第六章 生物氧化

第六章 生物氧化 【目的与要求】 1、 掌握生物氧化的概念和特点；呼吸链的概念、产能部位、各成分的排列顺序；氧化磷酸化概念及电子传递的抑制与解偶联。 2、 熟悉氧化磷酸化机制；ATP 贮存和利用。 3、 了解呼吸链的组成。 【教学内容】 1、 生物氧化的概述。 2、 呼吸链。 3、 氧化磷酸化。 【重点与难点】 1、 呼吸链各成分的排列顺序、产能部位，偶联机制。 2、 氧化磷酸化概念、电子传递的抑制和解偶联。 【教学方法】 多媒体授课。 【教学时数】 5学时 第一节 概述 一、生物氧化的定义 生物细胞将糖、脂、蛋白质等燃料分子氧化分解 , 最终生成 CO2 和 H2O 并释放出能量的作用称为生物氧化。生物氧化包含了细胞呼吸作用中的一系列氧化还原反应 , 所以又称为细胞氧化或细胞呼吸。在真核生物细胞生物氧化在线粒体中进行，而原核生物是在细胞质膜上进行的。 CO2的生成：生物体内CO2的生成来源于有机物转变为含羧基化合物的脱羧作用。（直接脱羧、氧化脱羧） H2O的生成：代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。

二、生物氧化的过程： 三个阶段： (1) 第一阶段：糖、脂、蛋白分解为其基本组成单位—葡萄糖、脂肪酸和甘油及氨基酸。 (2) 第二阶段：经一系列反应生成活泼的二碳化合物乙酰CoA。 (3) 第三阶段：经三羧酸循环彻底氧化成CO 2 和 H 2 O并释放出能量

三、生物氧化的特点 有机物在生物体内完全氧化与在体外燃烧而被彻底氧化 , 在本质上是相同的 , 最终的产物都是 CO2 和 H2O, 同时所释放能量的总值也相等。生物氧化是在活细胞内进行的 , 它与体外的直接氧化相比又有许多不同的特点： 1、 生物氧化在常温、常压、接近中性的 pH和多水环境中进行；是在一系列酶、辅酶和中间传递体的作用下逐步进行的； 2、 氧化反应分阶段进行 , 能量逐步释放 , 既避免了能量骤然释放对机体的损害,

糖原 三酯酰甘油 蛋白质 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA

2H 呼吸链 H2O

ADP+Pi ATP CO2 TCA 又使得生物体能充分、有效地利用释放的能量； 3、 生物氧化过程中释放的化学能通常被偶联的磷酸化反应所利用 , 贮存于高能磷酸化合物 ( 如 ATP) 中 , 当生命活动需要时再释放出来。

四、生物氧化的方式： 生物氧化的本质是电子的得失，失电子者为还原剂，是电子供体，得电子者为氧化剂，是电子受体。在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。 1、 脱氢：物质分子中脱下一对氢原子，如醇氧化为醛。 2、 加氧：物质分子中直接加入氧分子或氧原子，如醛氧化为酸。 3、 失电子：原子或离子在反应中失去电子，其正价数升高，这也是氧化。如细胞色素中铁的氧化。

五、氧化还原电位 在氧化还原反应中，自由能的变化与反应供出或得到电子的趋势成比例。 这种趋势用氧化还原电位表示（E）。 △E'= 标准氧化电位－标准还原电位 △E'值越小，电负性越大，还原能力越强； △G'=－n F△E' 可以根据△E'计算出化学反应的自由能变化。

六、高能化合物 1、定义 高能化合物：在标准条件下(pH7，25℃，1mol/L)发生水解时，可释放出大量自由能的化合物。习惯上把“大量”定义为5kcal/mol(即21千焦/摩尔)以上。 高能磷酸化合物：分子中含磷酸基团，它被水解下来时释放出大量的自由能，这类高能化合物。 高能键：在高能化合物分子中，被水解断裂时释放出大量自由能的活泼共价键。 高能键常用符号“ ~ ”表示。 注意： 高能键并不是这个键集中了大量的能量，而是指水解这个键前后的分子结构存在着很大的自由能的改变。 “高能键”≠“键能高” 2. 高能化合物的类型 根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为： 3. 最重要的高能化合物—ATP ATP的特殊作用 在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（ΔG°′=-30.5千焦/摩尔）。ATP为生物界的“能量货币”，它是生命活动中最重要的能量供体。 其原因在于：ATP的DG0'值介于其它高能化合物和普通化合物之间，从而使它在生物体内的能量转换过程中能够起中间载体的作用。放能反应和吸能反应往往要通过ADP和ATP的相互转变而偶联起来。 ATP的另一功能是作为磷酸基团转移反应的中间载体。这也是由于它的磷酸基团转移势能在常见的含磷酸基团化合物中处于中间位置。 (1) ATP是生物能存在的主要形式，是细胞内的“能量通货” (2) ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体 (3) 生成核苷三磷酸： 核苷二磷酸激酶的作用 ATP + NDP ADP + NTP 腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP 肌酸激酶的作用

高能化合物 磷酸化合物 非磷酸化合物 磷氧型

磷氮型：磷酸肌酸、磷酸精氨酸

硫酯键化合物：酰基辅酶A 甲硫键化合物：S-腺苷甲硫氨酸

烯醇磷酸化合物：磷酸烯醇式丙酮酸 酰基磷酸化合物：乙酰磷酸 焦磷酸化合物：ATP 4. ADP磷酸化的方式 在生物细胞内，形成ATP的方式有两种：生物氧化(异养细胞)和光合作用(自养细胞)。 1) 生物氧化产生ATP 生物体降解燃料分子的主要意义是取得供其发育所需要的能量。因此，利用生物氧化形成ATP，是生物体内ATP形成的主要方式。 生物氧化的第一阶段也能产生少量的ATP，这是以底物水平磷酸化的方式产生的； 生物氧化的第二阶段是产生ATP的主要阶段，通过氧化磷酸化的方式产生。 底物水平磷酸化：代谢物通过氧化形成的高能磷酸化合物直接将磷酸基团转移给ADP，使之磷酸化生成ATP。 氧化磷酸化：NADH或FADH2将电子传递给O2的过程与ADP的磷酸化相偶联，使电子传递过程中释放出的能量用于ATP的生成。氧化磷酸化的过程需要氧气作为最终的电子受体，它是需氧生物合成ATP的主要途径。 2) 光合作用产生ATP 在光合作用的过程中也能形成ATP，这种ADP的磷酸化方式叫光合磷酸化。 光合磷酸化：由光驱动的电子传递过程与ADP的磷酸化相偶联，使电子传递过程中释放出的能量用于ATP的生成。 4 能荷 细胞的能量状态可用能荷(energy charge)表示。 能荷是细胞中高能磷酸状态一种数量上的衡量，它的大小可用下式表示：

能荷的数值在0~1之间。大多数细胞维持的稳态能荷状态在0.8-0.95的范围内。 意义： ATP生成和消耗的途径和细胞的能荷状态相呼应。

ATP ADP 肌酸 磷酸肌酸

氧化磷酸化 底物水平磷酸化

~P

~P 机械能(肌肉收缩) 渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢) 电能(生物电) 热能(维持体温) 生物体内能量的储存和利用都以ATP

为中心。

定义式：能荷= ————————— [ATP]+[ADP]+[AMP]

[ATP]+0.5[ADP] 高能荷时，ATP生成过程被抑制，而ATP的利用过程被激发； 低能荷时，其效应相反。 所以说，能荷对代谢起着重要的调控作用。 能荷由ATP、ADP和AMP的相对数量决定，数值在0~1之间，反映细胞能量水平。能荷对代谢的调节可通过ATP、ADP和AMP作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节来实现。

能荷 相对速率

ATP的利用途径 ATP的生成途径

能荷对ATP的生成途径和ATP的利用途径相对速率的 影响 第二节 呼吸链 呼吸链又叫电子传递体系或电子传递链，它是代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧原子，而生成水的全部体系。在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上，原核生物中，它位于细胞膜上。在呼吸链中酶或传递体作用时，实际上是以辅基或辅酶的变化（氧化还原变化）来表达反应机制的

一、呼吸链的组成 1、烟酰胺脱氢酶 （1）特点： 以NAD+ 或NADP+为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。 （2）传递氢机理： NAD(P) + + 2H+ +2e←→NAD(P)H + H+ 2、黄素酶类 （1）特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白 （2）传递氢机理: FAD(FMN)+2H←→FAD(FMN)H2 3、铁硫蛋白 （1）特点： 含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和S常以等摩尔量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，构成Fe—S中心，Fe与蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。 （2）传递电子机理： +e Fe3+ ←→ Fe2+ -e

4、泛醌 （1）特点： 带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。 （2）传递氢机理： +2H CoQ ←→ CoQH2 －2H 5、细胞色素（Cyt） （1）特点： 以血红素（heme）为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。