生物化学生物氧化课件

1第一节生物氧化一概念生物氧化（biologicaloxidation）:糖、脂类、蛋白质等有机物在细胞内经过一系列氧化分解最终彻底氧化成CO2和H2O并释放能量的过程。又形象称为细胞呼吸或细胞氧化或组织呼吸（氧化产能伴有ATP的生成，氧的消耗和CO2的释放）。2二场所真核生物：主要在线粒体原核生物：细胞质膜3四特点反应条件：恒温（体温，37℃），近中性PH，有水环境，细胞内酶催化（包括辅酶），有中间产物生成，氢需经过传递（传递体）才能与O2结合形成H2O能量逐步释放，主要以生成ATP方式储存能量，为生物体利用需要O2，最终产物CO2由有机物氧化的中间产物经脱羧反应（分为直接脱羧基、氧化脱羧基，分别可以α-、β-脱羧）而生成。5五与体外燃烧的比较结果相同：消耗氧气生成二氧化碳和水，同时释放能量生成方式不同：H2O形成方式，CO2形成方式，能量释放方式，反应条件67呼吸链发生的部位：

线粒体内膜（真核生物）9线粒体的结构10二.呼吸链的组成成分和作用尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)又称辅酶I(CoI)，或尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)，又称辅酶Ⅱ(CoⅡ)。NAD+为体内很多脱氢酶的辅酶，是连接作用物与呼吸链的重要环节，分子中除含尼克酰胺(维生素PP)外，还含有核糖、磷酸及一分子腺苷酸(AMP)，其结构如下：11NAD+腺苷酸部分中核糖的2′位碳上羟基的氢被磷酸基取代而成NADP+，结构如下：13

作用分子结构特点：在生理pH条件下，尼克酰胺中的氮(吡啶氮)为五价的氮，它能可逆地接受电子而成为三价氮，与氮对位的4位碳也较活泼，能可逆地加氢还原，故可将NAD+视为递氢体。反应时，NAD+的尼克酰胺部分可接受一个氢原子及一个电子.作用：脱氢（激活氢）递氢（可逆作用，传递给黄素蛋白）142.黄素蛋白(flavoproteins)黄素蛋白是一种脱氢酶，种类很多，其辅基有两种，一种为黄素单核苷酸(FMN)，另一种为黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，两者均含核黄素(维生素B2)，此外FMN尚含一分子磷酸，而FAD则比FMN多含一分子腺苷酸(AMP)，其结构如下：15

作用分子特点：在FAD、FMN分子中的异咯嗪部分1和10位的氮可以进行可逆的脱氢加氢反应，接受一对氢原子而变成还原型FMNH2或FADH2。作用：FMN——递氢FAD——脱氢，递氢173.铁硫蛋白(iron-sulfurproteins,Fe-S)常见的铁硫蛋白有三种组合方式18194.泛醌(ubiquinone,UQ或Q)

21作用分子结构特点：泛醌接受一个电子和一个质子还原成半醌QH，再接受一个电子和质子则还原成二氢泛醌QH2，后者又可脱去电子和质子而被氧化恢复为泛醌。作用：递氢，递电子225.细胞色素体系（cytochromes,Cyt）根据吸收光谱的不同可分为三类,即细胞色素a,b,c（Cyta,Cytb，Cytc）。线粒体的电子传递至少含有五种不同的细胞色素：称为细胞色素b、c、c1、a、a3。细胞色素b、c、c1辅基为血红素。细胞色素a、a3不易分开，统称为细胞色素aa3，其辅基为修饰过的血红素，称为血红素A，唯一可将电子直接传递给氧的细胞色素，因此又称为细胞色素氧化酶。23作用分子结构特点：铁卟啉辅基所含Fe2+可有Fe2+Fe3++e的互变，进行可逆的氧化还原反应，为单电子传递体。作用：递电子25

在呼吸链中不同的电子传递体都和蛋白质结合存在。NAD是许多脱氢酶的辅酶。FMN是NADH脱氢酶的辅酶。辅酶Q本身不是蛋白质，但是与一种以上的蛋白质相结合而起作用。与呼吸链中递电子体相结合的蛋白质都是水不溶性的，真核细胞中这些蛋白质镶嵌在线粒体的内膜上。26复合体酶名称多肽链数辅基复合体ⅠNADH-泛醌还原酶39FMN，Fe-S复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶4FAD，Fe-S复合体Ⅲ泛醌-细胞色素c还原酶10铁卟啉，Fe-S复合体Ⅳ细胞色素c氧化酶13铁卟啉，Cu29

复合体Ⅰ：从NAD+到泛醌间的组分，又称NADH-泛醌还原酶整个复合体嵌在线粒体内膜上，其NADH结合面朝向线粒体基质，从而能与基质内经脱氢酶催化产生的NADH+H+相互作用。NADH脱下的氢经复合体Ⅰ中FMN、铁硫蛋白等传递给辅酶Q，与此同时伴有质子从线粒体基质转移到线粒体外。30

复合体Ⅱ：琥珀酸到泛醌间，又称琥珀酸-泛醌还原酶它是三羧酸循环中唯一的膜结合蛋白质，至少含有4种不同的蛋白质，其中一种蛋白质通过共价结合一个FAD和一个铁硫蛋白，还原当量（2H）从琥珀酸到FAD，然后经铁硫蛋白传递给辅酶Q。31

泛醌：分子较小，不与任何蛋白结合，在线粒体内膜呼吸链不同组分间可以穿梭游动传递电子，接受复合物Ⅰ或Ⅱ的氢后将质子（H+）释放入线粒体基质中，将电子传递给复合物Ⅲ。32

复合物Ⅲ：泛醌到细胞色素c间，又称泛醌-细胞色素c还原酶含细胞色素b、Cytc1、铁硫蛋白及其他多种蛋白质。复合物Ⅲ在泛醌和Cytc间传递电子，同时质子从线粒体基质转移到线粒体外。33

Cytc：分子量较小，与线粒体内膜结合疏松，是除泛醌外另一个可在线粒体内膜外侧移动的递电子体。34复合物Ⅳ：Cytaa3，又称细胞色素c氧化酶，以复合物存在，含有两个必需的铜原子。铜在氧化还原中也发生价态变化，一价铜和二价铜之间的变换。电子从细胞色素c通过复合体Ⅳ到氧，同时引起质子从线粒体基质向膜间隙移动。35

所以，代谢物氧化后脱下的氢及电子通过以上呼吸链四个复合体的传递顺序为：从复合体Ⅰ或Ⅱ开始，经UQ到复合体Ⅲ，通过Cytc到复合体Ⅳ再到氧，这样活化了的氧和活化了的氢结合成水。36

胞液侧CytcⅠ线粒体内膜QⅢⅣⅡ

基质侧

NADHFADH2O23738四.两条呼吸链NADH电子传递链SH2NAD+FMNH2Q2CytFe3+½O2b-c1-c-aa3

SNADHFMNQH22CytFe2+O2-

2H+FAD电子传递链2H+SH2FADQH22CytFe3+O2-

SFADH2Q2CytFe2+½O2

39第三节生物氧化和能量代谢一高能化合物和高能磷酸化和物1.高能化合物体内的ATP等有机化合物在水解时可释放出大量自由能，通常称为高能化合物或富含能量的物质。换言之，所谓高能化合物是指化合物进行水解反应时伴随的标准自由能变化（ΔG0’）等于或大于ATP水解成ADP的标准自由能变化的化合物。在PH7.0条件下，ATP水解为ADP和磷酸时，其ΔG0’为-30.5KJ/mol。40

2.高能磷酸化合物高能化合物水解的是磷酸酯键（用“~P”表示）称为高能磷酸化合物，释放能量较多，大于21KJ/mol，如ATP、ADP、1，3-二磷酸甘油酸、磷酸肌酸。413.高能硫酯化合物高能化合物由酰基和硫醇基构成，称为高能硫酯化合物，如乙酰CoA，脂酰CoA和琥珀酸CoA等。424.ATP循环43二ATP的生成方式1.底物水平磷酸化（substratelevelphosphorylation）底物分子发生化学变化（脱水或脱氢），使分子内部能量重新分布形成高能磷酸键伴有ADP磷酸化生成ATP的作用称为底物水平磷酸化，与呼吸链的电子传递无关。形成ATP在体内所占比例很小。44452.氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）氧化是底物脱氢或失电子的过程，电子沿呼吸链向氧传递的过程中，逐步释放能量——氧化放能；而磷酸化是ADP与Pi合成ATP的过程——磷酸化吸能；这种氧化与磷酸化两个过程紧密地偶联在一起形成ATP的过程就是氧化磷酸化。氧化是磷酸化的基础，而磷酸化是氧化的结果。如果只有代谢物的氧化过程，而不伴随有ADP的磷酸化过程，则称为氧化磷酸化的解偶联（uncoupling）.46三.ATP在呼吸链中形成的部位即氧化磷酸化的偶联部位，确定方法有：1.P/O比值测定P/O比值指在一定时间内，氧化磷酸化过程中消耗一摩尔氧所消耗的无机磷的摩尔数，或者说消耗一摩尔氧所生成的ATP的摩尔数。47如β-羟丁酸的氧化通过NADH进入呼吸链，P/O比值接近于3，产生3分子ATP。琥珀酸氧化是通过FAD进入呼吸链，P/O比值接近于2，产生2分子ATP。所以表明NADH和UQ之间存在偶联部位。同样，确定了UQ和Cytc，Cytc和分子氧之间也存在偶联部位。48线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值底物呼吸链的组成P/O比值生成ATPβ–羟丁酸NAD+→FMN→Q→Cyt→O22.4-2.83琥珀酸FAD→Q→Cyt→O21.72抗坏血酸Cytc→Cytaa3→O20.881Cytc（Fe2+）Cytaa3→O20.61-0.68149

NADH→FMN（Fe-S）→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2

FAD（Fe-S）ATPATPATP50

2.根据氧化还原电位计算电子传递释放的能量即标准自由能变化是否能满足ATP合成的需要，大于-30.5kJ/mol51四．氧化磷酸化的作用机理。1.氧化磷酸化中ATP生成的结构基础ATP是位于线粒体内膜上的ATP合成酶催化ADP与Pi合成的。5253

疏水F0，亲水F1——F0F1复合体九条多肽亚基：α3、β3、γ、δ、εβ与α亚基上有ATP结合部位γ亚基具有质子通过的闸门作用δ亚基是F1与膜相连所必需的，中心部分为质子通道ε亚基是酶的调节部分F0亚基主要构成质子通道，由3-4个大小不一的亚基所组成，其中一个亚基称为寡霉素敏感蛋白，就是OSCP542.氧化磷酸化有三种假说：化学偶联假说chemicalcouplinghypothesis

构象偶联假说conformationalcouplinghypothesis

化学渗透假说chemiosmotichypothesis

55化学渗透假说（chemiosmotichypothesis）的基本观点是：1.线粒体内膜中电子传递与线粒体释放H+是偶联的。2.形成跨膜电位△Ψ和PH梯度△PH，底物氧化过程中释放的自由能就储存于△Ψ和△PH中。3.H+顺浓度梯度方向运动所释放的自由能用于ATP合成。5657

总之，化学渗透学说认为在氧化和磷酸化之间起偶联作用的因素是H+的跨膜浓度梯度。58五氧化磷酸化作用的抑制剂氧化磷酸化抑制剂可分为四类，即呼吸链抑制剂、磷酸化抑制剂、解偶联剂以及离子载体抑制剂。59

1.呼吸链抑制剂，也称电子传递抑制剂，抑制呼吸链的电子传递，使氧化受阻则偶联的磷酸化也无法进行。

鱼藤酮、粉蝶霉素A、异戊巴比妥，与复合体Ⅰ中的铁硫蛋白结合，专一抑制NADH→UQ的电子传递。抗霉素A、二巯基丙醇（BAL）抑制复合体Ⅲ中Cytb→Cytc1的电子传递。H2S、CO、CN-、N3-均抑制细胞色素氧化酶，电子不能传递给氧。另外，一种铁鳌合剂（TTFA）可以特异抑制还原当量（2H）从FAD→UQ的传递。6061

2.磷酸化抑制剂，抑制ATP的合成。寡霉素可与ATP合成酶的OSCP亚基结合，阻塞氢离子通道，从而抑制ATP的合成。62

3.解偶联剂：使氧化和磷酸化脱偶联，氧化仍可以进行，而磷酸化不能进行。

解偶联剂作用的本质是增大线粒体内膜对H+的通透性，消除H+的跨膜梯度，因而没有ATP生成，常用的解偶联剂有2，4-二硝基苯酚（DNP）。63

4.离子载体抑制剂。消化氧化作用释放的能量，用于离子转运。6465六．ATP的生理功能。1.ATP是生命活动利用能量的主要形式。2.用于生物合成。3.RNA合成原料。66第四节非线粒体氧化体系