第章生物氧化优秀公开课

生物氧化(Biologicaloxidation)生物化学1/92第二章生物氧化（biologicaloxidation）第二节线粒体氧化体系第三节ATP的生成（P340）第四节线粒体外NADH2的氧化（P326）第一节概论2/92第一节概论二、生物氧化所讨论的问题三、生物氧化中CO2生成方式四、生物氧化中物质氧化的方式五、生物氧化的特点六、氧化-还原电势（电位）七、参与生物氧化的酶类和电子载体一、概念3/92二、生物氧化所讨论的问题1、细胞如何在酶的催化下将代谢物分子中的C转变成CO2？2、细胞如何利用O2将代谢物分子中的H氧化成H2O？3、当有机物被氧化时，细胞如何贮存和利用氧化所产生的能量？5/92三、生物氧化中CO2生成方式基本方式：底物脱羧基作用α-脱羧

（羧基位置）β-脱羧分类:单纯脱羧（不伴随脱氢）氧化脱羧（伴随脱氢）6/92（1）α—单纯脱羧（2）β—单纯脱羧α---酮酸脱羧酶Mg2+TPPO‖CH3CCOOHO‖CH3CH+CO2

β-酮酸脱羧酶COOHC=OCH2COOHαβCOOHC=O+CO2

CH31.单纯脱羧基作用（不伴随脱氢）

7/92四、生物氧化中物质氧化的方式生物体内氧化作用主要有三种方式：1.失电子如：Fe2+—→Fe3++e—

2.脱氢如：醇氧化为醛

3.加氧如：

醛氧化为酸（加水脱氢反应）

*生物体内氧化还原反应的同时，有能量的释放和转移9/92五、生物氧化的特点在活细胞内的水溶液中进行体温条件（370C、pH7±）在一系列酶的催化下分步进行，能量逐步释放（加水脱氢方式使生物体能获取更多的能量）氧化过程中产生的能量主要贮藏在ATP中在学习生物氧化之前，有必要复习氧化还原电势的概念10/92六、氧化-还原电势（电位）（一）概念：一个氧化还原对失去电子或获得电子的倾向称为氧化还原电势(电位)生物氧化中包括许多氧化-还原反应：

在生物氧化反应中，通常用氧化还原电位来相对地表示各种化合物对电子亲合力的大小。H2←→2H++2e电子供体(还原型)电子受体(氧化型)Fe2+←→Fe3++e11/92六、氧化-还原电势（电位）（二）标准电势与自由能的关系：△E0′；氧化还原体系中两个半反应的氧化还原电位差：E0′正极-E0′负极（失去电子倾向高）ΔG0′=-nΔE0’

F

（三）标准电势与平衡常数的关系：

ΔG0′=-2.303RTlgK’eq=-nΔE0’

F

13/92七、参与生物氧化的酶类和电子载体2.氧化酶：如细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶等

3.加氧酶：如单加氧酶、加双氧酶

4.传递体递氢体（hydrogencarrier）主要有黄素蛋白传递体及辅酶Q（CoQ）递电子体（electroncarrier），主要有多种细胞色素及铁硫蛋白1.脱氢酶14/92脱氢酶（dehydrogenase）根据所含辅因子的不同，可将脱氢酶分为两类：以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶以烟酰胺核苷酸为辅酶的脱氢酶

这类酶均不能直接以氧为受氢体

SH2+E-NAD+S+E-NADH+H+SH2+E-NADP+S+E-NADPH+H+SH2+E-FMN→S+E-FMNH2SH2+E-FAD→S+E-FADH2递氢体、氧如琥珀酸脱氢酶（FAD）、NADH脱氢酶（FMN）等;

15/92一、呼吸链的概念respiratorychain：由一系列递氢体和递电子体以及相应的酶系统按一定顺序排列在线粒体内膜上构成的一条长链（生物氧化还原链或称为电子传递链），因与细胞摄取氧的呼吸过程有关，故又称呼吸链。17/92二、线粒体内的两条重要呼吸链（分类：NADH呼吸链和FADH2呼吸链)18/9221/92呼吸链的概念电子从NADH或FADH2到O2的传递所经过的途径，称为电子传递链，或称呼吸链。它是由一系列递氢体和递电子体以及相应的酶系统按一定顺序排列在线粒体内膜上的一条长链。主要由蛋白质复合体组成，大致分为四部分，即：NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶。23/921.以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶(尼克酰胺核苷酸类)NAD+和NADP+的结构NAD+：R=HNADP+：R=PO32-功能：将底物上的氢激活并脱下。辅酶：NAD+或NADP+25/92尼克酰胺核苷酸的作用原理：+H+e+

H++H+2HHHeH+HNAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2H26/92辅酶FMN传递电子的过程：29/92复合物Ⅰ的结构与电子传递过程30/92NADH-Q还原酶各辅基（辅酶）的氧化还原循环：MSH2NAD+NADH2FMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2H+2H+NADH-Q还原酶泵到线粒体内膜外侧31/92以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶４H+铁硫聚簇（Fe-S中心）主要以

(Fe-0S)(2Fe-2S)或

(4Fe-4S)形式存在，铁硫聚簇与蛋白质结合称为铁硫蛋白。3.铁硫蛋白32/92铁硫聚簇通过Fe3+

Fe2+

变化，将电子从FMNH2上脱下传给CoQ，每次传递一个电子.

CysSSSCysFe3+

Fe3+

CysSSSCys

CysSSSCysFe3+

Fe2+

CysSSSCys

+e-33/92

是脂溶性醌类化合物，而且分子较小，可在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散。功能基团是苯醌,通过醌/酚的互变传递氢，Q(醌型结构)很容易接受2个电子和2个质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出2个电子和2个质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。4.辅酶Q（泛醌、亦简称Q。是许多酶的辅酶)如：NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、脂酰-CoA脱氢酶等唯一的非蛋白组分两条途径的集合点5.细胞色素还原酶（细胞色素bc1复合体、复合体Ⅲ）含有两种细胞色素（细胞色素b、细胞色素c1）和一铁硫蛋白（2Fe-2S）。

细胞色素bc1复合体的作用是将电子从QH2转移到细胞色素c：QH2cyt.bFe-Scyt.c1cyt.ccytbc135/922H+细胞色素（cytochrome,cyt）

是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质（有颜色），高等动物线粒体呼吸链中主要含有5种细胞色素a、a3、b、c、c1等，细胞色素b,c1,c的辅基都是铁-原卟啉Ⅳ，细胞色素a、a3的辅基为血红素A。

细胞色素主要是通过辅基中Fe3+

Fe2+

的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子。36/92QH2将电子传给cytbc138/92细胞色素bc1复合物（复合物Ⅲ）细胞色素c在复合体III和Ⅳ之间传递电子。（细胞色素c交互地与细胞色素还原酶的C1和细胞色素氧化酶接触）是唯一能溶于水的细胞色素40/926.细胞色素氧化酶（复合体Ⅳ、细胞色素c氧化酶）由cyta和a3

组成。复合物中除了含有铁卟啉外，还含有2个铜原子（CuA，CuB）。Cyta与CuA相配合，cyta3与CuB相配合，当电子传递时，细胞色素的Fe3+Fe2+间循环，同时Cu2+Cu+间循环，将电子从cytc直接传递给O2。也叫末端氧化酶。41/9244/92

TheelectronpathincomplexIV45/927.琥珀酸-Q还原酶（复合体Ⅱ）琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅基FAD还原为FADH2，然后FADH2又将电子传递给Fe-S聚簇。最后电子由Fe-S聚簇传递给琥珀酸-Q还原酶的辅酶CoQ。46/92四、呼吸链中各组分的排列顺序P120确定呼吸链中各递氢体或递电子体的排列顺序的实验方法有多种1.测定各种电子传递体的标准氧化还原电位（E0′），依还原电位大小排列：2.用分离出的电子传递体进行呼吸链复合物体外重组实验4.利用光谱变化观察线粒体各传递体氧化顺序3.利用呼吸链的特殊阻断抑制剂，阻断链中某些特定的电子传递环节。48/921.测定各种电子传递体的标准氧化还原电位（E0′），依还原电位大小排列★E0’越小，越易失去电子，处于呼吸链的前面，反之，E0’越大，越易得到电子，处于呼吸链的后面。

★当电子从E0’值小的物质传到E0’值大的物质时，伴随着自由能的降低，即有热量放出:

△G0’=－nF△E0’

=－nF

（E0’受体－E0’供体）

其中：n是转移的电子数，F是法拉第常数。49/92-0.32-0.12+0.10+0.04+0.23+0.25+0.29+0.8NADH—FMN.Fe.S—CoQ—Cytb—Cytc1—Cytc—Cytaa3—O2

琥珀酸

FAD-Fe.S50/922.用分离出的电子传递体进行呼吸链复合物体外重组实验51/922.用分离出的电子传递体进行呼吸链复合物体外重组实验51/9252/92

NADH

FMN（Fe-S）CoQCytb、c1

CytcCytaa3

O2

（Fe-S）

（Cu2+）

FAD（Fe-S）

琥珀酸3.利用呼吸链的特殊阻断抑制剂，阻断链中某些特定的电子传递环节。凡能够切断呼吸链中某一部位电子流的物质，称为呼吸链电子传递抑制剂。53/92鱼藤酮、安密妥、粉蝶霉素A

CN-、-N3、CO抗霉素AFAD(Fe-S)NADHFMN（Fe-S）CoQCytbCytc1CytcCytaa3O2

呼吸链抑制剂作用位点鱼藤酮、安密妥：抑制NADH到辅酶Q的电子传递；抗霉素A：抑制细胞色素b到c1之间的电子传递;氰化物、叠氮化物、一氧化碳：抑制细胞色素aa3到氧的电子传递。54/924.用分光光度法测得各个传递体发生吸收光谱的变化完整的线粒体当电子传递体处于氧化态时，悬浮液浑浊，光吸收不能直接测出；但当之处于还原态时，即可以氧化态为对照测出。游离的线粒体在有氧下进行电子传递时，NADH一端还原性最强，而靠近氧一端电子传递体几乎处于氧化态，由此判断电子的流向。当向完全处于还原状态的电子传递体中加入氧时，最先被氧化的是细胞色素aa3,其次cytC,cytC1,cytb,最后是NADH。55/92第三节、ATP的生成（P340）

一、氧化磷酸化的概念二、ATP的生成方式三、氧化磷酸化的作用机制六、呼吸链的加强、抑制和解偶联四、磷氧比值五、ATP生成的结构基础57/92生物体内物质氧化产生能量与ADP劫获能量进行磷酸化产生ATP的过程相偶联的作用称为氧化磷酸化作用。一、氧化磷酸化的概念58/92二、ATP的生成方式1.氧化磷酸化（电子传递体磷酸化）2.底物水平磷酸化59/921.氧化磷酸化定义：呼吸链电子传递过程中释放的能量，在ATP合酶的催化下，使ADP磷酸化成ATP的过程，由于代谢物的氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联进行，故称为氧化磷酸化。呼吸链SH2H(2H++2e)S能ADP+PiATPO212氧化磷酸化偶联H2O60/92SH2S2HRCOOHCO2+RHE代谢物氧化产物2Hα-磷酸甘油穿梭苹果酸穿梭

+

O212H2O能量ADP+H3PO4ATP+

H2O氧化磷酸化呼吸链线粒体胞液61/92确定氧化磷酸化偶联部位

（ATP生成部位）的实验方法1）P/O比值测定：一对电子通过呼吸链传递至O2所产生的ATP分子数。经过几种不同底物在离体线粒体实验中测得：琥珀酸P/O=1.7苹果酸P/O=3.0由此确定NADH呼吸链中有三个偶联部位：NADH-----CoQCytb-----CytcCytaa3---O2而琥珀酸呼吸链中只有二个偶联部位：Cytb-----CytcCytaa3---O262/922）电位变化测定琥珀酸（

FAD-Fe.S）

NADH—FMN.Fe.S—CoQ—Cytb—Cytc1—Cytc—Cytaa3—O2

（-0.32-0.12+0.10+0.04+0.23+0.25+0.29+0.8）①②③

ΔE0’=0.33V

ΔE0’=0.19V

ΔE0’

=0.51VΔG0′=-63.7=-36.7=-98.4(KJ/mol)(ATP-30.54KJ/mol)63/92+0.01？？氧化磷酸化偶联部位64/922.底物水平磷酸化

定义：由底物分子因脱氢或脱水而使分子内部能量分配产生的高能磷酸键（或高能硫酯键），在激酶作用下将高能键上的键能直接转移给ADP（或GDP）而生成ATP（或GTP）的反应，称为底物水平磷酸化。例如:糖酵解过程每次底物磷酸化产生一个ATP65/92糖酵解过程的底物磷酸化:磷酸甘油酸激酶

3-磷酸甘油酸这是糖酵解中第一次底物水平磷酸化反应ADPATP1,3-二磷酸甘油酸(1,3-DPG)OPO3

2-66/92糖酵解过程的底物磷酸化:ADPATP丙酮酸激酶(Mg2+,K+)磷酸烯醇式丙酮酸

烯醇式丙酮酸糖酵解中第二次底物水平磷酸化反应67/92三、氧化磷酸化的作用机制化学偶联假说（高能共价中间物？）构象偶联假说（构象变化？）化学渗透假说（1961年，英国Mitchell）68/92

因提出氧化磷酸化偶联机制：化学渗透学说而在1978年获诺贝尔化学奖的PeterDMitchell化学渗透假说的偶联机制H+H+eOADP+PiATP内外膜间隙内膜线粒体基质电子传递给氧释出的能量推动质子泵H+被泵至线粒体内外膜间隙，在内膜两侧形成化学梯度（势能）当H+顺梯度回到基质面时，释出的能量使ADP磷酸化为ATP70/92化学渗透学说71/92质子驱动力72/9273/92ATP转移酶：转移ATP至胞浆75/92化学渗透假说基本要点：电子经呼吸链传递的同时，可将质子（H+）从内膜的基质面排到内膜外，而造成膜内外的电化学梯度。当H+离子顺梯度回流时释放出自由能，可使ADP+PiATP。

77/92化学渗透假说基本要点：呼吸链中递氢体和递电子体是交替排列的，在内膜中都有特定的位置，催化的反应是定向的；当递氢体从内膜内侧接受底物传来的H+后，可将其中的电子传给其后的递电子体，而将H+泵到内膜外侧，故具有氢泵作用。线粒体内膜不能让H+自由通过，H+泵出使内膜外侧[H+]，造成“跨膜化学电位差”。电化学梯度的形成可看成能量的储存，是由电子传递时释放的能量所引起。因而当H+离子顺梯度回流（通过F0回流到基质）时释放出自由能，可使ADP+PiATP。78/92四、磷氧比值

P/O值：是指某物质氧化时每消耗1mol氧所消耗无机磷的mol数。实质：每消耗1mol原子氧所产生的ATP的mol数。两类呼吸链的磷氧比（真核细胞）：NADH呼吸链：3（2.5）FADH2呼吸链：2（1.5）79/92离体线粒体实验中测得一些底物的P/O值β-羟丁酸

NAD+→FMN→CoQ→Cyt→O2

2.4～2.82.5琥珀酸

FAD→CoQ→Cyt→O2

1.71.5抗坏血酸

Cytc→Cytaa3→O2

0.881Cytc(Fe2+)Cytaa3→O2

0.61～0.681底物呼吸链的组成生成ATP数P/O值80/92五、ATP生成的结构基础

ATP合酶（三联体、三分子体、F0F1复合体）头部柄部基底部F1：具ATP合酶活性，α3β3γδεF0：质子通道，镶嵌于线粒体内膜ab2cn81/9282/92TheATPsynthasecomprisesaprotonchannel(Fo)andaATPase(F1)FO的亚基F1的γ-亚基83/92Theγsubunitpassesthroughthecenteroftheα3β3

hexamerandmakesthenucleotide-bindingsitesintheβsubunitsdistinctfromoneanother.Unlikethetightandlooseforms,theopenformoftheβsubunitcanchangeconformationsufficientlytoreleaseboundnucleotides.ATPReleaseFromtheβsubunitintheopenform.Therotationoftheγsubunitinterconvertsthethreeβsubunits.ThesubunitintheT(tight)form,whichcontainsnewlysynthesizedATPthatcannotbereleased,isconvertedintotheO(open)form.Inthisform,itcanreleaseATPandthenbindADPandPtobeginanewcycle.Binding-ChangeMechanismforATPSynthase.Theα3β3hexamerofATPsynthaseisfixedtoasurface,withtheγsubunitprojectingupwardandlinkedtoafluorescentlylabeledactinfilament.TheadditionandsubsequenthydrolysisofATPresultinthecounterclockwiserotationoftheγsubunit,whichcanbedirectlyseenunderafluorescencemicroscope.DirectObservationofATP-DrivenRotationinATPSynthase.

Thecsubunitconsistsoftwoαhelicesthatspanthemembrane.Anasparticacidresidueinthesecondhelixliesonthecenterofthemembrane.Thestructureoftheasubunithasnotyetbeendirectlyobserved,butitappearstoincludetwohalf-channelsthatallowprotonstoenterandpasspartway(到中途)butnotcompletelythroughthemembrane.Aprotonentersfromtheintermembranespaceintothecytosolichalf-channeltoneutralizethechargeonanaspartateresidueinacsubunit.Withthischargeneutralized,thecringcanrotateclockwisebyonecsubunit,movinganasparticacidresidueoutofthemembraneintothematrixhalf-channel.Thisprotoncanmoveintothematrix,resettingthesystemtoitsinitialstate.ProtonMotionAcrosstheMembraneDrivesRotationoftheCRingEachprotonentersthecytosolichalf-channel,followsacompleterotationofthe