生物化学第五章生物氧化修改学时

生物化学第五章生物氧化修改学时第1页，课件共87页，创作于2023年2月第五章生物氧化第一节概述第二节呼吸链第三节氧化磷酸化第2页，课件共87页，创作于2023年2月第一节概述一、生物氧化的含义及特点二、高能化合物第3页，课件共87页，创作于2023年2月一、生物氧化的含义及特点1.生物氧化的含义

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的过程。第4页，课件共87页，创作于2023年2月糖

脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能*生物氧化概括如下图第5页，课件共87页，创作于2023年2月2.生物氧化的特点（1）生物氧化是在体温条件下，酶促催化下，经一系列化学反应，逐步氧化，逐步分次释放能量。（2）生物氧化过程中产生的能量，通常都是储存在一些特殊的高能化合物中，如ATP，然后在需要时，通过ATP的水解，将能量供给机体的需能反应。第6页，课件共87页，创作于2023年2月（3）在生物氧化中，CO2和H2O的生成通常是经过不同的途径，CO2的生成往往是在脱羧酶的催化下，底物脱羧产生。而水的生成，则是将底物脱下的氢，经一系列递氢体和递电子体的传递，最后与氧结合生成水，且在这一过程中完成能量的释放、贮存，即生成ATP。第7页，课件共87页，创作于2023年2月

生物氧化是在细胞内摄入分子O2，将有机物经一系列步骤彻底氧化分解后，放出CO2和H2O。这与生命体的呼吸作用类似，且细胞氧来自呼吸作用，产生的CO2也经呼吸作用排出，因此生物氧化又叫细胞呼吸，而进行氧化的电子传递链又称为呼吸链。第8页，课件共87页，创作于2023年2月糖原

三酯酰甘油

蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoA

TAC2H呼吸链

H2OADP+PiATPCO2*生物氧化的一般过程第9页，课件共87页，创作于2023年2月二、高能化合物1.高能化合物

高能化合物就是有较高能量的化合物，这些能量一般都先储存于这些化合物的某些化学键中，当这些键断裂时，便释放较高的能量以供生命活动所需。一般将断键时释放5千卡/克分子以上能量的键称为高能键。第10页，课件共87页，创作于2023年2月如：ATPADP+Pi△G=-7.3千卡/克分子

ADPAMP+Pi△G=-6.5千卡/克分子

AMPA+Pi△G=-3.4千卡/克分子

故：ADP，ATP均为高能化合物，其磷酯键为高能键，而AMP则不是。高能键一般以“~”表示。第11页，课件共87页，创作于2023年2月2.高能键的种类

在生物体内，常见的高能键主要有高能磷酯键和高能硫酯键。第12页，课件共87页，创作于2023年2月第13页，课件共87页，创作于2023年2月3.某些高能磷酯键的水解自由能磷酸基团可以由高向低转移，ATP的位置居中，因此其能有效地转移磷酸基团。

第14页，课件共87页，创作于2023年2月4.ATP的生成

生物体内ATP的生成是通过生物氧化后，与之相偶联的磷酸化生成，包括氧化磷酸化和底物磷酸化。底物水平的磷酸化：

代谢物的高能磷酸根直接转给ADP生成ATP第15页，课件共87页，创作于2023年2月氧化磷酸化(oxydativephosphorylation)

底物脱下的氢（2H2H++2e）经过呼吸链(respiratorychain)或电子传递系统(electronictransportsystem)的传递最后交给氧，并与之结合生成水。在此过程中,氧化释放的部分能量以高能磷酸键的形式储存在ATP分子中（ADP+PiATP），这种氧化过程与磷酸化过程的偶联称为氧化磷酸化。这是需氧生物合成ATP的主要方式。第16页，课件共87页，创作于2023年2月5.ATP的利用及储存

（1）ATP中能量的利用常与一些吸能反应相偶联如：R-COOH+R’-OHRCOOR’+H2O△G=4千卡/克分子

ATP+H2OADP+Pi△G=-7.3千卡/克分子当反应单独进行时，由于△G﹥0，故不能自发进行当将其与ATP水解相偶联时，则

R-COOH+R’-OH+ATPRCOOR’+ADP+Pi△G=-3.3千卡/克分子

△G﹤0，反应可自发进行，在生物体内许多合成反应都是需能反应，都要与ATP的水解相偶联。第17页，课件共87页，创作于2023年2月（2）启动可以自发进行的反应如：

因：ATP+H2OADP+Pi△G=-30.54千焦/克分子而：G+ATPADP+G-6-P△G=-16.74千焦/克分子所以：从GG-6-P获得了13.8千焦的能量，G分子得到了活化，有利于反应的启动。G-6-P己糖磷酸激酶GATPADP第18页，课件共87页，创作于2023年2月（3）贮存

ATP可将其高能磷酸键转移给肌酸生成磷酸肌酸从而贮存其中的高能磷酸键。磷酸肌酸又称为生物体内的磷酸原。但是，磷酸肌酸中的高能键不能直接利用，在需能时，它又将高能磷酸根转移给ADP生成ATP，以供细胞活动所需。

第19页，课件共87页，创作于2023年2月第20页，课件共87页，创作于2023年2月

ATP的生成和利用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)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。第21页，课件共87页，创作于2023年2月第二节呼吸链一、呼吸链的概念二、催化底物脱氢的酶类三、呼吸链的组成四、呼吸链的排列顺序及反应历程五、胞液中NADH的氧化第22页，课件共87页，创作于2023年2月一、呼吸链的概念

呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。是由几种递H体和递电子体所组成的链状反应系统，通过递H和递电子，将底物脱下的H交给被激活的氧生成水，并释放能量。第23页，课件共87页，创作于2023年2月二、催化底物脱氢的酶类

1.以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶类这类酶催化代谢反应中底物脱氢，脱下的氢由NAD+或NADP+接受。第24页，课件共87页，创作于2023年2月NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

第25页，课件共87页，创作于2023年2月NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。第26页，课件共87页，创作于2023年2月2.以黄素核苷酸为辅酶的脱氢酶类即以FAD或FMN为辅酶，催化代谢反应中底物或NADH脱氢，脱下的氢由FAD或FMN接受。第27页，课件共87页，创作于2023年2月FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN。第28页，课件共87页，创作于2023年2月三、呼吸链的组成呼吸链由递氢体和电子传递体组成（2H2H++2e）

1.NADH-Q还原酶（NADH脱氢酶，复合体I）

相对分子量88000,至少34条多肽链，是呼吸链中3个质子泵中的第一个。催化下列反应：第29页，课件共87页，创作于2023年2月

2.铁硫蛋白又称铁硫中心，含有铁和对酸不稳定的硫，且两者有一定的等量关系。铁硫中心的硫可以是无机硫，也可以是半胱氨酸中的巯基硫；铁可以是二价或三价，这种价态的变化，使铁硫中心在呼吸链中与其它递氢体和递电子体结合成复合物而存在，参与电子传递的过程。第30页，课件共87页，创作于2023年2月

FMNH2可将电子传递给铁硫蛋白，故其为NADH-Q还原酶的另一辅基。铁硫蛋白有个Fe-S中心，铁硫蛋白有的含一个Fe原子(Fe-S)，有的含2个Fe原子(2Fe-2S)，有的含4个Fe原子(4Fe-4S)。其结构如下：第31页，课件共87页，创作于2023年2月铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)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。Ⓢ表示无机硫

第32页，课件共87页，创作于2023年2月

铁硫蛋白SS无机硫半胱氨酸硫第33页，课件共87页，创作于2023年2月3.辅酶Q（CoQ）是一种脂溶性的醌类化合物，在呼吸链中参与递氢的作用。由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。第34页，课件共87页，创作于2023年2月复合体Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2第35页，课件共87页，创作于2023年2月4.琥珀酸-Q还原酶（复合体II）

琥珀酸-Q还原酶即复合体II，它包括三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶。该酶复合体中也包括2Fe-2S，3Fe-3S和4Fe-4S.

它的作用是将琥珀酸分子的电子及质子传递到呼吸链中。其过程是:琥珀酸——FADH2——铁硫蛋白——CoQ第36页，课件共87页，创作于2023年2月第37页，课件共87页，创作于2023年2月5.细胞色素C还原酶（复合体III)

又称CoQ-细胞色素C还原酶，细胞色素bc1复合体。该复合体主要包含细胞色素b562和b566，细胞色素c1，2F-2S。其中细胞色素b是游离的，细胞色素c1和2Fe-2S位于膜内侧。第38页，课件共87页，创作于2023年2月细胞色素是一类含铁卟啉环的电子传递蛋白，只存在于需氧细胞中，通过Fe3+Fe2+变化而传递电子。呼吸链中细胞色素的种类主要有Cytb、Cytc1、Cytc、Cytaa3第39页，课件共87页，创作于2023年2月第40页，课件共87页，创作于2023年2月第41页，课件共87页，创作于2023年2月6.细胞色素C（cytochrome)

细胞色素C在电子传递中的作用是不断地接受复合体III（细胞色素C1)交出的电子，然后又传给复合体IV(细胞色素aa3)。第42页，课件共87页，创作于2023年2月第43页，课件共87页，创作于2023年2月7.细胞色素氧化酶(复合体IV)

细胞色素氧化酶分子较大，约20万kd，由10个亚基组成，分别为I,II,III,IV,……。，其中最大的三个亚基由线粒体DNA编码。第44页，课件共87页，创作于2023年2月

该酶有四个氧化—还原中心。都集中在第I和第II亚基上。分别为血红素a和a3,Cua和Cub.它们都分别与相应的蛋白结合。分别形成2个电子传递中心，a-CuA和a3-CuB.电子传递顺序为：cytochromeCa-Cuaa3-CubO2可能与与a3-Cub结合，并接受电子成为O2-;

细胞色素氧化酶中的细胞色素a和a3的电子传递体是Fe，Cu离子中心的电子传递体是Cu.它们一次只能传一个电子:Cu2+Cu+第45页，课件共87页，创作于2023年2月第46页，课件共87页，创作于2023年2月*泛醌和Cytc

均不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体第47页，课件共87页，创作于2023年2月呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置第48页，课件共87页，创作于2023年2月四、呼吸链的排列顺序及反应历程1.呼吸链的排列顺序呼吸链各组成并不是杂乱无章地堆积在一起的，而是有一定秩序地排列，电子与H就按此秩序逐步传递至O2，与之结合生成水。呼吸链的排列顺序是通过大量实验得以证实。第49页，课件共87页，创作于2023年2月NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2FADH2(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第50页，课件共87页，创作于2023年2月NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链复合物Ⅰ复合物Ⅱ复合物Ⅲ复合物Ⅳ第51页，课件共87页，创作于2023年2月ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+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-第52页，课件共87页，创作于2023年2月2.呼吸链的反应历程NADH氧化呼吸链第53页，课件共87页，创作于2023年2月第54页，课件共87页，创作于2023年2月第55页，课件共87页，创作于2023年2月FADH2(琥珀酸氧化)呼吸链

第56页，课件共87页，创作于2023年2月电子在呼吸链中的传递方式(I)(II)(III)(IV)第57页，课件共87页，创作于2023年2月NADHFMN（FeS）CoQCytb（FeS）Cytc1CytcO2FADH（FeS）Cytaa3NADH呼吸链FADH呼吸链两条呼吸链总结琥珀酸第58页，课件共87页，创作于2023年2月电子传递链Overviewofelectrontransport第59页，课件共87页，创作于2023年2月五、胞液中NADH的氧化1.苹果酸穿梭机制：第60页，课件共87页，创作于2023年2月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第61页，课件共87页，创作于2023年2月2.磷酸甘油穿梭机制第62页，课件共87页，创作于2023年2月

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-磷酸甘油第63页，课件共87页，创作于2023年2月第三节氧化磷酸化

一、概念二、ATP生成数目三、氧化磷酸化偶联部位四、氧化磷酸化的解偶联作用五、氧化磷酸化的作用机理第64页，课件共87页，创作于2023年2月一、概念

与呼吸链的氧化作用相偶联的磷酸化，即在呼吸链的电子传递过程中，释放的能量使ADP磷酸化为ATP，从而将释放的能量贮存在ATP的高能磷酸键中的过程。第65页，课件共87页，创作于2023年2月氧化磷酸化(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)

是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。第66页，课件共87页，创作于2023年2月二、ATP生成数目1.P/O比值每消耗1克原子氧，可消耗多少克原子磷，由于消耗1原子磷，则表示生成1分子ATP，消耗1原子氧，则传递1对电子，故P/O比值表示呼吸链每传递1对电子，生成的ATP的数目。第67页，课件共87页，创作于2023年2月第68页，课件共87页，创作于2023年2月2.各种呼吸链的ATP生成数目

经实验测得：

NADH呼吸链的P/O=3，则每传递1对电子生成3个ATP(现为2.5个ATP)FADH2呼吸链的P/O=2，则每传递1对电子生成2个ATP(现为1.5个ATP)第69页，课件共87页，创作于2023年2月三、氧化磷酸化偶联部位

1.偶联部位

ADP+H3PO4ATP+H2O△G=+7.3千卡/克分子

即ADP要磷酸化为ATP需要7.3千卡/克分子的能量。则在呼吸链中，只有释放的能量高于7.3千卡/克分子的部位，才有可能进行磷酸化。第70页，课件共87页，创作于2023年2月ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位电子传递链自由能变化

第71页，课件共87页，创作于2023年2月2.呼吸链偶联部位的证据（1）不同底物氧化时的P/O比值底物呼吸链P/O比值ATP数目乳酸NADH33琥珀酸FADH222VC电子传递11FADH2VCNADHCOQCytbCytcCytaa3O2第72页，课件共87页，创作于2023年2月（2）特异电子传递抑制剂的抑制

NADHCOQCytbCytcCytaa3O2

由于鱼藤酮不抑制COQ以后的电子传递，P/O=2，说明NADHCOQ为一个ATP生成部位。其它亦同理。鱼藤酮抑制抗霉素A抑制CN-,CO抑制ATP数目210第73页，课件共87页，创作于2023年2月四、氧化磷酸化的解偶联作用1.含义：某些试剂，在作用于呼吸链时，可阻碍ATP的生成，但并不影响氧化作用的进行，这样的试剂，称为解偶联试剂，这样的作用即为解偶联作用。2.常用解偶联试剂：

2，4-二硝基苯酚（DNP）第74页，课件共87页，创作于2023年2月3.解偶联作用的意义：由于解偶联作用，使ADP不能生成ATP，从而ADP的浓度升高，ADP的浓度升高又刺激呼吸链氧化作用加强，最终导致机体的耗氧量增加，物质氧化加快，释放的能量则以热的形式散发。氧化磷酸化的解偶联作用可为冬眠动物所利用，为其产生热量以维持体温的一种方式。第75页，课件共87页，创作于2023年2月五、氧化磷酸化的作用机理

关于氧化磷酸化的机制至今尚无定论，主要有三种假说：化学偶联假说、结构偶联假说和化学渗透偶联假说。现主要介绍化学渗透偶联假说。1.化学渗透偶联学说的要点

1961年英国微生物生物化学家p.迈特捷尔(P．Mitchell)提出了化学渗透假说，其要点是：

第76页，课件共87页，创作于2023年2月

在电子传递和ATP形成之间起偶联作用的是H+电化学梯度，在偶联过程中，线粒体内膜必须是完整、封闭的才能进行，呼吸链的电子传递体系是一个主动的转移H+体系，电子传递过程象一个H+“泵”，促使基质中的H+离子穿过线粒体内膜，形成H+浓度内低外高的梯度，这就蕴藏了电化学的能量，此能量可使ADP和无机磷酸形成ATP。第77页，课件共87页，创作于2023年2月线粒体基质

线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图第78页，课件共87页，创作于2023年2月化学渗透学说（chemiosmotichypothesis)第79页，课件共87页，创作于2023年2月2.化学渗透偶联假说的解释（1）H+浓度梯度的形成：如图(i)呼吸链中递氢体和递电子体是间隔交替排列的，并在内膜中有特定的位置，催化电子定向传递。(ⅱ)当递氢体从内膜内侧接受由底物传来的氢(2H)后，可将其中的电子(2e)传给位于其后的递电子体，而将两个质子(H+)“泵’到内膜外侧，即递氢体起着“质子泵”的作用第80页，课件共87页，创作于2023年2月

(iii)因H+不能自由回到内膜内侧，以致内膜外侧的H+浓度高于内侧，造成H+浓度的跨膜梯度。此H+浓度梯度使内膜外侧的pH较内侧低1个单