生物氧化與氧化磷酸化完整版

生物化學(xué)第一節(jié)生物氧化概述第二節(jié)電子傳遞鏈(呼吸鏈）第三節(jié)氧化磷酸化（一）概念

糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)在細(xì)胞中進行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化（biologicaloxidation）。又稱“細(xì)胞氧化”或“細(xì)胞呼吸”。第一節(jié)生物氧化概述一、生物氧化的概念（二）生物氧化的特點1、反應(yīng)條件溫和；2、生物氧化由一系列酶催化；3、氧化反應(yīng)分階段進行，能量逐步釋放；4、生物氧化釋放的能量與磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)，并貯存在高能磷酸化合物（主要是ATP）中。第一節(jié)生物氧化概述一、生物氧化的概念方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物經(jīng)一系列脫氫、加水等反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。類型：直接脫羧和氧化脫羧。CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脫氫酶系NAD+NADH+H+CoASH+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2RCO2的生成（三）生物氧化中CO2和H2O的產(chǎn)生第一節(jié)生物氧化概述一、生物氧化的概念直接脫羧氧化脫羧

代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給被氧化酶激活的氧而生成H2O

。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脫氫酶1\2O2NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO-2H+H2O的生成（三）生物氧化中CO2和H2O的產(chǎn)生第一節(jié)生物氧化概述一、生物氧化的概念1、自由能（freeenergy）的概念物理意義：恒溫恒壓下，體系中能對環(huán)境作功的那部分能量稱為自由能，又稱Gibbs自由能，用G表示)。

第一節(jié)生物氧化概述二、生物化學(xué)反應(yīng)的自由能變化ΔG僅取決于反應(yīng)物與產(chǎn)物的自由能，與反應(yīng)途徑和反應(yīng)機制無關(guān)。2、氧化還原電位生物氧化屬于氧化還原反應(yīng)，失去電子的物質(zhì)為還原劑；獲得電子的物質(zhì)為氧化劑。物質(zhì)失去或得到電子的傾向用氧化還原電位(E)表示。

第一節(jié)生物氧化概述二、生物化學(xué)反應(yīng)的自由能變化強的還原劑(如NADH)具有一個負(fù)的電位，而強的氧化劑(如O2)則有一個正的氧化還原電位。第一節(jié)生物氧化概述二、生物化學(xué)反應(yīng)的自由能變化在氧化還原體系中，電子總是由低電位物質(zhì)（還原劑）流向高電位物質(zhì)（氧化劑）。氧化還原電勢差ΔE=E氧化劑-E還原劑NADH-0.32VO20.82V第一節(jié)生物氧化概述氧化還原電位與自由能之間的關(guān)系：在氧化還原反應(yīng)系統(tǒng)中，自由能變化與氧化還原電位變化之間存在下列關(guān)系：

ΔG

=-nFΔE

n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)；F為法拉第常數(shù)(F=96.5kJ/V·mol)一般將水解或基團轉(zhuǎn)移時能夠釋放25kJ/mol以上自由能（

G?’<-25kJ/mol）的化合物稱為高能化合物。根據(jù)生物體內(nèi)高能鍵的特點分成以下幾種類型。(一）生物體內(nèi)的高能化合物第一節(jié)生物氧化概述三、高能化合物

1、磷氧鍵型（-O～P)(1)?；姿峄衔?2.3kJ/mol(一）生物體內(nèi)的高能化合物第一節(jié)生物氧化概述三、高能化合物（2）焦磷酸化合物30.5kJ/mol

1、磷氧鍵型（-O～P)(一）生物體內(nèi)的高能化合物第一節(jié)生物氧化概述三、高能化合物（3）烯醇式磷酸化合物61.9kJ/mol(一）生物體內(nèi)的高能化合物第一節(jié)生物氧化概述三、高能化合物2、磷氮鍵型3、硫碳鍵型甲硫鍵型-31.4kJ/mol-41.8kJ/mol硫酯鍵型-43.1kJ/mol(SAM)ATP被稱為生物界中的“能量貨幣”：生物氧化過程中釋放的能量一般不能直接用來做功，而是先形成高能磷酸化合物ATP，然后再水解生成ADP和Pi并釋放大量能量(ΔG?’

=-30.5kJ/mol)。（二）ATP是生物細(xì)胞中最重要的高能磷酸化合物第一節(jié)生物氧化概述三、高能化合物★

ATP是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團轉(zhuǎn)移的中間載體。～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基團轉(zhuǎn)移勢能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸肌酸（磷酸基團儲備物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油（二）ATP是生物細(xì)胞中最重要的高能磷酸化合物第一節(jié)生物氧化概述三、高能化合物（二）ATP是生物細(xì)胞中最重要的高能磷酸化合物生物體內(nèi)，ATP處于不斷消耗和不斷補充的動態(tài)平衡之中。第一節(jié)生物氧化概述三、高能化合物在細(xì)胞中，除了ATP作為主要的能量供體外，還有其他形式的核苷酸作為高能磷酸化合物，參與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換與利用。UTP多糖合成CTP磷脂合成GTP蛋白質(zhì)合成第二節(jié)電子傳遞鏈一、線粒體細(xì)胞內(nèi)的線粒體是生物氧化和氧化磷酸化的主要場所。電子傳遞鏈?zhǔn)且幌盗须娮虞d體按對電子的親和力逐漸升高的順序排列組成的電子傳遞系統(tǒng)。電子傳遞鏈包括鑲嵌在線粒體內(nèi)膜上的4個復(fù)合體、1個CoQ和1個細(xì)胞色素c（Cytc）。第二節(jié)電子傳遞鏈二、電子傳遞鏈（electrontransferchain，ETC）復(fù)合體I①將2個電子從NADH傳遞給CoQ；②將4個H+泵到線粒體膜間隙。復(fù)合體II將2個電子從FADH2傳遞給CoQ；CoQ傳遞電子和氫，能在膜脂中自由泳動，是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白質(zhì)組分。復(fù)合體III①將2個電子從還原型CoQ傳遞給Cytc；②將4個H+泵到線粒體膜間隙。CytC唯一位于線粒體膜間隙的細(xì)胞色素，將電子從復(fù)合體III傳遞到復(fù)合體Ⅳ。復(fù)合體Ⅳ①將2個電子從Cytc傳遞給O2；②將2個H+泵到線粒體膜間隙。第二節(jié)電子傳遞鏈二、電子傳遞鏈

酶名稱NADH-CoQ還原琥珀酸-CoQ還原酶CoQ-CytC還原酶Cyt氧化酶

輔基

FMN，F(xiàn)e-SFAD，F(xiàn)e-S，Cytb

鐵卟啉，F(xiàn)e-S鐵卟啉，Cu復(fù)合體復(fù)合體Ⅰ復(fù)合體Ⅱ復(fù)合體Ⅲ復(fù)合體Ⅳ

電子傳遞有著嚴(yán)格的方向和順序，即電子從E低的傳遞體依次通過E較高的傳遞體逐步流向氧原子，這些成員不可缺少，順序不可顛倒。第二節(jié)電子傳遞鏈二、電子傳遞鏈NADHCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等（FAD）（FMN）細(xì)胞色素類鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白第三節(jié)氧化磷酸化概念:

伴隨線粒體生物氧化作用而發(fā)生的使ADP磷酸化生成ATP的過程稱為氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)。氧化磷酸化（電子傳遞磷酸化）:

是需氧生物合成ATP的主要方式。第三節(jié)氧化磷酸化一、氧化磷酸化的概念及類型磷氧比指生物氧化過程中每消耗一個氧原子(或每對電子通過電子傳遞鏈傳遞至氧)所生成的ATP分子數(shù)。（二）測定P/O比第三節(jié)氧化磷酸化FADH22e-NADH呼吸鏈的磷氧比:3FADH2呼吸鏈的磷氧比:2二、氧化磷酸化與電子傳遞的偶聯(lián)（一）線粒體偶聯(lián)因子F0F1-ATP合酶F1含有5種不同的亞基（

3

3

），是合成ATP的催化部位；F0為一個疏水蛋白，含有質(zhì)子通道；第三節(jié)氧化磷酸化三、氧化磷酸化的機理（二）化學(xué)滲透學(xué)說a.利用在電子傳遞鏈中釋放的能量，復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ中的遞氫體作為質(zhì)子泵，將H+從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)泵至內(nèi)膜外側(cè)空間；第三節(jié)氧化磷酸化三、氧化磷酸化的機理b.線粒體內(nèi)膜對質(zhì)子是不透性的，在線粒體內(nèi)膜兩側(cè)建立質(zhì)子濃度梯度，形成膜電位；跨膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度就是推動ATP合成的原動力，稱為質(zhì)子推動力；（二）化學(xué)滲透學(xué)說第三節(jié)氧化磷酸化三、氧化磷酸化的機理c.當(dāng)存在足夠高的跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度時，膜外質(zhì)子沿著一個特殊通道（ATP合酶的F0組分），跨膜回到膜內(nèi)側(cè)。質(zhì)子跨膜過程中釋放的能量，直接驅(qū)動ADP和磷酸合成ATP。（二）化學(xué)滲透學(xué)說第三節(jié)氧化磷酸化三、氧化磷酸化的機理化學(xué)滲透學(xué)說示意圖4H+4H+H+H+NADH+H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2e-2e-2e-+++++++++__________質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜F0-F1

解偶聯(lián)劑（uncoupler）使電子傳遞與ADP磷酸化分離，只抑制ATP的形成，而不抑制電子傳遞。

NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+線粒體內(nèi)膜內(nèi)外第三節(jié)氧化磷酸化四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)[例1]2,4-二硝基苯酚（dinitrophenol,DNP）胞液中生成的NADH不能自由通過線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運胞液NADH的機制主要有：磷酸甘油穿梭系統(tǒng)（肌細(xì)胞）蘋果酸-天冬氨酸穿梭系統(tǒng)（肝細(xì)胞）第三節(jié)氧化磷酸化五、線粒體穿梭系統(tǒng)第三節(jié)氧化磷酸化五、線粒體穿梭系統(tǒng)1磷酸甘油穿梭機制3-磷酸甘油脫氫酶3-磷酸甘油脫氫酶32、蘋果酸-天冬氨酸穿梭系統(tǒng)定義式：能荷=—————————

[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]

意義：能荷由ATP、ADP和AMP的相對數(shù)量決定，數(shù)值在0~1之間，反映細(xì)胞能量狀態(tài)，大多數(shù)細(xì)胞的能荷變化為0.8-0.95。能荷對代謝的調(diào)節(jié):A