生化生物氧化专家讲座

生物化学第六章生物氧化BiologicalOxidation生化生物氧化第1页生成ATP氧化磷酸化体系

其它不生成ATP氧化体系目录概述生化生物氧化第2页（一）掌握氧化磷酸化概念及偶联部位。熟悉氧化磷酸偶联部位确定试验及数据，P/O比值定义及意义。了解氧化磷酸化偶联机制。熟悉ATP合酶组成及作用（二）熟悉抑制剂、ADP、甲状腺素对氧化磷酸化影响。了解线粒体DNA突变对氧化磷酸化影响。（三）掌握体内能量储存和利用形式，ATP生成和利用。熟悉高能键与高能化合物概念，常见高能化合物。（四）掌握胞液中NADH转运进入线粒体氧化机制。了解腺苷酸载体及线粒体蛋白跨膜转运。（五）了解其它氧化体系。目标要求生化生物氧化第3页物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2和H2O过程。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能一、生物氧化（BiologicalOxidation）概念此过程需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称细胞呼吸。生化生物氧化第4页糖原

甘油三酯

蛋白质

葡萄糖脂酸+甘油氨基酸

乙酰CoA

电子传递H2O

ADP+PiATP

CO2

生物氧化普通过程2H

TAC生化生物氧化第5页

体内氧化体外氧化（1）物质氧化方式：加氧、脱氢、失电子（2）物质氧化时消耗氧量、得到产物和能量相同。1、相同点二.生物氧化特点生化生物氧化第6页2、不一样点

体内氧化体外氧化（1）反应条件：温和猛烈（2）反应过程：分步反应一步反应

能量逐步释放能量突然释放（3）产物生成：间接生成直接生成（4）能量形式：热能、ATP热能、光能生化生物氧化第7页Section1TheOxidationSystemofProducingATP第一节生成ATP氧化磷酸化体系

生化生物氧化第8页电子如何传递？水怎样生成？生化生物氧化第9页呼吸链种类及排列次序呼吸链部位、概念及本质呼吸链组成及特点呼吸链一氧化呼吸链是一系列有电子传递功效氧化还原组分生化生物氧化第10页真核生物生物氧化发生场所——线粒体原核生物生物氧化发生场所——细胞质膜部位生化生物氧化第11页基本概念呼吸链

营养物质代谢脱下成对氢原子（2H）以还原当量形式存在，再经过各种酶和辅酶催化氧化还原连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，逐步释放能量可驱动ATP生成。这包含各种氧化还原组分传递链称为氧化呼吸链(oxidativerespiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。生化生物氧化第12页基本概念递氢体递电子体呼吸链中参加传递H辅酶或辅基。呼吸链中参加传递电子辅酶或辅基。本质：递氢体和电子传递体本质是酶和辅酶。（2H2H++2e）

生化生物氧化第13页（一）氧化呼吸链由4种含有传递电子能力复合体组成呼吸链由一系列氢传递体和电子传递体组成。电子传递过程释放能量驱动H+移出线粒体内膜，转变为跨内膜H+梯度能量，再用于ATP生物合成。

组成生化生物氧化第14页四种酶复合体：复合体I～IV两个可灵活移动成份：泛醌（Q）和细胞色素C

呼吸链各复合体在线粒体内膜中位置生化生物氧化第15页*泛醌和Cytc

不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体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3941113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39413生化生物氧化第16页复合体Ⅰ又称NADH-泛醌还原酶。复合体Ⅰ电子传递：NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQ每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体Ⅰ有质子泵功效。1、复合体Ⅰ作用是将NADH+H+中电子传递给泛醌(ubiquinone)生化生物氧化第17页1.NADH2.FMN3.Fe-S4.CoQ复合体Ⅰ组成

黄素蛋白，辅基为FMN或FAD;铁硫蛋白，辅基为Fe-S。生化生物氧化第18页（1）NAD+和NADP+结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

生化生物氧化第19页（2）尼克酰胺核苷酸作用原理+H+

e+

H++

H+2HHHeH+HNAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2H双电子传递体生化生物氧化第20页FMN称为黄素单核苷酸，是黄素蛋白(酶)辅基，发挥功效部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMNH•。FMNH•••复合体Ⅰ成份1FMN

：递氢体生化生物氧化第21页铁硫簇(Fe-S)是铁硫蛋白(酶)中辅基，含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。复合体Ⅰ成份2

Fe-S：单电子传递体

生化生物氧化第22页铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。属于单电子传递体。

Ⓢ表示无机硫生化生物氧化第23页

泛醌（ubiquinone,Q）亦称辅酶Q（CoenzymeQ,CoQ）人体中：CoQ10（1）结构1)含有很多异戊二烯侧链醌类化合物2)脂溶性3)是电子传递体中唯一可游离存在电子载体（无蛋白）生化生物氧化第24页（2）作用：电子和质子传递体在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电子传递和质子移动

偶联中起着关键作用。

生化生物氧化第25页（3）泛醌作用机理

生化生物氧化第26页复合体Ⅰ电子传递：NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQ

MNADH+H+

NAD+FMN

FMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2MH2M4H+2e2e2e2e代谢物生化生物氧化第27页2.复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌还原酶

功效:

将电子从琥珀酸传递给泛醌

复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFAD;

Fe-S1;

Fe-S2;

Fe-S3复合体Ⅱ没有H+泵功效。生化生物氧化第28页递氢体（1）黄素核苷酸作用原理生化生物氧化第29页生化生物氧化第30页琥珀酸FADH2Fe-SCoQ

电子传递

生化生物氧化第31页3.复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c还原酶

功效：将电子从泛醌传递给细胞色素c

复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1b562、b566是吸收波长不一样两个细胞色素，

b562电位较高，又称

bH;b566电位较低，又称bL。细胞色素b-c1复合体生化生物氧化第32页细胞色素体系（cytochrome,Cyt）（1）Cyt本质细胞色素=酶蛋白+血红素细胞色素是一类以铁卟啉为辅基催化电子传递酶类。血红素中铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子,属单电子传递体。（2）Cyt功效生化生物氧化第33页（3）Cyt分类30各种a类：a、a1、a2、a3

…

b类：b、b1～7、P450…c类：c、c1、c2、c3…各种还原型细胞色素主要光吸收峰细胞色素波长（nm）αβγa600439b562532429c550521415c1554524418生化生物氧化第34页生化生物氧化第35页Cytc是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，与线粒体内膜外表面疏松结合，不包含在复合体中,将取得电子传递到复合体Ⅳ。生化生物氧化第36页

电子传递过程：CoQH2→(Cytb566→Cytb562)→Fe－S→Cytc1→Cytc

Q循环复合体Ⅲ每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体Ⅲ也有质子泵作用。4H+生化生物氧化第37页4.复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶功效：将电子从细胞色素c传递给氧

复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB其中Cyta3

和CuB形成活性部位将电子交给O2。生化生物氧化第38页功能将电子从细胞色素C传递给氧，递电子体。电子传递：Cytc→CuA→Cyta→Cyta3–CuB→O2生化生物氧化第39页细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水过程，有强氧化性中间物一直和双核中心紧密结合，不会引发细胞损伤。2H+2H2O生化生物氧化第40页(3)利用光谱改变确定各组分氧化还原状态(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（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高次序排列生化生物氧化第41页电子流动方向：总是由电负性较强氧化还原对向含有更强电正性氧化还原对流动。生化生物氧化第42页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→O2两条主要呼吸链成份排列次序生化生物氧化第43页NADH

FMN(Fe-S)CoQCytbCytc1CytcCytaa3O2琥珀酸

FAD(Fe-S)NADH氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链***呼吸链传递次序生化生物氧化第44页细胞色素传递方向

笔洗一洗AA散

b、c1、c、aa3洗一洗生化生物氧化第45页两种呼吸链比较相同:1.将H传递给O2生成水；2.H和O2消耗，其它可重复使用；3.CoQ是两种呼吸链汇合点。不一样点:

NADH呼吸链琥珀酸呼吸链

普遍程度较普遍次要起始物

NADHFADH2ATP2.51.5生化生物氧化第46页

ATP是怎样生成？生化生物氧化第47页二、氧化磷酸化*定义氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。

底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)直接将代谢分子中能量转移至ADP（或GDP），生成ATP（或GTP）过程。生化生物氧化第48页琥珀酸+CoA+GTP⑶

琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酰CoA合成酶***底物水平磷酸化仅见于以下三个反应：糖酵解路径中（2个）三羧酸循环中（1个）1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸激酶49生化生物氧化第49页概念:每消耗1mol氧原子，所消耗无机磷摩尔数一对电子经过呼吸链P/O比值：一对电子经过呼吸链时生成ATP个数

1个氧原子2e+OO2-ADP+PiATP无机磷个数生成ATP个数1.依据P/O比值推测生成ATP偶联部位（一）氧化磷酸化偶联部位是在复合体Ⅰ、Ⅲ、ⅣP/O比值=ATP数50生化生物氧化第50页

利用P/O比值推测氧化磷酸化偶联部位：

－羟丁酸：P/O＝

2.52e从NADH到O2

生成2.5个ATP琥珀酸：P/O＝

1.52e从琥珀酸到O2

生成1.5个ATP

所以，NADH→Q

存在偶联部位。抗坏血酸：P/O＝

1

2e从Cytc到O2生成1个ATP

所以，Cytaa3→O2

存在偶联部位。

Q→Cytc存在偶联部位。51生化生物氧化第51页52线粒体离体实验测得一些底物P/O比值底物呼吸链组成P/O比值可能生成ATP数β-羟丁酸NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ2.52.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ1.51.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O20.881细胞色素c(Fe2+)复合体Ⅳ→O20.61-0.681生化生物氧化第52页标准自由能：⊿Gº'=-nF⊿Eº‘2.依据自由能改变推测偶联部位合成1molATP时，需提供能量最少为ΔG0‘=-30.5kJ/mol。电子传递链自由能改变

53生化生物氧化第53页ATPATP

ATP氧化磷酸化偶联部位结论54生化生物氧化第54页（二）氧化磷酸化偶联机理1.化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)

电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时，其能量驱动ADP与Pi生成ATP。了解55生化生物氧化第55页

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PeterDMitchell生化生物氧化第56页氧化磷酸化依赖于完整封闭线粒体内膜；线粒体内膜对H+、OH－、K＋、Cl－离子是不通透；电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定跨内膜电化学梯度；增加线粒体内膜外侧酸性可造成ATP合成，而线粒体内膜加入使质子经过物质可降低内膜质子梯度，结果电子虽能够传递，但ATP生成降低。化学渗透假说已经得到广泛试验支持。生化生物氧化第57页线粒体基质

线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图电子传递给氧释出能量推进质子泵将H+泵至内膜胞液侧，形成化学梯度（势能）当H+顺梯度回到基质面时，释出能量使ADP磷酸化为ATP生化生物氧化第58页ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液侧

基质侧++++++++++---------电子传递过程复合体Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有质子泵功效。

生化生物氧化第59页1.ATP合酶ATP合酶结构模式图催化亚基（三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催化ATP合成

F1:亲水部分组成：α3β3γδε,OSCP,IF1亚基功效：催化ATP生成。F0:疏水部分组成：a,b2,c9~12亚基功效：组成质子通道，将质子梯度产生能量导向F1。生化生物氧化第60页ATP合酶组成可旋转发动机样结构F02个b亚基一端锚定F1α亚基，另一端经过δ和α3β3稳固结合，使a、b2和α3β3、δ亚基组成稳定定子部分。部分γ和ε亚基共同形成穿过α3β3间中轴，γ还与1个β亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜c亚基环紧密结合。c亚基环、γ和ε亚基组成转子部分。质子顺梯度向基质回流时，转子部分相对定子部分旋转，使ATP合酶利用释放能量合成ATP。

生化生物氧化第61页生化生物氧化第62页寡霉素柄部:

存有其它亚基，其中一个称为寡霉素敏感蛋白（OSCP)，在寡霉素存在时使ATP合酶不能合成ATP。生化生物氧化第63页当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基构象发生改变。ATP合酶工作机制（2）ATP合成结合变构机制(bindingchangemechanism)L结合ADP和Pi；T合成ATP；O释放ATP。生化生物氧化第64页三、氧化磷酸化作用可受一些内外源原因影响（一）有3类氧化磷酸化抑制剂1、呼吸链抑制剂复合体Ⅰ抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidinA)及异戊巴比妥(amobarbital)等阻断传递电子到泛醌。复合体Ⅱ抑制剂：萎锈灵(carboxin)。生化生物氧化第65页复合体Ⅲ抑制剂：抗霉素A(antimycinA)阻断CytbH传递电子到泛醌(QN)

；粘噻唑菌醇则作用QP位点。复合体Ⅳ抑制剂：CN－、N3－紧密结合中氧化型Cyta3，阻断电子由Cyta到CuB-Cyta3间传递。CO与还原型Cyta3结合，阻断电子传递给O2。

作用：阻断电子传递生化生物氧化第66页NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×抗霉素A二巯基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各种呼吸链抑制剂阻断位点生化生物氧化第67页生化生物氧化第68页H＋膜内外电化学梯度电子传递使H＋跨膜转移H＋经ATP合酶F0

单元回流ATP合成H＋经从其它路径回流能量以热能散失，不能合成ATP呼吸链正常2、解偶联剂破坏电子传递建立跨膜质子电化学梯度作用：使氧化过程与磷酸化过程脱节举例：2，4-二硝基苯酚、解偶联蛋白。生化生物氧化第69页解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能

H+

H+ADP+PiATP硬肿症生化生物氧化第70页寡霉素可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。

作用：抑制电子传递及氧化磷酸化过程

举例：寡霉素3、ATP合酶抑制剂生化生物氧化第71页不一样底物和抑制剂对线粒体氧耗影响

生化生物氧化第72页电子传递链及氧化磷酸化系统概貌ΔμH+跨膜质子电化学梯度；H+m内膜基质侧H+；H+c

内膜胞液侧H+生化生物氧化第73页化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链影响生化生物氧化第74页生化生物氧化第75页ADP/ATP↓：抑制氧化磷酸化，ATP生成↓ADP/ATP↑：促进氧化磷酸化，ATP生成↑H2O+NAD+NADH+H+

+

O212ADP+PiATP氧化磷酸化（二）ADP是调整正常人体氧化磷酸化速率主要原因。

生化生物氧化第76页ATP分解产热量ATP合成耗氧量（三）甲状腺激素刺激机体耗氧量和产热同时增加。Na+，K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表示均增加。（四）线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸化功效。生化生物氧化第77页四、ATP在能量生成、利用、转移和储存中起关键作用高能磷酸:水解时释放能量大于21kJ/mol磷酸酯键，常表示为P。高能磷酸化合物:含有高能磷酸键化合物。ATP1、ATP分子中高能磷酸基起源（1）氧化磷酸化：主要起源（2）底物水平磷酸化

生化生物氧化第78页化合物△E0′kJ/mol(kcal/mol)磷酸烯醇式丙酮酸－61.9(－14.8)氨基甲酰磷酸－51.4(－12.3)1，3-二磷酸甘油酸－49.3(－11.8)磷酸肌酸－43.1(－10.3)ATP→ADP＋Pi－30.5(－7.3)乙酰辅酶A－31.5(－7.5)ADP→AMP＋Pi－27.6(－6.6)焦磷酸－27.6(－6.6)1-磷酸葡萄糖－20.9(－5.0)一些主要有机磷酸化合物水解释放标准自由能生化生物氧化第79页

核苷二磷酸激酶作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶作用

ADP+ADPATP+AMP2.多磷酸核苷间能量转移生化生物氧化第80页肌酸激酶作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量一个贮存形式。生化生物氧化第81页

3.ATP生

成和利用ATPADP

肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化

~P~P

机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量储存和利用都以ATP为中心。生化生物氧化第82页线粒体外NADH2氧化1.α-磷酸甘油穿梭2.苹果酸-天冬氨酸穿梭（二）两种穿梭系统比较五、线粒体内膜对各种物质进行选择性转运（一）胞浆中NADH经过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链生化生物氧化第83页1.α-磷酸甘油穿梭（1）特点：线粒体内外α-磷酸甘油脱氢酶辅酶不一样胞液-----NAD+

线粒体---FADFADH2经琥珀酸氧化呼吸链1.5ATP主要存在于骨骼肌、脑

生化生物氧化第84页

NADH+H+

FADH2NAD+

FAD线粒体内膜线粒体外膜膜间隙线粒体基质α-磷酸甘油脱氢酶呼吸链磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油（2）过程

生化生物氧化第85页2.苹果酸-天冬氨酸穿梭系统（1）特点：苹果酸脱氢酶辅酶是NAD+经过NADH氧化呼吸链2.5ATP主要存在于肝、心肌组织中。

生化生物氧化第86页NADH+H+

NAD+

NADH+H+NAD+谷氨酸-天冬氨酸转运体苹果酸-α-酮戊二酸转运体苹果酸草酰乙酸α-酮戊二酸谷氨酸苹果酸脱氢酶谷草转氨酶胞液线粒体内膜基质呼吸链天冬氨酸（2）过程生化生物氧化第87页AH2

A2HRCOOHCO2+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氧化磷酸化胞液线粒体呼吸链生化生物氧化第88页（二）两种穿梭系统比较α-磷酸甘油穿梭苹果酸-天冬氨酸穿梭穿梭物质α-磷酸甘油磷酸二羟丙酮苹果酸、谷氨酸天冬aa、α-酮戊二酸进入线粒体后转变成物质FADH2NADH+H+进入呼吸链

琥珀酸氧化呼吸链NADH氧化呼吸链生成ATP数1.52.5存在组织骨骼肌、神经组织肝脏和心肌组织相同点将胞浆中NADH还原当量转运到线粒体内生化生物氧化第89页

（二）ATP-ADP转位酶促进ADP进入和ATP移出紧密偶联生化生物氧化第90页ATP4-F0F1胞液侧基质侧腺苷酸转运蛋白磷酸盐转运蛋白

ADP3-H2PO4-ATP4-H+H+

H+H+H2