生物化學(xué)生物氧化和能量轉(zhuǎn)化

1、二、生物氧化的特點二、生物氧化的特點 1. 生物氧化是在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的。生物氧化是在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)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、常壓、近于中性及有水環(huán) 境中進(jìn)行的。境中進(jìn)行的。 3. 生物氧化所產(chǎn)生的能量是逐步釋放的。生物氧化所產(chǎn)生的能量是逐步釋放的。 4. 生物氧化所產(chǎn)生的能量首先轉(zhuǎn)移到一些特殊的生物氧化所產(chǎn)生的能量首先轉(zhuǎn)移到一些特殊的 高能化合物中。高能化合物中。 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(chǎn)物羧酸在氧化代謝的中間產(chǎn)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

2、乙酸的脫羧。接從分子中脫去羧基。例如草酰乙酸的脫羧。 2. 氧化脫羧作用氧化脫羧作用 氧化代謝中產(chǎn)生的有機(jī)羧酸（主要是酮酸）在氧化代謝中產(chǎn)生的有機(jī)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。 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1/2O2 H2O 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 1. 自由能自由能 自由能自由能是指一個化合物分子結(jié)構(gòu)中所固有的能量，是指一個化合物分子結(jié)構(gòu)中所固有的能量， 是一種能在恒溫、恒

3、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。 五、自由能和氧化還原電位五、自由能和氧化還原電位 如果如果 A B , 則則G GB GA G 0，供給能量才能進(jìn)行，吸能反應(yīng)。，供給能量才能進(jìn)行，吸能反應(yīng)。 G = 0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。 2. 氧化還原電位氧化還原電位 Go -n F E0 n：轉(zhuǎn)移電子數(shù)；：轉(zhuǎn)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(guān)系自由能變化和氧化還原電位的關(guān)系 丙酮酸丙酮酸 + NADH + H+ 乳酸乳酸 + NAD + 丙酮酸丙酮酸 + H+ + 2e- 乳酸乳酸 E0

4、= -0.19 V NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+ E0 = -0.32 V E0 -0.19 (-0.32) = 0.13 V 六、高能磷酸化合物六、高能磷酸化合物 生物體內(nèi)有許多磷酸化合物，當(dāng)其磷?；鈺r，生物體內(nèi)有許多磷酸化合物，當(dāng)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 以上自由能的以上自由能的 化合物稱為化合物稱為高能化合物高能化合物。 根據(jù)生物體內(nèi)高能化合物鍵的特性可以把他們分根據(jù)生物體內(nèi)高能化合物鍵的特性可以把他

5、們分 成以下幾種類型成以下幾種類型: ?；姿峄衔秕；姿峄衔?1. 磷氧鍵型（磷氧鍵型（OP） CO C H O C H 2 O H OP O O - O - P O O - O - 1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 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 OP O OCOOH CO CH2 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 焦磷酸化合物焦磷酸化合物 O- P O O- N N N N NH2 O H H OH H OH H OCH2O-P O O- O- P O O- ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷） O- P O O- O P O

6、O- O- 焦磷酸焦磷酸 7.3千卡千卡/摩爾摩爾 OP O O N H CN H NCH3 CH2CO O H OP O O NH CNH NCH3 CH2CH2CH2CHCOOH NH2 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） 磷酸肌酸磷酸肌酸存在于肌肉、腦和神經(jīng)組織中，它可與存在于肌肉、腦和神經(jīng)組織中，它可與 ATP相互轉(zhuǎn)化。相互轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為不足時，磷酸肌酸轉(zhuǎn)化為ATP。因而可認(rèn)為。因而可認(rèn)為磷磷 酸肌酸是酸肌酸是ATP

7、的貯存庫的貯存庫。 嚴(yán)格的說，嚴(yán)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(zhì)稱為以高能磷酸形式儲存能量的物質(zhì)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。 COO - CHNH3 + CH2 CH2 S + H3CA S-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 RC O SCoA 酰基輔酶?；o酶A 硫酯鍵化合物硫酯鍵化合物 第二節(jié)第二節(jié) 線粒體及其內(nèi)部氧化體系線粒體及其內(nèi)部氧化體系 細(xì)胞內(nèi)的線粒體是生物氧化的主要場所。細(xì)胞內(nèi)的線粒體

8、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(zhuǎn)移，最終達(dá)到列傳遞體所組成的電子傳遞鏈而轉(zhuǎn)移，最終達(dá)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。 二、線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞鏈二、線粒體內(nèi)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

9、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(zhì)子（以質(zhì)子（H+）形式進(jìn)入基質(zhì)，僅發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，因）形式進(jìn)入基質(zhì)，僅發(fā)生電子轉(zhuǎn)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）。 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(xì)胞色素（細(xì)胞色素（cyt） 電子傳遞鏈的基本組成電子傳遞鏈的基本組成 通過異咯嗪環(huán)第通過異咯嗪

10、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(fù)進(jìn)行加氫和脫氫反應(yīng)。復(fù)進(jìn)行加氫和脫氫反應(yīng)。 FMN + 2H FMNH2 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-4S 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。 細(xì)胞色素是一類含有血紅素輔基的電子傳遞蛋細(xì)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

11、中主要含有cyta、cyta3、cytb、 cytc和和cytc1 5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(xì)胞色素主要是通過細(xì)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。 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. 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 兩條呼吸鏈中除兩條呼吸鏈中除CoQ和和cytc外，其余組分形成嵌入內(nèi)膜外，其余組分形成嵌入內(nèi)膜 的結(jié)構(gòu)化超分子復(fù)合體。這些復(fù)合體有的結(jié)構(gòu)化超分子復(fù)合體。

12、這些復(fù)合體有4類：類： . NADH - Q還原酶還原酶 . 琥珀酸琥珀酸Q還原酶還原酶 . Q-Cytc還原酶還原酶 . 細(xì)胞色素細(xì)胞色素c氧化酶氧化酶 線粒體呼吸鏈線粒體呼吸鏈 NADH FMN Fe-S O2 FAD Fe-S琥珀酸琥珀酸 等等 復(fù)合物復(fù)合物 II 復(fù)合物復(fù)合物 IV 復(fù)合物復(fù)合物 I 復(fù)合物復(fù)合物 III NADH脫氫酶脫氫酶 Q-細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素還原酶 細(xì)胞色素細(xì)胞色素C氧化酶氧化酶 琥珀酸琥珀酸-Q還原酶還原酶 CoQ Cyt b Fe-S Cyt c1 Cyt c Cyt aa3 電子傳遞排列順序電子傳遞排列順序 電子傳遞鏈的抑制電子傳遞鏈的抑制 第第 三三

13、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) 是指生是指生 物體氧化過程中釋放出自由能驅(qū)動物體氧化過程中釋放出自由能驅(qū)動ADP磷酸化形磷酸化形 成成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： 1. 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 2. 氧化磷酸化氧化磷酸化 二、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位二、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位 根據(jù)氧化根據(jù)氧化-還原電勢與自由能變化關(guān)系式，計算還原電勢與自由能變化關(guān)系式，計算 出在出在NADH氧化過程中，有三個反應(yīng)的氧化過程中，有三個反應(yīng)的 G -30.5 kJ / mol。 磷氧比

14、（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(chǎn)生的到氧時所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。分子數(shù)。 復(fù)合體復(fù)合體 復(fù)合體復(fù)合體 復(fù)合體復(fù)合體IV NADH Co Q cyt b cyt c1 cyt aa3 O2 G -50.24 -41.87 -100.48 這三個反應(yīng)分別與這三個反應(yīng)分別與ADP的磷酰化反應(yīng)偶聯(lián)。的磷酰化反應(yīng)偶聯(lián)。 NADH的的P/O比為比為2.5；FADH2的的P/O為為1.5 三、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理三、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理 ATP合酶（合酶（ATP synthase） ATP合酶合酶由兩個主要單元構(gòu)成，一是起質(zhì)子通由兩個主要單元構(gòu)成，一是起質(zhì)子

15、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(fù)合體復(fù)合體 氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理 化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說的要點是：的要點是： a. 線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€質(zhì)子泵；線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€質(zhì)子泵； b. 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(qū)動膜內(nèi)側(cè)的出來的能量，用于驅(qū)動膜內(nèi)側(cè)的H+遷移到膜外側(cè)。這樣，在遷移到膜

16、外側(cè)。這樣，在 膜的內(nèi)側(cè)與外側(cè)就產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度膜的內(nèi)側(cè)與外側(cè)就產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度 ( pH) 和電位梯度和電位梯度 （）；）； c. 在膜內(nèi)外勢能差（在膜內(nèi)外勢能差（ pH 和和）的驅(qū)動下，膜外高能質(zhì)子）的驅(qū)動下，膜外高能質(zhì)子 沿著一個特殊通道（沿著一個特殊通道（ATP酶的組成部分），跨膜回到膜內(nèi)側(cè)。酶的組成部分），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)動質(zhì)子跨膜過程中釋放的能量，直接驅(qū)動ADP和磷酸合成和磷酸合成ATP。 化學(xué)滲透假說示意圖化學(xué)滲透假說示意圖 4H+ 4H+ 2H+ 4H+ NADH+H+ 2H+ 10H+ 10H+ ADP+PiATP 高高 質(zhì)質(zhì) 子子 濃濃

17、 度度 H2O 2e- + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 質(zhì)子流質(zhì)子流 線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜 磷酸化磷酸化 氧化氧化 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） 2. 氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑 氧化磷酸化抑制劑的作用是抑制氧的利用，又抑氧化磷酸

18、化抑制劑的作用是抑制氧的利用，又抑 制制ATP的形成，但不直接抑制電子傳遞鏈上載體的的形成，但不直接抑制電子傳遞鏈上載體的 作用。作用。 如：寡霉素（如：寡霉素（oligomycin） 3. 離子載體抑制劑離子載體抑制劑 離子載體抑制劑的作用是與某些離子結(jié)合，作為離子載體抑制劑的作用是與某些離子結(jié)合，作為 離子載體使這些離子能夠穿過膜，從而破壞膜兩側(cè)離子載體使這些離子能夠穿過膜，從而破壞膜兩側(cè) 的電位梯度，最終破壞氧化磷酸化。的電位梯度，最終破壞氧化磷酸化。 如：纈氨霉素、如：纈氨霉素、 短桿菌肽短桿菌肽 五、腺苷酸的轉(zhuǎn)運五、腺苷酸的轉(zhuǎn)運 ATP/ADP 交換體交換體 六、線粒體穿梭系統(tǒng)六、線

19、粒體穿梭系統(tǒng) NADH從細(xì)胞液進(jìn)入線粒從細(xì)胞液進(jìn)入線粒 體的途徑：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：主要存在于肌肉 細(xì)胞中。細(xì)胞中。 2. 蘋果酸天冬氨酸穿梭蘋果酸天冬氨酸穿梭 途徑（途徑（malate-aspartate shuttle system）：主要存在于心臟和：主要存在于心臟和 肝細(xì)胞中。肝細(xì)胞中。 糖酵解糖酵解 （細(xì)胞質(zhì)）（細(xì)胞質(zhì)） 氧化磷酸化氧化磷酸化 （線粒體）（線粒體） 3-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 蘋果酸天冬氨酸穿梭途徑蘋果酸天

20、冬氨酸穿梭途徑 蘋果酸蘋果酸 天冬氨酸天冬氨酸 蘋果酸蘋果酸 天冬氨酸天冬氨酸 七、能荷七、能荷 能荷表示細(xì)胞的腺苷酸庫中充滿高能磷酸根能荷表示細(xì)胞的腺苷酸庫中充滿高能磷酸根 的程度。的程度。 C6H12O6 + 6 O2 + 10 NAD+ + 2 FAD + 4 ADP + 4Pi 6 CO2 + 6 H2O + 10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 4 ATP C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 2876 KJ 生物體能量利用率為：生物體能量利用率為：3030.54 / 2876 = 31.9% or : 3230.54 / 2876 = 34

21、.0 1. 名詞解釋名詞解釋 生物氧化生物氧化 、呼吸鏈、呼吸鏈 、磷氧比、磷氧比P/O（P/O）、）、 氧化磷酸氧化磷酸 化化 、底物磷酸化、底物磷酸化 2. 圖示兩條呼吸鏈，并標(biāo)出圖示兩條呼吸鏈，并標(biāo)出ATP產(chǎn)生部位及抑制部位、抑產(chǎn)生部位及抑制部位、抑 制劑。制劑。 3. 簡述化學(xué)滲透學(xué)說的內(nèi)容。簡述化學(xué)滲透學(xué)說的內(nèi)容。 2. 氧化脫羧作用氧化脫羧作用 氧化代謝中產(chǎn)生的有機(jī)羧酸（主要是酮酸）在氧化代謝中產(chǎn)生的有機(jī)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。 細(xì)胞色素是一類含有血紅素輔基的電子傳遞蛋細(xì)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(xì)胞色素主要是通過細(xì)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。 NADH FMN Fe-S O2 FAD Fe-S琥珀酸琥珀酸 等等 復(fù)合物復(fù)合物 II 復(fù)合物復(fù)合物 IV 復(fù)合物復(fù)合物 I 復(fù)合物復(fù)合物 III NADH脫氫酶脫氫酶 Q-細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素