生物化学-生物氧化课件

第八章代谢作用概论主要内容：重点讨论线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理。

新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换的过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓同化作用（assimilation）；另一方面，将原有的组成成份经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，即所谓异化作用（dissimilation），通过上述过程不断地进行自我更新。特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行新陈代谢的概念及内涵

小分子大分子合成代谢（同化作用）需要能量

释放能量分解代谢（异化作用）大分子小分子物质代谢能量代谢新陈代谢信息交换脂肪葡萄糖、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第一节代谢的一般过程一、分解代谢与合成代谢1、酶抑制剂的应用2、利用遗传缺陷症研究代谢途径3、气体测量法4、同位素示踪法二、中间代谢三、微生物代谢与发酵工程（略）

在无氧条件下，兼性生物或厌气生物能利用细胞中的氧化型物质作为电子受体，将燃料分子氧化分解，这称为无氧氧化。这些生物有的以有机物分子作为最终的氢受体(如厌氧发酵)，有的则以无机物分子作为氢受体(如微生物中的化能自养菌对NO3-、SO42-的利用)。1.无氧氧化二、有氧氧化和无氧氧化（P303）

2.有氧氧化生物氧化在有氧和无氧条件下都能进行。在有氧条件下，好气生物或兼性生物吸收空气中的氧作为电子受体，可将燃料分子完全氧化分解，这称为有氧氧化。因为有氧氧化燃烧完全，产能多，所以，只要有氧气存在，细胞都优先进行有氧氧化。三、生物氧化与生物能（一）氧化还原电势1、标准氧化还原电势

（二）自由能的变化（P306）氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：

ΔG°′=－nFΔE°′例题：计算下反应式ΔG°′（P306）ΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.485×0.123

=-23.74kJ/mol（三）高能键和高能化合物

生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（>21千焦/摩尔）的化合物称为高能化合物。1、高能键和高能化合物的概念ATP+H2O＝ADP+Pi

△G＝-30.5kJ/摩尔ADP+H2O＝AMP+Pi

△G＝-33.1kJ/摩尔ATP在能量转运中地位和作用★ATP是细胞内的"能量通货"★ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基团转移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油代谢物分解氧化CO2H2O能热能（散发）化学能（储能）ATPADPPiCC~P+能机械能（肌肉收缩）化学能（合成代谢）渗透能（吸收分泌）电能（神经传导生物电）热能（维持体温）等ATP的生成和利用2、需氧脱氢酶和氧化酶第三节生物氧化体系一、生物氧化体系的类型不需传递体的生物氧化体系需传递的生物氧化体系(2)需氧脱氢酶类催化的反应模式∶ （一）呼吸链的概念（P311）二、呼吸链线粒体内膜上一组排列有序的递氢体和递电子体（酶与辅酶）构成的功能单位，也称电子传递链。（二）呼吸链的组成四种具有传递电子功能的酶复合体(合成物)*泛醌和Cytc均不包含在上述四种复合体中。复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-S，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数41113复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数42413线粒体呼吸链复合体FMN,Fe-S复合体ⅠFAD,Fe-S,Cytb复合体ⅡCytb,Fe-S,Cytc1复合体ⅢCytaa3,Cu复合体ⅣⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-呼吸链主要成分和作用递氢体递电子体烟酰胺（NAD+,NADP+）

黄素蛋白(flavoprotein)（FMN,FAD）铁硫蛋白（Fe-S）

泛醌(Ubiquinone)（CoQ）

细胞色素类(Cytochrome)（Cyt）烟酰胺核苷酸类（NAD+,NADP+）递氢体黄素蛋白(flavoprotein)类（FMN,FAD）递氢体铁硫蛋白Fe2+Fe3++电子传递电子方式：递电子体泛醌（CoQ）(Ubiquinone)递氢体细胞色素(Cytochrome)类Cytb，Cytc1，Cytc,Cytaa3组成呼吸链的细胞色素:细胞色素氧化酶Fe2+Fe3++电子递电子体NNNNFe3+H3C--CH3-CH-CH3CH3CH2CH2COO-CH2CH2COO-H3C-

CysSH3C-CH

CysS蛋白质细胞色素c

辅基细胞色素系统传递电子的过程2Fe2+2Fe3+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+1/2O2O2-H2O2H+2e2e2e2e2ebc1cCu2+aa3,（三）呼吸链主要成分的排列顺序NADH氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链（FADH2

氧化呼吸链）体内的两条呼吸链：（P315）1.NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2NADH氧化呼吸链FADH2

氧化呼吸链呼吸链中电子传递时自由能的下降FADH22个电子NADH三、细胞质中的NADH的氧化胞液中生成的NADH不能自由通透线粒体内膜，必须经过转运机制进入线粒体1、磷酸二羟丙酮-磷酸甘油穿梭系统（神经组织和骨骼肌）2、苹果酸-天冬氨酸穿梭作用（肝和心肌）酵解（细胞质）氧化磷酸化

（线粒体）磷酸二羟丙酮-磷酸甘油穿梭机制示意图1.5ATP2Hα-磷酸甘油穿梭1.5ATP神经组织和骨骼肌苹果酸—天冬氨酸穿梭系统2.5ATP2H苹果酸-天冬氨酸穿梭2.5ATP肝和心肌第四节氧化磷酸化代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP（即ADP+Pi→ATP）,这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化(生物体通过磷酸化作用，将化合物在氧化过程中所释放的能量一部分转移到ATP分子中形成高能磷酸键的过程

P320)。。ADP+PiATP+H2O生物氧化过程中释放出的自由能一、ATP的生成类别：底物水平磷酸化

电子传递水平磷酸化二、电子传递过程中自由能的变化呼吸链中电子传递时自由能的下降三、氧化磷酸化的偶联机理

1、线粒体ATP合酶（mitochondrialATPase）2、能量偶联假说

1953年EdwardSlater

化学偶联假说

1964年PaulBoyer构象偶联假说

1961年PeterMitchell化学渗透假说3、质子梯度的形成4、ATP合成的机制1978年获诺贝尔化学奖1、线粒体ATP合酶（P324）

氧化磷酸化重建示意图内膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基质膜间隙电子传递链2,化学渗透假说(chemiosmotichypothasis)电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成H+跨线粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化学势(ΔH+)驱动ATP的合成。化学渗透假说原理示意图4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+

ADP+PiATP高质子浓度H2O2个电子+++++++++__________质子流线粒体内膜磷酸化

氧化

Boyer和Walker的工作

英国科学家Walker通过x光衍射获得高分辩率的牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构，证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个β亚基的确有不同构象，从而有力地支持了Boyer的假说。

Boyer和Walker共同获得1997年诺贝尔化学奖。

美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋转催化假说，认为ATP合成酶β亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个β亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜H+提供。ATP酶作用机理ADP+PiProtenFluxH+ATP+H2O

ATPADP+PiProtenFlux有于ADP与Pi结合的构象有于ADP与Pi生成的构象有利于ATP释放的构象五、磷氧比（P/O）六、氧化磷酸化作用的抑制和解偶联2,4-二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外葡萄糖完全氧化产生的ATP酵解阶段：2ATP

2

1NADH兑换率1:2.5(或1.5)2ATP2(1.5或2.5ATP)三羧酸