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第九章 生物氧化 Biological OxidationBiological Oxidation

第一节 生物能学简介第二节 生物氧化概述第三节 线粒体电子传递体系第四节 氧化磷酸化作用

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一、生物能的转换及生物系统中的能流

二、自由能的概念及化学反应中自由能的计算

三、高能化合物

第一节 生物能学简介

生物能学就是应用物理化学、生物物理学和量子物理学的原理和方法，来研究生物系统中能量的流动和传递规律的科学。

生物能的转换及生物系统中的能流

4

二、自由能的概念及化学反应中自由能的计算

自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即： ΔG<0 ，反应能自发进行 ΔG>0 ，反应不能自发进行 ΔG=0 ，反应处于平衡状态。

１１ .. 自由能（自由能（ free energyfree energy ）的概念）的概念

自由能 (G) ：指一个反应体系中能够做有用功的　　　　　那部分能量。

2. 化学反应自由能的计算

a. 利用化学反应平衡常数计算 基本公式： ΔG′=ΔG°′+ RTlnQc (Qc- 浓度商 )

ΔG°′= - RTlnKeq 例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化 b. 利用标准氧化还原电位（ E° ）计算（限于氧化还原反应）

基本公式： ΔG°′= － nFΔE°′ (ΔE°′=E+°′-E-°′)

例：计算 NADH 氧化反应的 ΔG°′

计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化

达平衡时 =Keq=19解：

ΔG°′= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6 KJ / mol

ΔG′=ΔG°′+ RTlnQc (Qc- 浓度商 ) =-7.6+ 2.3038.314 311 log0.1 =-13.6 KJ / mol

未达平衡时 =Qc=0.1

反应 G-1-PG-6-P 在 380C 达到平衡时， G-1-P 占5% ， G-6-P 占 95% ，求 G0 。如果反应未达到平衡，设 [G-1- P]=0.01mol.L ， [G-6-P]=0.001mol.L，求反应的 G 是多少？

例题：

7

例题：计算下列反应式 ΔG°′

NADH + H+ + ½ O2====NAD+ + H2O

正极反应： 1/2 O2 + 2H+ + 2e H2O E+°′ 0.82

负极反应： NAD+ + H+ + 2e NADH E-°′ -0.3

ΔG°′-nFΔE°′ -2×96485×[0.82-(-0.32)]

-220 KJ·mol-1

8

三、高能化合物

1 、高能化合物的类型

2 、 ATP 的特点及其特殊作用

生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（ >21 千焦 / 摩尔或 5 千卡 / 摩尔）的化合物称为高能化合物。

1 、高能化合物的类型 根据高能化合物键的特性可以分成以下几种类型：

① 磷氧键型

a)a) 酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物

CH3 C

O

O P

O

O-

O-

乙酰磷酸10.1 千卡 / 摩尔

C O

CH

O

CH2

OH

O P

O

O-

O-

P

OO-

O-

1 ， 3- 二磷酸甘油酸

11.8 千卡 / 摩尔

10

b) 焦磷酸化合物

O-P

O

O-

N

N

N

N

NH2

O

H

H

OH

H

OH

H

OCH2O-P

O

O-

O-P

O

O-

ATP （三磷酸腺苷）7.3 千卡 / 摩尔

11

c) 烯醇式磷酸化合物

OP

O

OCOOH

C O

CH2

磷酸烯醇式丙酮酸

14.8 千卡 / 摩尔

12

② 氮磷键型

OP

O

O

NH

C NH

N CH3

CH2COOH

磷酸肌酸10.3 千卡 / 摩尔

OP

O

O

NH

C NH

N CH3

CH2CH2CH2CHCOOH

NH2

磷酸精氨酸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 !

13

③ 硫酯键型

O S

O

O-

OCH2 O

H

H

OH

H

OH

H

N

N

NH2

N

NO P

O

O-

3’- 磷酸腺苷 -5’- 磷酸硫酸

R C

O

SCoA

酰基辅酶 A

14

④ 甲硫键型

COO-

CH NH3+

CH2

CH2

S+H3C A

S- 腺苷甲硫氨酸

15

2.ATP 的特点

在 pH=7 环境中， ATP 分子中的三个磷酸基团完全解离成带 4 个负电荷的离子形式（ ATP4- ），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（ ΔG°′= -30.5 千焦 / 摩尔）。

腺嘌呤—核糖— O — P — O — P — O — P — O-

O O O

O- O- O-

+ ++

Mg2+

ATP 的特殊作用1. ATP 是细胞内的“能量通货”

2. ATP 是细胞内磷酸基团转移的中间载体

～ P～ P

～ P

～ P

ATP～ P

0

2

10

8

6

4

12

14

磷酸基团转移能

磷酸烯醇式丙酮酸

1 ， 3- 二磷酸甘油

酸

磷酸肌酸 （磷酸基团储备物）

6- 磷酸葡萄糖

3- 磷酸甘油

第二节 生物氧化概述一、生物氧化的概念 物质在体内的氧化分解过程，主要是糖、脂、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量、最终生成二氧化碳和水的过程。

糖

脂肪

蛋白质

CO2 和 H2O O2

能量

ADP+Pi

ATP

热能

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二、生物氧化特点二、生物氧化特点

1. 在活的细胞中（ pH接近中性、体温条件下），有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。2. 氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如 ATP ）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。

19

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。☆都服从热力学规律。☆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。

20

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 。

生物氧化与体外氧化之不同点：生物氧化 体外氧化

反应是在强酸、强碱、高温、高压条件下进行的。

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。

21

三、生物氧化过程中 CO2的生成和 H2O 的生成

CO2 的生成

方式方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2 。

类型类型：α-脱羧和β-脱羧 氧化脱羧和单纯脱羧

CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH

O 丙酮酸脱氢酶系

NAD+ NADH+H+CoASH

例：+CO2H2N-CH-COOH

R氨基酸脱羧酶

CH2-NH2

R

H2O 的生成

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 。

CH3CH2OH CH3CHO

NAD+ NADH+H+

乙醇脱氢酶例：

1\2 O2

NAD+

电子传递链

H2O

2e

O=

2H+

24

四、生物氧化的三个阶段

脂肪

葡萄糖、其它单糖

三羧酸循环电子传递

（氧化）

蛋白质

脂肪酸、甘油

多糖

氨基酸

乙酰 CoA

e-

磷酸化+Pi

小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰 CoA等）

共同中间物进入三羧酸循环 ,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成 H2O ，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在 ATP 中。

大分子降解成基本结构单位

生物氧化的三个阶段

H2O

26

第三节 线粒体电子传递体系

一、线粒体结构特点二、电子传递链的概念三、呼吸链的组成和顺序四、 胞浆中 NADH 的氧化五、电子传递抑制剂

27

一、线粒体结构特点

（ 1）代谢脱下的成对氢原子（ 2H）通过多种酶和辅酶所 催化的氧化还原反应逐步从高能向低能传递，最终 与氧结合生成水，其中释放的能量被用于合成 ATP ；（ 2）在真核生物细胞内，酶和辅酶按一定顺序排列在位 于线粒体内膜上；原核生物中，位于细胞膜上。 传递氢的酶和辅酶——递氢体 传递电子的酶和辅酶——递电子体（ 3）此过程与细胞呼吸有关，此传递链称为呼吸链。 递氢体、递电子体都起传递电子的作用，又称电子 传递体。

二、电子传递链的概念

29

呼吸链

三、呼吸链的组成和顺序

复合体 酶名称

复合体Ⅰ

复合体Ⅱ

复合体Ⅲ

复合体Ⅳ

NADH-泛醌还原酶

琥珀酸-泛醌还原酶

泛醌-细胞色素C还原酶

细胞色素c氧化酶

辅基

FMN，Fe-S

FAD，Fe-S

铁卟啉，Fe-S

铁卟啉，Cu

多肽链数

39

4

10

13

复合体 酶名称

复合体Ⅰ

复合体Ⅱ

复合体Ⅲ

复合体Ⅳ

NADH-泛醌还原酶

琥珀酸-泛醌还原酶

泛醌-细胞色素C还原酶

细胞色素c氧化酶

辅基

FMN，Fe-S

FAD，Fe-S

铁卟啉，Fe-S

铁卟啉，Cu

多肽链数

39

4

10

13

１ .电子传递链中各中间体的顺序

NADH

FMN

CoQ

Fe-S

Cyt c1

O2

Cyt b

Cyt c

Cyt aa3

Fe-S

复合物 IV

复合物 I

复合物 III

NADH-Q NADH-Q 还原酶还原酶

细胞色素还原酶

细胞色素氧化酶

FADH2 Fe-S琥珀酸等

复合物 II琥珀酸 -Q 还原酶

32

复合体Ⅰ： NADH-CoQ 还原酶

功能：将电子从 NADH 传递给 CoQ

辅基： FMN ，铁硫蛋白

33

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。

34

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• 。

功能：氢原子传递体

铁硫蛋白

Fe

S

S

S

FeFe

Fe

SSC

S

S

C

C

铁硫簇 (Fe4S4)

功能：电子传递体

Fe3++e

-eFe2+

36

泛醌（辅酶 Q, CoQ, Q ） ：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。

+2H

传递氢机理： CoQ CoQH2

－ 2H功能：氢原子传递体

NADH

+H+

NAD+

FMN

FMNH2 2Fe3+

2Fe2+

Fe-S

CoQ

CoQH2

NADH-CoQ»¹Ô ø

38

复合体Ⅲ： CoQ - 细胞色素 C 还原酶

功能：将电子从 CoQ 传递给 Cytc

组成： Cytb 、 Fe-S 、 Cytc1

细胞色素 (Cyt) ：含铁卟啉辅基的色蛋白，分 a 、 b 、 c 三类，每类中又分几种亚类。

细胞色素

Cyta辅基

N N

NN

H3C

CHHO

CH2 (CH2 CH C CH2)3 H

CH3

CH3

CH CH2

CH3

CH2

CH2

COOH

CH2

CH2

COOH

HC

OFe

Cytb辅基

N N

NN

H3C

CHCH2 CH3

CH CH2

CH3

CH2

CH2

COOH

CH2

CH2

COOH

Fe

H3C

功能：单电子传递体

Fe3++e

-eFe2+

Cytc辅基

蛋白质

N N

NN

H3C

CH CH3

CH

CH3

CH2

CH2

COOH

CH2

CH2

COOH

Fe

H3C

CH3

CH3

S

Cys

S

Cys

CoQ

CoQH2

2Fe3+

2Fe2+2Fe3+

2Fe2+ 2Fe2+

2Fe3+

2Fe3+

2Fe2+

Cytb Fe-S Cytc1 Cytc

CoQ-Cytc»¹ Ô Ã¸

42

复合体Ⅳ：细胞色素氧化酶功能：将电子从 Cytc最终传递到 O2

组成： Cyta 、 Cyta3 、 Cu

2

12Fe3+

2Fe2+

2Fe2+

2Fe3+

2Cu2+

2Cu+

Cytc Cyta

2Fe2+

2Fe3+

Cyta3

H2O

ϸ °ûÉ«ËØÑõ»¯Ã¸

O2

43

复合体Ⅱ：琥珀酸 - CoQ 还原酶

功能：将电子从琥珀酸传递给 CoQ

辅基： FAD 、 Fe-S

çúçêËá

ÑÓºúË÷Ëá

FAD

FADH2 CoQ

CoQH2

Fe-S

总结

NADH

FMN

CoQ

Fe-S

Cyt c1

O2

Cyt b

Cyt c

Cyt aa3

Fe-S

复合物 IV

复合物 I

复合物 III

NADH-Q NADH-Q 还原酶还原酶

细胞色素还原酶

细胞色素氧化酶

FADH2 Fe-S琥珀酸等

复合物 II琥珀酸 -Q 还原酶

45

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

（根据电子传递体氧化还原态时的吸收光谱变化进行检测）

２ .呼吸链成分的排列顺序

氧化还原对 Eº' (V)

NAD+/NADH+H+ -0.32

FMN/ FMNH2 -0.30

FAD/ FADH2 -0.06

Cyt b Fe3+/Fe2+ 0.04（或0.10）Q10/Q10H2 0.07

Cyt c1 Fe3+/ Fe2+ 0.22

Cyt c Fe3+/Fe2+ 0.25

Cyt a Fe3+ / Fe2+ 0.29

Cyt a3 Fe3+ / Fe2+ 0.55

1/2 O2/ H2O 0.82

呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位

　　　　　　　　　　　　　　　　 ee EEOO’’ （小） 　 （小） 　 EEOO’’ （大）（大）

47

呼吸链中电子传递时自由能的下降

FADH2

2e-

NADH

49

四、线粒体外 NADH 的氧化

胞浆中 NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。

酵解（细胞质）

氧化磷酸化 （线粒体）

转运机制主要有：1.α- 磷酸甘油穿梭系统 （主要存在于骨骼肌、神经细胞）主要存在于骨骼肌、神经细胞）2.苹果酸 -天冬氨酸穿梭系统 （主要存在于肝、心肌组织） （主要存在于肝、心肌组织）

NADH+H+

FADH2

NAD+

FAD

线粒体 内膜

线粒体 外膜

膜间隙 线粒体 基质

α- 磷酸甘油 脱氢酶

呼吸链

磷酸二羟丙酮 PiCH2O-

CH2OH

C=O

PiCH2O-

CH2OH

C=O

α- 磷酸甘油PiCH2O-

CH2OH

CHOH

PiCH2O-

CH2OH

CHOH

α- 磷酸甘油 脱氢酶

1. α- 磷酸甘油穿梭机制

细胞液

NADH +H+

NAD+

-OOC-CH2-C-COO-

O

-OOC-CH2-C-COO-

OH

H

NADH +H+

NAD+

谷氨酸 -天冬氨酸

转运体

苹果酸 -α-酮 戊二酸转运体

-OOC-CH2-C-COO-

OH

H

苹果酸

-OOC-CH2-C-COO-

O

草酰乙酸

-OOC-CH2-CH2-C-COO-

O

-OOC-CH2-CH2-C-COO-

O

α- 酮戊二酸

-OOC-CH

2-CH

2-C-COO

-

H3N

+

H谷氨酸

苹果酸 脱氢酶

谷草转 氨酶

胞液

线粒体内膜

基质

呼吸链

-OOC-CH

2-C-COO

-

H3N

+

H天冬氨酸

-OOC-CH

2-C-COO

-

H3N

+

H

-OOC-CH

2-CH

2-C-COO

-

H3N

+

H

2. 苹果酸 -天冬氨酸穿梭机制

52

五、电子传递抑制剂

几种电子传递抑制剂的作用部位

① ② ③

阻断呼吸链中某些部位电子传递。

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第四节 氧化磷酸化作用一、氧化磷酸化的概念一、氧化磷酸化的概念 呼吸链中电子的传递过程偶联呼吸链中电子的传递过程偶联 ADPADP 磷酸化，磷酸化，

生成生成 ATPATP 的方式，称为氧化磷酸化；是体内产生的方式，称为氧化磷酸化；是体内产生ATPATP 的主要方式。的主要方式。

54

二、氧化磷酸化的偶联部位

NADHNADH 与与 QQ 之间之间Ctyb Ctyb 与 与 CytcCytc 之间之间CytaaCytaa33 与 与 OO22之间之间

根据 P/O 比值和自由能变化

推测氧化磷酸化的偶联部位！

线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值

底 物 呼吸链的组成 P/O比值 可能生成的 ATP数

β-羟丁酸 NAD+→复合体Ⅰ → CoQ→复合体Ⅲ 2.4～2.8 3

→ Cyt c→复合体Ⅳ→ O2

琥珀酸 复合体Ⅱ → CoQ→复合体Ⅲ 1.7 2

→ Cyt c→复合体Ⅳ→ O2

抗坏血酸 Cyt c→复合体Ⅳ→ O2 0.88 1

细胞色素c (Fe2+) 复合体Ⅳ→ O2 0.61-0.68 1

P/O比值： 物质氧化时，每消耗 1mol O2所消耗无机磷的 mol 数（或 ADP mol 数），或每消耗 1mol O2所生成的 ATP 的 mol 数。

电子传递链自由能变化

区段 电位变化(⊿ Eº′ )

自由能变化⊿ Gº′ =-nF⊿ Eº′

能否生成ATP(⊿ Gº′ 是否大于30.5KJ)

Cyt aa3~O2 0.53V 102.3KJ/mol 能

NAD+~CoQ 0.36V 69.5KJ/mol 能CoQ~Cyt c 0.21V 40.5KJ/mol 能

ATP ATP ATP

氧化磷酸化偶联部位

-

-

-

58

三、氧化磷酸化的偶联机理

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 AD

P与 Pi 生成 ATP 。

59

线粒体基质 线粒体膜

+ + + +

- - - -

H+

O2

H2O

H+

e-

ADP+

Pi ATP

化学渗透假说简单示意图

化学渗透假说

化学渗透假说示意图

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

磷酸化

氧化

ⅢⅠ Ⅱ Ⅳ F0

F1

Cyt c

Q

NADH+H+

NAD+

延胡索酸

琥珀酸

H+

1/2O2+2H+

H2O

ADP+Pi ATP

H+

H+

H+ 胞液侧

基质侧

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - -

化学渗透假说详细示意图

2. ATP 合酶

由亲水部分 F1

（ α3β3γδε 亚基 ）和疏水部分 F0 （ a

1b2c9 ～ 12 亚基 ）组成。

ATP 合酶结构模式图

64

3. 氧化磷酸化的解偶联作用

① 解偶联剂 增加线粒体内膜对质子的通透性。 如： 2 ， 4— 二硝基苯酚（ DNP ）， FCCP

② 氧化磷酸化抑制剂 阻止质子从 F0质子通道回流。 如：寡霉素 ③ 离子载体抑制剂 增加线粒体内膜对一价阳离子的通透性。 如：缬氨霉素，短杆菌肽

2,4- 二硝基苯酚的解偶联作用

NO2

NO2

O-

NO2

NO2

OH

NO2

NO2

O-

NO2

NO2

OH

H+

H+

线粒体内膜

内外低 pH 高 pH

不能形成质子梯度，使氧化与磷酸化偶联过程脱离。抑制 ATP 的生成，不抑制电子传递，使电子传递产生的自由能都变为热能散失。

66

寡霉素 (oligomycin)

对电子传递及 ADP 磷酸化均有抑制作用。

寡霉素

不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响

氧浓度

68

解偶联蛋白作用机制（褐色脂肪组织线粒体）

Ⅲ ⅢⅠⅠ ⅡⅡ

FF00

FF1 1

ⅣⅣ

Cyt c

Q

胞液侧

基质侧

产热素

热能 HH+ +

HH+ + ADP+Pi ATP

非线粒体氧化系统 通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、植物、微生物主要氧化途径，它与 ATP 的生成紧密相关。除此以外，生物体内还存在非线粒体氧化系统，其特点是从底物脱氢到 H2O 的生成是经过其它末端氧化酶完成的，与 ATP 的生成无关，但各自具有重要的生理功能。

生物体内主要的非线粒体氧化系统如下：1 、多酚氧化酶系统

2 、抗坏血酸氧化酶系统

3 、黄素蛋白氧化酶系统

4 、超氧化物歧化酶氧化系统

5 、植物抗氰氧化酶系统

70

本章重点

1. 自由能， ATP 的作用2. 生物氧化的概念与特点3. 呼吸链（电子传递链） 组成与顺序，作用机制，抑制剂。4. 氧化磷酸化 氧化磷酸化概念，偶联部位，化学渗透假说， 解偶联作用。