第五章 生物氧化 第一节 概述 第二节 电子传递链 第三节 氧化磷酸化

第一节 概述 生物氧化定义 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。

糖原 脂肪 蛋白质 Ⅰ 葡萄糖 脂肪酸 甘油 氨基酸 Ⅱ 乙酰CoA TCA Ⅲ 营养物分解代谢的三个阶段

生物氧化的本质与特点 本质：生物氧化是发生在生物体内的氧化还原反应,因而具有氧化还原反应的共同特征。并且物质被氧化时总伴随能量的释放。 特点：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、有机物在生物体内完全氧化与在体外燃烧而被彻底氧化,在本质上相同,最终的产物都是CO2和H2O,同时所释放能量的总值也相等； 2、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pH和常温）。是在一系列酶、辅酶和中间传递体的作用下逐步进行的； 3、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,又使得生物体能充分、有效地利用释放的能量； 4、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。

生物氧化的方式 生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化。在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。 脱氢 加水脱氢 加氧 失电子

高能磷酸化合物 ATP与高能磷酸键

高能磷酸键 ATP + H2O ADP + Pi ΔG’=-30.5 kJ/mol ATP + H2O AMP + Pi Pi ΔG’=-30.5 kJ/mol AMP + H2O 腺苷+ Pi ΔG =-14.2 kJ/mol 高能磷酸键：生化中把磷酸化合物水解时释出的能量＞20kJ/mol者所含的磷酸键称高能磷酸键，常用~P表示，含有高能键的化合物称为高能化合物。

ATP的作用 作为能量载体，提供合成代谢或分解代谢初始阶段所需的能量； 供给机体生命活动所需的能量； 生成核苷三磷酸（NTP）； 将高能磷酸键转移给肌酸以磷酸肌酸（creatine phosphate）形式储存。

供给机体生命活动所需的能量

生成核苷三磷酸（NTP）

将高能磷酸键转移给肌酸以磷酸肌酸形式储存

第二节 电子传递链（呼吸链） 线粒体内膜上存在由多种酶和辅基组成的传递H和电子的反应链，它们按一定顺序排列，称电子传递链(或呼吸链)（electron transfer chain或respiratory chain）。

线粒体呼吸链

NADH + H+ + FMN NAD+ + FMNH2 电子传递链的组成 包括：黄素蛋白、铁硫蛋白、细胞色素、泛醌。 黄素蛋白 与呼吸链有关的黄素蛋白有两种，分别以FMN和FAD为辅基，氧化型黄素辅基从NADH接受两个电子和一个质子，或从底物接受两个电子和两个质子而还原： NADH + H+ + FMN NAD+ + FMNH2 琥珀酸 + FAD 延胡索酸 + FADH2

铁硫蛋白 (简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+  Fe2+ 变化起传递电子的作用

细胞色素

细胞色素c（Cytc） 它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，cyt. c通过Fe3+  Fe2+ 的互变起电子传递中间体作用。

Cyta和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。Cytaa3可以直接以O2为电子受体。 在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生 Cu+  Cu2+ 的互变，将Cytc所携带的电子传递给O2。

泛醌 又称辅酶Q（或CoQ），它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体，为一种脂溶性醌类化合物。

还原电位与电子传递链的顺序 电子传递链中各组分的顺序由还原电位决定 电子传递方向：(还原电位)低 高

电子传递抑制剂 能阻断呼吸链中某些部位电子传递。如鱼藤酮、抗霉素A、氰化物、CO等与复合体中的铁硫蛋白结合，从而阻断电子传递。

第二节 氧化磷酸化 oxidatire phosphorylation 代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP（即ADP + Pi→ATP），这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程称为氧化磷酸化作用。根据ATP生成方式分为底物水平磷酸化及电子传递偶联磷酸化。

底物水平磷酸化 被氧化的底物上发生磷酸化作用。即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ADP生成ATP。 电子传递偶联磷酸化 当电子从NADH 或FADH2 经过电子传递体系（呼吸链）传递给氧形成水时，同时伴有ADP 磷酸化为ATP 的全过程。通常所说的氧化磷酸化是指电子传递偶联磷酸化。

氧化磷酸化的基本机制 来自中间代谢物的还原力（NADH或FADH2）经电子传递链传递给氧生成水时，释放出大量的能量(NADH：ΔG ’=-220 kJ/mol；FADH2：ΔG ’=-181.58 kJ/mol)，这部分能量可推动ADP与Pi合成ATP。

底物水平磷酸化

氧化磷酸化与电子传递的偶联

ATP产生的部位 都是有大的电位差变化的地方，例如，NADH呼吸链生成ATP的三个部位是：E'值在此三个部位有大的“跳动”，都在0.2伏以上。

测定P/O比 P/O比 是指一对电子通过呼吸链传递到氧（或每消耗一摩尔氧）所产生的ATP分子数。 实验指明NADH呼吸链的P/O值是3，即每消耗一摩尔氧原子就可形成3摩尔ATP，FADH2呼吸链的P/O值是2，即消耗一摩尔氧原子可形成2摩尔ATP。

（二）氧化磷酸化的机理

F1-F0-ATPase 即ATP合成酶，由F0和F1两部分构成，后者是线粒体内膜表面的球状体，能合成ATP；前者是连接F1的柄，起质子通道作用，可调节质子流，从而控制ATP的合成。

ATP合成酶

氧化磷酸化的解偶联和抑制 根据化学因素对氧化磷酸化的影响方式，可分为三类：解偶联剂、氧化磷酸化抑制剂和离子载体抑制剂。

解偶联剂（uncoupler） 它只抑制ATP的形成过程，不抑制电子传递过程，使电子传递所产生的自由能都变为热能。典型的解偶联剂是2,4-二硝基苯酚，可将质子带入膜内，破坏H+ 跨膜梯度的形成，又称质子载体。

氧化磷酸化抑制剂 直接干扰ATP的形成过程。由于它干扰了由电子传递的高能状态形成ATP的过程，结果也使电子传递不能进行。寡霉素（oligomycin）就属于这类抑制剂。 离子载体抑制剂 脂溶性，可运载除质子外的一价阳离子过膜。如缬氨霉素能够结合K+离子，与K+形成脂溶性复合物，从而容易地使K+通过膜。因此这类抑制剂是通过增加线粒体内膜对一价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化过程。

线粒体穿梭系统 线粒体外生成的NADH必须通过特殊的穿梭系统进入线粒体。 3-磷酸甘油穿梭系统 苹果酸穿梭系统。

能荷 指细胞内ATP、ADP、AMP系统中可供利用的高能磷酸键的量度。 生物体内糖代谢和脂类代谢虽然受到柠檬酸、乙酰辅酶A等物质的调节，但调节控制中起决定作用的是ATP、AMP这些反应能荷的物质。

生物系统中的能流

作业 一、选择题 1、关于电子传递链的下列叙述中哪个是不正确的？ A、线粒体内有NADH+H+ 呼吸链和FADH2呼吸链 B、电子从NADH传递到氧的过程中有3个ATP生成 C、呼吸链上的递氢体和递电子体完全按其标准氧化还原电位从低到高排列 D、线粒体呼吸链是生物体唯一的电子传递体系 2、下列化合物中除哪个外都是呼吸链的组成成分 A、CoQ B、Cytb C、CoA D、NAD+ 3、一氧化碳中毒是由于抑制了哪种细胞色素？ A、Cytc B、Cytb C、Cytc D、Cyt aa3 4、各种细胞色素在呼吸链中的排列顺序是 A、C→b1→C1→aa3→O2 B、C→C1→b→aa3→O2 C、C1→C→b→aa3→O2 D、b→C1→C→aa3→O2

5、线粒体外NADH经3-磷酸甘油穿梭作用，进入线粒体内实现氧化磷酸化，其p/o值为 A、0 B、1 C、2 D、3 二、是非题（在题后括号内打√或×） 1、细胞色素是指含有FAD辅基的电子传递蛋白。（ ） 2、△G和△Gˊ的意义相同。（ ） 3、呼吸链中的递氢体本质上都是递电子体。（ ） 4、胞液中的NADH通过苹果酸穿梭作用进入线粒体，其P/O比值约为2。（ ） 5、物质在空气中燃烧和在体内的生物氧化的化学本质是完全相同的，但所经历的路途不同。（ ） 6、ATP在高能化合物中占有特殊的地位，它起着共同的中间体的作用。（ ） 7、所有生物体呼吸作用的电子受体一定是氧。（ ） 三、问答题：  1、什么是生物氧化？有何特点？试比较体内氧化和体外氧化的异同。 2、氰化物为什么能引起细胞窒息死亡？

3、简述化学渗透学说的主要内容，其最显著的特点是什么？ 4、试写出NADH氧化呼吸链的排列顺序。 四、名词解释 生物氧化；氧化磷酸化；底物水平磷酸化；磷氧比；呼吸链。