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第七章生物氧化（能量代谢）生物氧化概述生物氧化意义生物氧化特点和方式生物氧化所需酶类生物氧化能储存电子传递及氧化磷酸化电子传递链及电子传递氧化磷酸化线粒体外电子传递及氧化磷酸化电子传递及氧化磷酸化抑制第1页第一节生物氧化概述1.1生物氧化意义万物运转都需要能量，常见现象是以化学燃烧方式产能，经过有机物化学燃烧，产生二氧化碳和水，把化学键能转换成热能，再转化成机械能，电能等形式满足世界运转。生物体运动及内部分子合成及降解也需要能量，这些能量也来自有机物燃烧氧化，产生二氧化碳和水，并把能量以化学键能方式重新储存起来，迟缓利用。生物体内这种氧化方式就称为生物氧化。第2页1.2生物氧化特点和方式1.2.1生物氧化特点第3页(1)传氢传电子第4页(2)二碳单元第5页(3)不停形成电势能可分步转化为化学能第6页1.2.2生物氧化中物质氧化方式第7页1.3生物氧化所需酶类1.3.1线粒体氧化酶类（脱氢氧化酶类）第8页需氧脱氢酶和氧化酶能以O2作为直接收氢体酶称为需氧脱氢酶或氧化酶。氧化酶能直接利用O2为受氢体，产物为H2O；而需氧脱氢酶通常以FAD或FMN为辅基，但可催化底物脱氢并以氧为受氢体，产物为H2O2。第9页需氧脱氢酶第10页氧化酶细胞色素C氧化酶第11页氧分子活化和氮分子活化一样都是依赖金属离子打开重键第12页(1)加单氧酶（monooxygenase）混合功效氧化酶(mixedfunctionoxidase)或羟化酶(Hydroxylase)。RH+NADPH+H++O2ROH+NADP++H2O催化反应:酶组成:NADPH-Cytc还原酶、黄素蛋白(FAD)、铁硫蛋白(Fe2S2)、CytP450。作用：羟化。胆汁酸、胆固醇生成；药品、毒物转化；肾上腺皮质、类固醇激素生物合成。1.3.2微粒体中氧化酶类-加氧酶

第13页第14页此酶催化氧分子中2个氧原子加到底物中带双键2个碳原子上。例如：

(O2)色氨酸吡咯酶(2)加双氧酶第15页苯环物质利用环境保护第16页酪氨酸酶（多酚氧化酶）

催化机制第17页(1)过氧化氢酶catalase（触酶）催化反应:1分子H2O2提供电子,另1分子H2O2接收电子

辅基:4个血红素作用：分布广,可消除需氧脱氢酶催化反应产生有毒H2O21.3.3过氧化物酶体中酶类

第18页过氧化氢进入活性位点并与酶147位上天冬酰胺残基（Asn147）和74位上组氨酸残基（His74）相互作用，使得一个质子在氧原子间相互传递。自由氧原子配位结合，生成水分子和Fe(IV)=O。Fe(IV)=O与第二个过氧化氢分子反应重新形成Fe(III)-E，并生成水分子和氧气。H2O2+Fe(III)-E→H2O+O=Fe(IV)-E(.+)H2O2+O=Fe(IV)-E(.+)→H2O+Fe(III)-E+O第19页催化反应:催化H2O2直接氧化酚类/胺类化合物

辅基：血红素谷胱甘肽过氧化物酶对机体起保护作用(2)过氧化物酶（peroxidase）R+H2O2

RO+H2O

RH2+H2O2

R+2H2O过氧化物酶

过氧化物酶

供体+H2O2→氧化供体+2H2O第20页

谷胱甘肽过氧化物酶

H2O2(ROOH)

H2O(ROH+H2O)

2G–SH

G–S–S–G

NADP+

NADPH+H+

*这类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤

谷胱甘肽还原酶含硒谷胱甘肽过氧化物酶

第21页第22页螯合Mn3+作为低分子量物质，成为氧化还原中介体，是可渗透或扩散到木材细胞内木质素结构中氧化剂，可在远离酶一定位置上发挥作用经由氢原子和一个电子提取，非特异性地进攻和氧化木质素有机分子中酚结构，从而造成酚木质素结构形成不稳定易于自发裂解苯氧基团由基得到2个电子，满足自由基和阳离子需求空轨道再得到2个电子，剥离氧第23页（3）超氧化物歧化酶

（superoxidedimutase,SOD）呼吸链电子传递过程中产生超氧离子(O2-.)O2-.H2O2+.OH损伤生物膜、生成脂褐素2O2-.+2H+H2O2+O2超氧化物歧化酶SOD辅基含Cu、Zn(胞液)或Mn(线粒体)。过氧化氢酶H2O+O2第24页超氧离子经过和二价铜配位而取得活化,消除了超氧离子静电斥力,加速了超氧离子歧化在多价配位时,配合物空间构型效应不容忽略,一价铜离形成配介物立体构型为四面体,位阻效应较小,较稳定。二价铜离子为曲曲平面正方形,位阻效应较大,不稳定。第25页1.4生物氧化能储存1.4.1ATP作用机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)第26页（1）化学能ATP以偶联反应方式推进非自发反应

比如，细胞中合成脂肪酸时有以下反应：

乙酰CoA+CO2丙二酸单酰CoAΔG=+18.84kj/moL，不能自发进行。乙酰CoA羧化酶（生物素为辅酶）催化以下反应：1．E-生物素+CO2+ATP+H2OE-生物素-CO2+ADP+PiΔG=-17.58kj/moL2.E-生物素-CO2+乙酰CoAE-生物素+

丙二酸单酰CoAΔG=-1.00kj/moL总反应为：乙酰CoA+CO2+ATP+H2O丙二酸单酰CoA+ADP+PiΔG=-18.59kj/moL第27页（2）活化能ATP提供合成代谢或分解代谢初始阶段所需能量G+ATPG-6-P+ADP脂酸+CoA+ATP脂酰CoA+AMP+PPi氨基酸+ATP氨基酰~AMP+PPi第28页（3）ATP是细胞内磷酸基团转移中间载体

（预防能量直接转移到最低能量载体上成热能）～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基团转移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基团贮备）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第29页1.4.2ATP作为能量代谢物质原因高能磷酸键：生化中把磷酸化合物水解时释出能量＞20KJ/mol者所含磷酸键称高能磷酸键．因为这种化学键水解后放出能量高于7000卡/克分子，比普通可水解化学键高很多，故称为高能键。

注意：高能键并不是这个键集中了大量能量，而是指水解这个键前后分子结构存在着很大自由能改变。“高能键”≠“键能高”第30页ATP高能磷酸键第31页高能磷酸键成因反应物不稳定性(高能状态)和产物稳定性(低能状态)使ATP水解后能释放大量能量。1)ATP分子结构存在不稳定原因①ATP分子内有4个负电荷（ATP4-），产生静电斥力，促使ATP水解成ADP3-，而减弱斥力。②相邻两个磷原子之间夹着一个氧原子，氧原子上存在有未共用电子对，而磷原子因P=O和P-O-间诱电子效应带有部分正电荷，于是在两个相邻磷原子之间存在竞争氧原子上未共用电子现象，这种作用结果会影响ATP分子结构稳定性。第32页2)ATP水解产物含有更大共振稳定性，其水解产物ADP3-和Pi一些电子能量水平远远小于ATP。3)H+低浓度造成ATP4-向分解方向进行。4)酸酐键溶剂化所需能量小于磷脂键。第33页1.4.3其它高能磷酸化合物第34页第35页第36页第37页第38页1.4.4能荷细胞所处能量状态用ATP、ADP和AMP之间关系式来表示，称为能荷，公式以下：意义：1.能荷是细胞所处能量状态一个指标，当细胞内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12.能荷对代谢调整可经过ATP、ADP和AMP作为代谢中一些酶分子别构效应物进行变构调整来实现。腺苷酸库[ATP]+1/2[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]能荷=第39页能荷调整主要是经过ATP、ADP、AMP作为一些调整酶变构效应物而起作用。

如糖酵解中磷酸果糖激酶调控：高浓度ATP是该酶变构抑制剂，ATP抑制作用可被AMP解除。能荷调整能荷可调整代谢，能荷高时，抑制物质分解代谢，促进物质合成代谢；能荷低，促进物质分解代谢，抑制物质合成代谢。能荷相对速率ATP利用路径

ATP生成路径能荷对ATP生成路径和ATP利用路径相对速率影响第40页第二节电子传递及氧化磷酸化光合作用底物水平磷酸化线粒体内氧化作用第41页底物水平磷酸化

一个直接将代谢物分子中能量（磷酸基）直接转移至ADP（或GDP），生成ATP（或GTP）过程称底物水平磷酸化。或：底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP过程。第42页光合磷酸化第43页

光合电子传递链，简称光合链（photosyntheticchain），主要指以植物为代表叶绿体类囊体膜上有序地排列着电子传递体，两个光系统串联在其中。光驱动电子从H2O流向NADP+，H2O被氧化、光解，释放出O2；NADP+变为含有还原力NADPH。质子跨膜梯度为光能转变为化学能提供了条件。第44页2.1电子传递2.1.1呼吸链组成第45页第46页

铁硫蛋白

SS无机硫半胱氨酸硫第47页铁硫蛋白它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼无机硫和两个铁原子。第48页泛醌（ubiquinone,Q）亦称辅酶Q（CoenzymeQ,CoQ）人体中：CoQ10

1.含有很多异戊二烯侧链醌类化合物2.脂溶性，可在线粒体内膜中移动3.是电子传递体中唯一可游离存在电子载体（无蛋白）

第49页泛醌（CoQ）

泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）是游离存在于线粒体内膜中脂溶性有机化合物，由多个异戊二烯连接形成较长疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可在醌型与氢醌型之间相互转变。第50页细胞色素细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基催化电子传递酶类，依据它们吸收光谱不一样而分类。第51页铁卟啉辅基分子结构第52页NADH+H+NAD+ⅢⅠⅡⅣCytcQ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-2.1.2呼吸链电子传递电子传递体在膜上以组合形式传递电子第53页第54页第55页第56页2.2氧化磷酸化2.2.1氧化磷酸化机理比较著名假说有三个：化学偶联假说构象偶联假说化学渗透学说当前得到公认是“化学渗透学说”。

第57页这个假说是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个活泼高能共价中间物，经过此中间物深入氧化产生能量来驱动ATP合成。这一假说完全是依据底物水平磷酸化机理提出即使在糖酵解过程中存在这种例证，不过人们至今未能在线粒体中分离到与之相类似高能共价中间物。

化学偶联假说Chemicalcouplinghypothesis第58页ADPATP磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油酸激酶依据：底物水平磷酸化3-磷酸甘油醛3-磷酸甘油酸第59页

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蛋白质有两种不一样构象：低能构象和高能构象。电子传递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，使之也发生构象改变，从而推进ADP磷酸化形成ATP。这种假说有一定试验依据，在电子沿呼吸链流动时，观察到线粒体内膜发生快速物理改变，但因为测定构象比较困难，支持这个假说试验太少。构象偶联假说Conformationalcouplinghypothesis

第60页

英国生物化学家PeterDMitchell在1961年提出化学渗透假说，因为该假说提出后逐步拥有越来越多试验证据，因而成为当前解释氧化磷酸化偶联机理最为公认一个假说，而且PeterMitchell因提出该假说而取得了1978年诺贝尔化学奖。

化学渗透学说

Chemiosmotichypothesis第61页化学渗透假说H+H+eOADP+PiATP胞液内膜线粒体电子传递给氧释出能量推进质子泵将H+泵至内膜胞液侧，形成化学梯度（势能）当H+顺梯度回到基质面时，释出能量使ADP磷酸化为ATP第62页线粒体基质线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图第63页化学渗透假说示意图2H+2H+2H+2H+NADH+H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-2e-2e-+++++++++__________质子流线粒体内膜F0-F1寡霉素第64页机械破坏内膜或解偶联剂试验证据第65页人工建立膜两侧质子浓度和电位梯度（没有呼吸底物，没有电子传递，照样产生ATP)第66页MH2MNAD+2H+FeS2e2H+FMN2H+Cytb2H+2eCoQ2H+Cytc1CytcCytaa32e½O2O2-X-+IO-XHIOHH2OX~IX~IX~I头部ATP合酶ADP+PiATP2H+X-+IO-H2O化学渗透学说-氧环回路机制第67页化学渗透学说-质子泵机制（复合体蛋白侧链PKa改变）还有可能其它质子泵出机制，当前仍在研究第68页2.2.2ATP酶第69页Boyer和Walker工作

英国科学家Walker经过x光衍射取得高分辩率牛心线粒体ATP酶晶体三维结构，证实在ATP酶合成ATP催化循环中三个β亚基确实有不一样构象，从而有力地支持了Boyer假说。

Boyer和Walker共同取得1997年诺贝尔化学奖。

美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋转催化假说，认为ATP合成酶β亚基有三种不一样构象，一个构象(L)有利于ADP和Pi结合，一个构象(T)可使结合ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成ATP轻易被释放出来。在ATP合成过程中，三个β亚基依次进行上述三种构象交替改变，所需能量由跨膜H+提供。第70页质子流怎样驱动AＴP合成？Boyer提出旋转催化假说解释ATP酶作用机理。Walker取得F1晶体结构支持了Boyer假说。第71页第72页第73页p299-302.FluorescencemicroscopyDirectobservationoftherotationofthegsubunit第74页当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基构象发生改变。ATP合酶工作机制第75页“O”状态：有利于ATP释放构象

“Ｌ”状态：松弛结合ADP和Pi“Ｔ”状态：催化ＡＤＰ→ＡＴＰ，紧密结合AＴP旋转催化假说有与ADP与Pi结合构象有与ATP生成构象无核苷酸结合开放状态第76页“O”状态：无核苷酸结合开放状态“Ｌ”状态：松弛结合ADP和Pi“Ｔ”状态：催化ＡＤＰ→ＡＴＰ，紧密结合AＴP旋转催化假说LTO(PaulBoyer,1980s)第77页X-raycrystallographyThethreebsubunits

ofF1indeedassume

threedifferent conformationsgsubunitJohnWalker,1994第78页ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位E=Eº‘+RT/nF*ln([氧化剂]/[还原剂]）⊿Gº‘=-nF⊿Eº‘⊿Eº‘>0.2v可自发生成ATP2.2.3产能部位第79页3个产ATP位置恰好在泵出氢原子地方，4个左右氢原子回流能量恰好可产生1个ATP第80页即每两个电子经呼吸链传给氧过程中，消耗磷原子数与消耗氧原子数之比（P/O比）。1940年，（Ochoa

S）经过放射性同位素标识试验最先测定，NADH呼吸链P/O为2-3，FADH2呼吸链P/O为1-2每一对电子经过呼吸链传递给氧产生ATP数？第81页真核细胞胞液中产生NADH?外膜内膜膜间空间胞液基质NADH+H+NADH+H+FPintFe-SCoQcytbNADH+H+NAD+?细胞液中NADH,NADPH不能透过线粒体膜，需要“穿梭”机制。2.3线粒体外氧化磷酸化第82页（1）磷酸甘油穿梭系统第83页

NADH+H+FADH2NAD+FAD线粒体内膜线粒体外膜膜间隙线粒体基质α-磷酸甘油脱氢酶呼吸链磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油第84页NADH+H+NAD+NADH+H+NAD+谷氨酸-天冬氨酸转运体苹果酸-α-酮戊二酸转运体苹果酸草酰乙酸α-酮戊二酸谷氨酸苹果酸脱氢酶谷草转氨酶胞液线粒体内膜基质呼吸链天冬氨酸（２）苹果酸转运NADH系统第85页苹果酸-草酰乙酸穿梭作用细胞液线粒体内膜体天冬氨酸

-酮戊二酸苹果酸草酰乙酸谷氨酸

-酮戊二酸天冬氨酸苹果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+线粒体基质苹果酸脱氢酶NADH+H+ⅣⅠⅡⅢ苹果酸脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为膜上转运载体）呼吸链第86页（3）异柠檬酸穿梭异柠檬酸和酮戊二酸经过异柠檬酸脱氢酶催化。异柠檬酸脱氢酶在细胞液中辅酶为NADP+，线粒体内膜中辅酶为NAD+第87页2.4电子传递及氧化磷酸化抑制（1）呼吸链抑制剂能阻断呼吸链中一些部位电子传递。如鱼藤酮（rotenone）、粉蝶霉素A（piericidinA）及异戊巴比妥（amobarbital）等与复合体中铁硫蛋白等结合，从而阻断电子传递。第88页鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥

×抗霉素A二巯基丙醇

×CO、CN-、N3-及H2S×各种呼吸链抑制剂阻断位点第89页1）鱼藤酮等阻断从NADH向CoQ传递鱼藤酮（rotenone）、安密妥（amytal）、杀粉蝶菌素（piericidine）等。它们作用是抑制复合物I，阻断电子由NADH向CoQ传递，但不影响FADH2到CoQ氢传递。鱼藤酮是一个极毒植物毒素，惯用作杀虫剂。第90页2）抗霉素A阻断复合物III电子传递抗霉素A（antimycinA），它是从灰色链球菌分离出一个抗生素，抑制复合物Ⅲ电子传递，即阻断细胞色素还原酶中电子传递，从而抑制了电子从还原型CoQ（QH2）到细胞色素c1传递。第91页3）氰化物、叠氮化物、CO、H2S

氰化物（cyanide,CN－）、叠氮化物（azide,N3－）、一氧化碳（carbonmonoxide,CO）和硫化氢(hydrogensulphide)，这些抑制剂均能阻断电子在细胞色素氧化酶传递，即阻断细胞色素aa3至O2电子传递，其中氰化物（CN－）和叠氮化物（N3－）能与血红素a3高铁形式（ferricform）作用而形成复合物,而一氧化碳（CO）则抑制血红素a3亚铁形式（