生物氧化和能量轉(zhuǎn)換

關(guān)于生物氧化和能量轉(zhuǎn)換第1頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三生物氧化（biologicaloxidation）：細(xì)胞內(nèi)的糖、脂肪和蛋白質(zhì)進(jìn)行氧化分解而生成CO2

和H2O，并釋放能量的過(guò)程。又稱為細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸、組織呼吸。一、生物氧化的基本概念第一節(jié)生物氧化概述CO2

如何形成?直接脫羧、氧化脫羧H2O

如何形成?脫氫酶、氧化酶、傳遞體能量如何形成?第2頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三糖原甘油三酯蛋白質(zhì)葡萄糖脂肪酸+甘油氨基酸乙酰CoA

呼吸鏈

H2O

ADP+PiATP

CO22H

TCA

生物氧化的一般過(guò)程第3頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三（1）生物氧化是在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的；（2）生物氧化是在溫和條件下進(jìn)行的；（3）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)移到一些特殊的高能化合物中。二、生物氧化的特點(diǎn)（與體外燃燒相比）第4頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.直接脫羧作用

（directdecarboxylation）α-直接脫羧：如氨基酸脫羧β-直接脫羧：如草酰乙酸脫羧三、生物氧化中CO2的生成第5頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三2.氧化脫羧作用

（oxidativedecarboxylation）β-氧化脫羧：如異檸檬酸的氧化脫羧α-氧化脫羧：如丙酮酸的氧化脫羧第6頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.底物脫水四、生物氧化過(guò)程中H2O的生成第7頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三在生物氧化中，水是代謝物上脫下的氫與生物體吸進(jìn)的O2化合生成的。代謝物上的氫需要在脫氫酶的作用下才能脫下；吸入的O2要通過(guò)氧化酶的作用才能轉(zhuǎn)化為高活性的氧。在此過(guò)程中，還需要有一系列傳遞體才能把氫傳遞給氧，生成水。生物氧化過(guò)程中水的生成2.由呼吸鏈生成水第8頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三五、自由能和氧化還原電位1878年，JosiahWillardGibbs提出關(guān)于自由能的公式。△G為在恒壓和恒溫下發(fā)生變化的體系的自由能的變化。反應(yīng)的自由能變化（△G）是反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的重要標(biāo)準(zhǔn)。

自由能：一個(gè)化合物分子結(jié)構(gòu)中所固有的能量，是指能用于做功的能量。

△G＜0，反應(yīng)才能自發(fā)進(jìn)行；

△G=0，體系處于平衡，不能發(fā)生凈變化；

△G＞0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，需要輸入自由能以推動(dòng)這樣的反應(yīng)。第9頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三

氧化還原反應(yīng)：凡有電子從一種物質(zhì)（還原劑）轉(zhuǎn)移到另一種物質(zhì)（氧化劑）的化學(xué)反應(yīng)

氧化還原電勢(shì)（位）：在氧化還原體系中，丟失或獲得電子趨勢(shì)的大小。電子總是從低的氧化還原電位向高的氧化還原電位流動(dòng)。第10頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三自由能變化和氧化還原電位的關(guān)系：在標(biāo)準(zhǔn)條件下，電子從氧化還原電位低的流向電位高的傾向是自由能降低的結(jié)果。電子總是向反應(yīng)系統(tǒng)自由能降低的方向移動(dòng)。第11頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三

化學(xué)上的高能鍵：指形成一個(gè)鍵需要釋放較多的能量或打開(kāi)一個(gè)鍵需要消耗較多的能量，是指穩(wěn)定的鍵。六、高能化合物

一般將水解（或基團(tuán)的轉(zhuǎn)移反應(yīng)）時(shí)能釋放出大量的自由能（＞20.92kJ/mol）的化學(xué)鍵稱為高能鍵，用符號(hào)“～”表示。含有高能鍵的化合物就稱為高能化合物（high-energyorenergy-richcompound）。含磷酸基團(tuán)的這類化合物叫高能磷酸化合物（High-energyphosphatecompound）。在這些高能磷酸化合物中的酸酐鍵，能釋放大量自由能。

ATP是生物細(xì)胞中最重要的高能磷酸化合物。第12頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三高能鍵型1.磷氧鍵型（—O～P)2.磷氮鍵型（—N～P)3.硫碳鍵型（—C～S)根據(jù)生物體內(nèi)高能化合物鍵的特性可以把它們分成以下幾種類型：第13頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三

1.磷氧鍵型（-O～P）（1）?；姿峄衔?,3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸氨甲酰磷酸第14頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三（2）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸第15頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三（3）焦磷酸化合物焦磷酸第16頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三2.磷氮鍵型（-N～P）磷酸肌酸磷酸精氨酸這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲(chǔ)存能量的作用第17頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.硫碳鍵型（-C～S）酰基輔酶AS-腺苷甲硫氨酸硫酯鍵型甲硫鍵型第18頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三ATP分子中含有兩個(gè)高能的不穩(wěn)定的酸酐鍵（A-P~P~P），均可以水解供能。ATP水解為ADP并供出能量之后，又可通過(guò)氧化磷酸化重新合成，從而形成ATP循環(huán)。ATP作為能量傳遞的中間載體，有“通用貨幣”之稱。ATP是能夠被生物細(xì)胞直接利用的能量形式，是能量的攜帶者和傳遞者，但不是能量的儲(chǔ)存物質(zhì)。ATPATP（三磷酸腺苷）第19頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三

表各種磷酸化合物的水解自由能

磷酸化合物

水解自由能ΔG（kJ/moL）磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）-61.91,3-二磷酸甘油酸-49.3磷酸肌酸（CP）-43.1乙酰磷酸-42.3乙酰CoA-32.2ATP（→ADP+Pi）-30.51-磷酸葡萄糖（G-1-P）-20.96-磷酸葡萄糖（G-6-P）-13.83-磷酸甘油-9.2ATP在能量交換中的作用如同能量“貨幣”，是一種可以流通的能量物質(zhì)：即可從能量較高的化合物獲得能量，也可較容易地向能量較低的化合物傳遞能量。第20頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三

在細(xì)胞內(nèi)如磷酸肌酸（脊椎動(dòng)物肌肉、腦和神經(jīng)組織）和磷酸精氨酸（無(wú)脊椎動(dòng)物肌肉中）才是真正的能量?jī)?chǔ)存物質(zhì)。以高能磷酸形式貯能的物質(zhì)統(tǒng)稱為磷酸原（phosphagen）。當(dāng)機(jī)體消耗ATP過(guò)多致使ADP增多時(shí)，磷酸肌酸可將其高能鍵轉(zhuǎn)給ADP生成ATP，以供生理活動(dòng)之用。磷酸原第21頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三第二節(jié)線粒體及其內(nèi)部氧化體系

線粒體線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞鏈第22頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三一、線粒體線粒體有雙層膜結(jié)構(gòu)，外膜光滑，內(nèi)膜折疊成嵴，伸向基質(zhì)。內(nèi)外膜之間為膜間腔?；|(zhì)中含有全部三羧酸循環(huán)酶系、脂肪酸β氧化作用酶系等；內(nèi)膜上存在著多種酶與輔酶組成的電子傳遞鏈；內(nèi)膜上的ATP合成酶利用電子傳遞過(guò)程釋放的能量合成ATP。第23頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三呼吸鏈（respiratorychain）：在生物氧化過(guò)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)體系稱為呼吸鏈。由于在傳遞過(guò)程中，在很多部位氫原子實(shí)際上以質(zhì)子形式進(jìn)入線粒體基質(zhì)，僅發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，因此呼吸鏈又稱為電子傳遞鏈（electron-transportchain）。（一）電子傳遞鏈的基本概念原核細(xì)胞—質(zhì)膜真核細(xì)胞—線粒體內(nèi)膜二、線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞鏈第24頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶以FMN或FAD為輔基的脫氫酶鐵硫蛋白（鐵硫中心）泛醌（CoQ）細(xì)胞色素（Cyta、Cytb、Cytc）（二）電子傳遞鏈的基本組成嵌于線粒體內(nèi)膜上第25頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三以NAD+為輔酶的脫氫酶催化代謝物脫氫，脫下的氫由輔酶NAD+（CoI）接受，轉(zhuǎn)化為NADH+H+即可參與組成呼吸鏈而進(jìn)行電子傳遞。

NAD+和NADH結(jié)構(gòu)示意圖1.以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶第26頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三以NADP+為輔酶的脫氫酶催化代謝物脫氫生成的NADPH，大多數(shù)存在于線粒體外，主要作為還原能用于物質(zhì)的合成代謝。線粒體內(nèi)生成的少量NADPH，可在轉(zhuǎn)氫酶催化下生成NADH，再進(jìn)入呼吸鏈被氧化。第27頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三以FMN（黃素單核苷酸）或FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）為輔基的脫氫酶，稱為黃素酶類。此類酶催化代謝物脫下2H并分別加到FMN或FAD上，從而生成FMNH2或FADH2。2.以FMN或FAD為輔基的脫氫酶第28頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.鐵硫蛋白（鐵硫中心）是一類金屬蛋白質(zhì)，在生物氧化中起傳遞電子的作用。分子中含有非血紅素鐵和對(duì)酸不穩(wěn)定的硫。根據(jù)所含鐵原子的數(shù)目不同，可將鐵硫蛋白分為2Fe-2S、4Fe-4S。利用鐵的化合價(jià)的改變來(lái)傳遞電子。第29頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.泛醌泛醌（輔酶Q，CoQ，Q）是游離存在于線粒體內(nèi)膜中的脂溶性有機(jī)化合物，由多個(gè)異戊二烯連接形成較長(zhǎng)的疏水側(cè)鏈，氧化還原反應(yīng)時(shí)可在醌型與氫醌型之間相互轉(zhuǎn)變，因此是遞氫體。第30頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三5.細(xì)胞色素（cytochrome，Cyt）其傳遞電子的方式如下：

這是一類以血紅素（鐵卟啉）為輔基的電子傳遞蛋白質(zhì)的總稱，因其有顏色又普遍存在于細(xì)胞內(nèi)，故稱為細(xì)胞色素。細(xì)胞色素為單電子傳遞體。第31頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三鐵卟啉輔基的分子結(jié)構(gòu)

細(xì)胞色素根據(jù)其鐵卟啉輔基的結(jié)構(gòu)以及吸收光譜的不同而分類。第32頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三在已知的細(xì)胞色素中，只有Cyta3可以直接以氧分子為電子和質(zhì)子受體，它是催化氫和氧結(jié)合生成水的氧化酶。但Cyta3常與Cyta結(jié)合在一起，不能分開(kāi)，故統(tǒng)稱該復(fù)合物Cytaa3為細(xì)胞色素氧化酶。由于它處于電子傳遞連的最末端，故又稱為末端氧化酶（terminaloxidase）。它不僅含有血紅素鐵，還含有兩個(gè)銅原子，也能進(jìn)行電子傳遞。第33頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三NADH氧化呼吸鏈

琥珀酸氧化呼吸鏈（FADH2呼吸鏈）（三）電子傳遞鏈及其各組分的排列順序在有線粒體的生物中，電子傳遞鏈有兩條：第34頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三第35頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三各復(fù)合物之間的相互關(guān)系

在NADH氧化呼吸鏈及琥珀酸氧化呼吸鏈中，除NADH、CoQ和細(xì)胞色素C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。第36頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.NADH氧化呼吸鏈?zhǔn)羌?xì)胞內(nèi)最主要的呼吸鏈，因?yàn)樯镅趸^(guò)程中絕大多數(shù)脫氫酶都是以NAD+為輔酶，當(dāng)這些酶催化代謝物脫氫后，脫下來(lái)的氫使NAD+轉(zhuǎn)變?yōu)镹ADH，后者通過(guò)這條呼吸鏈將氫最終傳給氧而生成水。第37頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三2.琥珀酸氧化呼吸鏈這個(gè)呼吸鏈由琥珀酸脫氫酶復(fù)合體、CoQ和細(xì)胞色素組成。琥珀酸氧化呼吸鏈的電子傳遞途徑如圖：第38頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三能夠阻斷呼吸鏈中某一特定部位電子傳遞的物質(zhì)稱為電子傳遞鏈抑制劑。（四）電子傳遞鏈的抑制電子傳遞鏈抑制劑作用點(diǎn)第39頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三第三節(jié)氧化磷酸化作用

氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）：指生物氧化過(guò)程中釋放出的自由能驅(qū)動(dòng)ADP磷酸化形成ATP的過(guò)程。一、氧化磷酸化的概念及類型第40頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.底物水平磷酸化：（不需O2）在底物氧化過(guò)程中，形成某些高能中間產(chǎn)物或某種高能狀態(tài)，再通過(guò)酶的作用使其能量轉(zhuǎn)給ADP生成ATP的過(guò)程。能量來(lái)源于底物分子中能量的重新分布與集中。

2.電子傳遞鏈的磷酸化：（需O2）電子從NADH或者FADH2經(jīng)過(guò)電子傳遞鏈傳遞給分子氧時(shí)，將釋放的能量轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP的方式。通常所說(shuō)的氧化磷酸化即指電子傳遞鏈磷酸化。氧化磷酸化類型第41頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三底物水平磷酸化見(jiàn)于下列三個(gè)反應(yīng)：第42頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三二、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位磷氧比（P/O）指一對(duì)電子通過(guò)呼吸鏈傳遞到氧時(shí)所產(chǎn)生的ATP的分子數(shù)。一對(duì)電子從NADH傳遞到氧的途徑中產(chǎn)生了2～3分子的ATP，即P/O>2。表明呼吸鏈中有3個(gè)不連續(xù)的ATP形成部位。而當(dāng)一對(duì)電子從FADH2傳遞到氧時(shí)，其P/O>1。P/O不一定是整數(shù)。第43頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三

鑲嵌在線粒體內(nèi)膜上合成ATP的酶系是一個(gè)復(fù)合物，稱為ATP合成酶或稱FoF1-ATP酶。它由兩個(gè)主要部分Fo和F1再加柄連接而構(gòu)成。F1即偶聯(lián)因子，呈球形，通過(guò)一個(gè)柄（由蛋白質(zhì)組成）接到包埋在線粒體內(nèi)膜的柄底F0上，故又稱三聯(lián)體。（一）ATP合成酶三、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理頭部：F1，含α、β、γ、δ、ε五種亞基，β亞基催化ADP和Pi發(fā)生磷酸化，生成ATP?；撞浚篎o，具有質(zhì)子通道的作用，傳送質(zhì)子通過(guò)膜到達(dá)F1的催化部位。柄部：連接F1和Fo，控制質(zhì)子的流動(dòng)，從而控制ATP的生成速度。含有寡霉素敏感性蛋白。第44頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三（二）氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理三種假說(shuō)：化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)高能共價(jià)中間產(chǎn)物構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō)高能構(gòu)象中間產(chǎn)物化學(xué)滲透假說(shuō)1961，P.Mitchell

第45頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)（1953年）

chemicalcouplinghypothesis

認(rèn)為電子傳遞反應(yīng)釋放的能量通過(guò)一系列連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)形成高能共價(jià)中間物，最后將其能量轉(zhuǎn)移到ADP中形成ATP。第46頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三

2.構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō)（1964）

conformationalcouplinghypothesis

認(rèn)為電子沿電子傳遞鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜的蛋白質(zhì)組分發(fā)生了構(gòu)象變化，形成一種高能構(gòu)象，這種高能形式通過(guò)ATP的合成而恢復(fù)其原來(lái)的構(gòu)象。第47頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三線粒體內(nèi)膜的完整性和質(zhì)子的不可通透性是氧化和磷酸化偶聯(lián)的基礎(chǔ)。質(zhì)子泵：借助電子傳遞產(chǎn)生的自由能將H+從基質(zhì)泵入膜間隙。3.化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)

（Chemiosmotichypothesis）該學(xué)說(shuō)認(rèn)為呼吸鏈上的電子在傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)H+從線粒體基質(zhì)跨過(guò)內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙，從而形成跨線粒體內(nèi)膜的H+電化學(xué)梯度。這種電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)使H+返回線粒體基質(zhì)。H+通過(guò)內(nèi)膜上專一的質(zhì)子通道（Fo）返回。這樣，驅(qū)使H+返回基質(zhì)的質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力為ATP的合成提供了能量。第48頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三NADH呼吸鏈完全氧化：（4+4+2）/4=2.5個(gè)ATPFADH2呼吸鏈完全氧化：（4+2）/4=1.5個(gè)ATP第49頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.解偶聯(lián)劑2.氧化磷酸化抑制劑3.離子載體抑制劑四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑和抑制劑第50頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.解偶聯(lián)劑機(jī)理:

使電子傳遞和ATP的生成的兩個(gè)過(guò)程分離。只抑制ATP的形成，而不抑制電子傳遞過(guò)程，使電子傳遞產(chǎn)生的自由能都變?yōu)闊崮芏⑹А?,4-二硝基苯酚（DNP），中性環(huán)境以解離形式存在，不能透過(guò)線粒體膜；酸性環(huán)境下形成脂溶性的非解離形式，易于透過(guò)線粒體膜，并將一個(gè)質(zhì)子帶入膜內(nèi)基質(zhì)中，破壞了電子傳遞形成的跨膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度，抑制了ATP的合成。DNP作用機(jī)理圖第51頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三2.氧化磷酸化抑制劑機(jī)理：抑制氧化磷酸化（抑制ATP的形成），不直接抑制電子傳遞鏈上載體的作用。寡霉素第52頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.離子載體抑制劑機(jī)理：為脂溶性物質(zhì)，與某些離子結(jié)合并作為離子載體（除H+以外的一價(jià)陽(yáng)離子）使這些離子能夠穿過(guò)膜，從而破壞膜兩側(cè)的電位梯度，最終破壞氧化磷酸化。纈氨霉素：結(jié)合K+短桿菌肽：結(jié)合K+

、Na+及其他一價(jià)陽(yáng)離子第53頁(yè)，講稿共60頁(yè)，2023年5月2日，星期三真核細(xì)胞的線粒體是合成ATP的主要場(chǎng)所，而細(xì)胞很多利用ATP代謝過(guò)程主要是在細(xì)胞質(zhì)中。通過(guò)什么機(jī)制將合成的ATP進(jìn)行跨線粒體內(nèi)膜運(yùn)輸?shù)哪?？通過(guò)線粒體內(nèi)膜上的腺苷酸載體負(fù)責(zé)這種雙