动物生化生物氧化1

动物生化生物氧化1第1页/共93页教学目标熟悉氧化与还原反应是如何通过两种电子传递链偶联的了解化学渗透理论的要点，以及电子传递是如何与ADP的磷酸化偶联的熟悉胞液中的NADH转换为线粒体中的NADH的途径第2页/共93页生物能量的获得光能（太阳能）光能营养生物——植物和微生物通过光合作用将光能转变成有机物中稳定的化学能化学能化能营养生物——动物和人通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）氧化分解，使存储的稳定的化学能转变成ATP中活跃的化学能，ATP直接用于需要能量的各种生命活动第3页/共93页生物氧化概念营养物质在生物体内氧化分解成H2O和CO2并释放能量的过程称为生物氧化（biologicaloxidation）生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用因为是在体内组织细胞中进行的，所以又称为细胞氧化第4页/共93页第5页/共93页第一节自由能第6页/共93页生物体能量代谢服从能量守恒定律热力学第一定律（能量守恒定律）能量既不能创造也不能消灭，只能从一种形式转变为另一种形式热力学第一定律不能预测某一反应能否自发进行。第7页/共93页生物体能量代谢服从热力学第二定律热力学第二定律热的传导只能由高温物体传至低温物体。任何一种物理或化学的过程都自发地趋向于增加体系与环境的总熵第8页/共93页自由能自由能是生物体（或恒温恒压下）用来作功的能量在没有作功条件时，自由能将转变为热能丧失熵是指混乱度或无序性，是一种无用的能第9页/共93页自由能的作用在恒温恒压条件（生物体系内）下

ΔG=ΔH-TΔSG＜0时，体系的反应能自发进行（为放能反应）ΔG＞0时，反应不能自发进行，当给体系补充自由能时，才能推动反应进行（为吸能反应）ΔG＝0时，表明体系已处于平衡状态化能营养生物都是从食物氧化的自发过程中获取自由能来完成生命活动！第10页/共93页第二节

ATP第11页/共93页一、

ATP是生物体中自由能的通用货币分解代谢释放的能量并不能直接被细胞利用，必须经一类高能物质——其中最主要的是三磷酸腺苷(ATP)暂时储存起来也就是说，并不是任何形式的能都可被细胞利用，细胞直接利用的仅仅是三磷酸腺苷(ATP)一类高能化合物中所储存的能量ATP在生物体内能量交换中之所以起着核心的作用第12页/共93页ATP是机体内直接用以做功的形式在ATP三个磷酸基团中含有两个磷酸酐键，成为高能分子当ATP水解为二磷酸腺苷(ADP)和磷酸(Pi)时，或水解为磷酸腺苷(AMP)和焦磷酸(PPi)时，能释放出大量能量第13页/共93页

ATP推动体内任何一种需要自由能的反应

第14页/共93页二、ATP具有较高的磷酸基团转移潜势ATP当水解时具有较强的趋势将末端磷酸基转移给水。即具有较高的磷酸基团转移的潜势生物体内除ATP外还有一些化合物也有很高的转移磷酸基的潜势磷酸烯醇式丙酮酸等的磷酸基转移潜势比ATP高。意味着它们能将磷酸基转移给ADP而生成ATP糖降解中许多产物都如此第15页/共93页磷氧键型（—O-P)酰基磷酸化合物1,3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸第16页/共93页酰基磷酸化合物氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸第17页/共93页焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸ADP（二磷酸腺苷）第18页/共93页烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）磷氧键型：酰基磷酸化合物、焦磷酸化合物、烯醇式磷酸化合物第19页/共93页氮磷键型（如胍基磷酸化合物）磷酸肌酸磷酸精氨酸这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。第20页/共93页硫酯键型3-磷酸腺苷-5’-磷酰硫酸酰基辅酶A第21页/共93页甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸第22页/共93页三、

ATP以偶联方式推动体内非自发反应ATP是自由能的载体，它推动那些不输入自由能在热力学上就不能进行的反应如细胞内脂肪酸合成中，由乙酰辅酶A羧化为丙二酸单酰辅酶A这一步这样的偶联反应中，酶是重要的偶联剂第23页/共93页底物水平磷酸化经过代谢反应，代谢物分子内部产生高能键，在这些高能键水解时，释放的能量，足以推动ADP或GDP磷酸化。这种底物氧化过程中产生的能量直接将ADP磷酸化生成ATP的过程，称为底物水平磷酸化第24页/共93页第三节

氧化磷酸化作用第25页/共93页第26页/共93页

释放的能量转化成ATP被利用转换为光和热，散失一、生物氧化的特点生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成C2O和H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：生物氧化

体外燃烧细胞内温和条件高温或高压、干燥条件（常温、常压、中性pH、水溶液）一系列酶促反应无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高能量爆发释放第27页/共93页第28页/共93页二、两条主要的呼吸链概念底物上的氢原于被脱氢酶激活后，经一系列的电子载体，传递给氧而生成水。氢传递与氧化合的连锁反应称为呼吸链或电子传递链第29页/共93页呼吸链组成呼吸链位于线粒体内膜形成呼吸酶集合体4个复合体NADH-泛醌氧化还原酶（也称NADH脱氢酶）琥珀酸-泛醌氧化还原酶（也称琥珀酸脱氢酶复合物）Q—细胞色素c氧化还原酶细胞色素c氧化酶第30页/共93页第31页/共93页第32页/共93页两种呼吸链NADHNADH-Q还原酶Q细胞色素C氧化还原酶细胞色素C细胞色素氧化酶O2琥珀酸-Q氧化还原酶FADH2第33页/共93页第34页/共93页第35页/共93页第36页/共93页（一）NADH呼吸链NAD＋是呼吸链中底物脱氢氧化作用中主要的电子受体在底物的脱氢氧化作用中，NAD＋的烟酰胺环接受一个氢离子和两个电子，另一个氢离子游离于溶液中，形成NADH十H＋反应式第37页/共93页1、NADH—Q还原酶催化的反应第38页/共93页NADH—Q还原酶NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，FMN和铁-硫中心（Fe-S）是该酶的辅基，辅酶Q是该酶的辅酶，由辅基或辅酶负责传递电子和氢。以FMN或FAD为辅基的蛋白质统称黄素蛋白。第39页/共93页铁硫中心（Fe-S中心）铁硫中心主要以（Fe-S）(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在，铁硫聚簇与蛋白质结合称为铁硫蛋白。第40页/共93页第41页/共93页辅酶Q辅酶Q是醌的衍生物，有一个长的类异戊二烯的尾（n个）。它也称为泛醌n的数目因物种而异。哺乳动物n为10，即有10个异戊二烯单位，其符号为Ql0由于含有长的脂肪族侧链，有利于在线粒体内膜扩散。Q是很活跃的电子载体,接受电子后还原为QH2。第42页/共93页传递1：复合物I将来自NADH的电子传递给泛醌在NADH脱氢酶的作用下，NADH将一个氢负离子转移给FMN，形成FMNH2。

＋H＋，＋H－－H＋，－e-－H＋，－e-

FMN————————→FMNH2——————→FMNH·——————→FMN

FMNH2经两步将2H传给辅酶Q。辅酶Q一次接受一个电子，经过半醌阴离子中间物（Q·－），最后达到充分还原态泛醌醇（QH2）。

＋e-＋e-，＋2H＋

Q→Q·－→QH2

每从NADH转移一对电子给Q，将有4个质子被转移到膜间隙。

第43页/共93页第44页/共93页第45页/共93页第46页/共93页第47页/共93页传递2：复合物II将电子由琥珀酸转移到泛醌

复合物II－琥珀酸-泛醌氧化还原酶（也称琥珀酸脱氢酶复合物）接受来自琥珀酸的电子，同时催化Q还原为QH2。

复合物II催化的电子传递过程。来自琥珀酸的两个电子转移给Q，FAD被一个氢负离子还原；还原型黄素的两个单电子传递给3个铁-硫簇。这一过程释放的自由能很少，没有质子跨膜，主要是将琥珀酸氧化的电子引入电子传递链中。

第48页/共93页第49页/共93页辅酶Q可以接受来自复合物I或II的电子，然后再将电子传给复合物III。几种其它途径的反应也可以将电子传给Q，如由甘油3-磷酸脱氢酶催化的反应。

第50页/共93页第51页/共93页2、电子从QH2—细胞色素c复合体的传递第52页/共93页细胞色素辅酶Q获得的电子再传给QH2—细胞色素C还原酶复合体。复合体包括细胞色素b和c1，加上FeS。细胞色素(Cytochrome，Cyt)是一类传递电子的蛋白质，它含有血红素辅基。第53页/共93页细胞色素c和c1细胞色素b中的血红素不与蛋白质共价结合细胞色素c和c1中血红素则通过硫醚键与蛋白质共价相连结第54页/共93页第55页/共93页复合物III将电子由QH2传给细胞色素c

复合物III又称泛醌-细胞色素c氧化还原酶，含有9个或10个不同的亚基，一个[2Fe-2S]蛋白质，细胞色素b和细胞色素c1。伴随着一分子QH2的氧化，有4个质子被转移到线粒体膜间隙中（下图），其中的两个质子来自QH2，另两个来自基质。单电子载体－细胞色素c接受电子，沿着内膜的胞液侧移动将其转移给复合物IV。第56页/共93页3、电子从细胞色素C传递给氧分子第57页/共93页细胞色素c氧化酶复合体还原型的Cytc将电子再传递给细胞色素c氧化酶复合体这个复合体包括细胞色素a、a3和Cu。a和a3具有不同的铁卟啉辅基，称为血红素a。第58页/共93页血红素a血红素a与c1和c的血红素不同之处在于一个甲酰基代替了一个甲基，一个碳氢链代替了乙烯基。第59页/共93页也叫末端氧化酶。由cyt.a和a3组成复合物中除了含有铁卟啉外，还含有2个铜原子（CuA，CuB）。Cyta与CuA相配合，cyta3与CuB相配合，当电子传递时，在细胞色素的Fe3+Fe2+间循环，同时在Cu2+Cu+间循环，将电子从cytc直接传递给O2。细胞色素氧化酶第60页/共93页复合物IV将电子从细胞色素c传给O2

复合物IV－细胞色素c氧化酶是呼吸电子传递链的最后一个成分，它催化分子氧（O2）4电子还原形成水（2H2O），并将质子转移到膜间隙。哺乳动物的复合物IV是个二聚体，含有细胞色素a和a3，它们具有不同的还原电位。复合物IV还含有两个铜离子（CuA和CuB），当它们参与电子传递时，变换于Cu2+和Cu+两种状态之间。细胞色素c氧化酶对质子浓度梯度的贡献有两种方式（下图）。

每传递一对电子（即为了还原O2中的每一个氧原子）就转移两个H＋

当氧被还原为水时消耗基质2H＋。第61页/共93页第62页/共93页（二）

FADH2呼吸链电子的传递是由FADH2传给铁硫中心，然后再传给辅酶Q由辅酶Q到O2之间的电子传递与NADH呼吸链完全相同第63页/共93页FADH2

FADH2是在三羧循环中由琥珀酸氧化成延胡索酸时形成。琥珀酸脱氢酶的辅基是黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)。动物体内磷酸甘油脱氢酶和脂酰CoA脱氢酶的辅基也是FAD。第64页/共93页电子传递链的排列顺序从NADH和FADH2到O2之间的电子传递体在呼吸链中的排列顺序是按照它们的还原电势大小排成的这个序列与它们对电子亲和力的不断增加顺序相吻合2O细胞色素cNADH-QNADHQHc还原酶细胞色素FMNFeSCytbCytc琥珀酸还原酶Q-琥珀酸FeSFMNCoQ10-c氧化酶CytcCytaa3+Cu2+1第65页/共93页三、胞液中NADH的氧化胞液中的NADH不能通过线粒体内膜而进入线粒体胞液中的NADH是怎么被氧化呢?苹果酸穿梭作用磷酸甘油穿梭作用第66页/共93页第67页/共93页苹果酸穿梭作用主要在肝脏和心肌等组织第68页/共93页第69页/共93页磷酸甘油穿梭作用在某些肌肉组织和大脑里第70页/共93页第71页/共93页

四、氧化磷酸化作用氧化磷酸化的部位真核生物氧化磷酸化在线粒体中进行氧化磷酸化的概念NADH和FADH2带着转移潜势很高的电子，在呼吸链传递给氧的过程中，同时逐步释放出自由能。使ADP十PiATP，这个过程称为氧化磷酸化作用(oxidativephosphorylation)。第72页/共93页NADH呼吸链的总反应

NADH十

H＋十

1／2O2

十

3Pi十

3ADPNAD＋十3ATP十4H2OP：O比值消耗一摩尔氧原子时，有多少摩尔原子的无机磷被脂化成有机磷，即产生多少的ATP第73页/共93页呼吸链传递时自由能的下降根据热力学测定从NADH到低能量的NADH—Q还原酶的FeS中心时，电子传递产生自由能(△G)为一50.24kJ／mol电子从细胞色素b—C1，△G为一41.87kJ／mol在细胞色索C氧化酶复合体中从细胞色素a到O2，△G为一100.48kJ／mol这些氧化还原反应都放出足够的能量，可以在标准状况下推动ATP的合成(△G＝一30.56kJ／mol)其它电子传递反应，即在辅酶Q和细胞色素c之间其△G值太小，不足以支持ATP的生成第74页/共93页呼吸链传递时自由能的下降图第75页/共93页两种呼吸链NADHNADH-Q还原酶Q细胞色素还原酶细胞色素C细胞色素氧化酶O2琥珀酸-Q还原酶FADH2第76页/共93页呼吸链传递时ATP的产生根据以上能量的测定及抑制阻断实验都证明，当电子从NADH或FADH2经过呼吸链而传递到氧时，在呼吸链的三个部位产生ATP部位I是NADH—Q还原酶复合体部位Ⅱ是QH2—细胞色素C还原酶复合体部位Ⅲ是细胞色素c氧化酶复合体每一部位产生1分子ATP，所以NADH呼吸链产生3分子ATP，而FADH2只在部位Ⅱ、Ⅲ产生2个ATPNDAH氧化P/O=3FADH2氧化P/O=2第77页/共93页电子传递抑制剂抑制剂鱼滕酮等可以抑制NADH电子传递给辅酶Q，因此部位I不生成ATP，但不抑制FADH2的电子传递，因此FADH2呼吸链仍能获得ATP抗霉素A抑制细胞色素b电子传给C1，因此部位Ⅱ形成不了ATP氰化物(CN—)、叠氮(N3—)化物和一氧化碳抑制细胞色素氧化酶电子传递给氧，所以部位Ⅲ不产生ATP第78页/共93页电子传递抑制剂图第79页/共93页五、化学渗透假说

——氧化磷酸化的作用机理电子沿呼吸链传递时释出的能量用于形成一种跨线粒体内膜的质子梯度这种梯度用以驱动ATP的合成ATP真正的合成是通过ATP酶。第80页/共93页氧化磷酸化机制第81页/共93页ATP酶复合体第82页/共93页第五节

其他生物氧化体系第83页/共93页一、需氧脱氢酶生物体内还有一类需氧脱氢酶，即在有氧条件下才脱氢。脱下的氢立即交给分子氧，使其激活生成H2O2。第84页/共93页二、过氧化氢酶和过氧化物酶

过氧化氢酶和过氧化物酶都是以铁卟啉为辅基的酶类。在生物氧化过程中，它们并不参与传递氢和电子的作用，主要分解生物氧化中产生的H2O2。第85页/共93页三、加氧酶加单氧酶

它能使多种脂溶性物质，诸如药物、毒物、类固醇等化合物氧化。它所催化的反应，都是在底物分子中加一个氧原子，因此称为加单氧酶。它氧化固醇类激素是通过NADPH、细胞色素P450及氧而进行的，这个反应需要Mg2+

加氧酶第86页/共93页四、超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶，简称SOD(superoxidedismutase)是一类广泛存在于动、植物及微生物中的含金属酶类。功能是催化超氧离子自由基的歧化反应。第87页/共93页小结氧化磷酸化是由两个紧密偶联的现象组成的。（1）底物通过呼吸电子传递链被氧化，同时伴随着质子跨内线粒体膜的转移，产生一个质子浓度梯度；（2）通过质子沿ATP合成酶中的通道向线粒体基质的流动驱动ATP的生成。

由蛋白质和辅助因子组成的复合物I～IV和ATP合成酶参与氧化磷酸化。电子流通过这些复合物一般是根据不同成分的相对电位进行的。来自NADH的电子流通过复合物I，III，IV；而来自琥珀酸的电子流是经过复合物II引入的。几种辅助因子参与电子转移，其中包括FMN，FAD，铁-硫簇，铜原子，细胞色素和泛醌。泛醌连接着复合物I，II和复合物III，而细胞色素c连接着复合物III和复合物IV