医学生物化学-06课件

第六章生物氧化第一节ATP与其他高能化合物第二节氧化磷酸化第三节还原当量与ATP的转运第四节其它的氧化体系自由能(G)：指一个反应体系中能够做功的那部分能量。自由能的变化(ΔG)：产物的自由能与反应物的自由能之差，与反应转变过程无关。标准自由能的变化(ΔG0)：298K（250C），101.3KPa，反应物浓度为1mol/L。生化反应中标准自由能的变化(ΔG0’)：298K，101.3KPa，反应物浓度为1mol/L，pH=7。如A+BC+DΔG=(GC+GD)-(GA+GB)ΔG=ΔG0+RTln[C][D]/[A][B]ΔG<0ΔG=0ΔG>0反应达到平衡反应自发进行反应不能自发进行R=气体常数（8.314焦耳/升•摩尔），T=250C或298K的绝对温度糖原脂肪蛋白质葡萄糖脂肪酸甘油氨基酸乙酰CoAⅠⅡⅢTCA营养物分解代谢的三个阶段ATP与高能磷酸键高能磷酸键ATP+H2OADP+PiΔG0’=-30.5KJ/molADP+H2OAMP+PiΔG0’=-30.5KJ/molAMP+H2O腺苷+PiΔG0’=-14.2KJ/mol高能磷酸键：生化中把磷酸化合物水解时释出的能量＞20KJ/mol者所含的磷酸键称高能磷酸键，常用~P表示，含有高能键的化合物称为高能化合物。磷酸酐烯醇磷酸PEP混合酐（酰基磷酸）1,3-BP-甘油酸磷酸胍类磷酸肌酸高能硫酯键乙酰CoA提供合成代谢或分解代谢

初始阶段所需的能量G+ATPG-6-P+ADP脂酸+CoA+ATP脂酰~CoA+AMP+PPi氨基酸+ATP氨基酰~AMP+PPi供给机体生命活动所需的能量生成核苷三磷酸（NTP）将高能磷酸键转移给肌酸以

磷酸肌酸形式储存ATP的生成方式底物水平磷酸化：代谢物脱氢与ADP（或GDP）的磷酸化相偶联。共3个反应。氧化磷酸化：代谢物脱下的氢经电子传递链与氧结合成水的同时，逐步释放出能量，使ADP磷酸化为ATP的过程。底物水平磷酸化它们都通过底物脱H、H2O、CO2形成高能键，并直接转移给ADP或GDP形成ATP或GTP（没有经过呼吸链）线粒体主要功能：氧化营养物，生成ATP。结构外膜：通透性较高内膜：对物质的通过有严格选择性内膜高度折叠形成嵴膜间腔基质线粒体结构线粒体结构模式图线粒体嵴的分子组成氧化磷酸化的基本机制来自中间代谢物的还原当量(NADH或FADH2)经电子传递链传递给氧生成水时，释放出大量的能量(NADH：ΔG0’=-221.5KJ/mol，FADH2：ΔG0’=-171.4KJ/mol)，这部分能量可推动ADP与Pi合成ATP。电子传递链（呼吸链）概念：线粒体内膜上存在由多种酶和辅基组成的传递H和电子的反应链，它们按一定顺序排列，称电子传递链(或呼吸链)（electrontransferchain或respiratorychain）。电子传递链的组成电子传递链的顺序电子传递链中生成ATP的部位质子梯度的形成机制一、电子传递链的组成从线粒体内膜上分离到四种酶复合体及辅酶Q(CoQ)和细胞色素(Cyt)。复合体Ⅰ：NADH-CoQ还原酶复合体Ⅱ：琥珀酸-CoQ还原酶复合体Ⅲ：CoQ-细胞色素C还原酶复合体Ⅳ：细胞色素氧化酶NADH呼吸链：由复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ及CoQ、Cyt组成FADH2呼吸链：由复合体Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及CoQ、Cyt组成铁硫蛋白铁硫簇(Fe4S4)功能：单电子传递体呼吸链的几乎每个过程都有Fe-S参与，有9种。含非血红素铁和对酸不稳定的硫。主要分布在线粒体内膜上，它与NAD+或NADP+共同组成复合体，参与电子传递：Fe3+←→Fe2+，而且两个Fe离子中只有一个参与，所以是单电子传递泛醌（CoQ）是脂溶性醌类化合物，由于在生物中广泛存在，所以也称泛醌。它处于呼吸链的中心枢纽，也是中间传递体复合体Ⅲ：CoQ-细胞色素C还原酶功能：将电子从CoQ传递给Cytc组成：Cytb、Fe-S、Cytc1细胞色素(Cyt)：含铁卟啉辅基的有色蛋白，分a、b、c三类，每类中又分几种亚类。细胞色素功能：单电子传递体细胞色素为有色蛋白，有效成分是辅基铁噗啉。主要存在有氧呼吸的细胞中。根据光吸收带不同分为：Cytb，c1，c，aa3等。辅基中的Fe起传递电子作用：Fe3+←→Fe2+由于Cytaa3靠近O2，故称为Cyt氧化酶，也称Cyt末端氧化酶复合体Ⅳ：细胞色素氧化酶功能：将电子从Cytc最终传递到O2组成：Cyta、Cyta3、Cu复合体Ⅱ：琥珀酸-CoQ还原酶功能：将电子从琥珀酸传递给CoQ辅基：FAD、Fe-S、Cytb560NADH呼吸链:FADH2呼吸链:二、还原电位与电子传递链的顺序电子传递链中各组分的顺序由还原电位决定电子传递方向：(还原电位)低高标准还原电位：将一个半反应体系与一个标准氢电极(pH7)相连所测的还原电位。原电池正极负极Zn电极标准电极势：-0.763VCu电极标准电极势：+0.34V半反应ΔE0’（V）2H++2eH2-0.41NAD++2H++2eNADH+H+

-0.32FMN+2H++2eFMNH2-0.30FAD+2H++2eFADH2-0.06CoQ+2H++2eCoQH20.04(或0.10)Cytb(Fe3+)+eCytb(Fe2+)0.07Cytc1(Fe3+)+eCytc1(Fe2+)0.23Cytc(Fe3+)+eCytc(Fe2+)0.25Cyta(Fe3+)+eCyta(Fe2+)0.29Cyta3(Fe3+)+eCyta3(Fe2+)0.55O2+2H++2eH2O0.82电子传递链的顺序:测定各种电子传递体标准氧化还原电位（E0’

，pH7.0，25℃）的数值，由此来确定排列顺序。根据生物中各种反应物对电子的亲和力可判断它们易被氧化或易还原：电位势越低，越易失去电子：NAD+/NADH=-0.32（最小），O2/H2O=+0.82（最大）三、电子传递链中生成ATP的部位实验证据根据电化学计算能量释放结果，确定偶联部位：pH7.0、25℃下测出标准电位差E’0。能级不同，E’0就不同。电位差与能量关系：能量=电位差×电量

△G=nF△E（△G’=nF△E’0）△G：反应的自由能；n：电子转移数；F：法拉第常数（96500库仑，或23.062千卡/mol）；△E：电位差值P/O比值：每消耗molO2所消耗无机磷酸的mol数（即合成ATP的mol数）

氧化磷酸化的全过程：

NADH+H++3ADP+3Pi+1/2O2→NAD++4H2O+3ATP（1）放能反应：

NADH+H++1/2O2→NAD++H2O△E’0=0.82-(-0.32)=1.14V(1/2O2/H2O=0.82)△G0’=-2×23.062×1.14=-52.7千卡/mol（能量释放）（2）吸能反应：

3ADP+3Pi=3ATP+3H2O

△G0’=3×7.3=+21.9千卡/mol（每个ATP水解释放7.3千卡/mol能量）21.9/52.7×100%=42%（绝大多数能量未被吸收）

由此分析各阶段的自由能变化：

NADH→CoQ：△G0’=-2×23.062×0.33=

-15.2千卡/mol

CoQ→cytc：△G0’=-2×23.062×0.21=-9.7千卡/mol

Cytaa3→O2：△G0’=-2×23.062×0.53=

-24.4千卡/mol

产生一个ATP为吸收7.3千卡/mol，所以第一、二步可以产各一个ATP，而第三步的大部分能量以放热方式释放掉。NADHO2可合成3分子ATP

离体线粒体的P/O比值底物电子传递链P/O比值生成ATP数β羟丁酸NADHFMNCoQbc1caa3O23.03琥珀酸

FADCoQbc1caa3O22.02维生素C

Cytcaa3O21.01四、氧化磷酸化作用机理（1）化学偶联假说：最早的假说，也称活性中间产物学说。一是电子传递产生的能量是通过一个共同的化学中间产物转移到ATP分子中。

AH2+B+C←→A~C+BH2A~C+Pi+ADP←→A+C+ATP例如：

G-3-P→1,3-二磷酸甘油酸（一个高能键）

磷酸烯醇式丙酮酸（一个高能键）

琥珀酰CoA（一个高能键）到目前为止，高能中间产物尚未分离到；这不要求膜的完整性，而氧化磷酸化需要膜的完整性。（2）构象偶联假说：①

电子传递产生的能量的储存是通过一种电子传递蛋白或叫偶联因子（F1ATP酶）分子的构象变化实现的；②

这种高能构象状态的产生是维持蛋白质三维构象的弱键位置和数目发生变化的结果；③

这些弱键的数目和位置的变化是由能量变化引起的。这种高能结构中的能量即提供给ADP和Pi形成ATP，同时能量携带蛋白又可逆地回到原来低能状态。（3）化学渗透偶联假说：①在电子传递和ATP形成之间起偶联作用的是H+电化学梯度；②在偶联过程中，线粒体内膜必须是完整的、封闭的，才能发挥作用；③H+不能自由通过线粒体内膜，需要“氧泵”的作用，促使基质中的H+穿过线粒体内膜；泵出内膜外侧的H+不能自由返回膜内侧，因而内膜外侧的H+浓度高于内侧，造成H+浓度的跨膜梯度，使原有的外正内负的跨膜电位增高，这个电位差就包含着使ADP→ATP的能量（渗透能）；④由电子传递“泵”出的H+通过F0F1ATP酶分子上的特殊通道又流回线粒体基质时，释放出的自由能的反应和ATP的合成反应相偶联。质子梯度的形成机制化学渗透假说五、影响氧化磷酸化的因素氧化磷酸化主要受ADP的调节抑制剂1、呼吸链抑制剂

能阻断呼吸链中某些部位电子传递。如鱼藤酮（rotenone）、粉蝶霉素A（piericidinA）及异戊巴比妥（amobarbital）等与复合体I中的铁硫蛋白结合，从而阻断电子传递。2、解偶联剂（uncoupler）

使氧化与磷酸化偶联过程脱离。二硝基苯酚（dinitrophenol，DNP），其作用是增加内膜对H+的通透性，破坏跨膜梯度的形成。3、氧化磷酸化抑制剂

对电子传递及ADP的磷酸化均有抑制作用既抑制氧的利用，又抑制ATP的形成。但不直接抑制电子传递链上载体的作用。如寡霉素（oligomycin）第三节还原当量与ATP的转运通过线粒体内膜的物质转运还原当量的转运α-磷酸甘油穿梭：脑、心肌、骨骼肌苹果酸-天冬氨酸穿梭：脑、心肌、肝、红肌ATP、ADP、Pi的转运线粒体内膜的主要转运载体载体胞液线粒体基质α-酮戊二酸载体苹果酸α-酮戊二酸酸性氨基酸载体谷氨酸天冬氨酸腺苷酸载体ADPATP磷酸盐载体H2PO4-、H+H2PO4-、H+丙酮酸载体丙酮酸OH-三羧酸载体苹果酸柠檬酸碱性氨基酸载体鸟氨酸瓜氨酸肉毒碱载体脂酰肉碱肉碱α-磷酸甘油穿梭（单向）α-P甘油穿梭中α-P甘油起了一个运转H的载体作用。该过程进入呼吸链中的CoQ，故少了FMN的步骤，所以说是走了一个短路；通过该穿梭，一对氢原子只能产生2分子ATP苹果酸-天冬氨酸穿梭（双向）苹果酸天冬氨酸穿梭中，胞质中的NADH的H以草酰乙酸为载体，经过苹果酸中间体而转给线粒体中的NAD+通过该穿梭，一对氢原子可产生3分子ATP转氨作用ATP、ADP、Pi的转运本小节要求熟悉ATP与其他高能化合物，ATP的生成与利用方式；掌握氧化磷酸化的概念、电子传递链的顺序、生成ATP的部位；熟悉电子传递链的组成及氧化磷酸化的调节；了解质子梯度形成机制及ATP合成机制。熟悉还原当量的转运；了解ATP、ADP和Pi的转运机制。第四节其它氧化体系一、需氧脱氢酶和氧化酶需氧脱氢酶:催化底物脱氢并以氧为受氢体,反应产物为H2O2。氧化酶：直接利用氧为受氢体催化底物氧化，辅基含有铜离子，产物有H2O。如细胞色素C氧化酶、抗坏血酸氧化酶。二、过氧化物酶体中的氧化酶类过氧化氢酶（catalase）又称触酶，其辅基含4个血红素，催化反应：

2H2O22H2O+O2过氧化物酶：（perioxidase）也以血红素为辅基：

R+H2O2RO+H2O三、超氧物歧化酶（SOD）呼吸链电子传递过程中可产生超氧离子（）其化学性质活泼,可使磷脂分子中不饱和脂肪酸氧化生成过氧化脂质,损伤生物膜；过氧化脂质与蛋白质结合形成的复合物，积累成棕褐色的色素颗粒，称为脂褐素，与组织老化有关。SOD是人体防御内、外环境中超氧离子损伤的重要酶。四、微粒体中的氧化酶类一、加单氧酶（monoxygenase）催化一个氧原子加到底物分子上，另一个氧原子被氢还原成水，又称混合功能氧化酶或羟化酶（hydroxylase）。

RH+NADPH+H++O2ROH+NADP++H2O细胞色素P450（CytochromeP450CytP450）属Cytb类，与CO结合后在450nm处出现最大吸收峰。⑥⑤④③②①RHR-OHH2O2H+O22eNADP+((FeS)2((FeS)2-FADH2FADH++NADPHFe3+P450RHFe3+P450O2-Fe2+P450RHO2-Fe3+P450RHO2Fe2+P450RHFe2+P450RH测试题A、磷酸酐型B、混合酐型C、烯醇磷酸型D、磷酸胍类型E、硫酯型 磷酸肌酸中高能键为: 琥珀酰CoA中的高能键为: UTP中的高能键为:（D）（E）（A）测试题A、含高能磷酸键B、含一般磷酸键C、两者都有D、两者都没有AMPGDP丙酮酸磷酸肌酸（B）（C）（D）（A）测试题关于三羧酸循环的叙述正确的是：A、循环一周可生成4分子NADHB、循环一周可使2个ADP磷酸化成ATPC、丙二酸可抑制延胡索酸转变成苹果酸D、琥珀酰CoA是α–酮戊二酸氧化脱羧的产物（D)测试题下列关于乙酰CoA的叙述错误的是：A、*CH3CO～SCoA经三羧酸循环一周后，*C出现于CO2B、它是丙酮酸羧化酶的变构激活剂C、从丙酮酸生成乙酰CoA是不可逆的D、乙酰CoA不能通过线粒体E、乙酰CoA含高能键（A）测试题三羧酸循环的酶均存在于线粒体基质，除了:A、柠檬酸合成酶B、延胡索酸酶 C、琥珀酰CoA合成酶D、琥珀酸脱氢酶 E、顺乌头酸酶（D）测试题三羧酸循环和有关呼吸链反应中能产生ATP最多的步骤是：A、柠檬酸——→异柠檬酸B、异柠檬酸——→α-酮戊二