生物化學(xué)課件：生物氧化與氧化磷酸化

1、生物氧化與氧化磷酸化一切生命活動都需要能量。所以生物都可以看成是能量轉(zhuǎn)換者。光合作用、生物氧化、生命活動光能 化學(xué)能 化學(xué)能這種能量的流動驅(qū)動著生命的維持與繁衍。第一節(jié) 生物氧化概述一. 生物氧化的定義  指有機化合物（糖、脂、蛋白質(zhì)等）在生物細(xì)胞中進行氧化，放出能量的過程。  生物體內(nèi)進行生命活動所需的能量基本上來源于生物氧化。 二. 生物氧化的特點 與非生物氧化相比(1) 共同點：化學(xué)本質(zhì)相同，都是失電子反應(yīng)，如脫氫、加氧、傳出電子同種物質(zhì)不論以何種方式氧化，所釋放的能量相同  (2) 不同點：生物氧化是酶促反應(yīng)，反應(yīng)條件（如溫度、pH）溫

2、和；而體外燃燒則是劇烈的游離基反應(yīng)，要求在高溫、高壓以及干燥的條件下進行。生物氧化分階段逐步緩慢地氧化，能量也逐步釋放；而體外燃燒能量是爆發(fā)式釋放出來的。生物氧化釋放的能量有相當(dāng)多的轉(zhuǎn)換成ATP中活躍的化學(xué)能，用于各種生命活動；體外燃燒產(chǎn)生的能量則轉(zhuǎn)換為光和熱，散失在環(huán)境中。三. 生物氧化中CO2和H2O的生成1、CO2的生成直接脫羧：丙酮酸脫羧酶、酪氨酸脫羧酶氧化脫羧：丙酮酸脫氫酶復(fù)合物2、水的生成 主要是在包括脫氫酶、傳遞體和氧化酶組成的生物氧化體系催化下生成的。四、自由能 在恒溫恒壓下，體系可以用來對環(huán)境做功的那一部分能量叫自由能。G0，體系未達平衡，反應(yīng)可自發(fā)正向進行。標(biāo)準(zhǔn)自由能變化G

3、'=2.303 RT lgK' G=G'2.303 RT lgB/A五、氧化還原電位在氧化還原反應(yīng)中，自由能的變化與反應(yīng)供出或得到電子的趨勢成比例。這種趨勢用氧化還原電位表示（E）。 E'=標(biāo)準(zhǔn)氧化電位-標(biāo)準(zhǔn)還原電位 E'值越小，電負(fù)性越大，還原能力越強； G'=nFE' 可以根據(jù)E'計算出化學(xué)反應(yīng)的自由能變化。六、高能化合物1、定義：高能化合物：在標(biāo)準(zhǔn)條件下(pH7，25，1mol/L)發(fā)生水解時，可釋放出大量自由能的化合物。習(xí)慣上把“大量”定義為5kcal/mol(即20.92kJ/mol)以上。高能磷酸化合物：分子中含磷酸基

4、團，它被水解下來時釋放出大量的自由能，這類高能化合物。高能鍵：在高能化合物分子中，被水解斷裂時釋放出大量自由能的活潑共價鍵。  高能鍵常用符號“”表示。 注意：高能鍵并不是這個鍵集中了大量的能量，而是指水解這個鍵前后的分子結(jié)構(gòu)存在著很大的自由能的改變?！案吣苕I”“鍵能高”2. 高能化合物的類型：根據(jù)分子結(jié)構(gòu)和高能鍵的特征，高能化合物可分為：(1) 焦磷酸化合物：如ATP (OP)(2) 酰基磷酸化合物：如1,3-二磷酸甘油酸(3) 烯醇磷酸化合物：如磷酸烯醇式丙酮酸(4) 胍基磷酸化合物：如磷酸肌酸 (NP)(5) 硫酯化合物：如乙酰CoA (CS)(6) 甲硫鍵化合物：如

5、S-腺苷甲硫氨酸 3. 最重要的高能化合物ATP：ATP為生物界的“能量貨幣”，它是生命活動中最重要的能量供體。其原因在于：ATP的DG0'值介于其它高能化合物和普通化合物之間，從而使它在生物體內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換過程中能夠起中間載體的作用。放能反應(yīng)和吸能反應(yīng)往往要通過ADP和ATP的相互轉(zhuǎn)變而偶聯(lián)起來。ATP的另一功能是作為磷酸基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)的中間載體。這也是由于它的磷酸基團轉(zhuǎn)移勢能在常見的含磷酸基團化合物中處于中間位置。ADP磷酸化的方式： 在生物細(xì)胞內(nèi)，形成ATP的方式有兩種：生物氧化(異養(yǎng)細(xì)胞)和光合作用(自養(yǎng)細(xì)胞)。1. 生物氧化產(chǎn)生ATP生物體降解燃料分子的主要意義是取得供

6、其發(fā)育所需要的能量。因此，利用生物氧化形成ATP，是生物體內(nèi)ATP形成的主要方式。生物氧化的第一階段也能產(chǎn)生少量的ATP，這是以底物水平磷酸化的方式產(chǎn)生的；生物氧化的第二階段是產(chǎn)生ATP的主要階段，通過氧化磷酸化的方式產(chǎn)生。底物水平磷酸化：代謝物通過氧化形成的高能磷酸化合物直接將磷酸基團轉(zhuǎn)移給ADP，使之磷酸化生成ATP。 氧化磷酸化：NADH或FADH2將電子傳遞給O2的過程與ADP的磷酸化相偶聯(lián)，使電子傳遞過程中釋放出的能量用于ATP的生成。氧化磷酸化的過程需要氧氣作為最終的電子受體，它是需氧生物合成ATP的主要途徑。2. 光合作用產(chǎn)生ATP在光合作用的過程中也能形成ATP，這種ADP的磷

7、酸化方式叫光合磷酸化。光合磷酸化：由光驅(qū)動的電子傳遞過程與ADP的磷酸化相偶聯(lián)，使電子傳遞過程中釋放出的能量用于ATP的生成。 總之，在生物細(xì)胞內(nèi)，由ADP磷酸化形成ATP的方式有三種：底物水平磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化七、能 荷細(xì)胞的能量狀態(tài)可用能荷(energy charge)表示。能荷是細(xì)胞中高能磷酸狀態(tài)一種數(shù)量上的衡量，它的大小可用下式表示：能荷=(ATP+0.5ADP)/(ATP+ADP+AMP)能荷的數(shù)值在01之間。大多數(shù)細(xì)胞維持的穩(wěn)態(tài)能荷狀態(tài)在0.80.95的范圍內(nèi)。 ATP生成和消耗的途徑和細(xì)胞的能荷狀態(tài)相呼應(yīng) 高能荷時，ATP生成過程被抑制，而ATP的利用過程被激發(fā)

8、；低能荷時，其效應(yīng)相反，所以說，能荷對代謝起著重要的調(diào)控作用。第二節(jié) 呼吸鏈一、 呼吸鏈的概念在生物氧化過程中，代謝物脫下的氫經(jīng)過一系列的傳遞體的傳遞，最終交給分子氧生成水，這一電子傳遞體系稱為呼吸鏈。  在生物細(xì)胞中，接受代謝物上脫下的氫(或電子)的載體有三種 NADH、NADPH和FADH2。其中NADPH不進入呼吸鏈合成ATP，而是作為生物合成的還原劑；只有NADH和FADH2進入呼吸鏈。所以呼吸鏈有兩條：由NADH開始的呼吸鏈 NADH呼吸鏈；由FADH2開始的呼吸鏈 FADH2呼吸鏈。(二) 呼吸鏈的組成呼吸鏈中的電子傳遞體共有五種：1. NAD+：NAD+是水溶性的，與酶

9、蛋白可逆結(jié)合而往返于線粒體基質(zhì)與內(nèi)膜之間（但不能透過內(nèi)膜）。在線粒體的基質(zhì)中，它作為有關(guān)脫氫酶的輔酶，接受代謝物上脫下的氫，生成NADH；而后與酶蛋白脫離，擴散至線粒體內(nèi)膜的內(nèi)表面，將氫(電子)傳遞給下一個電子傳遞體，自身又再生成 NAD+，返回線粒體基質(zhì)繼續(xù)參與代謝物的脫氫反應(yīng)。NAD+是雙電子傳遞體(每次傳遞2個電子)，即氫傳遞體。2. 黃素蛋白 (FP)：黃素蛋白是指以黃素核苷酸(FAD或FMN)為輔基的酶。所以，黃素蛋白有兩種，分別以FAD及FMN作為輔基。FP分布在線粒體的內(nèi)膜上。它的輔基FAD或FMN與蛋白質(zhì)部分結(jié)合得很牢固，有的甚至是共價連結(jié)。FP在呼吸鏈中作為雙電子傳遞體。3.

10、 鐵硫蛋白：鐵硫蛋白含鐵原子(非血紅素的鐵)和硫原子(對酸不穩(wěn)定的硫)，兩者一般以等摩爾存在，構(gòu)成2Fe-2S簇、4Fe-4S簇，稱為鐵硫中心，常用符號“Fe-S”表示。鐵硫中心通過Fe與蛋白質(zhì)的半胱氨酸殘基連接。鐵硫中心只有1個Fe起氧化還原反應(yīng)，在氧化型（Fe3+）和還原型（Fe2+）之間轉(zhuǎn)變。鐵硫蛋白在呼吸鏈中不傳遞氫，作為單電子傳遞體。呼吸鏈中的鐵硫蛋白通常與其它的電子傳遞體的蛋白質(zhì)（如黃素蛋白、細(xì)胞色素）結(jié)合成復(fù)合物，從而具有不同的氧化還原電位，在呼吸鏈的不同部位傳遞電子。 4. 輔酶Q (CoQ)：輔酶Q屬于醌類，由于它廣泛存在于生物系統(tǒng)中，所以又叫泛醌(UQ)。輔酶Q是

11、呼吸鏈中唯一的非蛋白質(zhì)組分。它分子小，且呈脂溶性，可以在線粒體內(nèi)膜的磷脂雙分子層的疏水區(qū)自由擴散，往返于比較固定的蛋白質(zhì)類的電子傳遞體之間進行電子傳遞。5. 細(xì)胞色素 (Cyt)：細(xì)胞色素是以鐵卟啉(血紅素)為輔基的蛋白質(zhì)，因為有顏色，又廣泛存在于生物細(xì)胞中，故稱為細(xì)胞色素。細(xì)胞色素通過輔基中的鐵離子價的可逆變化進行電子傳遞。它在呼吸鏈中作為單電子傳遞體。根據(jù)還原型細(xì)胞色素的吸收光譜的吸收峰位置不同，將細(xì)胞色素分為a、b、c三類。每一類中又有不同的亞類。不同類型的細(xì)胞色素，其輔基結(jié)構(gòu)以及輔基與蛋白質(zhì)的結(jié)合方式不同。在動物的呼吸鏈中，至少有5種細(xì)胞色素 b、c1、c、a、a3，其中Cyta和Cy

12、ta3組成復(fù)合物Cytaa3。Cytc在復(fù)合物和之間傳遞電子，它是內(nèi)膜外側(cè)的外周蛋白。復(fù)合物I：NADH脫氫酶復(fù)合物II：琥珀酸脫氫酶復(fù)合物III：細(xì)胞色素b、c1復(fù)合體復(fù)合物IV：細(xì)胞色素氧化酶(三) 呼吸鏈的電子傳遞順序呼吸鏈中的電子傳遞有著嚴(yán)格的方向和順序，即電子從氧化還原電位較低的傳遞體依次通過氧化還原電位較高的傳遞體逐步流向氧分子。NADHFMNFe-SCoQcytbFe-Scytc1cytccytacyta3FADFMNFe-SCoQcytbFe-Scytc1cytccytacyta3(四) 呼吸鏈的電子傳遞過程 P181NADH 、FAD電子傳遞鏈在電子傳遞的過程中，有H+進出呼

13、吸鏈。傳遞體在膜上的物理排列使得進入呼吸鏈的H+來自膜內(nèi)(線粒體基質(zhì))，放出的H+排到膜外(線粒體的膜間隙)，從而造成H+的跨膜定向移動 從膜內(nèi)泵到膜外。（五）電子傳遞抑制劑 1、魚藤酮 阻斷從NADH向CoQ的傳遞 2、抗霉素A 阻斷復(fù)合物III的電子傳遞 3、氰化物、疊氮化物、CO、H2S 阻斷復(fù)合物IV向O2的傳遞第三節(jié) 氧化磷酸化P/O比：每消耗一個氧原子所產(chǎn)生的ATP的分子數(shù)。NADH經(jīng)呼吸鏈完全氧化時，P/O為 3，F(xiàn)ADH2經(jīng)呼吸鏈完全氧化時，P/O為 2。一、氧化磷酸化的機理 呼吸鏈中的電子傳遞是如何推動ADP磷酸化形成ATP的？比較著名的假說有三個：化學(xué)偶聯(lián)假說、構(gòu)

14、象偶聯(lián)假說、化學(xué)滲透學(xué)說目前得到公認(rèn)的是“化學(xué)滲透學(xué)說”。1、化學(xué)滲透學(xué)說 電子傳遞體在線粒體內(nèi)膜上有著不對稱分布，傳氫體和傳電子體交替排列，催化是定向的； 復(fù)合物I、III、IV的傳氫體將H+從基質(zhì)泵向內(nèi)膜外惻，而將電子傳向其后的電子傳遞體； 內(nèi)膜對質(zhì)子不具有通透性，這樣在內(nèi)膜兩側(cè)形成質(zhì)子濃度梯度，這就是推動ATP合成的原動力； 當(dāng)存在足夠高的跨膜質(zhì)子化學(xué)梯度時，強大的質(zhì)子流通過F1-F0-ATPase進入基質(zhì)時，釋放的自由能推動ATP合成。2、F1-F0-ATPase復(fù)合物 F1：球形頭部，伸入線粒體基質(zhì)，由五種亞基組成a3b3,是ATP合酶的催化部分；F0橫貫線粒體內(nèi)膜，含有質(zhì)子通道，由

15、十多種亞基組成。位于F1與F0之間的炳含有寡霉素敏感性蛋白。3、腺苷酸的轉(zhuǎn)運 由線粒體內(nèi)膜上的腺苷酸載體負(fù)責(zé)ADP/ATP的轉(zhuǎn)運。二、氧化磷酸化的抑制劑1. ATP合酶的抑制劑這類化合物直接作用于ATP合酶復(fù)合體，從而抑制ATP的合成。它們使膜外質(zhì)子不能通過ATP合酶復(fù)合體返回膜內(nèi)，使膜內(nèi)質(zhì)子繼續(xù)泵出到膜外顯然越來越困難，最后不得不停止，所以這類抑制劑間接抑制了電子傳遞和分子氧的消耗。寡霉素屬于此類抑制劑，它與F0的一個亞基結(jié)合而抑制F1。 2. 解偶聯(lián)劑某些化合物能夠消除跨膜的質(zhì)子濃度梯度，使ATP不能合成。它們既不作用于電子傳遞體，也不作用于ATP合酶復(fù)合體，只消除電子傳遞與磷酸

16、化的偶聯(lián)，所以稱為解偶聯(lián)劑。最常見的解偶聯(lián)劑是2,4-二硝基苯酚(DNP)。它的特點是呈弱酸性和脂溶性。在內(nèi)膜外側(cè)的酸性環(huán)境中，它呈脂溶性的非解離形式，容易透過膜；到了膜內(nèi)側(cè)，由于pH較外側(cè)高，所以將質(zhì)子釋放出來，呈解離狀態(tài)。這樣就將一個質(zhì)子從膜外帶入膜內(nèi)，從而消除了跨膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度，使ATP不能合成。解偶聯(lián)劑使電子傳遞所產(chǎn)生的自由能以熱的形式耗散，使能量得不到貯存。在生物體內(nèi)，在某些環(huán)境條件或生長發(fā)育階段，也會發(fā)生解偶聯(lián)作用。如冬眠動物、耐寒的哺乳動物和新出生的溫血動物通過解偶聯(lián)產(chǎn)生熱以維持體溫；植物在干旱、寒冷等不良條件下，也可能發(fā)生解偶聯(lián)而不能合成ATP。其解偶聯(lián)劑為天然的蛋白質(zhì)，存

17、在于線粒體內(nèi)膜上，這種蛋白質(zhì)構(gòu)成質(zhì)子通道，讓膜外質(zhì)子經(jīng)過它返回膜內(nèi)而消除跨膜的質(zhì)子濃度梯度，不合成ATP而產(chǎn)生熱量以增加體溫。3、離子載體抑制劑 增大了線粒體內(nèi)膜對一價陽離子的通透性，從而破壞了膜兩側(cè)的電位梯度。三、線粒體外NADH的氧化呼吸鏈的電子傳遞和氧化磷酸化在線粒體內(nèi)進行，而胞液中的NAD+或NADH都不能自由地透過線粒體內(nèi)膜，那么在胞液中生成的NADH是如何氧化的呢？ 1. 真菌和高等植物細(xì)胞內(nèi)：線粒體外的NADH直接進入呼吸鏈進行氧化。這些細(xì)胞的線粒體內(nèi)膜上存在著一種特殊的NADH脫氫酶 外NADH脫氫酶：內(nèi)膜上的位置底物NADH的來源輔基所在的呼吸鏈內(nèi)NADH脫氫酶（FPint）

18、膜內(nèi)側(cè)線粒體內(nèi)FMNNADH呼吸鏈外NADH脫氫酶（FPext）膜外側(cè)線粒體外FADFADH2呼吸鏈胞液中的NADH很容易穿過線粒體的外膜進入膜間隙，在內(nèi)膜的外表面被外NADH脫氫酶催化脫氫，沿著FADH2呼吸鏈進行氧化。這種方式不通過復(fù)合物，P/O為2。2. 動物細(xì)胞內(nèi)：線粒體外的NADH通過間接的途徑 穿梭機制進入線粒體。動物細(xì)胞內(nèi)已知有兩個穿梭系統(tǒng)：磷酸甘油穿梭系統(tǒng)，主要存在于肌細(xì)胞； 蘋果酸穿梭系統(tǒng)，主要存在于肝細(xì)胞。(1) 磷酸甘油穿梭系統(tǒng)：胞質(zhì)中的3-磷酸甘油脫氫酶先將NADH中的H轉(zhuǎn)移至磷酸二羥基丙酮，形成3-磷酸甘油，后者擴散至線粒體內(nèi)、外膜之間，然后由內(nèi)膜上的3-磷酸甘油脫氫酶作用，將H轉(zhuǎn)移至FAD上，并經(jīng)呼吸鏈氧化，同時產(chǎn)生的磷酸二羥基丙酮又返回胞液參與下一輪穿梭。（P188）通過3-磷酸甘油與DHAP之間的轉(zhuǎn)換，胞液中的NADH間接地轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)膜上