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第 六 章

第 六 章. 生 物 氧 化 Biological Oxidation. 本章内容概要：. 一、概述 二、生成 ATP 的氧化体系 1 、呼吸链的主要成分 2 、呼吸链中传递体的排列顺序 3 、主要的呼吸链 4 、生物氧化过程中 ATP 的生成 5 、 ATP 的利用与贮存. 三、非线粒体氧化体系. * 生物氧化的概念：. 指糖、脂肪、蛋白质等 营养物质 在 体内 分解时逐步释放能量，最终生成 CO 2 和 H 2 O 的过程。. 糖. 脂肪. 蛋白质. * 生物氧化的概念：.

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  1. 第 六 章 生 物 氧 化 Biological Oxidation

  2. 本章内容概要： 一、概述 二、生成ATP的氧化体系 1、呼吸链的主要成分 2、呼吸链中传递体的排列顺序 3、主要的呼吸链 4、生物氧化过程中ATP的生成 5、ATP的利用与贮存 三、非线粒体氧化体系

  3. * 生物氧化的概念： 指糖、脂肪、蛋白质等营养物质在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。

  4. 糖 脂肪 蛋白质 * 生物氧化的概念： 指糖、脂肪、蛋白质等营养物质在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。 O2 CO2和H2O ADP+Pi 能量 ATP 热能

  5. *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。 • 物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。

  6. *生物氧化与体外氧化之不同点 生物氧化 体外氧化 • 能量是突然释放的。 • 产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。 • 是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放有利于有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。 • 进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。

  7. 糖原 三酯酰甘油 蛋白质 氨基酸 脂酸+甘油 葡萄糖 * 生物氧化的一般过程（生成ATP） 乙酰CoA TAC CO2 ADP+Pi ATP 2H H2O 呼吸链

  8. 第二节 生成ATP的氧化体系The Oxidation System of ATP Producing

  9. 一、呼吸链 • 定义 • 位于线粒体内膜上，能把代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，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)。 • 组成 • 递氢体和电子传递体（2H  2H+ + 2e）

  10. （一）呼吸链的组成 人线粒体呼吸链复合体 * 泛醌 和 Cyt c均不包含在上述四种复合体中。

  11. e- e- e- e- e- 延胡索酸 NADH+H+ H2O 1/2O2+2H+ 琥珀酸 NAD+ 呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置 Cytc 胞液侧 Ⅲ Q 线粒体内膜 Ⅳ Ⅰ Ⅱ 基质侧

  12. 1. 复合体Ⅰ: NADH-泛醌还原酶 • 功能:将NADH中的 H （电子）传递给泛醌。 复合体Ⅰ NADH CoQ FMN; Fe-S

  13. NAD+和NADP+的结构 R=H：NAD+; R=H2PO3：NADP+

  14. 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。

  15. 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• 。

  16. 铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+  Fe3++e 反应传递电子。 Ⓢ 表示无机硫

  17. 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。

  18. 还原型Fe-S NADH+H+ FMN Q NAD+ FMNH2 氧化型Fe-S QH2 复合体Ⅰ的功能

  19. 2.复合体Ⅱ: 琥珀酸-泛醌还原酶 • 功能:将琥珀酸等代谢物脱下的 H（电子） 传 递给泛醌。 复合体Ⅱ 琥珀酸 CoQ FAD;Fe-S；b560

  20. 细 胞 色 素 细胞色素（Cyt)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。在呼吸链中起传递电子的作用。 参与电子传递链组成的Cyt有Cytb、 Cytc1、Cytc、 Cyta、 Cyta3。 其中Cyta和Cyta3结合牢固，不易分离，特称为Cytaa3（细胞色素C氧化酶）。

  21. 3. 复合体Ⅲ: 泛醌-细胞色素c还原酶 • 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 复合体Ⅲ QH2 Cyt c Cytb; Fe-S; Cyt c1 Cyt c极易与线粒体分离，故不包含在各复合体中。

  22. 复合体Ⅳ 还原型Cyt c → → O2 CuA→a→a3→CuB 4. 复合体Ⅳ: 细胞色素c氧化酶 • 功能：将电子从细胞色素c传递给氧 其中Cyt a3和CuB形成的活性部位将电子交给O2。

  23. （二）呼吸链成分的排列顺序 由以下实验确定 ① 标准氧化还原电位 ② 拆开和重组 ③ 特异抑制剂阻断 ④ 还原状态呼吸链缓慢给氧

  24. 1、据

  25. 标准氧化还原电位(Eo ′) Eo ′是衡量一种物质失（或得到）H、e的趋势大小 的一种指标。 Eo ′可为正值亦可为负值： ①Eo ′为“ - ”，表示该物质易失去H（或e）， ②Eo ′为“ +”，表示该物质易得到H（或e）。 在连续的氧化还原反应中，H（e）的流动方向（传递方向）是：由低Eo ′ 高Eo ′。

  26. 2、拆开与重组 即在体外实验中，将线粒体分成各种复合物，检测其各自的催化的反应，再将其重组，检测其催化能力。 格林实验室成功地将呼吸链分离成具有催化活性的四种复合物以及CoQ和Cytc，检测其各个复合物的功能发现：CoQ在复合物I与III，II与III之间传递还原当量， Cytc在复合物III与IV之间传递还原当量，他们又将四种复合物1:1:1:1的比例混合，加上CoQ和Cytc重组，恢复了原有的催化能力。

  27. 3、特异抑制剂阻断 即使用特异的抑制剂，特异地阻断呼吸链的特定环节，阻断部位的底物一侧的各种传递体应为氧化型，阻断部位的氧一侧的各种传递体应为还原型。 FAD Cytb Cytc+c1 Cytaa3 琥珀酸 40 25 19 4 琥珀酸+抗霉素A 100 100 0 0

  28. 3、特异抑制剂阻断 即使用特异的抑制剂，特异地阻断呼吸链的特定环节，阻断部位的底物一侧的各种传递体应为氧化型，阻断部位的氧一侧的各种传递体应为还原型。 FAD Cytb Cytc+c1 Cytaa3 琥珀酸 40 25 19 4 琥珀酸+抗霉素A 100 100 0 0 从表中可看出，FAD,Cytb位于抗霉素A阻断之前，Cytc, c1,aa3位于阻断部位之后。用不同的抑制剂作此实验，就可 以确定呼吸链中各种传递体的排列顺序。

  29. 4、还原状态呼吸链缓慢给氧 即根据在有氧条件下氧化反应达到平衡时各种传递体的还原程度来确定。使用分光光度法测定离体的线粒体在有氧条件下三羧酸循环反应达到平衡时，呼吸链中各种传递体的还原程度，反应达到平衡时从底物一侧到氧一侧的各种传递体的还原程度应当是递减的，底物的一侧最高，氧一侧最低，如下表中数据所示： 传递体 NAD FMN Cytb Cytc Cytaa3 还原型% 53 20 16 6 1

  30. 1. NADH氧化呼吸链 • NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2 • 2. 琥珀酸氧化呼吸链 • 琥珀酸 →复合体Ⅱ →Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2

  31. NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链

  32. NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链 两条呼吸链交汇于CoQ

  33. 不同代谢物脱下2H经由相同或不相同的呼吸链传递。不同代谢物脱下2H经由相同或不相同的呼吸链传递。

  34. 四、生物氧化中ATP的生成 高能磷酸键与高能磷酸化合物 • 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

  35. 腺 苷 O O O ～ ～ HO AMP ADP ATP

  36. 肌酸 磷酸 肌酸 ~P 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 ~P ATP的生成和利用 ATP 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) ADP 生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。

  37. 底物水平磷酸化------ ATP生成的次要方式： 是底物分子内部能量重新分布，生成高能键， 使ADP磷酸化生成ATP的过程。 1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 烯醇式丙酮 酸 琥珀酰COA 琥珀酸 3-磷酸甘油酸脱氢酶 ADP ATP 丙酮酸激酶 ADP ATP 琥珀酰COA合成酶 GDP GTP ADP ATP

  38. 氧化磷酸化 * 定义：(oxidative phosphorylation)指物质代谢过程中底物脱下的氢（电子），经呼吸链传递给氧生成水的过程中释放能量使ADP磷酸化成ATP的过程。 这是体内生成ATP的最主要方式。

  39. 代谢物（2H） 2H NADH+H+ H2O 氧化 呼 吸 链 氧化磷酸化 2H 1/2O2 NAD+ 释放能量 磷酸化 ADP + Pi ATP 产物 ATP合酶

  40. （一）氧化磷酸化偶联部位 （ATP的生成部位） 氧化磷酸化偶联部位：根据P/O比值和自由能变化（ △Go′= - n F △Eo′ ），得以下结论： 1、NAD+到CoQ之间 2、 CoQ到Cytc之间 3、Cytaa3到O2之间

  41. 一、据P/0值： 指在氧化磷酸化过程中每消耗一克原子氧所消耗的无机磷的克原子数，或者说每消耗一克原子氧所生成的ATP的克分子数。P/0值实质上指的是呼吸过程中磷酸化的效率。

  42. 测定P/0值的方法通常是在一密闭的容器中加入氧化的底物、ADP、Pi、氧饱和的缓冲液，再加入线粒体制剂时就会有氧化磷酸化进行。反应终了时测定O2消耗量(可用氧电极法)和Pi消耗量(或ATP生成量)就可以计算出P/0值了。在反应系统中加入不同的底物（β-羟丁酸、琥珀酸、抗坏血酸、细胞色素c），可测得各自的P/0值，结合我们所了解的呼吸链的传递顺序，就可以分析出大致的偶联部位了。测定P/0值的方法通常是在一密闭的容器中加入氧化的底物、ADP、Pi、氧饱和的缓冲液，再加入线粒体制剂时就会有氧化磷酸化进行。反应终了时测定O2消耗量(可用氧电极法)和Pi消耗量(或ATP生成量)就可以计算出P/0值了。在反应系统中加入不同的底物（β-羟丁酸、琥珀酸、抗坏血酸、细胞色素c），可测得各自的P/0值，结合我们所了解的呼吸链的传递顺序，就可以分析出大致的偶联部位了。

  43. 二、据标准自由能变化（△Go′）； △Go′= - n F △Eo′ n 代表转移电子数 F 代表法拉弟常数（96.5kJ/mol) 每合成1个ATP所需的能量为30.5kJ/mol，故只要电子传递过程中由于电位降而产生的能量高于此，就能使ADP磷酸化成ATP。

  44. -0.06V 两条不同的呼吸链生成ATP的位置和数目示意图： -0.32V NADH FAD Fe-S FMN Fe-S 0.04V COQ 0.07V 0.36V Cyt b 69.48kJ/mol Cyt c1 0.25V Cyt c 0.29V 0.21V Cyt aa3 40.53kJ/mol 0.82V o2 0.53V 102.3kJ/mol

  45. ATP ATP ATP 氧化磷酸化偶联部位

  46. （二） 氧化磷酸化的偶联机制 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。

  47. 有关氧化磷酸化的偶联机理已经作了许多研究，目前氧化磷酸化的偶联机理还不完全清楚，50年代Slater及Lehninger提出了化学偶联假说，1964年Boear又提出了构象变化偶联假说，这两种学说的实验依据不多，支持这两种观点的人已经不多了。目前多数人支持化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)，这是英国生化学家P.Mitchell于1961年提出的，当时没有引起人们的重视，1966年他根据逐步积累的实验证据和生物膜研究的进展，逐步地完善了这一学说。

  48. 氧化磷酸化的化学渗透假说的基本观点是： 1.线粒体的内膜中电子传递与线粒体释放H+是偶联的，即呼吸链在传递电子过程中释放出来的能量不断地将线粒体基质内的H+逆浓度梯度泵出线粒体内膜。（这一过程的分子机理还不十分清楚）(见下图）。

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