1、生物氧化生物氧化第八章本章教学目的要求1.掌握：掌握：（1）氧化磷酸化及底物水平磷酸化的概念；（2）氧化磷酸化偶联部位及影响因素；（3）呼吸链的概念、组成及主要呼吸链的排列顺序。2.熟悉：熟悉：（1）ATP与能量转换和利用。（2）胞液中NADH的氧化过程。（3）-磷酸甘油及苹果酸-天冬氨酸穿梭机制。3.了解：了解：（1）体内外生物氧化异同点。（2）氧化磷酸化的偶联机制。（3）线粒体内膜物质转运及其他氧化体系的特点、作用。新陈代谢新陈代谢 新陈代谢新陈代谢 合成代谢合成代谢（同化作用）（同化作用）分解代谢分解代谢（异化作用）（异化作用）生物小分子合成生物小分子合成为生物大分子为生物大分子需要能量
2、需要能量释放能量释放能量生物大分子分解生物大分子分解为生物小分子为生物小分子能量能量代谢代谢物质代谢物质代谢什么叫生物氧化？什么叫生物氧化？糖、脂、蛋白质等有机物在细胞内氧化分解，最终生成CO2和水并释放能量的过程。又称细胞氧化或细胞呼吸。生物氧化是在一系列氧化生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化.糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂肪酸脂肪酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP *生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程u二氧化碳的生成二氧
3、化碳的生成细胞如何在酶的催细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的化下将有机化合物中的C C变成变成COCO2 2：脱羧反应脱羧反应u水的生成水的生成在酶的作用下细胞怎样利用在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的分子氧将有机化合物中的H H氧化成氧化成H H2 2O O：电子传递电子传递链链uATPATP的生成的生成当有机物被氧化成当有机物被氧化成COCO2 2和和H H2 2O O时，释放的能量怎样转化成时，释放的能量怎样转化成ATPATP：底物水平磷酸化底物水平磷酸化，氧化磷酸化氧化磷酸化（电子传递体系磷酸化）（电子传递体系磷酸化）生物氧化研究的内容生物氧化研究的内容第一节第一节 生物
4、氧化的方式、特点和酶类生物氧化的方式、特点和酶类一、生物氧化中一、生物氧化中CO2生成的方式生成的方式 生物体内生物体内CO2的生成来源于有机物转变为含羧基化的生成来源于有机物转变为含羧基化合物的合物的脱羧作用。脱羧作用。脱羧的方式有四种脱羧的方式有四种:直接脱羧基作用 氧化脱羧基作用-直接脱羧直接脱羧 -氧化脱羧氧化脱羧 -直接脱羧直接脱羧 -氧化脱羧氧化脱羧(一)直接脱羧作用-如丙酮酸、氨基酸脱羧如丙酮酸、氨基酸脱羧-CHCH3 3+CO+CO2 2CHCH3 3-酮酸脱羧酶酮酸脱羧酶TPPCHCH3 3CHCH2 2COOCOOH H+CO+CO2 2丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶生物素生物素
5、ATP ADP+PiATP ADP+Pi草酰乙酸-氧化脱羧：如丙酮酸的氧化脱羧：氧化脱羧：如丙酮酸的氧化脱羧：-氧化脱羧：如苹果酸的氧化脱羧：氧化脱羧：如苹果酸的氧化脱羧：（二）氧化脱羧作用二、生物氧化中物质氧化的方式二、生物氧化中物质氧化的方式(一一).).失电子失电子(二二).).脱氢脱氢乙醇乙醇乙醛乙醛CHCH3 3-CH-CH2 2OH CHOH CH3 3CHOCHO NAD NAD+NADH+H NADH+H+醇脱氢酶醇脱氢酶 琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢+2H+2e-+C O O HC HC HC O O HC O O HC H2C H2C O O H乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶CH3CHCOO
6、HOHNAD+NADHCH3CCOOHO(三三).).加氧加氧(四四).).加加水水O2CH2CHCOOH NH2H-CH2CHCOOH NH2HO-延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸 C CH H2 2COOHCOOHH2O延胡索酸水合酶延胡索酸水合酶羟化酶羟化酶（五）加水脱氢o 酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。+2H+2e-+RCOHO 酶RCOHHOH H2ORCOH三、生物氧化的特点三、生物氧化的特点 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱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氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。规律。
7、物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（终产物（COCO2 2，H H2 2O O）和释放能量均相同。）和释放能量均相同。*生物氧化生物氧化与与体外氧化之相同点；体外氧化之相同点；w 是在细胞内温和的有水环境中（体温，是在细胞内温和的有水环境中（体温，pH接近中性），经一系列酶促反应逐接近中性），经一系列酶促反应逐步缓慢进行，能量逐步释放，步缓慢进行，能量逐步释放，以以ATPATP形形式储存和转运，式储存和转运，有利于机体捕获能量，有利于机体捕获能量，提高提高ATP生成的效率。生成的效率。w 物质的氧化方式是脱氢反应，脱下的物质的氧化方式是脱氢反应，脱下的氢
8、在酶、辅酶和电子传递系统参与下经氢在酶、辅酶和电子传递系统参与下经一系列传递与水结合生成一系列传递与水结合生成H2O；二氧化；二氧化碳（碳（CO2）是由于糖、脂类和蛋白质转）是由于糖、脂类和蛋白质转变成含羧基的化合物（有机酸）直接脱变成含羧基的化合物（有机酸）直接脱羧或氧化脱羧产生羧或氧化脱羧产生。*生物氧化生物氧化与与体外氧化之不同点体外氧化之不同点:生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化w 在高温、高压以及干燥的在高温、高压以及干燥的条件下进行，是剧烈的自由条件下进行，是剧烈的自由基反应，能量是突发式释放基反应，能量是突发式释放的。产生的能量以光与热的的。产生的能量以光与热的形式散发在环境中。形
9、式散发在环境中。w 产生的产生的CO2、H2O是由物是由物质中的碳和氢直接与氧结合质中的碳和氢直接与氧结合生成。生成。场所：场所：真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行。1.1.条件温和条件温和生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，中性条件温和（水溶液，中性pHpH和常温）。和常温）。2.2.水的水的生成生成水的水的生成生成不是不是H H直接与直接与O O作用生成作用生成,氧化过程中脱下来的氢，通常氧化过程中脱下来的氢，通常由各种载体，如由各种载体，如NADHNADH等传递到氧
10、并生成水。水是生物氧化反应等传递到氧并生成水。水是生物氧化反应的的产物产物,又是又是生物氧化反应的生物氧化反应的环境环境.水是许多生物氧化反应的水是许多生物氧化反应的氧氧供体供体。通过加水脱氢作用。通过加水脱氢作用,直接参予了氧化反应。直接参予了氧化反应。3.CO3.CO2 2的的生成生成COCO2 2的的生成生成不是不是C C直接与直接与O O作用生成作用生成,而是通过脱羧作用生成。而是通过脱羧作用生成。4.4.能量的生成能量的生成能量的生成不是暴发式的能量的生成不是暴发式的,而是逐步释放而是逐步释放,提高能量利用率。生物提高能量利用率。生物氧化释放的能量，通过与氧化释放的能量，通过与ATP
11、ATP合成相偶联，转换成生物体能够直合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能接利用的生物能ATPATP。总结：生物氧化的特点总结：生物氧化的特点四、参与生物氧化的酶类四、参与生物氧化的酶类（一）脱氢酶类（一）脱氢酶类 使代谢物的氢活化、脱落、并将其传递给其他受使代谢物的氢活化、脱落、并将其传递给其他受氢体或中间传递体。氢体或中间传递体。根据辅因子的不同，可分为：根据辅因子的不同，可分为：1、以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶、以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶 2、以烟酰胺核苷酸为辅酶的脱氢酶、以烟酰胺核苷酸为辅酶的脱氢酶1、黄素脱氢酶类、黄素脱氢酶类（以黄素辅基做为（以黄素辅基做为H的受体的酶类）的受体
12、的酶类）直接从代谢物上直接从代谢物上获获H SH2+FMN/FAD S+FMNH2/FADH2（1）需氧黄酶）需氧黄酶 以氧为直接受氢体以氧为直接受氢体，即直接把，即直接把H给给O生成生成H2O2如如AA氧化酶氧化酶 AA+O2+H2O 酮酸酮酸+H2O2+NH3（2）不需氧黄酶）不需氧黄酶 不以氧为直接受氢体，不以氧为直接受氢体，即先把即先把H传给中间传递体，最后才传给传给中间传递体，最后才传给O生成生成H2O。oNAD脱氢酶脱氢酶 NADH2+FMN NAD+FMNH2o琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 COOHCH2CH2COOH+FAD COOHCHCHCOOH+FADH2o脂酰脂酰CoA脱氢
13、酶脱氢酶 脂酰脂酰CoA+FAD 烯脂酰烯脂酰CoA+FADH2o-磷酸甘油脱氢酶（线粒体）磷酸甘油脱氢酶（线粒体）-磷酸甘油磷酸甘油+FAD 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮+FADH2传递体2、烟酰胺脱氢酶类、烟酰胺脱氢酶类（以烟酰胺辅酶作为受（以烟酰胺辅酶作为受H体的酶类体的酶类）o 这类酶以这类酶以NAD（辅酶（辅酶）和和NADP（辅酶（辅酶）为辅酶；）为辅酶；o 直接从代谢物上接受氢；直接从代谢物上接受氢；o 属于不需氧脱氢酶；属于不需氧脱氢酶；o 这类脱氢酶有这类脱氢酶有200多种多种.(见见P233表表10-1)S-2HSNAD/NADP NAD/NADP 中间体中间体-2H -2H O
14、 O2 2NADH/NADPH NADH/NADPH 中间体中间体 H H2 2O O（二）氧化酶二）氧化酶（种类很多）（种类很多）在生物氧化过程中，以在生物氧化过程中，以O为直接受氢体的氧化还原酶类。为直接受氢体的氧化还原酶类。例：细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶例：细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶（三）加氧酶（三）加氧酶 CH3CHO+1/2O2 CH3COOH（四）传递体：（四）传递体：是指生物氧化过程中，起着中间传递氢或传递电是指生物氧化过程中，起着中间传递氢或传递电子作用的物质。子作用的物质。递氢体：递氢体：黄酶、烟酰胺辅酶和黄酶、烟酰胺辅酶和CoQ 递电子体：递电子体：细胞色素及铁硫蛋
15、白细胞色素及铁硫蛋白VitC氧化酶氧化酶脱氢抗坏血酸脱氢抗坏血酸抗坏血酸抗坏血酸O2H2O第二节第二节 呼吸链的概念呼吸链的概念呼吸链又叫电子传递体系或电子传递链，它是代谢物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，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。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，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。它位于细胞膜上。呼吸链的作用呼吸链的作用接受还原性辅酶上的氢原子对接受还
16、原性辅酶上的氢原子对(2H+2e)，使辅，使辅酶分子氧化，并将电子对顺序传递，直至激活分酶分子氧化，并将电子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧负离子子氧，使氧负离子(O2-)与质子对与质子对(2H+)结合，生结合，生成水。电子对在传递过程中逐步氧化放能，所释成水。电子对在传递过程中逐步氧化放能，所释放的能量驱动放的能量驱动ADP和无机磷发生磷酸化反应，生和无机磷发生磷酸化反应，生成成ATP。细胞内的线粒体是生物氧化的细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所。主要场所。线粒体的结构生物体主要以生物体主要以脱氢酶脱氢酶、传递体及、传递体及氧化酶氧化酶组成生组成生物氧化体系，以促进物氧化体系，以促进水水的生
17、成。的生成。MH2M递氢体递氢体递氢体递氢体H2 NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ还原型还原型氧化型氧化型Cyt递电子体递电子体 b,c1,c,aa32H+2e O2O2-H2O脱氢酶脱氢酶氧化酶氧化酶二二.NADH-Q还原酶（复合体I）琥珀酸-Q还原酶（复合体）细胞色素还原酶（复合体 III）细胞色素氧化酶（复合体）电子传递中有四个复合体参与典型的呼吸链典型的呼吸链（根据最初受氢体的不同分）：根据最初受氢体的不同分）：（一）（一）NADH呼吸链呼吸链（线粒体内），是细胞内（线粒体内），是细胞内最主要的呼吸链最主要的呼吸链（二）（二）FADH2呼吸链呼吸链（又叫（又叫琥珀酸氧化呼吸
18、琥珀酸氧化呼吸链链，线粒体内），线粒体内）NADH NADH 氧化呼吸链氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置（一）NADH-Q还原酶（复合体1）由FMN+铁硫蛋白组成的黄素蛋白功能：先与NADH结合并将NADH上的两个高势能电子转移到FMN辅基上，使NADH氧化，并使FMN还原。它的活性部分含有辅基它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。NADH+H+FMN FMNH2+NAD+o NADH-CoQ脱氢酶它的作用是催化脱氢酶它的作用是催化NADH的氧的氧化脱氢以及化脱氢以及CoQ的还原。的还原。NADH Q还原酶还原酶,850KD,由由42条肽
19、链构成。它的活性部分有含辅条肽链构成。它的活性部分有含辅基基FMN的黄素蛋白和铁硫蛋白。的黄素蛋白和铁硫蛋白。o FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型形成还原型FMNH2。还原型。还原型FMNH2可以进一步可以进一步将电子转移给将电子转移给CoQ。o NADH Q还原酶还原酶o NADH +CoQNADH +CoQ +H+=NAD +H+=NAD+CoQH2 +CoQH2 氧化还原反应发生时，变化发生在五价氮和三价氮之间 铁硫蛋白中辅基铁硫簇（FeS）含有等量铁原子和硫原子，基中铁原子可进行Fe2+Fe3+e反应传递电子 铁硫聚簇有几种不
20、同的类型，有的只含有一个铁原子FeS，有的只含有两个铁原子2Fe-2S，有的含有4个铁原子4Fe-4S铁硫蛋白类OOCH3OCH3OCH3(CH2CH CCH2)nHCH3n=6-10辅酶Q（CoQ）是脂溶性辅酶。在线粒体内膜中是一种均一的流动库，可以结合到膜上，也可以游离状态存在。CoQ和FMN都是NADH-Q还原酶的辅酶。CoQ和FMN一样，都能够接受或给出一个或两个电子，因为它们都有稳定的半醌形式。琥珀酸-Q还原酶（复合体）琥珀酸脱氢酶，它是嵌在线粒体内膜的酶蛋白。也是此复合体的一部分，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。功能：将电子从琥珀酸传递给泛醌o 琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中
21、产生琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸脱氢酶（的中间产物，它在琥珀酸脱氢酶（复合复合物物II）催化下，将两个高能电子传递给催化下，将两个高能电子传递给CoQ。再将电。再将电子传递到子传递到Cyt.b。o 复合物复合物II比比NADH-Q还原酶的结构简单，还原酶的结构简单，140KD,由由4个不同的多肽亚基组成个不同的多肽亚基组成。其活性。其活性部分含有部分含有辅基辅基FAD和铁硫蛋白和铁硫蛋白。o 琥珀酸脱氢酶的作用是琥珀酸脱氢酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化催化琥珀酸的脱氢氧化和和CoQ的还原的还原。2Cytb+Cytc1+（Fe-S）细胞色素是一类含有血红素辅基的
22、电子传递蛋白质的总称。（有颜色）根据吸收光谱的不同将细胞色素分为a,b,c三类o 这是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质。在生物氧化反应这是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质。在生物氧化反应中，其铁离子可为中，其铁离子可为+2+2价亚铁离子，也可为价亚铁离子，也可为+3+3价高铁离价高铁离子。通过这种转变而传递电子。细胞色素为单电子传子。通过这种转变而传递电子。细胞色素为单电子传递体。递体。o 细胞色素存在于线粒体内膜，也存在于微粒体。细胞色素存在于线粒体内膜，也存在于微粒体。o 存在于线粒体内膜的细胞色素有存在于线粒体内膜的细胞色素有Cytaa3Cytaa3，CytbCytb（b560b560，b562b5
23、62，b566b566），），CytcCytc，Cytc1Cytc1；而存在于微粒体的细；而存在于微粒体的细胞色素有胞色素有CytP450CytP450和和Cytb5Cytb5。甲酰基甲酰基多聚异戊二烯长链多聚异戊二烯长链o 复合物复合物III是线粒体内膜上的一种跨膜蛋是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型白复合物，其作用是催化还原型CoQH2的的氧化和细胞色素氧化和细胞色素c的还原。的还原。o 复合物复合物III由由11肽链组成，肽链组成，250KD.。活性部分主要包括细胞色素活性部分主要包括细胞色素b 和和c1，以及，以及铁硫蛋白（铁硫蛋白（2Fe-2S）。）。QH2+2C
24、yt.c1(氧化型)+2H+(基质内)-Q+2Cyt.c1(还原型)+4H+Q循环它是电子传递链中一个独立的它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，蛋白质电子载体，.124KD,.124KD,位于位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素易溶于水。它与细胞色素c c1 1含有含有相同的辅基，但是蛋白组成则有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，所不同。在电子传递过程中，cytccytc通过通过FeFe3+3+Fe Fe2+2+的互变起的互变起电子传递中间体作用电子传递中间体作用,将电子传将电子传递给细胞色素递给细胞色素c c 氧化酶
25、。氧化酶。Cyta+Cyta3o 简写为简写为cyt.c 氧化酶，即复氧化酶，即复合物合物IV，它是，它是位于线粒体呼位于线粒体呼吸链末端的蛋吸链末端的蛋白复合物，由白复合物，由13个多肽亚基个多肽亚基组成。组成。活性部活性部分主要包括分主要包括cyt.a和和a3。o cyt.a和和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有有铜铜原子原子。cyt.aa3可以直接以可以直接以O2为电子受体。为电子受体。o 在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+Cu2+的互变，的互变，将将cyt.c所携带的电子传递给所携带的电
26、子传递给O2。NADH氧化呼吸链NADH复合体I 复合体II Q 复合体 cyt C复合体 O2 FADH2氧化呼吸链(琥珀酸氧化呼吸链）FADH2Q 复合体 cyt C复合体 O2 三、电子传递链的电子传递顺序 呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，在线粒体内膜上主要有两条呼吸链：电子传递链 其他末端氧化酶系统是指除细胞色素系统之外的氧化体系，又称非线粒体氧化体系，与ATP生成无关。1.微粒体氧化体系2.多酚氧化酶 体系3.抗坏血酸氧化酶体系4.超氧化物歧化酶、过氧化氢 酶和过氧化物酶体系第三节第三节 非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系o 该体系在细胞微粒体中发生，不产生能量即与该体
27、系在细胞微粒体中发生，不产生能量即与ATP合成无关，但具有重要生理功能。合成无关，但具有重要生理功能。o 过氧化氢酶（过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（）、过氧化物酶（POD）、超）、超氧化物歧化酶（氧化物歧化酶（SOD），都是抗氧化酶（防衰老），都是抗氧化酶（防衰老）o 酚类无颜色，氧化成醌（褐色），故土豆、苹果、酚类无颜色，氧化成醌（褐色），故土豆、苹果、梨等的切口处，放了一会儿变成褐色（酚类、胺类梨等的切口处，放了一会儿变成褐色（酚类、胺类被氧化成醌）。被氧化成醌）。1、加双氧酶类（直接把氧加到底物分子上）：、加双氧酶类（直接把氧加到底物分子上）：一、微粒体氧化体系（加氧体系）一、微粒体
28、氧化体系（加氧体系）3-3-羟邻氨基苯二甲酸加双氧酶羟邻氨基苯二甲酸加双氧酶-胡萝卜素加双氧酶胡萝卜素加双氧酶尼克酸尼克酸3-3-羟基邻氨基苯甲酸羟基邻氨基苯甲酸脱羧酶脱羧酶COCO2 2+H+H2 2O O加双氧酶加双氧酶O O2 22、加单氧酶类（一个氧原子进入底物分子中，另、加单氧酶类（一个氧原子进入底物分子中，另一个氧原子还原成水），又称混合功能氧化酶。此一个氧原子还原成水），又称混合功能氧化酶。此酶并非一种单酶，而是一个酶体系。酶并非一种单酶，而是一个酶体系。RH+NADPH2+O2 ROH+NADP+H2OP450-Fe3+-RHP450-Fe2+-RHP450-Fe2+-RHO2
29、P450-Fe3+-ROH+H2O例：例：NADPH-P450还原酶还原酶二二.过氧化体氧化体系过氧化体氧化体系过氧化体也称过氧化物酶体过氧化体也称过氧化物酶体(peroxisome(peroxisome),),即微体即微体（microbodymicrobody）含过氧化氢酶和过氧化物酶。）含过氧化氢酶和过氧化物酶。1.1.过氧化氢的生成过氧化氢的生成COOH COOHCOOH COOHCHNHCHNH2 2 C=O +NHC=O +NH3 3+H+H2 2O O2 2R RR RO O2 2黄嘌呤氧化酶H2O+O2黄嘌呤尿酸氨基酸氧化酶2.2.过氧化氢的处理与利用过氧化氢的处理与利用（1)1
30、)过氧化氢酶过氧化氢酶H2O2H2O +O2过氧化氢酶过氧化氢酶(2).过氧化物酶过氧化物酶R-2H +H2O2R +H2O过氧化物酶过氧化物酶酚类和胺类三三.植物细胞中的生物氧化体系植物细胞中的生物氧化体系1.1.多酚氧化酶体系多酚氧化酶体系组成：脱氢酶、醌还原酶、酚氧化酶生物学意义：此酶与植物组织受伤反应有关，植物组织受伤后多酚氧化酶活力增高，呼吸作用增强；植物受病菌侵害时，多酚氧化酶活力也增高，有利于把酚类化合物氧化为醌，醌对病菌有毒害而起抗 病作用。2.VitC2.VitC氧化酶体系氧化酶体系3.3.乙醇酸氧化酶体系乙醇酸氧化酶体系四、超氧化物歧化酶（SOD)自由能（自由能（G）是指在
31、一个反应体系的总能量中，在恒温恒压条是指在一个反应体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够用以作功的那一部分能量。即生物体中进行生物氧件下能够用以作功的那一部分能量。即生物体中进行生物氧化所提供的能。化所提供的能。恒温恒压条件下自由能变化公式为恒温恒压条件下自由能变化公式为G=G=H H T T S S意义：意义：1)1)用其判断一个反应是否能发生；用其判断一个反应是否能发生；2)2)生物体用以作功的能为体内化学反应放出的自由能；生物体用以作功的能为体内化学反应放出的自由能；3)3)生物氧化所提供的能是机体可利用的自由能。生物氧化所提供的能是机体可利用的自由能。一、生化反应中的自由能及自由能的变化
32、一、生化反应中的自由能及自由能的变化第四节第四节 生物氧化过程中生物氧化过程中 能量的转移和利用能量的转移和利用G与反应途径、反应机理无关。任何反应，当：与反应途径、反应机理无关。任何反应，当：G0 反应可自发进行，为放能反应；反应可自发进行，为放能反应；G 0 反应不能自发进行，为吸能反应；反应不能自发进行，为吸能反应；G 0 体系处于平衡状态，反应可逆。体系处于平衡状态，反应可逆。自由能变化（自由能变化（G）:A B G=GB GAG是衡量反应自发性的标准。是衡量反应自发性的标准。化学反应：化学反应：AB自由能的变化：自由能的变化：G G0 RTlnB/A R-气体常数（气体常数（8.31
33、5J/mol.K）T-热力学温度（绝对温度）热力学温度（绝对温度）标准自由能变化标准自由能变化G0：标准状况下标准状况下（pH=7时）时），产物自由能与反应物，产物自由能与反应物自由能之差。自由能之差。单位：单位：kJ/mol 当反应达到平衡时：当反应达到平衡时：G 0G0 RTlnB/A=-2.303RT lgK G0的大小依赖于反应的平衡常数的大小依赖于反应的平衡常数K 每一化学反应有其特定的每一化学反应有其特定的G0自由能变化与反应平衡常数的关系氧化还原电位：氧化还原电位：指氧化还原反应中，反应物得失电子的能力。用指氧化还原反应中，反应物得失电子的能力。用E表示。表示。氧化还原反应氧化还
34、原反应指反应过程中凡是有电子从一物质（还原剂）转移到另指反应过程中凡是有电子从一物质（还原剂）转移到另一物质氧化剂）的化学反应都属于氧化还原反应。通常所说某一物一物质氧化剂）的化学反应都属于氧化还原反应。通常所说某一物质的氧化还原电位都是和标准氢电极比较得到的。质的氧化还原电位都是和标准氢电极比较得到的。参与氧化还原反应的每种物质都有氧化态和还原态，称为氧还对；每一参与氧化还原反应的每种物质都有氧化态和还原态，称为氧还对；每一氧还对转移电子的势能（即失去或获得电子趋势的高低）氧还对转移电子的势能（即失去或获得电子趋势的高低）叫做氧化叫做氧化还原电位还原电位.标准氢电极标准氢电极是指在是指在25
35、C、一个大气压下，将铂电极放入氢离子活、一个大气压下，将铂电极放入氢离子活度为度为1质量摩尔浓度的溶液中（其质量摩尔浓度的溶液中（其pH=0）形成的。规定其电极电位）形成的。规定其电极电位E0为为o。所以待测物质与标准氢电极组成的原电池的电动势即为该物质的标准氧所以待测物质与标准氢电极组成的原电池的电动势即为该物质的标准氧化还原电位。化还原电位。标准状态下测得的为标准氧化还原电位标准状态下测得的为标准氧化还原电位E0；生化反应是在；生化反应是在pH=7.0条件条件下进行的，故此时测得的氧化还原电位为生化氧化还原电位下进行的，故此时测得的氧化还原电位为生化氧化还原电位 E0生化标准氧化还原电位（
36、生化标准氧化还原电位（E0）：）：生化标准条件下（生化标准条件下（25C、一个大、一个大气压、气压、pH=7.0、电子供体和电子受体的浓度都是、电子供体和电子受体的浓度都是1mol/L），），发生氧化还原反应的每一氧还对的电子转移势能。发生氧化还原反应的每一氧还对的电子转移势能。二、氧化还原电位与自由能变化二、氧化还原电位与自由能变化o 一般一般E0 E0 值越小，表示该氧还对的还原态失电子能力越大，值越小，表示该氧还对的还原态失电子能力越大，即还原能力越强，是强还原剂。越处于呼吸链的前面即还原能力越强，是强还原剂。越处于呼吸链的前面o E0E0值越大，表示该氧还对的氧化态得电子能力越大，即值
37、越大，表示该氧还对的氧化态得电子能力越大，即氧化能力越强，是强氧化剂。越处于呼吸链的后面。氧化能力越强，是强氧化剂。越处于呼吸链的后面。o 在氧化还原反应中，电子总是从在氧化还原反应中，电子总是从E0E0值较小的物质转移到值较小的物质转移到E0E0值较大的物质，即从还原剂流向氧化剂值较大的物质，即从还原剂流向氧化剂。G0 nF E0 n=转移电子数转移电子数 F:法拉第常数（法拉第常数（96.496kJ/V.mol)氧化还原电位与自由能的关系氧化还原电位与自由能的关系 对于一个氧化还原反应，通过氧化还原电位差对于一个氧化还原反应，通过氧化还原电位差即可计算出该反应自由能的变化。即可计算出该反应
38、自由能的变化。丙酮酸丙酮酸NADHH乳酸乳酸 NADNAD/NADH:E0 0.32V，丙酮酸丙酮酸/乳酸乳酸:E0 0.185V G0296.4960.185(0.32)25.1kJ/mol第四节第四节 生物氧化过程中生物氧化过程中 能量的转移和利用能量的转移和利用三、高能磷酸键的生成机制三、高能磷酸键的生成机制一）一）.高能键与高能化合物高能键与高能化合物o高能键高能键物理化学解释：当某一化学键断裂时，需要大量的能量的物理化学解释：当某一化学键断裂时，需要大量的能量的化学键，如化学键，如P-O;O-O键。这里高能键式指含有这种化学键的化合物键。这里高能键式指含有这种化学键的化合物水解反应或
39、基团转移反应所释放的能量大于或等于水解反应或基团转移反应所释放的能量大于或等于5Kcal/mol（20.9KJ/mol），这种键就称为高能键，用），这种键就称为高能键，用“”表示。表示。o高能化合物高能化合物当某一化合物分解时所释放的能量大于或等于当某一化合物分解时所释放的能量大于或等于ATP水水解成解成ADP时放出的能量（时放出的能量（30.5kJ/mol7.3K cal/mol)，则称此，则称此化合物为高能化合物。化合物为高能化合物。磷氧键型磷氮键型硫酯键型甲硫键型高能化合物的类型 （1）磷氧键型（O-P:335kJ/mol)1,3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸COCHOCH2OHOPOO-O-P
40、OO-O-CH3COOPOO-O-11.8千卡千卡/摩尔摩尔10.1千卡千卡/摩尔摩尔H3N+COOPOO-O-氨甲酰磷酸R COOPOOO-A酰基腺苷酸RC HCOOPOOO-AN+H3氨酰基腺苷酸(B)焦磷酸化合物O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）O-POO-O POO-O-焦磷酸 ATPATP是生物体通用的能量货币。是生物体通用的能量货币。ATPATP是磷酸基团转移反应的中间载体。是磷酸基团转移反应的中间载体。ATPATP在传在传递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和转运者，但不
41、是能量的贮存者。带者和转运者，但不是能量的贮存者。ATPATP在能量转化中的作用在能量转化中的作用(C)烯醇式磷酸化合物OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡千卡/摩尔摩尔(2)氮磷键型OPOONHCNHNCH3CH2COOHOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2磷酸肌酸磷酸精氨酸这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用10.3千卡千卡/摩尔摩尔7.7千卡千卡/摩尔摩尔O SOO-OCH2OHHOHHOHHNNNH2NNO POO-3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸RCOSCoA酰基辅酶A(3)硫酯键型COO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨
42、酸(4)甲硫键型1 1、呼吸链磷酸化（电子传递体系磷酸化）、呼吸链磷酸化（电子传递体系磷酸化）电子从电子从NADHNADH或或FADHFADH2 2经过电子传递体系经过电子传递体系传递给氧形成水，同时伴有传递给氧形成水，同时伴有ADPADP磷酸化为磷酸化为ATPATP 这种方式生成的高能键最多，是生理活动所需能量的主要来源。这种方式生成的高能键最多，是生理活动所需能量的主要来源。（一）氧化磷酸化作用（偶联磷酸化作用）（一）氧化磷酸化作用（偶联磷酸化作用）在代谢物的氧化过程中，物质的氧化作用与在代谢物的氧化过程中，物质的氧化作用与ADPADP磷磷酸化作用偶联生成酸化作用偶联生成ATPATP的过程
43、（伴随着放能的氧化的过程（伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化）作用而进行的磷酸化）二）.ATP生成方式化学偶联假说（1953）认为电子传递过程产生一种活泼的高能共价中间物。它随后的裂解驱动氧化磷酸化作用。.构象偶联假说（1964）认为电子沿电子传递传递使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能形式。这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。2、氧化磷酸化的机制、氧化磷酸化的机制o 化学渗透假说的要点是（化学渗透假说的要点是（Mitchell 1961 1961）：）：v 线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；v 线粒体内膜是完整封闭的线粒体内膜是
44、完整封闭的;v 电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧用于驱动膜内侧的的H+迁移到膜外侧（膜对迁移到膜外侧（膜对H+是不通是不通透的）。在膜的内侧与外侧产生了跨膜质子梯度透的）。在膜的内侧与外侧产生了跨膜质子梯度(pH)和电位梯度（和电位梯度（）；）；v 在膜内外势能差（在膜内外势能差（pH 和和）的驱动下，膜外高能）的驱动下，膜外高能质子沿着质子沿着F0F1-ATP酶特殊通道，跨膜返回到膜内侧。酶特殊通道，跨膜返回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合和磷酸合成成ATP。
45、F0 F1 Cyt c Q NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+1/2O2+2H+H2O ADP+Pi ATP H+H+H+胞液侧胞液侧 基质侧基质侧+-化学渗透假说详细示意图化学渗透假说详细示意图 线粒体膜上的线粒体膜上的ATP合酶是受质子动力推动合酶是受质子动力推动的酶。可催化的酶。可催化ATP水解放能；又可从质子水解放能；又可从质子动力获能，合成动力获能，合成ATP。ATP合酶结构示意图结构结构：由亲水：由亲水部分部分 F1（33亚基亚基）和疏水部分）和疏水部分 F0（a1b2c912亚基）组成亚基）组成。Mitchell外侧内侧ATP合酶的工作机制3个亚基构象不同
46、 O开放型；T紧密结合型；L疏松型Paul Boyer提出：结合变化机制（1997年诺贝尔化学奖）o 氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系，可以反映氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系，可以反映底物脱氢氧化与底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系。生成之间的比例关系。每消耗一每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数称为摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数称为P/O比值。比值。o NADH或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到传递到O2的过程中，释放出大量的能量。这种高能电的过程中，释放出大量的能量。这种高能电子传递过程的释能反应与子传递过程的释能反应
47、与ADP和磷酸合成和磷酸合成ATP的需的需能反应相能反应相偶联偶联，是，是ATP形成的基本机制形成的基本机制。3 3、氧化磷酸化的偶联部位：、氧化磷酸化的偶联部位：P/OP/O比值比值o 在生物氧化反应中，在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的氧化与还原总是相互偶联的。在在线粒体呼吸链中，推动电子线粒体呼吸链中，推动电子从从NADH传递到传递到O2的力，的力，是由于是由于NAD+/NADH+H+和和1/2 O2/H2O两两个反应之间存在很大的个反应之间存在很大的电势差电势差。(a)O2+2 H+2 e-H2O E0=+0.82 V(b)NAD+H+2 e-NADH E0=-0.32 V 将
48、将(a)减去减去(b)，即得，即得(c)式：式：(c)O2 +NADH+H+H2O+NAD+E0=+1.14 V G =-nF E0=-2 96500 1.14=-220 kJ/mol 呼吸链中生成呼吸链中生成ATPATP的部位的部位NADHNADH呼吸链呼吸链FADHFADH呼吸链呼吸链2.5ADP+Pi2.5ATP0.5FADHFADH2 2 CoQ CoQ b b c c1 1 c aa c aa3 3 1/2O 1/2O2 2 1ATP 1ATP 0.5ATP0.5ATP 1.5ADP+Pi 1.5ATP1.5ADP+Pi 1.5ATP实验测得实验测得:NADH的P/O2.5FADH2
49、的P/O1.5作用物作用物 呼吸链的组成呼吸链的组成 P/OP/O比值比值 ATPATP数数-羟丁酸羟丁酸 NADH 1/2ONADH 1/2O2 2 2.8 2.52.8 2.5琥珀酸琥珀酸 FAD 1/2OFAD 1/2O2 2 1.7 1.51.7 1.5抗坏血酸抗坏血酸 cytCcytC 1/2O 1/2O2 2 0.88 10.88 1cytCcytC cytaa cytaa3 3 1/2O1/2O2 2 0.610.610.68 0.50.68 0.5X +ADP ATP+XP（二）、底物磷酸化：（二）、底物磷酸化：被氧化的底物上直接进行被氧化的底物上直接进行 的磷酸化作用。的磷酸
50、化作用。3-3-磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 +ADPADP 3-3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 +ATPATP 丙酮酸激酶丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 +ADPADP 烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸 +ATPATP 琥珀酰硫激酶琥珀酰硫激酶琥珀琥珀酰酰CoA+HCoA+H3 3POPO4 4+GDP GDP 琥珀酸琥珀酸 +CoA+CoA+GTPGTP 高能磷酸键通过非氧化性而生成。这种高能磷酸键通过非氧化性而生成。这种磷酸化作用，既没有脱氢，也没有氧参与。磷酸化作用，既没有脱氢，也没有氧参与。例：例：2磷酸甘油酸磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇
