食品生物化学-4生物氧化ppt课件.ppt

4生物氧化生物氧化 biological oxidationbiological oxidationn概念：概念：物质在生物体内进行氧化称物质在生物体内进行氧化称生物氧化生物氧化，主要指糖、脂，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 CO2 和和 H2OH2O的过程。此过程需耗氧、排出的过程。此过程需耗氧、排出CO2CO2，又在活细胞内进行，又在活细胞内进行，故又称故又称细胞呼吸细胞呼吸(cellular respiration)(cellular respiration)。糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能4.1 概述概述 * * 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程第一阶段：第一阶段：多糖，脂，蛋白质等分解为构造多糖，脂，蛋白质等分解为构造单位单位单糖、甘油与脂肪酸、氨基酸，该单糖、甘油与脂肪酸、氨基酸，该阶段几乎不释放化学能。阶段几乎不释放化学能。第二阶段：第二阶段：构造单位经糖酵解、脂肪酸构造单位经糖酵解、脂肪酸氧氧化、氨基酸氧化等各自的降解途径分解为丙化、氨基酸氧化等各自的降解途径分解为丙酮酸、乙酰酮酸、乙酰CoA等少数几种共同的中间代谢等少数几种共同的中间代谢物，这些共同的中间代谢物在不同种类物质物，这些共同的中间代谢物在不同种类物质的代谢间起着枢纽作用。该阶段释放少量的的代谢间起着枢纽作用。该阶段释放少量的能量。能量。第三阶段：第三阶段：丙酮酸、乙酰丙酮酸、乙酰CoA等经过三羧酸等经过三羧酸循环彻底氧化为循环彻底氧化为CO2、H2O。释放大量的能。释放大量的能量。量。 在第二、第三阶段中，氧化脱下的电子在第二、第三阶段中，氧化脱下的电子经过一个氧化的电子传递过程（氧化电子传经过一个氧化的电子传递过程（氧化电子传递链）最终传给递链）最终传给O2，并生成，并生成ATP，以这种，以这种方式生成方式生成ATP的作用称为氧化磷酸化作用，的作用称为氧化磷酸化作用，它是一种很重要的将生物氧化和能量生成相它是一种很重要的将生物氧化和能量生成相偶连的机制。偶连的机制。 生物氧化的终产物是生物氧化的终产物是CO2和和H2O，CO2的形成是通过三羧酸循环过程，的形成是通过三羧酸循环过程，H2O则是在则是在电子传递过程的最后阶段生成。电子传递过程的最后阶段生成。 生物氧化根据发生的部位不同，分为两类生物氧化根据发生的部位不同，分为两类n线粒体内生成线粒体内生成ATPATP的氧化体系：的氧化体系：三大营养物质的三大营养物质的氧化分解氧化分解, , 伴随大量伴随大量ATPATP的生成。真核生物中，的生成。真核生物中，生物氧化主要是在细胞的线粒体内进行生物氧化主要是在细胞的线粒体内进行，在不含在不含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行。线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行。 n线粒体外其他氧化体系线粒体外其他氧化体系：涉及生物转化：涉及生物转化, , 不伴不伴随能量的产生。随能量的产生。n4.1.1 线粒体的结构线粒体的结构n4.1.2 生物氧化的特点生物氧化的特点n4.1.3 生物氧化的方式生物氧化的方式4.1.1 线粒体的结构线粒体的结构n功能：功能：进行氧化磷酸化，进行氧化磷酸化，合成合成ATP，为细胞生命，为细胞生命活动提供能量。活动提供能量。n组成：组成：外膜、内膜、膜外膜、内膜、膜间隙、基质间隙、基质n基粒：基粒：由头部由头部F1、柄部、柄部F0和基部和基部OSCP组成，组成，也称为三联体或也称为三联体或ATP酶酶复合体或复合体或F0 F1-ATP合酶合酶线粒体内膜和嵴上有许多球状突出，就是线粒体内膜和嵴上有许多球状突出，就是ATPATP酶复合体或称酶复合体或称F Fo oF F1 1ATPATP合酶，由三部分组成：合酶，由三部分组成：头部头部 也称偶联因子也称偶联因子F1F1，它位于线，它位于线粒体内膜的基质侧表面，由粒体内膜的基质侧表面，由5 5种亚基种亚基组成，是组成，是9 9聚体（聚体（3 33 3 ），含），含有有ATP合成酶活性，其中合成酶活性，其中和和亚基上有亚基上有ADP和和ATP的结合位点；的结合位点；亚基有催化活性，称为催化亚亚基有催化活性，称为催化亚基；基；亚基可调节质子从亚基可调节质子从Fo蛋白向蛋白向F1蛋白的流动，蛋白的流动，起阀门的作用。起阀门的作用。功能：功能：催化催化ADPADP和和pipi发生磷酸化生成发生磷酸化生成ATPATP。基部基部 即即F Fo o，为疏水的内在蛋白质，为疏水的内在蛋白质，镶嵌在线粒体内膜中，呼吸链围绕镶嵌在线粒体内膜中，呼吸链围绕其周围，它由其周围，它由4 4种亚基组成，这些亚种亚基组成，这些亚基在内膜中形成了跨膜的质子通道，基在内膜中形成了跨膜的质子通道，质子从内膜外侧经柄部流向质子从内膜外侧经柄部流向F F1 1蛋白。蛋白。F Fo o中的中的o o表示对寡霉素敏感的部位。表示对寡霉素敏感的部位。功能：功能：具有质子通道作用，他能具有质子通道作用，他能传递质子通过膜到达传递质子通过膜到达F1F1的催的催化部位。化部位。柄部柄部 位于头部（位于头部（F F1 1）和基底部）和基底部（F Fo o）之间，也起调节质子流的作）之间，也起调节质子流的作用，柄部有三种蛋白组成，其中一用，柄部有三种蛋白组成，其中一种对寡霉素敏感，称为寡霉素敏感种对寡霉素敏感，称为寡霉素敏感蛋白蛋白( (OSCPOSCP，控制质子的流动，控制质子的流动，从而控制从而控制ATPATP的生成速度。的生成速度。),),也将柄部和基底部合称为也将柄部和基底部合称为F Fo o。ATPATP合合成酶复合物主要指成酶复合物主要指F Fo o-F-F1 1蛋白。蛋白。与非生物氧化相比，生物氧化的特点为：与非生物氧化相比，生物氧化的特点为：p在常温、常压、中性在常温、常压、中性pHpH的环境中，氧化条件温和；的环境中，氧化条件温和；p需酶催化；需酶催化；p底物通过一系列连续的化学反应被逐步氧化分解；底物通过一系列连续的化学反应被逐步氧化分解；p能量逐步释放并主要以能量逐步释放并主要以ATPATP形式贮存起来（需要时再由形式贮存起来（需要时再由ATPATP分子中释出；另一部分是以热的形式放出。这样不会分子中释出；另一部分是以热的形式放出。这样不会因温度迅速上升而损害机体，又可以使释放出来的能量因温度迅速上升而损害机体，又可以使释放出来的能量得到最有效的利用）。得到最有效的利用）。4.1.2 生物氧化的特点生物氧化的特点遵循氧化还原反应的一般规律。遵循氧化还原反应的一般规律。（CO2，H2O）（体温，（体温，pH接近中性）接近中性）（有利于有利于机体捕获能量，提高（有利于有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。生成的效率。 ）4.1.3 生物氧化的方式生物氧化的方式n生物氧化中二氧化碳的生成方式：生物氧化中二氧化碳的生成方式： 有机物在酶的作用下经脱羧产生的，有机物在酶的作用下经脱羧产生的，-脱羧和脱羧和-脱羧。直接脱羧和氧化脱羧。脱羧。直接脱羧和氧化脱羧。n生物氧化中水的生成方式：生物氧化中水的生成方式：底物氧化脱下的氢经底物氧化脱下的氢经一系列传递后与氧结合生成的。一系列传递后与氧结合生成的。n生物氧化中物质的氧化方式：生物氧化中物质的氧化方式：1.加氧加氧2.脱氢脱氢3.脱电子脱电子n生物氧化中被氧化的物质称为生物氧化中被氧化的物质称为供氢体供氢体（供电子（供电子体），被还原的物质称为体），被还原的物质称为受氢体受氢体（受电子体）。（受电子体）。4.2 生物能及其存在形式生物能及其存在形式n4.2.1 4.2.1 高能化合物及高能键高能化合物及高能键n概念：概念：是指含转移势能高的基团的化合物称是指含转移势能高的基团的化合物称高能高能化合物化合物。连接这种高能基团的键称为。连接这种高能基团的键称为高能键高能键，表示。一般将水解时每摩尔释放出自由能大于表示。一般将水解时每摩尔释放出自由能大于20.92kJ20.92kJ者称为高能化合物。者称为高能化合物。n生物体通过生物氧化所产生的能量，除一部分用生物体通过生物氧化所产生的能量，除一部分用以维持体温外，大部分可以通过磷酸化作用转移以维持体温外，大部分可以通过磷酸化作用转移至高能磷酸化合物至高能磷酸化合物ATPATP中。中。nATPATP是生物能存在的主要形式。是生物能存在的主要形式。ATPATP是能够被生物是能够被生物细胞直接利用的能量形式。细胞直接利用的能量形式。n ATPATP是人体内各种生命活动的主要的直接供能者，是人体内各种生命活动的主要的直接供能者，分子中含有分子中含有3 3个磷酸酯键。个磷酸酯键。nATPATP含有两个含有两个高能磷酸酯键高能磷酸酯键( (P)P)，在细胞能量代，在细胞能量代谢中起能量载体的作用。谢中起能量载体的作用。但并不是所有含磷酸基团的化合但并不是所有含磷酸基团的化合物都属于高能磷酸化物，如物都属于高能磷酸化物，如6-6-磷酸葡萄糖等就属于低能磷酸化合物磷酸葡萄糖等就属于低能磷酸化合物。低能磷酸键低能磷酸键-Pn在生理环境下，在生理环境下，ATPATP带有带有4 4个负电个负电荷，与荷，与Mg2Mg2+ +形成复合物参与反应形成复合物参与反应，“Mg ATPMg ATP2-2-”是是ATPATP的活化形式。的活化形式。nATPATP是即时性能量供体。是即时性能量供体。ATP-ADPATP-ADP循环式生物体系中能量交换的基循环式生物体系中能量交换的基本模式。本模式。nATPATP在细胞的磷酸基团转移中起中在细胞的磷酸基团转移中起中转站（转站（共同中间体共同中间体）作用。）作用。nATPATP只是能量的携带者或传递者，只是能量的携带者或传递者，机体内真正贮存能量的物质是肌机体内真正贮存能量的物质是肌酸，他接受了能量生成酸，他接受了能量生成磷酸肌酸磷酸肌酸( (脊椎动物脊椎动物) ) 。当。当ATPATP浓度低时，浓度低时，磷酸肌酸又将高能磷酸基团转移磷酸肌酸又将高能磷酸基团转移给给ADPADP生成生成ATPATP，因此，它是，因此，它是ATPATP高高能磷酸基团的贮存库。能磷酸基团的贮存库。n无脊椎动物：磷酸精氨酸无脊椎动物：磷酸精氨酸4.2.2 高能化合物的类型高能化合物的类型1 1、磷氧键型磷氧键型（1 1）酰基磷酸化合物）酰基磷酸化合物3-3-磷酸甘油酸磷酸，乙酰磷酸，氨甲磷酸甘油酸磷酸，乙酰磷酸，氨甲酰磷酸，酰基腺苷酸，氨酰腺苷酸。酰磷酸，酰基腺苷酸，氨酰腺苷酸。（2 2）焦磷酸化合物）焦磷酸化合物无机焦磷酸，无机焦磷酸，ATPATP，ADPADP（3 3）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。2 2、氮磷键型氮磷键型磷酸肌酸，磷酸精氨酸。磷酸肌酸，磷酸精氨酸。3 3、硫酯键型硫酯键型3-3-磷酸腺苷磷酸腺苷-5-5-磷酰硫酸，磷酰硫酸，乙酰辅酶乙酰辅酶A A。4 4、甲硫键型甲硫键型S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸4.3 呼吸链及其组成成分呼吸链及其组成成分 n4.3.1 呼吸链呼吸链n4.3.2 呼吸链的组成成分呼吸链的组成成分n4.3.3 生物体内重要的呼吸链生物体内重要的呼吸链4.3.1 呼吸链呼吸链一系列酶和辅酶按照一定的顺序排列在线粒体内一系列酶和辅酶按照一定的顺序排列在线粒体内膜上，可以将代谢物脱下的氢（膜上，可以将代谢物脱下的氢（H He e）逐步传递给氧生）逐步传递给氧生成水同时释放能量，由于此过程与细胞摄取氧的呼吸过程成水同时释放能量，由于此过程与细胞摄取氧的呼吸过程有关，所以这一传递链称为有关，所以这一传递链称为呼吸链呼吸链。n呼吸链中传递氢的酶和辅酶称为呼吸链中传递氢的酶和辅酶称为递氢体递氢体；传递电子的酶和；传递电子的酶和辅酶称为辅酶称为递电子体递电子体。n存在部位存在部位: :真核生物在线粒体真核生物在线粒体, ,原核生物在细胞质膜原核生物在细胞质膜. .一个氢原子是由一个质子一个氢原子是由一个质子H和一个电子和一个电子e组成的，脱去一个组成的，脱去一个氢也就是失去一个质子和一个电子氢也就是失去一个质子和一个电子4.3.2 呼吸链的组成成分呼吸链的组成成分n呼吸链由许多个组分组成，参加呼吸链的呼吸链由许多个组分组成，参加呼吸链的氧化还原酶有五类：氧化还原酶有五类：n烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类n黄素酶类黄素酶类n铁硫蛋白类铁硫蛋白类n辅酶辅酶Q Q类类n细胞色素类细胞色素类烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类作用机制：作用机制：NAD+（NADP+）和）和NADH（NADPH）相互转变）相互转变pNAD+NAD+和和NADP+NADP+ 是氧化形式，可接受一个质子和是氧化形式，可接受一个质子和2 2个电子，个电子，转变为还原形式的转变为还原形式的NADHNADH和和DNDPHDNDPH。p氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。黄素酶类黄素酶类FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环。结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环。n是存在于线粒体内膜上的一种与电子传递有关的是存在于线粒体内膜上的一种与电子传递有关的铁蛋白。铁蛋白。n作用机制：作用机制：是借助是借助铁的变价互变进行电子传递铁的变价互变进行电子传递。FeFe3+3+ + e Fe + e Fe 2+2+ ，每次只传递一个电子，所以是，每次只传递一个电子，所以是一种单电子传递体。一种单电子传递体。 铁硫蛋白类铁硫蛋白类辅酶辅酶Q Q类类n（简写为（简写为Q Q）或辅酶）或辅酶Q Q（CoQCoQ）或泛醌：）或泛醌：它是电子传它是电子传递链中唯一不与蛋白质结合的递氢体。递链中唯一不与蛋白质结合的递氢体。 为一种脂为一种脂溶性醌类化合物。溶性醌类化合物。细胞色素类细胞色素类n（简写为简写为cytcyt. . ）是广泛分布于需氧生物细胞线粒体是广泛分布于需氧生物细胞线粒体内膜上的一类色素蛋白，其辅基为含铁卟啉衍生物。内膜上的一类色素蛋白，其辅基为含铁卟啉衍生物。各种细胞色素的辅基结构略有不同。（各种细胞色素的辅基结构略有不同。（图图）n 作用机制：作用机制：细胞色素主要是通过细胞色素主要是通过FeFe3+3+ + e Fe + e Fe 2+2+的互变起传递电子的作用的。的互变起传递电子的作用的。n线粒体呼吸链中主要含有细胞色素线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a, b, c a, b, c 和和c c1 1等，等，组成它们的辅基分别为血红素组成它们的辅基分别为血红素A A、B B和和C C。细胞色素。细胞色素a(600nm), b(560nm), c(550nm)a(600nm), b(560nm), c(550nm)可以通过它们的紫可以通过它们的紫外外- -可见吸收光谱来鉴别。可见吸收光谱来鉴别。是呼吸链中将电子从是呼吸链中将电子从CoQCoQ传递到传递到O O2 2的专一酶类。的专一酶类。合称为合称为细胞色素氧细胞色素氧化酶。化酶。p在在Cytaa3分子中除铁卟啉外，还含有分子中除铁卟啉外，还含有2个个Cu原原子，依靠其化合价的变化，把电子从子，依靠其化合价的变化，把电子从a3传到传到O2。Cu2+ + e Cu +在呼吸链中的顺序在呼吸链中的顺序4.3.3 生物体内重要的呼吸链生物体内重要的呼吸链n在具有线粒体的生物中，典型的呼吸链有两种，在具有线粒体的生物中，典型的呼吸链有两种，即即NADH NADH 呼吸链呼吸链和和FADHFADH2 2 呼吸链呼吸链n这两种呼吸链的区别这两种呼吸链的区别：仅在于最初的受氢体不同。：仅在于最初的受氢体不同。在在NADHNADH呼吸链中，最初的受氢体是呼吸链中，最初的受氢体是NADNAD；在；在FADHFADH2 2呼吸链中，最初的受氢体是呼吸链中，最初的受氢体是FADFAD。除此之外，其余。除此之外，其余组分基本一致。组分基本一致。 NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链21SH2NAD+2HSNADHFMNH2CoQFe2+CytFe3+CytO22eCytFe2+CytFe3+CytFe3+O2+(a-a3)Fe2+Cyt2eCoQH2FMNH2O2HH+2e2H+2e图14-3 呼吸链氧化-还原反应示意图(1)(2)(3)(4)(bc1)c2HNADH 呼吸链呼吸链4.4 呼吸链的排列顺序与氧化磷酸化呼吸链的排列顺序与氧化磷酸化n4.4.1 呼吸链的排列顺序呼吸链的排列顺序n4.4.2 呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂n4.4.3 氧化磷酸化氧化磷酸化n4.4.4 氧化磷酸化作用的机理氧化磷酸化作用的机理n4.4.5 影响氧化磷酸化的因素影响氧化磷酸化的因素n4.4.6 线粒体的穿梭系统线粒体的穿梭系统 由以下实验确定由以下实验确定 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 拆开和重组拆开和重组 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 吸收光谱的变化吸收光谱的变化4.4.1 呼吸链的排列顺序呼吸链的排列顺序 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 E0n在分离呼吸链各成分时，从线粒体中分离到一在分离呼吸链各成分时，从线粒体中分离到一些些传递体复合物，这些复合物在传递功能上都传递体复合物，这些复合物在传递功能上都是按顺序连在一起，为四种脂溶性的复合体，是按顺序连在一起，为四种脂溶性的复合体，称为称为呼吸链复合体呼吸链复合体。复复合合体体酶酶名名称称复复合合体体复复合合体体复复合合体体复复合合体体NADH-泛泛醌醌还还原原酶酶琥琥珀珀酸酸-泛泛醌醌还还原原酶酶泛泛醌醌-细细胞胞色色素素C还还原原酶酶细细胞胞色色素素c氧氧化化酶酶辅辅基基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁铁卟卟啉啉，Fe-S 铁铁卟卟啉啉，Cu 多多肽肽链链数数394 1013 复复合合体体酶酶名名称称复复合合体体复复合合体体复复合合体体复复合合体体NADH-泛泛醌醌还还原原酶酶琥琥珀珀酸酸-泛泛醌醌还还原原酶酶泛泛醌醌-细细胞胞色色素素C还还原原酶酶细细胞胞色色素素c氧氧化化酶酶辅辅基基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁铁卟卟啉啉，Fe-S 铁铁卟卟啉啉，Cu 多多肽肽链链数数394 1013 人线粒体呼吸链复合体人线粒体呼吸链复合体* * 泛醌泛醌 和和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。均不包含在上述四种复合体中。 （1）复合体）复合体：NADH一泛醌还原酶：一泛醌还原酶：该复合体将该复合体将 电子从电子从NADH经经FMN及铁硫蛋白传给泛醌。及铁硫蛋白传给泛醌。（2）复合体）复合体：琥珀酸一泛醌还原酶：琥珀酸一泛醌还原酶：该复合体将电该复合体将电子从琥珀酸经子从琥珀酸经 FAD及铁硫蛋白传递给泛醌。及铁硫蛋白传递给泛醌。（3）复合体）复合体：泛醌一细胞色素：泛醌一细胞色素C还原酶：还原酶：该复合体该复合体将电子从泛醌经将电子从泛醌经Cyt b、Cyt c1传给传给Cyt c。（4）复合体）复合体：细胞色素：细胞色素C氧化酶：氧化酶：该复合体将电子该复合体将电子从从Cyt c经经Cyt aa3传递给氧。传递给氧。四种复合体中，四种复合体中，I、 III 、IV及及CoQ、Cytc组成组成NADH呼吸链呼吸链， II 、III、IV及及CoQ、Cytc组成组成FADH2呼吸链呼吸链。 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置细胞色素还原酶细胞色素c细胞色素氧化酶O2NADH-Q还原酶FADH2琥珀酸-Q还原酶NADH辅酶QFMN、Fe-SFAD、Fe-S 血红素b-562 血红素b-566 血红素c1血红素a血红素a3CuA和 CuB Fe-S4.4.2 呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂概念：概念：阻断呼吸链中某些部位电子传递的物质。阻断呼吸链中某些部位电子传递的物质。如：鱼藤酮、抗霉素如：鱼藤酮、抗霉素A、 CN-、N3-、CO、H2S应用：应用：利用某种特异的抑制剂选择性地阻断呼利用某种特异的抑制剂选择性地阻断呼吸链中某个部位的电子传递，是研究呼吸链中吸链中某个部位的电子传递，是研究呼吸链中电子传递体顺序以及氧化磷酸化部位的一种重电子传递体顺序以及氧化磷酸化部位的一种重要方法。要方法。鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A异戊巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S各种呼吸链抑制剂的阻断位点各种呼吸链抑制剂的阻断位点4.4.3 氧化磷酸化氧化磷酸化n概念：概念：在生物氧化的过程中，代谢物脱出的氢或电子沿呼在生物氧化的过程中，代谢物脱出的氢或电子沿呼吸链向氧传递的过程中，逐步释放能量用于吸链向氧传递的过程中，逐步释放能量用于ADPADP与无机磷与无机磷酸化合生成酸化合生成ATPATP。这种氧化过程放能和。这种氧化过程放能和ADPADP磷酸化截获能量磷酸化截获能量的偶联作用称为的偶联作用称为氧化磷酸化氧化磷酸化。这是体内生成。这是体内生成ATPATP的主要方的主要方式。式。n此外，此外，ATPATP还可以通过底物水平磷酸化生成。还可以通过底物水平磷酸化生成。底物水平磷底物水平磷酸化酸化是指底物在氧化过程中因分子内部能量重新分布而形是指底物在氧化过程中因分子内部能量重新分布而形成了高能磷酸化合物，这种高能磷酸化合物的磷酸基团及成了高能磷酸化合物，这种高能磷酸化合物的磷酸基团及高能键可转移到高能键可转移到ADPADP上生成上生成ATPATP。它与呼吸链的电子传递无。它与呼吸链的电子传递无关。关。n植物叶绿体中的光合作用也涉及电子转移和能量储存，由植物叶绿体中的光合作用也涉及电子转移和能量储存，由光能生成光能生成ATPATP的过程称为的过程称为光合磷酸化光合磷酸化。n氧化磷酸化作用：氧化磷酸化作用：是将生物氧化过程中释放的能是将生物氧化过程中释放的能量转移至量转移至ATPATP的过程。的过程。n特点：特点：n(1) (1) 是体内获得是体内获得ATPATP的主要手段；的主要手段；( (需氧生物需氧生物95%95%的的ATP) ATP) n(2) (2) 是在线粒体内膜上进行的。是在线粒体内膜上进行的。氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位-根据自由能变化和根据自由能变化和P/O值值P/O值值在一定时间内，每消耗在一定时间内，每消耗1mol（1克）氧原子克）氧原子所消耗的无机磷的物质的量（形成的所消耗的无机磷的物质的量（形成的ATP摩尔数）。摩尔数）。G=-nFE线线粒粒体体离离体体实实验验测测得得的的一一些些底底物物的的P/O比比值值底底 物物呼呼吸吸链链的的组组成成P/O比比值值可可能能生生成成的的 ATP数数 -羟羟丁丁酸酸NAD+复复合合体体CoQ复复合合体体2.42.8 3Cyt c复复合合体体O2琥琥珀珀酸酸复复合合体体CoQ复复合合体体1.7 2Cyt c复复合合体体O2抗抗坏坏血血酸酸Cyt c复复合合体体O20.88 1细细胞胞色色素素c (Fe2+) 复复合合体体O20.61-0.68 1 自由能变化自由能变化 ATP ADP +Pi ATP中 P ： G0 = 30.5KJ/molG0 = nF E0= 296.5 E0令上式令上式= 30.5, 则E0 =0.158可合成ATPNAD+ CoQ E0= 0.27CoQ C1 E0 =0.22aa3 O2 E0 =0.531个个ATP0.5个个ATP 1个个ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位NADH呼吸链：呼吸链：3(2.5) FADH2呼吸链：呼吸链：2 (1.5)结论：结论：氧化磷酸化偶联部位：复合体氧化磷酸化偶联部位：复合体、4.4.4 氧化磷酸化作用的机理氧化磷酸化作用的机理n在生物氧化中，在生物氧化中，NADHNADH的氧化是怎样与的氧化是怎样与ADPADP的磷酸化偶的磷酸化偶联起来形成联起来形成ATPATP的，这一作用机制尚不够清楚。目前的，这一作用机制尚不够清楚。目前主要有三个学说，即主要有三个学说，即化学偶联假说化学偶联假说、构象偶联假说构象偶联假说、化学渗透假说化学渗透假说。n得到支持较多的是得到支持较多的是化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic(chemiosmotic hypothesis)hypothesis)。 线粒体基质线粒体基质 线粒体内膜线粒体内膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化学渗透假说简单示意图化学渗透假说简单示意图线粒体膜间隙线粒体膜间隙化学渗透假说要点：化学渗透假说要点：呼吸链中递氢体和递电子体是间隔交替排呼吸链中递氢体和递电子体是间隔交替排列的，且在线粒体内膜中都有特定的位列的，且在线粒体内膜中都有特定的位置。置。 递氢体有氢泵的作用，当递氢体从内递氢体有氢泵的作用，当递氢体从内膜内侧接受从底物传来的氢后，可将其膜内侧接受从底物传来的氢后，可将其中的电子传给其后的电子传递体，而将中的电子传给其后的电子传递体，而将H H+ +泵出内膜；因此，呼吸链电子传递系泵出内膜；因此，呼吸链电子传递系统是一个主动运输质子的体系，统是一个主动运输质子的体系，复合体复合体（4）、）、（4）、）、（2）每每一个都是由电一个都是由电子传递驱动的质子泵。子传递驱动的质子泵。p一对电子从一对电子从NADHNADH传递到分子氧可将传递到分子氧可将1010个质子从个质子从线粒体内膜内侧蹦到内膜外侧，线粒体内膜内侧蹦到内膜外侧， FADH2 6FADH2 6个。个。p一般，一般，4 4个质子产生个质子产生1 1个个ATPATP内膜对内膜对H H+ +不能自由通过，泵出膜外侧的不能自由通过，泵出膜外侧的H H+ +不能自由返回膜内侧，因而使内膜外侧不能自由返回膜内侧，因而使内膜外侧H H+ +浓浓度高于内侧，造成度高于内侧，造成H H+ +浓度的跨膜梯度，此浓度的跨膜梯度，此H H+ +浓度差使外侧的浓度差使外侧的pHpH较内侧低较内侧低1.01.0单位左右，单位左右，并使原有的外正内负的跨膜电位增高，此电并使原有的外正内负的跨膜电位增高，此电位差中就包含着电子传递过程中所释放的能位差中就包含着电子传递过程中所释放的能量。量。在线粒体内膜上有在线粒体内膜上有ATPATP合成酶，当质子穿过线粒合成酶，当质子穿过线粒体内膜上的体内膜上的ATPATP合成酶返回基质时，释放出自由能，合成酶返回基质时，释放出自由能，驱动驱动ADPADP和和PiPi合成合成ATPATP。nF0 F1-ATP合酶合酶F0横穿线粒体内膜，横穿线粒体内膜，含有质子通道含有质子通道F1伸入线粒体基质伸入线粒体基质中，是合成中，是合成ATP的的催化部位催化部位 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4.4.5 影响氧化磷酸化的因素影响氧化磷酸化的因素n4.4.5.1 ADP4.4.5.1 ADP和和ATPATP的调节作用的调节作用n4.4.5.2 4.4.5.2 甲状腺激素的调节作用甲状腺激素的调节作用n4.4.5.3 4.4.5.3 氧化磷酸化的抑制剂氧化磷酸化的抑制剂n（1 1）氧化磷酸化解偶联剂）氧化磷酸化解偶联剂n（2 2）呼吸链抑制剂）呼吸链抑制剂n（3 3）离子载体）离子载体解偶联作用解偶联作用:在完整线粒体内，电子传递与磷酸化之间紧在完整线粒体内，电子传递与磷酸化之间紧密偶联，但这两个过程可被解偶联剂，如密偶联，但这两个过程可被解偶联剂，如2,4-二硝基苯酚二硝基苯酚(DNP)解偶联，这时虽然能进行电子传递，但解偶联，这时虽然能进行电子传递，但ATP无法合无法合成。这一过程称为解偶联作用。在体内如果发生不可控成。这一过程称为解偶联作用。在体内如果发生不可控的解偶联作用，代谢燃料会大量消耗。的解偶联作用，代谢燃料会大量消耗。解偶联效应的生物利用：解偶联效应的生物利用：DNP可用作杀虫剂和木材防腐剂，作为减肥剂危害极大。可用作杀虫剂和木材防腐剂，作为减肥剂危害极大。在冬眠动物和适应寒冷的哺乳动物中，它是一种能够产在冬眠动物和适应寒冷的哺乳动物中，它是一种能够产生热以维持体温的方法。（新生儿颈背部的褐色斑块生热以维持体温的方法。（新生儿颈背部的褐色斑块-褐褐色脂肪色脂肪-含大量线粒体，能通过含大量线粒体，能通过解偶联作用产生热量，保解偶联作用产生热量，保持婴儿体温持婴儿体温）1. 苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭机制天冬氨酸穿梭机制4.4.6 线粒体的穿梭系统线粒体的穿梭系统NADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH +H+ NAD+ 谷氨酸谷氨酸-天冬氨酸天冬氨酸 转运体转运体苹果酸苹果酸-酮酮 戊二酸转运体戊二酸转运体 -OOC-CH2-C-COO-OHH苹果酸苹果酸 -OOC-CH2-C-COO-O草酰乙酸草酰乙酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-酮戊二酸酮戊二酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H谷氨酸谷氨酸 苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 谷草转谷草转 氨酶氨酶 胞液胞液 线线粒粒体体内内膜膜 基质基质 呼吸链呼吸链 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H天冬氨酸天冬氨酸 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H2. - -磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间隙膜间隙 线粒体线粒体 基质基质-磷酸甘油磷酸甘油 脱氢酶脱氢酶 呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O-磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH4.5 非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系 n生物氧化主要在细胞线粒体内进行。此外，细胞的微粒体生物氧化主要在细胞线粒体内进行。此外，细胞的微粒体和过氧化物酶体（过氧化体）也可以进行。和过氧化物酶体（过氧化体）也可以进行。n非线粒体氧化体系与线粒体氧化体系的区别：非线粒体氧化体系与线粒体氧化体系的区别：n它在氧化过程中不伴有偶联磷酸化，不产生它在氧化过程中不伴有偶联磷酸化，不产生ATP，因而又，因而又称不产生称不产生ATP的生物氧化体系。的生物氧化体系。n非线粒体氧化体系主要与杀灭细菌及与代谢物或毒物的生非线粒体氧化体系主要与杀灭细菌及与代谢物或毒物的生物转化有关。物转化有关。一、微粒体氧化体系一、微粒体氧化体系 此体系存在于细胞的光滑内质网上。此体系存在于细胞的光滑内质网上。在微粒体中存在一类加氧酶在微粒体中存在一类加氧酶(oxygenase(oxygenase) )，参与代谢，参与代谢物的氧化作用。根据催化底物加氧反应情况不同，物的氧化作用。根据催化底物加氧反应情况不同，可分为单加氧酶和双加氧酶两种。可分为单加氧酶和双加氧酶两种。1. 1. 双双加加氧酶氧酶 (dioxygenase(dioxygenase) ) 又叫转氧酶。又叫转氧酶。催化催化2 2个氧原子加到底物中带双键的个氧原子加到底物中带双键的2 2个碳原子上，个碳原子上，使该底物分子分解成两部分。使该底物分子分解成两部分。ONH2NHNHOCOOHNH2CHO例例 如：如： (O2) 色氨酸吡咯酶色氨酸吡咯酶2. 2. 单加氧酶单加氧酶(monoxygenase)(monoxygenase)* * 催化的反应：催化的反应：RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O 又称混合功能氧化酶又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase(mixed-function oxidase) )或羟化酶或羟化酶(hydroxylase(hydroxylase) )。上述反应需要上述反应需要细胞色素细胞色素P P450 450 (Cyt(Cyt P P450450) )参与。参与。微粒体氧化酶系主要催化许多脂溶性的药物微粒体氧化酶系主要催化许多脂溶性的药物和毒物的氧化，因此又称为药物氧化酶系，通和毒物的氧化，因此又称为药物氧化酶系，通过羟化反应进行生物转化解除药物或毒物的毒过羟化反应进行生物转化解除药物或毒物的毒性作用，所以也是肝脏解毒功能的一部分。性作用，所以也是肝脏解毒功能的一部分。二、过氧化体氧化体系二、过氧化体氧化体系 过氧化体又称微体，也是细胞内能进行生物氧化的细过氧化体又称微体，也是细胞内能进行生物氧化的细胞器。过氧化体主要含有过氧化氢酶胞器。过氧化体主要含有过氧化氢酶( (又称触媒，又称触媒，catalasecatalase) )和过氧化物酶和过氧化物酶(peroxidase(peroxidase) )，这些酶能催化另，这些酶能催化另一些氧化还原反应。一些氧化还原反应。1. H1. H2 2O O2 2的生成的生成 (1) (1) 过氧化氢体中需氧脱氢酶的作用过氧化氢体中需氧脱氢酶的作用催化催化L-L-氨基酸，氨基酸，D-D-氨基酸等脱氢氧化，产氨基酸等脱氢氧化，产物之一为物之一为H H2 2O O2 2。(2) (2) 呼吸链末端氧化酶或加氧酶的作用呼吸链末端氧化酶或加氧酶的作用 Z每个氧分子需接受每个氧分子需接受4 4个电子个电子才能完全被还原才能完全被还原成氧离子，并进一步生成水。成氧离子，并进一步生成水。Z如果加入如果加入2 2个电子，则形成过氧化阴离子个电子，则形成过氧化阴离子( (O O2 22-2-) )，再接受，再接受2 2个氢离子就形成了过氧化氢。个氢离子就形成了过氧化氢。2. 2. 机体对机体对H H2 2O O2 2的处理和利用的处理和利用 H H2 2O O2 2对机体有双重作用：对机体有双重作用： (1) (1) 有利方面：有利方面： 杀菌作用，粒细胞和吞噬细胞中的杀菌作用，粒细胞和吞噬细胞中的H H2 2O O2 2可杀死吞可杀死吞噬的细菌噬的细菌 ； 有利于甲状腺素的合成，甲状腺上皮细胞和粒细有利于甲状腺素的合成，甲状腺上皮细胞和粒细胞中的胞中的H H2 2O O2 2可使可使I I- -氧化生成氧化生成I I2 2，进而使蛋白质碘化，进而使蛋白质碘化，这与甲状腺素的生成和消灭细菌有关。这与甲状腺素的生成和消灭细菌有关。(2) (2) 不利方面：不利方面： 氧化作用强，使一些含巯基的酶和蛋白质失活；氧化作用强，使一些含巯基的酶和蛋白质失活； 破坏细胞膜成分，使生物膜造成严重损伤。主要是破坏细胞膜成分，使生物膜造成严重损伤。主要是氧化生物膜磷脂分子中的多不饱和脂肪酸，损伤生氧化生物膜磷脂分子中的多不饱和脂肪酸，损伤生物膜结构、影响生物膜的功能物膜结构、影响生物膜的功能 ； 还能破坏核酸和粘多糖；还能破坏核酸和粘多糖； 与组织细胞的衰老有关。与组织细胞的衰老有关。过氧化体中存在的过氧化体中存在的过氧化氢酶过氧化氢酶和和过氧化物酶过氧化物酶能将能将H H2 2O O2 2转化为对机体无害的物质。转化为对机体无害的物质。3.3.过氧化物酶体中的酶类过氧化物酶体中的酶类 ( (1) 1) 过氧化氢酶过氧化氢酶(catalase)(catalase)又称触酶，其辅基含又称触酶，其辅基含4 4个血红素个血红素2H2O2 2H2O + O2 过氧化氢酶过氧化氢酶 (2) (2) 过氧化物酶过氧化物酶(perioxidase(perioxidase) )以血红素为辅基，催化以血红素为辅基，催化H H2 2O O2 2直接氧化直接氧化酚类或胺类化合物酚类或胺类化合物 R + H2O2 RO + H2O RH2+ H2O2 R + 2H2O 过氧化物酶过氧化物酶 过氧化物酶过氧化物酶 临床工作中判定粪便