生物氧化-2010

第五章 生物氧化和氧化磷酸化第一节 生物氧化概述一、生物氧化的概念生物氧化是指有机分子在生物体内氧化分解，最终生成CO2和H2O并 释放能量的过程。

（广义和狭义的氧化） 1、生物氧化的主要内容 ① CO2是如何生成的？ ② H2O是如何生成的？ ③ 能量是如何释放和怎样被生物利用的？ 2、生物氧化的特点 ① 常温常压下进行，不会瞬时放出大量热和光而产生高温。

② CO2的产生和H2O的生成是分开的。

③ 反应由酶催化，整个氧化过程分多步进行，能量逐步释放，因 而有利于氧化过程的控制和能量的利用。

13、生物氧化中CO2和H2O的生成 1）CO2的生成 生物氧化中的CO2主要是由脱羧反应的方式产生，如丙酮酸的 脱氢脱羧、α－酮戊二酸的脱氢脱羧等。

2）H2O的生成 生物氧化中的水主要是由底物脱下的氢和电子通过一系列的 中间传递体最终传给氧而生成。

4、生物氧化的方式 生物氧化的方式为：脱氢、加氧、加水脱氢和脱电子。

二、生化反应中的自由能变化1、自由能的概念 自由能是指恒温恒压条件下，体系可以用来对环境作功的那部分能 量。

又称Gibbs自由能，故用G表示。

A ＋ B C＋D判断一个反应能否自发进行的标准就是自由能的变化ΔG。

当ΔG < 0时，反应可自发进行。

当ΔG > 0时，反应不能自发进行。

当ΔG = 0时，反应处于平衡状态。

2、反应自由能变化的计算 反应自由能 标准自由能 ΔG = ΔGө′＋ RT ln [产物浓度] / [反应物浓度] ΔGө′ ＝ －RT ln K′ （pH＝7）（R：摩尔气体常数；T：绝对温度；K：平衡常数）23、氧化还原电位 物质在发生氧化还原反应时，需要发生电子的转移，氧化还 原电位是衡量物质电子得失能力的指标。

某一物质的还原态与其氧化态构成氧化－还原电对，如Fe2＋ 与Fe3＋构成氧化－还原电对，Cu与Cu2＋构成氧化－还原电对。

氧化还原电位越低的氧化－还原电对越容易给出电子。

为了 能定量地表示每一对氧化－还原电对的电势，就必须测定每一 对氧化－还原电对的电势并给出一个确切且可与不同的氧化－ 还原电对进行比较的数值。

因此就规定在标准状态下，被测氧 化－还原电对与标准氢电极构成化学电池时的电压作为该氧化 －还原电对的标准氧化－还原电位。

4、氧化－还原反应的自由能计算 对于氧化还原反应，其自由能的变化可由氧化还原电位的变 化来计算。

ΔGө′ ＝ －nF ΔEө′ （n：氧化还原反应的电子转移数；F：法拉第常数）三、高能化合物生物体内有许多化合物，其某些键水解时可释放出大量自由 能，一般将水解时释放21kJ/mol 以上自由能的键称为高能键，将 含有高能键的化合物称为高能化合物。

1、高能化合物的类型 ① 磷氧键型（O~P），包括焦磷酸化合物（如ATP）、烯醇式 磷酸化合物（如磷酸烯醇式丙酮酸）和酰基磷酸化合物。

② 磷氮键型（N~P），如磷酸肌酸和磷酸精氨酸。

③ 硫碳键型（S~C），包括硫酯键（如乙酰－CoA）和甲硫键。

2、ATP是生物体内的能量通货 ATP是细胞内特殊的自由能载体，当生物体内有自由能释放时， 就合成ATP。

当生物需要能量时，就水解ATP。

3① ATP的磷酸酸酐键，易水解且水解时可以释放大量能量，具 备作为能量通货的条件。

② 生物可以很容易地利用其它生化反应所释放的能量由ADP和 Pi合成ATP。

③ ATP水解释放出的能量可被生物体内其它需能的生理生化反 应所利用。

④ ATP的磷酸基转移势能正好介于常见含磷酸基团化合物的中 间位置，很容易实现与其它含磷酸基化合物之间的磷酸基转 移。

第二节 电子传递链（呼吸链）一、线粒体线粒体由双层膜构成，内外膜的结构和通透性不同。

电子传递链存 在于线粒体内膜，氧化磷酸化在线粒体内完成，三羧酸循环在线粒 体基质中进行，所以，线粒体被称为细胞的能量工厂。

4二、电子传递链在生物体内，还原型的辅酶（NADH和FADH2）需要通过一系列 的电子传递体才能把电子交给氧，这一系列电子传递体按对电子 亲和力逐渐升高的顺序组成的电子传递系统就称为电子传递链 （electron transfer chain，ETC）。

电子传递链又叫呼吸链。

电子传递链的组分包括：黄素蛋白；铁硫蛋白；细胞色素和泛醌。

这些电子传递链的组分嵌合在线粒体的内膜中，与相应的蛋白质 形成复合物。

在线粒体内膜中分离出四个电子传递链的复合物。

-0.18 FADH2 NADH -0.32 FMN -0.06 CoQ +0.1 Cyt b +0.03 Cyt c1 +0.22 Cyt c +0.25 Cyt aa3 +0.29 O2 +0.816电子传递链中各传递体的标准氧化还原电位的排列顺序及电子的传递方向线粒体 基质线粒体 内膜5电子传递链中四种复合物在线粒体内膜中的排列示意图II琥珀酸 延胡 索酸1、NADH脱氢酶（复合物 I） 相对分子量约为880,000。

含25种不同的蛋白，包括以FMN为辅 基的黄素蛋白和多种铁硫蛋白。

催化电子从NADH转移到泛醌。

受 鱼 藤 酮 （ rotenone ） 、 安 密 妥 （ amytal ） 和 杀 粉 蝶 菌 素 A （piericidin A）抑制。

铁硫蛋白的最重要特征是酸化时释放H2S。

同时硫铁一般以等 摩尔存在，通常为Fe2S2和Fe4S4。

62、琥珀酸脱氢酶（复合物 II） 相对分子量约为140,000。

含 4~5种不同的蛋白，包括以FAD 为辅基的黄素蛋白、铁硫蛋白 和细胞色素b560。

催化电子从琥 珀酸传递到泛醌。

b类细胞色素的结构Structure of Complex II (succinate dehydrogenase) of E. coli (PDB ID 1NEK).3、细胞色素b、c1复合体（复合物 III） 相对分子量约为250,000。

含9~10种不同的蛋白，包括细胞色素b、c1 和铁硫蛋白。

催化电子从还原型泛醌转移到细胞色素c。

受抗霉素A （antimycin A）抑制。

74、细胞色素氧化酶（复合物 IV） 相对分子量约为160,000。

哺乳动物线粒体复合物 IV至少含13种不同 的蛋白，包括细胞色素aa3 和含铜蛋白。

催化电子从还原型细胞色素c 传递给氧。

受氰化物、叠氮化物、CO和H2S抑制。

第三节 氧化磷酸化一、生物合成ATP的方式底物水平磷酸化 生物合成ATP 的方式有三种 （电子传递）氧化磷酸化 光合磷酸化 氧化磷酸化是指生物利用代谢物脱下的氢（NADH或FADH2 ） 经电子传递链传递给氧时释放的自由能，使ADP磷酸化形成ATP的 过程。

二、氧化磷酸化与电子传递的偶联1、电子传递过程的能量变化 当电子由电子传递链中的一个成员传给另一个成员时，就会释放 出能量，当释放出的自由能大于形成ATP所需的自由能时，就有可 能产生ATP。

82、P/O比 每消耗一个氧原子（或每对电子通过呼吸链传递至氧）所消耗的 无机磷（或产生的ATP）分子数。

NADH：2.5 ；FADH2：1.5 。

三、氧化磷酸化的机理1、偶联因子 F1－Fo－ATPase 复合物或ATP合 酶，包括球形头部、柄部和嵌入内 膜的基部。

F1由5种不同的多肽链组 成，α3β3γδε。

Fo横跨线粒体内膜，含质子通道， 由十多种亚基组成。

Fo和F1之间由一个大约5nm（50Å） 的柄相连，柄包含两种蛋白质，一 种为寡霉素敏感蛋白，另一种为偶 合因子。

F1催化ATP合成的部位在β亚基上。

92、化学渗透偶联假说4H+ 3H+ H+ 4H+ 2H+ATP外运需要1个质子3、氧化磷酸化的重组104、ATP的旋转催化机理F1定子 转子 FoO：开放形式（空置状态），对底物的 亲和力极低。

L：松散结合状态，与底物的结合较松 散，没有催化能力。

T：紧密结合状态，与底物结合紧密， 并有催化活性。

11四、氧化磷酸化的解偶联和抑制1、解偶联剂 通过消除跨膜质子梯度使ATP不能合成，不抑制电子传递 过程，使电子传递产生的自由能变为热能。

如2,4－二硝基苯 酚和某些解偶联蛋白。

2、氧化磷酸化抑制剂 通过抑制偶联因子来抑制ATP的合成，由于跨膜的质子梯 度不断升高，结果也使电子传递不能进行，但不直接抑制电 子传递链上的载体。

如寡霉素。

3、离子载体抑制剂 能与某些除质子以外的一价阳离子结合并作为它们的载体 来增加线粒体内膜对一价阳离子的通透性，消除膜两侧的电 位梯度，从而破坏氧化磷酸化过程。

如颉氨霉素。

五、线粒体穿梭系统1、甘油－3－磷酸穿梭系统线粒 体外 膜线粒 体内 膜细胞质122、苹果酸穿梭系统六、葡萄糖彻底氧化的产能情况1、糖酵解的总方程式 C6H12O6 ＋ 2ADP ＋ 2Pi ＋ 2NAD＋ 2CH3COCOOH ＋ 2ATP ＋ 2NADH＋ 2H＋ ＋ 2H2O 2、丙酮酸脱羧 CH3COCOOH ＋ CoA－SH ＋ NAD＋ CH3CO~SCoA ＋ NADH ＋ CO2 3、三羧酸循环的总反应 CH3CO~SCoA ＋ 3NAD＋ ＋ FAD ＋ GDP ＋ Pi ＋ 2H2O 2CO2 ＋ 3NADH ＋ FADH2＋ GTP ＋ CoA－SH ＋ 3H＋13七、能荷（energy charge）[ATP] + 0.5 [ADP] [ATP] + [ADP] + [AMP]能荷 =能荷的高低可直接调节 生物体内产能代谢和耗能 代谢的相对速度。

一般情况下，细胞内的 能荷为0.8~0.9。

能荷值可作为细胞产能 和需能代谢过程变构调节 的信号。

第四节 其他末端氧化酶系统直接把电子交给氧的氧化酶系统称为末端氧化酶系统。

1、多酚氧化酶系统 2、抗坏血酸氧化酶系统 3、黄素蛋白氧化酶（细胞色素P450）系统 4、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶 5、植物抗氰氧化酶系统14。