生物化學(xué)第八章生物氧化和能量轉(zhuǎn)化

1、第一節(jié)第一節(jié) 生物氧化概述生物氧化概述 生物氧化生物氧化（biological oxidation）是指細(xì)胞內(nèi)）是指細(xì)胞內(nèi)的糖、蛋白質(zhì)和脂肪進(jìn)行氧化分解而生成的糖、蛋白質(zhì)和脂肪進(jìn)行氧化分解而生成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(shí)際上是需氧細(xì)胞呼吸作用中的一生物氧化實(shí)際上是需氧細(xì)胞呼吸作用中的一系列氧化還原反應(yīng)。系列氧化還原反應(yīng)。 二、生物氧化的特點(diǎn)二、生物氧化的特點(diǎn)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

2、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(shí)，也發(fā)生氧化的催化下，在脫羧的同時(shí)，也發(fā)生

3、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1/2o2h2o一個(gè)或多個(gè)傳遞體一個(gè)或多個(gè)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(gè)化合物分子結(jié)構(gòu)中所固有的能量，是指一個(gè)化合物分子結(jié)構(gòu)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。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 gag 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

4、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 = -0.19 vnad+ + 2h+ + 2e- nadh + h+ e0 = -0.32 ve0 -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(shí)，生物體內(nèi)有許多磷酸化合物，當(dāng)其磷?；鈺r(shí)，釋放大量的能量

5、，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(shí)能夠釋放一般將水解時(shí)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）coc hoc h2o hopoo-o-poo-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opoocoohcoch2磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮

6、酸14.8千卡千卡/摩爾摩爾 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opoon hcn hnch3ch2co o hopoonhcnhnch3ch2ch2ch2chcoohnh2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(shí)，以磷酸肌酸的形式貯

7、能；多時(shí)，以磷酸肌酸的形式貯能；atp不足時(shí)，磷酸肌酸轉(zhuǎn)化為不足時(shí)，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(chǔ)存能量的物質(zhì)稱為以高能磷酸形式儲(chǔ)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+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?；o酶酰基輔酶a 硫酯鍵化合物硫酯鍵化合物第二節(jié)

8、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(gè)體系系列傳遞體依次傳遞，最后與氧

9、形成水的整個(gè)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(shí)際上由于在傳遞過程中，在很多部位氫原子實(shí)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（

10、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)第通過異咯嗪環(huán)第1位和第位和第10位上的兩個(gè)氮原子反位上的兩個(gè)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

11、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。 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

12、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。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nadhfmn fe-so2fad 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 iiinadh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coqcyt b fe-s cyt c1 cyt ccyt 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

13、制第第 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) 是指生是指生物體氧化過程中釋放出自由能驅(qū)動(dòng)物體氧化過程中釋放出自由能驅(qū)動(dòng)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(jì)算還原電勢與自由能變化關(guān)系式，計(jì)算出在出在nadh氧化過程中，有三個(gè)反應(yīng)的氧化過程中，有三個(gè)反應(yīng)的 g -30.5 kj / mol。 磷

14、氧比（磷氧比（p/o）是指一對(duì)電子通過呼吸鏈傳遞是指一對(duì)電子通過呼吸鏈傳遞到氧時(shí)所產(chǎn)生的到氧時(shí)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(gè)反應(yīng)分別與這三個(gè)反應(yīng)分別與adp的磷酰化反應(yīng)偶聯(lián)。的磷?；磻?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(gè)主要單元構(gòu)成，一是起質(zhì)子通由兩個(gè)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(diǎn)是：的要點(diǎn)是：a. 線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€(gè)質(zhì)子泵；線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€(gè)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(shí)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(shí)釋放出來的能量，用于驅(qū)動(dòng)膜內(nèi)側(cè)的出來的能量，用于驅(qū)動(dòng)膜內(nèi)側(cè)的h+遷移到膜外側(cè)。這樣，在遷移到膜外側(cè)。這樣，

16、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(dòng)下，膜外高能質(zhì)子）的驅(qū)動(dòng)下，膜外高能質(zhì)子沿著一個(gè)特殊通道（沿著一個(gè)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(dòng)質(zhì)子跨膜過程中釋放的能量，直接驅(qū)動(dòng)adp和磷酸合成和磷酸合成atp?；瘜W(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)子子濃濃度度h2o2e-+ + + + + + + +

17、+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _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(gè)過程分離。它只抑制生成的兩個(gè)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

18、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(yùn)五、腺苷酸的轉(zhuǎn)運(yùn)atp/adp交換體交換體六、線粒體穿梭系統(tǒng)六、線粒體穿梭系統(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