基础生化 生物氧化

第五章生物氧化第一节生物氧化概论第二节线粒体电子传递链第三节氧化磷酸化现在是1页\一共有94页\编辑于星期三第一节生物氧化概论一、生物氧化的一般过程二、生物氧化的概念和特点三、生物氧化的3方面内容四、生物氧化的酶类五、高能化合物现在是2页\一共有94页\编辑于星期三一、生物氧化的一般过程TCA现在是3页\一共有94页\编辑于星期三2.小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）。3.共同中间物进入TCA，氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。1.大分子降解成基本结构单位。

生物体内能量产生的三个阶段返回节现在是4页\一共有94页\编辑于星期三二、生物氧化的概念和特点（一）生物氧化的概念糖、脂、蛋白质等有机物在细胞内氧化分解，最终生成CO2和水等，并释放能量的过程，又称细胞氧化或细胞呼吸。生物氧化的场所：真核——线粒体

原核——细胞膜现在是5页\一共有94页\编辑于星期三1.相同点：（二）生物氧化的特点（与非生物氧化相比）（1）化学反应本质（2）被氧化的物质、终产物和释放的能量本质是电子的得失，它有三种方式：加氧氧化失电子脱氢氧化

Cu+O2CuO1

2现在是6页\一共有94页\编辑于星期三2.不同点（1）生物氧化反应以脱氢为主（2）生物氧化在酶催化下进行，条件温和（3）生物氧化在一系列酶、辅酶和电子传递体的作用下逐步进行，能量逐步释放。返回节现在是7页\一共有94页\编辑于星期三

（1）α-单纯脱羧1单纯脱羧（2）β-单纯脱羧COOHC=OCH2COOHαβCOOHC=O+CO2

CH3

O‖ CH3CCOOH

O‖CH3CH+CO2

（一）CO2的生成三、生物氧化的3方面内容现在是8页\一共有94页\编辑于星期三2.氧化脱羧

（1）α-氧化脱羧（2）β-氧化脱羧

O‖CH3－C－COOH+CoASH+NAD+

O‖CH3－C～SCoA+NADH+H++CO2COOHC=O+CO2+NADH+H+

CH3COOHCHOH+NAD+CH2COOHβα苹果酸酶现在是9页\一共有94页\编辑于星期三（二）水的生成

1.底物脱水2.主要在脱氢酶、传递体、氧化酶组成的体系催化下生成。现在是10页\一共有94页\编辑于星期三（三）能量的生成和储存

当有机物被氧化成C2O和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP。主要是通过呼吸链

底物水平磷酸化

氧化磷酸化现在是11页\一共有94页\编辑于星期三1.底物水平磷酸化概念：是指代谢物在氧化分解过程中产生的高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。3-磷酸甘油酸

磷酸甘油酸激酶ADPATP1,3-二磷酸甘油酸OPO3

2-返回节现在是12页\一共有94页\编辑于星期三四、生物氧化的酶类主要是脱氢酶和氧化酶（一）脱氢酶（二）氧化酶（三）加氧酶（四）过氧化物酶现在是13页\一共有94页\编辑于星期三（一）脱氢酶

使代谢物的氢活化、脱落，传递给受氢体或中间传递体根据所含辅助因子的不同分为：1.以黄素核苷酸为辅助因子的（又称为黄素酶）根据受氢体不同分为①需氧黄酶：以氧为直接受氢体生成H2O2②不需氧黄酶：氢先传递给中间传递体，最后才给分子氧生成H2O现在是14页\一共有94页\编辑于星期三代谢物-2HNAD+

传递体-2H1/2O2(NADP+)代谢物NADH+H+传递体H2O(NADPH+H+)

2H2H2H2.以烟酰胺核苷酸为辅因子的～NAD（CoⅠ）、NADP（CoⅡ）现在是15页\一共有94页\编辑于星期三(二)氧化酶以氧为直接受氢体，生成H2O或H2O2一般含Cu。如细胞色素氧化酶RH2+O2→R+H2O2

（三）加氧酶催化分子氧或氧原子与底物结合的氧化反应酶的总称。加双氧酶、加单氧酶。返回节现在是16页\一共有94页\编辑于星期三（四）过氧化物酶1.过氧化氢酶H2O2+

O2O2+H2O2.过氧化物酶H2O2+AH2A+H2O返回节现在是17页\一共有94页\编辑于星期三五、高能化合物（一）高能化合物的概念

在标准条件下(pH7,25℃,1mol/L)发生水解时，可释放出大量自由能的化合物，称为高能化合物。习惯上把“大量”定为5kcal/mol(即20.92KJ/mol)以上。在高能化合物分子中，水解断裂时释放出大量自由能活泼共价键称为高能键。用表示～

须注意：生化上的“高能键”，涵义不同于普通化学上的“键能”，不能把“高能键”理解为“能键高”P309现在是18页\一共有94页\编辑于星期三（二）高能化合物的类型（了解）

按其分子结构特点及所含高能键的特征分：磷氧键型磷氮键型硫酯键型甲硫键型P311现在是19页\一共有94页\编辑于星期三1.磷氧键型（—O-P)(A)酰基磷酸化合物1,3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸现在是20页\一共有94页\编辑于星期三氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸现在是21页\一共有94页\编辑于星期三(B)焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸(C)烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸现在是22页\一共有94页\编辑于星期三2.氮磷键型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔磷酸肌酸在脊椎动物中起暂存能量的作用。仅可作为最初4秒钟的能量来源，但它可提供时间来调节糖酵解酶的活性，使肌肉通过酵解得到能量。磷酸精氨酸是无脊椎动物的能量的暂存形式。P311现在是23页\一共有94页\编辑于星期三S-腺苷甲硫氨酸（SAM）4.甲硫键型3.硫酯键型酰基辅酶A现在是24页\一共有94页\编辑于星期三

2.ATP的特殊作用（1）ATP在磷酸化合物中所处的位置具有重要的意义，在细胞的酶促磷酸基团转移中是一个“共同中间体”（2）ATP是生物体通用的能量货币。ATP是能量的携带者和转运者，但并不能量的贮存者。肌肉剧烈运动时，1s就消耗完ATP1.ATP的两个高能键(三)最重要的高能化合物ATP(三磷酸腺苷)P308现在是25页\一共有94页\编辑于星期三α～ADPATPAMP～Mg2+生理pH值下ATP和ADP都处于解离状态，往往需要以Mg2+ATP2-的形式参与反应现在是26页\一共有94页\编辑于星期三

磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物质向势能低的物质转移。以转移磷酸基团的形式传递能量ATP作为磷酸基团共同中间传递体示意图现在是27页\一共有94页\编辑于星期三现在是28页\一共有94页\编辑于星期三在紧张活动时，将ATP维持在恒定的水平，可维持4-6秒的能量需要。返回章现在是29页\一共有94页\编辑于星期三第二节线粒体电子传递链

一、电子传递链的概念二、电子传递链的组成三、呼吸链组分的排列顺序四、呼吸链的电子传递抑制剂现在是30页\一共有94页\编辑于星期三一、电子传递链的概念（一）概念：在生物氧化过程中，代谢物上脱下的H经过一系列的按一定顺序排列的H传递体和电子传递体的传递，最后传递给分子氧并生成水，这种H和电子的传递体系称为电子传递链,又称呼吸链。典型的呼吸链FAD呼吸链NADH呼吸链P351现在是31页\一共有94页\编辑于星期三（二）电子传递链分布原核细胞存在于质膜上真核细胞存在于线粒体的内膜上返回节现在是32页\一共有94页\编辑于星期三二、电子传递链的组成由NADH到O2的电子传递链主要包括：1.NADH脱氢酶2.黄素酶（FMN、FAD）3.辅酶Q(CoQ)4.细胞色素b、c1、c、a、a35.铁硫蛋白4个蛋白复合体2个可灵活移动的成分P351现在是33页\一共有94页\编辑于星期三

复合体ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-24H+（一）NADH-Q还原酶（复合体I）

42条多肽链FMN+铁硫中心其功能为：P352现在是34页\一共有94页\编辑于星期三功能：NADH+H++FMNFMNH2+NAD+FMNH2+QFMN+QH2放能储能从线粒体基质中转移4个质子到膜间隙（质子泵）。现在是35页\一共有94页\编辑于星期三1.NADH烟酰胺脱氢酶类以NAD、NADP为辅酶现在是36页\一共有94页\编辑于星期三NAD+的作用原理+H+e+H++H+NAD+NADH+H++2H-2H现在是37页\一共有94页\编辑于星期三异咯嗪核醇2.黄素蛋白FMN：黄素单核苷酸(Flavin

Mononucleotide)FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸(FlavinAdenineDinucleotide)现在是38页\一共有94页\编辑于星期三黄素核苷酸的作用原理核黄素(黄色)FAD/FMN

FADH2/FMNH2+2H-2H-2H+2H还原型核黄素(无色)现在是39页\一共有94页\编辑于星期三3.铁硫蛋白类（Fe—S）又叫铁硫中心或铁硫簇。含有等量铁原子和硫原子。铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的SH连接。铁原子可进行Fe2+

Fe3++e反应传递电子，为单电子传递体。现在是40页\一共有94页\编辑于星期三4.辅酶Q（CoQ）即辅酶Q（CoenzymeQ，CoQ），属于脂溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链。因其为脂溶性，游动性大，可以结合到膜上，也可以游离状态存在,因此不包含在四种复合体中。现在是41页\一共有94页\编辑于星期三辅酶-Q的功能:电子和质子的传递体还原成QH2氧化成Q分子中的苯醌结构能可逆地结合H，接受或给出1个或2个电子为递氢体。现在是42页\一共有94页\编辑于星期三NADH+H+

NAD+FMNFMNH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2

复合体ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-24H+现在是43页\一共有94页\编辑于星期三

复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFAD;

Fe-S1;

b560;

Fe-S2;

Fe-S3（二）琥珀酸-Q还原酶（复合体Ⅱ

）其功能为P352现在是44页\一共有94页\编辑于星期三

细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称。根据吸收光谱的不同将细胞色素分为a,b,c三类。

细胞色素通过Fe3+

Fe2+

的互变起传递电子的作用。1个细胞色素每次传递一个电子。现在是45页\一共有94页\编辑于星期三

复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1（三）辅酶Q-细胞色素c氧化还原酶（复合体Ⅲ）

泛醌作为流动的电子载体，从复合体Ⅰ或Ⅱ获取电子，“流动”到复合体Ⅲ，交出电子。功能：将电子从泛醌传递给细胞色素C；将质子从基质转移到膜间隙4H+现在是46页\一共有94页\编辑于星期三Q循环两个QH2参与电子传递，使两个细胞色素C还原，经过全过程又产生了一个QH2分子。这种通过辅酶Q的电子传递方式称为Q循环。现在是47页\一共有94页\编辑于星期三细胞色素c是唯一能溶于水的细胞色素。作为流动的电子载体从复合体Ⅲ获取电子流动到复合体Ⅳ，并将电子最终交给氧。细胞色素C现在是48页\一共有94页\编辑于星期三（四）细胞色素C氧化酶（复合体Ⅳ）多个亚基的多聚蛋白（末端氧化酶）现在是49页\一共有94页\编辑于星期三

复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB4H+返回节其功能为：电子传递、质子泵4个Cytc传递4个电子给O2生成水。

现在是50页\一共有94页\编辑于星期三

（一）研究方法及实验证据（了解）由以下实验确定

1.标准氧化还原电位

2.还原状态呼吸链缓慢给氧

3.特异呼吸链抑制剂和人工电子受体

4.拆开和重组三、呼吸链组分的排列顺序现在是51页\一共有94页\编辑于星期三呼吸链的排列顺序：各成分按低氧还电位→高氧还电位电子传递方向：低氧还电位→高氧还电位（释放能量）1.根据标准氧化还原电位E0ˊ表示氧化还原能力的大小，值越小还原性越强，失电子能力越强，决定电子流动方向现在是52页\一共有94页\编辑于星期三现在是53页\一共有94页\编辑于星期三

（一）研究方法及实验证据（了解）由以下实验确定

1.标准氧化还原电位

2.还原状态呼吸链缓慢给氧

3.特异呼吸链抑制剂和人工电子受体

4.拆开和重组三、呼吸链成分的排列顺序现在是54页\一共有94页\编辑于星期三（二）电子传递链的顺序现在是55页\一共有94页\编辑于星期三NADH氧化呼吸链:主要的呼吸链琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）（二）电子传递链的顺序b现在是56页\一共有94页\编辑于星期三电子传递链返回节现在是57页\一共有94页\编辑于星期三四、呼吸链的电子传递抑制剂1、概念能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。利用专一性电子传递抑制剂选择性地阻断呼吸链中某个传递步骤，再测定链中各组分的氧化-还原状态情况，是研究电子传递中电子传递体顺序的一种重要方法。现在是58页\一共有94页\编辑于星期三ReducedOxidized现在是59页\一共有94页\编辑于星期三鱼藤酮安密妥杀粉蝶菌素抗霉素A氰化物一氧化碳硫化氢叠氮化合物2、几种电子传递抑制剂及其作用部位萎锈灵返回章现在是60页\一共有94页\编辑于星期三第三节氧化磷酸化一、ATP的生成方式二、氧化磷酸化的作用机制三、ATP合成机制四、氧化磷酸化的解偶联和抑制五、线粒体穿梭系统六、能荷现在是61页\一共有94页\编辑于星期三一、ATP的生成方式根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为1.底物水平磷酸化2.电子传递体系磷酸化

伴随电子从底物到氧的传递，ADP被磷酸化形成ATP的酶促过程即是氧化磷酸化作用。通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化返回节现在是62页\一共有94页\编辑于星期三二、氧化磷酸化的作用机制

（一）ATP产生的数量

研究氧化磷酸化最常用的方法：测定线粒体或其抑制剂的P/O比值和电化学实验。

1.P/O比值:每两个电子传递给1个氧原子所产生的ATP的分子数（ADP磷酸化为ATP）。最初的实验表明：NADH呼吸链的P/O值是3（现2.5），

FADH2呼吸链的P/O值是2（现1.5），

2.ATP产生的数量NADH氧化呼吸链传递2H仅生成2.5分子ATP。FADH2氧化呼吸链传递2H仅生成1.5分子ATP。现在是63页\一共有94页\编辑于星期三(二)氧化磷酸化ATP合成的能量来源

电子传递过程是一个高度放能过程（约220kJ/mol），产生的能量主要用于转移质子，随后用于ATP的合成。这种能量的保存和随后ATP酶对能量利用称为能量偶联。P355现在是64页\一共有94页\编辑于星期三（三）能量偶联假说氧化与磷酸化作用如何偶联尚不够清楚，目前主要有三个学说：化学耦联学说结构耦联学说化学渗透学说现在是65页\一共有94页\编辑于星期三1.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。但未发现该物质的存在。2.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。电子传递过程中蛋白质组分的构象变化还是存在的，但未发现与氧化磷酸化偶联。现在是66页\一共有94页\编辑于星期三3.化学渗透学说（1961）目前最有说服力认为电子传递释放出的自由能和ATP合成是与一种跨线粒体的质子梯度相偶联的。P355现在是67页\一共有94页\编辑于星期三现在是68页\一共有94页\编辑于星期三化学渗透假说详细示意图现在是69页\一共有94页\编辑于星期三现在是70页\一共有94页\编辑于星期三现在是71页\一共有94页\编辑于星期三现在是72页\一共有94页\编辑于星期三ADP+PiATP化学渗透假说示意图现在是73页\一共有94页\编辑于星期三3.化学渗透学说

（1）要点递H体与递e体按照特定的顺序排列在线粒体内膜上电子传递过程中释放的能量用于将H+泵出内膜，线粒体内膜对H+不通透，造成H+跨膜梯度H+跨膜梯度蕴含的能量（通过ATP酶）用于生成ATP两个问题：质子梯度如何建立？如何利用质子梯度合成ATP？现在是74页\一共有94页\编辑于星期三（2）支持化学渗透假说的实验证据：氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。线粒体内膜对H+OH-K+Cl-都是不通透的。破坏H+

浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑制剂）必然破坏氧化磷酸化作用的进行。线粒体的电子传递所形成的电子流能够将H+

从线粒体内膜逐出到线粒体膜间隙。大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质子，并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。迄今未能在电子传递过程中分离出一个与ATP形成有关的高能中间化合物，亦未能分离出电子传递体的高能存在形式。返回节现在是75页\一共有94页\编辑于星期三三、ATP合成机制在分离得到4种呼吸链复合体的同时还得到复合体Ⅴ，即ATP合酶。（一）ATP合酶的结构线粒体膜上的ATP合酶（ATPsynthase)是受质子动力推动的酶。可催化ATP水解放能，又称为FoF1-ATP酶；又可从质子动力获能，合成ATP。自然界最小的旋转发动机P355现在是76页\一共有94页\编辑于星期三F1在线粒体内膜的基质侧形成颗粒状突起即头部含5种不同的亚基（3、3、1、1

、1

）。其功能是催化生成ATPF0镶嵌在线粒体内膜中。细菌的由a1b2c9-12亚基组成。与线粒体电子传递系统连接（质子通道）OSCP（动物中）：寡霉素敏感相关蛋白，位于F0与F1之间，使ATP合酶在寡霉素存在时不能生成ATP。由Fo（疏水部分）和F1（亲水部分）组成。P356现在是77页\一共有94页\编辑于星期三FoF1侧视图现在是78页\一共有94页\编辑于星期三（二）ATP合酶的工作机制（结合变化和旋转催化学说）现在是79页\一共有94页\编辑于星期三结合变化和旋转催化学说3个β亚基与γ不同表面结合，构象不同呈现不同活性

O开放型（释放ATP）；T紧密结合型（催化）；L疏松型质子流动→驱动C单位转动→带动γ亚基转动→诱导β亚基构象改变→ATP释放和重新合成返回节P357现在是80页\一共有94页\编辑于星期三四、氧化磷酸化的解偶联和抑制

不同的化学因素对氧化磷酸化过程的影响不同，根据它们不同的影响方式可分为三大类：（一）解偶联剂的解耦联作用使电子传递与ADP磷酸化两个过程分开，失去它们的紧密联系。只抑制ATP的形成，不抑制电子传递过程，使电子传递产生的自由能都变成热能。解偶联剂的作用：快速消除质子梯度，因此只抑制氧化磷酸化的ATP形成，对底物水平的磷酸化没有影响。

P357现在是81页\一共有94页\编辑于星期三pH=7脂不溶脂溶性增加膜对质子的通透性破坏跨膜质子化学梯度（H+梯度）2,4-二硝基苯酚双香豆素现在是82页\一共有94页\编辑于星期三（二）解偶联蛋白（棕色脂肪组织线粒体）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP现在是83页\一共有94页\编辑于星期三（三）氧化磷酸化抑制剂

抑制氧的利用和ATP形成，不直接抑制电子传递。氧化磷酸化抑制剂的作用是直接干扰ATP的生成过程，结果也使电子传递不能进行。例：寡霉素：与F0的一个亚基结合而抑制ATP合成现在是84页\一共有94页\编辑于星期三

寡霉素(oligomycin)可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成寡霉素现在是8