联动进行，供给植物能量。第19页，共74页。糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2五、生物氧化的一般过程第20页，共74页。第三节呼吸链一、概念代谢物脱下的氢经过一系列传递体的传递，最后与氧结合生成水的电子传递系统，称为电子传递链(electrontransferchain)，由于消耗氧，故也叫呼吸链(respiratorychain)。在原核细胞存在于质膜上。在真核细胞存在于线粒体内膜上。第21页，共74页。二、呼吸链的组成在生物细胞中，接受代谢物上脱下的氢(或电子)的载体有三种——

NAD+、NADP+和FAD。其中NADPH不进入呼吸链合成ATP，而是作为生物合成的还原剂；只有NADH和FADH2进入呼吸链。所以呼吸链有两条：1、NADH氧化呼吸链

【组成】脱氢（NAD+）、黄素蛋白、铁硫蛋白、CoQ和细胞色素。

2、FADH2氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）【组成】脱氢酶（FAD）、CoQ、细胞色素。

【两者的差异】脱下的2H不经过NAD+传递,其余过程与NADH呼吸链相同。第22页，共74页。第23页，共74页。

组分作用

NAD+和NADP+

递氢体黄素蛋白（辅基为FAD和FMN）递氢体铁硫蛋白（Fe-S）单电子传递体辅酶Q（CoQ）递氢体细胞色素类单电子传递体呼吸链的组分及作用第24页，共74页。四种复合体的排列关系第25页，共74页。ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-第26页，共74页。呼吸链组分排列顺序及氧化还原电位NADH→FMN→CoQ→b→c1

→

c→aa3

→

O2

-0.32–0.300～0.1+0.07+0.22+0.25+0.29+0.816

琥珀酸→

FAD→CoQ→b→c1→

c→aa3

→

O2

+0.06第27页，共74页。

能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。三、电子传递的抑制剂第28页，共74页。NADHFMNCoQFe-SCytc1O2Cyt

bCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸复合物II复合物IV复合物I复合物III鱼藤酮安密妥抗霉素A氰化物CO抗霉素A的抑制部位NADFPQbcaa3NADFPQbcaa3呼吸链的比拟图解第29页，共74页。

1、鱼藤酮、安密妥等：阻断部位是：FMA→CoQ。2、抗霉素A：阻断部位是：细胞色素b→细胞色素c1。3、CO、氰化物、叠氮化合物（N3-）：阻断部位是：细胞色素aa3→O2。常见抑制剂的抑制部位第30页，共74页。第四节氧化磷酸化一、生物体内ATP的生成方式ATP形成的两种方式：氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)

底物水平磷酸化(substratephosphorylation)第31页，共74页。

3-磷酸甘油酸激酶1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP

丙酮酸激酶

磷酸烯醇式丙酮酸+ADP烯醇式丙酮酸+ATP

琥珀酸硫激酶

琥珀酰辅酶A+Pi+GDP琥珀酸+辅酶A+GTP1.底物水平磷酸化底物分子内部能量重新分布形成高能键伴有ADP磷酸化生成ATP的作用。第32页，共74页。2.氧化磷酸化在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。

NADHO2呼吸链能量ADP+PiATP第33页，共74页。二、氧化磷酸化偶联部位1.P/O比值：通过测定在氧化磷酸化过程中，氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系，可以反映底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系。每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷原子的摩尔数称为P/O比值。第34页，共74页。合成1molATP时，需要提供的能量至少为ΔG0‘=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差ΔE0’=0.2V。因此，在NADH氧化呼吸链中有三处可以生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可以生成ATP。2.自由能变化与ATP的生成部位：0.53V0.22V0.32VNADHQbcaO2第35页，共74页。

每消耗1原子氧同时消耗几原子磷，即每传递1对电子可偶联产生几分子ATP底物 NADH 琥珀酸 CoQ 细胞色素cP/O 3 2 2 1ATP2.51.51.51NADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cyta.a3→O2ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPIIIIIV琥珀酸→FADII呼吸主链产能部位:第一部位NADH------CoQ产生1个ATP第二部位CoQ-------CytC产生0.5个ATP第三部位CytC1--------O2产生1个ATP

第36页，共74页。三、氧化磷酸化偶联机制氧化磷酸酸化作用与电子传递相偶联已经不存在任何疑问，但是电子在传递链中究竟怎样从一个中间载体到另一个中间载体的过程中促使ADP磷酸化，还有许多未完全阐明的问题。共存在三种假说：化学偶联假说结构偶联假说化学渗透假说现有许多的证据支持化学渗透假说，并改称为化学渗透学说。第37页，共74页。1.化学偶联假说chemicalcouplinghypothesis电子传递过程产生活泼的高能共价中间物，随后的裂解驱动氧化磷酸化作用。虽然在糖酵解中可看到这种情况，但在氧化磷酸化作用中一直未能找到任何一种活泼的高能中间产物。第38页，共74页。2.构象偶联假说conformationalcouplinghypothesis1964年PaulBoyer提出：电子沿电子传递链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生构象变化，形成高能形式。这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象，但未找到实验证据。第39页，共74页。3.化学渗透假说chemicalosmotichypothesis1961年英国生物化学家PeterMitchell提出：电子传递释放出的自由能和ATP合成是与跨线粒体内膜的质子梯度相偶联，即电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，形成跨线粒体内膜的H+电化学梯度，该梯度的电化学电势（用ΔμH+表示）驱动ATP的合成。第40页，共74页。化学渗透学说图解第41页，共74页。质子梯度的形成第42页，共74页。线粒体基质线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图第43页，共74页。化学渗透假说第44页，共74页。ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+H+胞液侧基质侧++++++++++---------化学渗透假说详细示意图第45页，共74页。化学渗透学说要点线粒体的内膜是完整的封闭系统。电子传递过程中，释放能量将质子由内膜内侧泵到内膜外侧。内膜两侧形成质子电化学梯度，蕴藏了进行磷酸化的能量。4.质子经F1—F0复合体回到内膜内侧，推动ADP磷酸化形成ATP。第46页，共74页。4.ATP合酶的组成和结构线粒体内膜表面有一层规则地间隔排列着的球状颗粒，称为ATP酶复合体/ATP合酶，是ATP合成的场所。结构：

头部：ATP合酶（F1）为亲水蛋白质，由33亚基组成，催化生成ATP。

柄部：棒状Pr，对寡霉素敏感（OSCP）寡霉素敏感相关蛋白，位于F0与F1之间，使ATP合酶在寡霉素存在时不能生成ATP。

基底部：疏水Pr，与内膜连接为疏水蛋白质，是镶嵌在线粒体内膜中的质子通道。第47页，共74页。ATP合酶结构示意图第48页，共74页。ATP合酶合成ATP的机制

美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋转催化假说，认为ATP合成酶β亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个β亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜H+提供。英国科学家Walker通过x光衍射获得高分辩率的牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构，证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个β亚基的确有不同构象，从而有力地支持了Boyer的假说。

Boyer和Walker共同获得1997年诺贝尔化学奖。第49页，共74页。当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。化学计算估计每生成1分子ATP需3个H＋从线粒体内膜外侧回流进入基质中。ATP合酶的工作机制O：开放形式，对底物亲和力极低L：与底物结合松弛，无催化能力T：与底物结合紧密，有催化活性质子梯度的作用：不是形成ATP；而是使ATP从酶分子释放第50页，共74页。ATP4-F0F1胞液侧基质侧腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白ADP3-H2PO4-ATP4-3H+3H+H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-每分子ATP在线粒体中生成并转运到胞浆需4个H＋回流进入线粒体基质中第51页，共74页。NADH氧化呼吸链每传递2H仅生成2.5分子ATP到线粒体外被利用。FADH2氧化呼吸链每传递2H仅生成1.5分子ATP到线粒体外被利用。第52页，共74页。四、影响氧化磷酸化的因素1.呼吸链抑制剂

阻断呼吸链中某些部位电子传递，导致生命活动停止，引起死亡。A.鱼藤酮、粉蝶霉素A、异戊巴比妥等：抑制复合物Ⅰ的Fe-S蛋白B.抗霉素A、二巯基丙醇：抑制Cytb-Cytc1（复合物Ⅲ）的电子传递C.CO、CN-、N3及H2S等：抑制Cytaa3（复合物Ⅳ）（一）抑制剂第53页，共74页。2.解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。使电子传递和ATP形成两个过程分离；不抑制电子传递，只抑制ATP形成；使电子传递所产生的自由能变为热能；对底物水平磷酸化没有影响。2,4-二硝基苯酚、双香豆素人体棕色脂肪组织中含大量线粒体，其内膜中含解偶联蛋白，它转运H+，释放热量，维持体温。（骨骼肌，心肌）

第54页，共74页。3.氧化磷酸化抑制剂

对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。既抑制氧的利用，又抑制ATP的形成,但不抑制电子传递过程.寡霉素第55页，共74页。鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×抗霉素A二巯基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各种呼吸链抑制剂的阻断位点第56页，共74页。不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响

第57页，共74页。解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP第58页，共74页。寡霉素(oligomycin)可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成寡霉素第59页，共74页。（二）ADP的调节作用是主要调节因素。［ADP］↑，氧化磷酸化↑。（三）甲状腺激素Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。（四）线粒体DNA突变

与线粒体DNA病及衰老有关。第60页，共74页。氧化磷酸化的抑制剂第61页，共74页。氧化磷酸化的抑制剂抑制类型抑制剂名称作用位点或作用机制呼吸链抑制剂鱼藤酮、安米妥、杀粉菌素萎锈灵抗霉素A氰化物、CO、H2S、叠氮化物复合体I复合体II复合体III复合体IVF1F0-ATP合酶抑制剂Aurovertin寡霉素、venturicidinDCCD抑制F1抑制F0阻止质子通过质子F0通道解偶联剂DNP、FCCP缬氨霉素生热素脂溶性质子载体钾离子载体，破坏电势能质子通道ATP/ADP交换体抑制剂苍术苷、米酵菌酸抑制线粒体基质内的ATP与细胞质内的ADP之间交换第62页，共74页。五、线粒体内膜的物质转运

线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。第63页，共74页。胞浆中NADH的氧化胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。转运机制主要有-磷酸甘油穿梭(-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)第64页，共74页。1.α-磷酸甘油穿梭特点：线粒体内外的α-磷酸甘油脱氢酶的辅酶不同胞液-----NAD+线粒体---FADFADH2经琥珀酸氧化呼吸链1.5个ATP主要存在于骨骼肌、神经细胞。第65页，共74页。α-磷酸甘油穿梭机制第66页，共74页。

NADH+H+FADH2NAD+FAD线粒体内膜线粒体外膜膜间隙线粒体基质α-磷酸甘油脱氢酶呼吸链磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油第67页，共74页。2.苹果酸穿梭系统特点：

苹果酸脱氢酶的辅酶是NAD+线粒体内的草酰乙酸生成天冬氨酸后再穿过线粒体膜。通过NADH氧化呼吸链产生