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1、第六章 生物氧化,Chapter 6 Biological Oxidation,目的要求,重点：,生物氧化的特点、生物氧化的概念；,生物氧化中水的生成方式、呼吸链的组成、排列顺序、呼吸链的抑制作用、,底物磷酸化与氧化磷酸化、,P/O 比值、,偶联部位与解偶联作用、,计算能量,化学渗透学说。,ATP的生成方式,掌握：,递氢体和电子传递体的结构、,一般了解,高能化合物及高能键、,线粒体的穿梭机制；,为生命活动提供能源与碳源,有氧氧化,生物氧化概述,有机物在生物体内的氧化作用称为生物 氧化。,概念：,实质：,功能：,又称为细胞呼吸、组织呼吸或内呼吸。,返回,特点：,生物氧化的种类：,1、根据有无氧的
2、参与，分,1. 酶催化，反应条件温和； 2. 分步进行，顺序性 3. 能量逐步放出，且储存于ATP中,有氧氧化,无氧氧化,2、根据发生场所，分,线粒体氧化体系：,微粒体氧化体系：,1、加氧反应：,1,2、脱氢反应：最主要的生物氧化方式,3、脱电子反应：如 Fe 2+Fe 3+e,生物氧化物质的氧化方式,1 生物能学的基本概念,一、能量的性质及自由能量,二、最重要的高能化合物ATP,三、关于生物化学中能量变化的 一些规定,返回,一、能量的性质及自由能,能量是状态函数.,能量的两种形式：,功：,1 生物能学的基本概念,热：,自由能:,G = H - TS A B G = GB - GA,自发过程中
3、能够做功的那一部分能量。,G是衡量过程自发性的标准：,G0，吸能;不自发，须供能； G =0, 过程处平衡状态。,自由能（G）:,自由能变化(G）:,二、最重要的高能化合物 ATP,1、ATP的分子结构特点,返回,易水解,2、ATP水解释放大量自由能, ATP分子内存在相反共振现象, 静电斥力,ATP是生物体通用的能量货币。 ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。,3、ATP在能量转化中的作用,ATP ADP AMP,Pi,Pi,G0 =7.3Kcal/mol,G0 =7.3Kcal/mol,4、能荷,ATP占腺苷酸库的比例 。,ATP+1/2ADP,ATP+ADP+AMP,腺苷酸库,能荷=,1
4、个分子的ADP所含能量为1/2ATP的能量,2 线粒体氧化体系,一、生物氧化中CO2生成的方式,二、呼吸链,四、线粒体外 NADH 的氧化,三、氧化磷酸化：ATP的生成途径,主要内容,返回,线粒体是生物氧化的发生场所,一、生物氧化中CO2生成的方式,底物脱羧基作用,-脱羧 （羧基位置） -脱羧,分类:,单纯脱羧,氧化脱羧,返回,基本方式：,1、-单纯脱羧,2、-单纯脱羧,二、呼吸链,1.呼吸链的种类,2.呼吸链的组成,3.呼吸链中传递体的排列顺序,定义:,线粒体内膜上由递氢体和递电子体按一定顺序排列构成的氧化还原体系.,( NADH 呼吸链和 FADH2 呼吸链),返回,又称电子传递链,1.呼
5、吸链的种类,NADH,FMN,COQ,Cytb,Cytc1,Cytc,Cytaa3,O2,FADH2,复合体,复合体,复合体,复合体,NADH-Q还原酶,细胞色素C还原酶,细胞色素C氧化酶,琥珀酸-Q还原酶,排列原则:,电势能从高到低,氧还电位从低到高,2.呼吸链的组成,(1) NADH-Q还原酶（复合物）,(2) 琥珀酸-Q还原酶复合物(复合体),(3) 铁硫蛋白,(4) 辅酶Q,(5) 细胞色素还原酶,(7) 细胞色素氧化酶,呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。,（6)细胞色素C,（1）复合物的结构与电子传递过程,NADH-Q还原酶各辅基（辅酶）的氧化还原循环：,M,MH2,NAD+
6、,NADH2,FMN,FMNH2,2Fe3+,2Fe2+,2(Fe-S),CoQH2,CoQ,2Fe3+,2Fe2+,2(Fe-S),CoQH2,CoQ,2H+,2H+,NADH-Q还原酶,泵到线粒体内膜外侧,铁硫聚簇（Fe-S中心）主要以 (Fe- 0S ) (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在，铁硫聚簇 与蛋白质结合称为铁硫蛋白。,(3)铁硫蛋白,铁硫聚簇通过Fe3+ Fe2+ 变化，将氢从FMNH2上脱下传给CoQ，同时起传递电子的作用，每次传递一个电子.,(4)辅酶Q,（泛醌、亦简称Q。是许多酶的辅酶),(5)细胞色素还原酶,（细胞色素bc1复合体、复合体）,Cyt.bc1
7、（复合体）,（6）细胞色素c,在复合体III和之间传递电子。 是唯一能溶于水的细胞色素,(7)细胞色素C氧化酶,（复合体、细胞色素c氧化酶）,也叫末端氧化酶,由 cyt.a和a3 组成。,含有2个铜原子（CuA，CuB）。,2H+,2H+,细胞色素（cytochrome,cyt）,呼吸链中主要含有5种细胞色素a、a3、 b、 c 、c1. 细胞色素主要是通过辅基中Fe 3+ Fe 2+ 的互变起传递电子的作用。,是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质,3.呼吸链中传递体的排列顺序：,(3) 利用光谱变化确定各组分的氧化还原状态,(1) 测各组分氧化还原电位（E0）递增,研究方法,(2) 呼吸链复合
8、物重组,(4)利用呼吸链抑制剂,返回,（1）呼吸链中电子传递方向是从E0值小向大的方 向传递,E0越小，越易失去电子，处于呼吸链的前面，,返回,（2）呼吸链复合物重组,NADH FMN（Fe-S） CoQ Cytb、c1 Cytc Cytaa3 O2 （Fe-S） （Cu2+） FAD（Fe-S） 琥珀酸,The functional complexes have been separated and characterized,The functional complexes have been separated and characterized,（3）用分光光度法测得各个传递体发生吸收
9、光谱的变化,完整的线粒体当电子传递体处于氧化态时，悬浮液浑浊，光吸收不能直接测出；但当之处于还原态时，即可以氧化态为对照测出。,当向完全处于还原状态的电子传递体中加入氧时，最先被氧化的是细胞色素aa3,其次cytC, cytC1,cytb, 最后是NADH。,（4）电子传递抑制剂：凡能够切断呼吸链中某一部 位电子流的物质。,返回,鱼藤酮、安密妥,抗霉素A,氰化物、叠氮化物、一氧化碳、H2S,三、氧化磷酸化作用与ATP的生成,1、氧化磷酸化的概念,2、ATP的生成方式,3、氧化磷酸化的作用机制,5.呼吸链的加强、抑制和解偶联,4、磷氧比值,返回,2、ATP的生成方式：,1) 电子传递体磷酸化,2
10、) 底物水平磷酸化,返回,1、氧化磷酸化的概念：,呼吸链电子传递过程中释放的能量，使ADP磷酸化成ATP的过程。 由于代谢物的氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联进行，故称为氧化磷酸化。,3）光合磷酸化,（1）氧化磷酸化,呼 吸 链,氧化,磷酸化,偶 联,H2O,（2）底物水平磷酸化,由底物分子因脱氢或脱水而使分子内部能量分配产生的高能磷酸键（或高能硫酯键），高能键上的键能直接转移给ADP（或 GDP）而生成 ATP（或 GTP）的反应，称为底物水平磷酸化。,例如:,糖酵解过程,每次底物磷酸化产生一个ATP,3、氧化磷酸化的作用机制,化学渗透假说,e,ADP +Pi,ATP,内外膜间隙,内膜,线粒
11、体基质,电子传递给氧释出的能量推动质子泵,H+被泵至线粒体内外膜间隙，在内膜两侧形成化学梯度（势能）,当H+顺梯度回到基质面时，释出的能量使ADP磷酸化为ATP,因提出化学渗透学说而在1978年获诺贝尔化学奖的Peter D Mitchell,ATP生成的结构基础ATP合酶,头部,柄部,基底部,质子驱动力,ATP转移酶：转移ATP至胞浆,4、磷氧比值 :,是指某物质氧化时每消耗1mol氧所消耗无机磷的mol数。,每消耗1mol原子氧所产生的ATP的mol数。,两类呼吸链的磷氧比（真核细胞）： NADH呼吸链：2.5 FADH2呼吸链：1.5,返回,P/O值：,实质：,5.呼吸链的加强、抑制和解
12、偶联,(1) ADP与ATP的调节作用,H2O + NAD+,ADP+Pi,ATP,氧化磷酸化,返回,(2)氧化磷酸化抑制剂的作用, 呼吸链抑制剂,作用：阻断电子传递,磷酸化抑制剂 抑制ATP合酶的活性 寡霉素,解偶联剂: 能够使氧化过程与磷酸化过程脱节的物质称解偶联剂，它对电子传递没有抑制作用，但能抑制ADP磷酸化生成ATP的过程。,使线粒体膜通过性增加,H+泄漏 2，4-二硝基苯酚,作用：,举例：,作用：,举例：,四、线粒体外NADH的氧化,（一）苹果酸-天冬氨酸穿梭,（二） -磷酸甘油穿梭,（三）外NADH脱氢酶,返回,葡萄糖,葡萄糖转变为乳酸,NADH +H+,NAD+,苹果酸,草酰乙
13、酸,-酮戊二酸,谷氨酸,天冬氨酸,(一）苹果酸穿梭系统(肝和心肌),线 粒 体 内 膜,胞液,线粒体基质,ATP个数？,线粒体 内膜,胞液,线粒体 基质,（二）磷酸甘油穿梭系统（脑和骨骼肌）,FADH2,NAD+,FAD,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,NADH+H+,-磷酸甘油 脱氢酶,ATP个数？,(三)外NADH脱氢酶,NADH,线粒体内膜,胞液,线粒体基质,NAD+,外NADH脱氢酶,COQ,CO,CO,1/2O2,H2O,e-,五、G彻底氧化分解释放能量,2,2,2 ATP 2 NADH,2 NADH,2,20 ATP,5 ATP,5或7 ATP,30或 32ATP,高等植物、肌肉和大脑,心、肝,糖无氧氧化中能量利用的效率：,从葡萄糖开始：2 30.5 / 196 = 61/196 = 31(%) 从糖原开始：2 51.6 / 196 = 103.2/196 = 52.6(%),G0= -196kJ,ATP储存能量: G0= -30.5 kJ/mol(体外标准状态下) G0= -51.6 kJ/mol(体内生理状态下 ),糖无氧氧化中能量的利用率：,返回,1mol G彻底氧化放出的能量为2827.14kJ.,糖有氧氧化中能量利用的效率：,ATP储存能量:,30.5915kJ,30(或32）,糖有氧氧化中能量的利用率：,915,2827.14,34.5,