第8章 生物氧化与氧化磷酸化 主要内容和要求：重点讨论线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理。对非线粒体氧化体系作一般介绍。
目录
第一节 自由能变化
第二节 线粒体电子传递体系
第三节 氧化磷酸化作用
第四节 线粒体外NADH的穿梭机制
■第一节 自由能变化
一、生物氧化的概念和特点
生物氧化的特点和方式
糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biological oxidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程,因此又称为细胞呼吸。
1、生物氧化的特点
2、生物氧化过程中CO2的生成和H2O的生成
3、有机物在体内氧化释能的三个阶段
生物氧化的特点：有机物的氧化是在活的细胞中（pH接近中性、体温条件下）；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；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。
CO2的生成
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CO2。
类型：α-脱羧和β-脱羧
氧化脱羧和单纯脱羧
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 。
生物氧化的三个阶段
二、生物能学简介
1、生物能的转换（生物系统中的能流）
生物系统中的能流：
2、自由能的概念及化学反应自由能的计算
自由能（free energy）的概念
定义式：ΔＧ=ΔH-TΔS
物理意义：－ΔＧ＝Ｗ* (体系中能对环境作功的能量),自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：
ΔG
ΔG>0，体系未达到平衡，反应不能正向自发进行
ΔG=0，反应处于平衡状态
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′=ΔGθ + RTlnQc (Qc-浓度商)
ΔGθ = - RTlnKeq
例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化
b.利用标准氧化还原电位（Eθ ）计算（限于氧化还原反应）
基本公式：ΔGθ =－nFΔEθ
(ΔEθ =E+ θ -E-θ)
例：计算NADH氧化反应的ΔGθ
三、高能化合物
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）的化合物称为高能化合物。
1、高能化合物的类型
2、ATP的特点及其特殊作用
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°′=-30.5千焦/摩尔）。
ATP的合成：
1. 底物水平磷酸化： ADP从具有更高磷酸基团转移势的磷酸化合物中接受磷酸基团，生成ATP。
2. 氧化磷酸化： 生物内的氧化作用能够产生跨线粒体膜的质子浓度梯度，储存在质子浓度梯度中的能量可以驱动ADP合成ATP。
3.光合磷酸化： 光合作用可以产生跨叶绿体中类囊体膜的质子浓度梯度，从而驱动ATP生成。
4. 腺苷酸激酶催化的反应： 腺苷酸激酶催化AMP转化成ADP。
ATP的特殊作用：
★ ATP是细胞内的“能量通货”
★ ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体
★通过磷酸化储能而活化酶促作用底物
■第二节 线粒体电子传递体系
一、线粒体结构特点
二、电子传递（呼吸链）的概念
三、电子载体
四、电子传递复合物
五、机体内两条主要的呼吸链及其能量变化
六、电子传递抑制剂
线粒体呼吸链：
线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链（eclctron transfer chain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。
复合物Ⅰ（NADH-辅酶Q氧化还原酶）：
复合物I是一个质子泵，当一对电子从NADH流到CoQ ，形成CoQH2时，把四个质子从基质泵到膜间隙。
复合物Ⅱ(琥珀酸-辅酶Q氧化还原酶)：
复合物Ⅲ（辅酶Q：细胞色素c氧化还原酶）：
呼吸链电子传递的Q循环： QH2+2Cyt C(氧化型)+2H+ →Q +2Cyt C(还原型) + 4H+ (外侧)
复合物IV（细胞色素c氧化酶）：
复合物IV是质子泵，一个电子从Cytc传递到O2就推动一个质子移到膜间隙。
烟酰胺核苷酸类：
特点：以NAD+ 或NADP+为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。
传递氢机理：
黄素蛋白酶类：
特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白
递氢机理：
类别：黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）
需氧脱氢酶类（如L—氨基酸氧化酶）
加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）
铁硫蛋白：
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。
传递电子机理：
铁硫蛋白的结构及递电子机理：
传递电子机理：
可移动的电子载体：
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。
传递氢机理：
细胞色素：
特点：以血红素（heme）为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。
类别: 根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c、c1、a和a3)，cyt b和cytc1、cytc在呼吸链中的中为电子传递体，a和a3以复合物物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu ，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。
传递电子机理：
细胞色素辅基的结构和递电子机理：
线粒体结构：
■第三节 氧化磷酸化作用
一、 氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念
二、氧化磷酸化的偶联机理
三、能荷
氧化磷酸化：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）相偶联的过程称氧化磷酸化。
类别： 底物水平磷酸化、电子传递水平磷酸化
磷氧比（ P/O ）：呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个O原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。
氧化磷酸化的偶联机理：
1、化学渗透学说
2、氧化磷酸化的抑制
解偶联剂和离子载体抑制剂
氧化磷酸化抑制剂
线粒体ATP合酶（如下图）
■第四节 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用
能荷：
意义： 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。
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H2O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
第8章 生物氧化与氧化磷酸化 主要内容和要求：重点讨论线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理。对非线粒体氧化体系作一般介绍。
目录
第一节 自由能变化
第二节 线粒体电子传递体系
第三节 氧化磷酸化作用
第四节 线粒体外NADH的穿梭机制
■第一节 自由能变化
一、生物氧化的概念和特点
生物氧化的特点和方式
糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biological oxidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程,因此又称为细胞呼吸。
1、生物氧化的特点
2、生物氧化过程中CO2的生成和H2O的生成
3、有机物在体内氧化释能的三个阶段
生物氧化的特点：有机物的氧化是在活的细胞中（pH接近中性、体温条件下）；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；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。
CO2的生成
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CO2。
类型：α-脱羧和β-脱羧
氧化脱羧和单纯脱羧
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 。
生物氧化的三个阶段
二、生物能学简介
1、生物能的转换（生物系统中的能流）
生物系统中的能流：
2、自由能的概念及化学反应自由能的计算
自由能（free energy）的概念
定义式：ΔＧ=ΔH-TΔS
物理意义：－ΔＧ＝Ｗ* (体系中能对环境作功的能量),自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：
ΔG
ΔG>0，体系未达到平衡，反应不能正向自发进行
ΔG=0，反应处于平衡状态
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′=ΔGθ + RTlnQc (Qc-浓度商)
ΔGθ = - RTlnKeq
例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化
b.利用标准氧化还原电位（Eθ ）计算（限于氧化还原反应）
基本公式：ΔGθ =－nFΔEθ
(ΔEθ =E+ θ -E-θ)
例：计算NADH氧化反应的ΔGθ
三、高能化合物
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）的化合物称为高能化合物。
1、高能化合物的类型
2、ATP的特点及其特殊作用
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°′=-30.5千焦/摩尔）。
ATP的合成：
1. 底物水平磷酸化： ADP从具有更高磷酸基团转移势的磷酸化合物中接受磷酸基团，生成ATP。
2. 氧化磷酸化： 生物内的氧化作用能够产生跨线粒体膜的质子浓度梯度，储存在质子浓度梯度中的能量可以驱动ADP合成ATP。
3.光合磷酸化： 光合作用可以产生跨叶绿体中类囊体膜的质子浓度梯度，从而驱动ATP生成。
4. 腺苷酸激酶催化的反应： 腺苷酸激酶催化AMP转化成ADP。
ATP的特殊作用：
★ ATP是细胞内的“能量通货”
★ ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体
★通过磷酸化储能而活化酶促作用底物
■第二节 线粒体电子传递体系
一、线粒体结构特点
二、电子传递（呼吸链）的概念
三、电子载体
四、电子传递复合物
五、机体内两条主要的呼吸链及其能量变化
六、电子传递抑制剂
线粒体呼吸链：
线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链（eclctron transfer chain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。
复合物Ⅰ（NADH-辅酶Q氧化还原酶）：
复合物I是一个质子泵，当一对电子从NADH流到CoQ ，形成CoQH2时，把四个质子从基质泵到膜间隙。
复合物Ⅱ(琥珀酸-辅酶Q氧化还原酶)：
复合物Ⅲ（辅酶Q：细胞色素c氧化还原酶）：
呼吸链电子传递的Q循环： QH2+2Cyt C(氧化型)+2H+ →Q +2Cyt C(还原型) + 4H+ (外侧)
复合物IV（细胞色素c氧化酶）：
复合物IV是质子泵，一个电子从Cytc传递到O2就推动一个质子移到膜间隙。
烟酰胺核苷酸类：
特点：以NAD+ 或NADP+为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。
传递氢机理：
黄素蛋白酶类：
特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白
递氢机理：
类别：黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）
需氧脱氢酶类（如L—氨基酸氧化酶）
加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）
铁硫蛋白：
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。
传递电子机理：
铁硫蛋白的结构及递电子机理：
传递电子机理：
可移动的电子载体：
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。
传递氢机理：
细胞色素：
特点：以血红素（heme）为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。
类别: 根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c、c1、a和a3)，cyt b和cytc1、cytc在呼吸链中的中为电子传递体，a和a3以复合物物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu ，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。
传递电子机理：
细胞色素辅基的结构和递电子机理：
线粒体结构：
■第三节 氧化磷酸化作用
一、 氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念
二、氧化磷酸化的偶联机理
三、能荷
氧化磷酸化：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）相偶联的过程称氧化磷酸化。
类别： 底物水平磷酸化、电子传递水平磷酸化
磷氧比（ P/O ）：呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个O原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。
氧化磷酸化的偶联机理：
1、化学渗透学说
2、氧化磷酸化的抑制
解偶联剂和离子载体抑制剂
氧化磷酸化抑制剂
线粒体ATP合酶（如下图）
■第四节 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用
能荷：
意义： 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。
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H2O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