生物化学 第十章 生物氧化课件

第十章生物氧化维持生命活动的能量来源光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。化学能：动物和多数微生物，通过生物氧化作用将有机物质存储的化学能释放出来，并转变成生物能（ATP传递）。ATP生成形式光和磷酸化非氧化磷酸化氧化磷酸化（呼吸链氧化磷酸化底物氧化磷酸化）脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位

生物体内能量产生的三个阶段生物氧化的特点1、酶促氧化过程、反应条件温和2、氧化与还原相偶联3、质子和电子由载体传递到氧生成水4、分步进行：有利于提高能量利用率5、氧化磷酸化一、氧化—还原电势锌片溶解Zn2+进入溶液铜沉积Cu2+得电子e提供电子（还原剂）负极得到电子（氧化剂）正极标准氢电极的电极势为0，25℃、1大气压氢压力、H+活度为1M、pH=0每个电极都有自己的标准电极势，有的为正，有的为负。锌电极为---0.76铜电极为+0.34将任何一对氧化还原物质的氧化还原对连在一起，都有氧化还原电位的产生。如果将氧化还原物质与标准氢电极组成原电池，即可测出氧化还原电势。标准氧还原电势用E°表示。E°值愈大，获得电子的倾向愈大；E°愈小，失去电子的倾向愈大化学反应自由能的变化和

氧化-还原电势的关系氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：

ΔG°′=－nFΔE°′

ΔE°′=E0正极—E0负极NADH+H++1/2O2====NAD++H2O

正极反应：1/2O2+2H++2e

H2O

E+°′

0.82负极反应：NAD++H++2eNADH

E-°′-0.3ΔG°′-nFΔE°′

-2×96485×[0.82-(-0.32)]

-220KJ·mol-1

线粒体二、电子传递和氧化呼吸链（一）电子传递过程按照电子的亲和力递增的顺序传递电子的传递仅发生在相邻传递体之间E0’决定电子流动方向（三）电子传递链（四）电子传递链的组成成分

1、NADH-Q还原酶（NADH脱氢酶、复合体Ⅰ）电子传递：NADHFMNFe-SCoQ铁硫蛋白（Fe-S）

（非血红素蛋白）与电子传递有关与其他递氢体或电子传递体结合成复合物存在（四）电子传递链的组成成分2、辅酶Q

（CoQ、Q、泛醌）不同种类CoQ侧链异戊二烯基数目不同脂溶性辅酶、可在脂双层中扩散与蛋白质结合不紧密灵活的电子载体辅酶-Q的功能还原成QH2氧化成Q电子和质子的传递体CoQ和电子传递体的碰撞是电子传递的前提和条件（四）电子传递链的组成成分3、琥珀酸—Q还原酶（复合体Ⅱ）

嵌在线粒体内膜（包括琥珀酸脱氢酶）电子传递：FADH2Fe-SCoQUbiquinone(Q)acceptselectronsfrombothNADHandFADH2intherespiratorychainMoviecomplex2（四）电子传递链的组成成分4、细胞色素还原酶（复合体Ⅲ）cytochrome,Cyt是含铁的Pr以血红素为辅基电子传递蛋白还原型Cyt有光谱吸收现象通过Fe3+

Fe2+互变起传递电子的作用电子传递：CoQCytcCyta：辅基是血红素ACytb：------------------BCytc：------------------C——卟啉的侧链基团不同Cyt的铁卟啉一般以非共价键与酶蛋白结合Cytc例外，以硫醚键共价结合ReducedcytochromeshasthreeabsorptionbandsinthevisiblewavelengthsCyta:~600nmCytb:~560nmCytc:~550nm细胞色素还原酶（CoQ-细胞色素c还原酶）Cytb562/bHCytb566/bLCytc1Cytb硫醚键c型Cytb型Cyt为乙烯基所处多肽环境不同Cytochromebc1complex(complexIII)（四）电子传递链的组成成分5、细胞色素c（cytc）单一多肽链易溶于水与Cytc1含相同辅基，但蛋白组成不同无血红素Cytc（细胞溶胶）内外膜间隙（Cytc合成酶）

成熟Cytc（构象变化）线粒体外膜通道×Cytc功能：传递电子复合体Ⅲ复合体ⅣQ循环Moviecomplex3（四）电子传递链的组成成分6、细胞色素氧化酶（Cytc氧化酶、复合体Ⅳ）位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物活性部分主要包括cyta和a3Cytaa3复合体(细胞色素c氧化酶)除含2个铁卟啉，还含2个铜原子(Cu+

Cu2+)Thethreecriticalsubunitsofcytochromeoxidase

Cua-CuA聚族a3-CuB聚族Moviecomplex4Movieaswhole（五）电子传递抑制剂——阻断呼吸链中某部位电子传递的物质；氧化作用受阻、能量释放减少鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素阻断电子由NADH向CoQ的传递；抗霉素A抑制电子从Cytb到Cytc1的传递；氰化物、叠氮化物、CO等阻断电子由Cytaa3传递到氧OxidizedReducedReducedOxidizedReducedElectroncarriersmayhaveanorderofincreasingE`0从NADH到分子氧每一电子传递体得电子的倾向逐渐增大kineticsofoxidation.三、氧化磷酸化作用代谢物的氧化（脱氢）作用与ADP的磷酸化反应偶联生成ATP的过程。部位：线粒体内膜（真核）胞浆膜（原核细胞）数目、形状因细胞而异底物磷酸化没有氧的参与分子内部所含能量重新分配，生成高能磷酸键也称代谢物水平磷酸化（一）线粒体膜的结构特点两层膜结构：外膜和内膜

外膜平滑、有弹性

内膜有许多向内折叠的突起（嵴）

外膜脂质多、密度小

内膜Pr含量高、密度稍大

对代谢物的通透性不同、酶的分布不同（二）氧化磷酸化的偶联机制1、ATP的合成部位NADH氧化过程中有三个反应G’值大于30.5kJ/molNADHFMNcytbcytc1cytaa3

O2-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/mol复合物ⅣCytc氧化酶复合物Ⅲ泛醌Cytc还原酶

复合物ⅠNADH脱氢酶NADH+H++½O2H2O+NAD+ΔG°'=-220kJ/mol电子通过线粒体呼吸链传递到O2的过程中，释放出大量能量；这种电子传递过程的释能反应与ADP和磷酸合成ATP的需能反应相偶联，是ATP形成的基本机制。从NADHO2产生2.5个ATP从FADH2

O2产生1.5个ATPP/O比值—消耗1摩尔氧有多少无机磷转化为有机磷—一对电子经呼吸链传至氧所产生的ATP分子数

反映氧化磷酸化的效率化学偶联假说构象偶联假说化学渗透假说2、有关氧化磷酸化机理的几种假说

（1）化学偶联假说（1953年）（掌握要点）chemicalcouplinghypothesis

认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的化学反应形成高能共价中间物，最后将其能量转移到ADP中形成ATP。AH2+B+I-OHAI+BH2+OH-AI+X-H+OH-

X

I+A+H2O

XI+P-OHXP+I-OH

XP+ADPATP+X-HAH2+B+ADP+P-OHA+BH2+ATP+H2O

（2）构象偶联假说（1964）

conformationalcouplinghypothesis

认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能构象，这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。迄今未能分离出这种高能蛋白质。但在电子传递过程中蛋白质组分的构象变化还是存在的。

（3）化学渗透假说：a.线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵b.电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧（内膜对H+是不通透的），在膜内外侧产生了跨膜质子梯度和电位梯度c.

在膜内外势能差的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP合酶组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP超声波处理嵴重新封闭形成亚线粒体泡内膜外翻尿素胰蛋白酶保留电子传递功能丧失合成ATP功能氧化磷酸化恢复①线粒体内膜组份完整②电子传递伴随质子泵出③质子梯度破坏引起氧化磷酸化解偶联④TheartificiallyimposedprotongradientalonewasfoundtodriveATPsynthesis!支持化学渗透假说的实验证据：氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。线粒体内膜对H+OH-K+

Cl-都是不通透的。破坏H+

浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑制剂）必然破坏氧化磷酸化作用的进行。线粒体的电子传递所形成的电子流能够将H+

从线粒体内膜逐出到线粒体膜间隙。大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质子，并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。迄今未能在电子传递过程中分离出一个与ATP形成有关的高能中间化合物，亦未能分离出电子传递体的高能存在形式。

H+如何通过电子传递链“泵”出的？（三）质子梯度的形成（耗能过程）（四）ATP合成机制——ATP酶复合体线粒体内膜表面有一层规则地间隔排列着的球状颗粒，称为ATP酶复合体/ATP合酶，是ATP合成的场所。结构：头部：ATP合酶（F1）柄部：棒状Pr，对寡霉素敏感（OSCP）基底部：疏水Pr，与内膜连接（FO）头部含5种不同的亚基（3、3、1、1

、1

）OSCP是能量转换通道F0与线粒体电子传递系统连接（质子通道）Movie

ATPsyntheseThe18Oexperiment:TheG`0forATPsynthesisonpurifiedF1

isclosetozero!

(PaulBoyer)无质子梯度质子梯度的作用：不是形成ATP；而是使ATP从酶分子释放结合变化机制（binding-changemechanism）O：开放形式，对底物亲和力极低L：与底物结合松弛，无催化能力T：与底物结合紧密，有催化活性线粒体ATP酶(五)线粒体两条呼吸链NADH氧化呼吸链——细胞内主要的呼吸链FADH2氧化呼吸链由琥珀酸脱氢酶复合体、CoQ和Cyt组成

FAD、Fe-S、Cytb558需要氧的参与；消耗氧、ADP和无机磷酸生成ATP；

电子传递水平的磷酸化线粒体呼吸链1、解偶联剂（uncoupler）——使电子传递和ATP形成两个过程分离；不抑制电子传递，只抑制ATP形成；使电子传递所产生的自由能变为热能；