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1、第6章,生物氧化,Biological Oxidation,物质在生物体内进行氧化称生物氧化(biological oxidation)，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,生物氧化的概念,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。 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。,反应环境温和，酶促反应逐步进行，能量逐步释放，能量容易捕获，ATP生成效率高。 通过加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱
2、氢的机会；脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。,生物氧化与体外氧化之不同点,生物氧化,体外氧化,能量突然释放。 物质中的碳和氢直接氧结合生成CO2和H2O 。,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,生物氧化的一般过程,第一节,生物体内能量载体ATP,体内能量储存和利用都以 ATP为中心,一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能,2,1）磷氧键型：如ATP、磷酸烯醇式丙酮酸等 2）磷氮键型：如磷酸肌酸等 3）硫酯键型：如脂酰CoA等 4）甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸,也可根据分子结构的特点和所含高能键的特征进行分类。,磷氧键型（OP),(1)酰基磷
3、酸化合物,1,3-磷酸甘油酸,乙酰磷酸,10.1千卡/摩尔,11.8千卡/摩尔,酰基磷酸化合物,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰基腺苷酸,（2）焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,7.3千卡/摩尔,（3）烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,14.8千卡/摩尔,磷氮键型,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,10.3千卡/摩尔,7.7千卡/摩尔,这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。,硫酯键型,3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸,酰基辅酶A,甲硫键型,S-腺苷甲硫氨酸,1 结构： 腺嘌呤、D核糖、三个磷酸,二、ATP,2 作用,(1) 提供物质代谢时需要的能量,己糖激酶,(2) 供给机体生命活动时需要的能量,
4、(3) 生成核苷三磷酸和磷酸肌酸,磷酸肌酸（CP）,贮存（主要在肌肉和脑组织中）。,意义：防止脑、肌肉组织中ATP的突然缺乏,CP中的P不能直接利用,ATP在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用,高能磷酸键 水解时释放的能量大于21kJ/mol的磷酸酯键，常表示为P。 高能磷酸化合物 含有高能磷酸键的化合物,肌酸激酶的作用,磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。,ATP的生成和利用,ATP,ADP,机械能(肌肉收缩) 渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢) 电能(生物电) 热能(维持体温),生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。,三、ATP生成方式,1 底物水平磷酸化,某些
5、反应中，由于脱氢或脱水等作用，使代谢物分子内部能量重新分布而形成高能化合物，然后将高能键转移给ADP（或GDP）生成ATP（或GTP）的过程称为底物水平磷酸化,发生底物水平磷酸化反应的三个高能化合物,2 氧化磷酸化,代谢物分子脱下的氢经过呼吸链的传 递与氧结合生成水，在此传递过程中有能 量的释放，并同时伴随有ADP磷酸化生成 ATP，这种伴随氢的氧化产生ATP的偶联 关系称为氧化磷酸化,氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化生成ATP偶联,氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。 底物水平磷酸
6、化(substrate level phosphorylation)与脱氢反应偶联，生成底物分子的高能键，使ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的过程。不经电子传递。,ATP生成方式,第二节 生成ATP的氧化磷酸化体系,The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing,指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具有电子传递功能的酶复合体，可通过连锁的氧化还原将代谢物脱下的电子最终传递给氧生成水。这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratory chain)又称电子传递链(electron transfer chain)。,一、呼吸
7、链,定义,递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e）,组成,呼吸链 在线粒体内膜上排列着一系列的酶和辅酶所组成的递氢体和递电子体，能将从代谢物上脱下的成对氢原子（2H）最终传递给氧生成水，并释放出能量，该传递链称为呼吸链，也称为电子传递链,线粒体纵切示意图,3 氧化磷酸化,（概念同前）,ATP合酶,二、呼吸链的类型,1 NADH 氧化呼吸链,2 FADH2 氧化呼吸链,（即琥珀酸氧化呼吸链）,三、呼吸链的组成,1 尼克酰胺核苷酸 递氢体,NAD+,NAD+和NADP+的结构,R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+,NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变,氧化还原反
8、应时变化发生在五价氮和三价氮之间。,2 黄素蛋白类 递氢体,FMN / FAD,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。在可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态，属于单、双电子传递体。,3 铁硫蛋白（Fe-S） 递电子体,铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。属于单电子传递体。, 表示无机硫,4 泛醌（辅酶Q CoQ） 递氢体,泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。内膜中可移动电子载体，在各
9、复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。,5 细胞色素（Cyt） 递电子体,传递体 作用 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 （NAD+） 递氢体 黄素蛋白（辅基为 FAD和 FMN） 递氢体 铁硫蛋白（Fe-S） 单电子传递体 辅酶Q 递氢体 细胞色素类 单电子传递体,四、呼吸链的排列,酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存在形式，所含各组分具体完成电子传递过程。电子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒体内膜，转变为跨内膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物合成。,（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成,呼吸链的复合体,复合体,复合体,复合体,复合体,人线
10、粒体呼吸链复合体,泛醌不包含在上述四种复合体中。,复合体又称NADH-泛醌还原酶。 复合体电子传递：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体有质子泵功能。,1、复合体作用是将NADH+H+中的电子传递给泛醌(ubiquinone),NAD+和NADP+的结构,R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+,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。,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。在可逆的氧化还原反应中显示3种分子
11、状态，属于单、双电子传递体。,铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。属于单电子传递体。, 表示无机硫,铁硫蛋白,泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。内膜中可移动电子载体，在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。,复合体的功能,复合体是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸-泛醌还原酶。 电子传递：琥珀酸FAD几种Fe-S CoQ 复合体没有H+泵的功能。,2、复合体功能是将电子从琥珀酸传递
12、到泛醌。,3、复合体功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c。,复合体又叫泛醌-细胞色素C还原酶，细胞色素b-c1复合体，含有细胞色素b(b562, b566)、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白(Rieske protein)。 泛醌从复合体、募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体。 电子传递过程：CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc,细胞色素(cytochrome, Cyt),细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。,复合体的电子传递通过“Q循环”实现。 复合体每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体也有质子泵作用。
13、 Cyt c是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体。,复合体又称细胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase)。 电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2 Cyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移 。,4、复合体将电子从细胞色素C传递给氧,复合体的电子传递过程,细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水的过程，有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合，不会引起细胞损伤。,四、呼吸链的排列,标准氧化还原电位 拆开和重组 特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧,（二）
14、氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列,由以下实验确定:,标准氧化还原电位以E0表示。 E0值越小，供出电子的倾向越强，即还原能力越强； E0值越大，接受电子的倾向越强。 在生物体内氧化还原过程中，电子总是从E0值较小的物质移向E0值较大的物质，即从还原剂（电子供体）移向氧化剂（电子受体）,呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,1、NADH氧化呼吸链 NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 2、琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2,（一）氧化磷酸化偶联部位在复合体、内,根据P/O比值 自由能变化: G=-n
15、FE,氧化磷酸化偶联部位：复合体、,1、P/O 比值,指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。,2、自由能变化,根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化(G0)与还原电位变化(E0)之间有以下关系：,n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/molV),G0 = -nFE0,电子传递链自由能变化,氧化磷酸化偶联部位,琥珀酸,五、ATP的生成部位,P,ADP ATP,P,ADP ATP,3H+,3H+,Transport of ATP, ADP, & Pi,(二)氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度,1、化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis),电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。,氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜； 线粒体内膜对H+、OH、K、Cl离子是不通透的； 电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度； 增加线粒体内膜外
