章生物能學原理及氧化

第十一章生物能學原理及生物氧化PrincipleofBioenergeticsandBiologicalOxidation物質(zhì)在生物體內(nèi)進行氧化稱生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時逐步釋放能量，最終生成CO2和H2O的過程。此過程需耗氧、排出CO2，又在活細胞內(nèi)進行，故又稱細胞呼吸(cellularrespiration)。

*生物氧化（biologicaloxidation）的概念糖脂肪蛋白質(zhì)CO2和H2OO2能量ADP+PiATP熱能*生物氧化的一般過程第一節(jié)生物能學的基本原理PrinciplesofBioenergetics一、生物系統(tǒng)遵循熱力學定律一個體系及其周圍環(huán)境的總能量是一個常數(shù)。能量可以在系統(tǒng)內(nèi)轉移，或從一種形式轉化為另一種形式。有機化合物氧化時釋放的能量等于該物質(zhì)所具有的化學鍵能與其氧化產(chǎn)物所含化學鍵能之差。（一）熱力學第一定律——能量守恒定律熵（entropy）表示一個系統(tǒng)的無序或隨機程度。常用?G(自由能的變化)衡量一個生物化學過程是否能夠自發(fā)進行：?G<0，反應不可逆?G>0，反應為吸能反應（?G值越大，則系統(tǒng)越穩(wěn)定，發(fā)生反應的傾向越小。）?G=0，反應系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)（二）熱力學第二定律

——自動發(fā)生的過程總熵增加?Go:當反應物濃度為1mol/L，反應溫度為25℃，壓力為1大氣壓時，用?Go表示標準自由能變化。?Go

：生物化學反應時，將pH定為7.0，這種狀態(tài)下的標準自由能變化用?Go

表示。?Go

可根據(jù)平衡常數(shù)Keg進行計算：

?Go

=-2.303RTlogKeg

R為氣體常數(shù)R=8.31×10-3kJ/mol·K，T為絕對溫度。

（一）代謝物轉變時釋放的自由能提供另一種代謝物的轉變二、體內(nèi)吸能過程與放能過程偶聯(lián)進行A+C→B+D+熱能（二）一個熱力學上不利的反應可被熱力學有利的反應驅(qū)動AB+CBDAD+C（三）放能反應時生成高能化合物提供吸能反應所需的自由能ACB~DEE～E代表高能化合物，E為相應的低能化合物

三、ATP在能量捕獲、轉移、儲存和利用過程中起核心作用一般將?Go

大于ATP（包括ATP），或?Go

大于21kJ/mol的磷酸化合物稱為高能磷酸化合物。用符號~P表示高能磷酸鍵。（一）高能磷酸化合物的磷?；鈺r釋放出大量自由能高能磷酸化合物:一些生物學重要的有機磷酸化合物水解時釋放的標準自由能化合物?Go

kJ/mol（kcal/mol）磷酸烯醇式丙酮酸-61.9(-14.8)氨基甲酰磷酸-51.4(-12.3)1,3-二磷酸甘油酸-49.3(-11.8)磷酸肌酸-43.1(-10.3)ATP→ADP+Pi-30.5(-7.3)ADP→AMP+Pi-27.6(-6.6)焦磷酸-27.6(-6.6)1-磷酸葡萄糖-20.9(-5.0)6-磷酸果糖-15.9(-3.8)AMP-14.2(-3.4)6-磷酸葡萄糖-13.8(-3.3)3-磷酸甘油醛-9.2(-2.2)（二）ATP將熱力學上不利的過程和有利的反應相偶聯(lián)體內(nèi)許多代謝物的“活化”反應（吸能）大多直接或間接地與ATP酸酐鍵的水解放能反應相偶聯(lián)，使“活化”反應能順利進行。OCH2HOHOHOHHOHHOHHH葡萄糖ATPADPMg2+己糖激酶(hexokinase)OHOHOHHOHHOHHOCH2H6-磷酸葡萄糖PP（三）腺苷酸激酶（adenylatekinase）催化腺嘌呤核苷酸之間相互轉變

ATP+AMP2ADP（四）核苷二磷酸激酶催化UTP、CTP、GTP生成

ATP+UDP→ADP+UTP

ATP+CDP→ADP+CTP

ATP+GDP→ADP+GTP（五）磷酸肌酸作為肌和腦中能量的一種儲存形式ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P機械能(肌肉收縮)滲透能(物質(zhì)主動轉運)化學能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)生物體內(nèi)能量的儲存和利用都以ATP為中心。人體內(nèi)ATP的來源和去路:第二節(jié)

氧化磷酸化

OxidativePhosphorylation定義代謝物脫下的成對氫原子(2H)通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應逐步傳遞，最終與氧結合生成水，這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈(respiratorychain)又稱電子傳遞鏈(electrontransferchain)。組成遞氫體和電子傳遞體（2H

2H++2e）一、氧化呼吸鏈又稱電子傳遞鏈（一）氧化呼吸鏈由4種復合體所組成*泛醌和Cytc

均不包含在上述四種復合體中。人線粒體呼吸鏈復合體復合體酶名稱復合體Ⅰ復合體Ⅱ復合體Ⅲ復合體ⅣNADH-泛醌還原酶琥珀酸-泛醌還原酶泛醌-細胞色素C還原酶細胞色素C氧化酶輔基FMN，F(xiàn)e-SFAD，F(xiàn)e-S鐵卟啉，F(xiàn)e-S鐵卟啉，Cu多肽鏈數(shù)3941113呼吸鏈各復合體在線粒體內(nèi)膜中的位置1.復合體Ⅰ將NADH+H+中的兩個電子傳遞給泛醌（ubiquinone）

復合體ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2NAD+和NADP+的結構R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+（NADP+）

的加氫和脫氫反應

氧化還原反應的變化發(fā)生在五價氮和三價氮之間。FMN的加氫和脫氫反應

FMN結構中含核黃素，功能部位是異咯嗪環(huán)，氧化還原反應時不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN?。鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其中鐵原子可進行Fe2+

Fe3++e反應傳遞電子。?表示無機硫鐵硫簇(iron-sulfurcluster

)的結構

鐵硫蛋白(iron-sulfurprotein

)SS無機硫半胱氨酸硫泛醌（CoenzymeQ

,CoQ,Q）由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側鏈（人CoQ10），氧化還原反應時可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。泛醌的加氫和脫氫反應

NADH→FMN→N1a

→（N3,N1b,N4）→N2→

QP-N→Q

（Fe2S2）（Fe4S4）（Fe2S2）（Fe4S4）（Fe4S4）目前推測復合體Ⅰ中電子傳遞順序如下：2.復合體Ⅱ?qū)㈦娮訌溺晁醾鬟f給泛醌

（FAD，S1）→S3→QP-S琥珀酸→→Q復合體Ⅱ中電子傳遞順序:一些含有FAD的脫氫酶也可將底物中的電子傳遞給泛醌。細胞色素（Cytochrome，Cyt）

細胞色素是一類以血紅素（heme）為輔基的電子傳遞蛋白，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。各種還原型細胞色素的主要光吸收峰細胞色素波長（nm）αβγa600439b562532429c550521415c1554524418血紅素中的鐵原子可進行Fe2+Fe3++e反應傳遞電子,屬單電子傳遞體。3.復合體Ⅲ將電子從泛醌傳遞給細胞色素c泛醌-細胞色素C還原酶同二聚體結構

復合體ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1復合體Ⅲ傳遞電子的過程通過Q循環(huán)(Qcycle)來實現(xiàn):（1）第一分子QH2氧化過程（2）第二分子QH2氧化過程

QH2QH2Fe2S22H+Q·ˉQQeˉc1eˉeˉeˉbLbHQ0QieˉQH2QH2Fe2S22H+Q·ˉQQeˉc1eˉeˉeˉbLbHQ0QieˉQH22H+Q·ˉQ·ˉ4.復合體Ⅳ將電子從細胞色素C傳遞給氧

復合體Ⅳ還原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB其中Cyta3

和CuB形成的活性部位將電子交給O2。細胞色素C氧化酶CuA中心細胞色素氧化酶a3-CuB中心Fe(Ⅱ)

Fe(Ⅱ)CuB2+CuB2+CuB+CuB+HO-YHO-Y(Tyrosine244)HO-YHO-YHO-YHO-YHO-YO2Fe(III)Fe(IV)Fe(IV)Fe(IV)Fe(III)+Fe(III)+Fe(III)e-e-H+H2OH+CuB+OH∣CuB+CuB2+·O-YO=OOH∣OH∣O‖O‖O‖O-OOH∣CuB+H+H2Oe-H+,e-

細胞色素C氧化酶a3-CuB中心使O2還原生成H2O的過程目錄

由以下實驗確定:①標準氧化還原電位②特異抑制劑阻斷③還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧④拆開和重組（二）氧化呼吸鏈組分按氧化還原電位從低到高排列目錄1.NADH氧化呼吸鏈NADH→復合體Ⅰ→Q→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O22.琥珀酸氧化呼吸鏈

琥珀酸→復合體Ⅱ→Q→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O2氧化呼吸鏈可分為兩條途徑:NADH氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈電子傳遞鏈氧化呼吸鏈電子傳遞概貌α

二、氧化磷酸化將氧化呼吸鏈釋能與ADP磷酸化反應偶聯(lián)*定義氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化。

底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)是底物分子內(nèi)部能量重新分布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成ATP的過程。（一）復合體Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ是氧化磷酸化偶聯(lián)部位1.根據(jù)P/O比值推測氧化磷酸化偶聯(lián)部位線粒體離體實驗測得的一些底物的P/O比值注：近年的實驗確定，NADH呼吸鏈P/O比值大約為2.5；琥珀酸呼吸鏈P/O比值約為1.5。2.根據(jù)電子傳遞時自由能變化確定可能的偶聯(lián)部位⊿Go'=-nF⊿Eo'電子傳遞鏈自由能變化

區(qū)段電位變化(⊿Eo′)自由能變化⊿Go′=-nF⊿Eo′能否生成ATP(⊿Go′是否大于30.5kJ)Cytaa3~O20.53V102.3kJ/mol能NAD+~CoQ0.36V69.5kJ/mol能CoQ~Cytc0.21V40.5kJ/mol能ATPATPATP氧化磷酸化偶聯(lián)部位（二）氧化磷酸化偶聯(lián)機制是跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子電化學梯度化學滲透假說(chemiosmotichypothesis)

電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時，驅(qū)動質(zhì)子（H+）從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側泵到內(nèi)膜胞漿側，從而產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學梯度儲存能量,當質(zhì)子順濃度梯度回流時驅(qū)動ADP與Pi生成ATP。線粒體基質(zhì)

線粒體膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化學滲透假說簡單示意圖氧化呼吸鏈質(zhì)子跨膜轉移的機制F1:親水部分(α3β3γδε亞基,OSCP,IF1亞基)F0:疏水部分(a,b2,c9~12亞基)（三）ATP合酶利用質(zhì)子順濃度梯度回流時釋放的能量合成ATP

1.ATP合酶（ATPsynthase）由F1

和F0組成2.質(zhì)子通過ATP合酶Fo順濃度梯度回流使F1γ亞基旋轉ATP合酶Fo中a亞基和c亞基結構示意通過C環(huán)的旋轉，質(zhì)子從內(nèi)膜胞漿側進入胞漿半通道，通過基質(zhì)半通道釋放進入線粒體基質(zhì)。c環(huán)與γδ亞基緊密相連，當c環(huán)旋轉時會帶動γ亞基旋轉。當H+順濃度遞度經(jīng)Fo中a亞基和c亞基之間回流時，γ亞基發(fā)生旋轉，3個β亞基的構象發(fā)生改變。ATP合酶的工作機制3.γ亞基旋轉使β亞基構象改變導致ATP合成和釋放三、一些因素影響氧化磷酸化的進行呼吸鏈抑制劑阻斷氧化呼吸鏈的電子傳遞

如：魚藤酮（rotenone）

2.解偶聯(lián)劑使氧化與磷酸化偶聯(lián)過程脫離如：解偶聯(lián)蛋白（uncouplingprotein,UCP）

3.ATP合酶抑制劑對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用

如：寡霉素（oligomycin）

（一）氧化磷酸化抑制劑有3類魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥×抗霉素A二巰基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點不同底物和抑制劑對線粒體氧耗的影響

解偶聯(lián)蛋白作用機制（棕色脂肪組織線粒體）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液側基質(zhì)側解偶聯(lián)蛋白熱能H+H+ADP+PiATP寡霉素(oligomycin)可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成。寡霉素ATP合酶結構模式圖（二）正常機體氧化磷酸化速率主要受ADP調(diào)節(jié)呼吸鏈電子傳遞和ATP生成的偶聯(lián)關系是相互依賴的。呼吸控制率(respiratorycontrolratio,RCR)（三）甲狀腺激素使機體耗氧和產(chǎn)熱均增加

甲狀腺激素誘導Na+,K+–ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達增加。（四）線粒體DNA突變使氧化磷酸化功能降低線粒體DNA（mitochondrialDNA,mtDNA）病衰老電子傳遞鏈及氧化磷酸化系統(tǒng)概貌ΔμH+跨膜質(zhì)子電化學梯度；H+m內(nèi)膜基質(zhì)側H+；H+c

內(nèi)膜胞液側H+目錄四、線粒體內(nèi)膜對物質(zhì)的轉運具有選擇性線粒體基質(zhì)與胞漿之間有線粒體內(nèi)、外膜相隔，外膜對物質(zhì)通透的選擇性不強，內(nèi)膜依賴各種跨膜轉運蛋白(transporter)對各種物質(zhì)的轉運。線粒體內(nèi)膜中的一些轉運蛋白對代謝物轉運（一）胞漿中的NADH通過穿梭進入線粒體參加氧化磷酸化轉運機制主要有兩條:α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)蘋果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)1.

α-磷酸甘油穿梭主要存在于骨骼肌和腦中2.

蘋果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于心肌和肝中（二）腺苷酸移位酶使ATP和ADP反向轉運腺苷酸移位酶（adeninenucleotidetranslocase）又稱腺苷酸載體（adeninenucleotidecarrier）或腺苷酸轉運蛋白。

（三）Ca2+通過線粒體內(nèi)膜中兩種轉運蛋白進出線粒體線粒體是儲存Ca2+的細胞器。由膜電位驅(qū)動，通過內(nèi)膜中的鈣單向轉運蛋白（calciumuniporter）轉運，使Ca2+進入線粒體。轉運速度隨胞漿中[Ca2+]濃度增加而增加。線粒體基質(zhì)中的Ca2+與胞漿中的Na+可通過Na+-Ca2+交換蛋白（Na+-Ca2+exchanger）對向轉運。（四）線粒體內(nèi)膜轉運蛋白中均存在3個前后重復的結構線粒體內(nèi)膜還存在其他與代謝物轉運有關的轉運蛋白，它們大多含有3個以100個氨基酸殘基為單位的重復結構，空間結構分析，每個單位存在兩個跨膜段，有利于形成跨膜轉運通道。

第三節(jié)

不生成ATP的氧化途徑OxidationWithoutATPGeneration一、微粒體細胞色素P450單加氧酶系使底物分子羥化單加氧酶(monoxygenase)RH+NADPH+H++O2ROH+NADP++H2O上述反應需要細胞色素P450(CytP450)參與。它催化氧分子中一個氧原子加到底物分子中(羥化)，故也稱羥化酶(hydroxylase)；同時將另一個氧原子與NADPH+H+中的2H結合生成水，故又稱混合功能氧化酶(mixed-functionoxidase)。

Fe(Ⅱ)Fe(III)Fe(IV)Fe(III)Fe(III)Fe(III)e-CuB+O=OO‖O-OHH+H2O微粒體細胞色素P450基本反應機制

Fe(III)O-O·AHAHAHAHAHAHA-OHFe(Ⅱ)AOHe-H+H2O22H+·O2ˉAHO2+目錄目錄二、生物氧化過程中產(chǎn)生超氧陰離子（一）活性氧類包括超氧陰離子、過氧化氫和羥自由基超氧陰離子（superoxideanion）：O2ˉ過氧化氫（hydrogenperoxide）：H2O2羥自由基（hydroxylfreeradical）：·OHO2

O2-

H2O2

·OH

H2Oe-e-+2H+e-+H+e-+H+H2O活性氧類（reactiveoxygenspecies,ROS）：自由基（freeradical）是指任何帶未成對電子的原子、分子或基團。H2O2不是自由基，但在細胞內(nèi)Fe2+或Cu+的存在下可通過芬頓（Fenton）或哈伯-韋斯（Haber-Weiss）反應轉變成羥自由基。Fe2++H2O2

Fe3++·OH+OHˉFenton反應