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第九章第九章 生物氧化生物氧化2 2 第一节第一节 生物氧化的特点生物氧化的特点第二节第二节 生物氧化的一般原理生物氧化的一般原理 第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用-ATP-ATP的生成的生成 第1页/共57页第一节第一节 生物氧化的特点生物氧化的特点1 1一、与非生物氧化或燃烧的化学本质相同一、与非生物氧化或燃烧的化学本质相同二、生物氧化的特点二、生物氧化的特点 三、生物氧化进行的场所三、生物氧化进行的场所 四、生物氧化的类型四、生物氧化的类型 五、生物氧化的方式五、生物氧化的方式 第2页/共57页一、与非生物氧化或燃烧化学本质相同一、与非生物氧化或燃烧化学本质相同表现为：表现为：1.1.都是脱氧、失电子或与氧直都是脱氧、失电子或与氧直接化合的过程。接化合的过程。2.2.释放出相等的能量。释放出相等的能量。第3页/共57页二、生物氧化的特点二、生物氧化的特点（1 1）场所：场所：在细胞内进行。在细胞内进行。（2 2）条件：条件：在体温和近于中性在体温和近于中性pHpH及有水的环及有水的环境中进行。境中进行。（3 3）催化剂：催化剂：在一系列酶、辅酶和某些传在一系列酶、辅酶和某些传递体的作用下进行。递体的作用下进行。（4 4）能量：能量：是逐步释放的，氧化过程所释放是逐步释放的，氧化过程所释放的能量通常先贮存在一些特殊的高能化合物的能量通常先贮存在一些特殊的高能化合物（如（如ATPATP）中。）中。第4页/共57页三、生物氧化进行的场所三、生物氧化进行的场所1 1参与生物氧化的各种酶类（如脱氢酶、电子传参与生物氧化的各种酶类（如脱氢酶、电子传递体系、偶联磷酸化酶等）都分布在线粒体内膜递体系、偶联磷酸化酶等）都分布在线粒体内膜和嵴上。和嵴上。真核真核生物细生物细胞是在胞是在线粒体线粒体内进行。内进行。第5页/共57页三、生物氧化进行的场所三、生物氧化进行的场所2 2原核生物细胞，是在细胞膜上进行原核生物细胞，是在细胞膜上进行第6页/共57页四、生物氧化的类型四、生物氧化的类型1.1.一酶体系：一酶体系：不需传递体的生物氧化体系。不需传递体的生物氧化体系。（南大（南大P514P514图图13132 2）2.2.二酶及多媒体系：二酶及多媒体系：需要传递体的生物氧化需要传递体的生物氧化体系。（氧化呼吸链）体系。（氧化呼吸链）第7页/共57页五、生物氧化的方式五、生物氧化的方式1 1脱氢：脱氢：包括失电子、加氧和脱氢反应。包括失电子、加氧和脱氢反应。2 2脱羧：脱羧：直接和氧化脱羧。直接和氧化脱羧。3 3生成水：生成水：代谢物被各种脱氢酶催化脱代谢物被各种脱氢酶催化脱氢，脱下的氢再经过一系列传递体的传递，氢，脱下的氢再经过一系列传递体的传递，最后与氧结合生成水。可见，生物氧化是最后与氧结合生成水。可见，生物氧化是需氧的过程。需氧的过程。第8页/共57页1 1脱氢脱氢1 1(失电子失电子)Fe2+Fe3+e+第9页/共57页1 1脱氢脱氢2 2(加氧加氧)RC=O+O2 RC=O 12 H OH醛醛酸酸第10页/共57页1 1脱氢脱氢3 3(脱氢脱氢)RC OH RC=O+HH醇醇醛醛 H2H第11页/共57页2 2脱羧脱羧1 1（-直接脱羧）直接脱羧）乙醛乙醛丙酮酸丙酮酸CH3 C COOH-酮酸脱羧酶酮酸脱羧酶 MgMg2+2+,TPP,TPPHCH3 C+CO2OO第12页/共57页2 2脱羧脱羧2 2（-直接脱羧）直接脱羧）丙酮酸丙酮酸草酰乙酸草酰乙酸COOHC=OCH2COOHCOOH草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸脱羧酶COOHC=O+CO2CH3COOH第13页/共57页2 2脱羧脱羧3 3（-氧化脱羧）氧化脱羧）丙酮酸丙酮酸CH3 C COOH CoASH NAD+O辅酶辅酶A丙酮酸氧化丙酮酸氧化脱羧酶系脱羧酶系CH3 C SCoA NADH H+CO2O乙酰辅酶乙酰辅酶A第14页/共57页2 2脱羧脱羧4 4（-氧化脱羧）氧化脱羧）苹果酸苹果酸COOHCHOHCH2COOHCOOH苹果酸酶苹果酸酶 NADP丙酮酸丙酮酸COOHCOOHC=O +CO2 +NADPH +H+CH3第15页/共57页3 3生成水生成水水是生物氧化的产物之一。水是生物氧化的产物之一。生成机制：代谢物被各种脱氢酶催化生成机制：代谢物被各种脱氢酶催化脱氢，脱下的氢再经过一系列传递体的脱氢，脱下的氢再经过一系列传递体的传递，最后与氧结合，生成水。传递，最后与氧结合，生成水。第16页/共57页第二节第二节 生物氧化的一般原理生物氧化的一般原理1 1呼吸链：代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落呼吸链：代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列的传递体，最后传递给被激活的氧后，经一系列的传递体，最后传递给被激活的氧分子，生成水的全部体系称做呼吸链，也叫电子分子，生成水的全部体系称做呼吸链，也叫电子传递体系或电子传递链。传递体系或电子传递链。传递体系有多种，有的是传氢体，如脱氢辅酶传递体系有多种，有的是传氢体，如脱氢辅酶I I（NADNAD）、）、IIII（NADPNADP）、黄酶（）、黄酶（FADFAD，FMNFMN）、辅）、辅酶酶Q Q等；有的是传电子体如：细胞色素酶系等；有的是传电子体如：细胞色素酶系b b、c c1 1、c c、aaaa3 3等。等。第17页/共57页第二节第二节 生物氧化的一般原理生物氧化的一般原理2 2一、呼吸链的类型一、呼吸链的类型二、呼吸链的组成二、呼吸链的组成 三、呼吸链中传递体的顺序三、呼吸链中传递体的顺序 第18页/共57页一、呼吸链的类型一、呼吸链的类型目前普遍认为生物体有两条典型的呼吸链：目前普遍认为生物体有两条典型的呼吸链：1 1NADHNADH呼吸链呼吸链2 2FADHFADH2 2（二酶氧化体系）呼吸链（二酶氧化体系）呼吸链第19页/共57页1 1NADHNADH呼吸链呼吸链1 1(总）总）糖、脂肪、蛋白质三大物质分解代谢中的脱糖、脂肪、蛋白质三大物质分解代谢中的脱氢氧化反应，绝大部分是通过此链。氢氧化反应，绝大部分是通过此链。如：糖的氧化分解中有五次脱氢反应：如：糖的氧化分解中有五次脱氢反应：3 3磷酸甘油醛磷酸甘油醛1 1，3 3二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰C CO OA A 异柠檬酸异柠檬酸草酰琥珀酸草酰琥珀酸 酮戊二酸酮戊二酸琥珀酰琥珀酰C CO OA A 苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸第20页/共57页1 1NADHNADH呼吸链呼吸链1 1(图示）图示）NADHNADH氧化呼吸链的组成氧化呼吸链的组成第21页/共57页2 2FADHFADH2 2呼吸链呼吸链琥珀酸氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链（FADHFADH2 2呼吸链）的组成呼吸链）的组成第22页/共57页二、呼吸链的组成二、呼吸链的组成1 1(总）总）1 1烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类2 2黄素脱氢酶类黄素脱氢酶类3 3铁硫蛋白类（铁硫蛋白类（Fe-SFe-S）4 4辅酶辅酶Q Q（C CO OQ Q）5 5细胞色素细胞色素 目前已发现，构成呼吸链的成分有目前已发现，构成呼吸链的成分有2020多种，多种，一般可分五类：一般可分五类：第23页/共57页1 1烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类以以NADNAD+或或NADPNADP+为辅酶为辅酶NADNAD+或或NADPNADP+NADH+HNADH+H+或或NADPH+HNADPH+H+第24页/共57页2 2黄素脱氢酶类黄素脱氢酶类 以以FMNFMN（黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）或或FADFAD（黄素腺嘌呤二核苷（黄素腺嘌呤二核苷酸酸)为辅基为辅基 FMN +2e+2H+FMNH2 FAD +2e+2H+FADH2第25页/共57页3 3铁硫蛋白类（铁硫蛋白类（Fe-SFe-S）1 1铁硫蛋白在线粒铁硫蛋白在线粒体内膜上往往和体内膜上往往和其他递氢体或电其他递氢体或电子传递体（如黄子传递体（如黄素酶或细胞色素）素酶或细胞色素）结合成复合物而结合成复合物而存在。复合物内存在。复合物内的铁硫蛋白称为的铁硫蛋白称为铁硫中心。铁硫中心。第26页/共57页3 3铁硫蛋白类（铁硫蛋白类（Fe-SFe-S）2 2 当铁硫蛋白还原后，其中的三价铁变成二价铁。当铁硫蛋白还原后，其中的三价铁变成二价铁。有人认为，两个铁原子中，只有一个被还原，故有人认为，两个铁原子中，只有一个被还原，故铁硫蛋白可能是一种单电子传递体。铁硫蛋白可能是一种单电子传递体。第27页/共57页4 4辅酶辅酶Q Q（C CO OQ Q）是一种脂是一种脂溶性的醌类化溶性的醌类化合物，其分子合物，其分子中的苯醌结构中的苯醌结构能可逆地加氢能可逆地加氢还原而形成对还原而形成对苯二酚衍生物，苯二酚衍生物，故属于递氢体。故属于递氢体。第28页/共57页5 5细胞色素细胞色素1 1 是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质，在是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质，在呼吸链中，也是依靠铁的化合价的变化来呼吸链中，也是依靠铁的化合价的变化来传递电子。目前发现的细胞色素有多种，传递电子。目前发现的细胞色素有多种，包括包括aaaa3 3、b b、c c、c c1 1。不同种类的细胞色素。不同种类的细胞色素的辅基结构及与蛋白质连接的方式是不同的辅基结构及与蛋白质连接的方式是不同的。的。第29页/共57页5 5细胞色素细胞色素2 2第30页/共57页5 5细胞色素细胞色素3 3第31页/共57页三、呼吸链中传递体的顺序三、呼吸链中传递体的顺序1 1（1 1）1 1从从NADNAD到分子氧，每个电子传递体的到分子氧，每个电子传递体的氧化还原电势逐渐增加，实验得氧化氧化还原电势逐渐增加，实验得氧化还原电势变化为：氧化还原电位（还原电势变化为：氧化还原电位（E E0 0）值越低，则该物质丢失电子的倾向越大，值越低，则该物质丢失电子的倾向越大，愈易成为还原剂，而在呼吸链的前面。愈易成为还原剂，而在呼吸链的前面。（一）呼吸链中传递体顺序确定的依据（一）呼吸链中传递体顺序确定的依据第32页/共57页不同种类的细胞色素在典型的线粒体呼吸不同种类的细胞色素在典型的线粒体呼吸链中其顺序是：链中其顺序是：NADHFMNCoQ b c1 c aa3 O2Eo 0.32 0.03 +0.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816FAD 0.18 P3ADP P P3ATP三、呼吸链中传递体的顺序三、呼吸链中传递体的顺序1 1（1 1）第33页/共57页三、呼吸链中传递体的顺序三、呼吸链中传递体的顺序2 22 2用分离出的电子传递体进行重组实验。用分离出的电子传递体进行重组实验。NADHNADH可以使可以使NADHNADH脱氢酶还原，但不能直接脱氢酶还原，但不能直接使细胞色素使细胞色素b b、c c 或或aa3aa3还原。同样，还原还原。同样，还原型型NADHNADH脱氢酶不能直接与细胞色素脱氢酶不能直接与细胞色素c c作用，作用，必须经过必须经过C CO OQ Q和细胞色素和细胞色素c c1 1后，才能再细后，才能再细胞色素胞色素c c起作用。起作用。第34页/共57页三、呼吸链中传递体的顺序三、呼吸链中传递体的顺序3 33.3.在分离呼吸链的各成分中，从线粒体在分离呼吸链的各成分中，从线粒体中分离到传递体的复合物，这些复合物中分离到传递体的复合物，这些复合物在传递功能上都是有顺序地联在一起。在传递功能上都是有顺序地联在一起。如复合物细胞色素如复合物细胞色素b b、c c和一个铁硫蛋和一个铁硫蛋白等。白等。复合物各成分的相关性，说明了呼吸链复合物各成分的相关性，说明了呼吸链各成分的顺序性。各成分的顺序性。第35页/共57页三、呼吸链中传递体的顺序三、呼吸链中传递体的顺序4 4（1 1）4.4.最直接的是用分光光度法通过吸收光谱的最直接的是用分光光度法通过吸收光谱的变化测定完整线粒体中呼吸链的各个电子传变化测定完整线粒体中呼吸链的各个电子传递体的氧化还原状态。递体的氧化还原状态。结果表明：在呼吸链的结果表明：在呼吸链的NADNAD一端，电子传一端，电子传递体的还原性最强。而在靠近氧一端，电子递体的还原性最强。而在靠近氧一端，电子传递体（细胞色素传递体（细胞色素aaaa3 3）几乎全部处于氧化状）几乎全部处于氧化状态。在呼吸链中间的电子传递体，按照从底态。在呼吸链中间的电子传递体，按照从底物到氧的方向，氧化程度逐渐升高，这说明物到氧的方向，氧化程度逐渐升高，这说明电子是沿着底物到氧的方向传递。电子是沿着底物到氧的方向传递。第36页/共57页三、呼吸链中传递体的顺序三、呼吸链中传递体的顺序4 4（2 2）NADHFMNCoQ b c1 c aa3 O2Eo 0.32 0.03 +0.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816FAD 0.18（二）呼吸链的顺序（二）呼吸链的顺序第37页/共57页第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用1 1在生物氧化中，相伴有磷酸化作用的称为氧在生物氧化中，相伴有磷酸化作用的称为氧化磷酸化作用。化磷酸化作用。氧化磷酸化作用是需氧细胞生命活动的基础，氧化磷酸化作用是需氧细胞生命活动的基础，是主要的能量来源，现已证明线粒体内膜是能是主要的能量来源，现已证明线粒体内膜是能量传递系统的重要部位。量传递系统的重要部位。氧化磷酸化作用是将生物氧化中释放出的自氧化磷酸化作用是将生物氧化中释放出的自由能转移而使由能转移而使ADPADP生成生成ATPATP的作用。的作用。第38页/共57页第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用2 2氧化磷酸化的全过程为：氧化磷酸化的全过程为：NADH+H+3ADP+3PiNAD+4 H2O+3ATP+O212第39页/共57页第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用3 3（1 1）ATPATP为为主要主要的高的高能化能化合物合物第40页/共57页第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用3 3（2 2）含高能键的化合物有多种含高能键的化合物有多种-焦磷酸化合物焦磷酸化合物焦磷酸焦磷酸ADP（二磷酸腺苷）（二磷酸腺苷）第41页/共57页第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用3 3（3 3）含高能键的化合物有多种含高能键的化合物有多种-烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸（磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）第42页/共57页第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用3 3（4 4）含高能键的化合物有多种含高能键的化合物有多种-胍基磷酸化合物胍基磷酸化合物磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸第43页/共57页第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用3 3（5 5）3-磷酸腺苷磷酸腺苷-5-磷酰硫磷酰硫酸酸酰基辅酶酰基辅酶A含高能键的化合物有多种含高能键的化合物有多种-高能硫酯键化合物高能硫酯键化合物第44页/共57页第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用4 4（总）（总）一、一、ATPATP的生成的生成二、氧化磷酸化的作用机制二、氧化磷酸化的作用机制 第45页/共57页一、一、ATPATP的生成的生成1 1底物水平磷酸化底物水平磷酸化 2 2电子传递体系磷酸化（呼吸链磷酸化）电子传递体系磷酸化（呼吸链磷酸化）第46页/共57页1 1底物水平磷酸化底物水平磷酸化1 1底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADPADP生成生成ATPATP。底物磷酸化形成高能化合物，其能量来源底物磷酸化形成高能化合物，其能量来源于伴随着底物的脱氢，分子内部能量的重新于伴随着底物的脱氢，分子内部能量的重新分布。底物磷酸化和氧的存在与否无关。分布。底物磷酸化和氧的存在与否无关。第47页/共57页1 1底物水平磷酸化底物水平磷酸化2 2第48页/共57页1 1底物水平磷酸化底物水平磷酸化3 3第49页/共57页2 2电子传递体系磷酸化电子传递体系磷酸化1 1当电子从当电子从NADHNADH或或FADHFADH2 2经过电子传递体系（呼经过电子传递体系（呼吸链）传递给氧形成水时，同时伴有吸链）传递给氧形成水时，同时伴有ADPADP磷酸化磷酸化为为ATPATP，这一全过程称电子传递体系磷酸化。，这一全过程称电子传递体系磷酸化。它是生成它是生成ATPATP的一种主要方式，是生物体内能的一种主要方式，是生物体内能量转移的主要环节。根据实验证明量转移的主要环节。根据实验证明,从从NADHNADH到分到分子氧的呼吸链中，有三处能使氧化还原过程释子氧的呼吸链中，有三处能使氧化还原过程释放的能量转化为放的能量转化为ATPATP，这三处也即是传递链上可，这三处也即是传递链上可被特异性抑制剂切断的地方。被特异性抑制剂切断的地方。第50页/共57页2 2电子传递体系磷酸化电子传递体系磷酸化2 2NADHNADH呼吸链生成呼吸链生成ATPATP的三个部位是：的三个部位是：+0.8+0.6+0.4+0.2-0.0-0.2-0.401020304050NADHFADFMNCOQbc1aa3O2cNADFMNHCOQcytbcytc1cytaa3代谢物代谢物2H2HADP+PiADP+PiADP+PiADP+PiADP+PiADP+PiO2ATPATPATPATPATPATPE OGO/kcal第51页/共57页2 2电子传递体系磷酸化电子传递体系磷酸化3 3研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体的研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体的P/0P/0比值和电化学实验。比值和电化学实验。P/0P/0比值指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩比值指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。实验测得尔数。实验测得NADHNADH呼吸链的呼吸链的P/0P/0值是值是3 3，即每消，即每消耗一摩尔氧原子就可形成耗一摩尔氧原子就可形成3 3摩尔摩尔ATPATP。FADHFADH2 2呼吸呼吸链的链的P/0P/0值是值是2 2，即可形成，即可形成2 2摩尔摩尔ATPATP。从理论推算：。从理论推算：G G0 0(自由能自由能)的变化，也与的变化，也与P/0P/0比值一致。比值一致。第52页/共57页2 2电子传递体系磷酸化电子传递体系磷酸化4 4作用物作用物呼吸链组成呼吸链组成P/O比值比值生成生成ATP数数-羟丁酸羟丁酸琥珀酸琥珀酸抗坏血酸抗坏血酸细胞色素细胞色素c cNAD+FMN COQ cyt O2FAD COQ cyt O2cytc cytaa3 O2cytaa3 O22.42.81.70.880.610.683211第53页/共57页二、氧化磷酸化的作用机制二、氧化磷酸化的作用机制1 11.1.化学偶联学说化学偶联学说2.2.结构偶联学说结构偶联学说3.3.化学渗透学说化学渗透学说目前提出三个学说目前提出三个学说:第54页/共57页二、氧化磷酸化的作用机制二、氧化磷酸化的作用机制2 2化学渗透学说得到较多的支持：认为质子梯化学渗透学说得到较多的支持：认为质子梯度推动度推动ATPATP生成，此学说由英国生物化学家生成，此学说由英国生物化学家P.mitchellP.mitchell提出。认为呼吸链存在于线粒体内提出。认为呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵的作膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵的作用。质子被泵出线粒体内膜的外侧，形成一个用。质子被泵出线粒体内膜的外侧，形成一个跨内膜的跨内膜的H H+梯度，这梯度中所含的渗透能正是梯度，这梯度中所含的渗透能正是促使促使ATPATP生成所需的能。生成所需的能。化学渗透学说与不少实验结果相符，也对氧化学渗透学说与不少实验结果相符，也对氧化磷酸化作用机理有一定的说明。化磷酸化作用机理有一定的说明。19781978年曾获年曾获诺贝尔化学奖，但近年来也不断报导与此学说诺贝尔化学奖，但近年来也不断报导与此学说相矛盾的实验结果。目前已面临严重的挑战，相矛盾的实验结果。目前已面临严重的挑战，成为生物能研究中大家关注的问题。成为生物能研究中大家关注的问题。第55页/共57页二、氧化磷酸化的作用机制二、氧化磷酸化的作用机制3 3化学渗透假说示意图化学渗透假说示意图第56页/共57页第五节第五节 ATPATP的重要作用的重要作用 分解代谢分解代谢（氧化作用）（氧化作用）ATPADP机械能（运动）机械能（运动）化学能（合成作用）化学能（合成作用）渗透能（分泌、吸渗透能（分泌、吸收、钠泵）收、钠泵）电能（生物电）电能（生物电）热能（体温维持）热能（体温维持）光能（生物发光）光能（生物发光）第57页/共57页