生物化学第六章生物氧化课件

邮箱：

第六章生物氧化

§8-1、生物能学的基本概念§8-2、线粒体氧化体系（生物氧化的三大类产物的生成途径）第六章生物氧化[目的要求]第六章生物氧化1.了解能量的基本性质；内能、焓、熵、自由能的概念；自由能的变化与化学反应的关系；ATP的结构特点及其对物质代谢的重要意义。2.了解生物氧化的概念；生物氧化的种类；生物氧化中物质氧化的方式。3.掌握生物氧化产物二氧化碳生成方式；呼吸链的概念及其组成；氧化磷酸化的概念及ATP的生成途径；磷氧比的概念及两类呼吸链的磷氧比。[目的要求]

功能：为生命活动提供能源与碳源实质：生物细胞利用氧气对细胞内的有机物质（糖、脂肪和蛋白质）进行氧化分解产生CO2和H2O并释放出能量的过程。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为细胞呼吸、组织呼吸或内呼吸。第六章生物氧化

生物氧化概述概念：有机物在生物体内的氧化作用称为生物氧化。第六章生物氧化返回

1.反应由酶催化，反应条件温和；2.反应分步进行，顺序性3.能量逐步放出，且放出的能量以化学能的方式储存于ATP中，能量利用率高。特点：生物氧化的种类：1、根据有无氧的参与，分有氧氧化：有O2参与，产物为CO2、H2O,底物氧化完全，产能多无氧氧化：无O2参与，产物为乙醇、乳酸等,底物氧化不完全，产能少第六章生物氧化2、根据发生场所，分线粒体氧化体系：与ATP的生成有关，产能的氧化作用，线粒体内发生（原核生物在质膜上发生）。微粒体氧化体系：与ATP的生成无关，光滑内质网上发生，机体对非营养物质发生的生物转化，与机体排毒及排出异物有关。2、脱氢反应：最主要的生物氧化方式如：TCA3:异柠檬酸草酰琥珀酸NAD+NADH+H+FADFADH2琥珀酸延胡索酸TCA7:TCA9:EMP6:苹果酸1、3－二磷酸甘油酸3-磷酸甘油醛草酰乙酸NAD+NADH+H+Pi＋NAD+NADH+H+第六章生物氧化3、加氧反应：－O212+OH第六章生物氧化§6.1生物能学的基本概念二、能量的守恒与转化一、能量的性质四、最重要的高能化合物—ATP五、关于生物化学中能量变化的一些规定三、热力学第二定律与熵返回二、能量的守恒与转化1、内能与焓2、热力学第一定律:

△U=Q-W内能（U）：体系内部质点能量总和。焓（H）：体系的内能与该体系压力、体积的乘积之和。

其中：△U：体系内能的变化，Q：体系吸收的热量W：体系对外做功。△H=△QP

恒压过程吸收的热量在数值上等于体系的焓变。生物体是恒温、恒压环境，△U≈△H，合称能量的变化。返回△U=△QV

恒容过程吸收的热量在数值上等于内能的变化。§6.1生物能学的基本概念三、热力学第二定律与熵

熵（S）：表示体系能量分散程度的状态函数称为熵。

热力学第二定律：自发过程是体系与环境总熵增加的过程。△S=Q/T=△S体系+△S环境≥O§6.1生物能学的基本概念返回§6.1生物能学的基本概念自由能:自由能变化(ΔG）:

ΔG=ΔH-TΔSABΔG=GB-

GA自由能（G）:

指在一个体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量。ΔG是衡量过程自发性的标准：ΔG<0，放能，过程可自发进行，产生有用的功；ΔG>0，吸能，过程不可自发进行，须供给能量才能进行；ΔG=0,过程处平衡状态。四、最重要的高能化合物—ATP1、ATP的分子结构特点§6.1生物能学的基本概念返回（2）ATP水解产物具有更大的共振稳定性，其水解产物ADP3-和Pi的某些电子的能量水平远远小于ATP。（3）H+的低浓度导致ATP4-向分解方向进行。（4）酸酐键溶剂化所需能量小于磷脂键。▲总的来说：反应物的不稳定性和产物的稳定性或反应物内的静电斥力和产物的共振稳定使ATP水解释放大量能量。§6.1生物能学的基本概念2、ATP水解释放大量自由能，其主要原因是：②ATP分子内存在相反共振现象.由于在相邻的两个磷原子之间夹着一个氧原子，氧原子上存在有未共用电子对，而磷原子因P=O和P-O-间的诱电子效应带有部分正电荷，于是在两个相邻的磷原子之间存在竞争氧原子上的未共用电子的现象，这种作用的结果会影响ATP分子的结构稳定性。（1）ATP分子结构存在不稳定因素：①

ATP分子内有4个负电荷（ATP4-），产生静电斥力，促使ATP水解成ADP3-，而减弱斥力。§6.1生物能学的基本概念ATP是磷酸基团转移反应的中间载体:

磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物质向势能低的物质转移。磷酸基团转移势能在数值上等于其水解反应的ΔG0’。磷酸基团转移势能（kcal/mol)246810121416ATPPEP1，3-二磷酸-甘油酸6-P-葡萄糖3-P-甘油ATP断裂形成AMP和焦磷酸的作用:ΔG01’=-7.7(Kcal/mol)=-32.19(KJ/mol)ΔG02

’=-6.9(Kcal/mol)=-28.842(KJ/mol)ΔG0

’=

ΔG01’

+

ΔG02

’

=-61.028KJ/mol

ATP+RCOOH+CoA-SHAMP+PPi+RCO-S-CoA

ΔG0’=－0.2(Kcal/mol)=－0.836(KJ/mol)

ATP+H2OAMP+PPi

PPi+H2O2Pi

意义：萤火虫发光物质的形成由ATP降解为AMP+PPi来提供腺苷酸；为一些接近平衡的反应提供驱动力：4、能荷

ATP是生命活动中能量的主要直接供体，因此ATP不断产生又不断消耗，ATP、ADP和AMP的转换率非常高。但它们在机体内总能保持相应的平衡状态，以适应细胞对能量的需求。例如：一个静卧的人24小时内消耗约40公斤ATP。

细胞所处的能量状态用ATP、ADP和AMP之间的关系式来表示，称为能荷，公式如下：

[ATP]+1/2[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]腺苷酸库能荷=§6.1生物能学的基本概念五、关于生物化学中的能量变化的一些规定1、任何情况下，在一个稀释的水溶液中，当有水存在时，水的活度规定为1.0。2、生物化学所说的标准状态定义为0.1MPa，25℃，PH7.0。标准状态下的自由能变化以△Go’表示。3、△Go’用于生物化学能量学，假定每个反应物和产物能够解离的标准状态是它的未解离形式与解离学说的混合物状态，两种混合物存在的条件正是PH7.0的环境。4、△Go’的单位为焦耳或千焦耳每摩尔。返回§6.1生物能学的基本概念§6.2线粒体氧化体系一、生物氧化中CO2生成的方式二、呼吸链四、线粒体外NADH2的氧化三、氧化磷酸化：ATP的生成途径主要内容返回1、α-单纯脱羧

COOHC=OCH2COOHαβ2、β-单纯脱羧COOHC=O+CO2

CH3

O‖CH3CH+CO2

O‖CH3CCOOH§6.2线粒体氧化体系（二）氧化脱羧1、α-氧化脱羧2、β-氧化脱羧

O‖CH3－C－COOH+CoASH+NAD+

O‖CH3－C～SCoA+NADH+H++CO2COOHC=O+CO2+NADPH+H+

CH3COOHC=O+NADP+CH2COOHβα二、呼吸链1.呼吸链的种类2.呼吸链的组成3.呼吸链中传递体的排列顺序定义:分布于线粒体内膜，由递氢体和递电子体按一定顺序排列构成的氧化还原体系，与细胞利用氧的呼吸过程有关，通常称为呼吸链，又称电子传递链。(NADH呼吸链和FADH2呼吸链)§6.2线粒体氧化体系返回1.呼吸链的种类返回呼吸链的电子传递过程2.呼吸链的组成(1)以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶(2)NADH-Q还原酶(3)铁硫蛋白(4)辅酶Q(5)细胞色素还原酶(6)细胞色素氧化酶(7)琥珀酸-Q还原酶复合物呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。§6.2线粒体氧化体系返回(1)以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶NAD+和NADP+的结构NAD+：R=HNADP+：R=PO32-(尼克酰胺核苷酸类)功能：将底物上的氢激活并脱下。辅酶：NAD+或NADP+OR§6.2线粒体氧化体系尼克酰胺核苷酸的作用原理：+H+e+H++H+2HHHeH+HNAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2H§6.2线粒体氧化体系(2)NADH-Q还原酶（复合物Ⅰ）

NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，FMN和铁-硫聚簇（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。

FMN通过氧化还原变化可接收NADH+H+的氢以及电子。

FMN

FMNH2§6.2线粒体氧化体系

NADH-Q还原酶先与NADH结合并将NADH上的两个氢转移到FMN辅基上，电子经铁硫蛋白的铁硫中心传递给辅酶Q。

NADH+H++FMNFMNH2+NAD+铁硫蛋白复合物CoQee§6.2线粒体氧化体系辅酶FMN传递电子的过程：复合物Ⅰ的结构与电子传递过程NADH-Q还原酶各辅基（辅酶）的氧化还原循环：MMH2NAD+NADH2FMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2H+2H+NADH-Q还原酶泵到线粒体内膜外侧§6.2线粒体氧化体系铁硫聚簇（Fe-S中心）主要以

(Fe-0S)(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。(3)铁硫蛋白铁硫聚簇通过Fe3+

Fe2+

变化，将氢从FMNH2上脱下传给CoQ，同时起传递电子的作用，每次传递一个电子.

CysSSSCys

Fe3+

Fe3+

CysSSSCys

CysSSSCys

Fe3+

Fe2+

CysSSSCys

+e-§6.2线粒体氧化体系(4)辅酶Q（泛醌、亦简称Q。是许多酶的辅酶)如：NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、脂酰-CoA脱氢酶等

是脂溶性醌类化合物，而且分子较小，可在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散。功能基团是苯醌,通过醌/酚的互变传递氢，Q(醌型结构)很容易接受2个电子和2个质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出2个电子和2个质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。§6.2线粒体氧化体系(5)细胞色素还原酶（细胞色素bc1复合体、复合体Ⅲ）含有两种细胞色素（细胞色素b、细胞色素c1）和一铁硫蛋白（2Fe-2S）。细胞色素bc1复合体的作用是将电子从QH2转移到细胞色素c：QH2cyt.bFe-Scyt.c1cyt.c§6.2线粒体氧化体系cytbc1细胞色素（cytochrome,cyt）

是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质（有颜色），高等动物线粒体呼吸链中主要含有5种细胞色素a、a3、b、c、c1等，细胞色素b,c1,c的辅基都是铁-原朴啉Ⅳ，细胞色素a、a3的辅基为血红素A。

细胞色素主要是通过辅基中Fe3+

Fe2+

的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子。§6.2线粒体氧化体系细胞色素中的血红素QH2将电子传给cytbc1细胞色素bc1复合物（复合物Ⅲ）（6）细胞色素c在复合体III和Ⅳ之间传递电子。（细胞色素c交互地与细胞色素还原酶的C1和细胞色素氧化酶接触）是唯一能溶于水的细胞色素§6.2线粒体氧化体系(7)细胞色素氧化酶（复合体Ⅳ、细胞色素c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，细胞色素的Fe3+Fe2+间循环，同时Cu2+Cu+间循环，将电子从cytc直接传递给O2。也叫末端氧化酶。§6.2线粒体氧化体系Thethreecriticalsubunitsofcytochromeoxidase(complexIV)2CuACuBHameaHamea3

TheelectronpathincomplexIV(7)琥珀酸-Q还原酶（复合体Ⅱ）琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅基FAD还原为FADH2，然后FADH2又将电子传递给Fe-S聚簇。最后电子由Fe-S聚簇传递给琥珀酸-Q还原酶的辅酶CoQ。§6.2线粒体氧化体系3.呼吸链中传递体的排列顺序：(3)利用光谱变化确定各组分的氧化还原状态(1)测各组分氧化还原电位（E0’）递增研究方法(2)呼吸链复合物重组(4)利用呼吸链抑制剂§6.2线粒体氧化体系返回（1）呼吸链中电子传递方向是从E0’值小向大的方向传递★E0’越小，越易失去电子，处于呼吸链的前面，反之，E0’越大，越易得到电子，处于呼吸链的后面。

★当电子从E0’值小的物质传到E0’值大的物质时，伴随着自由能的降低，即有热量放出:

△G0’=－nF△E0’

=－nF

（E0’受体－E0’供体）

其中：n是转移的电子数，F是法拉第常数。§6.2线粒体氧化体系返回（2）呼吸链复合物重组

NADH

FMN（Fe-S）CoQCytb、c1

CytcCytaa3

O2

（Fe-S）

（Cu2+）

FAD（Fe-S）

琥珀酸§6.2线粒体氧化体系ThefunctionalcomplexeshavebeenseparatedandcharacterizedThefunctionalcomplexeshavebeenseparatedandcharacterized（3）用分光光度法测得各个传递体发生吸收光谱的变化完整的线粒体当电子传递体处于氧化态时，悬浮液浑浊，光吸收不能直接测出；但当之处于还原态时，即可以氧化态为对照测出。游离的线粒体在有氧下进行电子传递时，NADH一端还原性最强，而靠近氧一端电子传递体几乎处于氧化态，由此判断电子的流向。当向完全处于还原状态的电子传递体中加入氧时，最先被氧化的是细胞色素aa3,其次cytC,cytC1,cytb,最后是NADH。§6.2线粒体氧化体系（4）电子传递抑制剂：凡能够切断呼吸链中某一部位电子流的物质，称为呼吸链电子传递抑制剂。有：鱼藤酮、安密妥：抑制电子从NADH到辅酶Q的传递；抗霉素A：抑制细胞色素b到c1之间的电子传递;氰化物、叠氮化物、一氧化碳：抑制电子从细胞色素aa3到氧的传递。返回三、氧化磷酸化作用与ATP的生成

1、氧化磷酸化的概念2、氧化磷酸化方式(即ATP的生成方式）§6.2线粒体氧化体系3、氧化磷酸化的作用机制5.呼吸链的加强、抑制和解偶联4、磷氧比值返回1、氧化磷酸化的概念：生物体内物质氧化产生能量与ADP劫获能量进行磷酸化产生ATP的过程相偶联的作用称为氧化磷酸化作用。2、氧化磷酸化方式(即ATP的生成方式）1)电子传递体磷酸化2)底物水平磷酸化§6.2线粒体氧化体系返回(1)电子传递体系的氧化磷酸化(也称氧化磷酸化)定义：呼吸链电子传递过程中释放的能量，在ATP合酶的催化下，使ADP磷酸化成ATP的过程，由于代谢物的氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联进行，故称为氧化磷酸化。呼吸链AH22H(2H++2e)A能ADP+PiATPO212氧化磷酸化偶联H2O§6.2线粒体氧化体系AH2A2HRCOOHCO2+RHE代谢物氧化产物2Hα-磷酸甘油穿梭苹果酸穿梭

+

O212H2O能量ADP+H3PO4ATP+

H2O氧化磷酸化呼吸链线粒体胞液§6.2线粒体氧化体系（2）底物水平磷酸化

定义：由底物分子因脱氢或脱水而使分子内部能量分配产生的高能磷酸键（或高能硫酯键），在激酶作用下将高能键上的键能直接转移给ADP（或GDP）而生成ATP（或GTP）的反应，称为底物水平磷酸化。例如:糖酵解过程每次底物磷酸化产生一个ATP§6.2线粒体氧化体系糖酵解过程的底物磷酸化:磷酸甘油酸激酶

3-磷酸甘油酸这是糖酵解中第一次底物水平磷酸化反应ADPATP1,3-二磷酸甘油酸(1,3-DPG)OPO3

2-§6.2线粒体氧化体系糖酵解过程的底物磷酸化:ADPATP丙酮酸激酶(Mg2+,K+)磷酸烯醇式丙酮酸

烯醇式丙酮酸糖酵解中第二次底物水平磷酸化反应§6.2线粒体氧化体系3、氧化磷酸化的作用机制化学渗透假说H+H+eOADP+PiATP内外膜间隙内膜线粒体基质电子传递给氧释出的能量推动质子泵H+被泵至线粒体内外膜间隙，在内膜两侧形成化学梯度（势能）当H+顺梯度回到基质面时，释出的能量使ADP磷酸化为ATP§6.2线粒体氧化体系返回3.氧化磷酸化偶联机制：化学渗透学说质子驱动力§6.2线粒体氧化体系ATP转移酶：转移ATP至胞浆

因提出氧化磷酸化偶联机制：化学渗透学说而在1978年获诺贝尔化学奖的PeterDMitchell4、磷氧比值:P/O值：是指某物质氧化时每消耗1mol氧所消耗无机磷的mol数。实质：每消耗1mol原子氧所产生的ATP的mol数。两类呼吸链的磷氧比（真核细胞）：NADH呼吸链：2.5FADH2呼吸链：1.5§6.2线粒体氧化体系返回离体线粒体实验中测得一些底物的P/O值β-羟丁酸

NAD+→FMN→CoQ→Cyt→O2

2.4～2.82.5琥珀酸

FAD→CoQ→Cyt→O2

1.71.5抗坏血酸

Cytc→Cytaa3→O2

0.881Cytc(Fe2+)Cytaa3→O2

0.61～0.681底物呼吸链的组成生成ATP数P/O值§6.2线粒体氧化体系ATP生成的结构基础:ATP合酶（三联体、三分子体、F0F1复合体）头部柄部基底部F1：具ATP合成酶活性，α3β3γδεF0：质子通道，镶嵌于线粒体内膜ab2cn§6.2线粒体氧化体系TheATPsynthasecomprisesaprotonchannel(Fo)andaATPase(F1)FO的十个亚基F1的γ-亚基5.呼吸链的加强、抑制和解偶联(1)ADP与ATP的调节作用ADP/ATP↓：抑制氧化磷酸化，ATP生成↓ADP/ATP↑：促进氧化