生物氧化2实用教案

1、第一节 生物(shngw)(shngw)氧化概述 一、生物氧化的概念、特点和方式 （一）生物氧化的概念 生物氧化是有机物（糖、脂肪和蛋白质）在生物体细胞内进行氧化分解并释放能量(nngling)(nngling)的过程。 它包括一系列氧化还原反应，体内所需能量(nngling)(nngling)大部分来自有机物的氧化。生物氧化的全过程可分为4 4个阶段：第1页/共73页第一页，共73页。糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+ +甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoACoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP CoA第2页/共73页第二页，共73页。 第一阶段:

2、:大分子降解成基本结构单位. . 第二阶段: :小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoACoA等）. . 第三阶段: :共同中间产物进入三羧酸循环, ,氧化脱氢(tu qn).(tu qn). 第四阶段: :氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2OH2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATPATP中。第3页/共73页第三页，共73页。 （二）生物(shngw)氧化的特点 1、生物(shngw)氧化是在生物(shngw)细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，pH7和常温）。 2、氧化进行过程中，必然伴随生物(shngw)还原反应的发生。 3、水是许多生物(shn

3、gw)氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。 4、在生物(shngw)氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。第4页/共73页第四页，共73页。 5 5、生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。 6 6、生物氧化释放的能量，通过(tnggu)(tnggu)与ATPATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATPATP。 7 7、进行生物氧化反应的部位 （1 1）线粒体 （2 2）

4、内质网、微粒体、过氧化酶体等 8 8、生理意义：供给机体能量，进行正常生理生化活动，转化有害废物。第5页/共73页第五页，共73页。 （三）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(fnyng)，都由特定的酶催化。生物氧化进行的方式有加氧、脱氢等，其中以脱氢氧化方式为主。代谢底物脱下的氢原子，需经过一系列传递体的传递，才能交给最终受氢体，最终与氧结合生成水。 1.脱氢氧化反应(fnyng) （1）脱氢 在生物氧化中，脱氢反应(fnyng)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(fnyng)的是各种类型的脱氢酶。第6页/共73页第六页，共

5、73页。 烷基(wn j)(wn j)脂肪酸脱氢 如琥珀酸脱氢醛酮脱氢醛酮脱氢(tu qn) 如乳酸脱氢如乳酸脱氢(tu qn)酶酶+2H+ 2e-+COOHCHCHCOOHCOOHCH2CH2COOHCH3CHCOOHOHNAD+ NADHCH3CCOOHO第7页/共73页第七页，共73页。 （2 2）加水脱氢(tu qn)(tu qn) 酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。 2. 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(fnz)(fnz)直接加入到有机分子(fnz)(fnz)中。例如：甲烷单加氧酶 CH4 + NA

6、DH + O2 CH4 + NADH + O2CH3-OH + NAD+ + H2OCH3-OH + NAD+ + H2O第8页/共73页第八页，共73页。 氧化酶氧化酶 主要催化以氧分子为电子主要催化以氧分子为电子(dinz)(dinz)受体的氧化反应，反应产物为水。在各种脱氢反受体的氧化反应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子应中产生的氢质子和电子(dinz)(dinz)，最后都是，最后都是以这种形式进行氧化的。以这种形式进行氧化的。 3. 3.生成二氧化碳的氧化反应生成二氧化碳的氧化反应 （1 1）直接脱羧作用）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，氧化代谢

7、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。直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。 （2 2）氧化脱羧作用）氧化脱羧作用 氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化脱羧酶系的催化下，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氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧生成丙酮酸。丙酮酸。第9页/共73页第九页，共73页。 二、自由能和氧化还原电位 （一）自由能 生物氧化过程中发生许多生化反应，生化反应中的能量变化和一般化学反应一样，可用热力学上的自由能来描述。自由能（

8、free energy）是指一个体系的总能量中，在恒温(hngwn)恒压下能够做功的那一部分能量，又称为Gibbs自由能（G）。 自由能(Gibbs函数)的定义为:=HTS 化学反应的自由能变化(Gibbs函数变化): r=rHTrS第10页/共73页第十页，共73页。 化学反应的自由能变化（rGrG）是个状态函数, ,只与反应的始态和终态有关, ,与反应的途径(tjng)(tjng)无关. . 自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即： rG0 rG0 rG0，反应不能自发进行, ,必须供给能量，反应才能进行，其逆反应是自发的； rG=0 rG=0，反应处于平衡状态; ; 生物氧化释放生来

9、的能量正是可为有机体利用的自由能。第11页/共73页第十一页，共73页。 标准自由(zyu)(zyu)能变化: :在2525，101325Pa(1101325Pa(1个大气压) )下，反应物浓度为1mol/L1mol/L时，反应系统的自由(zyu)(zyu)能变化。 化学反应的标准自由(zyu)(zyu)能变化用rGrG表示( (生物化学反应标准自由(zyu)(zyu)能变化用rGrG表示, ,单位为kJ/mol.kJ/mol.例如,A+B C+D ,A+B C+D 其自由(zyu)(zyu)能变化遵循下式: : rG = rG = rGrG+ RTln + RTln 当反应平衡时( (即rG

10、 =0): rG =0): rGrG=-RTln =-RTln 因为平衡常数K=CD/ABK=CD/AB 所以一个生物化学反应标准自由(zyu)(zyu)能变化与一个反映的平衡常数间的关系为: : rGrG=-RTln K=-RTln K =-2.303RTlgK=-2.303RTlgK CDABCDAB第12页/共73页第十二页，共73页。 其中R R为气体常数(R=8.315kJ/ml.k),T(R=8.315kJ/ml.k),T为热力学温度( (单位为K), K), rGrG可以通过测定平衡时的产物和反应物的浓度计算出来. . （二）标准氧化还原电位（） 生物氧化包括一系列的氧化还原反应

11、，如果反应物失去电子, ,则该物质称为还原剂; ;如果反应物得到电子, ,则该反应物称为氧化剂. .氧化还原反应包括一个(y )(y )矛盾的两个方面, ,一种物质作为还原剂失去电子本身被氧化, ,而另一种物质作为氧化剂得到电子被还原. .物质得失电子的趋势( (电子转移的潜势) )可以用氧化还原电位值定量表示. .第13页/共73页第十三页，共73页。检流计检流计+-盐桥盐桥氢气氢气参考半反应池参考半反应池样品半反应池样品半反应池 氧化还原物质与标准氢氧化还原物质与标准氢电极组成原电池电极组成原电池(如右图如右图),可测定其可测定其值值. 用于生物测量的标准条用于生物测量的标准条件为件为:参

12、考半反应池参考半反应池的氢离的氢离子浓度子浓度1.07mol/L,氢气气氢气气压压101325Pa(1个大气压个大气压)标标准还原电位人为地规定为准还原电位人为地规定为0.0V;样品半反应池样品半反应池中含有待测定样品的氧化型和还中含有待测定样品的氧化型和还原型物质各原型物质各1mol/L,pH=7.0;电流表电流表上的读数表示两个上的读数表示两个半反应池之间的电势差半反应池之间的电势差,即样品半反应池的标准氧化即样品半反应池的标准氧化还原电位还原电位.氧化还原物质与标准氢电极组成氧化还原物质与标准氢电极组成原电池结构示意图原电池结构示意图第14页/共73页第十四页，共73页。 在生物体内发生

13、氧化还原反应的氧化还原对，其电子(dinz)(dinz)转移潜势常用生化标准氧化还原电位表示，符号为 。生化标准氧化还原电位是指pH=7.0pH=7.0、2525、 氧化态=还原态=1mol/L=1mol/L等标准条件下与标准氢电极组成原电池测得的氧化还原电位。表2-12-1是生物体内一些重要氧化还原对的。氧化氧化- -还原反应式还原反应式生化标准氧化还原电位生化标准氧化还原电位（V V）琥珀酸琥珀酸+CO+CO2 2+2H+2H+ +2e+2e- -酮戊二酸酮戊二酸H H2 2O O-0.67-0.673-3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸+2H+2H+ +2e2e- -3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛+

14、 H+ H2 2O O-0.55-0.55-酮戊二酸酮戊二酸+2H+2H+ +2e+2e- -异柠檬酸异柠檬酸-0.38-0.38NADNAD+ +H+H+ +2e+2e- -NADHNADH-0.32-0.32乙醛乙醛+2H+2H+ +2e+2e- -乙醇乙醇-0.197-0.197FeFe3+3+ e+ e- -FeFe2+2+0.77+0.77+0.815+0.81520220221HeH生物体内一些重要氧化还原对的生物体内一些重要氧化还原对的E 第15页/共73页第十五页，共73页。 值越小，失电子能力越强（还原剂）；值越大，获得电子能力越强（氧化剂）。根据值可判断(pndun)生物体

15、内各种物质得失电子能力的强弱，如02易获得电子形成水，NADH易失去电子氧化成NAD+。12NADH+H+O2 NAD+H2O2e-电子受体 电子受体E（三）自由能与氧化还原电位差的关系第16页/共73页第十六页，共73页。 一个氧化还原反应可以看成是一个化学电池(dinch)，当通过化学电池(dinch)的电流无限小时，电池(dinch)做最大功：WmaxnFE式中n氧化还原反应中传递的电子数目； E生化标准氧化还原电位差； F法拉第常数96.485kJ/(Vmol)。 根据热力学定律，在恒温恒压体系中，体系自由能的降低（G为负值）等于体系所做的最大功，即Wmax GnFE G nFE第17

16、页/共73页第十七页，共73页。 因此(ync)(ync)，利用生化标准氧化还原电位差可以计算出氧化还原反应的生化标准自由能变化。 例：求下列反应的 G G 解: :查表知，E E (O2/HO2) (O2/HO2)+0.815V+0.815V E E(NAD+/NADH)(NAD+/NADH)0.32V0.32V 所以 E E 0.8150.815( (0.32)0.32) 1.135(V)1.135(V) G G 2 21.1351.13596.48596.485 219(kJ/mol)219(kJ/mol)12O2NADH H+H2ONAD+第18页/共73页第十八页，共73页。 三、高

17、能化合物 有机物经生物氧化所释放的自由能要转换为高能化合物分子中活跃的化学能，才能被生物所利用。ATP是生命活动中最重要的能量载体，也是最重要的高能化合物。 （一）高能化合特的概念 在生化标准条件（pH7、25 、1mol/L）下发生水解时，可释放出大量自由能（20.92kJ以上）的化合物，称为(chn wi)高能化合物。例如，腺苷三磷酸（ATP）水解为腺苷二磷酸（ADP）时，可释放30.5kJ/mol能量。第19页/共73页第十九页，共73页。NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO- -OOPOO- -OPO- - -OO一磷酸腺苷（AMP）二磷酸腺苷（ADP）三磷酸腺苷（ATP

18、）OPOOHNNNNNH2OHHOHHOHHOCH2HOPOOHOPOOHNNNNNH2OHHOHHOHHOCH2OPOOHHOPOOHH2OPi腺嘌呤核糖ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1 ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1 在高能化合物分子中，被水解释放出大量自由能的活泼共价建，称为高能键，用符号“”表示。当分子中含有磷酸基团，该磷酸基团被水解时释放出大量的自由能，这类高能化合物又称为高能磷酸化合物。 第20页/共73页第二十页，共73页。 （二）高能化合物的类型 生物体内的高能化合

19、物，根据其分子结构特点(tdin)和所含高能键的特征，可分为下列几种类型。高能化合物高能化合物氮磷键型氮磷键型（PN）磷氧键型磷氧键型（OP）硫酯键型硫酯键型甲硫键型甲硫键型焦磷酸化合物焦磷酸化合物 酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物 烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物 第21页/共73页第二十一页，共73页。 上述高能化合物中，含磷酸基团的高能磷酸化合物占绝大多数。但并不是所有含磷酸基团的化合物都是高能化合物。例如，6-6-磷酸葡萄糖、3-3-磷酸甘油等，水解释放的自由(zyu)(zyu)能都小于20.92kJ/mol,20.92kJ/mol,所以称他们为普通磷酸化合物或低能磷酸化合物。 1. 1.

20、磷氧键型 酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物HCCCH2OHppOOOOOOOOO3-3-磷酸甘油酸磷酸磷酸甘油酸磷酸CCH2pOOOOO乙酰磷酸乙酰磷酸NH3CpOOOOO+氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸第22页/共73页第二十二页，共73页。NH2NHCNCCNCHNCCH2OH OHHHHHOpOOOCOORNH2NHCNCCNCHNCCH2OH OHHHHHOpOOOCOORCHNH3+酰基腺苷酸酰基腺苷酸氨酰腺苷酸氨酰腺苷酸焦磷酸化合物焦磷酸化合物NH2NHCNCCNCHNCCH2OH OHHHHHOpppOOOOOOOOOOppOOOOOOOAMPADPATP无机焦磷酸无机焦磷酸第23页/共73页

21、第二十三页，共73页。烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物OOOOOOpCH2CC磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸2. 2. 氮磷键型OOOOOpCH2CCNCH3HNHNOOOOOpC H2CCNH NH NHH CN H3C H2磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸第24页/共73页第二十四页，共73页。3.3.硫酯键型NH2NHCNCCNCHNCCH2OOHHHHHOppOOOOOOOOOOSSCH2CH2HN-pOOOOCH2CH3CH3CCHOHCONHCH2CH2COOOOOOOOppOHHHHOHCH2CNCHNCCNHCNNH2COCH3乙酰乙酰CoA3-3-磷酸腺苷磷酸腺苷-5-

22、5-磷酰硫酸磷酰硫酸OHHHHO HO HC H2CNC HNCCNH CNN H2+H3CSC H2C H2+N H3H C-C O O4.4.甲硫键型S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸第25页/共73页第二十五页，共73页。化合物化合物G G （kJ/molkJ/mol）磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸-61.9-61.93-3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸-49.3-49.3磷酸肌酸磷酸肌酸-43.1-43.1ATPADP+PiATPADP+Pi-30.5-30.5ATP ATP AMP+PPiAMP+PPi-32.2-32.26-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖-13.8-13.83-3-磷酸甘油磷酸甘

23、油-9.2-9.2一些磷酸化合特水解时的标准自由一些磷酸化合特水解时的标准自由(zyu)能变化能变化 ATP ATP虽然是高能化合物，但它的G G 值介于其他(qt)(qt)高能化合物和普通磷酸化合物之间，即它的磷酸基团转移势能处于中间位置，这使ATPATP在生物体内的能量转换和磷酸基团转移过程中起着中间传递体的作用。放能反应和吸能反应往往需要通过ADPADP和ATPATP的相互转变而偶联起来 第26页/共73页第二十六页，共73页。ADPATP磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶，二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸甘油酸（放能）（放能）葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖（吸能）（吸能）己糖激酶己糖激酶上图

24、放能反应和吸能反应的偶联上图放能反应和吸能反应的偶联第二节 电子传递链在生物氧化过程中，从代谢底物上脱下的在生物氧化过程中，从代谢底物上脱下的2 2个氢经过个氢经过一系列按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传一系列按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传递，最终传递给递，最终传递给O2并生成并生成H2O，这种氢和电子的传递，这种氢和电子的传递体系为电子传递链，生物氧化中的体系为电子传递链，生物氧化中的电子传递链电子传递链又称为又称为氧化呼吸链氧化呼吸链。第27页/共73页第二十七页，共73页。一、电子传递链的组成及其功能电子传递链主要由蛋白质复合体组成，大致分为4个部分(b fen)：NAD

25、H-CoQ还原酶复合物（NADH脱氢酶）、琥珀酸-CoQ还原酶复合物、细胞色素还原酶复合物和细胞色素氧化酶复合物. Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-呼吸呼吸(hx)链各蛋白质复合体在线粒体内膜中的位置链各蛋白质复合体在线粒体内膜中的位置第28页/共73页第二十八页，共73页。FADFADH2琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸e2+e3+2H2e-2e-2H+琥珀酸还原酶复合物琥珀酸还原酶复合物M.H2代谢物氧化的氧化的代谢物代谢物呼吸链呼吸链呼吸链呼吸链（）（）脱

26、氢酶脱氢酶（）黄素酶黄素酶（）e-e-e e-S-S辅酶辅酶2e-2 2e e2+2+2F2Fe e3+3+细胞细胞色素色素b b2e-2Fe3+2Fe2+e-Se-SATPADP2Fe2+2Fe3+细胞细胞色素色素2e-3Fe3+2Fe2+细胞细胞色素色素2e-2Fe2+2Fe3+细胞细胞色素色素aaaa3 32e+2Cu2+2Cu+细胞细胞色素色素a a3 3ATPADPH2O12O22e+2H+NADH-CoQNADH-CoQ还原酶复合物还原酶复合物细胞色素还原酶复合物细胞色素还原酶复合物细胞色素氧化酶复合物细胞色素氧化酶复合物 脱氢脱氢 以以NADNAD和和NADPNADP为辅酶的脱氢

27、酶为辅酶的脱氢酶, ,直接催化代谢直接催化代谢物脱氢物脱氢, ,脱下来的氢交给脱下来的氢交给NADNAD+ +或或NADPNADP+ +, ,从而形成从而形成NADHNADH或或HADPH.NADHADPH.NAD或或NADPNADP的氧化还原反应发生在烟酰胺的吡啶的氧化还原反应发生在烟酰胺的吡啶环上环上. .E0-0.41V -0.32V-0.06V+0.1V +0.04V+0.26V+0.29V+0.81V第29页/共73页第二十九页，共73页。NADH-CoQ还原酶还原酶( (NADH-CoQ还原酶复合物还原酶复合物) ) 又称为NADH-CoQNADH-CoQ还原酶或复合物I I，是一

28、个相对分子质量为8800088000的蛋白质分子，至少含有3434条多肽链。NADHNADH脱氢酶属黄素核苷酸脱氢酶类，辅基为FMNFMN。 此酶包括黄素酶和铁- -硫蛋白（Fe-SFe-S，通过FeFe离子价态变化传递电子）两个电子传递结构，它们嵌合于线粒体内膜中。第30页/共73页第三十页，共73页。 黄素酶黄素酶 黄素酶或黄素蛋白是以黄素酶或黄素蛋白是以FMNFMN或或FADFAD为辅基为辅基的一类的一类(y li)(y li)不需氧脱氢酶不需氧脱氢酶, ,作用是递氢作用是递氢. .递氢递氢作用是因黄素基的第作用是因黄素基的第1,1,第第5 5两位两位N N原子能被还原原子能被还原. .

29、1245第31页/共73页第三十一页，共73页。 呼吸(hx)(hx)链中最重要的黄素酶是NADHNADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶. . NADH NADH脱氢酶 此酶以NADHNADH为底物, ,将NADHNADH脱下来的氢通过FMN,Fe-SFMN,Fe-S中心交给COQ,COQ,故NADHNADH脱氢酶也叫NADH-CoQNADH-CoQ还原酶. . 琥珀酸脱氢酶 此酶催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸, ,辅基是FADFAD和Fe-SFe-S中心琥珀酸脱氢酶把琥珀酸脱下来的氢通过FAD, Fe-SFAD, Fe-S中心交给COQ,COQ,故琥珀酸脱氢酶也叫琥珀酸-Q-Q还原酶. .第32页/共73

30、页第三十二页，共73页。 铁-硫蛋白 铁-硫蛋白是相对(xingdu)分子质量较小的蛋白质,分子中含有非血红素铁和对酸不稳定的硫,所以通常简写为Fe-S或FeS,铁硫成等量关系,已知的有一铁四硫(FeS4),二铁二硫(Fe2S2)和四铁四硫(Fe4S4)3种类型. Fe(S-Cys)4型型Fe2S2(S-Cys)4型型Fe4S4(S-Cys)4型型第33页/共73页第三十三页，共73页。 铁- -硫蛋白在线粒体内膜上常常与黄素酶, ,细胞色素结合成复合物, ,有人将这种铁- -硫蛋白称为铁- -硫中心,Fe,S,Fe,S是很敏感的部分, ,往往受抑制剂的抑制. .它们的作用是通过铁价数的改变进

31、行电子传递. . 辅酶Q(COQ) Q(COQ) 辅酶Q Q是脂溶性醌类化合物, ,因广布于自然界, ,所以(suy)(suy)有称泛醌. .辅酶Q Q有一个长的类异戊二烯侧链, ,使它具有高度的疏水性, ,能在线粒体内膜的疏水区中迅速扩散, ,它是呼吸链中唯一一个不牢固地结合于蛋白质上的电子或氢的传递体, ,因此不包含在四种复合体中。 分子中的苯醌结构能可逆地结合2 2个H H，为递氢体。 Fe2+Fe3+ + e-第34页/共73页第三十四页，共73页。 细胞色素细胞色素(s s) 细胞色素细胞色素(s s)是一类以传递电子作是一类以传递电子作为其主要生物功能的色蛋白为其主要生物功能的色蛋

32、白.电子的传递是借助于其辅基电子的传递是借助于其辅基铁卟啉铁价的可逆变化铁卟啉铁价的可逆变化,细胞色素细胞色素(s s)在组织内分布极在组织内分布极广广,种类很多种类很多.还原型细胞色素还原型细胞色素(s s)具有明显的可见光谱具有明显的可见光谱吸收现象，可看到吸收现象，可看到、3个吸收峰。个吸收峰。 第35页/共73页第三十五页，共73页。 根据吸收光谱的不同，将细胞色素(s s)(s s)分为Cyt Cyt 、cyt bcyt b、cyt ccyt c等3 3类。3 3类细胞色素(s (s s)s)的辅基结构以及辅基与蛋白质的结合方式有所不同；细胞色素(s s)a(s s)a类的辅基是血红

33、素A A，它与细胞色素(s s)a(s s)a的蛋白质部分非共价结合；细胞色素(s s)b(s s)b类的辅基是铁原卟啉IXIX，它与蛋白质非共价结合；细胞色素(s s)C(s s)C类的辅基也是铁原卟啉IXIX，它与蛋白质共价结合。在动物线粒体的呼吸链中至少有5 5种细胞色素(s s)(s s)，它们分别是cyt bcyt b、 cyt c1 cyt c1、cyt ccyt c、cyt acyt a、cyt a3cyt a3。 第36页/共73页第三十六页，共73页。第37页/共73页第三十七页，共73页。 细胞色素还原酶细胞色素还原酶 细胞色素还原酶含有细胞色素细胞色素还原酶含有细胞色素b

34、 b、铁铁- -硫中心以及细胞色素硫中心以及细胞色素C1C1。细胞色素还原酶血红素。细胞色素还原酶血红素辅基中的铁离子，在电子传递中发生可逆的价态变化。辅基中的铁离子，在电子传递中发生可逆的价态变化。 QH2 QH2被氧化型细胞色素氧化的过程被氧化型细胞色素氧化的过程(guchng): (guchng): QH2QH2将电子传给氧化型细胞色素将电子传给氧化型细胞色素b,b,使之变为还原型细使之变为还原型细胞色素胞色素b,H+b,H+质子留在溶液中质子留在溶液中. .还原型细胞色素还原型细胞色素b b将电将电子传给铁子传给铁- -硫中心硫中心, ,再转给细胞色素再转给细胞色素C1,C1,接着转给

35、细胞接着转给细胞色素色素C.C. 在呼吸链中细胞色素还原酶的作用是催化电子从在呼吸链中细胞色素还原酶的作用是催化电子从CoQH2CoQH2转移到细胞色素转移到细胞色素C C。第38页/共73页第三十八页，共73页。 线粒体中的细胞色素绝大多数和线粒体内膜结合紧密,只有细胞色素C和线粒体内膜结合较松,容易分离(fnl)纯化,因此对它的结构和功能研究的更为清楚. 细胞色素C（Ctyc） Cty c为可溶性蛋白质，以静电作用结合在线粒体内膜的外表面，Cyt c1将接受的电子传递给Cty c，Cty c再将接受的电子传递给Cyt aa3。Cyt aa3是由Cyt a和Cyt a3组成的复合物。该复合物

36、称为细胞色素氧化酶、复合物IV或细胞色素C氧化酶。 Cyt c与细胞色素还原酶的Cyt c1和细胞色素氧化酶（复合物IV）接触，起到在复合物III和IV之间传递电子的作用。第39页/共73页第三十九页，共73页。 细胞色素氧化酶（复合物细胞色素氧化酶（复合物IVIV）细胞色素氧化酶）细胞色素氧化酶（Cyt aa3Cyt aa3）含有）含有2 2个血红素个血红素A A、2 2个铜离子和个铜离子和1010个个亚基。亚基。Cyt aCyt a接受来自接受来自Cyt c- Fe2+Cyt c- Fe2+的电子，经的电子，经Cu2+ Cu+Cu2+ Cu+ 将电子传递给将电子传递给Cyt a3Cyt a

37、3，最后，最后Cyt a3Cyt a3将接受的电子将接受的电子传递给传递给O2O2，使，使O2O2还原成还原成H2OH2O。 二、重要的电子传递链二、重要的电子传递链 电子传递链的各种组分电子传递链的各种组分(zfn)(zfn)在线粒体内膜在线粒体内膜上按一定的顺序排列，才能发挥其传递电子的功能。上按一定的顺序排列，才能发挥其传递电子的功能。在线粒体内膜上主要有两条电子传递链。在线粒体内膜上主要有两条电子传递链。 第40页/共73页第四十页，共73页。 1 1、NADHNADH电子传递链 线粒体基质中的丙酮酸、异柠檬酸、-酮戊二酸、苹果酸等脱氢生成(shn chn)(shn chn)的NADH

38、+H+NADH+H+作为电子最初供体。 电子传递顺序：NADH-CoQNADH-CoQ还原酶CoQCoQ细胞色素还原酶Cty cCyt aa3O2Cty cCyt aa3O2。 2 2、FADH2FADH2电子传递链 亦称为琥珀酸呼吸链。线粒体基质中的琥珀酸脱氢生成(shn (shn chn)chn)的FADH2FADH2作为这条电子传递链的电子最初供体。 电子传递顺序：琥珀酸-CoQ-CoQ还原酶CoQCoQ细胞色素还原酶Cty cCty aa3O2Cty cCty aa3O2。第41页/共73页第四十一页，共73页。 三、电子传递链的抑制剂 能够阻断电子传递链中某一部位电子传递的物质称为电

39、子传递抑制剂。利用电子传递抑制剂的专一性有选择性地阻断电子传递链中某个传递步骤，再测定(cdng)每一种电子载体的氧化或还原状态，从而可确定电子传递体的排列顺序。常见的电子传递抑制剂有以下几种。 1、鱼藤酮（rotenone）、安密妥（amytal）、杀粉蝶菌素（piericidine） 它们的作用是阻断电子由NADH向COQ的传递。鱼藤酮是一种极毒的植物物质，常用作杀虫剂。 第42页/共73页第四十二页，共73页。 2 2、抗霉素A A（antimycin Aantimycin A） 它是从链霉菌分离出来的抗菌素，能阻断(z dun)(z dun)电子由Cyt bCyt b向Cyt c1Cy

40、t c1的传递. . 3 3、氰化物、硫化物、叠氮化物、CO CO 它们都能阻断(z dun)(z dun)电子在细胞色素氧化酶中的传递。 各种抑制剂对电子传递的抑制部位如下图所示: : 鱼藤酮鱼藤酮,安密妥安密妥杀粉蝶菌素杀粉蝶菌素抗霉素抗霉素A AN3-,CO,H2S,CN-第43页/共73页第四十三页，共73页。第三节 氧化磷酸化作用(zuyng)(zuyng) 氧化磷酸化（oxidative phosphorylationoxidative phosphorylation）是需氧生物获得ATPATP的主要途径。氧化磷酸化作用(zuyng)(zuyng)是指与生物氧化作用(zuyng)(

41、zuyng)相偶联的磷酸化作用(zuyng)(zuyng)。它是将生物氧化过程中释放的自由能用于ADPADP磷酸化形成ATPATP的过程。 真核生物的氧化磷酸化作用(zuyng)(zuyng)在细胞的线粒体内膜进行；原核生物则在细胞质膜上进行。第44页/共73页第四十四页，共73页。 一、ATPATP合成的两种途径 1 1 、底物水平磷酸化 ATP ATP的生成直接(zhji)(zhji)由一个代谢中间物上的磷酸基团转移到ADPADP上。 A APiPi代表底物在氧化过程中形成的中间产物- -高能磷酸化合物. . 2 2、氧化磷酸化 将生物氧化过程中释放的自由能用于ADPADP磷酸化形成ATP

42、ATP的过程。ADP+APiATP+AOHNAD20221NADH+H+=220.5kJ/molrGADP+PiATP+H2O rG=+30.5kJ/moL 第45页/共73页第四十五页，共73页。 二、氧化磷酸化的偶联部位 电子在氧化呼吸链中按顺序传递逐步释放出自由能，若释放的自由能足以用来形成ATP，那么这个电子传递部位称为偶联部位。实验证明，在呼吸链的4个酶复合体中，复合体I、III、IV是偶联部位，一对电子流经NADH-CoQ还原酶所释放的自由能足以形成1分子ATP，流经细胞色素(s s)还原酶形成0.5分子ATP，流经细胞色素(s s)氧化酶形成1个ATP分子。因此，一对电子经NAD

43、H电子传递链氧化磷酸化产生2.5分子ATP；经FADH2电子传递链氧化磷酸化只产生1.5分子ATP。第46页/共73页第四十六页，共73页。 ADP磷酸化形成ATP需要消耗无机磷酸；一对电子经氧化呼吸链传递给O2，需要消耗氧分子，二者是相偶联的。研究氧化磷酸化最常用的方法之一测定(cdng)线粒体或其制剂的P/O比。P/O是指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位第47页/共73页第四十七页，共73页。 实验证明，线粒体内的NADH+H+NADH+H+经呼吸链氧化，其P/OP/O比为2.52.5；FADH2FADH2经呼吸链氧化，其P/

44、OP/O比为1.51.5。 线粒体外（细胞质中）的NADH+H+NADH+H+，通过不同途径（线粒体穿梭系统(xtng)(xtng)）进入不同的呼吸链氧化，其P/OP/O比不同；通过苹果酸穿梭途径进入电子传递链氧化的P/OP/O比为2.52.5；通过磷酸甘油穿梭途径进入电子传递链氧化的P/OP/O比为1.51.5。第48页/共73页第四十八页，共73页。 三、氧化磷酸化的作用(zuyng)机理 氧化磷酸化作用(zuyng)的实质是能量转换，那么电子经呼吸链传递所释放的自由能是如何推动ADP磷酸化形成ATP的？这就是氧化磷酸化作用(zuyng)的机理问题。为解释这个问题，目前有3种假说：化学偶联

45、假说、构象偶联假说和化学渗透假说。 1、化学偶联假说 1953年，斯莱特（）提出了化学偶联假说，他认为在电子传递过程中产生一种活泼的高能共价中间物，它随后的裂解驱动ADP磷酸化形成ATP。但是在氧化磷酸化作用(zuyng)中一直未能找到任何一种活泼的高能中间物。第49页/共73页第四十九页，共73页。 2 2、构象偶联假说、构象偶联假说 1964 1964年，波耶尔年，波耶尔（P.BoyerP.Boyer）提出了构象偶联假说，他认为电子）提出了构象偶联假说，他认为电子沿呼吸链传递，使线粒体内膜蛋白质组分发生了沿呼吸链传递，使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化，形成了一种高能构象，这种高能构象构

46、象变化，形成了一种高能构象，这种高能构象通过通过ATPATP的合成而恢复其原来的构象。但这一假的合成而恢复其原来的构象。但这一假说至今未能找到有力的实验证据。不过在说至今未能找到有力的实验证据。不过在ATPATP的的合成过程中仍可能包含有不同合成过程中仍可能包含有不同(b tn(b tn) )形式形式的构象偶联现象。的构象偶联现象。 1994 1994年年, ,沃克沃克(J.Walker)(J.Walker)通过高分辨率电子显通过高分辨率电子显微镜的研究微镜的研究, ,为波耶尔（为波耶尔（P.BoyerP.Boyer）提出的）提出的ATPATP合合酶的结合变化机制找到了最新实验证据的支持酶的结

47、合变化机制找到了最新实验证据的支持, ,为为此此, ,沃克沃克(J.Walker) (J.Walker) 、波耶尔（、波耶尔（P.BoyerP.Boyer）和斯）和斯科科(Jens C.Skou)(Jens C.Skou)共获共获19971997年化学奖年化学奖. .第50页/共73页第五十页，共73页。 3 3、化学渗透假说 1961 1961年，英国的生物化学家米切尔（P.MitcellP.Mitcell）提出了化学渗透假说，化学渗透假说的要点是在呼吸链的电子传递过程中, ,质子(H+)(H+)在线粒体内膜内外两侧(lin c)(lin c)的浓度梯度所产生的化学电位差是合成ATPATP的

48、基本动力. .呼吸链中的递氢体的电子传递体在线粒体内膜内侧都有特定的位置和顺序, ,电子传递释放的自由能驱动H+H+从线粒体基质跨过内膜向内膜的外侧转移, ,就像一个质子泵一样把质子泵出内膜. .由于H+H+质子不能自由通过线粒体内膜, ,被转移出去的质子不能回到内膜内侧, ,内膜外侧的H+H+浓度高于内侧的H+H+浓度, ,形成H+H+浓度的跨膜梯度, ,使线粒体内外两侧(lin c)(lin c)形成化学电位差, ,这个电位差驱动H+H+通过ATPATP合酶的特殊通道回流到线粒体基质，同时释放出自由能推动ATPATP的合成 第51页/共73页第五十一页，共73页。 F0 F1 Cyt c

49、Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化学渗透假说化学渗透假说(ji shu)详细示意图详细示意图 化学化学(huxu)(huxu)渗透假说可以解释许多关键问题：氧化磷渗透假说可以解释许多关键问题：氧化磷酸化作用的进行需要完整、封闭的线粒体内膜；线粒体内酸化作用的进行需要完整、封闭的线粒体内膜；线粒体内膜对膜对H+H+、OH-OH-、K+K+和和C1-C1-等都不是通透的；电子传递所形成等都不是

50、通透的；电子传递所形成的电子流能够将的电子流能够将H+H+从线粒体基质泵到线粒体膜间隙；破坏从线粒体基质泵到线粒体膜间隙；破坏H+H+浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑制剂）都会破浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑制剂）都会破坏氧化磷酸化作用的进行。坏氧化磷酸化作用的进行。第52页/共73页第五十二页，共73页。 四、氧化(ynghu)磷酸化的解偶联剂和抑制剂 在正常情况下，电子传递和氧化(ynghu)磷酸化是相互偶联的。但在有些情况下，电子传递的磷酸化作用可被解偶联，不同的化学因素对氧化(ynghu)磷酸化作用的影响方式不同。根据影响方式的不同可分为三大类：化学解偶联剂、离子载体抑制

51、剂和氧化(ynghu)磷酸化抑制剂。 1、化学解偶联剂（chemical uncoupler） 这类试剂的作用是使电子传递和ATP形成两个过程分离。它只抑制ATP的形成过程，不抑制电子传递过程，导致电子传递释放的自由能都转变为热能，造成过分地利用O2和底物而能量得不到贮存。 第53页/共73页第五十三页，共73页。 典型的解偶联剂是2 2，4-4-二硝基酚（DNPDNP），其特点是呈弱酸性和脂溶性，在pH7pH7的环境下，DNPDNP离解出H+H+，以离子形式存在，这种形式不能透过膜；在酸性环境中，DNPDNP离子结合H+H+，以分子形式存在而变为脂溶性的，能够透过膜，同时将一个H+H+带入膜

52、内，起着消除跨膜质子电化学梯度的作用(zuyng)(zuyng)。这种破坏跨膜的H+H+浓度梯度而引起解偶联作用(zuyng)(zuyng)的试剂又称为质子载体。NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜线粒体内膜内内外外2,4-2,4-二硝基苯酚的解偶联作用二硝基苯酚的解偶联作用第54页/共73页第五十四页，共73页。第55页/共73页第五十五页，共73页。 2 2、离子载体抑制、离子载体抑制(yzh)(yzh)剂（剂（ionophore ionophore inhibitorinhibitor） 这是一类脂溶性物质，它们能与这是一类脂溶性物质，它们能

53、与K+K+、Na+Na+等结合并作为它们的载体将这些离子转运至膜内，中等结合并作为它们的载体将这些离子转运至膜内，中和线粒体基质中的负电荷，降低线粒体内膜内外的电和线粒体基质中的负电荷，降低线粒体内膜内外的电位梯度，减弱推动位梯度，减弱推动ATPATP形成的推动力，从而抑制形成的推动力，从而抑制(yzh)(yzh)氧化磷酸化作用。氧化磷酸化作用。 例如，缬氨霉素能够结合例如，缬氨霉素能够结合K+K+，形成脂溶性复合物，形成脂溶性复合物，穿过线粒体内膜，使得穿过线粒体内膜，使得K+K+很容易透过内膜；又如短杆很容易透过内膜；又如短杆菌肽可使菌肽可使K+K+、Na+Na+以及其他一些一价阳离子穿过

54、内膜。以及其他一些一价阳离子穿过内膜。因此，这类抑制因此，这类抑制(yzh)(yzh)剂是通过增强线粒体内膜对剂是通过增强线粒体内膜对一价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化作用。一价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化作用。第56页/共73页第五十六页，共73页。3 3、氧化磷酸化抑制剂、氧化磷酸化抑制剂 这这类试剂的作用特点是既抑类试剂的作用特点是既抑制氧的利用又抑制制氧的利用又抑制ATPATP的的合成，但不直接抑制任何合成，但不直接抑制任何电子传递体。由于它抑制电子传递体。由于它抑制了由电子传递的高能状态了由电子传递的高能状态合成合成ATPATP的过程，结果也的过程，结果也使电子传递不能继续进行。使

55、电子传递不能继续进行。寡霉素就属于这类抑制剂。寡霉素就属于这类抑制剂。实验实验(shyn)(shyn)表明，表明，解偶联剂可解除寡霉素对解偶联剂可解除寡霉素对氧利用的抑制作用。氧利用的抑制作用。33(10-12)2第57页/共73页第五十七页，共73页。 五、线粒体的穿梭系统 前面(qin mian)讨论的NADH呼吸链，其NADH脱氢酶位于线粒体内膜的内侧，只作用于线粒体基质的NADH，而细胞液中的NADH又不能直接穿过线粒体内膜进入呼吸链氧化。因此，需要通过一种间接途径，即穿梭系统来解决细胞液中NADH的氧化问题。不同真核生物细胞液中的NADH进入线粒体呼吸链的途径有所不同：一种为3-磷酸

56、甘油穿梭系统，另一种为苹果酸穿梭系统。第58页/共73页第五十八页，共73页。 1 1、3-3-磷酸甘油穿梭系统 在动物的骨骼肌、昆虫的飞行肌等组织细胞中，胞液中的NADHNADH经3-3-磷酸甘油脱氢酶催化将磷酸二羟丙酮还原为3-3-磷酸甘油，3-3-磷酸甘油扩散至线粒体内膜外表面，经内膜外侧(wi c)(wi c)的3-3-磷酸甘油脱氢酶（辅基为FADFAD）催化，脱氢生成磷酸二羟丙酮和FADH2FADH2，前者通过线粒体膜扩散返回到胞液中，完成了一次穿梭历程；后者（FADH2FADH2）将2H2H传递给CoQCoQ，使COQCOQ还原为COQH2COQH2，进入电子传递链，最后传递给O2

57、O2生成水，并形成ATPATP。其P/OP/O比为1.5,1.5,即生成1.51.5个ATPATP。 第59页/共73页第五十九页，共73页。 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间隙膜间隙 线粒体线粒体 基质基质3-3-磷酸甘油磷酸甘油 脱氢酶脱氢酶 呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O3-3-磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH3-3-磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统3-3-磷酸甘油磷酸甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮胞

58、液胞液第60页/共73页第六十页，共73页。 2 2、苹果酸穿梭系统、苹果酸穿梭系统 在动物在动物(dngw)(dngw)肝、肾和肝、肾和心脏等组织，细胞液中的心脏等组织，细胞液中的NADHNADH通过苹果酸通过苹果酸- -天冬氨酸穿天冬氨酸穿梭系统进入线粒体。在穿梭系统中，细胞液中的梭系统进入线粒体。在穿梭系统中，细胞液中的NADHNADH在胞液中的苹果酸脱氢酶（辅酶为在胞液中的苹果酸脱氢酶（辅酶为NAD+NAD+）催化下将草）催化下将草酰乙酸还原为苹果酸，酰乙酸还原为苹果酸，NADHNADH即氧化为即氧化为NAD+NAD+；苹果酸通；苹果酸通过载体蛋白的转运穿过内膜进入线粒体基质，在线粒过

59、载体蛋白的转运穿过内膜进入线粒体基质，在线粒体基质经苹果酸脱氢酶催化生成草酰乙酸和体基质经苹果酸脱氢酶催化生成草酰乙酸和NADHNADH；草；草酰乙酸不易透过线粒体内膜，但由草酰乙酸经过转氨酰乙酸不易透过线粒体内膜，但由草酰乙酸经过转氨基作用生成的天冬氨酸，可通过载体转运透过线粒体基作用生成的天冬氨酸，可通过载体转运透过线粒体内膜转移到细胞液中，随后再通过转氨基作用又转变内膜转移到细胞液中，随后再通过转氨基作用又转变为草酰乙酸。经过这种穿梭系统在线粒体基质中生成为草酰乙酸。经过这种穿梭系统在线粒体基质中生成的的NADHNADH进入进入NADHNADH电子传递链，氧化生成水并形成电子传递链，氧化

60、生成水并形成ATPATP，其其P/OP/O比为比为2.52.5。第61页/共73页第六十一页，共73页。NADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH +H+ NAD+ 谷氨酸谷氨酸- -天冬氨酸天冬氨酸 转运体转运体苹果酸苹果酸- - -酮酮 戊二酸转运体戊二酸转运体 -OOC-CH2-C-COO-OHH苹果酸苹果酸 -OOC-CH2-C-COO-O草酰乙酸草酰乙酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O- -酮戊二酸酮戊二酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H谷氨酸谷氨酸 苹果