(生物科技行业)生物氧化与氧化磷酸化
生物化学复习要点-生物氧化与氧化磷酸化
生物氧化与氧化磷酸化一、教学大纲基本要求教学大纲基本要求讲解生物氧化与氧化磷酸化，1.生物能学简介，包括化学反应的自由能，自由能变化与化学反应平衡常数的关系，标准自由能变化的加和性，高能磷酸化合物，生物氧化的概念和特点。
2.线粒体电子传递，包括线粒体电子传递过程，电子传递链，电子传递链有关的酶和载体,电子传递链的抑制剂。
3.氧化磷酸化作用，包括氧化磷酸化的,P／O比和由ADP形成ATP的部位,电子传递和ATP形成的偶联及调节机制概念，氧化磷酸化的偶联机理，氧化磷酸化的解偶联。
二、本章知识要点1、本章概述有机物分子在生物细胞内被逐步氧化生成CO2，并释放出能量。
电子传递和氧化磷酸化作用使NADH和和FADH2再氧化并以ATP捕获释放出的能量。
真核生物电子传递和氧化磷酸化作用在线粒体内膜进行，而原核生物中过程在质膜上进行。
2、自由能变、反应平衡常数、氧化还原电位体系内能用于做功的能量称为自由能。
对化学反应来说，可以把自由能看成促使化学反应达到平衡的一种驱动力。
反应物自由能的总和与产物的自由能总和之差就是该反应的自由能变化(△G)。
当△G<0时体系未达到平衡，反应可以自发正向进行；当△G>0时体系未达到平衡，必须供能反应才能正向进行；当△G=0时反应处于平衡状态。
在参加反应物质的浓度为1mol/L、压力为一个大气压(0.1MPa)，温度为25℃、pH=0的条件下进行反应时自由能的变化称为标准自由能变化(△G0)。
标准自由能变化具有加和性。
对生物化学反应而言，在参加反应物质的浓度为1mol/L、压力为0.1MPa，温度为25℃、pH=7.0的条件下进行反应时自由能变为标准自由能变化(△G0)。
生化反应中自由能变与反应的平衡常数间的关系可以用△G0=-RTlnK′eq =-2.303RTlogK′eq。
氧化-还原电位(E)是物质对电子亲和力的量度。
生化反应的标准氧化-还原电势(E0 )是在标准状况(参加反应物质的浓度为1mol/L、压力为0.1MPa，温度为25℃)和pH7的条件下测量的，用伏特表示。
生物氧化与氧化磷酸化
生物氧化与氧化磷酸化知识要点生物氧化的实质是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧生成CO 2和H 2O ，与体外有机物的化学氧化（如燃烧）相同，释放总能量都相同。
生物氧化的特点是：作用条件温和，通常在常温、常压、近中性pH 及有水环境下进行；有酶、辅酶、电子传递体参与，在氧化还原过程中逐步放能；放出能量大多转换为ATP 分子中活跃化学能，供生物体利用。
体外燃烧则是在高温、干燥条件下进行的剧烈游离基反应，能量爆发释放，并且释放的能量转为光、热散失于环境中。
（一）氧化还原电势和自由能变化1．自由能生物氧化过程中发生的生化反应的能量变化与一般化学反应一样可用热力学上的自由能变化来描述。
自由能（free energy ）是指一个体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量，又称为Gibbs 自由能，用符号G 表示。
物质中的自由能（G ）含量是不易测定的，但化学反应的自由能变化（ΔG ）是可以测定的。
ΔG 很有用，它表示从某反应可以得到多少有用功，也是衡量化学反应的自发性的标准。
例如，物质A 转变为物质B 的反应：B A −→← ΔG ＝G B —G A当ΔG 为负值时，是放能反应，可以产生有用功，反应可自发进行；若ΔG 为正值时，是吸能反应，为非自发反应，必须供给能量反应才可进行，其逆反应是自发的。
][][ln B A RT G G o +∆=∆ 如果ΔG ＝0时，表明反应体系处于动态平衡状态。
此时，平衡常数为K eq ，由已知的K eq 可求得ΔG °：ΔG °＝－RT ln K eq2． 2．化还原电势在氧化还原反应中，失去电子的物质称为还原剂，得到电子的物质称为氧化剂。
还原剂失去电子的倾向（或氧化剂得到电子的倾向）的大小，则称为氧化还原电势。
将任何一对氧化还原物质的氧化还原对连在一起，都有氧化还原电位的产生。
如果将氧化还原物质与标准氢电极组成原电池，即可测出氧化还原电势。
标准氧还原电势用E °表示。
生物氧化与氧化磷酸化
（一）名词解释1．生物氧化2．呼吸链3．氧化磷酸化4．三羧酸循环5．底物水平磷酸化6．能荷7．糖异生8．乳酸循环9．发酵10．糖酵解途径11．糖的有氧氧化12．肝糖原分解13．磷酸戊糖途径14．UDPG(二) 填空题1．NADH 呼吸链中氧化磷酸化的偶联部位是_________、_________、_________。
2．举出4 种生物体内的天然抗氧化剂_________、_________、_________、_________。
3．高能磷酸化合物通常指水解时_________的化合物，其中最重要的是_________，被称为能量代谢的_________。
4．真核细胞生物氧化的主要场所是_________，呼吸链和氧化磷酸化偶联因子都定位于_________。
5．化学渗透学说主要论点认为：呼吸链组分定位于_________内膜上。
其递氢体有_________作用，因而造成内膜两侧的_________差，同时被膜上_________合成酶所利用、促使ADP + Pi → ATP6．动物体内高能磷酸化合物的生成方式有_________和_________两种。
7．α淀粉酶和β–淀粉酶只能水解淀粉的_________键，所以不能够使支链淀粉完全水解。
8．糖酵解过程中有3 个不可逆的酶促反应，这些酶是__________、____________ 和_____________。
9．糖酵解抑制剂碘乙酸主要作用于___________酶。
10．调节三羧酸循环最主要的酶是____________、__________ _、______________。
11 磷酸戊糖途径可分为______阶段，分别称为_________和_______，其中两种脱氢酶是_______和_________，它们的辅酶是_______。
12．糖酵解在细胞的_________中进行，该途径是将_________转变为_______，同时生成________和_______的一系列酶促反应。
生物化学笔记生物氧化氧化磷酸化
一、定义与生物氧化相偶联的磷酸化作用称为氧化磷酸化作用。
其作用是利用生物氧化放出的能量合成ATP：NADH+H++3ADP+3Pi+1/2 O 2=NAD++4H2O+3ATP其中NADH放能52.7千卡，ATP吸能21.9千卡，占42%。
氧化磷酸化与底物水平磷酸化不同，前者ATP的形成与电子传递偶联，后者与磷酸基团转移偶联，即磷酸基团直接转移到ADP上，形成ATP。
二、P/O比***指一对电子通过呼吸链传递到氧所产生的ATP分子数。
NADH的P/O比为3，ATP是在3个不连续的部位生成的：第一个部位是在NADH和辅酶Q之间（NADH脱氢酶）；第二个在辅酶Q和细胞色素C之间（细胞色素C还原酶）；第三个在细胞色素a和氧之间（细胞色素c氧化酶）。
三、偶联的调控（一）呼吸控制电子传递与ATP形成在正常细胞内总是相偶联的，二者缺一不可。
ATP与ADP浓度之比对电子传递速度和还原型辅酶的积累与氧化起着重要的调节作用。
ADP作为关键物质对氧化磷酸化的调节作用称为呼吸控制。
呼吸控制值是有ADP 时氧的利用速度与没有时的速度之比。
完整线粒体呼吸控制值在10以上，损伤或衰老线粒体可为1，即失去偶联，没有磷酸化。
根据线粒体用氧情况，可将呼吸功能分为5种状态。
状态3和4的转变也使线粒体的结构发生变化。
缺乏ADP时线粒体基质充满，称为常态；呼吸加速时，基质压缩50%，内膜和嵴的折叠更加紧密曲折，称为紧缩态。
（二）解偶联和抑制根据化学因素对氧化磷酸化的影响方式，可分为三类：解偶联剂、氧化磷酸化抑制剂和离子载体抑制剂。
1.解偶联剂：使电子传递和ATP形成分离，只抑制后者，不抑制前者。
电子传递失去控制，产生的自由能变成热能，能量得不到储存。
解偶联剂对底物水平磷酸化无影响。
代表如2，4-二硝基苯酚（DNP），可将质子带入膜内，破坏H+跨膜梯度的形成，又称质子载体。
2.氧化磷酸化抑制剂：直接干扰ATP的形成，因偶联而抑制电子传递。
(理学)生物氧化与氧化磷酸化
O RCH C O N H3
+
O P O A O
-
氨甲酰磷酸
氨酰基腺苷酸
（2）焦磷酸化合物
O O P O
-
O O P O
-
O
-
NH2 N O O O P
-
N N N H H OH
O O P OCH2
-
焦磷酸
O P O
-
O
-
O
O
H H OH
ATP（三磷酸腺苷） 7.3千卡/摩尔
方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含 羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而 生成CO2。 类型：α-脱羧和β-脱羧 氧化脱羧和单纯脱羧
例：
R H2N-CH-COOH O
氨基酸脱羧酶
R CH2-NH2 +CO2
CH3-C-COOH
CoASH
丙酮酸脱氢酶系
CH3COSCoA+CO2
NAD+
NADH+H+
物。
（一） 高能化合物的类型 1、磷氧键型（-O-P)
(1)酰基磷酸化合物
O C O CH2 O P O
-
O CH OH O O O
-
O CH3 C O
O
O P
P O
O
-
3-磷酸甘油酸磷酸 11.8千卡/摩尔
乙酰磷酸 10.1千卡/摩尔
(1)酰基磷酸化合物
O R C O
O P O
-
O A
O H3N+ C O
H2O的生成
代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相
应 的 氢 载 体 （ NAD+ 、 NADP+ 、 FAD 、
基础生化第六章生物氧化与氧化磷酸化
自发过程示意图
自由能和化学反应的关系
与反应途径、反应机理无关。任何反应， ΔG与反应途径、反应机理无关。任何反应，当： 反应可自发进行，为放能反应； Δ G＜ 0 反应可自发进行，为放能反应； 反应不能自发进行，为吸能反应； ΔG ＞0 反应不能自发进行，为吸能反应； 体系处于平衡状态，反应可逆。 ΔG ＝0 体系处于平衡状态，反应可逆。
ATP的生成方式 ATP的生成方式 1.氧化磷酸化： 1.氧化磷酸化：代谢物脱下的氢经电子传递链与氧 氧化磷酸化 结合成水的同时逐步释放出能量， ADP磷酸化为 结合成水的同时逐步释放出能量，使ADP磷酸化为 ATP的过程 的过程。 ATP的过程。 2.底物水平磷酸化 2.底物水平磷酸化 3.光合磷酸化：由光驱动的电子传递过程与ADP ADP的磷 3.光合磷酸化：由光驱动的电子传递过程与ADP的磷 光合磷酸化 酸化相偶联， 酸化相偶联，使电子传递过程中释放出的能量用 ATP的生成 的生成。 于ATP的生成。
NADH/NAD: E0’ ＝－ ＝－0.32V， 丙酮酸 乳酸: E0’ ＝－ ＝－0.185V ， 丙酮酸/乳酸 乳酸
G0’＝－ ×96.496×〖－0.185－ (－0.32) 〗 ＝－2× ＝－ × － － ＝ －25.1kJ/mol
4.高能化合物 高能化合物： 高能化合物： 在标准条件下(pH7，25℃，1mol/L)发生水解时，可 在标准条件下(pH7 25℃ mol/L)发生水解时， (pH 发生水解时 释放出大量自由能( 20.92KJ/mol以上）的化合物。 释放出大量自由能(即20.92KJ/mol以上）的化合物。 KJ/mol以上 高能磷酸化合物： 高能磷酸化合物： 分子中含磷酸基团，它被水解下来时释放出大量的 分子中含磷酸基团 ， 自由能( 20.92KJ/mol以上) KJ/mol以上 自由能(即20.92KJ/mol以上)，这类高能化合物叫高能磷 酸化合物。 酸化合物。 高能键： 高能键： 在高能化合物分子中， 在高能化合物分子中 ， 被水解断裂时释放出大量自 由能的活泼共价键叫高能键。 高能键常用符号“ 由能的活泼共价键叫高能键。 高能键常用符号“ 示。
生物氧化与氧化磷酸化
第八章生物氧化与氧化磷酸化第一节生物氧化概述一切生物都靠能量维持生存，生物体所需的能量大都来自体内糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化。
生物体内的氧化和生物体外的燃烧在化学本质上虽然最终产物都是水和CO2，所释放的能量也完全相等，但二者所进行的方式却大不相同。
糖、脂肪、蛋白质在生物体内彻底氧化之前，都先经过分解代谢，在不同的分解代谢过程中都伴有代谢物的脱氢过程和辅酶NAD+或FAD的还原。
这些携带着氢离子和电子的还原型辅酶，在最终将氢离子和电子传递给氧时，都经历一段相同的过程，即生物氧化过程。
一、生物氧化的概念人们把有机分子在体内氧化分解成CO２和H２O并释放出能量的过程称为生物氧化(biological oxidation)。
生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化－还原反应，是在细胞或组织中发生的，所以又称为细胞氧化或细胞呼吸，有时也称为组织呼吸。
二、生物氧化的特点生物氧化是发生在生物体内的氧化－还原反应，它具有自然界物质发生氧化－还原反应的共同特征，这主要表现在被氧化的物质总是失去电子，而被还原的物质总是得到电子，并且物质被氧化时，总伴随能量的释放。
有机物在生物体内完全氧化和在体外燃烧而被彻底氧化，在化学本质上是相同的。
例如1mol的葡萄糖在体内氧化和在体外燃烧都是产生CO２和H２O，放出的总能量都是2 867.5kJ。
这并不奇怪，因为氧化作用释放的能量等于这一物质所含化学能与其氧化产物所含的化学能差，放出的总能量的多少与该物质氧化的途径无关，只要在氧化后所生成的产物相同，放出的总能量必然相同。
但是，由于生物氧化是在活细胞内进行的，故它与有机物在体外燃烧有许多不同之处，即生物氧化有它本身的特点：（1）有机物在空气中燃烧时，CO２和H２O的生成是空气中氧直接与碳、氢原子结合的产物。
而有机物在细胞中氧化时，CO２是在代谢过程中经脱羧反应释放出来的，H２O的生成则是通过更复杂的过程完成的。
（2）生物氧化是在一系列酶的催化下、在恒温恒压下进行的反应，而有机分子在体外燃烧时需要高温。
第9章生物氧化讲义与氧化磷酸化
Chemiosmotic model
跨膜pH梯度的测定 解偶联剂的应用
化学渗透的多种现象
The Role of Mitochondria in Apoptosis(细胞凋亡) and Oxidative
Stress（氧化胁迫）
Mitochondrial cytochrome c, released into the cytosol, participates in activation of one of the proteases (caspase 9) involved in apoptosis.
Reactive oxygen species produced in mitochondria are inactivated by a set of protective enzymes, including superoxide Dismutase（SOD） and glutathione peroxidase.
• 反应模式如下：
过氧化氢酶催化 2 H 2 O 2
过氧化物酶催化
或
2 H 2 O + O 2
抗氰呼吸途径
I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为正常呼吸链的四个复合物； FPma 为一种具有 中等氧化还原电位的黄素蛋白； CRO 为抗氰氧化酶
THANKS
3. 质子不能自由通过内膜。泵出的质子不能 返回，从而形成了跨膜的质子浓度梯度，即： ΔpH，外正内负。此电位差包含着电子传递 过程中所释放的能量，象电池两极的离子浓 度差造成电位差而含有电能一样。
4. 质子通过特殊的通道返回内膜的途中， 驱动ATP合酶，合成ATP。由质子浓度 梯度所释放的自由能偶联ADP和Pi形成 ATP，质子的化学势梯度也随之消失。
S2H N+ A (N 或 D D P A + )
第21章 生物氧化——氧化磷酸化
二、生物氧化中CO2的生成 生物氧化中 的生成 （1）直接脱羧作用 • 糖、脂质和蛋白质经过一系列的氧化分解形成含羧基的 中间产物，然后在脱羧酶的催化下，直接从含羧基的中 中间产物，然后在脱羧酶的催化下，直接从含羧基的中 间产物上脱去羧基。例如丙酮酸和草酰乙酸的脱羧。 间产物上脱去羧基。例如丙酮酸和草酰乙酸的脱羧。
CoQ可以接受两个 可以接受两个 氧还型CoQ或叫醌型 电子形成 氧还型 或叫醌型 电子形成QH ，也 2 可接受一个电子， 可接受一个电子， 或由QH2给出一个 或由 电子形成稳定的半 醌中间产物。 醌中间产物。
半醌中间体（Q-·） 半醌中间体（ ）
还原型CoQ（QH2） （ 还原型
3、复合物II——琥珀酸 还原酶 、复合物 琥珀酸-Q还原酶 琥珀酸
第21章 生物氧化 章 生物氧化——氧化磷酸化 氧化磷酸化 一、氧化磷酸化
1、概念:是指在细胞内的有机分子经氧化分解形成， 、概念 是指在细胞内的有机分子经氧化分解形成 是指在细胞内的有机分子经氧化分解形成， 生成CO2，H2O并释放出能量使 并释放出能量使ADP和Pi生成 生成ATP 生成 并释放出能量使 和 生成 的过程。 的过程。 ★因生物氧化在细胞中进行,又称细胞氧化或细胞 生物氧化在细胞中进行 又称细胞氧化或细胞 呼吸。 呼吸。 真核细胞，需氧生物氧化多在线粒体内进行， ★真核细胞，需氧生物氧化多在线粒体内进行， 在原核细胞中，需氧生物氧化在细胞膜上进行。 在原核细胞中，需氧生物氧化在细胞膜上进行。
• 电子由 电子由FADH2转移到 转移到CoQ上释放的自由能不足以合成 上释放的自由能不足以合成ATP，所 上释放的自由能不足以合成 ， 以这步反应无ATP生成，这步反应的意义是：保证了 生成， 以这步反应无 生成 这步反应的意义是：保证了FADH2上 的具有相对较高势能的电子绕过复合物I进入电子传递链 的具有相对较高势能的电子绕过复合物 进入电子传递链
生物氧化与氧化磷酸化—电子传递链
（五）Cytc
接受复合体Ⅲ传递来电子，并传递给复合体Ⅳ 辅基：血红素C 位于膜间隙 可以移动的水溶性电子
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(六）复合体Ⅳ （Cytc氧化酶 ）
将电子从Cyt c传递给分子氧，催化分子氧还原为 H2O, 泵出2个H＋ /2e－ 。
辅基：Cu-Cu中心（CuA ） 血红素a，血红素a3 Fe－Cu中心（ CuB ）
多个异戊二烯
半醌型泛醌
泛醌
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(四）复合体Ⅲ（CoQ-CytC 还原酶）
1. 接受CoQ传递来的电子，并泵出4个H+ /2e－
2. 还原酶的辅基： 血红素b L
血红素bH
Fe－S
血红素c1
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4.复合体Ⅲ的电子传递途径：
QH2
Cytb，Fe-S，Cytc1
复合体Ⅲ的电子传递
Cytc
19
8
(二）复合体Ⅱ（琥珀酸-辅酶Q还原酶）
1.另一条呼吸链的入口 2.将电子和氢从琥珀酸传递给CoQ 3.辅基： FAD
Fe-S簇
heme b
4.电子传递途径： 琥珀酸 FAD，Fe-S簇 CoQ
复合体Ⅱ的H2
FADH2 Fe3+S Fe2+S
FAD
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复合体Ⅳ的传递途径: Cytc CuA Cyt a Cyt a 3 C uB O2
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电 子 传 递 链
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第二节 呼吸链（respiratory chain)
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一、概念： 呼吸链（respiratory chain）：代谢物脱下的氢原子通
过多种酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与 氧结合生成水的传递链，也叫电子传递链 （ electron transfer chain ）。 递氢体：传递氢的酶或辅酶 电子传递体：传递电子的酶或辅基/辅酶
生物氧化与氧化磷酸化
例如，物质 A 转变为物质 B 的反应：
A
B
△G = GB－GA 当△G 为正值时，反应是吸能的，不能自发进行，必须从外界获得能量才能被动进行，
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但其逆反应则是自发的；当△G 是负值时，反应是放能的，能自发进行，自发反应进行的
推动力与自由能的降低成正比。一个物质所含的自由能越少就越稳定。由此可见△G 值的
（oxidation-reduction potentials）相对地表示各种化合物对电子亲和力的大小。
生物体内任何的氧化还原物质连在一起，都可以有氧化-还原电位产生。生物体内许多
重要的生化物质氧化-还原体系的氧化-还原电位已经测出，其数据见表 6-1。
因为氧化还原电位较高的体系，其氧化能力较强；反之，氧化还原电位较低的体系，
可以看出，△G 不但取决于反应物和产物的化学结构，还取决于它们的浓度，因为浓 度决定反应的方向。
化学反应的自由能随环境温度和物质浓度（活度）而改变，在比较自由能变化时，必 须在标准状况下进行测定，即 25℃，溶液中溶质的标准状态为单位摩尔浓度，若为气体， 则为 101.325kPa，所测得的值称为标准自由能变化，用△G 表示。
本章首先介绍生物氧化的基本概念、特点及方式，然后侧重讨论各类有机物（糖、蛋 白质、脂肪等）在细胞内进行生物氧化所经历的一段共同的终端氧化过程中，代谢中间物 脱氢生成的还原型辅酶（NADH 和 FADH2）如何经电子传递链（呼吸链）的电子传递被分 子氧氧化，电子传递过程如何与 ADP 磷酸化生成 ATP 的过程相偶联。
在化学反应中，自由能和化学反应平衡常数 Keq 之间有如下的关系△G =－RTlnKeq。 在生物体内参与反应的物质浓度都很低，往往不是在标准状况，所测得的自由能变化并不 是标准自由能变化，用△G 表示。△G 与标准自由能变化△G 之间有一定的关系，可用公 式表示△G=△G ＋RTlnKeq。
《生物化学》生物氧化与氧化磷酸化
电子体传递给被氧化酶激活的氧而生成H2O 。
乙醇脱氢酶 CH3CH2OH
CH3CHO
NAD+ NADH+H+
NAD+
2e
电子传递链
1\2 O2 O-
2H+
H2O
第一节 生物氧化概述
二、 生物化学反应的自由能变化
1、自由能（free energy）的概念 物理意义：恒温恒压下，体系中能对环境作功的那部分能 量称为自由能，又称Gibbs自由能，用G表示)。
抑[例制1电]2,子4-二传硝递。基苯酚（dinitrophenol, DNP）
NO2 H+Fra bibliotekNO2 O-NO2
外 线内 粒
体
NO2
内 膜
OH
NO2
NO2
NO2
OH H+
NO2 O-
第三节 氧化磷酸化
五、线粒体穿梭系统
胞液中生成的NADH不能自由通过线粒体内膜 转运胞液NADH的机制主要有： ➢磷酸甘油穿梭系统（肌细胞） ➢苹果酸-天冬氨酸穿梭系统（肝细胞）
CH3-C-COOH
CoASH NAD+
NADH+H+
R CH2-NH2 +CO2
CH3COSCoA+CO2
第一节 生物氧化概述
一、生物氧化的概念
（三）生物氧化中CO2和H2O 的产生 H2O的生成
代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、
NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递
第一节 生物氧化概述
三、高能化合物
(一）生物体内的高能化合物
2、磷氮键型 3、硫碳键型
生物氧化与氧化磷酸化—生物氧化概述
生物氧化（biological oxidation ）
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第一节 生物氧化 一 概念 二 生iological oxidation）的 概念
物质在生物体内进行的氧化称为生物氧 化。主要是糖、脂、蛋白质等在体内 分解时逐步释放能量，最终生成二氧 化碳和水的过程。
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二、生物氧化特点
（一）与体外氧化的共同点：
耗氧;生成CO2和水;释放的总能相等 （二）不同点
1.条件
体外：高温、干燥
体内：酶催化、 温和
2.能量形式、放能方式：
体外：热能,骤然释放
体内：热能+ATP（40％），逐步释放
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3. CO2和水的生成方式 体外：碳、氢直接与氧结合生成。 生物氧化： CO2：脱羧 水：底物脱氢 氧化呼吸链 与氧结合
2
（二）偶联反应
偶联反应：一个热力学上不能自发进行的反应可以通 过与另一个能够自发进行的反应结合的方式来驱动反 应的进行，这两个结合在一起同时进行的反应称为偶 联反应。 G+Pi→G-6-P+H2O Δ G°ˊ=3.3 kCal/mol ATP+H2O→ADP+ Pi Δ G°ˊ=-7.3 kCal/mol
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* 生物氧化的一般过程
糖原
葡萄糖
胞液 2H
线粒体 丙酮酸
脂肪
蛋白质
甘油、脂肪酸 氨基酸
乙酰CoA CoASH
第一 阶段
第二 阶段
O2 ATP ADP + Pi 2H
氧化磷酸化
H2O
三羧酸循环
第三 阶段
C O2
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4
5
（四）ATP生成的方式
1．氧化磷酸化（主要方式）：高势能电子从 NADH+H+或FADH2沿呼吸链传递给氧的过程中, 所释放的能量转移给ADP形成ATP,即ATP的形成 与电子传递相偶联。
生物氧化与氧化磷酸化
泛指在生物体内发生的任何氧化还原反 应，也包括营养物和生物分子在生物体（细 胞）内进行的氧化还原作用。
营养物和生物分子经历氧化还原反应被 彻底分解，产生H2O、CO2，并伴有ATP的生 成，或转化为其它分子, 此过程需耗氧、排出 CO2。
与体外燃烧不同的是: 生物体内的生物氧化过程是在37℃； 近于中性的含水环境中； 由酶催化进行的； 反应逐步释放出能量，相当一部分能量以高
能磷酸酯键的形式储存起来。
生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一 系列氧化还原反应，
所以又称为细胞氧化或细胞呼吸。
生物氧化过程：
• 代谢物分子脱氢，并解离成氢离子和电子； 还原当量（reducing equivalent ）一般是指 以氢原子或氢离子形式存在的一个电子或一 个电子当量。
• 电子经过中间载体传给氧分子，激活氧；
• 真核细胞ATP的生成主要发生在线粒体中。
• 营养物经氧化脱氢、电子传递、质子泵流 和ATP合成等过程结合偶联成一个整体, 高效完成线粒体的呼吸作用。
一、呼吸链
在线粒体内膜中，由一系列具有氢和/或电 子传递功能的酶复合体按一定顺序排列， 组成的氧化还原体系称为呼吸链 （respiratory chain）因为传递氢相当于传 递质子和电子（2H+ + 2e-），所以呼吸链 又称电子传递链(electron transport chain)。
1）复合体Ⅰ又称NADH-泛醌氧化还原 酶。
是呼吸链的主要入口，含亚基最多，分 别由核基因和线粒体基因编码，辅基 为FMN和多个铁硫中心。
2）复合体Ⅰ电子传递： NADH→FMN→Fe-S→ CoQ
3）每传递2个电子可将4个H+从内膜基 质侧泵到胞浆侧，复合体Ⅰ有质子泵 功能
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第五章 生物氧化与氧化磷酸化
第一节 生物氧化的特点及高能化合物
生物氧化的实质是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧生成CO 2和H 2O ，与体外有机物的化学氧化（如燃烧）相同，释放总能量都相同。
生物氧化的特点是：作用条件温和，通常在常温、常压、近中性pH 及有水环境下进行；有酶、辅酶、电子传递体参与，在氧化还原过程中逐步放能；放出能量大多转换为ATP 分子中活跃化学能，供生物体利用。
体外燃烧则是在高温、干燥条件下进行的剧烈游离基反应，能量爆发释放，并且释放的能量转为光、热散失于环境中。
（一）氧化还原电势和自由能变化
1．自由能
生物氧化过程中发生的生化反应的能量变化与一般化学反应一样可用热力学上的自由能变化来描述。
自由能（free energy ）是指一个体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量，又称为Gibbs 自由能，用符号G 表示。
物质中的自由能（G ）含量是不易测定的，但化学反应的自由能变化（ΔG ）是可以测定的。
B A −→←
ΔG ＝G B —G A
当ΔG 为负值时，是放能反应，可以产生有用功，反应可自发进行；若ΔG 为正值时，是吸能反应，为非自发反应，必须供给能量反应才可进行，其逆反应是自发的。
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[ln B A RT G G o +∆=∆
如果ΔG ＝0时，表明反应体系处于动态平衡状态。
此时，平衡常数为K eq ，由已知的K eq 可求得ΔG °：
ΔG °＝－RT ln K eq
2． 氧化还原电势
在氧化还原反应中，失去电子的物质称为还原剂，得到电子的物质称为氧化剂。
还原剂失去电子的倾向（或氧化剂得到电子的倾向）的大小，
则称为氧化还原电势。
将任何一对氧化还原物质的氧化还原对连在一起，都有氧化还原电位的产生。
如果将氧化还原物质与标准氢电极组成原电池，即可测出氧化还原电势。
标准氧还原电势用E°表示。
E°值愈大，获得电子的倾向愈大；E°愈小，失去电子的倾向愈大。
3．氧化还原电势与自由能的关系
在一个氧化还原反应中，可从反应物的氧还电势E0＇，计算出这个氧化还原反应的自由能变化（ΔG）。
ΔG°与氧化还原电势的关系如下：
ΔG°= －nFΔE°
n表示转移的电子数，F为法拉第常数（1法拉第＝96485库仑／摩尔）。
ΔE°的单位为伏特，ΔG°的单位为焦耳／摩尔。
当ΔE°为正值时，ΔG°为负值，是放能反应，反应能自发进行。
ΔE°为负值时，ΔG°为正值，是吸能反应，反应不能自发进行。
（二）高能磷酸化合物**
生物体内有许多磷酸化合物，其磷酸基团水解时可释放出20.92kJ／mol以上自由能的化合物称为高能磷酸化合物。
按键型的特点可分为：1．磷氧键型：焦磷酸化合物如腺三磷（ATP）是高能磷酸化合物的典型代表。
ATP磷酸酐键水解时，释放出30.54kJ／mol能量，它有两个高能磷酸键，在能量转换中极为重要；酰基磷酸化合物如1,3二磷酸甘油酸以及烯醇式磷酸化合物如磷酸烯醇式丙酮酸都属此类。
2．磷键型化合物如磷酸肌酸、磷酸精氨酸。
3．酯键型化合物如乙酰辅酶A。
4．甲硫健型化合物如S-腺苷甲硫氨酸。
此外，脊椎动物中的磷酸肌酸和无脊椎动物中的磷酸精氨酸，是ATP 的能量贮存库，作为贮能物质又称为磷酸原。
第二节电子传递呼吸链***
电子传递链是在生物氧化中，底物脱下的氢（H+ + eˉ），经过一系列传递体传递，最后与氧结合生成H2O的电子传递系统，又称呼吸链。
呼吸链上电子传递载体的排列是有一定顺序和方向的，电子传递的方向是从氧还电势较负的化合物流向氧化还原电势较正的化合物，直到氧。
氧是氧化还原电势最高的受体，最后氧被还原成水。
电子传递链在原核细胞存在于质膜上，在真核细胞存在于线粒体的内膜上。
线粒体内膜上的呼吸链有NADH呼吸链和FADH2呼吸链。
一、构成电子传递链的电子传递体成员分五类：
（1）烟酰胺核苷酸（NAD＋）多种底物脱氢酶以NAD＋为辅酶，接受底物上脱下的氢成为还原态的NADH+ ＋H＋，是氢（H＋和eˉ）传递体。
（2）黄素蛋白黄素蛋白以FAD和FMN为辅基，接受NADH+ ＋H＋或底物（如琥珀酸）上的质子和电子，形成FADH2或FMNH2，传递质子和电子。
（3）铁硫蛋白或铁硫中心也称非血红素蛋白，是单电子传递体，氧化态为Fe3＋，还原态为Fe2＋。
（4）辅酶Q又称泛醌，是脂溶性化合物。
它不仅能接受脱氢酶的氢，还能接受琥珀酸脱氢酶等的氢（H＋＋eˉ）。
是处于电子传递链中心地位的载氢体。
（5）细胞色素类是含铁的单电子传递载体。
铁原子处于卟啉的中心，构成血红素。
它是细胞色素类的辅基。
细胞色素类是呼吸链中将电子从辅酶Q传递到氧的专一酶类。
线粒体的电子至少含有5种不同的细胞色素（即b、c、c1、a、a3）。
通过实验证明，它们在电子传递链上电于传递的顺序是b→c1→c→aa3，细胞色素aa3以复合物形式存在，称为细胞色素氧化酶。
是电子传递链中最末端的载体，所以又称末端氧化酶。
二、电子传递抑制剂**
能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。
常用的抑制剂有：
（1）鱼藤酮：阻断电子由NADH向CoQ的传递。
它是一种极毒的植物物质，常用作杀虫剂。
（2）抗霉素A：能阻断电子从Cytb到Cytc1的传递。
（3）氰化物、硫化氢、叠氮化物、CO能阻断电子由Cytaa3到氧的传递。
由于这三个部位的电子流被阻断，因此，也抑制了磷酸化的进行，即不能形成ATP。
第三节氧化磷酸化作用***
氧化磷酸化作用是需氧细胞生命活动的基础，是主要的能量来源。
真核细胞是在线粒体内膜上进行。
一、氧化磷酸化作用
高势能电子从NADH或FADH2沿呼吸链传递给氧的过程中，所释放的能量转移给ADP形成ATP，即ATP的形成与电子传递相偶联，称为氧化磷酸化作用，其特点是需要氧分子参与。
氧化磷酸化作用与底物水平磷酸化作用是有区别的：底物水平磷酸化作用是指代谢底物由于脱氢或脱水，造成其分子内部能量重新分布，产生的高能键所携带的能量转移给ADP生成ATP，即ATP的形成直接与一个代谢中间高能磷酸化合物（如磷酸烯醇式丙酮酸、1,3-二磷酸甘油酸等）上的磷酸基团的转移相偶联，其特点是不需要分子氧参加。
二、P／O比和磷酸化部位
磷氧比（P／O）是指一对电子通过呼吸链传递到氧所产生ATP的分子数。
三、氧化磷酸化的解偶联作用*
（1）氧化磷酸化的解偶联作用在完整线粒体内，电子传递与磷酸化是紧密偶联的，当使用某些试剂而导致的电子传递与ATP形成这两个过程分开，只进行电子传递而不能形成ATP的作用，称为解偶联作用。
（2）氧化磷酸化的解偶联剂能引起解偶联作用的试剂称为解偶联剂，解偶联作用的实质是解偶联剂消除电子传递中所产生的跨膜质子浓度或电位梯度，只有电子传递而不产生ATP。
（3）解偶联剂种类典型的解偶联剂是化学物质2,4-二硝基苯酚（DNP），DNP具弱酸性，在不同pH环境可结合H+ 或释放H+；并且DNP 具脂溶性，能透过磷脂双分子层，使线粒体内膜外侧的H+ 转移到内侧，从而消除H+ 梯度。
此外，离子载体如由链霉素产生的抗菌素——缬氨霉素，具脂溶性，能与K+ 离子配位结合，使线粒体膜外的K+ 转运到膜内而消除跨膜电位梯度。
解偶联剂与电子传递抑制剂是不同的，解偶联剂只消除内膜两侧质子或电位梯度，不抑制呼吸链的电子传递，甚至加速电子传递，促进呼吸底物和分子氧的消耗，但不形成ATP，只产生热量。
第四节氧化磷酸化的作用机理
与电子传递相偶联的氧化磷酸化作用机理虽研究多年，但仍不清楚。
曾有三种假说试图解释其机理。
（1）化学偶联假说
（2）构象偶联假说
（3）化学渗透假说* 该假说由英国生物化学家Peter Mitchell提出的。
他认为电子传递的结果将H+ 从线粒体内膜上的内侧“泵”到内膜的外侧，于是在内膜内外两侧产生了H+ 的浓度梯度。
即内膜的外侧与内膜的内侧之间含有一种势能，该势能是H+ 返回内膜内侧的一种动力。
H+ 通过F0F1-ATP酶分子上的特殊通道又流回内膜的内侧。
当H+ 返回内膜内侧时，释放出自由能的反应和ATP的合成反应相偶联。
该假说目前得到较多人的支持。
实验证明氧化磷酸化作用的进行需要完全的线粒体内膜存在。
F0和F1是一种酶的复合体。
第四节线粒体的穿梭系统**
真核生物在细胞质中进行糖酵解时所生成的NADH是不能直接透过线粒体内膜被氧化的，但是NADH＋H+上的质子可以通过一个穿梭的间接途径而进入电子传递链。
一、3-磷酸甘油的穿梭
二、草酰乙酸-苹果酸穿梭。