生物氧化.docx

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生物氧化

第四章生物氧化

生物氧化和能量——两个来源：

光能-光合作用-化学能（植物和某些藻类）

化学能-生物氧化-ATP（异养生物或非光合组织

第一节生物氧化概述

一、生物氧化的概念二、生物氧化的特点

三、自由能与氧化还原电位四、高能化合物

一、生物氧化

糖、脂、蛋白质等有机物在细胞内氧化分解，最终生成CO2和水并释放能量的过程。

又称细胞氧化或细胞呼吸。

1、CO2的生成

2、水的生成

在脱氢酶、传递体、氧化酶组成的体系催化下生成

3、能量的生成

当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP

主要是通过呼吸链

氧化磷酸化底物水平磷酸化

4.生物氧化的一般过程

二、生物氧化的特点

1.酶的催化2.能量的释放和储存

——分步进行、能量逐步释放、体温稳定、能量有效利用。

——一般都贮存于一些特殊的化合物中，主要是ATP.

3.氢的传递——脱下的H+和e-，常由各载体传递到氧并生成水。

4.许多生物氧化反应通过加水脱氢作用参于反应。

5.必然伴随生物还原反应发生。

6.与体外的燃烧本质相同，但过程不同。

——生物氧化和体外氧化

实质相同：

都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成CO2和H2O，所释放的能量也相同。

方式和历程却不同：

生物氧化体外燃烧

1、细胞内温和条件高温或高压、干燥条（常温、常压、中性pH、水溶液）

2、一系列酶促反应无机催化剂

逐步氧化放能，能量利用率高能量爆发释放

3、释放的能量转化成ATP被利用转换为光和热，散失

三、自由能与氧化还原电位

一）自由能（G）

指在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。

用符号G表示。

自由能变化（ΔG）

AB

ΔG=GB-GA

（二）生化标准自由能变化（ΔG0）

指在标准条件下，即温度为25℃，参加反应的物质浓度为1mol/L,若有气体，则为1个大气压，pH为7时，测定的自由能变化。

单位为J/mol、kJ/mol。

ΔG0’=－RTlnK’eq

（三）氧化还原电位和自由能变化1.电子转移势能可用E０（即氧化还原电位）表示。

2.氧化态（X）和还原态（X-），这X和X-称为氧还对。

3.E:

标准状态（即lmol的氧化剂，lmol的还原剂，lmol的H+和101.325kPa的H２）;

E０pH7.0

4.——氧化还原电位

a）丙酮酸+NADH+H+──→乳酸+NAD+

（b）丙酮酸+2H++2e-──→乳酸E０＝－0.19V

（c）NAD++2H++2e-──→NADH+H+E０＝－0.32V

由（b）减（c）即可得反应（a）的E０′＝－0.19－（－0.32）＝+0.13V

5.ΔG0’与氧化还原电位E０的关系ΔG0＝－nFE０

四、高能化合物

糖、脂肪、蛋白质CO2+H2O+能量

1、高能化合物的概念在标准条件下（pH7,25℃,1mol/L）发生水解时，可释放出大量自由能的化合物，称为高能化合物。

习惯上把“大量”定为5kcal/mol（即20.92KJ/mol）以上。

在高能化合物分子中，释放出大量自由能时水解断裂的活泼共价键称为高能键。

用表示

但须注意：

释放的能量并非集中在这个键上，而是与分子结构和水解反应有关，生化上的“高能键”，涵义不同于普通化学上的“键能”，不能把“高能键”理解为“能键高”

2、高能化合物的类型按其分子结构特点及所含高能键的特征分：

磷氧键型磷氮键型硫酯键型甲硫键型

3.最重要的高能化合物ATP

（1）ATP是生物体通用的能量货币

vATP是能量的携带者和转运者，但并不是能量的贮存者。

起贮存能量作用的物质称为磷酸原，在脊椎动物中是磷酸肌酸

（2）ATP的特殊作用

ATP在一切生物生命活动中都起着重要作用，在细胞的细胞核、细胞质和线粒体中都有ATP存在。

ATP在磷酸化合物中所处的位置具有重要的意义，它在细胞的酶促磷酸基团转移中是一个“共同中间体”

ATP是磷酸基团转移反应的中间载体

磷酸基团常从磷酸基团转移势能高的物质向势能低的物质转移。

磷酸基团转移势能在数值上等于其水解反应的ΔG0’。

GTP、CTP、UTP等之间的转化

第二节电子传递链

一、电子传递链的概念二、电子传递链的组成

三、电子传递链的电子传递顺序四、呼吸链的电子传递抑制剂

一、电子传递链的概念

1.概念：

在生物氧化过程中，代谢物上脱下的氢经过一系列的按一定顺序排列的氢和电子传递体传递，最后传递给分子氧并生成水，这种氢和电子的传递体系称为电子传递链。

又称呼吸链。

典型的呼吸链：

NADH呼吸链FAD呼吸链

2、电子传递链分布

原核细胞存在于质膜上

真核细胞存在于线粒体的内膜上

二、电子传递链的组成

1）电子传递中有四个复合体

NADH-Q还原酶（复合体I）

琥珀酸-Q还原酶（复合体Ⅱ）

细胞色素还原酶（复合体III）

细胞色素氧化酶（复合体Ⅳ）

2）四个复合体构成两条电子传递链

（3）呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置

（4）四个复合体的组成

——复合体Ⅰ：

NADH-Q还原酶

1.NADH

是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。

NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。

氧化还原反应发生时，变化发生在五价氮和三价氮之间

2.FMN辅酶

FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN。

3.铁硫蛋白类（Fe-S）

铁硫蛋白中辅基铁硫簇（Fe-S）含有等量铁原子和硫原子，基中铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子

表示无机硫原子

4.辅酶Q（CoQ）

辅酶Q（CoQ）又称泛醌，有时简称Q。

是脂溶性辅酶。

在线粒体内膜中是一种均一的流动库，可以结合到膜上，也可以游离状态存在。

CoQ和FMN都是NADH-Q还原酶的辅酶。

CoQ和FMN一样，都能够接受或给出一个或两个电子，因为它们都有稳定的半醌形式。

5.复合体Ⅰ的功能

——复合体Ⅱ：

琥珀酸-Q还原酶

琥珀酸脱氢酶，它是嵌在线粒体内膜的酶蛋白。

也是此复合体的一部分，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。

琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅基FAD还原为FADH2，然后FADH2又将电子传递给Fe-S聚簇。

最后电子由Fe-S聚簇传递给琥珀酸-Q还原酶的辅酶CoQ。

这一步不能形成的ATP.

功能：

将电子从琥珀酸传递给泛醌

——复合体Ⅲ：

细胞色素还原酶

功能:

细胞色素还原酶血红素辅基的铁原子，在电子传递中发生可逆的Fe3+Fe2+的互变起传递电子的作用。

一个细胞色素每次传递一个电子。

将电子从泛醌传递给细胞色素C

细胞色素c是唯一能溶于水的细胞色素。

总的说来，两个QH2电子参与电子传递，使两个细胞色素C还原，经过全过程又产生了一个Q分子。

因此从化学反应计算是一个QH2分子的两个电子分别传递给2分子细胞色素C。

通过上述方式使电子由携带两个电子的载体—QH2转移给携带一个电子的载体—细胞色素C。

这有利于电子的有效利用。

——复合体Ⅳ：

细胞色素氧化酶

由cyt.a和a3组成。

复合物中除了含有铁卟啉外，还含有2个铜原子（CuA，CuB）。

Cyta与CuA相配合，cyta3与CuB相配合，当电子传递时，细胞色素的Fe3+Fe2+间循环，同时Cu2+Cu+间循环，将电子从cytc直接传递给O2。

也叫末端氧化酶。

三、电子传递链的电子传递顺序

——两条呼吸链

吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，在线粒体内膜上主要有两条呼吸链

四、呼吸链的电子传递抑制剂

1、概念能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。

利用专一性电子传递抑制剂选择性的阻断呼吸链中某个传递步骤，再测定链中各组分的氧化-还原状态情况，是研究电子传递中电子传递体顺序的一种重要方法。

2、常用的几种电子传递抑制剂及其作用部位

（1）鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：

（2）抗霉素A：

（3）氰化物（CN-）、叠氮化物（N3-）、一氧化碳（CO）等：

——呼吸链中传递体的E0’和顺序

第三节氧化磷酸化

一、氧化磷酸化的概念二、氧化磷酸化的作用机制

三、氧化磷酸化的解偶联四、线粒体穿梭系统

五、能荷

一、氧化磷酸化的概念

1.概念伴随电子从底物到氧的传递，ADP被磷酸化形成ATP的酶促过程即是氧化磷酸化作用。

根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为

底物水平磷酸化

2.底物水平磷酸化：

电子传递体系磷酸化

ATP的形成直接由一个代谢中间产物（如磷酸烯醇式丙酮酸）上的磷酸基团转移到ADP分子上的作用。

3.电子传递体系磷酸化：

是指当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系（呼吸链）传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP的全过程。

通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。

二、氧化磷酸化的作用机制

（1）ATP产生的数量

研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体或其制剂的P/O比值和电化学实验。

P/O比值:

是指每消耗一摩尔氧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。

又可以看作是当一对电子通过呼吸链传至O2所产生的ATP分子数。

实验表明：

NADH呼吸链的P/O值是3（2.5），即每消耗一摩尔氧原子就可形成3摩尔ATP，FADH2呼吸链的P/O值是2，即消耗一摩尔氧原子可形成2（1.5）摩尔ATP。

（2）ATP产生的部位

ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，NADH呼吸链生成ATP的三个部位是：

E0'值在此三个部位有大的“跳动”，都在0.2伏以上。

（3）能量偶联假说

氧化与磷酸化作用如何偶联尚不够清楚，目前主要有三个学说：

化学耦联学说

构象偶联学说

认为电子传递过程产生一种活泼的高能共价中间物。

它随后的裂解驱动氧化磷酸化作用。

②.构象偶联假说（1964）

认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能形式。

这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。

③.化学渗透学说（1961）

Ⅰ内容和要点

认为电子传递释放出的自由能和ATP合成是与一种跨线粒体的质子梯度相偶联的。

呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP与Pi合成ATP。

1.递H体与递e体交替排列

2.递H体有H泵作用，将2H+泵出内膜，2e传给递电子体，整个过程共泵出3对H+

3.线粒体膜对H+不通透，造成H+跨膜梯度

4.H+通过ATP酶回流，生成ATP

Ⅲ质子梯度的形成

电子传递使复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ推动H+跨过线粒体内膜到线粒体的间隙。

H+跨膜流动的结果产生的电化学梯度即电动势称为质子动势或质子动力势。

其中蕴藏着自由能即是ATP合成的动力。

ⅣATP合成机制

——ATP合酶

ATP的合成是由一个酶的复合体系完成的。

这个复合体系称为ATP合酶由两个主要的单元构成。

起质子通道作用的单元称为Fo单元和催化ATP合成的单元称为F1单元。

因此，ATP合酶又称为FoF1—ATP酶

——ATP合酶的结构

ATP合酶，即复合体Ⅴ。

主要由Fo（疏水部分）和F1（亲水部分）组成。

Fo与F1之间，其中心部位由γε亚基相连，外侧由b2和δ亚基相连，F1中的α3β3亚基间隔排列形成六聚体，部分γ亚基插入六聚体中央。

Fo嵌在内膜中。

a1b2c9-12亚基组成。

c亚基形成环状结构，a亚基位于环外侧，与c亚基之间形成质子通道。

F1：

α3β3γδε亚基组成，催化部位在β亚基中，但β亚基必须与α亚基结合才有活性。

——ATP合酶的工作机制

3个β亚基与γ亚基的不同部位相互作用，每个β形成不同构象。

H+顺浓度递度经Fo中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。

紧密结合型（T）的β亚基变成开放型（O），释放ATP；ADP和Pi与疏松型（L）的β亚基相结合；与紧密型β亚基结合的ADP和Pi生成ATP.

ATP在紧密结合型β亚基中生成，在开放型中被释放。

化学计算估计每生成1分子ATP需3个H+从线粒体内膜外侧回流进入基质中。

三、氧化磷酸化的解偶联

不同的化学因素对氧化磷酸化过程的影响不同，根据它们不同的影响方式可分为三大类：

1.解偶联剂：

使电子传递与ADP磷酸化两个过程分开；

它只抑制ATP的形成，不抑制电子传递过程；

使电子传递产生的自由能都变成热能。

只抑制氧化磷酸化的ATP形成，对底物水平的磷酸化没有影响。

2.氧化磷酸化抑制剂

抑制氧的利用和ATP形成，不直接抑制电子传递。

氧化磷酸化抑制剂的作用是直接干扰ATP的生成过程，结果也使电子传递不能进行。

例：

寡霉素：

与Fo的一个亚基结合而抑制抑制F1；DNP（解偶联剂）可解除它对氧的抑制作用

3.离子载体抑制剂

生物膜上的脂溶性物质，与某些离子结合，并作为它们的载体，使这些离子能够穿过膜，破坏跨膜电化学梯度，从而破坏氧化磷酸化过程。

与解偶联剂区别：

H+离子以外的其它一价阳离子的载体，改变除H+以外的一价阳离子透性。

如缬氨霉素K+；短感菌肽Na+K+

四、线粒体穿梭系统

线粒体：

外膜通透性高，内膜有选择性。

NADH脱氢酶位于线粒体内膜的内侧。

胞浆中的NADH不能直接穿过线粒体内膜；

间接途径——穿梭系统。

3-磷酸甘油穿梭系统

苹果酸-天冬氨酸穿梭系统

1.3-磷酸甘油穿梭系统

存在于肌肉、神经组织的细胞中

2.苹果酸-天冬氨酸穿梭系统

存在肝脏、心肌等组织细胞中

五、能荷

生物细胞通过氧化磷酸化和底物水平磷酸化生成ATP，在需要能量的生化反应或生命活动中又分解ATP,使ATP转化为ADP和Pi，或转化为AMP和Pi。

这样在细胞内存在着三种腺苷酸：

ATP、ADP和AMP，称为腺苷酸库。

能荷:

是细胞中高能磷酸状态一种数量上的衡量，也就是指细胞内ATP-ADP-AMP系统中充满高能磷酸基团的程度。

关于能荷的几点说明

1.能荷是细胞所处能量状态的一个指标:

=0；=1。

2.大多数细胞的能荷处于0.8-0.95之间。

相对稳。

3.能荷调节：

ATP、ADP、AMP对酶的变构调节。

4.高能荷抑制ATP的生成，促进ATP的应用，即促进机体内的合成代谢。

第四节其他氧化酶系

其他氧化酶系统是指除细胞色素系统之外的氧化体系，又称非线粒体氧化体系，与ATP生成无关。

1.抗氰氧化酶系统2.多酚氧化酶系统3.抗坏血酸氧化酶系统

4.超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶系统

一.抗氰氧化酶系统

1.抗氰呼吸

有些植物存在抗氰氧化酶，当氰化物阻断正常呼吸链时，电子可以从Cytb直接传给抗氰氧化酶再交给氧

2.反应

3.意义

抗氰呼吸是放热反应，有利于低温地区植物开花和种子早期萌发。

二、多酚氧化酶系统

2.生物学意义：

此酶与植物组织受伤反应有关，植物组织受伤后多酚氧化酶活力增高，呼吸作用增强；植物受病菌侵害时，多酚氧化酶活力也增高，有利于把酚类化合物氧化为醌，醌对病菌有毒害而起抗病作用。

三、抗坏血酸氧化酶系统

1.反应：

抗坏血酸+O2脱氢抗坏血酸+H2O

2.与其他氧化酶系统偶联

3.生物学意义：

可能与植物的抗病有关

四、超氧化物歧化酶（SOD