生物氧化三羧酸循環(huán)

關于生物氧化三羧酸循環(huán)概述維持生命活動的能量來源：光能（太陽能）：植物和某些藻類，通過光合作用將光能轉變成生物能?；瘜W能：動物和大多數的微生物，通過生物氧化作用將有機物質（主要是各種光合作用產物）存儲的化學能釋放出來，并轉變成生物能。第2頁,共82頁，2024年2月25日，星期天概述生物氧化有機物質在生物體內的氧化作用，稱為生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又稱為呼吸作用。在整個生物氧化過程中，有機物質最終被氧化成CO2和水，并釋放出能量。第3頁,共82頁，2024年2月25日，星期天生物代謝

生物代謝是指生物活體與外界環(huán)境不斷進行的物質（包括氣體、液體和固體）和能量交換的過程。合成代謝一般是指將簡單的小分子物質轉變成復雜的大分子物質的過程。該過程中伴隨著能量的消耗。分解代謝則是將復雜的大分子物質轉變成小分子物質的過程。該過程中伴隨著能量的釋放。包括營養(yǎng)物質的消化吸收、中間代謝以及代謝產物的排泄等階段。生物化學中著重討論中間代謝。第4頁,共82頁，2024年2月25日，星期天生物代謝糖、脂和蛋白質的合成代謝途徑各不相同，但是它們的分解代謝途徑則有共同之處，即糖、脂和蛋白質經過一系列分解反應后都生成了酮酸并進入三羧酸循環(huán)（TCA,tricarboxylicacidcycle），最后被氧化成CO2和H2O。第5頁,共82頁，2024年2月25日，星期天8.1生物氧化的方式和特點8.1.1生物氧化的方式生物氧化是在一系列氧化-還原酶催化下分步進行的。每一步反應，都由特定的酶催化。在生物氧化過程中，主要包括如下幾種氧化方式。脫氫氧化作用、加氧氧化作用和生成二氧化碳的氧化作用第6頁,共82頁，2024年2月25日，星期天脫氫氧化反應（1）直接脫氫在生物氧化中，脫氫反應占有重要地位。它是許多有機物質生物氧化的重要步驟。催化脫氫反應的是各種類型的脫氫酶。第7頁,共82頁，2024年2月25日，星期天烷基脂肪酸脫氫琥珀酸脫氫第8頁,共82頁，2024年2月25日，星期天醛酮脫氫乳酸脫氫第9頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（2）加水脫氫酶催化的醛氧化成酸的反應即屬于這一類。第10頁,共82頁，2024年2月25日，星期天氧直接參加的氧化反應這類反應包括：加氧酶催化的加氧反應和氧化酶催化的生成水的反應。加氧酶能夠催化氧分子直接加入到有機分子中。例如，甲烷單加氧酶

CH4+NADH+O2

CH3-OH+NAD++H2O第11頁,共82頁，2024年2月25日，星期天氧直接參加的氧化反應氧化酶主要催化以氧分子為電子受體的氧化反應，反應產物為水。在各種脫氫反應中產生的氫質子和電子，最后都是以這種形式進行氧化的。第12頁,共82頁，2024年2月25日，星期天生成二氧化碳的氧化反應（1）直接脫羧作用氧化代謝的中間產物羧酸在脫羧酶的催化下，直接從分子中脫去羧基。例如丙酮酸的脫羧。（p.147）第13頁,共82頁，2024年2月25日，星期天生成二氧化碳的氧化反應（2）氧化脫羧作用氧化代謝中產生的有機羧酸（主要是酮酸）在氧化脫羧(氫)酶系的催化下，在脫羧的同時，也發(fā)生氧化（脫氫）作用。例如蘋果酸的氧化脫羧生成丙酮酸。。（p.147）第14頁,共82頁，2024年2月25日，星期天8.1.2生物氧化的特點1.生物氧化是在生物細胞內進行的酶促氧化過程，反應條件溫和（水溶液，pH

7和常溫）。2.氧化進行過程中，必然伴隨生物還原反應的發(fā)生。3.水是許多生物氧化反應的氧供體。通過加水脫氫作用直接參予了氧化反應。4.在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進行的。氧化過程中脫下來的氫質子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水。第15頁,共82頁，2024年2月25日，星期天5.生物氧化是一個分步進行的過程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反應的產物都可以分離出來。這種逐步進行的反應模式有利于在溫和的條件下釋放能量，提高能量利用率。6.生物氧化釋放的能量，通過與ATP合成相偶聯，轉換成生物體能夠直接利用的生物能ATP。8.1.2生物氧化的特點第16頁,共82頁，2024年2月25日，星期天8.2.1生物能和ATP1）ATP是生物能存在的主要形式ATP是能夠被生物細胞直接利用的能量形式。2）生物化學反應的自由能變化生物化學反應與普通的化學反應一樣,也服從熱力學的規(guī)律。8.2生物能及其存在形式第17頁,共82頁，2024年2月25日，星期天8.2.2高能化合物磷酸酯類化合物在生物體的能量轉換過程中起著重要作用。許多磷酸酯類化合物在水解過程中都能夠釋放出自由能。一般將水解時能夠釋放21kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能（

G

’<-21kJ/mol）的化合物稱為高能化合物。第18頁,共82頁，2024年2月25日，星期天8.2.2高能化合物ATP是生物細胞中最重要的高能磷酸酯類化合物。根據生物體內高能化合物鍵的特性可分成以下幾種類型。P.144表7-3第19頁,共82頁，2024年2月25日，星期天

1）磷氧鍵型（—O~P)(1)?；姿峄衔?-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸10.1千卡/摩爾11.8千卡/摩爾第20頁,共82頁，2024年2月25日，星期天(1)?；姿峄衔锇奔柞Ａ姿狨；佘账岚滨；佘账岬?1頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩爾第22頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩爾第23頁,共82頁，2024年2月25日，星期天2）氮磷鍵型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩爾7.7千卡/摩爾這兩種高能化合物在生物體內起儲存能量的作用。第24頁,共82頁，2024年2月25日，星期天3）硫酯鍵型腺苷-5’-磷酸硫酸?；o酶A第25頁,共82頁，2024年2月25日，星期天4）甲硫鍵型S-腺苷甲硫氨酸第26頁,共82頁，2024年2月25日，星期天8.3線粒體呼吸鏈和ATP合成細胞內的線粒體是生物氧化的主要場所，主要功能是將代謝物脫下的氫通過多種酶及輔酶所組成的傳遞體系的傳遞，最終與氧結合生成水。由供氫體、傳遞體、受氫體以及相應的酶催化系統組成的這種代謝途徑一般稱為生物氧化還原鏈，當受氫體是氧時，稱為呼吸鏈。8.3.1線粒體呼吸鏈的組成第27頁,共82頁，2024年2月25日，星期天第28頁,共82頁，2024年2月25日，星期天Overviewofoxidativephosphorilation第29頁,共82頁，2024年2月25日，星期天線粒體呼吸鏈第30頁,共82頁，2024年2月25日，星期天線粒體呼吸鏈第31頁,共82頁，2024年2月25日，星期天

NADH：還原型輔酶它是由NAD+接受多種代謝產物脫氫得到的產物。NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。第32頁,共82頁，2024年2月25日，星期天鐵硫蛋白鐵硫蛋白(簡寫為Fe-S)是一種與電子傳遞有關的蛋白質，它與NADH

Q還原酶的其它蛋白質組分結合成復合物形式存在。第33頁,共82頁，2024年2月25日，星期天鐵硫蛋白它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有兩個活潑的無機硫和兩個鐵原子。鐵硫蛋白通過Fe3+

Fe2+

變化起傳遞電子的作用第34頁,共82頁，2024年2月25日，星期天

NADH

泛醌還原酶簡寫為NADH

Q還原酶,即復合物I，它的作用是催化NADH的氧化脫氫以及Q的還原。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。

NADH

Q還原酶最少含有16個多肽亞基。它的活性部分含有輔基FMN和鐵硫蛋白。FMN的作用是接受脫氫酶脫下來的電子和質子，形成還原型FMNH2。還原型FMNH2可以進一步將電子轉移給Q。

NADH

Q還原酶

NADH+Q+H+=========NAD++QH2第35頁,共82頁，2024年2月25日，星期天NADH

泛醌還原酶第36頁,共82頁，2024年2月25日，星期天第37頁,共82頁，2024年2月25日，星期天

泛醌（簡寫為Q）或輔酶-Q（CoQ）：它是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為一種脂溶性醌類化合物。第38頁,共82頁，2024年2月25日，星期天輔酶-Q的功能Q(醌型結構)很容易接受電子和質子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出電子和質子，重新氧化成Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質子的傳遞體。第39頁,共82頁，2024年2月25日，星期天

泛醌

細胞色素c還原酶簡寫為QH2-cyt.c還原酶,即復合物III,它是線粒體內膜上的一種跨膜蛋白復合物，其作用是催化還原型QH2的氧化和細胞色素c（cyt.c）的還原。

QH2-cyt.c還原酶QH2+2cyt.c(Fe3+)====Q+2cyt.c(Fe2+)+2H+QH2-cyt.c還原酶由9個多肽亞基組成?；钚圆糠种饕毎豣和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。第40頁,共82頁，2024年2月25日，星期天第41頁,共82頁，2024年2月25日，星期天細胞色素（簡寫為cyt.）是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環(huán)的中心，構成血紅素。各種細胞色素的輔基結構略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有細胞色素a,b,c和c1等，組成它們的輔基分別為血紅素A、B和C。細胞色素a,b,c可以通過它們的紫外-可見吸收光譜來鑒別。細胞色素主要是通過Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用的。第42頁,共82頁，2024年2月25日，星期天

細胞色素c（cyt.c）它是電子傳遞鏈中一個獨立的蛋白質電子載體，位于線粒體內膜外表，屬于膜周蛋白，易溶于水。它與細胞色素c1含有相同的輔基，但是蛋白組成則有所不同。在電子傳遞過程中，cyt.c通過Fe3+

Fe2+

的互變起電子傳遞中間體作用。第43頁,共82頁，2024年2月25日，星期天由于QH2是一個雙電子載體，而參與上述反應過程的其它組分(如cyt.c)都是單電子傳遞體，所以，實際反應情況比較復雜。QH2所攜帶的一個高能電子通過鐵硫蛋白，傳遞給cyt.c，本身形成半醌自由基（QH

）；另一個電子則傳遞給cyt.b。還原型cyt.b可以將QH

還原成QH2。其結果是通過一個循環(huán)，QH2將其中的一個電子傳遞給cyt.c。第44頁,共82頁，2024年2月25日，星期天

細胞色素c氧化酶簡寫為cyt.c氧化酶，即復合物IV，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復合物，由12個多肽亞基組成?；钚圆糠种饕╟yt.a和a3。第45頁,共82頁，2024年2月25日，星期天cyt.a和a3組成一個復合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。cyt.aa3可以直接以O2為電子受體。在電子傳遞過程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+

Cu2+

的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2第46頁,共82頁，2024年2月25日，星期天細胞色素c氧化酶第47頁,共82頁，2024年2月25日，星期天琥珀酸-Q還原酶琥珀酸是生物代謝過程（三羧酸循環(huán)）中產生的中間產物，它在琥珀酸-Q還原酶（復合物II）催化下，將兩個高能電子傳遞給Q。再通過QH2-cyt,c還原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶將電子傳遞到O2。第48頁,共82頁，2024年2月25日，星期天琥珀酸-Q還原酶也是存在于線粒體內膜上的蛋白復合物,它比NADH-Q還原酶的結構簡單，由4個不同的多肽亞基組成。其活性部分含有輔基FAD和鐵硫蛋白。琥珀酸-Q還原酶的作用是催化琥珀酸的脫氫氧化和Q的還原。第49頁,共82頁，2024年2月25日，星期天8.3.2氧化-還原電勢與自由能的變化在生物氧化反應中，氧化與還原總是相互偶聯的。一個化合物（還原劑）失去電子，必然伴隨另一個化合物(氧化劑）接受電子。在線粒體呼吸鏈中，推動電子從NADH傳遞到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+

和1/2O2/H2O兩個半反應之間存在很大的電勢差。(a)?O2+2H++2e-

H2OE0’=+0.82V(b)NAD++H++2e-

NADHE0’=-0.322V將(a)減去(b)，即得(c)式：(c)?O2+NADH+2H+

H2O+NAD+E0’=+1.14V

G

’=-nF

E0’=-2

96500

1.14=-220kJ/mol第50頁,共82頁，2024年2月25日，星期天8.3.2氧化-還原電勢與自由能的變化第51頁,共82頁，2024年2月25日，星期天8.3.3電子傳遞和ATP的合成

NADH或琥珀酸所攜帶的高能電子通過線粒體呼吸鏈傳遞到O2的過程中，釋放出大量的能量。這種高能電子傳遞過程的釋能反應與ADP和磷酸合成ATP的需能反應相偶聯，是ATP形成的基本機制。第52頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（1）ATP酶復合體

線粒體內膜的表面有一層規(guī)則地間格排列著的球狀顆粒，稱為ATP酶復合體，是ATP合成的場所。第53頁,共82頁，2024年2月25日，星期天ATP酶，含有5種不同的亞基（按3

、3

、1

、1

和1

的比例結合）。OSCP為一個蛋白，是能量轉換的通道。F0為一個疏水蛋白，是與線粒體電子傳遞系統連接的部位。第54頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（2）ATP合成反應-氧化磷酸化生物氧化的釋能反應與ADP的磷酰化反應偶聯合成ATP的過程，稱為氧化磷酸化。根據氧化-還原電勢與自由能變化關系式，計算出在NADH氧化過程中，有三個反應的

G

’<-30.5kJ/mol。

FMNH2

Qcyt.b

cyt.c1cyt.aa3

O2

G

’-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/moL

這三個反應分別與ADP的磷?；磻悸?，產生3個ATP。這些反應稱為呼吸鏈的偶聯部位。從琥珀酸

O2只產生2個ATP.第55頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（2）ATP合成反應-氧化磷酸化ATP合成與質子濃度梯度緊密偶聯，即ATP合成伴隨著質子濃度梯度的下降。由于質子濃度梯度是通過位于線粒體內膜上的電子傳遞復合物建立的，所以有可能用底物的氧化來表示合成的ATP的量。用分離出的線粒體進行的實驗表明，NADH，FAD2和對二（二甲氨基）苯二胺（tetramethy-p-phenylenediamine）（直接提供電子對給復合物IV）的氧化分別合成大約3、2和1個ATP。該定量關系稱為P/O比，表明合成的ATP量與還原的氧量之間的關系。第56頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（3）胞漿中NADH的轉移

蘋果酸穿梭(malateaspartateshuttle)

這種穿梭機制主要在肝、腎、心中發(fā)揮作用，其穿梭機制比較復雜，不僅需借助蘋果酸、草酸乙酸的氧化還原，而且還要借助α酮酸與氨基酸之間的轉換，才能使胞液中來的NADH的還原當量轉移進入線粒體氧化。第57頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（3）胞漿中NADH的轉移

蘋果酸穿梭(malateaspartateshuttle)第58頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（3）胞漿中NADH的轉移

α--磷酸甘油穿梭(glycerolα-phosphateshuttle)

該穿梭機制主要在腦及骨骼肌中，它是借助于α-磷酸甘油與磷酸二羥丙酮之間的氧化還原轉移還原當量，使線粒體外來自NADH的還原當量進入線粒體的呼吸鏈氧化。第59頁,共82頁，2024年2月25日，星期天

（3）胞漿中NADH的轉移

α-磷酸甘油穿梭(glycerole-phosphateshuttle)當胞液中NADH濃度升高時，胞液中的磷酸二羥丙酮首先被NADH還原成α磷酸甘油(3－磷酸甘油)，反應由甘油磷酸脫氫酶(輔酶為NAD+)催化，生成的α磷酸甘油可再經位于線粒體內膜近外側部的甘油磷酸脫氫酶催化氧化生成磷酸二羥丙酮。第60頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（3）胞漿中NADH的轉移

α-磷酸甘油穿梭(glycerolα-phosphateshuttle)線粒體與胞液中的甘油磷酸脫氫酶為同工酶，兩者不同在于線粒體內的酶是以FAD為輔基的脫氫酶，而不是NADH+，FAD所接受的質子、電子可直接經泛醌、復合體Ⅲ、Ⅳ傳遞到氧，這樣線粒體外的還原當量就被轉運到線粒體氧化了，但通過這種穿梭機制結果只能生成2分子ATP而不是3分子ATP。

第61頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（4）偶聯機制線粒體的內膜中電子傳遞與線粒體釋放H+是偶聯的，即呼吸鏈在傳遞電子過程中釋放出來的能量不斷地將線粒體基質內的H+逆濃度梯度泵出線粒體內膜，這一過程的分子機理還不十分清楚。第62頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（4）偶聯機制第63頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（4）偶聯機制化學滲透假說的要點是：a.線粒體內膜的電子傳遞鏈是一個質子泵；b.在電子傳遞鏈中，電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時釋放出來的能量，用于驅動膜內側的H+遷移到膜外側（膜對H+是不通透的）。這樣，在膜的內側與外側就產生了跨膜質子梯度(

pH)和電位梯度（

）；第64頁,共82頁，2024年2月25日，星期天c.在膜內外勢能差（

pH和

）的驅動下，膜外高能質子沿著一個特殊通道（ATP酶的組成部分），跨膜回到膜內側。質子跨膜過程中釋放的能量，直接驅動ADP和磷酸合成ATP。第65頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（4）偶聯機制H+不能自由透過線粒體內膜，結果使得線粒體內膜外側H+濃度增高，基質內H+濃度降低，在線粒體內膜兩側形成一個質子跨膜梯度，線粒體內膜外側帶正電荷，內膜內側帶負電荷，這就是跨膜電位△ψ。由于線粒體內膜兩側H+濃度不同，內膜兩側還有一個pH梯度△pH，膜外側pH較基質pH約低1.0單位，底物氧化過程中釋放的自由能就儲存于△ψ和△pH中，若以△P表示總的質子移動力，那么三者的關系可用下式表示：△P=△ψ-59△pH第66頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（4）偶聯機制線粒體外的H+可以通過線粒體內膜上的三分子體順著H+濃度梯度進入線粒體基質中，這相當于一個特異的質子通道，H+順濃度梯度方向運動所釋放的自由能用于ATP的合成，寡霉素能與OSCP結合，特異阻斷這個H+通道，從而抑制ATP合成。有關ATP合成的分子機制目前還不十分清楚。4.解偶聯劑的作用是促進H+被動擴散通過線粒體內膜，即增強線粒體內膜對H+的通透性，解偶聯劑能消除線粒體內膜兩側的質子梯度，所以不能再合成ATP。第67頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（4）偶聯機制總之，化學滲透學說認為在氧化與磷酸化之間起偶聯作用的因素是H+的跨膜梯度。每對H+通過三分子體回到線粒體基質中可以生成一分子ATP。以NADH+H+作底物，其電子沿呼吸鏈傳遞在線粒體內膜中形成三個回路，所以生成3分子ATP。以FADH2為底物，其電子沿琥珀酸氧化呼吸鏈傳遞在線粒體內膜中形成兩個回路，所以生成兩個ATP分子。第68頁,共82頁，2024年2月25日，星期天8.3.4底物水平磷酸化ATP的生成方式

體內ATP生成有兩種方式：A.底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)底物分子中的能量直接以高能鍵形式轉移給ADP生成ATP，這個過程稱為底物水平磷酸化，這一磷酸化過程在胞漿和線粒體中進行，包括有：

第69頁,共82頁，2024年2月25日，星期天8.3.4底物水平磷酸化第70頁,共82頁，2024年2月25日，星期天8.3.4底物水平磷酸化B.氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)

氧化和磷酸化是兩個不同的概念。氧化是底物脫氫或失電子的過程，而磷酸化是指ADP與Pi合成ATP的過程。在結構完整的線粒體中氧化與磷酸化這兩個過程是緊密地偶聯在一起的，即氧化釋放的能量用于ATP合成，這個過程就是氧化磷酸化，氧化是磷酸化的基礎，而磷酸化是氧化的結果。第71頁,共82頁，2024年2月25日，星期天8.3.4底物水平磷酸化

機體代謝過程中能量的主要來源是線粒體，既有氧化磷酸化，也有底物水平磷酸化，以前者為主要來源。胞液中底物水平磷酸化也能獲得部分能量，實際上這是酵解過程的能量來源。對于酵解組織、紅細胞和組織相對缺氧時的能量來源是十分重要的。

第72頁,共82頁，2024年2月25日，星期天8.3.5氧化磷酸化抑制劑

氧化磷酸化抑制劑可分為三類，即呼吸抑制劑、磷酸化抑制劑和解偶聯劑。A.呼吸抑制劑這類抑制劑抑制呼吸鏈的電子傳遞，也就是抑制氧化，氧化是磷酸化的基礎，抑制了氧化也就抑制了磷酸化。呼吸鏈某一特定部位被抑制后，其底物一側均為還原狀態(tài)，其氧一側均為氧化態(tài)，這很容易用分光光度法(雙波長分光光度計)檢定，重要的呼吸抑制劑有以下幾種。魚藤酮(rotenone)系從植物中分離到的呼吸抑制劑，專一抑制NADH→CoQ的電子傳遞；抗霉素A(actinomycinA)由霉菌中分離得到，專一抑制CoQ→Cyt-c的電子傳遞；CN、CO、NaN3和H2S均抑制細胞色素氧化酶（示意如下）。第73頁,共82頁，2024年2月25日，星期天8.3.5氧化磷酸化抑制劑第74頁,共82頁，2024年2月25日，星期天8.3.5氧化磷酸化抑制劑B.磷酸化抑制劑

這類抑制劑抑制ATP的合成，抑制了磷酸化也一定會抑制氧化。寡霉素(oligomycin)可與F0的OSCP結合，阻塞氫離子通道，從而抑制ATP合成。二環(huán)己基碳二亞胺(dicyclohexylcarbodiimide,DCC)可與F0的DCC結合蛋白結合，阻斷H+通道，抑制ATP合成。櫟皮酮(quercetin)直接抑制參與ATP合成的ATP酶。第75頁,共82頁，2024年2月25日，星期天8.3.5氧化磷酸化抑制劑C.解偶聯劑(un