生物化学第六章生物氧化

生物化学第六章生物氧化第1页，课件共78页，创作于2023年2月指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能1.生物氧化的基本概念第一节概述第2页，课件共78页，创作于2023年2月糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2生物氧化的一般过程：三个阶段阶段I阶段II阶段III第3页，课件共78页，创作于2023年2月2.生物氧化的特点①是在细胞内温和的环境中（体温、pH接近中性），

在一系列酶促反应逐步进行。②生物氧化中的能量是逐步释放出来。③脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。第4页，课件共78页，创作于2023年2月

④生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。

⑤受调节控制

生物氧化过程受到生物体的精确控制，这种调控决定了生物体中生物氧化速率正好能够满足生物体对ATP的需求。2.生物氧化的特点第5页，课件共78页，创作于2023年2月第二节、生物氧化的方式生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化。在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。第6页，课件共78页，创作于2023年2月1．脱氢氧化反应（1）脱氢在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。第7页，课件共78页，创作于2023年2月烷基脂肪酸脱氢琥珀酸脱氢第8页，课件共78页，创作于2023年2月醛酮脱氢乳酸脱氢酶第9页，课件共78页，创作于2023年2月（2）加水脱氢酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。第10页，课件共78页，创作于2023年2月2．氧直接参加的氧化反应这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化的生成水的反应。加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如，

甲烷单加氧酶

CH4+NADH+O2

CH3-OH+NAD++H2O氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。第11页，课件共78页，创作于2023年2月3．生成二氧化碳的氧化反应（1）直接脱羧作用氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。（2）氧化脱羧作用氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧生成丙酮酸。第12页，课件共78页，创作于2023年2月第二节、生物能及其存在形式一、生物能和ATP1.ATP是生物能存在的主要形式ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。2.生物化学反应的自由能变化生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从热力学的规律。第13页，课件共78页，创作于2023年2月二、高能化合物磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起者重要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放出自由能。一般将水解时能够释放21kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能（G’<-21kJ/mol）的化合物称为高能化合物。ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型。第14页，课件共78页，创作于2023年2月

1.磷氧键型（-O-P)（1）酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔第15页，课件共78页，创作于2023年2月(1)酰基磷酸化合物氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸第16页，课件共78页，创作于2023年2月（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔第17页，课件共78页，创作于2023年2月（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔第18页，课件共78页，创作于2023年2月2.氮磷键型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔第19页，课件共78页，创作于2023年2月3.硫酯键型3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A第20页，课件共78页，创作于2023年2月4.甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸第21页，课件共78页，创作于2023年2月

生物细胞通过氧化磷酸化和底物水平磷酸化生成ATP，在需要能量的生化反应或生命活动中又分解ATP,使ATP转化为ADP和Pi，或转化为AMP和Pi。这样在细胞内存在着三种腺苷酸：ATP、ADP和AMP，称为腺苷酸库。能荷：是细胞中高能磷酸状态一种数量上的衡量，也就是指细胞内ATP—ADP—AMP系统中充满高能磷酸基团的程度。三、能荷第22页，课件共78页，创作于2023年2月

能荷是细胞所处能量状态的一个指标，当细胞内的ATP全部转变为AMP时能荷值为0，当AMP全部转变为ATP时，能荷值为1。大多数细胞的能荷处于0.8-0.95之间。进一步说明细胞内ATP的产生和利用都处于一个相对稳定的状态。高能荷抑制ATP的生成，促进ATP的应用，即促进机体内的合成代谢。能荷的调节是靠ATP、ADP、AMP对代谢中酶的变构调节实现的。第23页，课件共78页，创作于2023年2月第三节、线粒体呼吸链第24页，课件共78页，创作于2023年2月糖类、脂类、蛋白质等有机物在代谢过程中形成的NADH和FADH2，两者分子上的氢原子分别以质子和电子形式脱下，质子由基质向膜间层转运，而电子则沿着一系列按一定顺序排列的电子传递体转移，最后传递给分子氧，并与质子结合生成水，将这一系列的电子传递体总和称为电子传递链(electrontransferchain)，也称为呼吸链。一、电子传递链(一)定义第25页，课件共78页，创作于2023年2月（1）烟酰胺脱氢酶

其是一类以NAD+或NADP+为辅酶，而不需要氧的脱氢酶，其将代谢物上脱下的氢转移到NAD+或NADP+上形成NADH或NADPH。(二)电子传递链的组成第26页，课件共78页，创作于2023年2月（2）黄素脱氢酶

其是一类以FMN或FAD为辅基，不需要氧的脱氢酶，其将代谢物上脱下的氢转移到FAD或FMN上形成FADH2或FMNH2。

参与线粒体电子传递链的黄素脱氢酶包括NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶两种。前者以FMN为辅基，能从NADH上接受一个质子和2个电子；后者从琥珀酸上接受2个电子和2个质子被还原。第27页，课件共78页，创作于2023年2月铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。（3）铁硫蛋白第28页，课件共78页，创作于2023年2月(4)泛醌（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。第29页，课件共78页，创作于2023年2月Q(醌型结构)很容易接受电子和质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出电子和质子，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。第30页，课件共78页，创作于2023年2月(5)细胞色素（简写为cyt.）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a,b,c和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素a,b,c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。细胞色素主要是通过Fe3+

Fe2+

的互变起传递电子的作用的。第31页，课件共78页，创作于2023年2月细胞色素c（cytc）

它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，cytc通过Fe3+

Fe2+

的互变起电子传递中间体作用。第32页，课件共78页，创作于2023年2月cyta和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cytaa3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+

Cu2+

的互变，将cytc所携带的电子传递给O2。第33页，课件共78页，创作于2023年2月(二)电子传递复合物Green等人用毛地黄皂苷、胆酸盐、脱氧胆酸等去垢剂溶解线粒体外膜，将电子传递链拆成四种功能复合物以及辅酶Q和细胞色素C。第34页，课件共78页，创作于2023年2月呼吸链的组成四种具有传递电子功能的酶复合体(complex)*泛醌和Cytc均不包含在上述四种复合体中。复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013第35页，课件共78页，创作于2023年2月

它是电子传递链中最大最复杂的酶复合物，其功能是催化NADH上的2个电子传递给辅酶Q，同时发生质子的跨膜输送，所以复合物Ⅰ既是电子传递体，又是质子移位体。

1.复合物Ⅰ

复合物Ⅰ（NADH－CoQ还原酶）又称NADH脱氢酶，由25条以上的多肽链组成，总的相对分子质量约700×103~900×103，以二聚体的形式存在。每个单体含有一个FMN为辅基的黄素蛋白和至少6个铁硫蛋白。第36页，课件共78页，创作于2023年2月ComplexI:Transportsprotonsfromthematrixtothecytosol第37页，课件共78页，创作于2023年2月

复合物Ⅱ（琥珀酸－CoQ还原酶）又称琥珀酸脱氢酶，由4条多肽链组成，总的相对分子质量约140×103，含有一个以FAD为辅基的黄素蛋白、2个铁硫蛋白和一个细胞色素b。其作用是催化电子从琥珀酸通过FAD和铁硫蛋白传递到辅酶Q。所以复合物Ⅱ只能传递电子，而不能使质子跨膜输送。2.复合物Ⅱ第38页，课件共78页，创作于2023年2月ComplexII:Succinate-coenzymeQreductase第39页，课件共78页，创作于2023年2月

其作用是催化电子从还原型辅酶Q转移给细胞色素c，同时发生质子的跨膜移位。所以复合物Ⅲ既是电子传递体，又是质子移位体。

3.复合物Ⅲ

复合物Ⅲ（CoQ－细胞色素b还原酶）由10条多肽链组成，总的相对分子质量约250×103，以二聚体形式存在。每个单体包括2个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。第40页，课件共78页，创作于2023年2月ComplexIII:Drivesprotontransport第41页，课件共78页，创作于2023年2月4、复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶

功能：将电子从细胞色素c传递给氧其中Cyta3

和CuB形成的活性部位将电子交给O2。复合体IVCuA→a→a3→CuB还原型Cytc→→O2第42页，课件共78页，创作于2023年2月复合体Ⅳ的电子传递过程第43页，课件共78页，创作于2023年2月ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-第44页，课件共78页，创作于2023年2月

呼吸链中的电子传递有着严格的方向和顺序，即电子从氧化还原电位较低的传递体依次通过氧化还原电位较高的传递体逐步流向氧分子。NADHFMNFe-SCoQCytbFe-SCytc1CytcCytaa3O2FAD(三)呼吸链顺序第45页，课件共78页，创作于2023年2月（四）体内主要呼吸链第46页，课件共78页，创作于2023年2月电子传递链中各中间体的顺序NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等复合物II复合物IV复合物I复合物IIINADH脱氢酶辅酶Q-细胞色素还原酶细胞色素C还原酶琥珀酸-辅酶Q还原酶第47页，课件共78页，创作于2023年2月二、电子传递抑制剂

能够阻断呼吸链中某一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的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。1.定义第48页，课件共78页，创作于2023年2月第49页，课件共78页，创作于2023年2月2、常用的几种电子传递抑制剂及其作用部位（1）鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：其作用是阻断电子在NADH—Q还原酶内的传递，所以阻断了电子由NADH向CoQ的传递。（2）抗霉素A：它是由链酶素分离出的抗生素，有干扰细胞色素还原酶中电子从细胞色素bH的传递作用，从而抑制电子从还原型QH2向cytC1的传递作用。（3）氰化物（CN-）、叠氮化物（N3-）、一氧化碳（CO）等：其作用是阻断电子在细胞色素氧化酶中传递，即阻断了电子由cytaa3向分子氧的传递。

第50页，课件共78页，创作于2023年2月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呼吸链的电子传递抑制剂图示第51页，课件共78页，创作于2023年2月第四节、氧化磷酸化一、ATP生成的方式1、底物磷酸化：直接由代谢过程中生成的高能磷酸化合物，通过酶的作用使ADP磷酸化生成ATP。特点：ATP的形成与中间代谢物进行磷酸基团转移反应相偶联；无需氧分子的参与。第52页，课件共78页，创作于2023年2月第四节、氧化磷酸化一、ATP生成的方式2、氧化磷酸化：当电子沿电子传递链体系传递给氧形成水时，释放的能量偶联推动ATP形成的过程。因氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联发生，又称偶联磷酸化。特点：（1）依赖于电子传递链；

（2）需要氧气的参与

（3）需要四种基本要素参与：底物（NADH，FADH2）、O2、ADP、Pi.第53页，课件共78页，创作于2023年2月第四节、氧化磷酸化一、ATP生成的方式3、光合磷酸化：通过光激发导致电子传递与磷酸化作用相偶联合成ATP的过程。第54页，课件共78页，创作于2023年2月二、氧化磷酸化的偶联部位和P／O比

电子传递链将NADH和FADH2上的电子传递给氧的过程中释放自由能，供给ATP的合成。其中释放大量自由能的部位有3处，即复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ，这3个部位就是ATP合成的部位，称为偶联部位。第55页，课件共78页，创作于2023年2月二、氧化磷酸化的偶联部位和P／O比

线粒体NADH+H+经呼吸链氧化P/O比为2.5（3），FADH2

经呼吸链氧化P/O比为1.5（2）。

氧化磷酸化作用的活力指标为P/O比，表示呼吸作用中每利用一个氧原子所生成的ATP数目。由于每个氧原子可接受2个电子，所以P/O相当于一对电子从还原性辅酶通过呼吸链传递到氧所产生ATP的分子数。第56页，课件共78页，创作于2023年2月

根据当前最新测定,H+经NADH-Q还原酶、细胞色素bc1复合体（Ⅲ）、细胞色素氧化酶（复合体Ⅳ）从基质泵到膜外时，一对电子泵出的质子数依次为4、2、4，而合成一个ATP分子是由3个H+由线粒体外返回到基质通过ATP合酶所驱动。同时，将1个ATP分子从线粒体基质转运到液泡消耗1个ATP，即形成1个ATP分子需要4个质子，所以电子从NADH传至O2，共产生的ATP分子数是2.5个。若从琥珀酸传递至O2，只有两个偶联部位，产生1.5个ATP。第57页，课件共78页，创作于2023年2月三、氧化磷酸化机理一、ATP酶复合体

线粒体它是细胞内的动力站，其主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量。用电镜负染法观察分离的线粒体时，可见内膜和嵴的基质面上有许多排列规则的带柄的球状小体，称为基粒。基粒由头部、柄部和基部组成，也称为三联体或ATP酶复合体。第58页，课件共78页，创作于2023年2月三、氧化磷酸化机理一、ATP酶复合体（－）头部

简称Fl（偶联因子），从内膜伸入基质中，突出于膜表面，具有亲水性，它由α、β、γ、δ、ε五种亚基组成的九聚体（α3β3γδε）。F1的功能是催化ADP和Pi发生磷酸化而生成ATP。因为它还有水解ATP的功能，所以又称它为F1–ATP酶。ATP合成酶是氧化磷酸化作用的关键装置，也是合成ATP的关键装置。第59页，课件共78页，创作于2023年2月一、ATP酶复合体（三）柄部

柄部连接F1和F0，这种蛋白质没有催化活力。其含有寡霉素敏感性蛋白（oligomycinsensitivityconferringprotein,OSCP），因此，柄部简称OSCP。OSCP能控制质子的流动，从而控制ATP的生成速度。三部分统称ATP合成酶（或Fl-F0-ATPase复合物或三联体。（二）基部

简称F0，由嵌入线粒体内膜的疏水蛋白组成，F0具有质子通道的作用，它能传送质子通过膜到达Fl的催化部位。第60页，课件共78页，创作于2023年2月三、氧化磷酸化机理（一）ATP酶复合体第61页，课件共78页，创作于2023年2月关于这一问题目前至少有三种假说比较著名的假说有三个：化学偶联假说构象偶联假说化学渗透学说目前得到公认的是“化学渗透学说”。（二）氧化磷酸化机理第62页，课件共78页，创作于2023年2月

这个假说是1953年由EdwardSlater最先提出。假说认为在NADH氧化和电子传递过程中产生了一种活泼的高能共价中间物，通过此中间物进一步氧化产生的能量来驱动ATP的合成。这一假说完全是依据底物水平磷酸化机理提出的，例如在糖酵解中，由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化的反应就产生了一种活泼且具有高能磷酸基转移势能的酰基磷酸化合物1，3-二磷酸甘油，随后其分子中的高能磷酸基团在磷酸甘油酸激酶的作用下被转移到ADP生成ATP。虽然在糖酵解过程中存在这种例证，但是人们至今未能在线粒体中分离到与之相类似的高能共价中间物。化学偶联假说Chemicalcouplinghypothesis第63页，课件共78页，创作于2023年2月

这个假说是1964年由P.D.Boyer提出。该假说认为作为电子传递体的蛋白质有两种不同的构象：低能构象和高能构象。电子传递的结果使低能构象转变为高能构象，后者再将能量传递给F0-F1-ATP合成酶，使之也发生构象变化，从而推动ADP磷酸化形成ATP。这种假说有一定的实验根据，在电子沿呼吸链流动时，观察到线粒体内膜发生迅速的物理变化，但由于测定构象比较困难，支持这个假说的实验太少。构象偶联假说Conformationalcouplinghypothesis

第64页，课件共78页，创作于2023年2月

英国生物化学家PeterDMitchell在1961年提出化学渗透假说，认为电子传递释放的自由能和ATP的合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。即电子传递释放的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H+离子梯度，及一个电位梯度。这个跨膜的电化学电势驱动ATP的合成。化学渗透学说Chemiosmotichypothesis第65页，课件共78页，创作于2023年2月

第66页，课件共78页，创作于2023年2月化学渗透假说的要点1.呼吸链上的递氢体与电子传递体交替排列，有序地定位在线粒体内膜上，使氧化还原反应能定向进行。

第67页，课件共78页，创作于2023年2月2.呼吸链的复合体中的递氢体有质子泵的作用它可以将H+从线粒体内膜的内侧泵至外侧。

3.线粒体内膜具有选择性，膜外侧的H+不能自由通过内膜而返回内侧,这样在电子传递过程中，在内膜两侧建立起质子浓度梯度(△pH)和膜电势差(△E),二者构成跨膜的H+电化学势梯度。质子的浓度梯度越大，则质子动力就越大，用于合成ATP的能力越强。

第68页，课件共78页，创作于2023年2月

4.由质子动力驱动ATP的合成线粒体内膜上嵌有F0F1-ATP合酶，其具有特殊的质子通道，当膜外侧的H+经此通道返回线粒体基质时，此时，F0F1-ATP合酶就利用电化学势能释放的自由能推动ADP和Pi合成ATP

第69页，课件共78页，创作于2023年2月

由上述化学渗透假说可知，该假说必需具备两个条件：一是线粒体内膜必须是质子不能透过的封闭系统，否则质子梯度将不复存在；二是要求呼吸链和ATP合酶在线粒体内膜中定向地组织在一起，并定向地传递质子、电子和进行氧化磷酸化反应。

重要第70页，课件共78页，创作于2023年2月

目前这两方面都获得了一些实验证据，例如能携带质子穿过线粒体内膜的物质（如2,4-二硝基苯酚）可破坏线粒体内膜对质子的透性壁垒，使质子电化学梯度消失。

另外根据测算，膜间隙的pH较内膜低1.4个单位，并且线粒体内膜两侧原有的外正内负跨膜电位升高。重要第71页，课件共78页，创作于2023年2月四、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用

磷酸甘油穿梭系统

苹果酸-天冬氨酸穿梭系统