章生物能学原理及氧化

第十一章生物能学原理及生物氧化PrincipleofBioenergeticsandBiologicalOxidation物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。此过程需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称细胞呼吸(cellularrespiration)。

*生物氧化（biologicaloxidation）的概念糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能*生物氧化的一般过程第一节生物能学的基本原理PrinciplesofBioenergetics一、生物系统遵循热力学定律一个体系及其周围环境的总能量是一个常数。能量可以在系统内转移，或从一种形式转化为另一种形式。有机化合物氧化时释放的能量等于该物质所具有的化学键能与其氧化产物所含化学键能之差。（一）热力学第一定律——能量守恒定律熵（entropy）表示一个系统的无序或随机程度。常用∆G(自由能的变化)衡量一个生物化学过程是否能够自发进行：∆G<0，反应不可逆∆G>0，反应为吸能反应（∆G值越大，则系统越稳定，发生反应的倾向越小。）∆G=0，反应系统处于平衡状态（二）热力学第二定律

——自动发生的过程总熵增加∆Gº:当反应物浓度为1mol/L，反应温度为25℃，压力为1大气压时，用∆Gº表示标准自由能变化。∆Gº

：生物化学反应时，将pH定为7.0，这种状态下的标准自由能变化用∆Gº

表示。∆Gº

可根据平衡常数Keg进行计算：

∆Gº

=-2.303RTlogKeg

R为气体常数R=8.31×10-3kJ/mol·K，T为绝对温度。

（一）代谢物转变时释放的自由能提供另一种代谢物的转变二、体内吸能过程与放能过程偶联进行A+C→B+D+热能（二）一个热力学上不利的反应可被热力学有利的反应驱动AB+CBDAD+C（三）放能反应时生成高能化合物提供吸能反应所需的自由能ACB~DEE～E代表高能化合物，E为相应的低能化合物

三、ATP在能量捕获、转移、储存和利用过程中起核心作用一般将∆Gº

大于ATP（包括ATP），或∆Gº

大于21kJ/mol的磷酸化合物称为高能磷酸化合物。用符号~P表示高能磷酸键。（一）高能磷酸化合物的磷酰基水解时释放出大量自由能高能磷酸化合物:一些生物学重要的有机磷酸化合物水解时释放的标准自由能化合物∆Gº

kJ/mol（kcal/mol）磷酸烯醇式丙酮酸-61.9(-14.8)氨基甲酰磷酸-51.4(-12.3)1,3-二磷酸甘油酸-49.3(-11.8)磷酸肌酸-43.1(-10.3)ATP→ADP+Pi-30.5(-7.3)ADP→AMP+Pi-27.6(-6.6)焦磷酸-27.6(-6.6)1-磷酸葡萄糖-20.9(-5.0)6-磷酸果糖-15.9(-3.8)AMP-14.2(-3.4)6-磷酸葡萄糖-13.8(-3.3)3-磷酸甘油醛-9.2(-2.2)（二）ATP将热力学上不利的过程和有利的反应相偶联体内许多代谢物的“活化”反应（吸能）大多直接或间接地与ATP酸酐键的水解放能反应相偶联，使“活化”反应能顺利进行。OCH2HOHOHOHHOHHOHHH葡萄糖ATPADPMg2+己糖激酶(hexokinase)OHOHOHHOHHOHHOCH2H6-磷酸葡萄糖PP（三）腺苷酸激酶（adenylatekinase）催化腺嘌呤核苷酸之间相互转变

ATP+AMP2ADP（四）核苷二磷酸激酶催化UTP、CTP、GTP生成

ATP+UDP→ADP+UTP

ATP+CDP→ADP+CTP

ATP+GDP→ADP+GTP（五）磷酸肌酸作为肌和脑中能量的一种储存形式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。人体内ATP的来源和去路:第二节

氧化磷酸化

OxidativePhosphorylation定义代谢物脱下的成对氢原子(2H)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(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。组成递氢体和电子传递体（2H

2H++2e）一、氧化呼吸链又称电子传递链（一）氧化呼吸链由4种复合体所组成*泛醌和Cytc

均不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素C氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941113呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置1.复合体Ⅰ将NADH+H+中的两个电子传递给泛醌（ubiquinone）

复合体ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+（NADP+）

的加氢和脱氢反应

氧化还原反应的变化发生在五价氮和三价氮之间。FMN的加氢和脱氢反应

FMN结构中含核黄素，功能部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN•。铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+

Fe3++e反应传递电子。Ⓢ表示无机硫铁硫簇(iron-sulfurcluster

)的结构

铁硫蛋白(iron-sulfurprotein

)SS无机硫半胱氨酸硫泛醌（CoenzymeQ

,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。泛醌的加氢和脱氢反应

NADH→FMN→N1a

→（N3,N1b,N4）→N2→

QP-N→Q

（Fe2S2）（Fe4S4）（Fe2S2）（Fe4S4）（Fe4S4）目前推测复合体Ⅰ中电子传递顺序如下：2.复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递给泛醌

（FAD，S1）→S3→QP-S琥珀酸→→Q复合体Ⅱ中电子传递顺序:一些含有FAD的脱氢酶也可将底物中的电子传递给泛醌。细胞色素（Cytochrome，Cyt）

细胞色素是一类以血红素（heme）为辅基的电子传递蛋白，根据它们吸收光谱不同而分类。各种还原型细胞色素的主要光吸收峰细胞色素波长（nm）αβγa600439b562532429c550521415c1554524418血红素中的铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子,属单电子传递体。3.复合体Ⅲ将电子从泛醌传递给细胞色素c泛醌-细胞色素C还原酶同二聚体结构

复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1复合体Ⅲ传递电子的过程通过Q循环(Qcycle)来实现:（1）第一分子QH2氧化过程（2）第二分子QH2氧化过程

QH2QH2Fe2S22H+Q·¯QQe¯c1e¯e¯e¯bLbHQ0Qie¯QH2QH2Fe2S22H+Q·¯QQe¯c1e¯e¯e¯bLbHQ0Qie¯QH22H+Q·¯Q·¯4.复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧

复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB其中Cyta3

和CuB形成的活性部位将电子交给O2。细胞色素C氧化酶CuA中心细胞色素氧化酶a3-CuB中心Fe(Ⅱ)

Fe(Ⅱ)CuB2+CuB2+CuB+CuB+HO-YHO-Y(Tyrosine244)HO-YHO-YHO-YHO-YHO-YO2Fe(III)Fe(IV)Fe(IV)Fe(IV)Fe(III)+Fe(III)+Fe(III)e-e-H+H2OH+CuB+OH∣CuB+CuB2+·O-YO=OOH∣OH∣O‖O‖O‖O-OOH∣CuB+H+H2Oe-H+,e-

细胞色素C氧化酶a3-CuB中心使O2还原生成H2O的过程目录

由以下实验确定:①标准氧化还原电位②特异抑制剂阻断③还原状态呼吸链缓慢给氧④拆开和重组（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位从低到高排列目录1.NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22.琥珀酸氧化呼吸链

琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2氧化呼吸链可分为两条途径:NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链电子传递链氧化呼吸链电子传递概貌α

二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化反应偶联*定义氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指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。

底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。（一）复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ是氧化磷酸化偶联部位1.根据P/O比值推测氧化磷酸化偶联部位线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值注：近年的实验确定，NADH呼吸链P/O比值大约为2.5；琥珀酸呼吸链P/O比值约为1.5。2.根据电子传递时自由能变化确定可能的偶联部位⊿Gº'=-nF⊿Eº'电子传递链自由能变化

区段电位变化(⊿Eº′)自由能变化⊿Gº′=-nF⊿Eº′能否生成ATP(⊿Gº′是否大于30.5kJ)Cytaa3~O20.53V102.3kJ/mol能NAD+~CoQ0.36V69.5kJ/mol能CoQ~Cytc0.21V40.5kJ/mol能ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位（二）氧化磷酸化偶联机制是跨线粒体内膜的质子电化学梯度化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)

电子经呼吸链传递时，驱动质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，从而产生膜内外质子电化学梯度储存能量,当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。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氧化呼吸链质子跨膜转移的机制F1:亲水部分(α3β3γδε亚基,OSCP,IF1亚基)F0:疏水部分(a,b2,c9~12亚基)（三）ATP合酶利用质子顺浓度梯度回流时释放的能量合成ATP

1.ATP合酶（ATPsynthase）由F1

和F0组成2.质子通过ATP合酶Fo顺浓度梯度回流使F1γ亚基旋转ATP合酶Fo中a亚基和c亚基结构示意通过C环的旋转，质子从内膜胞浆侧进入胞浆半通道，通过基质半通道释放进入线粒体基质。c环与γδ亚基紧密相连，当c环旋转时会带动γ亚基旋转。当H+顺浓度递度经Fo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。ATP合酶的工作机制3.γ亚基旋转使β亚基构象改变导致ATP合成和释放三、一些因素影响氧化磷酸化的进行呼吸链抑制剂阻断氧化呼吸链的电子传递

如：鱼藤酮（rotenone）

2.解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离如：解偶联蛋白（uncouplingprotein,UCP）

3.ATP合酶抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用

如：寡霉素（oligomycin）

（一）氧化磷酸化抑制剂有3类鱼藤酮粉蝶霉素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不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响

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（二）正常机体氧化磷酸化速率主要受ADP调节呼吸链电子传递和ATP生成的偶联关系是相互依赖的。呼吸控制率(respiratorycontrolratio,RCR)（三）甲状腺激素使机体耗氧和产热均增加

甲状腺激素诱导Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达增加。（四）线粒体DNA突变使氧化磷酸化功能降低线粒体DNA（mitochondrialDNA,mtDNA）病衰老电子传递链及氧化磷酸化系统概貌ΔμH+跨膜质子电化学梯度；H+m内膜基质侧H+；H+c

内膜胞液侧H+目录四、线粒体内膜对物质的转运具有选择性线粒体基质与胞浆之间有线粒体内、外膜相隔，外膜对物质通透的选择性不强，内膜依赖各种跨膜转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。线粒体内膜中的一些转运蛋白对代谢物转运（一）胞浆中的NADH通过穿梭进入线粒体参加氧化磷酸化转运机制主要有两条:α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)1.

α-磷酸甘油穿梭主要存在于骨骼肌和脑中2.

苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于心肌和肝中（二）腺苷酸移位酶使ATP和ADP反向转运腺苷酸移位酶（adeninenucleotidetranslocase）又称腺苷酸载体（adeninenucleotidecarrier）或腺苷酸转运蛋白。

（三）Ca2+通过线粒体内膜中两种转运蛋白进出线粒体线粒体是储存Ca2+的细胞器。由膜电位驱动，通过内膜中的钙单向转运蛋白（calciumuniporter）转运，使Ca2+进入线粒体。转运速度随胞浆中[Ca2+]浓度增加而增加。线粒体基质中的Ca2+与胞浆中的Na+可通过Na+-Ca2+交换蛋白（Na+-Ca2+exchanger）对向转运。（四）线粒体内膜转运蛋白中均存在3个前后重复的结构线粒体内膜还存在其他与代谢物转运有关的转运蛋白，它们大多含有3个以100个氨基酸残基为单位的重复结构，空间结构分析，每个单位存在两个跨膜段，有利于形成跨膜转运通道。

第三节

不生成ATP的氧化途径OxidationWithoutATPGeneration一、微粒体细胞色素P450单加氧酶系使底物分子羟化单加氧酶(monoxygenase)RH+NADPH+H++O2ROH+NADP++H2O上述反应需要细胞色素P450(CytP450)参与。它催化氧分子中一个氧原子加到底物分子中(羟化)，故也称羟化酶(hydroxylase)；同时将另一个氧原子与NADPH+H+中的2H结合生成水，故又称混合功能氧化酶(mixed-functionoxidase)。

Fe(Ⅱ)Fe(III)Fe(IV)Fe(III)Fe(III)Fe(III)e-CuB+O=OO‖O-OHH+H2O微粒体细胞色素P450基本反应机制

Fe(III)O-O·AHAHAHAHAHAHA-OHFe(Ⅱ)AOHe-H+H2O22H+·O2¯AHO2+目录目录二、生物氧化过程中产生超氧阴离子（一）活性氧类包括超氧阴离子、过氧化氢和羟自由基超氧阴离子（superoxideanion）：O2¯过氧化氢（hydrogenperoxide）：H2O2羟自由基（hydroxylfreeradical）：·OHO2

O2-

H2O2

·OH

H2Oe-e-+2H+e-+H+e-+H+H2O活性氧类（reactiveoxygenspecies,ROS）：自由基（freeradical）是指任何带未成对电子的原子、分子或基团。H2O2不是自由基，但在细胞内Fe2+或Cu+的存在下可通过芬顿（Fenton）或哈伯-韦斯（Haber-Weiss）反应转变成羟自由基。Fe2++H2O2

Fe3++·OH+OH¯Fenton反应