第六章 生物氧化.docx

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第六章生物氧化

第六章生物氧化

【目的与要求】

1、掌握生物氧化的概念和特点；呼吸链的概念、产能部位、各成分的排列顺序；氧化磷酸化概念及电子传递的抑制与解偶联。

2、熟悉氧化磷酸化机制；ATP贮存和利用。

3、了解呼吸链的组成。

【教学内容】

1、生物氧化的概述。

2、呼吸链。

3、氧化磷酸化。

【重点与难点】

1、呼吸链各成分的排列顺序、产能部位，偶联机制。

2、氧化磷酸化概念、电子传递的抑制和解偶联。

【教学方法】

多媒体授课。

【教学时数】

5学时

第一节概述

一、生物氧化的定义

生物细胞将糖、脂、蛋白质等燃料分子氧化分解,最终生成CO2和H2O并释放出能量的作用称为生物氧化。

生物氧化包含了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。

在真核生物细胞生物氧化在线粒体中进行，而原核生物是在细胞质膜上进行的。

CO2的生成：

生物体内CO2的生成来源于有机物转变为含羧基化合物的脱羧作用。

（直接脱羧、氧化脱羧）

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。

二、生物氧化的过程：

三个阶段：

（1）第一阶段：

糖、脂、蛋白分解为其基本组成单位—葡萄糖、脂肪酸和甘油及氨基酸。

（2）第二阶段：

经一系列反应生成活泼的二碳化合物乙酰CoA。

（3）第三阶段：

经三羧酸循环彻底氧化成CO2和H2O并释放出能量

三、生物氧化的特点

有机物在生物体内完全氧化与在体外燃烧而被彻底氧化,在本质上是相同的,最终的产物都是CO2和H2O,同时所释放能量的总值也相等。

生物氧化是在活细胞内进行的,它与体外的直接氧化相比又有许多不同的特点：

1、生物氧化在常温、常压、接近中性的pH和多水环境中进行；是在一系列酶、辅酶和中间传递体的作用下逐步进行的；

2、氧化反应分阶段进行,能量逐步释放,既避免了能量骤然释放对机体的损害,又使得生物体能充分、有效地利用释放的能量；

3、生物氧化过程中释放的化学能通常被偶联的磷酸化反应所利用,贮存于高能磷酸化合物（如ATP）中,当生命活动需要时再释放出来。

四、生物氧化的方式：

生物氧化的本质是电子的得失，失电子者为还原剂，是电子供体，得电子者为氧化剂，是电子受体。

在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。

1、脱氢：

物质分子中脱下一对氢原子，如醇氧化为醛。

2、加氧：

物质分子中直接加入氧分子或氧原子，如醛氧化为酸。

3、失电子：

原子或离子在反应中失去电子，其正价数升高，这也是氧化。

如细胞色素中铁的氧化。

五、氧化还原电位

在氧化还原反应中，自由能的变化与反应供出或得到电子的趋势成比例。

这种趋势用氧化还原电位表示（E）。

  △E'=标准氧化电位－标准还原电位

△E'值越小，电负性越大，还原能力越强；

△G'=－nF△E'

可以根据△E'计算出化学反应的自由能变化。

六、高能化合物

1、定义

高能化合物：

在标准条件下（pH7，25℃，1mol/L）发生水解时，可释放出大量自由能的化合物。

习惯上把“大量”定义为5kcal/mol（即21千焦/摩尔）以上。

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自由能，这类高能化合物。

高能键：

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。

 高能键常用符号“~”表示。

注意：

高能键并不是这个键集中了大量的能量，而是指水解这个键前后的分子结构存在着很大的自由能的改变。

“高能键”≠“键能高”

2.高能化合物的类型

根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为：

3.最重要的高能化合物—ATP

ATP的特殊作用

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（ΔG°′=-30.5千焦/摩尔）。

ATP为生物界的“能量货币”，它是生命活动中最重要的能量供体。

其原因在于：

ATP的DG0'值介于其它高能化合物和普通化合物之间，从而使它在生物体内的能量转换过程中能够起中间载体的作用。

放能反应和吸能反应往往要通过ADP和ATP的相互转变而偶联起来。

ATP的另一功能是作为磷酸基团转移反应的中间载体。

这也是由于它的磷酸基团转移势能在常见的含磷酸基团化合物中处于中间位置。

（1）ATP是生物能存在的主要形式，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

（3）生成核苷三磷酸：

核苷二磷酸激酶的作用

ATP+NDPADP+NTP

腺苷酸激酶的作用

ADP+ADPATP+AMP

肌酸激酶的作用

4.ADP磷酸化的方式

在生物细胞内，形成ATP的方式有两种：

生物氧化（异养细胞）和光合作用（自养细胞）。

1）生物氧化产生ATP

生物体降解燃料分子的主要意义是取得供其发育所需要的能量。

因此，利用生物氧化形成ATP，是生物体内ATP形成的主要方式。

生物氧化的第一阶段也能产生少量的ATP，这是以底物水平磷酸化的方式产生的；

生物氧化的第二阶段是产生ATP的主要阶段，通过氧化磷酸化的方式产生。

底物水平磷酸化：

代谢物通过氧化形成的高能磷酸化合物直接将磷酸基团转移给ADP，使之磷酸化生成ATP。

氧化磷酸化：

NADH或FADH2将电子传递给O2的过程与ADP的磷酸化相偶联，使电子传递过程中释放出的能量用于ATP的生成。

氧化磷酸化的过程需要氧气作为最终的电子受体，它是需氧生物合成ATP的主要途径。

2）光合作用产生ATP

在光合作用的过程中也能形成ATP，这种ADP的磷酸化方式叫光合磷酸化。

光合磷酸化：

由光驱动的电子传递过程与ADP的磷酸化相偶联，使电子传递过程中释放出的能量用于ATP的生成。

4能荷

细胞的能量状态可用能荷（energycharge）表示。

能荷是细胞中高能磷酸状态一种数量上的衡量，它的大小可用下式表示：

能荷的数值在0~1之间。

大多数细胞维持的稳态能荷状态在0.8-0.95的范围内。

意义：

ATP生成和消耗的途径和细胞的能荷状态相呼应。

高能荷时，ATP生成过程被抑制，而ATP的利用过程被激发；

低能荷时，其效应相反。

所以说，能荷对代谢起着重要的调控作用。

能荷由ATP、ADP和AMP的相对数量决定，数值在0~1之间，反映细胞能量水平。

能荷对代谢的调节可通过ATP、ADP和AMP作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节来实现。

第二节呼吸链

呼吸链又叫电子传递体系或电子传递链，它是代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧原子，而生成水的全部体系。

在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上，原核生物中，它位于细胞膜上。

在呼吸链中酶或传递体作用时，实际上是以辅基或辅酶的变化（氧化还原变化）来表达反应机制的

一、呼吸链的组成

1、烟酰胺脱氢酶

（1）特点：

以NAD+或NADP+为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。

（2）传递氢机理：

NAD（P）++2H++2e←→NAD（P）H+H+

2、黄素酶类

（1）特点：

以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白

（2）传递氢机理:

FAD（FMN）+2H←→FAD（FMN）H2

3、铁硫蛋白

（1）特点：

含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和S常以等摩尔量存在（Fe2S2,Fe4S4），构成Fe—S中心，Fe与蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。

（2）传递电子机理：

+e

Fe3+←→Fe2+

-e

4、泛醌

（1）特点：

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。

（2）传递氢机理：

+2H

CoQ←→CoQH2

－2H

5、细胞色素（Cyt）

（1）特点：

以血红素（heme）为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。

（2）类别:

根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c、c1、a和a3），cytb和cytc1、cytc在呼吸链中的中为电子传递体，a和a3以复合物物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。

（3）传递电子机理：

+e

Fe3+（Cu+）←→Fe3+（Cu2+）

-e

6、四种复合体

（1）复合体Ⅰ（NADH-泛醌还原酶）：

由一分子NADH还原酶（FMN），两分子铁硫蛋白（Fe-S）和一分子CoQ组成，其作用是将（NADH+H+）传递给CoQ。

（2）复合体Ⅱ（琥珀酸-泛醌还原酶）：

由一分子琥珀酸脱氢酶（FAD），两分子铁硫蛋白和两分子Cytb560组成，其作用是将FADH2传递给CoQ。

（3）复合体Ⅲ（泛醌-细胞色素c还原酶）：

由两分子Cytb（分别为Cytb562和Cytb566），一分子Cytc1和一分子铁硫蛋白组成，其作用是将电子由泛醌传递给Cytc。

（4）复合体Ⅳ（细胞色素c氧化酶）：

由一分子Cyta和一分子Cyta3组成，含两个铜离子，可直接将电子传递给氧，故Cytaa3又称为细胞色素c氧化酶，其作用是将电子由Cytc传递给氧。

二、呼吸链成分的排列顺序

在线粒体内，主要的呼吸链有两条：

NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链。

通过两条呼吸链NADH和FADH2的彻底氧化（末端电子传递链）

1、呼吸链的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

2、作用：

呼吸链的作用是接受还原性辅酶上的氢原字对（2H++2e），使辅酶分子氧化，并将电子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧负离子（O2-）与质子对（2H+）结合，生成水。

电子对在传递过程中逐步氧化放能，所释放的能量驱动ADP和无机磷发生磷酸化反应，生成ATP。

第三节氧化磷酸化

一、氧化磷酸化：

在线粒体中，底物分子脱下的氢原子经递氢体系传递给氧，在此过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP，这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化。

是代谢物的氧化反应与ATP的磷酸化反应的偶联。

二、底物水平磷酸化：

是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。

其特点是ATP的形成与中间代谢产物进行的磷酸基团转移反应相偶联，反应无需分子氧的参与。

X~P+ADPXH+ATP

三、氧化磷酸化的偶联部位：

偶联部位有3个：

NADH→CoQ，CoQ→Cytc及Cytaa3→O2

四、氧化磷酸化的偶联机理

关于氧化磷酸化的偶联机理目前有三种学说：

化学偶联学说、结构偶联学说与化学渗透学说目前公认的机制是1961年由Mitchell提出的化学渗透学说。

1、化学渗透学说：

（1）递氢体和递电子体交替排列，有序定位于完整的线粒体内膜上。

（2）呼吸链中复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ中的递氢体具有质子泵的作用。

（3）完整的线粒体内膜有选择透性，H+不能自由通过。

在质子泵的作用下产生了跨膜的质子浓度梯度和电位梯度。

又叫质子推动力。

（4）质子推动力可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP。

氧化磷酸化作用的关键因素是质子（H+）梯度和完整的线粒体内膜。

2、ATP合酶

在电镜下，ATP合酶分为三个部分，即头部，柄部和基底部。

但如用生化技术进行分离，则只能得到F0（基底部+部分柄部）和F1（头部+部分柄部）两部分。

ATP合酶的中心存在质子通道，当质子通过这一通道进入线粒体基质时，其能量被头部的ATP合酶催化活性中心利用以合成ATP。

五、P/O比值：

是指每消耗一摩尔氧原子所消耗无机磷酸的摩尔数。

根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间接测出ATP生成量。

由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。

实验表明NADH呼吸链的P/O值是2.5，即每消耗一摩尔氧原子就可形成2.5摩尔ATP，FADH2呼吸链的P/O值是1.5，即消耗一摩尔氧原子可形成1.5摩尔ATP。

故NADH氧化呼吸链有三个生成ATP的偶联部位，而琥珀酸氧化呼吸链只有两个生成ATP的偶联部位。

六、氧化磷酸化的抑制及解偶联

1、呼吸链的抑制剂：

能够抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或毒物称为呼吸链的抑制剂。

能够抑制第一位点的有异戊巴比妥、安密妥、粉蝶霉素A、鱼藤酮等；能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇；能够抑制第三位点的有CO、H2S和CN-、N3-。

其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。

2、解偶联剂：

抑制呼吸链的递氢或递电子过程，但能使氧化产生的能量不能用于ADP的磷酸化的试剂称为解偶联剂。

其机理是增大了线粒体内膜对H+的通透性，使H+的跨膜梯度消除，从而使氧化过程释放的能量不能用于ATP的合成反应。

主要的解偶联剂有2,4-二硝基酚。

使电子传递产生的自由能变为热能。

它只抑制氧化磷酸化，对底物水平磷酸化无影响。

3、氧化磷酸化的抑制剂：

直接干扰ATP的生成，结果即阻断了呼吸链的电子传递又抑制了ATP的形成。

它们并不与电子传递链上的载体作用，而是直接作用于线粒体内膜上的ATP合酶。

如寡霉素。

4、离子载体抑制剂：

指那些能与某种离子结合，并作为这些离子的载体携带离子穿过线粒体内膜的脂双层进入线粒体的化合物。

实质是破坏了膜两侧的电位梯度。

如缬氨霉素、短杆菌肽等。

八、线粒体穿梭系统

线粒体外的NADH通过间接的途径——穿梭机制进入线粒体。

动物细胞内已知有两个穿梭系统：

磷酸甘油穿梭系统，主要存在于肌细胞；苹果酸穿梭系统，主要存在于肝细胞。

磷酸甘油穿梭系统

通过3-磷酸甘油与DHAP之间的转换，胞液中的NADH间接地转变为内膜上的FADH2，经由内膜上的3-磷酸甘油脱氢酶（也是以FAD为辅基的黄素蛋白）进入FADH2呼吸链。

这种方式不通过复合物Ⅰ，P/O为2。

苹果酸穿梭系统

谷草转氨酶，苹果酸脱氢酶，以及一系列的透性酶。

通过苹果酸与草酰乙酸之间的转换，间接地将细胞质中的NADH转变为线粒体内的NADH，从而进入NADH呼吸链。

这种方式要通过复合物Ⅰ，P/O为3。

【思考题】

1.名词解释：

（1）生物氧化

（2）呼吸链 （3）磷氧比（4）底物水平磷酸化（5）氧化磷酸化

（6）解偶联 （7）高能键（8）细胞色素氧化酶（9）穿梭机制

（10）ATP合成酶

2.何谓高能化合物？

举例说明生物体内有哪些高能化合物？

3.氰化物为什么能引起细胞窒息死亡？

其解救机理是什么？

4.以前有人曾经考虑过使用解偶联剂如DNP作为减肥药，但不久即被放弃使用，为什么？

5.在呼吸链中,NAD+、FAD、CoQ及细胞色素类物质是如何行使传递氢原子和电子功能的？

6.琥珀酸脱氢酶能否使用NAD+作为辅基，为什么？