第七章生物氧化

第七章生物氧化第一節(jié)生物氧化的概念與特點第二節(jié)生物氧化與生物能第三節(jié)生物氧化體系第四節(jié)氧化磷酸化作用第一節(jié)生物氧化的概念與特點一、生物氧化的概念生物氧化（biologicaloxidation）又稱細胞氧化或細胞呼吸，指的是有機物質在生物體內所進行的氧化作用。生物氧化在化養(yǎng)生物的能量獲取過程中具有決定性的作用，因為營養(yǎng)物分子中的化學能是在分解代謝的不同階段被逐步地釋放出來的，這些化學鍵能的釋放幾乎都是通過氧化還原反應來完成的。第一節(jié)生物氧化的概念與特點二、生物氧化的特點生物氧化是在細胞溫和的條件下，經歷許多復雜的酶促反應歷程而逐步完成的。生物氧化中的能量也是逐步釋放出來的。這些被釋放出來的能量一部分轉變成熱能，一部分用來推動ATP分子中高能磷酸鍵的形成。進行生物氧化的代謝物分子大多是有機物，它們在氧化時除了失去電子外，還要失去質子，一個電子和一個質子相當于一個氫原子。所以生物氧化反應往往也是脫氫反應。并且，生物體中的氧化還原反應總是同時包含兩個電子的轉移。生物氧化過程還受到生物體的精確調節(jié)，這種調節(jié)控制著生物氧化的速率能正好滿足生物體對ATP的需要。第一節(jié)生物氧化的概念與特點三、有氧氧化和無氧氧化

生物氧化并非僅在有氧條件下發(fā)生，無氧條件下也能進行。需氧生物和兼性生物在有氧條件下，以氧作為最終電子受體所進行的氧化作用，叫有氧氧化（aerobicoxidation）。

專性厭氧生物和兼性生物在缺氧條件下，最終電子受體不是氧，電子交給了營養(yǎng)物分解代謝過程產生的某種有機分子，或者某些外源性電子受體，如硝酸鹽、亞硝酸鹽等。這種不需要氧參加的生物氧化過程叫無氧氧化（anaerobicoxidation）。

第二節(jié)生物氧化與生物能一、氧化還原電位

標準氧化還原電位非標準狀態(tài)下的氧化還原電位二、氧化還原電位與自由能一、氧化還原電位對于任意一個氧化還原反應，如：我們可以將其分成兩部分：任意一種可氧化（或可還原）物質的氧化型和還原型（氧化型+e/還原型）稱為一個氧化還原對或半電池。

標準氧化還原電位

標準生物學狀態(tài)下（25oC，1atm，1M，pH=7），半電池的氧化態(tài)物質接受電子的能力表示為標準氧化還原電位（Eo’）。為使Eo有確定的數值，規(guī)定在標準狀態(tài)下（pH=0，H2氣的分壓為1個大氣壓）時，2H+/H2的氧化還原電位：Eo=0.00V。任意一個半電池的標準氧化還原電位（Eo’）可利用標準氫半電池（2H+/H2）作為參比電極測定出來

由于不同底物具有不同的氧化還原能力，就會產生不同的電流，其方向或正或負。如果電流流向樣品半電池，表明H+／H2對失去電子，發(fā)生氧化反應，同時，樣品半電池中發(fā)生還原作用，該氧化還原對定為正值；相反，如果電流從樣品半電池流出，該氧化還原對的還原電位規(guī)定為負值，這時樣品半電池中發(fā)生的是氧化作用。還原電位的數值是在實驗開始時從電位計讀出的伏特數。還原型氧化型E0’（V）n丙酮酸乙酸+CO2-0.702-酮戊二酸琥珀酸+CO2-0.672乙醛乙酸-0.5823-磷酸甘油醛3-磷酸甘油酸-0.552異檸檬酸-酮戊二酸-0.382NADH+H+HAD+-0.3223-磷酸甘油醛+Pi1,3-二磷酸甘油酸-0.292乙醇乙醛-0.1972乳酸丙酮酸-0.1852FADH2FAD-0.182蘋果酸草酰乙酸-0.1662琥珀酸延胡索酸-0.0312細胞色素b（Fe2+）細胞色素b（Fe3+）+0.061泛醌（還原型）泛醌（氧化型）+0.102細胞色素c（Fe2+）細胞色素c（Fe3+）+0.221細胞色素a（Fe2+）細胞色素a（Fe3+）+0.291H2H++0.4212Fe2+Fe3++0.771H2OO2+0.8162一些生物學上常見的氧化還原對的標準半電池電位

非標準狀態(tài)下的氧化還原電位在非標準條件下實際的氧化還原電位（E’）可用Nernst方程計算：其中，R為氣體常數（8.314J／mol·K）T為絕對溫度n為每分子轉移的電子數F為法拉第常數（96.485kJ／V·mol）。因此：在250C，n＝2時：2.303RT／nF項值為0.03。二、氧化還原電位與自由能氧化還原反應的標準自由能（freeenergy）變化（G0’）與兩個半反應的氧化還原電位之間差值（

E0’）成線性關系：標準狀態(tài)下：G0’＝-nFE0’＝-nF（E0’受體-E0’供體）非標準狀態(tài)下：

ΔG=-nFΔEG0’：氧化還原反應的標準自由能變化

n：反應中每分子反應物的電子傳遞數目F：法拉第常數（23.062kcal/mol·V）

E0’：兩個氧化還原對之間標準氧化還原電位差值

第三節(jié)生物氧化體系一、生物氧化體系的類型

不需傳遞體的生物氧化體系

代謝物經氧化酶或需氧脫氫酶催化進行的脫氫反應屬于這種類型。

需傳遞體的生物氧化體系

這是生物體內的主要氧化體系，由不需氧脫氫酶和多個電子傳遞體組成。可以分成兩個階段：第一階段是在一些分解代謝的途徑中，代謝中間物發(fā)生氧化，將電子傳遞給某種輔酶（NAD+、FAD或NADP+）。第二階段是還原后的輔酶（NADH或FADH2）被重新氧化。

第三節(jié)生物氧化體系二、呼吸鏈1.呼吸鏈的概念生物氧化體系中的傳遞體所組成的電子傳遞體系（electrontransportsystem）稱為呼吸鏈，或叫電子傳遞鏈（electrontransportchain）。

2.呼吸鏈的組成組成呼吸鏈的電子傳遞體包括四種蛋白質復合體（NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、輔酶QH2-細胞色素c氧化還原酶和細胞色素c氧化酶）、一個單體蛋白（細胞色素c）和一個有機物分子（輔酶Q）。3.電子傳遞的順序

外膜小分子物質、離子可自由通過內膜大多數小分子、離子不能通過電子傳遞體、ATP合成酶位于其中ATP合成酶嵴基質核糖體外膜通道膜間空隙

線粒體結構示意圖

線粒體結構示意圖傳遞體分子量亞基數輔基NADH脫氫酶（復合體Ⅰ）850,00042FMN，Fe-S琥珀酸脫氫酶（復合體Ⅱ）140,0004FAD，Fe-S輔酶Q862

輔酶QH2-細胞色素c氧化還原酶（復合體Ⅲ）250,00011血紅素，Fe-S細胞色素c13,0001血紅素胞色素c氧化酶（復合體Ⅳ）204,00013血紅素，Cu電子傳遞體的種類位于線粒體內膜上的電子傳遞體電子傳遞的順序細胞中存在有兩種電子傳遞鏈：一種叫NADH傳遞鏈，另一種叫FADH2傳遞鏈。第一種傳遞鏈負責傳遞以NAD＋為輔酶的不需氧脫氫酶氧化底物所得來的電子。從NADH至分子氧的整個電子傳遞過程發(fā)生在三個連續(xù)的膜結合傳遞體（復合體Ⅰ-、復合體Ⅲ和復合體Ⅳ）上。在傳遞過程中涉及到兩個可移動的成分：脂溶性的輔酶Q和水溶性的細胞色素c。電子傳遞的順序是：代謝物→NADH→復合體Ⅰ→輔酶Q→復合體Ⅲ→細胞色素c→復合體Ⅳ→氧電子傳遞的順序第二條傳遞鏈負責傳遞以FAD為輔基的不需氧脫氫酶（琥珀酸脫氫酶是其代表）氧化底物所得來的電子。電子從FADH2到分子氧的傳遞順序是：代謝物→復合體Ⅱ（FADH2）→輔酶Q→復合體Ⅲ→細胞色素c→復合體Ⅳ→氧兩條傳遞鏈的后半部分（輔酶Q→→→氧）是相同的。

第四節(jié)氧化磷酸化作用一、電子傳遞過程自由能的變化

二、氧化磷酸化作用的偶聯(lián)機制

化學偶聯(lián)學說化學滲透偶聯(lián)學說三、ATP合成酶四、P/O比值五、氧化磷酸化作用的抑制和解偶聯(lián)

一、電子傳遞過程自由能的變化電子傳遞的順序基本上是按照標準氧化還原電位由低到高的順序排列的。

從NADH（-0.32V）到O2（+0.816V）的

E0’=1.14V，相當于G0’＝-nFE0’＝-2（23.062kcal/molV）（1.14V）=-52.58kcal/mol；從FADH2（-0.18）到O2（+0.816V）的

E0’=1.00V，相當于G0’＝-nFE0’＝-2（23.062kcal/molV）（1.00V）=-46.12kcal/mol。而ADP和Pi生成ATP的G0’＝+7.3kcal/mol說明電子傳遞所釋放的自由能足以推動ATP的合成。二、氧化磷酸化作用的偶聯(lián)機制化學偶聯(lián)學說由E.C.Slater在1953年首先提出，按照這一假說，氧化磷酸化作用和呼吸鏈之間通過高能中間物（其中包括有高能磷酸化中間物）偶聯(lián)起來?；瘜W偶聯(lián)學說曾經得到過普遍的支持，許多支持者還開展了尋找高能中間物的工作，但經過多年的努力，這種中間物始終未能得到。后來Slater本人也承認化學偶聯(lián)假說“幾乎肯定是不正確的”。二、氧化磷酸化作用的偶聯(lián)機制化學滲透偶聯(lián)學說一個全新的學說在1961年被英國生物化學家PeterMitchell提出。這一假說一提出來就遭到了強烈的反對，因為它偏離了生物力能學的基本觀念，但是后來大量積累的事實證明這一假說是正確的。這一學說不僅解釋了氧化磷酸化和電子傳遞的偶聯(lián)機制，而且極大地影響著我們認識生物體系中能量轉化過程的思維方式。Mitchell也因此在1978年贏得了Nobel化學獎。

化學滲透偶聯(lián)學說按照化學滲透偶聯(lián)學說的假定，電子傳遞和氧化磷酸化作用是通過質子濃度梯度偶聯(lián)起來的。電子在呼吸鏈中的傳遞伴隨著質子從線粒體基質中的泵出，結果造成線粒體內膜兩側質子濃度的差別（質子濃度梯度），基質中質子的濃度低于膜外側質子的濃度，同時產生一種膜電勢，膜外側為正。這樣一種電化學狀態(tài)儲存了電子傳遞過程所釋放的部分自由能，形成由膜外到膜內的質子遷移力（proton-motiveforce）。隨后，膜外側的質子通過特殊的通道返回基質，并推動ATP的合成。

1)

實驗測得當進行電子傳遞時線粒體外的質子濃度的確升高。每對電子通過復合體Ⅰ和復合體Ⅲ時，分別有四個質子從基質中泵出；通過復合體Ⅳ時有兩個質子從基質中泵出。所以，處于正常狀態(tài)下的線粒體，每對電子從NADH通過呼吸鏈傳遞到氧時有十個質子被泵出；每對電子從FADH2傳遞到氧時有六個質子從基質中泵出。破損的線粒體內膜（例如，當將線粒體置于高滲的溶液中時，由于溶脹作用線粒體內膜遭到破壞）能夠繼續(xù)進行電子的傳遞，但不再有ATP的合成。3)

化學滲透偶聯(lián)學說的正確性被許多實驗事實所證明：當人為地將一質子濃度梯度強加于線粒體或葉綠體時，在沒有電子傳遞的情況下也有ATP的合成。這一結果是在1966年由A，Jagendorf在葉綠體上首先證實的。由于在葉綠體上的pH梯度正好與線粒體上的相反，類囊體盤里面質子濃度比膜外要高。Jagendorf首先把葉綠體保持在pH4中幾個小時，使類囊體盤內容物在這種pH中達到平衡，然后突然地將葉綠體轉移至pH8的緩沖液中，從而誘發(fā)出跨類囊體膜的暫時pH梯度。結果使類囊體盤外基質的堿性大于盤里。在加入ADP和無機磷時就觀察到ATP突發(fā)性合成，pH梯度隨之消失。同樣的結果在線粒體中也觀察到。能夠破壞質子濃度梯度的物質（如2,4－二硝基苯酚，能夠攜帶質子穿過線粒體內膜）使氧化磷酸化和電子傳遞解偶聯(lián)?；瘜W滲透偶聯(lián)學說的正確性被許多實驗事實所證明：三、ATP合成酶ATP合成酶（又叫FoF1－ATP合成酶或FoF1－ATPase）的研究開始于1960年，通過電子顯微鏡觀察到在線粒體內膜上有大量直徑約為85nm的“球形把手”狀突出物，在細菌細胞的質膜內表面也能看到相同的結構。E．Racker發(fā)現機械攪動能使“球形把手”狀突出物從亞線粒體膜上脫落，而脫落后的膜仍能進行電子傳遞但不能再合成ATP。當將突出物放回到脫落顆粒上時，ATP合成能力又被恢復，這有力地說明了這種突出物和ATP的合成有關。進一步的研究表明ATP合成酶有兩部分組成：“球形把手”的球形部分具有ATP酶活性，叫F1，另外一部分叫F0。F1部分是含有九個亞基的聚合物，其中包括五種不同的亞基（α3β3γδε），三個α亞基和三個β亞基交替排列形成的六聚體坐落在“棒狀”的γ亞基的頭上；F0部分是質子的通道，含有三種類型的亞基（ab2c10-12）。每一個c亞基形成兩個穿過膜的螺旋，10－12個c亞基在膜的平面上形成一個環(huán)。γε亞基牢固地固定在c亞基所形成的環(huán)上。ATP合成酶結構示意圖ATP合成酶的功能是奇特的，正像Boyer所說：“所有的酶都是美麗的，但ATP合成酶是最美麗的、同時也是最不尋常和最重要的酶之一?！盉oyer對ATP合成酶的贊美是有理由的，首先，ATP合成酶是自然界中存在最普遍和最豐富的蛋白質之一，它的結構在漫長的生物進化過程當中變化很??；其次，ATP合成酶的作用方式非常特別。它像一個微型馬達，在質子通過Fo時能引起部分亞基（c和γε）的轉動，由于γ亞基的不對稱性，它的轉動引起β亞基構象的改變。γ亞基的轉動是不連續(xù)的，每一次轉動1200，使得三個β亞基依次在三種構象之間轉變。β亞基的三種構象形式具有不同的結合核苷酸能力：一種構象形式（βDP）結合ADP和Pi，另一種構象形式（βTP）結合ATP，第三種構象形式（βE）不與核苷酸結合。這種結合變化機制（bindingchangemechanism）的假說是PaulBoyer在1977年提出的，十多年后，JohnWalker對這種假說進行了驗證。兩人因此共同獲得了1997年的Nobel化學獎。四、P/O比值

P/O比值用來表示呼吸作用中每利用1個氧原子所生成ATP的分子數。由于每個氧原子可以接受2個電子，P/O比值相當于1對電子從還原型輔酶（或其他電子供體）經過呼吸鏈傳遞到氧時合成ATP的分子數。近年來的實驗表明，以NADH作為電子供體時，P/O比值為2.5；以FADH2作為電子供體時P/O比值為1.5。一對電子從NADH傳遞到氧的過程中共有10個H＋從線粒體基質中泵出。其中，在復合體Ⅰ的位置泵出4個，復合體Ⅲ的位置泵出4個，復合體Ⅳ的位置泵出2個。每合成一分子ATP需要有3個H＋從線粒體外返回到基質，同時ADP、Pi進入線粒體和ATP從線粒體中移出相當于一個H＋進入基質。也就是說每合成一分子ATP共需要3＋1＝4個H＋返回線粒體基質。所以一個NADH的氧化可產生10／4＝2.5個ATP；一對電子從FADH2傳遞到氧共有6個H＋從線粒體的基質中泵出。其中，復合體Ⅲ的位置泵出4個，復合體Ⅳ的位置泵出2個。所以FADH2的氧化可產生6／4＝1.5個ATP。但在細菌中不存在線粒體，沒有ATP的轉移，少消