生物化学第4章课件

第二章生物氧化教学目标1、生物氧化的概念及意义2、生物氧化的特点3、生物氧化的方式4、生物氧化体系—呼吸链5、能量的释放、转移、储存及利用第一节生物氧化概述一、生物氧化的概念生物氧化是指糖类、脂类和蛋白质等在生物活细胞内进行的一系列的氧化分解作用，最终生成H2O和CO2,同时释放能量的过程，又称细胞呼吸或组织呼吸。相当于分解（异化）作用。线粒体是生物氧化的场所1948年，EugeneKennedy和AlbertLehninger发现线粒体是真核生物氧化磷酸化的场所，开始了生物能研究的新世代。线粒体线粒体基质含有丙酮酸脱氢酶复合物和三羧酸循环途径、脂肪酸-氧化途径、氨基酸氧化途径及酵解以外所有能量物质氧化途径。二、生物氧化的特点与无机氧化（燃烧）相比，生物氧化与无机氧化从氧化的物质、释放出的总能量及终产物都相同。但两者的表现形式和条件不同。体外燃烧：(CH)+O2H2O+CO2+热能。H2O的生成为氢和氧的直接化合CO2的生成为碳和氧的直接化合能量为骤然释放，以光和热的形式二、生物氧化的特点（续）生物氧化：

(CH)+O2H2O+CO2+热能

H2O的生成在酶的作用下脱氢，H经一系列的递氢和递电子反应，最终与O2接合生成H2O。

CO2是有机物在酶的作用下脱羧形成的。二、生物氧化的特点（续）生物氧化要求条件温和；为逐步氧化；能量的释放是逐步缓慢释放，释放的能量以高能磷酸键的形式贮存，不会使周围温度升高而伤害有机体。三、脱羧作用（Decarboxylation）脱羧作用根据脱羧的部位分为：-decarboxylation-decarboxylation

脱羧作用根据脱羧的性质分为：简单脱羧（simpledecarboxylatio）氧化脱羧

（oxidativedecarboxylation）直接脱羧基作用

(directdecarboxylation)氧化脱羧基作用

(oxidativedecarboxylation)1、乙醇发酵的第一步(直接脱羧）2、丙酮酸氧化脱羧（氧化脱羧）3、TCA环中酮戊二酸的生成(直接脱羧）4、TCA环中琥珀酰CoA的生成（氧化脱羧）5、草酰乙酸脱羧生成丙酮酸(直接脱羧）6、苹果酸生成丙酮酸（氧化脱羧）生物氧化中CO2的生成四、氧化作用（Oxidation)1、加氧（氧化）（oxidation）RCHO+1/2O2RCOOH2、脱氢（dehydrogenation）RCH2OHRCHO+2HCH3CHO+H2OCH3CH(OH)(OH)

CH3COOH+2H3、脱电子（deelectronation）Fe2+

Fe3++e氧化酶(Oxidase)以氧直接为受氢体的氧化还原酶类称为氧化酶。加氧酶(Oxigendase)催化加氧反应的酶。脱氢酶(Dehydrogenase)使代谢物的氢活化、脱落，并将之传递给其他受氢体或传递体。传递体(Carrier)生物氧化过程中起着中间传递氢或电子作用的物质，它们既不能使代谢物脱氢，也不能使氢活化。参与生物氧化的酶类氧化酶(Oxidase)以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶以烟酰胺核苷酸为辅基的脱氢酶五、高能磷酸化合物磷酸化合物在生物机体的换能过程中起着重要的作用。在有机体内有许多磷酸化合物，其磷酸酯健中贮存有大量的能，称为磷酸健能。其典型代表就是三磷酸腺苷（ATP）。三磷酸腺苷中的三个磷酸基团可以依次移去而生成二磷酸腺苷（ADP）和一磷酸腺苷（AMP）。五、高能磷酸化合物ATP的磷酸基团水解时能放出7300卡/摩尔，一般将含有5000卡/摩尔以上能量的化合物称为高能磷酸化合物；含有高能量的键称为高能键。在生物化学中，所谓的“高能键”指的是随着水解反应或基团转移反应放出大量自由能的健。

常见高能磷酸化合物常见高能磷酸化合物常见高能磷酸化合物常见高能磷酸化合物第二节呼吸链（respiratorychain）一、呼吸链的概念生物氧化中有机物脱下的氢和电子通过一系列特异性的递氢和递电子体的传递，把氢交给氧生成水，并产生ATP。

整个氢和电子的传递过程以及参与这一系列催化反应的酶与辅酶及其他中间递体组成的链状反应体系称为呼吸链。递氢体：呼吸链中参与传递H的辅酶或辅基。递电子体：呼吸链中参与传递电子的辅酶或辅基。二、呼吸链的组成1、烟酰胺脱氢酶类,

辅酶NAD+或NADP+2、黄素酶类，辅酶FMN和FAD3、COQ（泛醌）4、Fe-S（铁硫蛋白）：递电子体5、细胞色素（cyt.b.c1.c.aa3.）：递电子体催化底物脱氢的一类酶，辅酶大多相同，有两种：

NAD+（CoI）NicotinamideAdenineDinucleotide

NADP+(CoII):NicotinamideAdenineDinucleotidePhosphate

烟酰胺能反复氧化和还原，起到接受氢和提供氢的作用而传递氢。底物分子上脱下的两个氢原子，一个以氢阴离子(:H-)的形式转移到NAD+或NADP+上形成NADH或NADPH，另一个则以H+形式游离到溶液中，每一个:H-携带两个电子，其中1e使氢以原子形式结合到吡啶环的C-4上，另1e与吡啶环上的N结合，N由+5价变为+3价。烟酰胺[吡啶]脱氢酶类NAD(P)+的结构+2H-2H还原的CoI有340nm光吸收NADH+H+与NADPH+H+这类酶是与黄素相关的脱氢酶或是黄素蛋白，辅基中含核黄素得名，线粒体中可能与一种铁硫蛋白（Iron-sulfurprotein，Fe-S）组成复合体。 种类多，酶蛋白不同，但辅基只有两种：黄素单核苷酸[FMN]是NADH脱氢酶（FP1）的辅基。黄素腺嘌呤二核苷酸[FAD]是琥珀酸脱氢酶（FP2）的辅基。此类酶催化由NADH、琥珀酸或脂酰CoA分子上脱氢，生成FMNH2或FADH2。黄素酶类[NADH脱氢酶]FMN(FAD)的氧化还原+2H-2H最早由HelmutBeinert发现，铁与无机硫原子或蛋白质Cys残基的硫原子相连。铁硫中心（Fe-S）最简单的是单铁原子与4个Cys的-SH相连，更复杂的是有2个或4个铁原子。 铁硫蛋白借Fe2+-Fe3+互变参与电子的传递。铁-硫中心[Iron-sulfurCenters]

铁-硫中心结构

[Iron-sulfurCenters]又称泛醌(Ubiquinone)，脂溶性醌类化合物，有一个长的异戊二烯侧链，因广泛存在得名。呼吸链中是参入到线粒体内膜的电子载体。

CoQ在呼吸链中接受黄素酶的H，本身被还原为氢醌（QH2），再把H传递给Cyt体系被氧化。

CoQ不仅接受NADH脱氢酶的H，还接受线粒体其他脱氢酶的H，如琥珀酸脱氢酶，脂酰CoA脱氢酶及其他黄素脱氢酶脱下的H，在电子传递链中处于中心地位。辅酶Q（CoenzymeQ，CoQ）辅酶Q的氧化还原底物到辅酶Q

的电子流动细胞色素(cytochrome)细胞色素b,ca细胞色素氧化酶[复合物IV]亚基1血红素

a,a3CuB亚基2CuA亚基3CuA的复合物中心HisHisCysAspMet三、呼吸链的种类及传递顺序1、NADH+H+氧化呼吸链三、呼吸链的种类及传递顺序（续）2、FADH2氧化呼吸链两条重要的氧化呼吸链线粒体内膜上的传递体——多酶复合物呼吸链上的电子载体被组装为膜包埋的超分子复合物，可以被分离开来。用去污剂温和处理线粒体内膜，可以得到四个独立的电子载体复合物，每个部分可以催化电子通过呼吸链的一部分转移。复合物I和II催化电子由不同的供体转移到泛醌复合物III把电子由泛醌传递给CytC复合物IV完成电子由CytC到O2的传递过程。呼吸链功能

复合物的分离呼吸链上的各类复合物复合物

I(ComplexI):NADH+H+NAD+FMNFMNH2Fe2+-SFe3+-SCoQCoQH2NADPH+NAD+NADP++NADH其Fe-S复合物有三种形式，FeS,Fe2S2,Fe4S4NADPH也可将电子传递出去复合物

I(ComplexI):也称琥珀酸脱氢酶，是TCA循环中唯一的一个线粒体内膜结合的酶，虽比复合物I小而简单，但含有两类辅基和至少4种不同的蛋白，1个蛋白与FAD及有4个铁原子的Fe-S中心共价结合；1个铁硫蛋白。电子由琥珀酸流向FAD，然后通过Fe-S中心到泛醌。 呼吸链上还有其他底物的电子流经Q，但不经过复合物II，如脂酰CoA脱氢酶、3-磷酸甘油脱氢酶等。ComplexII：琥珀酸到泛醌ComplexII琥珀酸延胡羧酸FADFADH2Fe2+-SFe3+-SCoQCoQH2琥珀酸延胡羧酸琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶

[琥珀酸到泛醌：复合物II]又称Cytbc1复合物或泛醌：细胞色素c氧化还原酶。偶联催化电子由氢醌到Cytc的转移和质子由膜内基质向膜外空间的运输。

复合物III和IV结构的确定（1995-1998，X-射线晶体学）是线粒体电子转移研究的里程碑。复合物III是一个由相同单体组成的二聚体，每个单体含有11个不同的亚基。ComplexIII：泛醌到细胞色素c泛醌到CytC：ComplexIII

（Cytbc1Complex或泛醌：CytC氧化还原酶）Q循环又称细胞色素氧化酶，呼吸链的最后一步，把Cytc的电子转移给O2生成H2O。

一个大酶复合物[线粒体内膜上,13个亚基，Mr204000]，作用是电子传递和质子泵。三个亚基对于功能至关重要。亚基II有2个Cu离子（CuA）（与Cys残基的-SH相连，亚基II有2个血红素基团（分别为a1、a3）和另一个Cu离子（CuB）。

电子传递为：cytc-CuA-a-a3-CuB-O2，每4e通过复合物时，酶从基质中消耗4个“底物”H+，生成2H2O，每通过1e，利用氧化还原反应的能量泵出1H+到内膜外空间。ComplexIV：CytC到O2复合物IV：细胞色素氧化酶亚基1血红素

a,a3CuB亚基2CuA亚基3CuA的复合物中心HisHisCysAspMet复合物IV的电子流向呼吸链四个复合物的电子和质子流动总图呼吸链小结第三节氧化磷酸化作用（OxidativePhosphorylation)一、呼吸链氧化磷酸化生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经呼吸链氧化为水时所释放的能量转移给ADP形成ATP的过程。实际上是氧化作用与氧化作用过程释放的能量用于形成ATP过程（磷酸化作用）两种作用的偶联反应。高能磷酸键的形成及转移氧化磷酸化偶联的部位呼吸链中ATP的产生代谢物脱下的氢经呼吸链氧化生成水，一对电子经呼吸链传递到O2生成水所产生的ATP分子的数目（即消耗1分子O2所产生ATP的数目）称为磷氧比（P/O）。

代谢物脱下的2H经NADH氧化呼吸链被氧化为水时，生成3ATP（P/O3），而经琥珀酸氧化呼吸链氧化为水时，生成2ATP（P/O2）。

新近的研究结果支持这样的结论，2H经NADH氧化呼吸链被氧化为水时，生成2.5ATP；而经琥珀酸氧化呼吸链氧化为水时，生成1.5ATP。磷氧比（P/O）离体线粒体的P/0比值底物呼吸的组成P/0比值生成ATP数β-羟丁酸NAD+→FMN→CoQ→Cyt→O22.4-2.83琥珀酸FAN→CoQ→Cyt→O21.72抗坏血酸Cyt→Cytaa3→O20.881细胞色素cCytaa3→O20.61-0.681(1)

化学偶联假说（chemicalcouplinghypothesis），认为电子传递和ATP生成的偶联是通过一系列连续的化学反应形成一个高能的共价中间物，被用于ATP的形成。(2)构象偶联假说（conformationalcouplinghypothesis），认为电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋白组分发生了构象变化而形成一种高能形式，用于ATP的生成。氧化磷酸化作用的机理I(3)

化学渗透假说（chemiosmotichypothesis），认为电子传递的结果把H+从线粒体内膜基质泵到膜外空间形成一个跨内膜的H+梯度，这种H+梯度渗透能（质子推动力，质力）用于驱动ATP的生成。由英国科学家P.Michell(1961)提出，获1978年诺贝尔奖。氧化磷酸化作用的机理II化学渗透模型（ChemiosmoticModel)位于线粒体内膜的内表面，又称F1/F0-ATP合成酶。F1由5种亚基组成，为酶复合物的球状头部，也是活性中心，位于内膜基质表面。F0横贯内膜，含有质子通道，由4种亚基组成。茎部有寡霉素敏感蛋白（OSCP），有调节F0、F1的功能。ATP合成酶[ATPsynthase]ATP合成酶线粒体ATP合成酶复合物F0F1结构酵母F0F1结构F0F1复合物结构（1）ADP-Pi、ATP的调节作用

ADP/ATP小，缓慢、表现为抑制作用;

ADP/ATP大，加快、表现为促进作用.（2）激素的调节作用（3）抑制剂（inhibitors)的作用A.解偶联剂[uncoupler]的作用;影响氧化磷酸化作用的因素常见抑制剂A.解偶联剂[uncoupler]：例如：2,4-二硝基苯酚，解除偶联作用。B.寡霉素[oligomycin]，抑制氧的利用和ATP的形成。C.CO的作用，与还原型Cyt氧化酶结合。D.CN-的作用，与氧化型Cyt氧化酶结合，生成高铁Cyt氧化酶,酶失活，电子不能传给O2，呼吸中断。E.异巴比妥和鱼藤酮的作用，抑制FP1CoQ的传递。F.Antimycin(抗霉素)A的作用，抑制Cytbc的传递。G.离子载体抑制剂（ionophores)解偶联蛋白是线粒体内膜上参与机体产热的重要转运蛋白质。UCPs被激活时，形成质子通道，可引起线粒体内膜上的质子转运速度加快，使ATP合成依赖的线粒体内膜上的电化学梯度改变，氧化磷酸化被解偶联，不能合成ATP，产能转化为产热。UCPs被认为是参与能量代谢的重要靶蛋白。

机体产热与能量平衡、代谢、体重调节有着密不可分的关系，推测UCPs可能与肥胖、胰岛素抵抗及糖尿病的发生发展相关。但对于UCPs生理功能的组织特异性及其主要的体内的调控因素仍不十分清楚。

目前作为肥胖药物研究的靶蛋白非常热门解偶联蛋白

（uncouplingproteins,UCPs)呼吸链-ATP生成-抑制剂二、底物水平氧化磷酸化代谢物质分解过程中，底物分子因脱氢、脱水等作用，能量在分子内部重排（重新分布）形成高能磷酸酯键，并转移给ADP形成ATP。底物水平磷酸化三、穿梭系统与氧化磷酸化有些NADH是在胞液中产生的，而呼吸链位于线粒体的内膜上，线粒体的内膜对NADH不能透过，必须通过一定的转运机制才能保证底物分子脱下的H可以通过呼吸链递氢和递电子被彻底氧化，释放能量。这种转运机制即为穿梭系统，经过穿梭系统把胞液中的NADH转变为线粒体内的NADH经呼吸链被氧化。包括磷酸甘油穿梭、苹果酸-草酰乙酸穿梭。磷酸甘油穿梭

(phosphoglycerolshuttle)磷酸甘油穿梭苹果酸-草酰乙酸穿梭

（Malate-oxaloacetateshuttle)四、能量的转移、贮存和利用代谢物氧化最终都将能量转移给ADP形成ATP才能被生命活动所利用。

ATP水解释放的能量除供机体活动外，有一部分能量可通过高能键的形式转移给肌酸生成磷酸肌酸(phosphocreatine),是肌肉及脑组织中的能量贮存形式。

生物体内有诸多合成反应所需能量分子并非直接为ATP，如糖元合成所需能量物质为UTP，磷脂合成则需CTP，而蛋白质合成需要GTP。究其根源，这些高能化