生物化学课件

第四章生物氧化第一节生物氧化概论第二节线粒体电子传递链第三节氧化磷酸化生物化学第一节生物氧化概论一、生物氧化的概念和特点二、生物氧化的3方面内容三、生物氧化的酶类四、高能化合物生物化学脂肪葡萄糖、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

生物体内能量产生的三个阶段生物化学一、生物氧化的概念和特点（一）生物氧化的概念糖、脂、蛋白质等有机物在细胞内氧化分解，最终生成CO2和水并释放能量的过程。又称细胞氧化或细胞呼吸。生物氧化的场所：真核、原核生物化学1.相同点：（二）生物氧化的特点（与非生物氧化相比）（1）化学反应本质（2）被氧化的物质、终产物和释放的能量本质是电子的得失，它有三种方式：加氧氧化失电子脱氢氧化

生物化学三种方式

1.失电子

2.脱氢(最主要)

3.加氧COOHC=O+2H

CH3（2H++2e）

COOH

HO－CH

CH3Cu+O2

CuO12Cu+O2

CuO12生物化学2.不同点（1）生物氧化反应以脱氢为主（2）生物氧化在酶催化下进行，条件温和（3）生物氧化在一系列酶、辅酶和电子传递体的作用下逐步进行，能量逐步释放。生物化学生物化学

（1）.α-单纯脱羧1单纯脱羧（2）.β-单纯脱羧COOHC=OCH2COOHαβCOOHC=O+CO2

CH3

O‖ CH3CCOOH

O‖CH3CH+CO2

（一）CO2的生成二、生物氧化的3方面内容生物化学2.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+NADH+H+

CH3COOHCHOH+NAD+CH2COOHβα苹果酸酶生物化学（二）水的生成

1.底物脱水2.主要在脱氢酶、传递体、氧化酶组成的体系催化下生成生物化学（三）能量的生成和储存

当有机物被氧化成C2O和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP。主要是通过呼吸链

底物水平磷酸化

氧化磷酸化生物化学1.底物水平磷酸化概念：是指代谢物在氧化分解过程中产生的高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。3-磷酸甘油酸

磷酸甘油酸激酶ADPATP1,3-二磷酸甘油酸OPO3

2-生物化学三、生物氧化的酶类（一）脱氢酶（二）氧化酶（三）过氧化物酶（四）加氧酶生物化学（一）脱氢酶

使代谢物的氢活化、脱落，传递给受氢体或中间传递体根据所含辅助因子的不同分为：1.以黄素核苷酸为辅助因子的（又称为黄素酶）根据受氢体不同分为①需氧黄酶：以氧为直接受氢体生成H2O2②不需氧黄酶：氢先传递给中间传递体，最后才给分子氧生成H2O生物化学代谢物-2HFMNH2O2FAD代谢物FMNH2O2FADH2①需氧黄酶：2H2H代谢物-2HFMN传递体-2H1/2O2

FAD代谢物FMNH2传递体

H2O

FADH2②不需氧黄酶2H2H2H生物化学氧化态FAM/FAD：黄色，450nm处吸收峰还原态FAMH2/FADH2：无色生物化学代谢物-2HNAD+

传递体-2H1/2O2

NADP+代谢物NADH+H+传递体H2O

NADPH+H+2H2H2HNAD（CoⅠ）、NADP（CoⅡ）2.以烟酰胺核苷酸为辅因子的～NAD（CoⅠ）、NADP（CoⅡ）生物化学(二)氧化酶：以氧为直接受氢体，生成H2O或H2O2一般含Cu（三）加氧酶催化加氧反应1.单加氧酶2.双加氧酶（四）过氧化物氧化酶1.过氧化氢酶H2O2+

O2O2+H2O2.过氧化物酶H2O2+AH2A+H2O生物化学四、高能化合物（一）高能化合物的概念

在标准条件下(pH7,25℃,1mol/L)发生水解时，可释放出大量自由能的化合物，称为高能化合物。习惯上把“大量”定为5kcal/mol(即20.92KJ/mol)以上。在高能化合物分子中，释放出大量自由能时水解断裂的活泼共价键称为高能键。用表示～

但须注意：生化上的“高能键”，涵义不同于普通化学上的“键能”，不能把“高能键”理解为“能键高”生物化学（二）高能化合物的类型按其分子结构特点及所含高能键的特征分：磷氧键型磷氮键型硫酯键型甲硫键型生物化学1.磷氧键型（—O-P)(A)酰基磷酸化合物1,3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸生物化学氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸生物化学(B)焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸(C)烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸生物化学2.氮磷键型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用生物化学S-腺苷甲硫氨酸4.甲硫键型3.硫酯键型酰基辅酶A生物化学

2.ATP的特殊作用（1）ATP在磷酸化合物中所处的位置具有重要的意义，它在细胞的酶促磷酸基团转移中是一个“共同中间体”（2）ATP是生物体通用的能量货币。ATP是能量的携带者和转运者，但并不能量的贮存者。肌肉剧烈运动时，1s就消耗完ATP1.ATP的两个高能键(三)最重要的高能化合物ATP(三磷酸腺苷)生物化学α～～ADPATPAMP生物化学

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’。ATP作为磷酸基团共同中间传递体示意图生物化学生物化学生物化学生物化学第二节线粒体电子传递链

一、电子传递链的概念二、电子传递链的组成三、电子传递链的电子传递顺序四、呼吸链的电子传递抑制剂生物化学一、电子传递链的概念（一）概念：在生物氧化过程中，代谢物上脱下的H经过一系列的按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传递，最后传递给分子氧并生成水，这种氢和电子的传递体系称为电子传递链,又称呼吸链。典型的呼吸链FAD呼吸链NADH呼吸链生物化学（二）电子传递链分布原核细胞存在于质膜上真核细胞存在于线粒体的内膜上生物化学二、电子传递链的组成由NADH到O2的电子传递链主要包括：1.NADH脱氢酶2.黄素酶（FMN、FAD）3.辅酶Q(CoQ)4.细胞色素b、c1、c、a、a35.铁硫蛋白四个蛋白复合体：两个可灵活移动的成分：生物化学（一）NADH-Q还原酶（复合体I）

FMN+铁硫蛋白功能：NADH+H++FMNFMNH2+NAD+生物化学1.NADHNADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。烟酰胺脱氢酶类以NAD、NADP为辅酶生物化学NAD（P）+的作用原理+H+e+H++H+NAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2H生物化学异咯嗪核醇2.黄素蛋白FMN：黄素单核苷酸(Flavin

Mononucleotide)FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸(FlavinAdenineDinucleotide)生物化学黄素核苷酸的作用原理核黄素(黄色)FAD/FMN

FADH2/FMNH2+2H-2H-2H+2H还原型核黄素(无色)生物化学3.铁硫蛋白类（Fe—S）又叫铁硫中心或铁硫簇。含有等量铁原子和硫原子。铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的SH连接。铁原子可进行Fe2+

Fe3++e反应传递电子，为单电子传递体。生物化学

铁硫聚簇有几种不同的类型：［FeS］［2Fe-2S］［4Fe-4S］生物化学4.辅酶Q（CoQ）即辅酶Q（CoenzymeQ，CoQ），属于脂溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链。因其为脂溶性，游动性大，可以结合到膜上，也可以游离状态存在,因此不包含在四种复合体中。分子中的苯醌结构能可逆地结合2个H，能够接受或给出一个或两个电子为递氢体。生物化学辅酶-Q的功能还原成QH2氧化成Q电子和质子的传递体生物化学NADH+H+

NAD+FMNFMNH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2

复合体ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2生物化学

复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3琥珀酸延胡索酸

FADFADH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2（二）琥珀酸-Q还原酶（复合体Ⅱ

）生物化学

复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1（三）细胞色素c还原酶（复合体Ⅲ）生物化学

细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称。根据吸收光谱的不同将细胞色素分为a,b,c三类。

细胞色素生物化学

细胞色素还原酶血红素辅基的铁原子，在电子传递中发生可逆的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。功能：将电子从泛醌传递给细胞色素C细胞色素c是唯一能溶于水的细胞色素。生物化学Q循环两个QH2参与电子传递，使两个细胞色素C还原，经过全过程又产生了一个QH2分子。因此从化学反应计算是一个QH2分子的两个电子分别传递给2分子细胞色素C。这种通过辅Q的电子传递方式称为Q循环。生物化学（四）细胞色素C氧化酶（复合体Ⅳ）10个亚基的多聚蛋白生物化学

复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB（末端氧化酶）生物化学

（一）研究方法及实验证据由以下实验确定

1.标准氧化还原电位

2.还原状态呼吸链缓慢给氧

3.特异呼吸链抑制剂和人工电子受体

4.拆开和重组三、呼吸链成分的排列顺序生物化学氧化—还原电势锌片溶解Zn2+进入溶液铜沉积Cu2+得电子e提供电子（还原剂）负极得到电子（氧化剂）正极生物化学ε0=E0正极—E0负极

电动势=正负极电极势之差生物化学生物化学呼吸链的排列顺序：各成分按低氧还电位→高氧还电位电子传递方向：低氧还电位→高氧还电位（释放能量）1.根据标准氧化还原电位E0’表示氧化还原能力的大小，值越小还原性越强，失电子能力越强，决定电子流动方向生物化学

（一）研究方法及实验证据由以下实验确定

1.标准氧化还原电位

2.还原状态呼吸链缓慢给氧

3.特异呼吸链抑制剂和人工电子受体

4.拆开和重组三、呼吸链成分的排列顺序生物化学OxidizedReducedReducedOxidizedReduced生物化学（二）电子传递链的顺序生物化学NADH氧化呼吸链:主要的呼吸链琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）

包括：琥珀酸脱氢酶，脂酰CoA脱氢酶，磷酸甘油脱氢酶

（二）电子传递链的顺序b生物化学电子传递链小结生物化学四、呼吸链的电子传递抑制剂1、概念能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。

利用专一性电子传递抑制剂选择性的阻断呼吸链中某个传递步骤，再测定链中各组分的氧化-还原状态情况，是研究电子传递中电子传递体顺序的一种重要方法。生物化学ReducedOxidized生物化学鱼藤酮安密妥杀粉蝶菌素抗霉素A氰化物一氧化碳硫化氢叠氮化合物2、常用的几种电子传递抑制剂及其作用部位萎锈灵生物化学第三节氧化磷酸化一、ATP的生成方式二、氧化磷酸化的作用机制三、质子梯度的形成四、ATP合成机制五、氧化磷酸化的解偶联和抑制六、线粒体穿梭系统七、能荷生物化学一、ATP的生成方式根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为1.底物水平磷酸化ATP的形成直接由一个代谢中间产物（如磷酸烯醇式丙酮酸）上的磷酸基团转移到ADP分子上的作用。2.电子传递体系磷酸化

伴随电子从底物到氧的传递，ADP被磷酸化形成ATP的酶促过程即是氧化磷酸化作用。通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化生物化学二、氧化磷酸化的作用机制(一）ATP产生的数量

研究氧化磷酸化最常用的方法：测定线粒体或其抑制剂的P/O比值和电化学实验。

P/O比值:

消耗1摩尔氧原子消耗的无机磷酸的数目（ADP磷酸化为ATP）。实验表明：NADH呼吸链的P/O值是3，

FADH2呼吸链的P/O值是2，NADH氧化呼吸链每传递2H仅生成2.5分子ATP到线粒体外被利用。

FADH2氧化呼吸链每传递2H仅生成1.5分子ATP到线粒体外被利用。生物化学(二)ATP产生的部位（氧化磷酸化的偶联部位）ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，NADH呼吸链生成ATP的三个部位是：E0'值在此三个部位有大的“跳动”，都在0.2伏以上。生物化学生物化学(三)能量偶联假说氧化与磷酸化作用如何偶联尚不够清楚，目前主要有三个学说：化学耦联学说结构耦联学说化学渗透学说生物化学1.化学偶联假说（1953）

认为电子传递过程产生一种活泼的高能共价中间物。它随后的裂解驱动氧化磷酸化作用。2.构象偶联假说（1964）

认为电子沿电子传递传递使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能形式。这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。迄今未能分离出这种高能蛋白质，但在电子传递过程中蛋白质组分的构象变化还是存在的。生物化学3.化学渗透学说（1961）

认为电子传递释放出的自由能和ATP合成是与一种跨线粒体的质子梯度相偶联的。

呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP与Pi合成ATP。生物化学生物化学质子的流向生物化学4H+4H+4H+4H+2H+2H+内膜表面基质NADH＋H＋NAD＋琥珀酸延胡索酸½O2＋2H+H2O生物化学电子的流向生物化学ADP+PATP化学渗透假说示意图生物化学化学渗透假说详细示意图生物化学生物化学生物化学生物化学3.化学渗透学说

（1）要点递H体与递e体交替排列递H体有H泵作用，将H+泵出内膜，e传给递电子体，线粒体膜对H+不通透，造成H+跨膜梯度

H+通过ATP酶回流，生成ATP生物化学（2）支持化学渗透假说的实验证据：氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。线粒体内膜对H+OH-K+Cl-都是不通透的。破坏H+

浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑制剂）必然破坏氧化磷酸化作用的进行。线粒体的电子传递所形成的电子流能够将H+

从线粒体内膜逐出到线粒体膜间隙。大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质子，并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。迄今未能在电子传递过程中分离出一个与ATP形成有关的高能中间化合物，亦未能分离出电子传递体的高能存在形式。

H+如何通过电子传递链“泵”出的？生物化学（耗能过程）电子传递使复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ推动H+跨过线粒体内膜到线粒体的间隙。H+跨膜流动的结果造成线粒体内膜内部基质的H+离子浓度低于间隙。三、质子梯度的形成生物化学线粒体基质形成负电势，而间隙形成正电势，这样产生的电化学梯度即电动势称为质子动势或质子动力势。其中蕴藏着自由能即是ATP合成的动力。生物化学质子转移的机制有两种假说3种复合体都和质子转移有密切关系，质子主动转移和电子传递产生的自由能相偶联的机制当前存在两种假说：氧化—还原回路机制（Q循环）质子泵机制但目前为止尚不十分清楚。生物化学Q循环生物化学四、ATP合成机制由Fo（疏水部分）和F1（亲水部分）组成。在分离得到四种呼吸链复合体的同时还可得到复合体Ⅴ，即ATP合酶。（一）ATP合酶的结构线粒体膜上的ATP合酶（ATPsynthase)是受质子动力推动的酶。可催化ATP水解放能，又称为FoF1—ATP酶；又可从质子动力获能，合成ATP。自然界最小的旋转发动机生物化学F1在线粒体内膜的基质侧形成颗粒状突起即头部含5种不同的亚基（3、3、1、1

、1

）。其功能是催化生成ATPFo镶嵌在线粒体内膜中。细菌的由a1b2c9-12亚基组成。与线粒体电子传递系统连接（质子通道）OSCP（动物中）：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。生物化学FoF1侧视图生物化学（二）ATP合酶的工作机制（结合变化和旋转催化学说）生物化学结合变化和旋转催化学说3个β亚基构象不同

O开放型；T紧密结合型；L疏松型质子流动→驱动C单位转动→带动γ亚基转动→诱导β亚基构象改变→ATP释放和重新合成生物化学生物化学构成ATP合酶头部的α3β3亚基构成3个催化部位，中部的γ、ε亚基在质子推动力的驱动下相对于α3β3作旋转运动。由于3个β亚基与γ/ε亚基的不对称接触，使其分别处于三种不同的状态，即无核苷酸结合的空置状态（O）、结合ADP+Pi的松散结合状态（L）和结合ATP的紧密结合状态（T）。质子推动力驱使H+进入F0，推动“转子”γ和ε亚基相对α3β3旋转120°；使处于T态的催化部位释放ATP变成O态，同时L态催化部位上生成ATP变为T态，O态结合ADP+Pi变为L态

.在整个反应过程中，跨膜质子动力势是反应的推动力。生物化学五、氧化磷酸化的解偶联和抑制

不同的化学因素对氧化磷酸化过程的影响不同，根据它们不同的影响方式可分为三大类：（一）解偶联使电子传递与ADP磷酸化两个过程分开，失掉它们的紧密联系。它只抑制ATP的形成，不抑制电子传递过程，使电子传递产生的自由能都变成热能。解偶联剂的作用只抑制氧化磷酸化的ATP形成，对底物水平的磷酸化没有影响。

生物化学pH=7脂不溶脂溶性增加膜对质子的通透性破坏跨膜质子化学梯度（H+梯度）2,4-二硝基苯酚双香豆素生物化学（二）解偶联蛋白（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生物化学（三）氧化磷酸化抑制剂

抑制氧的利用和ATP形成，不直接抑制电子传递。氧化磷酸化抑制剂的作用是直接干扰ATP的生成过程，结果也使电子传递不能进行。例：寡霉素：与Fo的一个亚基结合而抑制合抑制F1DNP(解偶联剂）可解除它对氧的抑制作用。生物化学

寡霉素(oligomycin)可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成寡霉素生物化学（四）离子载体抑制剂生物膜上的脂溶性物质，与某些离子结合，并作为它们的载体，使这些离子能够穿过膜，破坏跨膜电化学梯度，从而破坏氧化磷酸化过程。