生物氧化与氧化磷酸化

生物氧化与氧化磷酸化第1页，课件共46页，创作于2023年2月新陈代谢是生物与外界环境进行物质交换与能量交换的全过程，是生物体内一切化学变化的总称，是生物体表现其生命活动的重要特征之一，这种新陈代谢一旦停止，生命就随之停止，结果便是蛋白体的分解。第一节新陈代谢第2页，课件共46页，创作于2023年2月水解时释放自由能大于21kJ/moL的化学键称之为高能健（energy-richbond），常用符号“~”表示。一、高能键类型二、ATP（三磷酸腺苷、腺苷三磷酸）三、其它高能磷酸化合物第二节高能化合物第3页，课件共46页，创作于2023年2月一、高能化合物类型第4页，课件共46页，创作于2023年2月二、ATP腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-+++Mg2+

在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（=-30.5kJ·mol-1）。

G′ATP4-+H2O＝ADP3-+Pi2-+H+

＝-30.5kJ·mol-1

ATP3-+H2O＝ADP2-+Pi2-+H+

＝-33.1kJ·mol-1

G′

G′第5页，课件共46页，创作于2023年2月在生物体代谢过程中，氧化放能反应和生物合成等需能反应互相联系，但是多数情况下，产能反应和需能反应之间不直接偶联，彼此间的能量供求关系主要通过ATP进行传递。第6页，课件共46页，创作于2023年2月ATP的特殊作用★

“能量通货”★

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1,3-二磷酸甘油酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第7页，课件共46页，创作于2023年2月三、其它高能磷酸化合物第8页，课件共46页，创作于2023年2月1、生物氧化的三个阶段及氧化特点2、生物氧化的方式3、产物生成：CO2、H2O

糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biologicaloxidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。第三节生物氧化第9页，课件共46页，创作于2023年2月脂肪葡萄糖、其它单糖蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoA小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）中间物进入TCA，脱下的氢由电子传递链传递给氧生成H2O，并释放出大量能量，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

生物氧化的三个阶段三羧酸循环电子传递（氧化）e-磷酸化+Pi

H2OO=1\2O22H+第10页，课件共46页，创作于2023年2月生物氧化的特点

在活细胞内、温和的生理条件下进行的。一般是在一系列酶和中间传递体的作用下逐步进行的。能量主要在氢的氧化过程中逐步释放，释放的化学能可转化成高能键形式的生物能，贮存在一些特殊的高能化合物中。生物氧化有严格的细胞空间定位。在真核生物细胞内，生物氧化都在线粒体内进行，在不含线粒体的原核生物细胞内，生物氧化则在细胞膜上进行。第11页，课件共46页，创作于2023年2月生物氧化反应与体外氧化反应的化学本质一样，都是电子的得失过程。在生物氧化中，既能接受氢（或电子）又能供给氢（或电子）的物质，起传递氢（或电子）的作用，称为传递氢载体（或电子载体，electroncarriers）。在反应形式上，生物氧化反应有失电子氧化、加氧氧化、脱氢氧化、加水脱氢氧化等。2、生物氧化的方式1.失电子氧化反应第12页，课件共46页，创作于2023年2月4.加水脱氢氧化反应2.加氧氧化反应3.脱氢氧化反应第13页，课件共46页，创作于2023年2月CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。

类型：直接脱羧和氧化脱羧α-脱羧和β-脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH

O丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶CH2-NH2R第14页，课件共46页，创作于2023年2月H2O的生成

生物体内水生成的方式大致可分为两种：一种是直接由底物脱水，另一种是通过呼吸链生成水。

底物脱水例：由呼吸链生成水代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递第15页，课件共46页，创作于2023年2月氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脱氢酶例：1\2O2NAD+电子传递链

H2O2eO=2H+第16页，课件共46页，创作于2023年2月一、概念

线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链(electrontransferchain,ETC)，因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。在具有线粒体的生物中，典型的呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。包括NADH呼吸链和FADH2呼吸链两种。

第四节线粒体电子传递体系第17页，课件共46页，创作于2023年2月NADH呼吸链H2O12O2O2-MH2还原型代谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1-c-aa3FeS2H+M氧化型代谢底物FADH2呼吸链FADFADH2琥珀酸FeS2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1

-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-H2O延胡索酸2H+第18页，课件共46页，创作于2023年2月NADH呼吸链和FADH2呼吸链

FADH2

↓FeS↓

NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2NADH呼吸链FADH2呼吸链第19页，课件共46页，创作于2023年2月二、ETC的组成及递电子机理1.黄素蛋白酶类（flavoproteins，FP）2.铁-硫蛋白类（iron-sulfurproteins）3.辅酶Q（CoQ）（ubiquinone，亦称泛醌）4.细胞色素类（cytochromes）NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等复合物II复合物IV复合物I复合物IIINADH脱氢酶辅酶Q-细胞色素还原酶细胞色素氧化酶琥珀酸脱氢酶第20页，课件共46页，创作于2023年2月黄素蛋白酶类

特点：以FMN(黄素单核苷酸)或FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白类别：黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）需氧脱氢酶类（如L-氨基酸氧化酶）加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）递氢机理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2第21页，课件共46页，创作于2023年2月CoQ递氢原理：CoQ+2HCoQH2脂溶性醌类化合物，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。

第22页，课件共46页，创作于2023年2月铁硫蛋白的结构及递电子机理主要以（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。传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+e第23页，课件共46页，创作于2023年2月细胞色素的结构和递电子机理传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+e一类以铁卟啉为辅基的色素蛋白。第24页，课件共46页，创作于2023年2月一、概念二、偶联部位、磷氧比（P/O）及能荷三、氧化磷酸化偶联机制四、氧化磷酸化的抑制作用第五节氧化磷酸化作用第25页，课件共46页，创作于2023年2月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（oxidativephosphorylation），它是需氧生物合成ATP的主要途径。有两种方式。

底物水平磷酸化（substratelevelphosphorlation）当底物发生脱氢或脱水时，分子内部能量重新分布而形成高能磷酸键（或高能硫酯键），然后高能键把能量转移给ADP（或GDP）生成ATP（或GTP）的过程，称为底物水平磷酸化作用。一、概念第26页，课件共46页，创作于2023年2月电子传递水平磷酸化(Electrontransportlevelphosphorylation)指代谢底物在生物氧化中脱掉的氢，经呼吸链传递给氧，化合成水的过程中释放的能量（放能）与ADP磷酸化生成ATP（吸能）相偶联的过程。磷酸化氧化偶联第27页，课件共46页，创作于2023年2月偶联部位

ETC中，电子在传递体之间转移时释放的能量如可满足ADP→ATP的需要时，即视为氧化磷酸化的偶联部位(coupledsite)或氧化磷酸化位点。根据热力学测定，当电子从NADH经呼吸链传递到氧时，有三处可以产生ATP：NADH和CoQ之间、Cytb和Cytc之间、Cytaa3和O2之间。第28页，课件共46页，创作于2023年2月

呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比。P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。到目前为止，电子传递链中一分子NADH或FADH2被氧化所泵出的质子数，以及ATP合酶合成一个ATP所需的质子数仍然都是未知，对此，已有很多实验试图计算这两个值，但仍未取得一致意见。对于电子传递链，目前最公认的结论是一个NADH被氧化泵出10个质子，一个FADH2被氧化泵出6个。而合成一分子ATP大约需要4个质子内流。因此，对于NADH，P/O值约为2.5，而FADH2的P/O值约为1.5。磷氧比（P/O）第29页，课件共46页，创作于2023年2月NADHFADH2O212H2OH2ONADH呼吸链：P/O≌

3ADP+PiATPFADH2呼吸链：P/O≌

2O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP然而也有的教科书认为P/O值分别为3和2。第30页，课件共46页，创作于2023年2月定义式：能荷=—————————[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]意义：能荷由ATP、ADP和AMP的相对数量决定，数值在0~1之间，反映细胞能量水平。能荷对代谢的调节可通过ATP、ADP和AMP作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节来实现。能荷相对速率ATP的利用途径

ATP的生成途径能荷对ATP的生成途径和ATP的利用途径相对速率的影响能荷第31页，课件共46页，创作于2023年2月三、氧化磷酸化偶联机制关于氧化和磷酸化的偶联，曾提出了三种假说：化学偶联假说（chemicalcouplinghypothesis）化学渗透假说(chemiosmotictheory)。构象变化假说(conformationalcouplinghypothesis)化学偶联假说是爱德华•斯莱特（EdwardC.Slater）于1953年提出。认为在电子传递过程中生成高能中间物，再由高能中间物裂解释放的能量驱动ATP的合成。这一假说可以解释底物磷酸化，但在电子传递体系的磷酸化中尚未找到高能中间物。第32页，课件共46页，创作于2023年2月化学渗透假说chemiosmotichypothesis

1961年由英国生物化学家PeterMitchell最先提出。认为：电子传递释放的自由能和ATP的合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。即电子传递释放的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H+离子梯度，及一个电位梯度。这个跨膜的电化学电势驱动ATP的合成。第33页，课件共46页，创作于2023年2月NADH呼吸链中的三个复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ起着质子泵的作用，将H+

从线粒体基质跨过内膜泵入膜间隙。H+不断从内膜内侧泵至内膜外侧，而又不能自由返回内膜内侧，从而在内膜两侧建立起质子浓度梯度和电位梯度即电化学梯度，也称为质子动力。当存在足够的跨膜电化学梯度时，强大的质子流通过嵌在线粒体内膜的F0F1-ATP合酶返回基质，质子电化学梯度蕴藏的自由能释放，推动ATP的合成。获得1978年的诺贝尔化学奖化学渗透假说示意图第34页，课件共46页，创作于2023年2月化学渗透假说示意图2H+2H+2H+2H+NADH+H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-+++++++++__________质子流线粒体内膜磷酸化

氧化

第35页，课件共46页，创作于2023年2月线粒体ATP合酶ATP酶复合体F0：为疏水蛋白质，是镶嵌在线粒体内膜中的质子通道。F1：为亲水蛋白质，由3

3

亚基组成，催化生成ATP。OSCP：寡霉素敏感相关蛋白，位于F0与F1之间，使ATP合酶在寡霉素存在时不能生成ATP。OSCPF1H+通道FO柄DCCD结合蛋白基质表面外表面第36页，课件共46页，创作于2023年2月构象变化假说

美国科学家保罗•博耶（PaulBoyer）为解释ATP酶作用机理，于1964年提出构象变化假说（现称旋转催化假说）。认为电子传递使线粒体内膜的蛋白质构象发生变化，推动了ATP的生成。1994年，英国科学家约翰•沃克（JohnE.Walker利用牛心线粒体F1-ATP酶的晶体结构，证明了在ATP酶合成ATP的催化循环中，三个β亚基的确有不同构象，从而有力地支持了保罗•博耶的假说。旋转催化假说认为，ATP合酶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）可使第37页，课件共46页，创作于2023年2月结合的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。1997年，PaulD.Boyer、JohnE.Walker与丹麦科学家JensC.Skou共同获得诺贝尔化学奖。第38页，课件共46页，创作于2023年2月ATP酶作用机理ADP+PiProtonFluxH+ATP+H2O

ATPADP+PiProtonFlux利于ADP与Pi结合的构象利于ADP与Pi生成的构象利于ATP释放的构象第39页，课件共46页，创作于2023年2月ATPase的旋转模型IIIIVIII定子转子旋转催化理论认为质子流通过Fo引起亚基III寡聚体和及亚基一起转动，这种旋转配置/亚基之间的不对称的相互作用，引起催化位点性质的转变，亚基的中心-螺旋被认为是转子，亚基I和II与亚基组合在一起组成定子，它压住/异质六聚体。第40页，课件共46页，创作于2023年2月四、氧化磷酸化的抑制作用依据抑制机制不同，分为解偶联剂、磷酸化抑制剂和电子传递抑制剂。1、氧化磷酸化解偶联（uncoupling）某些化合物能消除跨膜的质子浓度梯度或电位梯度，使ATP不能合成，这种作用称为解偶联作用，这类化合物成为解偶联剂（uncoupler）。解偶联剂不抑制电子传递，不抑制底物水平的磷酸化。第41页，课件共46页，创作于2023年2月NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外2,4-二硝基苯酚(DNP)2、氧化磷酸化抑制剂抑制剂（depressant）与解偶联剂的区别在于这类试剂不仅直接作用于ATP合酶而抑制ATP的合成，同时还抑制（降低）O2的利用率，从而间接抑制电子传递。（区别于电子传递链抑制剂）第42页，课件共46页，创作于2023年2月2H