第07章：生物氧化與氧化磷酸化

1、l概述概述l電子傳遞鏈（生物氧化中電子傳遞鏈（生物氧化中H2O的生的生成）成）l氧化磷酸化作用（氧化磷酸化作用（ATP的生成）的生成）第一節(jié)第一節(jié) 概述概述能量的來源：能量的來源：l光能光能：植物和某些藻類：植物和某些藻類 光合作用光合作用l化學(xué)能化學(xué)能：動物和大多數(shù)的微生物：動物和大多數(shù)的微生物 生物生物氧化氧化 化學(xué)能化學(xué)能生物能生物能（主要是（主要是ATP）糖原糖原脂肪脂肪蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)葡萄糖葡萄糖脂肪酸脂肪酸 甘油甘油氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAeH+1/22+2ADP ATPPi O2H2OTCACoA營養(yǎng)物分解代謝的三個階段營養(yǎng)物分解代謝的三個階段一、生物氧化（一、生物氧化（biolo

2、gical oxidation）1、定義：、定義： 有機(jī)物在有機(jī)物在活細(xì)胞活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行氧化分解產(chǎn)生內(nèi)進(jìn)行氧化分解產(chǎn)生CO2和和H2O，并釋放出能量的過程，稱并釋放出能量的過程，稱為為生物氧化生物氧化，又稱，又稱呼吸作用呼吸作用。2、內(nèi)容：、內(nèi)容：1）CCO22）HH2O3）能量如何產(chǎn)生能量如何產(chǎn)生底物水平磷酸化底物水平磷酸化 氧化磷酸化氧化磷酸化電子傳遞鏈電子傳遞鏈脫羧反應(yīng)脫羧反應(yīng)3、特點(diǎn)（與燃燒的比較）、特點(diǎn)（與燃燒的比較）相同點(diǎn)：相同點(diǎn)：l都是脫氫、失電子或與氧結(jié)合；都是脫氫、失電子或與氧結(jié)合；l都生成都生成CO2和和H2O；l釋放的能量相同釋放的能量相同 生生 物物 氧氧 化化 燃燃 燒

3、燒 細(xì)胞內(nèi)溫和條件，水環(huán)境細(xì)胞內(nèi)溫和條件，水環(huán)境高溫或高壓，干燥條件高溫或高壓，干燥條件 一系列酶促反應(yīng)一系列酶促反應(yīng) 無機(jī)催化劑無機(jī)催化劑 能量逐步釋放能量逐步釋放能量爆發(fā)釋放能量爆發(fā)釋放轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)化成ATP，被利用被利用 轉(zhuǎn)換為光和熱，散失轉(zhuǎn)換為光和熱，散失 不同點(diǎn)：不同點(diǎn)：二、生物能學(xué)原理二、生物能學(xué)原理lG 0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行；，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行；lG= G+RT lnQlG =-nFE（在氧還反應(yīng)中，電子總是從（在氧還反應(yīng)中，電子總是從E較低的物質(zhì)轉(zhuǎn)移到較低的物質(zhì)轉(zhuǎn)移到E較高的物質(zhì)）較高的物質(zhì)）；l在熱力學(xué)上不能自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)可以被有利反在熱力學(xué)上不能自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)可以被有利反應(yīng)所推動。應(yīng)所

4、推動。三、高能化合物三、高能化合物1、概念：、概念： 水解時能夠釋放水解時能夠釋放20.92 kJ/mol（5kcal/mol）自由能的化合物稱為自由能的化合物稱為高能高能化合物化合物。其中斷裂釋放出大量自由能的共。其中斷裂釋放出大量自由能的共價鍵稱為價鍵稱為高能鍵高能鍵，用，用表示。表示。2、類型（了解）、類型（了解）（1）磷氧鍵型（磷氧鍵型（-OP）COCHOCH2OHOPOO-O-POO-O-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 ?；姿峄衔秕；姿峄衔颒3N+COOPOO-O-氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸 焦磷酸化合物焦磷酸化合物O-POO-O POO-O-焦磷酸焦磷酸NNNNN H2OO H

5、 O HCH2OOOPAMPADPATP-POOPOOOOONNNNNH2OOHOHCH2OOOPAMPADPATP-POOPOOOOO 烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸（2）氮磷鍵型（氮磷鍵型（-NP）OPOONHCNHNCH3CH2COOHOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸（3）硫酯鍵型硫酯鍵型RCOSCoA酰基?；鵆oA（4）甲硫鍵型甲硫鍵型COO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸（1）ATP的作用的作用A、生物體通用的能量貨幣生物體通

6、用的能量貨幣l提供反應(yīng)所需能量、細(xì)胞活動的機(jī)械能、提供反應(yīng)所需能量、細(xì)胞活動的機(jī)械能、細(xì)胞吸收物質(zhì)時的能量；產(chǎn)生電效應(yīng)；細(xì)胞吸收物質(zhì)時的能量；產(chǎn)生電效應(yīng)；轉(zhuǎn)變成光能或熱能。轉(zhuǎn)變成光能或熱能。B、磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)的中間載體磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)的中間載體3、最重要的高能化合物、最重要的高能化合物-ATP（磷酸原）（磷酸原）（2）ATP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)NNNNNH2OOHOHCH2OOOPAMPADPATP-POOPOOOOOATP是是能量的攜能量的攜帶者、轉(zhuǎn)運(yùn)者帶者、轉(zhuǎn)運(yùn)者，但但不是能量的不是能量的貯存者貯存者。（3）能荷與）能荷與ATPl能荷能荷：在總的腺苷酸系統(tǒng)中（即：在總的腺苷酸系統(tǒng)中（即A

7、TP、ADP、AMP之和）所含的高能磷酸基數(shù)之和）所含的高能磷酸基數(shù)量。量。l細(xì)胞內(nèi)能荷值細(xì)胞內(nèi)能荷值 = 0.8 0.95；l能荷低（能荷低（0.95）ATP過多過多產(chǎn)能代謝抑產(chǎn)能代謝抑制，貯能代謝加強(qiáng)；制，貯能代謝加強(qiáng)；第二節(jié)第二節(jié) 線粒體電子傳遞鏈線粒體電子傳遞鏈一、線粒體一、線粒體（mitochondria）l真核生物的真核生物的發(fā)電站發(fā)電站；l雙層膜雙層膜結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)； 外膜：對小分子和離子通透；外膜：對小分子和離子通透； 內(nèi)膜：對多數(shù)小分子和離子不通透。內(nèi)膜：對多數(shù)小分子和離子不通透。二、電子傳遞鏈二、電子傳遞鏈（electron transfer chain, ETC）l也叫也叫呼

8、吸鏈呼吸鏈（respiratory chain）l定位：原核生物定位：原核生物質(zhì)膜質(zhì)膜，真核細(xì)胞，真核細(xì)胞線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜；l組成：一系列按組成：一系列按嚴(yán)格順序嚴(yán)格順序排列的排列的電子傳遞體電子傳遞體；l作用：將代謝物脫下的氫傳遞給氧生成水作用：將代謝物脫下的氫傳遞給氧生成水l種類：種類： NADH鏈鏈和和FADH2鏈鏈l線粒體線粒體內(nèi)膜內(nèi)膜上分離到上分離到4種酶復(fù)合體、種酶復(fù)合體、CoQ、Cytc復(fù)合體復(fù)合體I：NADH-CoQ還原酶還原酶復(fù)合體復(fù)合體II：琥珀酸琥珀酸-CoQ還原酶還原酶復(fù)合體復(fù)合體III：CoQ-細(xì)胞色素細(xì)胞色素c還原酶還原酶復(fù)合體復(fù)合體IV：細(xì)胞色素細(xì)胞色素c氧化

9、酶氧化酶lNADH鏈鏈：由：由I、CoQ、III、Cytc、IV組成組成lFADH2鏈鏈：由：由II、CoQ、III、Cytc、IV組成組成線粒體線粒體內(nèi)膜內(nèi)膜線粒體線粒體外膜外膜FADH2鏈鏈線粒體線粒體內(nèi)膜內(nèi)膜1、復(fù)合體、復(fù)合體I：NADH-CoQ還原酶還原酶 組成組成：FMN（遞（遞氫氫體）體）、Fe-S蛋白（通過蛋白（通過Fe3+、Fe2+互變傳遞互變傳遞單單電子）電子） 功能功能：將：將電子從電子從NADH傳遞到傳遞到CoQ；質(zhì)子；質(zhì)子泵泵（4H+）NADH鏈鏈2、復(fù)合體、復(fù)合體II：琥珀酸琥珀酸-CoQ還原酶還原酶l組成組成：FAD、Fe-S蛋白蛋白l功能功能：將：將電子電子從琥珀

10、酸傳遞從琥珀酸傳遞到到CoQ琥珀酸琥珀酸 延胡索酸延胡索酸FADH2鏈鏈l非蛋白非蛋白，醌類，側(cè)鏈為異戊二烯；，醌類，側(cè)鏈為異戊二烯；l遞遞H體；體；l中間傳遞體中間傳遞體：只能從黃素酶的輔基上接受：只能從黃素酶的輔基上接受H3、輔酶輔酶Q（coenzyme Q） 泛醌、泛醌、CoQ4、細(xì)胞色素細(xì)胞色素（cytochrome，Cyt） 一類功能相關(guān)，含血紅素輔基的色素復(fù)合物，一類功能相關(guān)，含血紅素輔基的色素復(fù)合物，只存在于需氧細(xì)胞只存在于需氧細(xì)胞； 通過通過Fe3+、Fe2+互變傳遞互變傳遞單單電子；電子； 種類：種類：b、c1、c、a、a3；復(fù)合體復(fù)合體III：Cytb+Cytc1Cytc復(fù)

11、合體復(fù)合體IV：Cytaa3（1）復(fù)合體）復(fù)合體III：CoQ-細(xì)胞色素細(xì)胞色素c還原酶還原酶l組成組成：Cytb、Cytc1、Fe-S蛋白蛋白l功能功能：將將電子從電子從CoQ傳遞到傳遞到Cytc；質(zhì)子泵；質(zhì)子泵（4H+）（2）復(fù)合體）復(fù)合體IV： 細(xì)胞色素細(xì)胞色素c氧化酶氧化酶l組成組成：Cytaa3、Fe-S蛋白、蛋白、含含Cu蛋白蛋白l功能功能：將電子從：將電子從Cytc傳遞傳遞給氧；質(zhì)子泵（給氧；質(zhì)子泵（2H+）；）；依據(jù)：依據(jù)：各傳遞體的各傳遞體的E0、差異光譜、電子傳遞抑制差異光譜、電子傳遞抑制 FADH2 NADHFMNCoQbc1caa3O2E0 低低高高，對電子親和力，對電

12、子親和力小小大大 FADH2NADHFMNCoQ b c1 c aa3 O2 -0.32 -0.22 +0.04 -0.08 +0.22 +0.24 +0.29 +0.82 +0.55-0.22二、各電子傳遞體排列順序的確定二、各電子傳遞體排列順序的確定電子傳遞抑制：電子傳遞抑制： 1、NADHFMNCoQbc1caa3O2魚藤酮魚藤酮安密妥安密妥殺蝶素殺蝶素差異光譜：差異光譜：FADH2 細(xì)胞色素中，細(xì)胞色素中，b最先被還原，最先被還原，aa3最先被氧化最先被氧化 2、NADHFMNCoQbc1caa3O23、NADHFMNCoQbc1caa3O2CN-、CON3-、H2S抗霉素抗霉素A第三

13、節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用一、概念一、概念1、ATP生成的途徑生成的途徑l底物水平磷酸化底物水平磷酸化 直接與直接與代謝物的反應(yīng)相偶聯(lián)代謝物的反應(yīng)相偶聯(lián)；有無；有無O2均可發(fā)生均可發(fā)生l氧化磷酸化（或電子傳遞磷酸化）氧化磷酸化（或電子傳遞磷酸化） 通過通過電子傳遞鏈電子傳遞鏈產(chǎn)能；產(chǎn)能；好氧好氧生物能量的主要來源生物能量的主要來源2、氧化磷酸化：、氧化磷酸化：生物氧化生物氧化 G ADPATPATP合酶合酶產(chǎn)水反應(yīng)的產(chǎn)水反應(yīng)的G磷酸化磷酸化二、二、P/O比和比和ATP形成的部位形成的部位l1940年年 S. Ochoa 提出提出P/O比比lP/O比比：當(dāng)一對電子經(jīng)呼吸鏈傳給：當(dāng)一對

14、電子經(jīng)呼吸鏈傳給O2時所產(chǎn)生時所產(chǎn)生的的ATP分子數(shù)，分子數(shù)，即即每消耗每消耗1個個氧原子氧原子所產(chǎn)生所產(chǎn)生ATP的個數(shù)。的個數(shù)。 l真核細(xì)胞中，一對電子經(jīng)過真核細(xì)胞中，一對電子經(jīng)過NADH鏈傳遞至鏈傳遞至O2共泵出共泵出10個個H+；l每每4個個H+促使促使1個個ATP合成并輸出至細(xì)胞質(zhì)；合成并輸出至細(xì)胞質(zhì)；l因此因此1個個NADH經(jīng)過呼吸鏈產(chǎn)生經(jīng)過呼吸鏈產(chǎn)生10/4=2.5個個ATP；l一對電子經(jīng)過一對電子經(jīng)過FADH2呼吸鏈傳送時有呼吸鏈傳送時有6個個H+被泵出；被泵出；l因此因此1個個FADH2經(jīng)過呼吸鏈產(chǎn)生經(jīng)過呼吸鏈產(chǎn)生6/4=1.5個個ATP；l在在原核細(xì)胞原核細(xì)胞中，沒有線粒體，

15、因此沒有中，沒有線粒體，因此沒有ATP的輸出，的輸出，故故NADH呼吸鏈產(chǎn)生呼吸鏈產(chǎn)生10/33個個ATP， FADH2呼吸鏈產(chǎn)呼吸鏈產(chǎn)生生6/3=2個個ATP計(jì)算線粒體中計(jì)算線粒體中1mol琥珀酰琥珀酰CoA生成生成OAA的的P/Ol琥珀酰琥珀酰CoA琥珀酸，產(chǎn)生琥珀酸，產(chǎn)生1mol GTP，不消耗不消耗O； l琥珀酸琥珀酸延胡索酸，產(chǎn)生延胡索酸，產(chǎn)生1 mol FADH2，通過電通過電子傳遞鏈將合成子傳遞鏈將合成1.5mol ATP，消耗消耗1mol O；l蘋果酸蘋果酸OAA，產(chǎn)生，產(chǎn)生1 mol NADH，通過電子傳通過電子傳遞鏈將合成遞鏈將合成2.5mol ATP，消耗消耗1mol O

16、； OP 0 + 1 + 1= 2.51 + 1.5 + 2.5三、氧化磷酸化的能量偶聯(lián)機(jī)制三、氧化磷酸化的能量偶聯(lián)機(jī)制 - 化學(xué)滲透學(xué)說化學(xué)滲透學(xué)說l目前被普遍接受的假說目前被普遍接受的假說lP.Mitchell 獲獲1978年諾貝爾化學(xué)獎年諾貝爾化學(xué)獎l要點(diǎn)：要點(diǎn)：1、各電子傳遞體在內(nèi)膜上各有其特定的位置，、各電子傳遞體在內(nèi)膜上各有其特定的位置，催化定向的反應(yīng)；催化定向的反應(yīng)；2、部分傳遞體利用、部分傳遞體利用電子傳遞的能量電子傳遞的能量將將H+泵出內(nèi)膜；泵出內(nèi)膜；3、由于、由于H+不能自由透過內(nèi)膜，造成不能自由透過內(nèi)膜，造成H+跨膜濃度梯度，跨膜濃度梯度，形成跨膜電位差（形成跨膜電位差（

17、E）；）；4、H+通過通過ATP合酶合酶返回基質(zhì)，伴隨返回基質(zhì)，伴隨E的抵消，釋的抵消，釋放的能量推動放的能量推動ADP磷酸化成磷酸化成ATP。證據(jù)：證據(jù)：1）氧化磷酸化時線粒體基質(zhì)內(nèi)的）氧化磷酸化時線粒體基質(zhì)內(nèi)的pH值高于內(nèi)膜外側(cè)值高于內(nèi)膜外側(cè)的，說明基質(zhì)內(nèi)的的，說明基質(zhì)內(nèi)的H+少少2）不進(jìn)行氧化或阻斷電子傳遞，人為造成膜兩側(cè)）不進(jìn)行氧化或阻斷電子傳遞，人為造成膜兩側(cè)pH梯度，也有梯度，也有ATP生成生成3）電子傳遞體形成的電子流能將）電子傳遞體形成的電子流能將H+逐出內(nèi)膜逐出內(nèi)膜前提：前提：線粒體內(nèi)膜或亞線粒體囊泡的完整性線粒體內(nèi)膜或亞線粒體囊泡的完整性不足：不足：沒有說明沒有說明H+如何

18、泵到膜外？如何泵到膜外？四、四、ATP合成機(jī)制合成機(jī)制-FoF1-ATP合酶合酶v定位定位：線粒體內(nèi)膜表面：線粒體內(nèi)膜表面 球狀顆粒球狀顆粒v組成組成： F0 ：柄柄，嵌入內(nèi)膜，嵌入內(nèi)膜，4種種6條肽鏈。條肽鏈。 F1：頭頭，伸向線粒體基質(zhì)，伸向線粒體基質(zhì)，5種種9條肽鏈。條肽鏈。v功能功能： F0：質(zhì)子通道；：質(zhì)子通道； F1：催化：催化ATP合成的部位。合成的部位。當(dāng)膜外當(dāng)膜外H+經(jīng)質(zhì)子通道到達(dá)經(jīng)質(zhì)子通道到達(dá)F1時便推動時便推動ATP的合成的合成Boyer旋轉(zhuǎn)催化理論旋轉(zhuǎn)催化理論五、氧化磷酸化的阻斷五、氧化磷酸化的阻斷不能合成不能合成ATP的原因：的原因：l呼吸鏈不能傳遞電子呼吸鏈不能傳遞

19、電子電子傳遞抑制劑電子傳遞抑制劑l不能產(chǎn)生跨膜電位差不能產(chǎn)生跨膜電位差解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑lATP合酶不能合成合酶不能合成ATP氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑l概念概念：將電子傳遞過程和：將電子傳遞過程和ADP生成生成ATP的過程的過程分離的物質(zhì)。分離的物質(zhì)。l能抑制能抑制ATP的形成，但不抑制電子傳遞。的形成，但不抑制電子傳遞。l解偶聯(lián)劑：解偶聯(lián)劑：2,4-二硝基苯酚二硝基苯酚（DNP）l作用：作用：攜帶攜帶H+跨膜擴(kuò)散，消除跨膜擴(kuò)散，消除H+梯度。梯度。1、解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑（uncoupler）電子傳遞與磷酸電子傳遞與磷酸化脫離，化脫離，能量全能量全部轉(zhuǎn)化為熱部轉(zhuǎn)化為熱非非戰(zhàn)栗性產(chǎn)熱戰(zhàn)栗性產(chǎn)熱l熊（冬眠）熊（冬眠）l初生嬰兒初生嬰兒l初生哺乳動物初生哺乳動物維持體溫維持體溫2、氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑（inhibitor）l 結(jié)合到結(jié)合到Fo亞基上，抑制亞基上，抑制H+通過通過Fo。l 代表代表：寡霉素：寡霉素六、線粒體穿梭系統(tǒng)六、線粒體穿梭系統(tǒng)l真核真核細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞質(zhì)中的中的NADH必須進(jìn)入線粒體，必須進(jìn)入線粒體，才能經(jīng)呼吸鏈氧化并生成才能經(jīng)呼吸鏈氧化并生成ATP。