第八章生物氧化和能量轉化

1、2022-2-512022-2-52第一節(jié)第一節(jié) 生物氧化概述生物氧化概述一一 基本概念基本概念 生物氧化生物氧化（biological oxidation）是指）是指細胞內的糖、蛋白質和脂肪進行氧化分解細胞內的糖、蛋白質和脂肪進行氧化分解而生成而生成CO2和和H2O，并釋放能量的過程。，并釋放能量的過程。 生物氧化實際上是需氧細胞呼吸作用中生物氧化實際上是需氧細胞呼吸作用中的一系列氧化還原反應。的一系列氧化還原反應。 2022-2-53二、生物氧化的特點二、生物氧化的特點1. 生物氧化是在細胞內進行的。生物氧化是在細胞內進行的。2. 生物氧化是在常溫、常壓、近于中性及有水環(huán)生物氧化是在常溫、

2、常壓、近于中性及有水環(huán)境中進行的。境中進行的。3. 生物氧化所產生的能量是逐步釋放的。生物氧化所產生的能量是逐步釋放的。4. 生物氧化所產生的能量首先轉移到一些特殊的生物氧化所產生的能量首先轉移到一些特殊的高能化合物中。高能化合物中。2022-2-54三、生物氧化中三、生物氧化中CO2的生成的生成1. 直接脫羧作用直接脫羧作用 氧化代謝的中間產物羧酸在氧化代謝的中間產物羧酸在脫羧酶脫羧酶的催化下，直的催化下，直接從分子中脫去羧基。例如草酰乙酸的脫羧。接從分子中脫去羧基。例如草酰乙酸的脫羧。2022-2-552. 氧化脫羧作用氧化脫羧作用 氧化代謝中產生的有機羧酸（主要是酮酸）在氧化代謝中產生的

3、有機羧酸（主要是酮酸）在氧氧化脫羧酶系化脫羧酶系的催化下，在脫羧的同時，也發(fā)生氧化的催化下，在脫羧的同時，也發(fā)生氧化（脫氫）作用。（脫氫）作用。2022-2-56四、生物氧化中四、生物氧化中H2O的生成的生成代謝物代謝物MH2氧化型氧化型M還原型還原型1/2O2H2O一個或多個傳遞體一個或多個傳遞體脫氫酶脫氫酶氧化酶氧化酶2022-2-57 1. 自由能自由能 自由能自由能是指一個化合物分子結構中所固有的能量，是指一個化合物分子結構中所固有的能量，是一種能在恒溫、恒壓條件下作功的能量。是一種能在恒溫、恒壓條件下作功的能量。 如果如果 A B , 則則G GB GA五、自由能和氧化還原電位五、自

4、由能和氧化還原電位 G 僅決定于反應物（初始狀態(tài)）的自由能與產僅決定于反應物（初始狀態(tài)）的自由能與產物（最終狀態(tài)）的自由能；與反應途徑、反應機理、物（最終狀態(tài)）的自由能；與反應途徑、反應機理、反應速度無關。反應速度無關。2022-2-58當當 G 0 時，時， Go - RT ln B/A -2.303 RT lg KeqKeq是化學反應的平衡常數(shù)，因此是化學反應的平衡常數(shù)，因此Go 也是一個常數(shù)。也是一個常數(shù)。 G GB GA Go + RT ln B/AG ： 自由能變自由能變 Go：標準自由能變：標準自由能變 R ：摩爾氣體常數(shù)：摩爾氣體常數(shù) 8.314 J / (mol . K) T：

5、熱力學溫度：熱力學溫度 (K)G 0，供給能量才能進行，吸能反應。，供給能量才能進行，吸能反應。G = 0，反應處于平衡狀態(tài)。，反應處于平衡狀態(tài)。2022-2-59 2. 氧化還原電位氧化還原電位 E0 E0正正 E0負負 E0氧化極氧化極 E0還原極還原極 E0 越小，供電子傾向越大，其還原力越強越小，供電子傾向越大，其還原力越強 E0 越大，得電子傾向越大，其氧化力越強越大，得電子傾向越大，其氧化力越強Go -n F E0 n：轉移電子數(shù)；：轉移電子數(shù)； F：法拉第常數(shù)：法拉第常數(shù)96.5 KJ/(V.mol) 3. 自由能變化和氧化還原電位的關系自由能變化和氧化還原電位的關系2022-2

6、-510六、高能磷酸化合物六、高能磷酸化合物 生物體內有許多磷酸化合物，當其磷?；鈺r，生物體內有許多磷酸化合物，當其磷?；鈺r，釋放大量的能量，這些化合物稱為釋放大量的能量，這些化合物稱為高能磷酸化合物高能磷酸化合物。如如 ATP。 一般將水解時能夠釋放一般將水解時能夠釋放21 kJ /mol （5千卡千卡/ mol ）以上自由能（以上自由能（ G -21 kJ / mol）的化合物稱為）的化合物稱為高高能化合物能化合物。 根據生物體內高能化合物鍵的特性可以把他們分根據生物體內高能化合物鍵的特性可以把他們分成以下幾種類型。成以下幾種類型。 2022-2-511 ?；姿峄衔秕；姿峄?/p>

7、物 1. 磷氧鍵型（磷氧鍵型（OP）COC HOC H2O HOPOO-O-POO-O-3-磷酸甘油酸磷酸磷酸甘油酸磷酸11.8千卡千卡/摩爾摩爾 烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡千卡/摩爾摩爾2022-2-512 焦磷酸化合物焦磷酸化合物O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）O-POO-O POO-O-焦磷酸焦磷酸7.3千卡千卡/摩爾摩爾2022-2-513OPOON HCN HNCH3CH2CO O HOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CH

8、COOHNH2磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸10.3千卡千卡/摩爾摩爾7.7千卡千卡/摩爾摩爾 2. 磷磷氮氮鍵型（鍵型（NP）2022-2-514 磷酸肌酸磷酸肌酸存在于肌肉、腦和神經組織中，它可與存在于肌肉、腦和神經組織中，它可與ATP相互轉化。相互轉化。ATP多時，以磷酸肌酸的形式貯能；多時，以磷酸肌酸的形式貯能；ATP不足時，磷酸肌酸轉化為不足時，磷酸肌酸轉化為ATP。因而可認為。因而可認為磷磷酸肌酸是酸肌酸是ATP的貯存庫的貯存庫。 嚴格的說，嚴格的說，ATP不是能量的貯存者，而是能量的不是能量的貯存者，而是能量的攜帶者和傳遞者。攜帶者和傳遞者。 以高能磷酸形式儲存能量的物質稱

9、為以高能磷酸形式儲存能量的物質稱為磷酸原磷酸原，包，包括括磷酸肌酸磷酸肌酸和和磷酸精氨酸磷酸精氨酸。2022-2-515COO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸 3. 硫碳鍵型（硫碳鍵型（CS） 甲硫鍵化合物甲硫鍵化合物RCOSCoA酰基輔酶?；o酶A 硫酯鍵化合物硫酯鍵化合物2022-2-516第二節(jié)第二節(jié) 線粒體及其內部氧化體系線粒體及其內部氧化體系 細胞內的線粒體是生物氧化的主要場所。細胞內的線粒體是生物氧化的主要場所。 在生物氧化中，從代謝物上脫下的氫由一系在生物氧化中，從代謝物上脫下的氫由一系列傳遞體所組成的電子傳遞鏈而轉移，最終達到列傳遞體所組成的電

10、子傳遞鏈而轉移，最終達到氧，使氧還原成水，并伴隨著自由能的釋放和氧，使氧還原成水，并伴隨著自由能的釋放和ATP的生成。的生成。2022-2-5172022-2-518二、線粒體內膜上的電子傳遞鏈二、線粒體內膜上的電子傳遞鏈 在生物氧化過程中，從代謝物上脫下的氫由一在生物氧化過程中，從代謝物上脫下的氫由一系列傳遞體依次傳遞，最后與氧形成水的整個體系系列傳遞體依次傳遞，最后與氧形成水的整個體系稱為稱為呼吸鏈（呼吸鏈（respiratory chain）。 由于在傳遞過程中，在很多部位氫原子實際上由于在傳遞過程中，在很多部位氫原子實際上以質子（以質子（H+）形式進入基質，僅發(fā)生電子轉移，因）形式進入

11、基質，僅發(fā)生電子轉移，因此呼吸鏈又稱為此呼吸鏈又稱為電子傳遞鏈（電子傳遞鏈（electron-transport chain）。2022-2-519電子傳遞鏈基本分為：電子傳遞鏈基本分為：1. 煙酰胺腺嘌呤核苷酸（煙酰胺腺嘌呤核苷酸（NAD+、NADP+）2. 黃素蛋白（黃素蛋白（FMN、FAD）3. 鐵硫蛋白（鐵硫蛋白（FeS）4. 泛醌（輔酶泛醌（輔酶Q，CoQ）5. 細胞色素（細胞色素（cyt） 電子傳遞鏈的基本組成電子傳遞鏈的基本組成2022-2-5202022-2-521 通過異咯嗪環(huán)第通過異咯嗪環(huán)第1位和第位和第10位上的兩個氮原子反位上的兩個氮原子反復進行加氫和脫氫反應。復進行加

12、氫和脫氫反應。2022-2-522 它主要以它主要以 (2Fe-2S) 或或 (4Fe-4S) 形式存在。鐵硫形式存在。鐵硫蛋白通過蛋白通過Fe3+ Fe2+ 變化起傳遞電子的作用。變化起傳遞電子的作用。2Fe-2S4Fe-4S2022-2-523 它是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為它是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為一種脂溶性醌類化合物。一種脂溶性醌類化合物。2022-2-524 細胞色素是一類含有血紅素輔基的電子傳遞蛋細胞色素是一類含有血紅素輔基的電子傳遞蛋白的總稱。白的總稱。 線粒體呼吸鏈中主要含有線粒體呼吸鏈中主要含有cyta、cyta3、cytb、cytc和和cytc1 5

13、種。組成它們的輔基分別為血紅素種。組成它們的輔基分別為血紅素A、B和和C。細胞色素主要是通過細胞色素主要是通過Fe3+ Fe2+ 的互變起傳遞的互變起傳遞電子的作用的。電子的作用的。cytacyta和和a a3 3組成一個復合體，除了含有鐵卟啉外，組成一個復合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。在電子傳遞過程中，分子中的銅離還含有銅原子。在電子傳遞過程中，分子中的銅離子可以發(fā)生子可以發(fā)生Cu+ Cu+ Cu2+ Cu2+ 的互變的互變. .2022-2-5252022-2-526 電子傳遞鏈各組分的排列順序電子傳遞鏈各組分的排列順序 線粒體末端氧化呼吸鏈有兩條：線粒體末端氧化呼吸鏈有兩條： 1

14、. NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈 2. 琥珀酸氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈 電子從低電位流向高電位：電子從低電位流向高電位： NADH FMN Fe-S CoQ cyt b Fe-S cyt c1 cyt c cyt aa3 O2FADH2 Fe-S 2022-2-527 兩條呼吸鏈中除兩條呼吸鏈中除NADH、CoQ和和cytc外，其余組外，其余組分形成嵌入內膜的結構化超分子復合體。這些復合分形成嵌入內膜的結構化超分子復合體。這些復合體有體有4類：類：. NADH-Q還原酶復合物還原酶復合物 NADH+H+FMN Fe-S CoQ. 琥珀酸琥珀酸Q還原酶復合物還原酶復合物 FADH2 Fe-S

15、CoQ. Cyt bc1 復合物復合物 CoQ cyt b cyt c1 cyt c. 細胞色素氧化酶復合物細胞色素氧化酶復合物 cyt c cyt aa3 O22022-2-528線粒體呼吸鏈線粒體呼吸鏈2022-2-5292022-2-530 電子傳遞鏈的抑制電子傳遞鏈的抑制2022-2-531第第 三三節(jié)節(jié) 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 氧化氧化磷酸化磷酸化(oxidative phosphorylation) 是指是指生物體氧化過程中釋放出自由能驅動生物體氧化過程中釋放出自由能驅動ADP磷酸化磷酸化形成形成ATP的過程。的過程。 線粒體線粒體ATP合成的方式有兩種：合成的方式有兩種：

16、1. 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 2.電子傳遞鏈的磷酸化電子傳遞鏈的磷酸化2022-2-532v1)1)底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substrate-level (substrate-level phospharylationphospharylation) )v 在底物氧化過程中，形成了某些高能磷在底物氧化過程中，形成了某些高能磷酸化合物的中間產物，再通過酶的作用促使酸化合物的中間產物，再通過酶的作用促使磷酸基團轉給磷酸基團轉給ADPADP生成生成ATPATP，稱為，稱為底物水平磷底物水平磷酸化。酸化。 2022-2-533vX XP + ADP ATP + XP + ADP ATP

17、+ Xv式中式中X XP P代表底物在氧化過程中所形成代表底物在氧化過程中所形成的高能磷酸化合物，例如糖酵解中生成的高能磷酸化合物，例如糖酵解中生成的的1 1，3-3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮二磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮酸以及三羧酸循環(huán)中的琥珀酰酸以及三羧酸循環(huán)中的琥珀酰CoACoA。v在發(fā)酵作用中是進行生物氧化取得能量在發(fā)酵作用中是進行生物氧化取得能量的唯一方式。底物水平磷酸化和氧的存的唯一方式。底物水平磷酸化和氧的存在與否無關。在與否無關。 2022-2-534底物水平磷酸化：底物水平磷酸化：2022-2-5352022-2-536v2)2)電子傳遞鏈的磷酸化電子傳遞鏈的磷酸化(oxi

18、dative electron (oxidative electron transfer)transfer)v電子從電子從NADHNADH或或FADHFADH2 2經過電子傳遞鏈傳遞給分經過電子傳遞鏈傳遞給分子氧時子氧時, ,將所釋放的能量轉移給將所釋放的能量轉移給ADPADP形成形成ATP,ATP,稱為稱為電子傳遞鏈的磷酸化電子傳遞鏈的磷酸化。v它是它是需氧生物合成需氧生物合成ATPATP的一種主要方式。因此的一種主要方式。因此通常情況下沒有特殊說明，氧化磷酸化即是通常情況下沒有特殊說明，氧化磷酸化即是指電子傳遞鏈的磷酸化。指電子傳遞鏈的磷酸化。 2022-2-537二、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位

19、二、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位 根據氧化根據氧化-還原電勢與自由能變化關系式，計算還原電勢與自由能變化關系式，計算出在出在NADH氧化過程中，有三個反應的氧化過程中，有三個反應的 G -30.5 kJ / mol。 磷氧比（磷氧比（P/O）是指一對電子通過呼吸鏈傳遞是指一對電子通過呼吸鏈傳遞到氧時所產生的到氧時所產生的ATP分子數(shù)。分子數(shù)。 2022-2-5382022-2-539 復合體復合體 復合體復合體 復合體復合體 NADH Co Q cyt b cyt c1 cyt aa3 O2 G -50.24 -41.87 -100.48 這三個反應分別與這三個反應分別與ADP的磷?；磻悸?lián)。的磷酰

20、化反應偶聯(lián)。 NADH的的P/O比為比為2.5；FADH2的的P/O為為1.52022-2-540三、氧化磷酸化的偶聯(lián)機理三、氧化磷酸化的偶聯(lián)機理 ATP合酶（合酶（ATP synthase） ATP合酶合酶由兩個主要單元構成，一是起質子通由兩個主要單元構成，一是起質子通道作用的單元稱為道作用的單元稱為F0單元單元，另一是催化，另一是催化ATP合成合成的單元稱為的單元稱為F1單元單元。故。故ATP合酶又稱合酶又稱F0 F1 酶（酶（ F0 F1 ATPase） 。 該酶又稱該酶又稱復合體復合體 2022-2-5412022-2-542 氧化磷酸化的偶聯(lián)機理氧化磷酸化的偶聯(lián)機理化學滲透假說化學滲

21、透假說的要點是：的要點是：a. 線粒體內膜的電子傳遞鏈是一個質子泵；線粒體內膜的電子傳遞鏈是一個質子泵；b. 在電子傳遞鏈中，電子由高能狀態(tài)傳遞到低能在電子傳遞鏈中，電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時釋放出來的能量，用于驅動膜內側的狀態(tài)時釋放出來的能量，用于驅動膜內側的H+遷移遷移到膜外側。這樣，在膜的內側與外側就產生了跨膜到膜外側。這樣，在膜的內側與外側就產生了跨膜質子梯度質子梯度 ( pH) 和電位梯度（和電位梯度（）；）；2022-2-5434442022-2-544c. 在膜內外勢能差（在膜內外勢能差（ pH 和和）的驅動下，膜外）的驅動下，膜外高能質子沿著一個特殊通道（高能質子沿著一個特

22、殊通道（ATP酶的組成部分），酶的組成部分），跨膜回到膜內側。質子跨膜過程中釋放的能量，直跨膜回到膜內側。質子跨膜過程中釋放的能量，直接驅動接驅動ADP和磷酸合成和磷酸合成ATP。2022-2-5452022-2-5462022-2-547四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑和抑制劑四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑和抑制劑 1. 解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑 解偶聯(lián)劑（解偶聯(lián)劑（uncoupler）作用是使電子傳遞和）作用是使電子傳遞和ATP生成的兩個過程分離。它只抑制生成的兩個過程分離。它只抑制ATP的形成，的形成，而不抑制電子傳遞過程。而不抑制電子傳遞過程。如：如：2,4二硝基苯酚（二硝基苯酚（DNP）2022-2-54

23、8DNP作用機理圖2022-2-549 2. 2. 氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑對氧的消耗和氧化磷酸化抑制劑對氧的消耗和ATPATP的形成都有抑制作用，的形成都有抑制作用，但是它們對電子傳遞鏈的電子傳遞體沒有直接的抑制作用，但是它們對電子傳遞鏈的電子傳遞體沒有直接的抑制作用，因此它們有別于電子傳遞鏈的抑制劑，如前所述的魚藤酮、因此它們有別于電子傳遞鏈的抑制劑，如前所述的魚藤酮、抗霉素抗霉素A A或氰化物?；蚯杌铩?氧化磷酸化抑制劑的作用方式是直接干擾氧化磷酸化抑制劑的作用方式是直接干擾ATPATP的生成的生成過程，如過程，如寡霉素寡霉素，它能與，它能與ATPATP合酶中合

24、酶中F F0 0上的一個亞基結合，上的一個亞基結合，干擾質子返回基質。結果也使電子傳遞不能進行。干擾質子返回基質。結果也使電子傳遞不能進行。 2022-2-5503. 3. 離子載體抑制劑離子載體抑制劑v這是一類脂溶性物質。它們能插入線粒體內膜脂雙這是一類脂溶性物質。它們能插入線粒體內膜脂雙層，又能與某些離子相結合，并作為離子載體使這層，又能與某些離子相結合，并作為離子載體使這些離子能夠穿過膜。它們的解偶聯(lián)劑的區(qū)別在于，些離子能夠穿過膜。它們的解偶聯(lián)劑的區(qū)別在于，它們是作為它們是作為H H+ +以外的其它一價陽離子的載體。以外的其它一價陽離子的載體。v例如纈氨霉素能結合例如纈氨霉素能結合K K

25、+ +，短桿菌肽可使，短桿菌肽可使K K+ +、NaNa+ +及其及其它一價陽離子穿過膜。解偶聯(lián)劑它一價陽離子穿過膜。解偶聯(lián)劑2,4-2,4-二硝基苯酚是二硝基苯酚是一種一種H H+ +載體。離子載體抑制劑增大了線粒體內膜對載體。離子載體抑制劑增大了線粒體內膜對一價陽離子的通透性，從而破壞了膜兩側的電位梯一價陽離子的通透性，從而破壞了膜兩側的電位梯度，最終破壞了氧化磷酸化進程。度，最終破壞了氧化磷酸化進程。 v如纈氨霉素，短桿菌肽。如纈氨霉素，短桿菌肽。 2022-2-551v L-Leu-D-Phe-L-Pro-L-ValL-Leu-D-Phe-L-Pro-L-Valv v v L-Orn

26、L-Orn v L-Orn L-Ornv v v L-Val-L-Pro-D-Phe-L-Leu L-Val-L-Pro-D-Phe-L-Leuv v 短桿菌肽短桿菌肽S(S(環(huán)十肽環(huán)十肽) )2022-2-552五、腺苷酸的轉運五、腺苷酸的轉運ATP/ADP交換體交換體2022-2-553六、線粒體穿梭系統(tǒng)六、線粒體穿梭系統(tǒng) NADH從細胞液進入線粒體的途徑：從細胞液進入線粒體的途徑： 1. 3-磷酸甘油穿梭途徑（磷酸甘油穿梭途徑（glycerol 3-phosphate shuttle system） ：主要存在于肌肉細胞中。：主要存在于肌肉細胞中。 2. 蘋果酸天冬氨酸穿梭途徑（蘋果酸天冬氨酸穿梭途徑（ malate-aspartate shuttle system ）：主要存在于心臟和肝細胞中。：主要存在于心臟和肝細胞中。2022-2-5542022-2-5553-磷酸甘油穿梭途徑磷酸甘油穿梭途徑3-磷酸甘油磷酸甘油2022-2-5562022-2-557蘋果酸天冬氨酸穿梭途徑蘋果酸天冬氨酸穿梭途徑蘋果酸蘋果酸天冬氨酸天冬氨酸蘋果酸