生物氧化與氧化磷酸化2

新陳代謝是生物與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換與能量交換的全過程，是生物體內(nèi)一切化學(xué)變化的總稱，是生物體表現(xiàn)其生命活動(dòng)的重要特征之一，這種新陳代謝一旦停止，生命就隨之停止，結(jié)果便是蛋白體的分解。第一節(jié)新陳代謝水解時(shí)釋放自由能大于21kJ/moL的化學(xué)鍵稱之為高能?。╡nergy-richbond），常用符號(hào)“~”表示。一、高能鍵類型二、ATP（三磷酸腺苷、腺苷三磷酸）三、其它高能磷酸化合物第二節(jié)高能化合物一、高能化合物類型二、ATP腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-+++Mg2+

在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個(gè)磷酸基團(tuán)完全解離成帶4個(gè)負(fù)電荷的離子形式（ATP4-），具有較大勢(shì)能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因而水解自由能很大（=-30.5kJ·mol-1）。

G′ATP4-+H2O＝ADP3-+Pi2-+H+

＝-30.5kJ·mol-1

ATP3-+H2O＝ADP2-+Pi2-+H+

＝-33.1kJ·mol-1

G′

G′在生物體代謝過程中，氧化放能反應(yīng)和生物合成等需能反應(yīng)互相聯(lián)系，但是多數(shù)情況下，產(chǎn)能反應(yīng)和需能反應(yīng)之間不直接偶聯(lián)，彼此間的能量供求關(guān)系主要通過ATP進(jìn)行傳遞。ATP的特殊作用★

“能量通貨”★

磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的中間載體～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移能磷酸烯醇式丙酮酸1,3-二磷酸甘油酸磷酸肌酸（磷酸基團(tuán)儲(chǔ)備物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油三、其它高能磷酸化合物1、生物氧化的三個(gè)階段及氧化特點(diǎn)2、生物氧化的方式3、產(chǎn)物生成：CO2、H2O

糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化（biologicaloxidation），其實(shí)質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼吸代謝過程中所進(jìn)行的一系列氧化還原反應(yīng)過程。第三節(jié)生物氧化脂肪葡萄糖、其它單糖蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoA小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）中間物進(jìn)入TCA，脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞給氧生成H2O，并釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲(chǔ)存在ATP中。大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位

生物氧化的三個(gè)階段三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）e-磷酸化+Pi

H2OO=1\2O22H+生物氧化的特點(diǎn)

在活細(xì)胞內(nèi)、溫和的生理?xiàng)l件下進(jìn)行的。一般是在一系列酶和中間傳遞體的作用下逐步進(jìn)行的。能量主要在氫的氧化過程中逐步釋放，釋放的化學(xué)能可轉(zhuǎn)化成高能鍵形式的生物能，貯存在一些特殊的高能化合物中。生物氧化有嚴(yán)格的細(xì)胞空間定位。在真核生物細(xì)胞內(nèi)，生物氧化都在線粒體內(nèi)進(jìn)行，在不含線粒體的原核生物細(xì)胞內(nèi)，生物氧化則在細(xì)胞膜上進(jìn)行。生物氧化反應(yīng)與體外氧化反應(yīng)的化學(xué)本質(zhì)一樣，都是電子的得失過程。在生物氧化中，既能接受氫（或電子）又能供給氫（或電子）的物質(zhì)，起傳遞氫（或電子）的作用，稱為傳遞氫載體（或電子載體，electroncarriers）。在反應(yīng)形式上，生物氧化反應(yīng)有失電子氧化、加氧氧化、脫氫氧化、加水脫氫氧化等。2、生物氧化的方式1.失電子氧化反應(yīng)4.加水脫氫氧化反應(yīng)2.加氧氧化反應(yīng)3.脫氫氧化反應(yīng)CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。

類型：直接脫羧和氧化脫羧α-脫羧和β-脫羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH

O丙酮酸脫氫酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2RH2O的生成

生物體內(nèi)水生成的方式大致可分為兩種：一種是直接由底物脫水，另一種是通過呼吸鏈生成水。

底物脫水例：由呼吸鏈生成水代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脫氫酶例：1\2O2NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO=2H+一、概念

線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場(chǎng)所，底物在這里氧化所產(chǎn)生的NADH和FADH2將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過一系列氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給O2生成H2O。這種由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈(electrontransferchain,ETC)，因?yàn)槠涔δ芎秃粑饔弥苯酉嚓P(guān)，亦稱為呼吸鏈。在具有線粒體的生物中，典型的呼吸鏈由一系列的氫傳遞體和電子傳遞體組成。包括NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈兩種。

第四節(jié)線粒體電子傳遞體系NADH呼吸鏈H2O12O2O2-MH2還原型代謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+細(xì)胞色素b-c1-c-aa3FeS2H+M氧化型代謝底物FADH2呼吸鏈FADFADH2琥珀酸FeS2Fe2+2Fe3+細(xì)胞色素b-c1

-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-H2O延胡索酸2H+NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈

FADH2

↓FeS↓

NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2NADH呼吸鏈FADH2呼吸鏈二、ETC的組成及遞電子機(jī)理1.黃素蛋白酶類（flavoproteins，F(xiàn)P）2.鐵-硫蛋白類（iron-sulfurproteins）3.輔酶Q（CoQ）（ubiquinone，亦稱泛醌）4.細(xì)胞色素類（cytochromes）NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等復(fù)合物II復(fù)合物IV復(fù)合物I復(fù)合物IIINADH脫氫酶輔酶Q-細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素氧化酶琥珀酸脫氫酶黃素蛋白酶類

特點(diǎn)：以FMN(黃素單核苷酸)或FAD(黃素腺嘌呤二核苷酸)為輔基，酶蛋白為細(xì)胞膜組成蛋白類別：黃素脫氫酶類（如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶）需氧脫氫酶類（如L-氨基酸氧化酶）加單氧酶（如賴氨酸羥化酶）遞氫機(jī)理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2CoQ遞氫原理：CoQ+2HCoQH2脂溶性醌類化合物，分子較小，可在線粒體內(nèi)膜的磷脂雙分子層的疏水區(qū)自由擴(kuò)散。功能基團(tuán)是苯醌，通過醌/酚的互變傳遞氫，Q（醌型結(jié)構(gòu)）很容易接受2個(gè)電子和2個(gè)質(zhì)子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出2個(gè)電子和2個(gè)質(zhì)子，重新氧化成Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。

鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)及遞電子機(jī)理主要以（Fe-S）、（2Fe-2S）或（4Fe-4S）形式存在，鐵硫聚簇與蛋白質(zhì)結(jié)合稱為鐵硫蛋白。傳遞電子機(jī)理：Fe3+Fe2+-e+e細(xì)胞色素的結(jié)構(gòu)和遞電子機(jī)理傳遞電子機(jī)理：Fe3+Fe2+-e+e一類以鐵卟啉為輔基的色素蛋白。一、概念二、偶聯(lián)部位、磷氧比（P/O）及能荷三、氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制四、氧化磷酸化的抑制作用第五節(jié)氧化磷酸化作用代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用于合成ATP（即ADP+Pi→ATP），這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化（oxidativephosphorylation），它是需氧生物合成ATP的主要途徑。有兩種方式。

底物水平磷酸化（substratelevelphosphorlation）當(dāng)?shù)孜锇l(fā)生脫氫或脫水時(shí)，分子內(nèi)部能量重新分布而形成高能磷酸鍵（或高能硫酯鍵），然后高能鍵把能量轉(zhuǎn)移給ADP（或GDP）生成ATP（或GTP）的過程，稱為底物水平磷酸化作用。一、概念電子傳遞水平磷酸化(Electrontransportlevelphosphorylation)指代謝底物在生物氧化中脫掉的氫，經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧，化合成水的過程中釋放的能量（放能）與ADP磷酸化生成ATP（吸能）相偶聯(lián)的過程。磷酸化氧化偶聯(lián)偶聯(lián)部位

ETC中，電子在傳遞體之間轉(zhuǎn)移時(shí)釋放的能量如可滿足ADP→ATP的需要時(shí)，即視為氧化磷酸化的偶聯(lián)部位(coupledsite)或氧化磷酸化位點(diǎn)。根據(jù)熱力學(xué)測(cè)定，當(dāng)電子從NADH經(jīng)呼吸鏈傳遞到氧時(shí)，有三處可以產(chǎn)生ATP：NADH和CoQ之間、Cytb和Cytc之間、Cytaa3和O2之間。

呼吸過程中無機(jī)磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值稱為磷氧比。P/O的數(shù)值相當(dāng)于一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。到目前為止，電子傳遞鏈中一分子NADH或FADH2被氧化所泵出的質(zhì)子數(shù)，以及ATP合酶合成一個(gè)ATP所需的質(zhì)子數(shù)仍然都是未知，對(duì)此，已有很多實(shí)驗(yàn)試圖計(jì)算這兩個(gè)值，但仍未取得一致意見。對(duì)于電子傳遞鏈，目前最公認(rèn)的結(jié)論是一個(gè)NADH被氧化泵出10個(gè)質(zhì)子，一個(gè)FADH2被氧化泵出6個(gè)。而合成一分子ATP大約需要4個(gè)質(zhì)子內(nèi)流。因此，對(duì)于NADH，P/O值約為2.5，而FADH2的P/O值約為1.5。磷氧比（P/O）NADHFADH2O212H2OH2ONADH呼吸鏈：P/O≌

3ADP+PiATPFADH2呼吸鏈：P/O≌

2O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP然而也有的教科書認(rèn)為P/O值分別為3和2。定義式：能荷=—————————[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]意義：能荷由ATP、ADP和AMP的相對(duì)數(shù)量決定，數(shù)值在0~1之間，反映細(xì)胞能量水平。能荷對(duì)代謝的調(diào)節(jié)可通過ATP、ADP和AMP作為代謝中某些酶分子的別構(gòu)效應(yīng)物進(jìn)行變構(gòu)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。能荷相對(duì)速率ATP的利用途徑

ATP的生成途徑能荷對(duì)ATP的生成途徑和ATP的利用途徑相對(duì)速率的影響能荷三、氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制關(guān)于氧化和磷酸化的偶聯(lián)，曾提出了三種假說：化學(xué)偶聯(lián)假說（chemicalcouplinghypothesis）化學(xué)滲透假說(chemiosmotictheory)。構(gòu)象變化假說(conformationalcouplinghypothesis)化學(xué)偶聯(lián)假說是愛德華?斯萊特（EdwardC.Slater）于1953年提出。認(rèn)為在電子傳遞過程中生成高能中間物，再由高能中間物裂解釋放的能量驅(qū)動(dòng)ATP的合成。這一假說可以解釋底物磷酸化，但在電子傳遞體系的磷酸化中尚未找到高能中間物?；瘜W(xué)滲透假說chemiosmotichypothesis1961年由英國生物化學(xué)家PeterMitchell最先提出。認(rèn)為：電子傳遞釋放的自由能和ATP的合成是與一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度相偶聯(lián)的。即電子傳遞釋放的自由能驅(qū)動(dòng)H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)入膜間隙，從而形成跨線粒體內(nèi)膜的H+離子梯度，及一個(gè)電位梯度。這個(gè)跨膜的電化學(xué)電勢(shì)驅(qū)動(dòng)ATP的合成。NADH呼吸鏈中的三個(gè)復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ起著質(zhì)子泵的作用，將H+

從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜泵入膜間隙。H+不斷從內(nèi)膜內(nèi)側(cè)泵至內(nèi)膜外側(cè)，而又不能自由返回內(nèi)膜內(nèi)側(cè)，從而在內(nèi)膜兩側(cè)建立起質(zhì)子濃度梯度和電位梯度即電化學(xué)梯度，也稱為質(zhì)子動(dòng)力。當(dāng)存在足夠的跨膜電化學(xué)梯度時(shí)，強(qiáng)大的質(zhì)子流通過嵌在線粒體內(nèi)膜的F0F1-ATP合酶返回基質(zhì)，質(zhì)子電化學(xué)梯度蘊(yùn)藏的自由能釋放，推動(dòng)ATP的合成。獲得1978年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)化學(xué)滲透假說示意圖化學(xué)滲透假說示意圖2H+2H+2H+2H+NADH+H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2e-+++++++++__________質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜磷酸化

氧化

線粒體ATP合酶ATP酶復(fù)合體F0：為疏水蛋白質(zhì)，是鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中的質(zhì)子通道。F1：為親水蛋白質(zhì)，由3

3

亞基組成，催化生成ATP。OSCP：寡霉素敏感相關(guān)蛋白，位于F0與F1之間，使ATP合酶在寡霉素存在時(shí)不能生成ATP。OSCPF1H+通道FO柄DCCD結(jié)合蛋白基質(zhì)表面外表面構(gòu)象變化假說

美國科學(xué)家保羅?博耶（PaulBoyer）為解釋ATP酶作用機(jī)理，于1964年提出構(gòu)象變化假說（現(xiàn)稱旋轉(zhuǎn)催化假說）。認(rèn)為電子傳遞使線粒體內(nèi)膜的蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化，推動(dòng)了ATP的生成。1994年，英國科學(xué)家約翰?沃克（JohnE.Walker利用牛心線粒體F1-ATP酶的晶體結(jié)構(gòu)，證明了在ATP酶合成ATP的催化循環(huán)中，三個(gè)β亞基的確有不同構(gòu)象，從而有力地支持了保羅?博耶的假說。旋轉(zhuǎn)催化假說認(rèn)為，ATP合酶β亞基有三種不同的構(gòu)象，一種構(gòu)象（L）有利于ADP和Pi結(jié)合，一種構(gòu)象（T）可使結(jié)合的ADP和Pi合成ATP，第三種構(gòu)象（O）使合成的ATP容易被釋放出來。在ATP合成過程中，三個(gè)β亞基依次進(jìn)行上述三種構(gòu)象的交替變化，所需能量由跨膜H+提供。1997年，PaulD.Boyer、JohnE.Walker與丹麥科學(xué)家JensC.Skou共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。ATP酶作用機(jī)理ADP+PiProtonFluxH+ATP+H2O

ATPADP+PiProtonFlux利于ADP與Pi結(jié)合的構(gòu)象利于ADP與Pi生成的構(gòu)象利于ATP釋放的構(gòu)象ATPase的旋轉(zhuǎn)模型IIIIVIII定子轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)催化理論認(rèn)為質(zhì)子流通過Fo引起亞基III寡聚體和及亞基一起轉(zhuǎn)動(dòng)，這種旋轉(zhuǎn)配置/亞基之間的不對(duì)稱的相互作用，引起催化位點(diǎn)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變，亞基的中心-螺旋被認(rèn)為是轉(zhuǎn)子，亞基I和II與亞基組合在一起組成定子，它壓住/異質(zhì)六聚體。四、氧化磷酸化的抑制作用依據(jù)抑制機(jī)制不同，分為解偶聯(lián)劑、磷酸化抑制劑和電子傳遞抑制劑。1、氧化磷酸化解偶聯(lián)（uncoupling）某些化合物能消除跨膜的質(zhì)子濃度梯度或電位梯度，使ATP不能合成，這種作用稱為解偶聯(lián)作用，這類化合物成為解偶聯(lián)劑（uncoupler）。解偶聯(lián)劑不抑制電子傳遞，不抑制底物水平的磷酸化。NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+線粒體內(nèi)膜內(nèi)外2,4-二硝基苯酚(DNP)2、氧化磷酸化抑制劑抑制劑（depressant）與解偶聯(lián)劑的區(qū)別在于這類試劑不僅直接作用于ATP合酶而抑制ATP的合成，同時(shí)還抑制（降低）O2的利用率，從而間接抑制電子傳遞。（區(qū)別于電子傳遞鏈抑制劑）2H+2H+2H+