第3章 生物氧化,第一节 概述第二节 线粒体氧化体系第三节 能量代谢中生物能的产生、转移和储存第四节 生物能的利用,第一节 概述,生物体系中能的最初来源：生物唯一可以利用和贮存的形式为化学能，它的终极来源是太阳辐射能，绿色植物具有这种转变作用,生物界能量传递及转化总过程,太 阳,电子传递,合成,分解,电子传递,光合作用,呼吸作用,生命现象,自养细胞,异养细胞,ATP,ADP,(CH2O)+O2,(CO2)+H2O,ATP,ADP,（光 能）,（电 能）,（化 学 能）,（化 学 能）,（电 能）,（化 学 能）,一 生物氧化的方式及其特点生物氧化(biological oxidation) ：营养物质在生物体内氧化分解成H2O和CO2并释放能量的过程称为生物氧化（也称细胞氧化/组织呼吸）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反应，因为是在体内组织细胞中进行的，所以又称为“细胞氧化”,生物氧化方式脱氢-生物氧化的主要方式失电子、加氧、脱氢脱羧-CO2的生成机制-脱羧-脱羧氧化脱羧直接脱羧,直接脱羧 （单纯脱酸）-脱羧,-脱羧：,氧化脱羧 -氧化脱羧,-氧化脱羧,生物氧化的特点生物氧化不同于体外氧化（燃烧），尽管二者的最终产物都是二氧化碳和水，所释放的总能量也完全相同生物氧化是在生物体内进行的，它具有许多与体外燃烧不同的特点：而生物氧化是营养物质在37 左右 ，经酶催化的一系列的化学反应，逐步氧化，并逐步地温和释放能量。
这样产生的能量，既不会使体温突然上升而损伤机体，又可以使释放的能量得到最有效的利用,生物氧化过程中释放的能量以化学能的形式储存在ATP（三磷酸腺苷）中，ATP再给机体提供能量ATP是生物体内的能量“转运站”或“载体”，还有一部分能量以热能的形式释放生物氧化在近中性的水溶液中进行，pH保持相对恒定生物氧化过程中产生的CO2不是来自碳原子与氧的直接化合，而是通过有机酸的脱羧基作用生成的在真核生物细胞内，生物氧化都粒体内进行不含线粒体的原核生物如细菌，生物氧化在细胞膜上进行,水的生成机制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,1/2 O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O2-,2H+,二 参与生物氧化的物质 脱氢酶、传递体、氧化酶 1 脱氢酶-使氢活化、脱落、传递以FMN、FAD为辅酶的黄素酶需氧黄酶：以氧为直接受氢体，氢原子不经中间体直接给氧不需氧黄酶：不以氧为直接受氢体，氢原子经中间体传递给氧以NAD、 NADP为辅酶,2 传递体-传递氢或者电子递氢体递电子体3 氧化酶（oxidase）一般含Cu2+和Fe3+通过氧化态和还原态的互变，将电子传递给氧使其激活，并与氢结合生成水,三 同化作用与异化作用同化作用：获取环境中物质转化为体内的新物质-合成代谢，耗能异化作用：体内物质转化为环境中的物质-分解代谢，释放能量,小分子 大分子合成代谢（同化作用） 需要能量 释放能量分解代谢（异化作用） 大分子 小分子,物质代谢,能量代谢,新陈代谢,信息交换,第二节 线粒体氧化体系,一 线粒体生物氧化可以发生在细胞的不同细胞器中，如线粒体、微粒体及过氧化物酶体中，其中最重要的为线粒体中的生物氧化。
线粒体被称为发电站线粒体内外膜通透性不同，内膜有严格的选择性，内膜上有特异的运输系统可使某些物质通过呼吸链酶系在内膜外膜通透性大，大多小分子可自由通过,线粒体结构,二 呼吸链1 呼吸链概念：由脱氢酶、中间传递体及氧化酶组成的整个体系称为生物氧化链此体系由一系列连锁反应组成，和细胞摄取氧的呼吸过程有关，故又称呼吸链 （respiratory chain）水的生成-物质在酶（脱氢酶）的催化下脱氢，经中间传递体传递，最后与分子氧结合而生成水故水是在呼吸链的传递过程中间形成的,2 组成-具有辅基的结合蛋白（分5类）（1）NAD、NADP为辅酶的脱氢酶催化代谢物脱氢，脱下的氢由NAD+（Co）或NADP+（Co）接受还原型的辅酶I、II常写作NADH+H+ 和NADPH+H+存在于线粒体、基质或胞液中递氢机理,（2）黄素酶以黄素核苷酸（FMN或FAN）为辅基催化代谢物脱下的氢加到FMN或FAD上，使氧化态的FMN或FAD变成还原态的FMNH2和FADH2 酶蛋白为细胞膜组成蛋白递氢机理,（3）铁硫蛋白又称铁硫中心，含铁原子和硫原子常以等摩尔量存在（Fe2S2，Fe4S4 )，构成Fe-S中心铁硫蛋白种的铁可以在2、3价之间变化，由于铁的氧化还原而达到传递电子的作用在呼吸链中它多与黄素蛋白或细胞色素结合存在,（4）辅酶Q 辅酶Q是醌的衍生物可结合两个氢，变为还原型辅酶Q脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动递氢机理,（5）细胞色素（cytochrome，Cyt）细胞色素为递电子体，它是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质，依铁的化合价的变化（Fe3+e Fe2+）而传递电子细胞色素有多种，在典型的线粒体呼吸链中已发现有aa3、 b、c、c1及存在于微粒体中的P-450等,细胞色素细胞色素b、c、c1的辅基是血红素，它们只能做中间电子传递体，而不能将电子直接传递给氧细胞色素a、a3目前仍不能分开，合称cytaa3，其辅基为血红素A，分子中除含Fe外还含有Cu 。
它们是呼吸链末端成员，可将电子直接传递给氧，故称细胞色素氧化酶（cytochrome oxidase，亦称末端氧化酶）,由于各呼吸链的组成不同，形成主要的呼吸链有二种：一种称NADH呼吸链，另一种是琥珀酸氧化呼吸链(也称FADH2呼吸链)二者只是在开始有所不同，当把氢传递给CoQ后便完全相同,NADH呼吸链,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FAD,Fe-S,琥珀酸等,复合物 II,复合物 IV,复合体 I,复合物 III,NADH脱氢酶,细胞色素还原酶,细胞色素氧化酶,琥珀酸-辅酶Q还原酶,FADH2呼吸链,3 NADH氧化呼吸链-以NAD为辅酶的脱氢酶催化的物质氧化过程底物在脱氢酶的催化下脱下2H，NAD接受，生成NADH2NADH2被以FMN为辅酶的NADH2 脱氢酶（为黄酶）催化脱氢，又生成NAD，同时FMN接受2H生成FMNH2后者再把2H转移给CoQ，生成CoQH2,当CoQH2再往下传，2H解离 2H 2H+2e2H+游离于介质中，2e沿细胞色素组成的电子传递体，依Fe离子的变价作用传递其顺序CoQcytbcytc1cytccyt(aa3)最后cyt(aa3)将2e传递给分子氧，将其激活为O2-与介质中的2H+结合为水,NADH呼吸链是生物体内最重要的，大多数不需氧脱氢酶以NADH为辅酶。
即通过此链实现氧化脱氢的目的,4 琥珀酸氧化呼吸链-以FAD为辅酶的脱氢酶催化的物质氧化过程底物底物在脱氢酶的作用下脱2H，交给此酶的辅酶FAD，生成FADH2,后者在将2H交给CoQ，反应中无NAD+参与以下的传递过程与NADH呼吸链完全相同,利用FAD呼吸链脱氢氧化的物质不多，目前已知的除琥珀酸外，还有脂酰辅酶A和-磷酸甘油（线粒体内）,第三节 能量代谢中生物能产生、转移和储存,一 氧化还原与自由能变化1 反应方向与趋势-自由能变化与浓度的关系 自由能的变化可预示某一过程能否自发进行，即 G0，反应不能自发进行G=0，反应处于平衡状态G= - RTlnKeq2 电子转移-氧化还原与自由能变化各种物质对电的亲和力与氧化还原反应趋势有关,二 高能磷酸键的生成机制高能键生物氧化特点之一是氧化反应所产生的能量不是全以热的形式散失，而是一部分以化学键的形式贮存在一些物质当中，这种键我们称之为“高能键”，用“”表示它的水解可产生比一般键高的多的能量高能键水解可产生比一般键高的多的能量常见的高能键除磷脂键如ATP以外，还有硫脂键，如CH3COSCoA其中ATP最为重要，最为普遍,ADP磷酸化时生成高能磷酸键ADP磷酸化分为氧化磷酸化非氧化磷酸化1 氧化磷酸化-有氧化作用的ATP生成氧化磷酸化概念：电子从一个底物传递给分子氧的氧化与酶催化的由ADP和Pi生成ATP的磷酸化相偶联的过程,呼吸链磷酸化-氧化磷酸化的重要形式脱氢酶脱氢进入呼吸链粒体进行,呼吸链中电子传递时自由能的下降,FADH2,2e-,当电子从NADH或FADH2经过呼吸链而传递到氧时，在呼吸链的三个部位产生ATP。
部位I是NADH-FMNH2； 部位是细胞色素b-细胞色素c1； 部位是细胞色素aa3-O2 每一部位产生1分子ATP，所以NADH呼吸链产生3分子ATP，而FADH2只在部位、产生2个ATP,磷氧比（ P/O ）,呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比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,NADH,FADH2,H2O,H2O,实测得NADH呼吸链： P/O 3,实测得FADH2呼吸链： P/O 2,2e-,2e-,底物水平磷酸化不需要氧，也不通过呼吸链底物脱氢时，分子内部能量重新分配形成高能键用于ATP生成,2 非氧化磷酸化-没有氧化过程的ATP生成不脱氢，也不需要氧代谢物内部能量重新分布，合成ATP缺氧条件下，厌氧微生物采用例如：2-磷酸甘油酸丙酮酸,ADP磷酸化的类型,氧化磷酸化非氧化磷酸化：不需氧也不脱氢，而是脱水、基团转移等造成分子内能量重新分配，产生高能键，合成ATP （缺氧条件）,呼吸链磷酸化：脱氢传递给氧，生成水释放能量，合成ATP（主要形式）,底物水平磷酸化：不需氧，脱氢后分子内能量重新分配，产生高能键，合成ATP,3 氧化磷酸化机制-化学渗透假说此学说的基本要点为呼吸链中的传递体按一定顺序排列粒体内膜上在递氢时，传递体将电子传给下一个电子传递体，而将H+“泵”至内膜外侧，逐渐使H+高于内膜内侧H+沿浓度梯度向膜内转移时释放能量，利用此能将ADPATP,化学渗透假说原理示意图,2H+,2H+,2H+,2H+,NADH+H+,2H+,2H+,2H+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H2O,2e-,+ + + + + + + + +,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _,质子流,线粒体内膜,三 线粒体外的氧化磷酸化1 膜屏障-线粒体膜的选择通透性线粒体内膜上存在一些转运物质的特异载体，分别转运不同的物质ATP-ADP转运酶二羧酸载体：苹果酸、琥珀酸、延胡索酸三羧酸载体：柠檬酸丙酮酸载体：丙酮酸线粒体上无NADH和NADPH的转运载体，需穿梭机制进入线粒体,2 穿梭作用-膜外向膜内的能量转移（1）异柠檬酸穿梭作用,NADPH+H+,（线粒体基质）,磷酸二羟丙酮, -磷酸甘油,磷酸二羟丙酮, -磷酸甘油,FAD,FADH2,CoQ b c1 c aa3 O2,NADH,NAD+,线粒体内膜,（细胞液）,（2）-磷酸甘油穿梭作用,2ATP,-磷酸甘油脱氢酶,-磷酸甘油脱氢酶,（3）苹果酸穿梭作用,3ATP,四 氧化磷酸化的抑制作用和解偶联作用1 呼吸毒物-阻断电子传递抑制电子传递，使氧化受阻、能量释放减少、ATP不能生成,电子传递 抑制剂,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,2 解偶联作用-破坏呼吸链释放的能量用于ATP合成有些物质可使氧化与磷酸化分离，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都变为热能（即抑制了磷酸化作用，而氧化作用仍能进行），这类物质称为解偶联剂，所起作用称解偶联作用典型的解偶联剂是2,4-二硝基苯酚（DNP）,由于ADP不能生成ATP，使ADP增加。
由于ATP的缺乏，促进生物氧化加快进行,细胞的耗氧量增加，物质氧化加快，使人表现为饭量大。