1 Biological Oxidation 第九章 生物氧化 Biological Oxidation 第一节 生物能学简介 第二节 生物氧化概述 第三节 线粒体电子传递体系 第四节 氧化磷酸化作用

2 一、生物能的转换及生物系统中的能流 二、自由能的概念及化学反应中自由能的计算 三、高能化合物 第一节 生物能学简介 生物能学就是应用物理化学、生物物理学 和量子物理学的原理和方法，来研究生物系 统中能量的流动和传递规律的科学。

生物能的转换及生物系统中的能流生物能的转换及生物系统中的能流

4 二、自由能的概念及化学反应中自由能 的计算 自由能的变化能预示某一过程能否自发进行， 即： ΔG<0 ，反应能自发进行 ΔG>0 ，反应不能自发进行 ΔG=0 ，反应处于平衡状态。 １. 自由能（ free energy ）的概念 自由能 (G) ：指一个反应体系中能够做有用功的 那部分能量。

2. 化学反应自由能的计算 a. 利用化学反应平衡常数计算 基本公式： ΔG′=ΔG°′+ RTlnQc (Qc- 浓度商 ) ΔG°′= - RTlnKeq 例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化 例 b. 利用标准氧化还原电位（ E° ）计算 （限于氧化还原反应） 基本公式： ΔG°′= － nFΔE°′ (ΔE°′=E + °′-E - °′) 例：计算 NADH 氧化反应的 ΔG°′ 例

计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化 达平衡时 =Keq=19 解： ΔG°′= - RTlnKeq =   311  log19 =-7.6 KJ / mol ΔG′=ΔG°′+ RTlnQc (Qc- 浓度商 ) =   311  log0.1 = KJ / mol 未达平衡时 =Qc=0.1 反应 G-1-P  G-6-P 在 38 0 C 达到平衡时， G-1-P 占 5% ， G-6-P 占 95% ，求 G 0 。如果反应未达到平衡 ，设 [G-1- P]=0.01mol.L ， [G-6-P]=0.001mol.L ，求 反应的 G 是多少？ 例题：

7 例题：计算下列反应式 ΔG°′ NADH + H + + ½ O 2 ====NAD + + H 2 O 正极反应： 1/2 O 2 + 2H + + 2e  H 2 O E + °′  0.82 负极反应： NAD + + H + + 2e  NADH E - °′  -0.3 ΔG°′  -nFΔE°′   -2×96485×[0.82-(-0.32)]  -220 KJ · mol -1

8 三、高能化合物 1 、高能化合物的类型 2 、 ATP 的特点及其特殊作用 生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放 出大量自由能（ >21 千焦 / 摩尔或 5 千卡 / 摩尔）的化 合物称为高能化合物。

1 、高能化合物的类型 根据高能化合物键的特性可以分成以下几种类型： ① 磷氧键型 a) 酰基磷酸化合物 乙酰磷酸 10.1 千卡 / 摩尔 1 ， 3- 二磷酸甘油酸 11.8 千卡 / 摩尔

10 b) 焦磷酸化合物 ATP （三磷酸腺苷） 7.3 千卡 / 摩尔

11 c) 烯醇式磷酸化合物 磷酸烯醇式丙酮酸 14.8 千卡 / 摩尔

12 ② 氮磷键型 磷酸肌酸 10.3 千卡 / 摩尔 磷酸精氨酸 7.7 千卡 / 摩尔 这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用 !

13 ③硫酯键型 3’- 磷酸腺苷 -5’- 磷酸硫酸 酰基辅酶 A

14 ④甲硫键型 S- 腺苷甲硫氨酸

15 2.ATP 的特点 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（ ATP 4- ），具有 较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很 大（ ΔG°′= 千焦 / 摩尔）。 腺嘌呤 — 核糖 — O — P — O — P — O — P — O - OOO O-O- O-O- O-O- ++ ++ ++ Mg 2 +

ATP 的特殊作用 1. ATP 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 ～P～P ～P～P ～P～P ～P～P ATP ～P～P 磷酸基团转移能磷酸基团转移能 磷酸烯醇式丙酮酸 1 ， 3- 二磷 酸甘油酸 磷酸肌酸 （磷酸基团储备物） 6- 磷酸葡萄糖 3- 磷酸甘油

第二节 生物氧化概述 一、生物氧化的概念 物质在体内的氧化分解过程，主要是糖、脂、 蛋白质等在体内分解时逐步释放能量、最终生成 二氧化碳和水的过程。 糖 脂肪 蛋白质 CO 2 和 H 2 O O2O2 能量 ADP+Pi ATP 热能

18 二、生物氧化特点 1. 在活的细胞中（ pH 接近中性、体温条件下）， 有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与 下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。 2. 氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高 能化合物（如 ATP ）截获，再供给机体所需。在此 过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机 体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。

19 生物氧化与体外氧化之相同点： ☆生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、 失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。 ☆都服从热力学规律。 ☆物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产 物（ CO 2 ， H 2 O ）和释放能量均相同。

20  是在细胞内温和的环境中（体 温， pH 接近中性），在一系列 酶促反应逐步进行，能量逐步 释放有利于有利于机体捕获能 量，提高 ATP 生成的效率。  进行广泛的加水脱氢反应使物 质能间接获得氧，并增加脱氢 的机会；脱下的氢与氧结合产 生 H 2 O ，有机酸脱羧产生 CO 2 。 生物氧化与体外氧化之不同点： 生物氧化 体外氧化  反应是在强酸、强碱、 高温、高压条件下进行 的。  能量是突然释放的。  产生的 CO 2 、 H 2 O 由物 质中的碳和氢直接与氧 结合生成。

21 三、生物氧化过程中 CO 2 的生成和 H 2 O 的生 成

CO 2 的生成 方式 方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧 基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成 CO 2 。 类型 类型： α- 脱羧和 β- 脱羧 氧化脱羧和单纯脱羧 CH 3 COSCoA+CO 2 CH 3 -C-COOH O 丙酮酸脱氢酶系 NAD + NADH+H + CoASH 例： +CO 2 H 2 N-CH-COOH R 氨基酸脱羧酶 CH 2 -NH 2 R

H 2 O 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 H 2 O 。 CH 3 CH 2 OH CH 3 CHO NAD + NADH+H + 乙醇脱氢酶 例： 1\2 O 2 NAD + 电子传递链 H2O H2O 2e O=O= 2H +

24 四、生物氧化的三个阶段

脂肪 葡萄糖、 其它单糖 三羧酸 循环 电子传递 （氧化） 蛋白质 脂肪酸、甘油 多糖 氨基酸 乙酰 CoA e-e- 磷酸化 +Pi 小分子化合物分 解成共同的中间 产物（如丙酮酸 、乙酰 CoA 等） 共同中间物进 入三羧酸循环, 氧化脱下的氢由 电子传递链传递 生成 H 2 O ，释放 出大量能量，其 中一部分通过磷 酸化储存在 ATP 中。 大分子降解成基 本结构单位 生物氧化的三个阶段 H2OH2O

26 第三节 线粒体电子传递体系 一、线粒体结构特点 二、电子传递链的概念 三、呼吸链的组成和顺序 四、 胞浆中 NADH 的氧化 五、电子传递抑制剂

27 一、线粒体结构特点

（ 1 ） 代谢脱下的成对氢原子（ 2H ）通过多种酶和辅酶所 催化的氧化还原反应逐步从高能向低能传递，最终 与氧结合生成水，其中释放的能量被用于合成 ATP ； （ 2 ） 在真核生物细胞内，酶和辅酶按一定顺序排列在位 于线粒体内膜上；原核生物中，位于细胞膜上。 传递氢的酶和辅酶 —— 递氢体 传递电子的酶和辅酶 —— 递电子体 （ 3 ） 此过程与细胞呼吸有关，此传递链称为呼吸链。 递氢体、递电子体都起传递电子的作用，又称电子 传递体。 二、电子传递链的概念

29 呼吸链

三、呼吸链的组成和顺序

１.电子传递链中各中间体的顺序１.电子传递链中各中间体的顺序 NADH FMN CoQ Fe-S Cyt c 1 O2O2 Cyt b Cyt c Cyt aa 3 Fe-S 复合物 IV 复合物 I 复合物 III NADH-Q 还原酶 细胞色素还原酶 细胞色素氧化酶 FADH 2 Fe-S 琥珀酸等 复合物 II 琥珀酸 -Q 还原酶

32 复合体 Ⅰ ： NADH-CoQ 还原酶 功能：将电子从 NADH 传递给 CoQ 辅基： FMN ，铁硫蛋白

33 NAD + （ NADP + ）和 NADH （ NADPH ）相互转变 氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。

34 FMN 结构中含核黄素，发挥功能的部位是 异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是 FMN 。 功能：氢原子传递体

铁硫蛋白 铁硫簇 (Fe 4 S 4 ) 功能：电子传递体

36 泛醌 （辅酶 Q, CoQ, Q ） ： 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。它是电子传递链中唯一的非蛋白 电子载体。 +2H 传递氢机理： CoQ CoQH 2 － 2H 功能：氢原子传递体

38 复合体Ⅲ： CoQ - 细胞色素 C 还原酶 功能：将电子从 CoQ 传递给 Cytc 组成： Cytb 、 Fe-S 、 Cytc 1 细胞色素 (Cyt) ：含铁卟啉辅基的色蛋白， 分 a 、 b 、 c 三类，每类中又分几种亚类。

细胞色素

功能：单电子传递体

42 复合体 Ⅳ ：细胞色素氧化酶 功能：将电子从 Cytc 最终传递到 O 2 组成： Cyta 、 Cyta 3 、 Cu

43 复合体 Ⅱ ：琥珀酸 - CoQ 还原酶 功能：将电子从琥珀酸传递给 CoQ 辅基： FAD 、 Fe-S

总结总结 NADH FMN CoQ Fe-S Cyt c 1 O2O2 Cyt b Cyt c Cyt aa 3 Fe-S 复合物 IV 复合物 I 复合物 III NADH-Q 还原酶 细胞色素还原酶 细胞色素氧化酶 FADH 2 Fe-S 琥珀酸等 复合物 II 琥珀酸 -Q 还原酶

45 由以下实验确定 ① 标准氧化还原电位 ② 拆开和重组 ③ 特异抑制剂阻断 ④ 还原状态呼吸链缓慢给氧 （根据电子传递体氧化还原态时的吸收光谱变化进行检测） ２. 呼吸链成分的排列顺序

e e E O ’ （小） E O ’ （大） E O ’ （小） E O ’ （大）

47 呼吸链中电子传递时自由能的下降 FADH 2 2e- NADH

49 四、 线粒体外 NADH 的 氧化  胞浆中 NADH 必须经一定转运 机制进入线粒体，再经呼吸链 进行氧化磷酸化。 酵解 （细胞质） 氧化磷酸化 （线粒体） 转运机制主要有： 1.α- 磷酸甘油穿梭系统 主要存在于骨骼肌、神经细胞） （主要存在于骨骼肌、神经细胞） 2. 苹果酸 - 天冬氨酸穿梭系统 （主要存在于肝、心肌组织）

NADH+H + FADH 2 NAD + FAD 线粒体 内膜 线粒体 外膜 膜间隙 线粒体 基质 α- 磷酸甘油 脱氢酶 呼吸链 磷酸二羟丙酮 α- 磷酸甘油 脱氢酶 1. α- 磷酸甘油穿梭机制 细胞液

NADH +H + NAD + NADH +H + NAD + 谷氨酸 - 天冬氨酸 转运体 苹果酸 -α- 酮 戊二酸转运体 苹果酸 草酰乙酸 α- 酮戊二酸 谷氨酸 苹果酸 脱氢酶 谷草转 氨酶 胞液 线粒体内膜线粒体内膜 基质 呼吸链 天冬氨酸 2. 苹果酸 - 天冬氨酸穿梭机制

52 五、电子传递抑制剂 几种电子传递抑制剂的作用部位 ①②③ 阻断呼吸链中某些部位电子传递。

53 第四节 氧化磷酸化作用 一、氧化磷酸化的概念 呼吸链中电子的传递过程偶联 ADP 磷酸化， 生成 ATP 的方式，称为氧化磷酸化；是体内产生 ATP 的主要方式。 呼吸链中电子的传递过程偶联 ADP 磷酸化， 生成 ATP 的方式，称为氧化磷酸化；是体内产生 ATP 的主要方式。

54 二、氧化磷酸化的偶联部位 NADH 与 Q 之间 Ctyb 与 Cytc 之间 Cytaa 3 与 O 2 之间

根据 P/O 比值和自由能变化 推测氧化磷酸化的偶联部位！

P/O 比值： 物质氧化时，每消耗 1mol O 2 所消耗无机磷的 mol 数（或 ADP mol 数），或每消耗 1mol O 2 所生成的 ATP 的 mol 数。

电子传递链自由能变化 ATP 氧化磷酸化偶联部位 - - -

58 三、氧化磷酸化的偶联机理 1. 化学渗透假说 (chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可将质子（ H + ）从线粒 体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子 电化学梯度，储存能量。当质子顺浓度梯度回流时 驱动 ADP 与 Pi 生成 ATP 。

59 线粒体基质 线粒体膜 H+H+ O2O2 H2OH2O H+H+ e-e- ADP + Pi ATP 化学渗透假说简单示意图

化学渗透假说示意图 2H + NADH+H + 2H + ADP+Pi ATP 高质子浓度高质子浓度 H2OH2O 2e-2e _ _ _ _ _ 质子流 线粒体内膜 磷酸化 氧化

Ⅲ Ⅰ Ⅱ Ⅳ F0F0 F1F1 Cyt c Q NADH+H + NAD + 延胡索酸 琥珀酸 H+H+ 1/2O 2 +2H + H2OH2O ADP+PiATP H+H+ H+H+ H+H+ 胞液侧 基质侧 化学渗透假说详细示意图

2. ATP 合酶 由亲水部分 F 1 （ α 3 β 3 γδε 亚基 ）和 疏水部分 F 0 （ a 1 b 2 c 9 ～ 12 亚基） 组成。 ATP 合酶结构模式图

64 3. 氧化磷酸化的解偶联作用 ① 解偶联剂 增加线粒体内膜对质子的通透性。 如： 2 ， 4— 二硝基苯酚（ DNP ）， FCCP ② 氧化磷酸化抑制剂 阻止质子从 F 0 质子通道回流。 如：寡霉素 ③ 离子载体抑制剂 增加线粒体内膜对一价阳离子的通透性。 如：缬氨霉素，短杆菌肽

2,4- 二硝基苯酚的解偶联作用 NO 2 O-O- OHOH O-O- OHOH H+H+ H+H+ 内 外 低 pH 高 pH 不能形成质子梯度，使氧化与磷酸化偶联过程脱离。抑制 ATP 的生 成，不抑制电子传递，使电子传递产生的自由能都变为热能散失。

66 寡霉素 (oligomycin) 对电子传递及 ADP 磷酸化均有抑制作用。 寡霉素

不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响

68 解偶联蛋白作用机制（褐色脂肪组织线粒体） Ⅲ Ⅰ Ⅱ F0F0F0F0 F1F1F1F1 Ⅳ Cyt c Q 胞液侧 基质侧 产热素 热能 H + H + ADP+PiATP

非线粒体氧化系统 通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、植物、微生 物主要氧化途径，它与 ATP 的生成紧密相关。除此以外，生物体内还存 在非线粒体氧化系统，其特点是从底物脱氢到 H 2 O 的生成是经过其它末 端氧化酶完成的，与 ATP 的生成无关，但各自具有重要的生理功能。 生物体内主要的非线粒体氧化系统如下： 1 、多酚氧化酶系统 2 、抗坏血酸氧化酶系统 3 、黄素蛋白氧化酶系统 4 、超氧化物歧化酶氧化系统 5 、植物抗氰氧化酶系统

70 本章重点 1. 自由能， ATP 的作用 2. 生物氧化的概念与特点 3. 呼吸链（电子传递链） 组成与顺序，作用机制，抑制剂。 4. 氧化磷酸化 氧化磷酸化概念，偶联部位，化学渗透假说， 解偶联作用。