生物氧化与氧化磷酸化

生物氧化与氧化磷酸化第一节新陈代谢生化定义——泛指生物与周围环境进行物质与能量交换的过程。是生物体物质代谢与能量代谢的有机统一。合成代谢（同化作用）分解代谢（异化作用）生物体的新陈代谢一、

物质代谢与能量代谢的统一生物小分子合成生物大分子需要能量释放能量生物大分子分解为生物小分子能量代谢物质代谢二者相辅相成，研究物质代谢就是研究能量代谢反响步骤繁多，具有严格的顺序性；与内外环境相适应，自动调节；通过酶活性调节来进行调节。逐步进行

新陈代谢的特点细胞内温和的条件下，由酶催化进行的；1、研究材料活体研究：“invivo〞：以生物整体、整体器官或微生物细胞群为对象进行的代谢研究称为活体研究〔又称体内研究〕；离体研究：“invitro〞：以组织切片、匀浆或组织提取液为对象进行的代谢研究称为离体研究〔又称体外研究〕。二、代谢的研究方法A、同位素示踪法将含有同位素35S、32P、14C、15N、3H的物质参与代谢反响，测试该基团在不同物质间的转移情况，来认识代谢过程。γβ高能化合物ATP2、研究方法B、整体方法纯化合物排泄物的化学分析典型案例脂肪酸的β氧化

以活动物为研究对象，分析其排泄物、血清、头发等，从而了解体内的代谢情况，属体内研究。C、组织提取法各类组织细胞各种破碎方法碎片置于试管中向该试管中加入纯化合物（如葡萄糖）分析各类代谢中间产物及酶，逻辑推断。典型例子糖代谢、生物氧化等等D、代谢途径阻断等方法属体外研究，了解某一反响被抑制之后的结果，从而推测某物质在体内的代谢变化,如使用酶抑制剂E、利用遗传缺陷型基因突变→遗传缺陷型→某种酶缺乏→某代谢反响受阻→某代谢中间物积累/某产物不能合成遗传缺陷型微生物F、气体测量法代谢过程中气体的消耗或产生的变化量20世纪40年代~50年代G、核磁共振波谱法〔NMR〕通过测定放射性同位素的磁矩来研究分子外围和骨架的结构信息。对样品不加任何破坏，能最好反映机体内化学反响的真实情况一、生物氧化概念和特点

有机物质〔糖、脂肪和蛋白质〕在生物细胞内进行氧化分解而生成C2O和H2O并释放和储存能量的过程称为生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。1、概念第二节、生物氧化

2、生物氧化的特点生物氧化体外燃烧细胞内温和条件（常温、常压、中性pH、水溶液）高温或高压、干燥条件一系列酶促反应无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高能量爆发释放释放的能量转化成ATP被利用转换为光和热，散失实质相同：都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成C2O和H2O，所释放的能量也相同。方式和历程不同：提问：有机物的生物氧化与体外燃烧有何相同与区别？3、生物氧化的主要内容〔1〕细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的C变成C2O—C2O如何形成？脱羧反响〔2〕在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2O—H2O如何形成？电子传递链〔3〕当有机物被氧化成C2O和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP—能量如何产生？底物水平磷酸化氧化磷酸化根本方式：底物脱羧基作用分类:单纯脱羧（不伴随脱氢）氧化脱羧（伴随脱氢）二

、生物氧化中CO2的生成

O‖CH3CH+CO2

O‖CH3CCOOH单纯脱羧氧化脱羧

O‖CH3－C－COOH+CoASH+NAD+

O‖CH3－C～SCoA+NADH+H++CO2第三节、生物氧化中H2O的生成

真核生物线粒体内膜或原核生物细胞膜上的呼吸链作用下产生。生物体内主要以脱氢酶、传递体、氧化酶组成的生物氧化体系催化水的生成。氧化酶2e2H+H2OO2-1/2O2电子传递体氢传递体脱氢酶

-2HMH2一、电子传递链的概念生物氧化过程中，代谢物上脱下的氢原子，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，最后传递到氧分子生成水，这种氢和电子的传递体系称呼吸链或电子传递链。类型：NADH链和FADH2链FADH2二、电子传递链的组分

以NAD+或NADP+为辅酶，200多种，以前者为主递氢体总是作为NADH电子传递链上的原初电子供体NAD(P)++2H

NAD(P)H+H+2、黄素脱氢酶类(递氢体)以FAD或FMN为辅基

MH2+E-FMN→M+E-FMNH2MH2+E-FAD→M+E-FADH2类型NADH脱氢酶，以FMN为辅基，催化NADH将H传递给FMN→FMNH2琥珀酸脱氢酶，以FAD为辅基，催化琥珀酸将H传递给FAD→FADH23、铁硫蛋白类(Fe-S)——非血红素铁蛋白Fe-S在线粒体内膜上常与黄素酶或细胞色素结合成复合物存在。9种，常以2Fe-2S或4Fe-4S存在通过铁的变价进行单电子传递，Fe3++eFe2+共有3种4、细胞色素类(Cyt)－电子传递体Cytb和Cytc1：细胞色素c复原酶。Cytaa3：末端氧化酶。以Fe卟啉为辅基的色素蛋白，只存在于需氧细胞；依靠铁和铜的变价传递电子

Fe3++e→Fe2+Cu2++e→Cu+呼吸链中的Cyt蛋白:

Cytb、Cytc1、Cytc和Cytaa3顺序：

Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2

存在于细胞色素a、a3的血红素A存在于细胞色素b、c、c1的血红素5、辅酶Q(CoQ)、泛醌、——递氢体非蛋白组分，醌类，侧链为异戊二烯；中间传递体，通过醌/酚结构互变传递电子只能从黄素酶的FMNH2或FADH2，接受和传递H。复合体Ⅰ(NADH脱氢酶或NADH–Q复原酶):包括黄素蛋白(FMN)和铁硫蛋白。催化电子从NADH→CoQ。复合体Ⅱ(琥珀酸脱氢酶或琥珀酸–Q复原酶):包括黄素蛋白(FAD)、铁硫蛋白和细胞色素b560。催化电子从琥珀酸→CoQ。复合体Ⅲ〔细胞色素复原酶〕：包括Cytb、Cytc1和铁硫蛋白。催化电子从CoQH2→Cytc。复合体Ⅳ〔细胞色素氧化酶):包括Cytaa3和含铜蛋白。催化电子从复原型Cytc→O2电子传递链的组成从线粒体内膜上别离到四种酶复合体及辅酶Q(CoQ)和细胞色素C(Cytc)。复合体I：NADH-Q复原酶组成：FMN+Fe-S蛋白〔+CoQ〕功能：递氢

Fe-S蛋白：递电子体

Fe3++eFe2+NADH链复合体II：琥珀酸-Q复原酶组成：FAD+Fe-S蛋白功能：递氢244FADH2链232复合体III：细胞色素复原酶组成：Cytb、Cytc1、Fe-S蛋白功能：传递电子复合体IV：细胞色素氧化酶组成：Cytaa3+2Cu＋功能：递电子给氧Cu2＋＋eCu＋

NADH链CoQNADH-Q复原酶细胞色素还原酶3复合体细胞色素C细胞色素氧化酶4复合体1复合体线粒体外膜线粒体内膜2e递氢体递电子体NADH链FADH2链IIIIIVQCIIQC三、电子传递链的类型和组成：NADH链：复合体I、CoQ、III、Cytc、IVFADH链：复合体II、CoQ、III、Cytc、IV四、电子传递链中传递体的排列顺序依据—各传递体的E○’,重建组成、抑制剂的阻断试验NADH链NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2

FADH2链FADH2→CoQ→b→c1→c→aa3→O2

FADH2NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2

-0.32→-0.30→+0.1←+0.07→+0.22→+0.25→+0.29→+0.82-0.06E0’

低→高，NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2鱼藤酮

NADH链断，FADH2链通FADH2五、电子传递抑制作用〔链阻断试验〕电子传递抑制剂：能够抑制电子传递链上某一部位电子传递的物质安蜜妥杀粉蝶菌素A毒鱼藤：两广一带有毒鱼作用的一类藤本植物的统称。毒鱼藤的根皮或种子中含有的杀虫有效成分是鱼藤酮和拟鱼藤酮。(一)NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2氰化物CONADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2eee氰化物、CO——窒息剂〔剧毒！〕抗霉素A-分离自霉菌(二)(三)第四节、氧化磷酸化与ATP的生成

生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。一、高能化合物1、定义：在生化反响中，随着水解反响或基团转移反响可放出大量自由能〔＞20.92KJ/mol〕的化合物。其中断裂释放出大量自由能的共价键称为高能键(~)。

A→B△G0

＞0(不能自发进行）高能化合物(水解)→低能化合物△G0＜0(能自发进行)提问：两反响如何可以结合在一起呢？P177A+高能化合物→B+低能化合物△G0＜0(能自发进行)

高能基团的传递2.生物意义：3、高能化合物的种类磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型-O~P磷氮型HN=C-N~P(O)-43.1烯醇式磷酸化合物△GoKJ/mol-C=C-O~P(O)--61.9酰基磷酸化合物-C-O~P(O)-42.3O焦磷酸化合物

(O)P-O~P(O)

-30.5硫脂键化合物~

S

-31.4甲硫键化合物

CH3~S+-C-C-40.8~高能键,水解断开，并可传递能量P177〔1〕ATP的分子结构4、最重要的高能化合物ATP①生物体通用的能量货币。产能反响产生的能量物质主要是ATP提供反响所需能量；提供细胞活动的机械能；提供细胞吸收物质时的能量；产生电效应；转变成光能或热能②磷酸基团转移反响的中间载体。〔2〕ATP在能量转化中的作用能量源自能源物质〔糖、脂、偶尔是蛋白质〕的分解分解代谢氧化产能ADP机械能〔运动〕化学能〔合成反响〕渗透能〔分泌、吸收〕电能〔生物电〕热能〔体温维持〕光能〔生物发光〕

UTP、GTP、CTP、TTP合成，供能ATP5、ATP生成的途径光合磷酸化氧化磷酸化ATP在传递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和转运者，但不是能量的贮存者。储能物质：磷酸肌酸、磷酸精氨酸二、氧化磷酸化作用定义：代谢物的氧化作用与ADP的磷酸化作用相偶联生成ATP的过程。根据氧化方式不同分为两类

底物水平磷酸化氧化磷酸化电子传递链磷酸化P1851、底物水平磷酸化(无O2参与)S→M～P＋ADP→ATP氧化激酶定义：底物被氧化的同时，分子内部能量重新分布产生高能磷酸化合物，高能磷酸化合物在酶(激酶)的作用将高能磷酸基团转移至ADP上形成ATP的过程。与底物催化过程相伴的无氧ATP形成机制磷酸甘油酸激酶丙酮酸激酶GTP+ADPGDP+ATP琥珀酰CoA合成酶2、电子传递体系磷酸化

(通常称的氧化磷酸化)

电子从NADH或FADH2经电子传递链传递给O2形成水时，同时偶联ADP磷酸化为ATP，这一过程称电子传递体系磷酸化。氧化过程和磷酸化过程同时进行。与电子传递链相伴的有氧ATP形成机制。ATP合酶产水反应的△G磷酸化P/O：一对电子经呼吸链传给氧原子的过程中所产生的ATP分子数。实质指每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷酸/产生ATP的摩尔数。3、P/O比和氧化磷酸化偶联部位1940年S.Ochoa

提出P/O比概念NADH+H++1/2O2

NAD++H2O磷酸化氧化+

3ADP+3Pi

+3ATPNADH链:P/O=3FADH2链：P/O=2FADH2+1/2O2+

2ADP+2Pi

NAD++H2O+2ATP偶联部位的证实:

专一性的抑制剂；电化学实验当传递体间△E0’

>0.18时，满足ADP+Pi→ATP的需要NADH→(FMN)→CoQ→(b→c1)→c→(a→a3)→O2

-0.32→-0.30→+0.1←+0.07→+0.22→+0.25→+0.29→+0.39+0.816FADH2(-0.18)ATPATPATP复合物I、III和IV具有质子泵功能，能利用电子传递释放的自由能将质子泵出线粒体内膜，形成质子电化学梯度，此梯度可推动ATP的合成。氧化磷酸化的耦联部位是：复合物I、III和IV132三、氧化磷酸化的偶联机制化学偶联假说(1953)(chemicalcouplinghypothesis)构象偶联假说(1964)(conformationalcouplinghypothesis)化学渗透假说

(chemiosmotichypothesis)

1、化学渗透学说P.Mitchell〔英〕1961年提出,1978年诺贝尔化学奖。在电子传递和ATP合成之间起偶联作用的是质子电化学梯度。要点：线粒体内膜是完整的封闭系统；内膜上递氢体和递电子体交替排列，催化反响定向进行e传递过程中释放的能量将H+由内膜内侧泵到内膜外侧；内膜对H+不通透，阻止H+自由进入，形成膜内外质子电化学梯度；足够大的质子电化学梯度使质子经F1-F0复合体回到内膜内侧，推动ADP磷酸化形成ATP。化学渗透假说示意图ATP合酶是ATP合成的场所。FO镶嵌在内膜中,是膜外质子返回膜内的通道。F1伸向膜内基质,是催化ATP合成的部位。当膜外的质子经FO质子通道到达F1时便推动ATP的合成。2、ATP的合成机制—FOF1-ATP合酶3、ATP酶的旋转催化理论－－Boyer.P.D.(1994)LOT四、氧化磷酸化的阻断作用电子传递抑制剂氧化磷酸化抑制作用解偶联作用离子载体抑制作用2.氧化磷酸化抑制作用：既抑制氧的利用又抑制ATP的生成，但不直接抑制呼吸链上载体的作用。如寡霉素阻断方式：寡霉素：通过抑制ATP合酶Fo质子通道的作用抑制氧化磷酸化。1.电子传递抑制作用:如鱼藤酮、安密妥等概念：将电子传递过程和ATP形成过程别离的作用称为~。产生这种作用的物质为~。能抑制ATP的形成，但不抑制电子传递，不抑制底物水平磷酸化。解偶联剂：2,4-二硝基苯酚〔D