生物化學：5 第五章生物氧化

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1、G + O2 CO2 + H2O + ATP糖類的分解代謝EMPG2ATP2乙酰CoA4CO22丙酮酸2NADH+H+2NADH+H+ 2CO26NADH+H+ 、2FADH22GTPTCA第一節(jié)第一節(jié) 生物氧化概述生物氧化概述第二節(jié)第二節(jié) 電子傳遞鏈（電子傳遞鏈（ 呼吸鏈）呼吸鏈）第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化氧化磷酸化第四節(jié)其它末端氧化酶系統(tǒng)第四節(jié)其它末端氧化酶系統(tǒng)（自學）（自學） 第五章第五章 生物氧化與氧化磷酸化生物氧化與氧化磷酸化(P171) (P171) 一、生物氧化一、生物氧化 生物氧化生物氧化(biological oxidation)(biological oxidation)：有

2、：有機物在機物在生物細胞生物細胞內進行氧化分解而生成內進行氧化分解而生成COCO2 2和和H H2 2O O并釋放并釋放能量形成能量形成ATPATP的過程。的過程。 生物氧化又稱細胞氧化或細胞呼吸第一節(jié)第一節(jié) 生物氧化概述生物氧化概述（1 1）直接脫羧）直接脫羧 O CH3 C H + CO2 O CH3 C COOH丙酮酸脫羧酶丙酮酸脫羧酶1 1、COCO2 2的生成的生成（2 2）氧化脫羧）氧化脫羧 丙酮酸 + CO2 蘋果酸E 蘋果酸 蘋果酸脫氫E OAA NADPH.H+ NADP+ NAD+ NADH.H+2 2、生物氧化中、生物氧化中H H2 2O O的生成的生成脫氫酶-2H電子傳

3、遞體 氧化酶 在脫氫酶、傳遞體、氧化酶組成的體系催化下生成。AH2氫傳遞體1/2O2H H2 2O O2e-2H+O2-二、生化反應中自由能的變化二、生化反應中自由能的變化，反應體系不平衡，反應自發(fā)進行（放能），反應體系平衡，體系不平衡，不能自發(fā)進行，需供給能量才能進行（吸能）氧化還原電位與自由能的關系氧化還原電位與自由能的關系n-nFE0n為轉移電子的摩爾數(shù)F為法拉利常數(shù)E0為標準氧化還原電位的變化 高能化合物高能化合物：在生化反應中，在水解或在生化反應中，在水解或基團轉移反應中可釋放出基團轉移反應中可釋放出大量的自由能大量的自由能的的化合物?；衔铩?大量的自由能大量的自由能20.92 K

4、J.mol20.92 KJ.mol-1-1 (5 Kcal. mol(5 Kcal. mol-1-1) ) - - 高能鍵（高能鍵（ high-energy bondhigh-energy bond）不穩(wěn)定鍵不穩(wěn)定鍵 三、高能化合物三、高能化合物（P177)1、高能磷酸化合物根據(jù)其鍵型有磷氧型和磷氮型 （1）磷氧鍵型：ATPATP，1,3-DPGA （一）高能化合物的類型（一）高能化合物的類型（2）磷氮鍵型：肌酸2、高能非磷酸化合物（硫碳鍵型） 乙酰COA,琥珀酰COAATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸 肌酸肌酸 生物氧化生物氧化機械能機械能( (肌肉收縮肌肉收縮) ) 滲透能滲透能( (物質

5、主動轉運物質主動轉運) ) 化學能化學能( (合成代謝合成代謝) ) 電能電能( (生物電生物電) ) 熱能熱能( (維持體溫維持體溫) )生物體內能生物體內能量的儲存和利用量的儲存和利用都以都以ATPATP為中心。為中心。（二）（二）ATPATP的結構與功能的結構與功能 1、ATP是生物體內的“能量貨幣” （1）ATP的結構特點決定其易于水解放能（2）ATP的分解與合成與能量偶聯(lián) 2、ATP與其它NTP的相互轉變其它NTP，如GTP（蛋白質的合成），CTP（磷脂的合成）的合成需由ATP供能 3、ATP是磷酸基團轉移載體磷酸基團轉移勢能/kcal.mol-1246810121416ATP作為磷

6、酸基團傳遞體示意圖 磷酸肌酸 （磷酸基團儲備物）1,3-DPGAATPG-6-PG-3-PPPPPP 能荷是細胞能量狀態(tài)的一種度量。由Atkinson于1968年提出。 能荷能荷：是指生物體中ATP-ADP-AMP體系中高能磷酸鍵的可獲性量度。 ATP + 0.5ADP 能荷 = ATP + ADP + AMP 四、能荷四、能荷 （P191）1、能荷高時，促進合成代謝抑制分解代謝2、能荷低時，促進分解代謝抑制合成代謝3、能荷的調節(jié)是靠ATP、ADP、AMP對代謝中酶的變構調節(jié)實現(xiàn)的意義：意義： 第二節(jié)第二節(jié) 電子傳遞鏈電子傳遞鏈（ 呼吸鏈呼吸鏈） ( (E Electron lectron T

7、 Transport ransport S System, ystem, ETSETS) ) ETS：存在于線粒體內膜上的一系列能接受氫或電子的中間傳遞體組成的鏈式反應體系。 根據(jù)呼吸底物上氫的初始受體的不同，線粒體內呼吸鏈可分為：NADH呼吸鏈FADH2呼吸鏈一、概念1 1、黃素蛋白類（、黃素蛋白類（FPFP） 包括NADH脫氫酶和琥珀酸脫氫酶，分別以 FMN、FAD為輔基 NADH + H+ + FMN NADH脫氫酶 NAD+ + FMNH2 琥珀酸 + FAD 琥珀酸脫氫酶延胡索酸 + FADH2 作用：傳遞電子和質子二、電子傳遞鏈的組成二、電子傳遞鏈的組成（一）電子傳遞鏈的組分（一）

8、電子傳遞鏈的組分2 2、鐵硫蛋白（、鐵硫蛋白（Fe-SFe-S）它主要以它主要以 (2Fe-2S) (2Fe-2S) 或或 (4Fe-4S) (4Fe-4S) 形形式存在。式存在。(2Fe-2S)(2Fe-2S)含有兩個活潑的無含有兩個活潑的無機硫和兩個鐵原子。機硫和兩個鐵原子。作用：通過鐵的價態(tài)變化而傳遞電子 ETS上唯一的非蛋白組分，是脂溶性小分子醌類化合物。 3 3、輔酶、輔酶Q Q（又稱泛醌，（又稱泛醌，CoQCoQ）作用：傳遞質子和電子OOCH3CH3OCH3ORH+2e+2OHOHCH3CH3OCH3OR 一類以鐵卟啉為輔基的色素蛋白 作用：通過輔基中鐵的價態(tài)變化而傳遞電子 Cyt

9、b、Cytc1 、Cytc Cyta、Cyta3 輔基:血紅素 輔基:血紅素A， 還含有兩個必 需的銅離子 4 4、細胞色素類（、細胞色素類（CytCyt）典型的細胞色素傳遞順序是：b c1 c aa3 o2Cyta類中的血紅素類中的血紅素ACytb、c類中的血紅素類中的血紅素共 同1234567817個碳的碳氫鏈個碳的碳氫鏈（二）電子傳遞中的功能復合體（二）電子傳遞中的功能復合體 參與線粒體電子傳遞的組分以功能復合體的形式位于線粒體內膜上進行電子和質子的傳遞與跨膜轉移，共包括四類功能復合體，分別為復合物復合物I，復合物，復合物II，復合物，復合物III，復合物，復合物IV。 1 1、復合物、

10、復合物I ：NADH-CoQNADH-CoQ還原酶還原酶 組成：FMN+鐵硫蛋白，功能為電子傳遞和質子的跨膜轉移2 2、復合物、復合物II ：琥珀酸：琥珀酸-CoQ-CoQ還原酶還原酶 組成：FAD+鐵硫蛋白，功能為電子傳遞3 3、復合物、復合物III ：細胞色素：細胞色素C C還原酶還原酶 組成：Cytb+Fe-S+ Cytc1，功能為電子傳遞及質子跨膜轉移 組成：Cyta+ Cyta3+含銅蛋白4 4、復合物、復合物IV ：細胞色素氧化酶：細胞色素氧化酶三、電子傳遞鏈的順序三、電子傳遞鏈的順序Fe-S FAD琥珀酸琥珀酸NADH+HNADH+H+ +FMN Fe-SCoQCytbFe-SC

11、ytcFMN Fe-SCoQCytbFe-SCytc1 1 Cytc Cytc Cytaa Cytaa3 3 O O2 2細胞色細胞色素氧化酶素氧化酶NADH-CoQNADH-CoQ還原酶還原酶細胞色素還原酶細胞色素還原酶琥珀酸琥珀酸- -CoQCoQ還原酶還原酶NADHNADH呼吸鏈呼吸鏈FADHFADH2 2呼吸鏈呼吸鏈(3) 利用光譜變化確定各組分的氧化還原狀態(tài)利用光譜變化確定各組分的氧化還原狀態(tài)(1) 測各組分氧化還原電位（測各組分氧化還原電位（E0）研究方法研究方法(2) 呼吸鏈復合物重組呼吸鏈復合物重組(4)利用呼吸鏈抑制劑利用呼吸鏈抑制劑NADH+HNADH+H+ +FMN Fe

12、-SCoQCytbFe-SCytcFMN Fe-SCoQCytbFe-SCytc1 1 Cytc Cytc Cytaa Cytaa3 3 O O2 2(-0.32) (-0.30) (-0.02) ( 0.10) ( 0.00) ( 0.04) (0.22) (0.25)(0.29)(0.82)各組分氧化還原電位各組分氧化還原電位利用光譜變化確定各組分的氧化還原狀態(tài)利用光譜變化確定各組分的氧化還原狀態(tài) 呼吸鏈復合物重組呼吸鏈復合物重組四、四、 電子傳遞抑制劑電子傳遞抑制劑 電子傳遞抑制劑：指阻斷呼吸鏈中某部位電子傳遞的物質電子傳遞鏈的順序電子傳遞電子傳遞 抑制劑抑制劑魚藤酮、魚藤酮、安密妥、安

13、密妥、殺粉蝶菌殺粉蝶菌素素A A 抗霉素抗霉素A A 氰化物、氰化物、COCO窒息劑（劇毒）NADH呼吸鏈是絕大部分有機物最終氧化的途徑G + O2 CO2 + H2O + ATP第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化氧化磷酸化(P185)(Oxidative Phosphorylation)一、氧化磷酸化作用的概念與類型一、氧化磷酸化作用的概念與類型二、二、氧化磷酸化與電子傳遞的偶聯(lián)氧化磷酸化與電子傳遞的偶聯(lián)三、氧化磷酸化的機制三、氧化磷酸化的機制一、氧化磷酸化作用的概念與類型一、氧化磷酸化作用的概念與類型1 1、 氧化磷酸化作用的氧化磷酸化作用的概念概念利用生物體內物質氧化過程中釋放利用生物體內物質氧化

14、過程中釋放的自由能使的自由能使ADP和磷酸形成和磷酸形成ATP的作用的作用2 2、 氧化磷酸化作用的類型：氧化磷酸化作用的類型： （生物氧化中（生物氧化中ATPATP的生成方式）的生成方式）（1）底物水平磷酸化：生物氧化過程中，同高能化合物的水解放能相偶聯(lián)的ATP合成作用。（2）氧化磷酸化：電子從NADH或FADH2經ETS傳遞到O2生成水時，同時偶聯(lián)ADP磷酸化生成ATP的過程。是需氧生物ATP生成的主要方式。 2H+NADH + H+（或（或FADH2） H2O 2H ETS 2e- 氧化氧化 （放能）（放能） NAD+（或（或FAD）1/2O2偶聯(lián)偶聯(lián) ADP + Pi ATP + H2

15、O 磷酸化磷酸化 （吸能）（吸能）能量能量二、氧化磷酸化與電子傳遞的偶聯(lián)二、氧化磷酸化與電子傳遞的偶聯(lián)1 1、根據(jù)氧化還原電位差判斷、根據(jù)氧化還原電位差判斷: G, , =-nFE, , G, , -30.5KJ/mol, E, , 0.16V 氧化還原電位氧化還原電位 G0 0 NADH (-0.32) Fe-S (-0.02)FMN (-0.30)CoQ (0.10) Cyt b (0. 00) Fe-S ( 0.04)(0.22) Cytc1Cyt c (0.25)Cyt a (0.29)Cyt a3 (0.55)O2 (0.82)ATPATPATPATPATPATP P/O ：每消耗一

16、個氧原子（或每對電子通過呼吸鏈傳遞至氧）所產生的ATP分子數(shù)。 最新研究證明：線粒體中的NADH經ETS氧化，P/O=2.5，F(xiàn)ADH2經ETS氧化，P/O=1.5 2 2、 測定測定P/OP/O比比Cyt cCoQ胞液側 基質側 NADHNADH呼吸鏈呼吸鏈FADHFADH2 2呼吸鏈呼吸鏈2H+H2OO2-2e三、氧化磷酸化的機制三、氧化磷酸化的機制 1 1、化學滲透假說、化學滲透假說 （能量是什（能量是什么，如何獲得？）么，如何獲得？）2 2、ATPATP合酶的旋轉催化理論合酶的旋轉催化理論（ATPATP的合成過程）的合成過程）1 1、化學滲透假說、化學滲透假說（Chemiosmotic

17、 Hypothesis)Chemiosmotic Hypothesis)伴隨電子傳遞進行的伴隨電子傳遞進行的H+的跨膜轉運形成的跨膜轉運形成的的質子動力勢質子動力勢是是ATP合成的能量來源合成的能量來源1961年由PeterMitchell提出（1978年獲諾貝爾化學獎）年獲諾貝爾化學獎）化學滲透假說要點：（1）遞氫體和遞電子體交替排列，催化反應是定向的；（2）復合物、 和中的遞氫體利用電子傳遞反應能量將H+泵出內膜；（3）完整的線粒體內膜具有選擇透性，對H+不通透，造成跨膜H+梯度(質子濃度梯度和電位梯度，合稱為質子動力勢質子動力勢)；（4）H+通過ATP合酶回流時，釋放能量，生成ATP。C

18、yt cQ胞液側 基質側 ADP+Pi ATP 化學滲透假說 （1）將線粒體懸浮于無O2緩沖液，當通入O2 時介質很快酸化 （2）內膜對H+、OH-、K+和Cl-等離子不通透,氧化磷酸化的進行要求線粒體內膜完整 （3）人為地造成跨膜的質子電子電化學梯度，同時加入ADP和Pi，發(fā)現(xiàn)合成了ATP化學滲透假說的證據(jù)：F1F0F0：橫貫線粒體內膜 功能：質子通道（1 1）ATPATP合酶的結構合酶的結構2、ATP合酶的旋轉催化理論合酶的旋轉催化理論F1：球形頭部，伸入到線粒體基質中，由五種9個亞基組成 功能：合成ATP的催化部位 （）（）ATP合酶的旋轉催化理論合酶的旋轉催化理論（Boyer 1964

19、提出，提出， Skou提出質子泵理論提出質子泵理論， Walker證實，證實， 三人共同獲得三人共同獲得1997年諾貝爾化學獎）年諾貝爾化學獎）ATP合酶F1因子亞基的三種構象：“O”狀態(tài)：“L”狀態(tài)：“T”狀態(tài)：小結：小結：1、生物氧化過程中、生物氧化過程中ATP的生成方式，哪種方的生成方式，哪種方式是主要方式？式是主要方式？2、氧化磷酸化與電子傳遞鏈偶聯(lián)的部位？、氧化磷酸化與電子傳遞鏈偶聯(lián)的部位？3、生成、生成ATP所需的能量是什么？如何形成？所需的能量是什么？如何形成？具體合成過程是什么？這是本節(jié)的重點和難點具體合成過程是什么？這是本節(jié)的重點和難點內容。內容。 1、解偶聯(lián)：不阻斷電子傳遞

20、，不生成ATP 電子傳遞抑制劑：阻斷電子傳遞 不生成ATP 作用：使氧化（電子傳遞）和磷酸化（形成ATP）兩個偶聯(lián)的過程脫節(jié)，只抑制ATP的形成過程，而不抑制電子傳遞過程，使電子傳遞所產生的自由能以熱能表達。四、氧化磷酸化的解四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)及偶聯(lián)及抑制抑制解偶聯(lián)蛋白作用機制解偶聯(lián)蛋白作用機制Cyt cQ胞液側 基質側 解偶聯(lián) 蛋白熱能 ADP+Pi ATP 呼吸鏈可與磷酸化脫離，能量全部轉化為熱。n熊冬眠l嬰兒及初生的哺乳動物維持體溫解偶聯(lián)劑DNP（2,4-二硝基苯酚）的抑制原理: 破壞跨膜H+梯度 在正常生理條件下DNP是解離形式，不能透過線粒體內膜，在酸性環(huán)境下DNP接受質子成為脂

21、溶性物質，透過內膜，同時將質子H+帶入內膜，破壞了跨膜H+梯度而引起解偶聯(lián)現(xiàn)象。 作用：直接作用于ATPase復合體而抑制ATP的合成；間接抑制了電子傳遞和分子氧的消耗。 這類抑制劑有短桿菌肽、纈氨霉素、蕓香霉素和寡霉素。 寡酶素抑制原理：與Fo-F1-ATPase復合體柄部（Fo）的一個亞基結合“堵塞”了其內的質子通道,阻止膜外的H+回流到基質內。 2、 氧化磷酸化的抑制 寡霉素寡霉素可阻止質子從可阻止質子從F F0 0質子通道回質子通道回流，抑制流，抑制ATPATP生成。生成。寡霉素（一）外（一）外NADHNADH脫氫酶脫氫酶( (真菌和高等植物真菌和高等植物) ) 外NADH脫氫酶分布在

22、內膜的外側朝向膜空間，以FAD為輔基的黃素蛋白，接受來自于胞液的NADH的氫原子，傳遞給CoQ。 P/O=1.5 線粒體內NADH脫氫酶分布在內膜的內側朝向襯質，以FMN為輔基的黃素蛋白，接受來自于線粒體襯質的NADH的氫原子，傳遞給CoQ。P/O=2.5五、線粒體外五、線粒體外NADH的氧化磷酸化的氧化磷酸化 動物體內的NADH必須通過線粒體穿梭系統(tǒng)。 線粒體穿梭：生物氧化和氧化磷酸化主要在線粒體內進行，NAD+、NADH不能自由進入線粒體，因此胞液中生成的NADH必須通過特殊的穿梭機制進入線粒體。（二）線粒體穿梭（二）線粒體穿梭 1、磷酸甘油穿梭系統(tǒng) 動物肌細胞、腦細胞NADH 磷酸二羥丙

23、酮磷酸二羥丙酮 磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮 FADH2+H+ 甘油磷酸甘油磷酸 甘油磷酸甘油磷酸 線粒體線粒體 脫氫酶脫氫酶 脫氫酶脫氫酶 內膜內膜 線粒體線粒體 外膜外膜 NAD+ 甘油磷酸甘油磷酸 甘油磷酸甘油磷酸 FAD 胞液胞液 P/O=1.5 甘油甘油-3-磷酸穿梭機制磷酸穿梭機制 2、蘋果酸穿梭系統(tǒng)動物的肝、腎、心臟細胞 線粒體線粒體 胞液胞液 外膜外膜 內膜內膜 襯質襯質 NAD+ 蘋果酸蘋果酸 蘋果酸蘋果酸 NAD+ NADH+H+ OAA OAA NADH+H+ a-酮戊二酸酮戊二酸 a-酮戊二酸酮戊二酸 Glu Glu Asp Asp P/O =2.5 ：蘋果酸：蘋果酸a-酮

24、戊二酸反向交換載體酮戊二酸反向交換載體 II ：AapGlu反向交換載體反向交換載體蘋果酸穿梭機制蘋果酸穿梭機制六、六、G徹底氧化的總結算徹底氧化的總結算 根據(jù)當前最新測定，H+經NADH-Q還原酶、細胞色素還原酶和細胞色素氧化酶從線粒體基質泵出至膜空間時，一對電子泵出的質子數(shù)依次為4、4和2。 合成一個ATP分子是由3個H+通過ATP合酶所驅動。完成ADP和ATP從線粒體基質到線粒體膜外細胞質的交換需要消耗一個H+。 1molG經EMP-TCA-ETS徹底氧化生成32mol ATP（或30） 3230.5 貯能效率： 100% = 33.9% 2876.5氧化磷酸化的貯能效率氧化磷酸化的貯能

25、效率 2e-經NADH呼吸鏈，產生的ATP分子數(shù)是2.5個； 2e-從FADH2呼吸鏈，產生的ATP分子數(shù)是1.5個。第四節(jié)其它末端氧化酶系統(tǒng)第四節(jié)其它末端氧化酶系統(tǒng)（自學）（自學）n多酚氧化酶 （蘋果、馬鈴薯、茶葉）n抗壞血酸氧化酶（黃瓜、南瓜）n黃素蛋白氧化酶n過氧化氫酶/過氧化物酶和超氧化物歧化酶（SOD，CAT）n植物抗氰氧化酶（淹水及種子萌發(fā)）氧的不完全還原氧的不完全還原O O2 2 + e + e- - O O2 2 -.-.O O2 2 + 2e + 2e- - + + 2H2H+ + H H2 2O O2 2O O2 2 + 3e + 3e- - + + 3H3H+ + H H2 2O + OHO + OH. .生物體內清除氧自由基系統(tǒng)：1、酶系統(tǒng) 超氧化物歧化酶（SOD） 過氧化氫酶（CAT） 過氧化物酶（POD）2、非酶促系統(tǒng) VE、Vc GSH Any questions about what we have learned?一、名詞解釋生物氧化ETS氧化磷酸化底物磷酸化P/O能荷DNP二、生物氧化的特點。三、ETS各組分的順序如何？氧化磷酸化的部位在何處？為什么？四、氧化磷酸化的偶聯(lián)機理有哪幾種學說？其中哪種學說得到多數(shù)人的贊同，其要點如何？