生物氧化和氧化磷酸化

NADH
FMN Fe-S
复合物 I
NADH-Q 还原酶
琥珀酸等
FADH2
Fe-S
CoQ Cyt b Fe-S
复合物 II
琥珀酸-Q还原酶
复合物 III
细胞色素还原酶
总 结
Cyt c1
Cyt c
复合物 IV
Cyt aa3 O2
细胞色素氧化酶
２.呼吸链成分的排列顺序
由以下实验确定
① 标准氧化还原电位 ② 拆开和重组 ③ 特异抑制剂阻断 ④ 还原状态呼吸链缓慢给氧
功能：单电子传递体
Fe
3+
+e -e Fe
2+
CoQ
2Fe
2+
2Fe
3+
2Fe
2+
2Fe
3+
Cytb CoQH 2 2Fe
3+
Fe-S 2Fe
2+
Cytc1 2Fe
3+
Cytc 2Fe
2+
CoQ-Cytc还原酶
复合体Ⅳ：细胞色素氧化酶
功能：将电子从Cytc最终传递到O2
组成：Cyta、Cyta3、Cu
例： CH3CH2OH
乙醇脱氢酶
CH3CHO
NAD+
NADH+H+
NAD+
2e
电子传递链
1\2 O2 O=
2H+
H2 O
四、生物氧化的三个阶段
24
脂肪
多糖
蛋白质
大分子降解成基 本结构单位
脂肪酸、甘油
葡萄糖、 其它单糖
氨基酸
小分子化合物分 解成共同的中间 产物（如丙酮酸 、乙酰CoA等）
共同中间物进 入三羧酸循环, 氧化脱下的氢由 电子传递链传递 生成H2O，释放 出大量能量，其 中一部分通过磷 酸化储存在ATP 中。
这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用!
12
③
硫酯键型
NH2 N N N OCH2
-
O R C SCoA
O O S O
-
O O P O
N H H OH
O
H H OH
酰基辅酶A
3’-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸
13
④
甲硫键型
COO CH2 CH2 H3C S
+ +
CH NH3
A
S-腺苷甲硫氨酸
14
乙酰CoA
+Pi
磷酸化
H2O 电子传递 （氧化）
e-
三羧酸 循环
第三节 线粒体电子传递体系
一、线粒体结构特点 二、电子传递链的概念 三、呼吸链的组成和顺序 四、 胞浆中NADH的氧化 五、电子传递抑制剂
26
一、线粒体结构特点
27
二、电子传递链的概念
（1）代谢脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所
-
O CH3 C O
乙酰磷酸
O
P O
O CH OH O O O-
P O
O
10.1千卡/摩尔
-
1，3-二磷酸甘油酸 11.8千卡/摩尔
b)
焦磷酸化合物
N O O O- P
-
NH2 N N OCH2 O H H OH OH H H N
O O- P O
-
O P O
-
O
-
ATP（三磷酸腺苷） 7.3千卡/摩尔
解：达平衡时
=Keq=19
Δ G°′= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6 KJ / mol 未达平衡时 =Qc=0.1
Δ G′=Δ G°′+ RTlnQc (Qc-浓度商) =-7.6+ 2.3038.314 311 log0.1 =-13.6 KJ / mol
第六章 生物氧化
Biological Oxidation
第一节 生物能学简介
第二节 生物氧化概述 第三节 线粒体电子传递体系 第四节 氧化磷酸化作用
1
第一节 生物能学简介
生物能学就是应用物理化学、生物物理 学和量子物理学的原理和方法，来研究生物 系统中能量的流动和传递规律的科学。
一、生物能的转换及生物系统中的能流 二、自由能的概念及化学反应中自由能的计算 三、高能化合物
一、生物氧化的概念 物质在体内的氧化分解过程，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。
糖
脂肪
O2
CO2和H2O
ADP+Pi
蛋白质
能量
ATP
热能
二、生物氧化特点
1. 在活的细胞中（pH接近中性、体温条件下），
有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与 下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。 2. 氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些 高能化合物（如ATP）截获，再供给机体所需。在
7
三、高能化合物
生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释 放出大量自由能（>21千焦/摩尔或5千卡/摩尔）的 化合物称为高能化合物。 1、高能化合物的类型 2、ATP的特点及其特殊作用
8
1、高能化合物的类型 根据高能化合物键的特性可以分成以下几种类型：
① 磷氧键型
a) 酰基磷酸化合物
O C O CH2 O P O
2
生 物 能 的 转 换 及 生 物 系 统 中 的 能 流
二、自由能的概念及化学反应中自由能 的计算
１.自由能（free energy）的概念
自由能(G)：指一个反应体系中能够做有用功的 那部分能量。 自由能的变化能预示某一过程能否自发进行， 即： Δ G<0，反应能自发进行 Δ G>0，反应不能自发进行 Δ G=0，反应处于平衡状态。
15
ATP的特殊作用
1. ATP是细胞内的“能量通货” 2. ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体
14 磷酸烯醇式丙酮酸
磷 酸 基 团 转 移 能
12 10
8 酸甘油酸
6 4
～P 1，3-二磷 ～P
～P
磷酸肌酸 （磷酸基团储备物）
ATP
～P ～P
6-磷酸葡萄糖 3-磷酸甘油
2
0
第二节 生物氧化概述
体外氧化
反应是在强酸、强碱、 高温、高压条件下进行 的。 能量是突然释放的。
产生的CO2 、H2O由物 质中的碳和氢直接与氧 结合生成。
20
三、生物氧化过程中CO2的生成和H2O的生成
21
CO2的生成
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
此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害
机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。
18
生物氧化与体外氧化之相同点：
☆生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、 失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。 ☆都服从热力学规律。 ☆物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产 物（CO2，H2O）和释放能量均相同。
32
NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变
氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。
33
FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是 异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是 FMN• 。
功能：氢原子传递体
34
铁硫蛋白
C S C S Fe S S Fe S Fe S C Fe S
功能：电子传递体
例题：计算下列反应式Δ G°′ NADH + H+ + ½ O2====NAD+ + H2O
正极反应：1/2 O2 + 2H+ + 2e 负极反应：NAD+ + H+ + 2e
E+°′ 0.82
H 2O
NADH E-°′ -0.3
Δ G°′-nFΔ E°′ -2×96485×[0.82-(-0.32)] -220 KJ· -1 mol
催化的氧化还原反应逐步从高能向低能传递，最终 与氧结合生成水，其中释放的能量被用于合成ATP； （2）在真核生物细胞内，酶和辅酶按一定顺序排列在位 于线粒体内膜上；原核生物中，位于细胞膜上。 传递氢的酶和辅酶——递氢体 传递电子的酶和辅酶——递电子体 （3）此过程与细胞呼吸有关，此传递链称为呼吸链。 递氢体、递电子体都起传递电子的作用，又称电子 传递体。
（根据电子传递体氧化还原态时的吸收光谱变化进行检测）
45
呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位 氧化还原对 NAD+/NADH+H+ FMN/ FMNH2 FAD/ FADH2 Cyt b Fe3+/Fe2+ Q10/Q10H2 Cyt c1 Fe3+/ Fe2+ Cyt c Fe3+/Fe2+ Cyt a Fe3+ / Fe2+ Cyt a3 Fe3+ / Fe2+ 1/2 O2/ H2O
Fe
3+
+e -e Fe
2+
铁硫簇(Fe4S4)
泛醌（辅酶Q, CoQ, Q） ：带有聚异戊二烯
侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜 脂中自由泳动。它是电子传递链中唯一的非蛋白 电子载体。
+2H
传递氢机理： CoQ
功能：氢原子传递体 －2H
CoQH2
36
NADH + +H NAD
+
FMN
2Fe
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呼吸链
三、呼吸链的组成和顺序
复合体
复合体Ⅰ 复合体Ⅱ 复合体Ⅲ 复合体Ⅳ
酶名称
NADH-泛醌还原酶 琥珀酸-泛醌还原酶
多肽链数
39 4
辅基
FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，Cu
泛醌-细胞色素C还原酶 10 细胞色素c氧化酶 13
NADH
１. 电 子 传 递 链 中 各 中 间 体 的 顺 序
10
c)
烯醇式磷酸化合物
COOH O C O CH2 P O O
磷酸烯醇式丙酮酸
14.8千卡/摩尔
11
② 氮磷键型
O NH N CH3 CH2COOH
磷酸肌酸 10.3千卡/摩尔
O NH N CH3 P O NH2 C NH O CH2CH2CH2CHCOOH
磷酸精氨酸 7.7千卡/摩尔
P O
C NH O
19
生物氧化与体外氧化之不同点：
生物氧化
是在细胞内温和的环境中（体 温，pH接近中性），在一系列 酶促反应逐步进行，能量逐步 释放有利于有利于机体捕获能 量，提高ATP生成的效率。 进行广泛的加水脱氢反应使物 质能间接获得氧，并增加脱氢 的机会；脱下的氢与氧结合产 生H2O，有机酸脱羧产生CO2。
FMN Fe-S
复合物 I
NADH-Q 还原酶
琥珀酸等
FADH2
Fe-S
CoQ
复合物 II
琥珀酸-Q还原酶
Cyt b
Fe-S
复合物 III
细胞色素还原酶
Cyt c1
Cyt c
复合物 IV
Cyt aa3
O2
细胞色素氧化酶
复合体Ⅰ：NADH-CoQ还原酶
功能：将电子从NADH传递给CoQ
辅基：FMN，铁硫蛋白
2.ATP的特点
在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完 全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4- ），具有 较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很 大（Δ G°′= -30.5千焦/摩尔）。
O O O + + + O腺嘌呤—核糖— O — P — O — P — O — P — OOOMg2+
CH2 H3C
CH
CH3 CH N Fe N N CH3 CH2 CH2 COOH CH2
N
NHale Waihona Puke Baidu
H3C CH2 CH2 COOH
Cyta辅 基
Cytb辅 基
蛋白质 Cys S CH H3C CH3 CH3 Cys S N Fe N H3C CH2 CH2 COOH CH2 CH2 COOH Cytc辅 基 N CH3 CH N CH3
2Fe3+ Cytc 2Fe
2+
2Fe
2+
2Cu
2+
2Fe
2+
1 O2 2
Cyta 2Fe
3+
Cyta3 2Cu
+
2Fe
3+
H2O
细胞色素氧化酶
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复合体Ⅱ：琥珀酸- CoQ还原酶
功能：将电子从琥珀酸传递给CoQ 辅基：FAD、Fe-S
琥珀酸
FAD Fe-S
CoQH 2
延胡索酸
FADH2
CoQ
43
例：计算NADH氧化反应的Δ G°′
计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化
例题： 反应G-1-PG-6-P在380C达到平衡时， G-1-P占 5%，G-6-P占95%，求 G0。如果反应未达到平衡 ，设[G-1- P]=0.01mol.L， [G-6-P]=0.001mol.L，求 反应的 G是多少？
2+
CoQ
Fe -S FMNH 2 2Fe
3+
CoQH 2
NADH-CoQ还原酶
复合体Ⅲ： CoQ -细胞色素C还原酶
功能：将电子从CoQ传递给Cytc 组成：Cytb、Fe-S、Cytc1 细胞色素(Cyt)：含铁卟啉辅基的色蛋白， 分a、b、c三类，每类中又分几种亚类。
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细胞色素
CH3 CH2 (CH 2 CH HO H3C CH C CH2)3 H CH3 CH N Fe O HC CH2 CH2 COOH CH2 CH2 COOH N N CH3 CH2
氧化脱羧和单纯脱羧
例：
R
氨基酸脱羧酶
R
H2N-CH-COOH
O CH3-C-COOH
CoASH
CH2-NH2 +CO2
丙酮酸脱氢酶系
CH3COSCoA+CO2
NAD+ NADH+H+
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 一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O 。
4
2. 化学反应自由能的计算
a.利用化学反应平衡常数计算 基本公式：Δ G′=Δ G°′+ RTlnQc Δ G°′= - RTlnKeq
(Qc-浓度商)
例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化
b.利用标准氧化还原电位（E°）计算（限于氧化还原反应） 基本公式：Δ G°′=－nFΔ E°′ (Δ E°′=E+°′-E-°′)