第 十 章生 物 氧 化P283 第一节生物氧化的概念和特点P283 l一、生物氧化的概念：l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的糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化。l人们把有机分子糖、脂、蛋白质等在活细胞内氧化分解，产生COCO2 2、H H2 2O O并释放能量形成ATPATP的过程称生物氧化（细胞氧化、细胞呼吸、组织呼吸）。l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作用。代谢的概念广义定义：生物体与环境之间的物质和能量交换。 狭义定义：细胞内一切化学变化的总称。 新陈代谢的概念及内涵新陈代谢的概念及内涵新陈代谢的概念及内涵新陈代谢的概念及内涵 小分子小分子 大分子大分子合成代谢合成代谢（同化作用）（同化作用） 消耗能量消耗能量 产生能量产生能量分解代谢分解代谢（异化作用）（异化作用） 大分子大分子 小分子小分子物物质质代代谢谢能能量量代代谢谢新新陈陈代代谢谢生物氧化与物质代谢的关系：l二者不完全相同，有交叉。l在物质分解代谢中常常见到脱氢反应，l脱出的氢如何与氧结合成水，以及如何释放能量等等即是生物氧化的问题。l生物氧化是生物新陈代谢的重要基本反应之一，生命活动的能量保障。 二、生物氧化的特点 P283l特点:l1.环境-细胞内、合适的pH、温度、含水环境；l2.形式-酶参加，系列连续反应，逐步氧化逐步放出能量；l3.能量转换-产生的能量先以高能化合物的形式储存（ATP），生命过程中再提供能量；l4.水的作用-提供氧化环境，而体外氧化中，水往往是灭火剂。第二节 生物氧化的方式和酶类l一.生物氧化中CO2生成的方式 P P2 28484l1.直接脱羧基作用l-直接脱羧l-直接脱羧l2.氧化脱羧基作用l-氧化脱羧l-氧化脱羧直接脱羧基作用直接脱羧基作用(direct decarboxylation)氧化脱羧基作用氧化脱羧基作用氧化脱羧基作用氧化脱羧基作用(oxidative (oxidative decarboxylationdecarboxylation) )二、生物氧化中物质氧化的方式l三种方式：l1.失电子：Fe 3+ Fe 2+ + e-l2.脱氢l3.加氧：实际是加水脱氢脱氢脱氢氧化反应脱氢氧化反应l（1 1）直接脱氢）直接脱氢l脱氢是生物氧化的主要方式。脱氢是生物氧化的主要方式。l 琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢乳酸脱氢乳酸脱氢l乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶（2 2）加水脱氢）加水脱氢l酶酶催催化化的的醛醛氧氧化化成成酸酸的的反反应应即即属属于于这这一一类类。（3）耗氧(水的生成机制)l脱氢过程中脱下的氢经过一系列载体的传递，最终和氧结合，形成水。 2H + O2 H2O三、参与生物氧化的酶类l（一）.脱氢酶l1.以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶l（1）需氧黄酶l（2）不需氧黄酶l2.以尼克酰胺核苷酸为辅基的脱氢酶P2851、以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶l需氧脱氢酶能激活代谢物中的氢，将脱出的氢和一对电子传递给脱氢酶的辅酶；l在有氧条件下，还原态辅酶(FMNH2 和FADH2 )能将由氢放出的2个电子传给分子氧使之活化成过氧离子；l无氧条件下,还原态辅酶(FMNH2 和FADH2 )能将由氢放出的2个电子传给亚甲蓝或醌为受氢体而使反应进行。如醛氧化成酸，氨基酸氧化脱氨。2.以尼克酰胺核苷酸为辅基的脱氢酶（二）氧化酶(Oxidase)以氧为直接受电子体的氧化还原酶称为氧化酶氧化酶体系l氧化酶的作用为其分子中的金属离子( (如CuCu2+2+ ) ) 直接从代谢物中脱出氢取得电子，将电子传给分子氧使之活化，活化氧( (O O2-2- ) )与游离在溶液中的H H+ +结合成水。由氧化酶催化的反应不能在无氧情况下进行，因为不能用其它受氢体代替氧。l如：多酚氧化酶和抗坏血酸酶（植物细胞中，后述） 。l（四）传递体：生物氧化过程中起中间传递氢或传递电子作用的物质。（三）加氧酶：催化加氧反应的酶。分为：加双氧酶和加单氧酶(微生物)例如：羟化酶第三节 线粒体氧化体系一、呼吸链的概念l由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶系统所组成的代谢途径一般称为生物氧化还原链（电子传递链），如果受氢体是氧，则称为呼吸链。这里的受氢体是指最终受氢体，中间的只是传递体。l1、电子传递过程：l还原型辅酶或辅基通过电子传递再氧化，这个过程称电子传递过程。l2、电子传递链（呼吸链）：l电子从还原型辅酶或辅基通过一系列电子亲和力递增顺序排列的电子载体传递到分子氧所经历的途径。线粒体呼吸链线粒体呼吸链NADH-Q还原酶还原酶呼吸链中共分为5类传递体和4 4类酶类酶：l辅酶NAD或NADP；l辅酶FMN或FAD；l铁硫蛋白;l辅酶Q(CoQ) ；l细胞色素。二、呼吸链的组成成分NAD-Q还原酶还原酶琥珀酸琥珀酸Q还原酶还原酶Q-细胞色素还原酶细胞色素还原酶细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶呼吸链的组成成分l生物体内有两条典型的电子传递链。l即 NADH NADH 呼吸链和 FADHFADH2 2 呼吸链。 l1. NADHNADH呼吸链l以NAD或NADP为辅酶的脱氢酶l是由NADNAD-脱氢酶或NADPNADP-脱氢酶、黄酶、辅酶Q ，细胞色素体系和一些铁硫蛋白组成的氧化还原体系。（1）NAD+和和NADP+的分子的分子结构构（2）尼克酰胺的作用原理）尼克酰胺的作用原理+ + H H+ + e e+ + H H+ + + H H+ +2H2HH HH He eH H+ +H H NAD(P)+ NAD(P)H+H+2H+2H-2H-2H2.FADH2.FADH2 2呼吸链以以FMN或或FAD为辅酶的脱氢酶（黄素酶）为辅酶的脱氢酶（黄素酶）l与NADHNADH呼吸链相比，底物脱下的氢不经NADNAD而直接交给黄素酶的辅基FADFAD，即少了NADHNADH呼吸链中的前面的一个组分。（1）FMN 和和FAD的分子的分子结构构（2）黄素核苷酸的作用原理）黄素核苷酸的作用原理+H+HNNOOCH3CH3NRNHHHNNOOCH3CH3NRNHH+H+HFAD/FMN FADH2/FMNH2+2H+2H-2H-2H-H-H-H-H3.铁硫蛋白l线粒体内膜上的一种与传递电子有关的蛋白质，也称铁硫中心，分（2Fe-2S)、（ 4Fe-4S）等类型。l铁硫蛋白中的铁与其蛋白质部分的半胱氨酸残基的-SH的S结合。 Fe、S为敏感部分，往往受抑制剂的抑制。铁硫蛋白(Iron-sulfur protin)蛋白质蛋白质Fe 2+ Fe 3+-e+e4. . 辅酶辅酶Q Q：l又称泛醌, 脂溶性辅酶, 可与膜结合或游离。lCoQCoQ不但可接受NADHNADH脱氢酶的氢，还接受线粒体其它黄素酶类脱下的电子和氢，在电子传递链中居于中心位置。l呼吸链中是一个和蛋白质结合不紧的辅酶，使它在黄素蛋白类和细胞色素之间能够作为一种灵活的载体而起作用。泛泛醌的的作作用用原原理理辅酶Q(CoQ)5、 细胞色素细胞色素l简写为：Cyt，已发现30多种，一类含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称；还原型的细胞色素具有明显的可见光谱吸收现象,三条吸收峰,根据吸收峰的差异分为a,b,ca,b,c三类；每一类中根据其血红素辅基吸收峰的差异(b(b566566,b,b562562;c,c;c,c1 1) )或在蛋白质分子中的分布位置(a,a(a,a3 3) )分为不同类别。 细胞色素(Cytochrom)血红素血红素C血红素血红素血红素血红素Al例如：复合体III, 辅酶Q-细胞色素c还原酶,细胞色素bc1复合体（或简称bc1）。l辅基:血红素b562 b566 c1和Fe-S中心。l电子转移途径：电子转移途径： QHQH2 2(e)Fe-ScytC(e)Fe-ScytC1 1cytCcytCl作用:将电子从QHQH2 2 转移到细胞色素C C；标准自由能释放G Goo =-36.7kJ/mol.-36.7kJ/mol.三、呼吸链中各组分的排列顺序1.NADH氧化呼吸链 P240 2.琥珀酸氧化呼吸链P241NADP在线粒体外生成,主要用于合成代谢，线粒体少量生成的NADP，它在转氢酶的作用下将氢先转给NAD。呼吸链中各组分的排列顺序琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链细胞色素体系细胞色素体系四、线粒体中某些底物氧化的呼吸链P241第四节 非线粒体氧化体系 l一.微粒体氧化体系l1.加双氧酶类：R + O2 RO2 l2.加单氧酶类：RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O胡萝卜素胡萝卜素l1.过氧化氢的生成l2.过氧化氢的处理和利用二.过氧化体氧化体系三.植物细胞中的生物氧化体系l1.多酚氧化酶体系l催化多酚类（对苯二酚，邻苯二酚，邻苯三酚）直接将H转给分子氧的酶，分子中含CuCu，广泛分布与真菌及高等植物。2.抗坏血酸氧化酶体系l为含CuCu的酶，广布于植物，特别是黄瓜，南瓜。在有氧条件下，可使L L 抗坏血酸氧化成L脱氧抗坏血酸和水。3. 乙醇酸氧化酶体系l绿色植物光合作用组织中，通过乙醛酸和乙醇酸的互相转变传递H。第五节 生物氧化过程中能量的转移和利用l一、生化反应中的自由能及自由能变化l1、自由能及自由能变化的概念： 自由能是指某些系统的总能量中能够在恒定的温度、压力以及一定体积下用来作功的那部分能量，用G表示： G H TSH：焓（热含量） T：绝对温度 S：熵（一个系统中不能做有效功的那部分能量）l自由能变化自由能变化在恒定温度的情况下，一个反应系统的终态与始态的自由能之差：始态： G1 H1 TS1 终态： G2 H2 TS2自由能变化：G G2 G1 (H2 TS2) (H1 TS1) (H2 H1 ) T(S2 S1) H TS G H TS2、自由能变化与反应平衡常数的关系P产物浓度（mol/L) S反应物浓度（mol/L) 气体常数（ 8.315 J/mol 或 1.987cal/molK )ln 自然对数G 标准自由能变化，是指在1mol/L浓度，个大气压，温度为298K（25），pH=0 条件下，反应自由能变化。但机体反应一般为 pH=7 条件,其他条件不变的情况下,这时的标准自由能变化用G 表示l当反应平衡时,G=0 ，所以l换算为常用对数:l机体细胞生物氧化反应是多酶体系催化,整个途径中的自由能变化具有加合性:二、氧化还原电位与自由能变化l生物氧化是氧化还原反应，伴随着电子的流动。一个氧化还原反应的氧化还原电位与温度、氧化剂和还原剂的浓度有关：氧化剂浓度还原剂浓度F 法拉第常数（96487库仑/伏特 或 23.063千卡/伏特）n 一个反应中得失电子数E0 标准电位：在标准条件下（25 30、pH7.0)、O x 和 Red 为1mol/L时电极电位生物氧化还原反应中标准自由能变化与标准电极电位变化的关系l反应可以自发进行的条件：lG 0 或 E00l在线粒体呼吸链中，推动电子从在线粒体呼吸链中，推动电子从NADH传递到传递到O2的力，是由于的力，是由于NAD+ / NADH + H+ 和和1/2 O2 / H2O两个半反应之间存在很大的电势差。两个半反应之间存在很大的电势差。l(a) O2 + 2 H+ + 2 e- H2O E0 = +0.82 Vl(b) NAD+ + H+ + 2 e- NADH E0 = -0.322 V l将将 (a) 减去减去 (b)，即得即得 (c) 式：式：l(c) O2 + NADH + 2H+ H2O + NAD+ l E0 = +1.14 Vl G =-nF E0 =-2 96500 1.14 = -220 kJ / mol三、高能磷酸化合物三、高能磷酸化合物ATP的生成机制的生成机制lATPATP：最重要的高：最重要的高能化合物。能化合物。ATP是细胞中重要的高能化合物是细胞中重要的高能化合物l是产能反应和需能反应重要的能量介质;ATP+H20ADP+Pi G0=-30.5kJ/molADP+H20AMP+Pi G0=-30.5kJ/moll作为磷酸基团供体参与磷酸化反应;葡萄糖+ATP -葡萄糖-6-磷酸+ADPlATP参加高能磷酸基团转移的反应.肌酸+ATP -磷酸肌酸(一种高能化合物)+ADP（一） 氧化磷酸化l氧化磷酸化是需氧细胞生命活动的主要能量来源，是生物产生ATPATP的主要途径。氧化磷酸化指的是与生物氧化作用相伴随而生的磷酸化作用，是将生物氧化过程中释放的自由能用以ADPADP和无机磷酸生成高能ATPATP的作用。1.呼吸链磷酸化l呼吸链（电子传递链）中有三处足以产生ATP分子：l NADHFMN，G0-55.6kJ/moll Cyt bCyt C，G0=-34.7kJ/moll Cyt aa3O2，G0=-102.1kJ/mol2 2、底物水平磷酸化、底物水平磷酸化NAD+ NADH+H+ PiADP ATP脱氢酶脱氢酶激酶激酶l物质代谢过程中,直接由一个代谢中间产物上的磷酸基团转移到ADPADP分子上,形成ATPATP的作用。l3 3、氧化磷酸化的作用机制、氧化磷酸化的作用机制l电子传递和氧化磷酸化存在偶联氧化与磷酸化氧化与磷酸化的偶联部位的偶联部位lP/OP/O比:指当一对电子通过呼吸链传至氧所产生的ATPATP的摩尔数。l由NADHNADH氧化脱电子，经过电子传递到氧所得到P/OP/O比是3 3。（二）非氧化性磷酸化l无氧参加、无脱氢作用，即可生成高能化合物，是非氧化性的。（三）能量偶联假说l化学偶联假说l构象偶联假说l化学渗透假说l1.1.化学偶联假说化学偶联假说l19531953年,Edward SlaterEdward Slater最先提出,电子传递过程中产生了一种高能共价化合物,高能化合物将能量转移给ADPADP合成ATPATP,但磷酸化作用中一直未找到任何一种活泼的高能中间化合物。l2.2.构象偶联学说构象偶联学说l19641964年,Paul BoyerPaul Boyer 最先提出,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。至今未能找到有力的实验证据，但仍可能包含由不同形式的构象偶联现象l3.3.化学渗透假说化学渗透假说l19611961年，英国生物化学家Peter MitchellPeter Mitchell最先提出的,后与MoyleMoyle修改。电子传递释放出的自由能和ATPATP合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。电子传递的自由能驱动H H+ +从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，形成跨线粒体内膜的H+电化学梯度，驱动ATPATP的合成。l19781978年，诺贝尔化学奖。l化学渗透学说可以解释许多关键的现象，得到许多实验证据：l例如：lA、氧化磷酸化的进行需要封闭的线粒体内膜存在。lB、线粒体内膜对H+,OH-,K+,Cl- 等离子都是不通透的。lC、破坏氢离子浓度梯度的形式（用解偶联剂或离子载体抑制剂等）都必然破坏氧化磷酸化作用。lD、线粒体电子传递所形成的电子流能够将氢离子从线粒体内膜逐出到线粒体膜间隙。lE、大量直接或间接的实验表明：膜表面不仅能滞留大量质子而且在一定条件下，质子沿膜表面迅速转移，其速度超过在水相中的速度。lMichell化学渗透学说曾获得1978年诺贝尔学奖。迄今虽然能量偶联的具体分子机制尚未能完全阐明，但是跨膜质子电化学梯度产生的质子化学势H+和质子跨膜循环在能量偶联中起关键作用已经成为共识。l化学渗透学说的评价化学渗透学说的评价l线粒体内膜对H+,OH-,K+和Cl-等离子不通透；需要封闭的线粒体内膜存在；破坏H+浓度梯度的形成必然引起破坏氧化磷酸化的进行；电子传递的电子流能够将H+从线粒体内逐出到线粒体膜间隙；膜表面不仅能滞留大量电子,而且在一定条件下,质子沿膜表面迅速的转移,其速度超过在水相中的速度；质子的泵出和质子的泵入速度大致相同；跨膜质子电势和质子跨膜循环在能量偶联中起关键作用得到共识；质子如何通过电子传递链而被逐出的?目前仍然是疑问.化学渗透假说的要点是：化学渗透假说的要点是：la. a. 线粒体内膜对质子不通透；线粒体内膜对质子不通透；lb. b. 线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；lc. c. 转转运运质质子子所所需需的的能能量量由由电电子子在在呼呼吸吸链链中中的的传递提供；传递提供；ld. d. 这这样样，在在膜膜的的内内侧侧与与外外侧侧就就产产生生了了跨跨膜膜质质子梯度和电位梯度；子梯度和电位梯度；le. e. 在在膜膜内内外外势势能能差差的的驱驱动动下下，膜膜外外高高能能质质子子跨跨膜膜回到膜内侧。回到膜内侧。lf. f. 质质子子跨跨膜膜过过程程中中释释放放的的能能量量，直直接接驱驱动动ADPADP和和磷磷酸合成酸合成ATPATP。（四）线粒体外的氧化磷酸化l线粒体是糖，脂，蛋白质等燃料分子的最终氧化场所，但这些分子的全部氧化过程不是都在线粒体内膜上完成。因为线粒体膜的屏障作用，许多物质不能自由进入线粒体膜。在线粒体内膜存在一些转运物质的特异载体，分别转运不同的物质。l穿梭机制1、异柠檬酸穿梭2、甘油3磷酸穿梭途径肌肉，神经细胞中。3、 苹果酸穿梭：l心脏，肝脏。（五）氧化磷酸化的解偶联和抑制l一般情况下，电子传递和磷酸化是紧密结合的，在有些情况下，电子传递和磷酸化可被解偶联。l根据不同的影响方式可分为三大类，一类称为解偶联剂，另一类称氧化磷酸化抑制剂，第三类为离子载体抑制剂。l1、解偶联剂l使电子传递和ATP形成两个过程分离。它只抑制ATP的形成过程，不抑制电子传递过程，使电子传递所产生的自由能变为热能。l如 二硝基苯酚，作用机理如下： pH7条件下不能透过膜质子化形式为脂溶性破坏了跨膜质子梯度l2、氧化磷酸化抑制剂l既抑制氧的利用又抑制ATPATP的形成，但不直接抑制电子传递链上的载体作用。其抑制作用是直接干扰ATPATP的生成过程。结果也使电子传递不能进行。l寡霉素就属于这一类抑制剂。 l3、离子载体抑制剂l这是一类脂溶性物质，能与某些离子结合，并作为它们的载体使这些离子能够穿过膜。l它和解偶联剂的区别在于它是作为H+离子以外的其它一价阳离子的载体，通过增加线粒体内膜对一价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化过程。l如缬氨霉素能够结合K+ 离子，与之形成脂溶性复合物，从而很容易地使 K K+ +通过膜。l缬氨霉素为K K+ +离子载体，有改变线粒体膜透性的作用，导致K K+ +穿过内膜脂双层进入线粒体基质，结果降低或消除了线粒体内膜内外的电荷差。 l机体特殊组织正常的生理现象：机体特殊组织正常的生理现象：l褐色脂肪组织: 甘油三酯和大量线粒体的细胞组成，线粒体内的细胞色素使褐色脂肪呈褐色。l人类，新生无毛哺乳动物及冬眠哺乳动物在颈部和背部都含有褐色脂肪。l褐色脂肪的产热机制是线粒体氧化磷酸化解偶联的结果。线粒体内膜上有产热素蛋白存在。控制内膜对质子的通透性， H+不能形成，自由能全部用于产热。适应寒冷生活动物。在褐色脂肪线粒体内膜蛋白质中含有15%产热素，维持体温有重要的生理意义 。（六）氧化磷酸化的调节l电子传递和氧化磷酸化ATPATP的生成是相辅相成的，电子传递为ATPATP合成的前提,ATPATP的合成促进电子传递的顺利进行。l完整的线粒体只有当无机磷酸和ADP都充分时，电子传递速度才能达到最高水平。当缺少ADP时，因缺乏磷酸受体则不能进行磷酸化作用。ATP/ADP之比在细胞内对电子传递速度起着重要的调节作用，同时对还原型辅酶的积累和氧化也起调节作用，ADP作为关键物质对氧化磷酸化的调节称为呼吸控制。l呼吸控制:ADPADP作为关键物质对氧化磷酸化的调节。l当细胞利用ATP作功时，细胞内ATP降低，ADP升高，热力学、动力学都有利于氧化磷酸化的进行，电子传递也加速各种辅酶往复的氧化-还原反应，底物不断地被氧化，ATP合成也加速。反之， ATP在细胞积累时，ADP必然很低，这时电子传递变缓或停止，还原型辅酶浓度增加以至不能再接受电子，于是整个呼吸链也受到抑制或停止。l因此，氧化磷酸化作用的进行和细胞对 ATP的需要是相适应的，这种精确的适应正是靠ADP作为关键物质的呼吸控制来实现的。四、高能磷酸化合物能量的储存和转移利用l真正的能量储存物质：l脊椎动物磷酸肌酸（肌肉和神经组织）l无脊椎动物磷酸精氨酸l机体代谢需要ATP提供能量时，ATP以多种方式将能量转移和释放：l1.ATP末端磷酸基转移给醇型羟基、酰基、胺基，本身成为ADP：2.ATP将其焦磷酸基转移给其他化合物，本身变为AMP：3.ATP将其腺一磷转移给其他化合物，本身变为焦磷酸：4.ATP将其腺苷转移给其他化合物，本身转变为焦磷酸和正磷酸