动物生物化学第五章-生物氧化终稿-1课件

第五章生物氧化概述生成ATP的氧化体系其他生物氧化体系本章重点及难点重点：掌握什么是生物氧化，高能磷酸化合物的概念及ATP的作用；掌握呼吸链电子传递体的组成及排列方式，以及受抑制的部位；掌握氧化磷酸化的部位，氧化磷酸化的作用机理，了解其他末端氧化酶系统。难点：与能量代谢有关的一些概念；呼吸链的组成成分、排列顺序；氧化磷酸化的机理。

第一节概述一、生物氧化二、能量守恒与转化三、高能化合物一、生物氧化光能（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：通过生物氧化作用将有机物质存储的化学能释放出来，并转变成生物能。生命能量来源糖脂肪蛋白质CO2和H2O

O2能量ADP+PiATP热能生物氧化的概念

生物体内糖、脂肪、蛋白质等有机物质在生物体内氧化分解并逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程称为生物氧化。亦称“组织氧化”、“组织呼吸”或“细胞氧化”、“细胞呼吸”。糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC

2H

呼吸链

H2O

ADP+PiATP

CO2*生物氧化的一般过程生物氧化的特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。*

生物氧化与体外氧化之相同点；

是在细胞内温和的有水环境中（体温，pH接近中性），经一系列酶促反应逐步缓慢进行，能量逐步释放，以ATP形式储存和转运，有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。物质的氧化方式是脱氢反应，脱下的氢在酶、辅酶和电子传递系统参与下经一系列传递与水结合生成H2O；二氧化碳（CO2）是由于糖、脂类和蛋白质转变成含羧基的化合物（有机酸）直接脱羧或氧化脱羧产生。*

生物氧化与体外氧化之不同点:生物氧化体外氧化

在高温、高压以及干燥的条件下进行，是剧烈的自由基反应，能量是突发式释放的。产生的能量以光与热的形式散发在环境中。产生的CO2、H2O是由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。◆场所：真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行。1，反应条件温和(pH中性,体温)2，整个反应是分步进行的过程3，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的4，酶、辅酶和中间传递体参与反应5，反应能量逐步释放6，生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。

总结生物氧化的方式通过脱羧方式-生成CO2

直接脱羧基作用

氧化脱羧基作用α-直接脱羧

α-氧化脱羧β-直接脱羧

β-氧化脱羧通过脱氢方式-生成H2O直接脱氢加水脱氢α-直接脱羧：如氨基酸脱羧R－CHNH2－COOHR－CH2NH2＋CO2α－氨基酸胺直接脱羧作用β-直接脱羧：如草酰乙酸脱羧α-氧化脱羧：如丙酮酸的氧化脱羧：β-氧化脱羧：如苹果酸的氧化脱羧：氧化脱羧作用

琥珀酸脱氢直接脱氢乳酸脱氢酶加水脱氢酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。

在生物氧化中，水是代谢物上脱下的氢与生物体吸进的O2化合生成的。代谢物上的氢需要脱氢酶的作用，吸入的O2要通过氧化酶的作用才能转化为高活性的氧。在此过程中，还需要有一系列传递体才能把氢传递给氧，生成水.

代谢物M2H

氧化型H2O

一个或多个传递体

M

还原型O2

生物氧化过程中水的生成生物氧化过程中水的生成二、能量守恒与转化

是指在一个反应体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够用以作功的那一部分能量。即生物体中进行生物氧化所提供的能。恒温恒压条件下自由能变化公式为ΔG=ΔH－TΔS意义：1)用其判断一个反应是否能发生；2)生物体用以作功的能为体内化学反应放出的自由能；3)生物氧化所提供的能是机体可利用的自由能。自由能（G）的概念：ΔG与反应途径、反应机理无关。任何反应，当：

ΔG＜0反应可自发进行，为放能反应；

ΔG＞0反应不能自发进行，为吸能反应；

ΔG＝0体系处于平衡状态，反应可逆。自由能和化学反应的关系化学反应：A→B自由能的变化：ΔG＝ΔG0－RTln[B]/[A]

R-气体常数（8.314J/mol.K）

T-热力学温度（绝对温度）标准自由能变化ΔG0’

：

标准状况下（pH=7时），产物自由能与反应物自由能之差。单位：kJ/mol

当反应达到平衡时：ΔG＝0

ΔG’＝－RTln[B]/[A]=-2.303RT

lgK

ΔG0’的大小依赖于反应的平衡常数K

每一化学反应有其特定的ΔG0’参与氧化还原反应的每种物质都有氧化态和还原态，称为氧还对；每一氧还对转移电子的势能（即失去或获得电子趋势的高低）叫做氧化还原电位，标准氧化还原电位以E0’表示。

E0’值越小，供出电子的倾向越强，即还原能力越强；E0’值越大，接受电子的倾向越强，即氧化能力越强。

在生物体内氧化还原过程中，电子总是从E0’值较小的物质移向E0’值较大的物质，即从还原剂（电子供体）移向氧化剂（电子受体）。所产生的电位差用ΔE0’值表示（pH＝7）。氧化还原电位ΔG0’＝－nF

ΔE0’

n=转移电子数

F:法拉第常数（96.496kJ/V.mol)氧化还原电位与自由能的关系对于一个氧化还原反应，通过氧化还原电位差即可计算出该反应自由能的变化。丙酮酸＋NADH＋H﹢＝乳酸＋NADNADH/NAD:E0’

＝－0.32V，

丙酮酸/乳酸:E0’

＝－0.185VΔG0’＝－2×96.496×〖－0.185－(－0.32)〗＝－25.1kJ/mol三、高能化合物

在标准条件（pH=7,250C,1mol/L)发生水解时可释放出大量自由能（ΔG’≥－21kJ/mol）的化合物。高能化合物的概念：

在高能化合物或高能磷酸化合物分子中，水解时能释放出大量自由能的活泼共价键，叫高能键或高能磷酸键。用符号～表示。高能化合物特点磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起者重要作用。在水解过程中都能够释放出自由能。一般将水解时能够释放21kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能（G。<-21kJ/mol）的化合物称为高能化合物。ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。

1,磷氧键型（--O--P)(1)酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔高能化合物类型(1)酰基磷酸化合物氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔2,氮磷键型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。3,硫酯键型3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A4,甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸ATP的特殊作用ATP是生物能存在的主要形式.ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式.ATP是磷酸基团转移反应的中间载体.它可以接受具有更高磷酸基团转移势能化合物的磷酸基团;又可以将它的磷酸基团转移给具有较低磷酸基团转移势能的化合物.ATP是生物系统能量交换的中心机械能--运动化学能--合成渗透能--分泌吸收电能--生物电热能--体温光能--生物发光荧火虫ATP的生成和利用ATPADP

肌酸

磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P

~P

机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。一般情况下，ATP将磷酸基团转移给肌酸生成磷酸肌酸将能量贮存起来。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。体内有些合成反应不直接利用ATP供能，而是由ATP将高能磷酸键转给NDP，生成NTP，作为能量的直接来源参与合成反应。如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂合成，GTP用于蛋白质合成等。

核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDP

ADP+CTPATP+GDPADP+GTP第二节生成ATP的氧化体系一、呼吸链二、氧化磷酸化一、呼吸链细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所。概念：指代谢物上脱下的氢（质子和电子）经一系列递氢体或电子传递体，按氧化还原电位的高低，将电子和质子传递给氧并生成水的全部体系称为呼吸链，也称电子传递链。细胞定位:真核生物的这些递氢体或递电子体往往以复合体的形式存在于线粒体内膜上。原核生物的呼吸链存在于质膜上。呼吸链的组成ⅢⅠ

ⅡⅣ

CytcQNADH+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-NADH还原酶+2（Fe-S）+CoQ1．复合体Ⅰ（NADH-CoQ脱氢酶）NADH-CoQ脱氢酶它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及CoQ的还原。NADHQ还原酶含有约25种多肽亚基。它的活性部分有含辅基FMN的黄素蛋白和铁硫蛋白。FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给CoQ。

NADHQ还原酶

NADH+CoQ+H+====NAD++CoQH2NADH还原型辅酶它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。铁硫蛋白铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHCoQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+

Fe2+

变化起传递电子的作用泛醌的分子结构泛醌2．复合体Ⅱ（琥珀酸脱氢酶）琥珀酸脱氢酶+2（Fe-S）+2（Cytb560）琥珀酸延胡索酸琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸脱氢酶（复合物II）催化下，将两个高能电子传递给CoQ。再将电子传递到Cyt.b。复合物II比NADH-Q还原酶的结构简单，由4～5个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。琥珀酸脱氢酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和CoQ的还原。

3．复合体Ⅲ（泛醌-细胞色素c还原酶）：2Cytb+Cytc1+（Fe-S）

复合物III是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型CoQH2的氧化和细胞色素c的还原。

cyt.c还原酶

CoQH2+2cyt.c(Fe3+)====CoQ+2cyt.c(Fe2+)+2H+

复合物III由9～10个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素b和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。细胞色素类：这是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质。在生物氧化反应中，其铁离子可为+2价亚铁离子，也可为+3价高铁离子。通过这种转变而传递电子。细胞色素为单电子传递体。细胞色素存在于线粒体内膜，也存在于微粒体。存在于线粒体内膜的细胞色素有Cytaa3，Cytb（b560，b562，b566），Cytc，Cytc1；而存在于微粒体的细胞色素有CytP450和Cytb5。细胞色素是一类以铁铁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。细胞色素b的分子结构细胞色素c（Cyt.c）位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，cyt.c通过Fe3+

Fe2+

的互变起电子传递中间体作用。4．复合体Ⅳ（细胞色素c氧化酶）Cyta+Cyta3

简写为cyt.c氧化酶，即复合物IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由13个多肽亚基组成。活性部分主要包括cyt.a和a3。细胞色素c氧化酶cyt.a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt.aa3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+

Cu2+

的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。呼吸链成分的排列顺序

实验依据：1）根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序，氧化还原电位逐渐增加，该值越大，说明越易构成氧化剂处于呼吸链的末端;该值越小，说明越易构成还原剂处于呼吸链的始端。2）电子亲和力增加的顺序排列；3）吸收光谱变化，氧化程度逐渐增高；4）利用电子传递抑制剂选择性阻断；5）拆开和重组.FADH2氧化呼吸链NADH氧化呼吸链NADH氧化呼吸链和FADH2氧化呼吸链呼吸链电子传递抑制剂是能够专一阻断呼吸链中某些部位电子传递的物质和化学药品。它的特点是可抑制呼吸链的某一环节，使呼吸链中断。这类物质和化学药品大多对人类或哺乳动物乃至需氧生物具有极强的毒性。能够抑制第一位点的有阿米妥（异戊巴比妥）、粉蝶霉素A、鱼藤酮等；能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇；能够抑制第三位点的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。鱼藤酮杀粉蝶菌素（粉蝶霉素A）阿米妥（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二、氧化磷酸化和ATP合成在线粒体中，底物分子脱下的电子和氢经呼吸链传递给氧生成水，在此过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP，这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化。直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子中的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷酸化。下列三个反应为底物水平磷酸化：

⑴3-磷酸甘油酸激酶1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP

⑵

丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP

烯醇式丙酮酸+ATP

⑶琥珀酰硫激酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP

琥珀酸+CoA+GTP氧化磷酸化的偶联部位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的摩尔数称为P/O比值。NADH或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到O2的过程中，释放出大量的能量。这种高能电子传递过程的释能反应与ADP和磷酸合成ATP的需能反应相偶联，是ATP形成的基本机制。在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。在线粒体呼吸链中，推动电子从NADH传递到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+

和1/2O2/H2O两个半反应之间存在很大的电势差。(a)½O2+2H++2e-

H2OE0’=+0.82V(b)NAD++H++2e-

NADHE0’=-0.322V

将(a)减去(b)，即得(c)式：(c)½O2+NADH+2H+

H2O+NAD+E0’=+1.14VG’=-nFE0’=-2965001.14=-220kJ/mol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。故在NADH氧化呼吸链中有三处可生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可生成ATP。FAD↓NAD+→[FMN(Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2-0.32-0.30+0.04

+0.07+0.22+0.25

+0.29+0.82↓↓↓

ATP

ATP

ATPATPATPATP实验测得:NADH的P/O＝2.5FADH2的P/O＝1.5氧化磷酸化作用机理目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年由Mitchell提出的化学渗透学说。这一学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。这种形式的“势能”，可以被存在于线粒体内膜上的ATP合成酶利用，将ADP与磷酸基团结合，生成ATP。化学渗透假说的要点是：线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；线粒体内膜是完整封闭的;电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧（膜对H+是不通透的）。在膜的内侧与外侧产生了跨膜质子梯度(pH)和电位梯度（）；在膜内外势能差（pH和）的驱动下，膜外高能质子沿着F0F1-ATP酶特殊通道，跨膜返回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP。线粒体基质线粒体膜H+e-++++----H+ADP+PiATPO2H2O化学渗透假说简单示意图ⅢⅠ

Ⅱ

Ⅳ

F0F1CytcQNADH+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

线粒体膜上的ATP合酶是受质子动力推动的酶。可催化ATP水解放能；又可从质子动力获能，合成ATP。由亲水部分F1（α3β3γδε亚基）和疏水部分F0（a1b2c9～12亚基）组成。氧化磷酸化的影响因素ATP/ADP比值：

ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢。甲状腺激素：甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的速度。其原因是甲状腺激素可以激活细胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。解偶联剂(质子载体)：不抑制呼吸链的电子传递，但能阻止ATP的形成，使氧化产生的能量变为热能。主要的解偶联剂有2,4-二硝基酚。氧化磷酸化的解偶联和抑制

DNP的解偶联原理:破坏跨膜H+梯度在正常生理条件下DNP是解离形式,因它是脂不溶性所以不能透过线粒体内膜,在酸性环境下DNP接受质子成为脂溶性物质,透过内膜,同时将质子H+带入内膜,破坏了跨膜H+梯度而引起解偶联现象。氧化磷酸化的解偶联效应也被生物所利用。例如冬眠动物和适应寒冷的哺乳动物中,它是一种能够产生热以维持体温的方法.

氧化磷酸化的抑制剂：

对电子传递和ADP磷酸化均有抑制作用的药物和毒物，如寡霉素。离子载体抑制剂：

是一类脂溶性物质，除H＋以外的其他一价阳离子载体，如缬氨霉素、短杆菌肽。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ATP合酶结构模式图

激素控制褐色脂肪线粒体氧化磷酸化解偶联机制：褐色脂肪组织—由大量线粒体细胞和三酰甘油构成。其作用是通过氧化磷酸化解偶联进行非战栗性产热。作用机理：存在于褐色脂肪线粒体中的产热素激素蛋白控制线粒体内膜对质子的通透性。该激素受ATP、ADP、GTP抑制，其抑制作用又可被激活剂-游离脂肪酸解除。游离脂肪酸又受到去甲肾上腺素与cAMP的调节：去甲肾上腺素受体系统合成cAMP；cAMP激活蛋白激酶；蛋白激酶激活三酰甘油酯酶，催化三酰甘油水解产生游离脂肪酸。线粒体外NADH的氧化胞液中产生的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：A，磷酸甘油穿梭系统：NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，只产生2分子ATP。

B，苹果酸穿梭系统：NADH+H+的一对氢原子经此穿梭系统带入一对氢原子可生成3分子ATP。

磷酸甘油穿梭系统：

存在于骨骼肌、脑和神经组织中

NADH+H+FADH2NAD+FAD线粒体内膜线粒体外膜膜间隙线粒体基质S-α-磷酸甘油脱氢酶呼吸链

磷酸二羟丙酮PiCH2O-CH2OHC=OPiCH2O-CH2OHC=Oα-磷酸甘油PiCH2O-CH2OHCHOHPiCH2O-CH2OHCHOHM-α-磷酸甘油脱氢酶苹果酸穿梭系统：

存在于心脏、肝细胞组织中NAD+

-OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH+H+NAD+

谷氨酸-天冬氨酸转运体苹果酸-α-酮戊二酸转运体-OOC-CH2-C-COO-OHH苹果酸-OOC-CH2-C-COO-O草酰乙酸-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-Oα-酮戊二酸-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H谷氨酸S-苹果酸脱氢酶谷草转氨酶胞液线粒体内膜基质呼吸链-OOC-CH2-C-COO-H3N+H天冬氨酸-OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+HM-苹果酸脱氢酶能荷

细胞的能量状态的一种度量方式，表示细胞内高能磷酸键可获得性的大小。能荷的大小说明生物体中ATP-ADP-AMP系统的能