生物化學(xué) 第十章 生物氧化課件

第十章生物氧化維持生命活動的能量來源光能（太陽能）：植物和某些藻類，通過光合作用將光能轉(zhuǎn)變成生物能?；瘜W(xué)能：動物和多數(shù)微生物，通過生物氧化作用將有機物質(zhì)存儲的化學(xué)能釋放出來，并轉(zhuǎn)變成生物能（ATP傳遞）。ATP生成形式光和磷酸化非氧化磷酸化氧化磷酸化（呼吸鏈氧化磷酸化底物氧化磷酸化）脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質(zhì)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間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中間物進入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位

生物體內(nèi)能量產(chǎn)生的三個階段生物氧化的特點1、酶促氧化過程、反應(yīng)條件溫和2、氧化與還原相偶聯(lián)3、質(zhì)子和電子由載體傳遞到氧生成水4、分步進行：有利于提高能量利用率5、氧化磷酸化一、氧化—還原電勢鋅片溶解Zn2+進入溶液銅沉積Cu2+得電子e提供電子（還原劑）負(fù)極得到電子（氧化劑）正極標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電極勢為0，25℃、1大氣壓氫壓力、H+活度為1M、pH=0每個電極都有自己的標(biāo)準(zhǔn)電極勢，有的為正，有的為負(fù)。鋅電極為---0.76銅電極為+0.34將任何一對氧化還原物質(zhì)的氧化還原對連在一起，都有氧化還原電位的產(chǎn)生。如果將氧化還原物質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成原電池，即可測出氧化還原電勢。標(biāo)準(zhǔn)氧還原電勢用E°表示。E°值愈大，獲得電子的傾向愈大；E°愈小，失去電子的傾向愈大化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和

氧化-還原電勢的關(guān)系氧化-還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下：

ΔG°′=－nFΔE°′

ΔE°′=E0正極—E0負(fù)極NADH+H++1/2O2====NAD++H2O

正極反應(yīng)：1/2O2+2H++2e

H2O

E+°′

0.82負(fù)極反應(yīng)：NAD++H++2eNADH

E-°′-0.3ΔG°′-nFΔE°′

-2×96485×[0.82-(-0.32)]

-220KJ·mol-1

線粒體二、電子傳遞和氧化呼吸鏈（一）電子傳遞過程按照電子的親和力遞增的順序傳遞電子的傳遞僅發(fā)生在相鄰傳遞體之間E0’決定電子流動方向（三）電子傳遞鏈（四）電子傳遞鏈的組成成分

1、NADH-Q還原酶（NADH脫氫酶、復(fù)合體Ⅰ）電子傳遞：NADHFMNFe-SCoQ鐵硫蛋白（Fe-S）

（非血紅素蛋白）與電子傳遞有關(guān)與其他遞氫體或電子傳遞體結(jié)合成復(fù)合物存在（四）電子傳遞鏈的組成成分2、輔酶Q

（CoQ、Q、泛醌）不同種類CoQ側(cè)鏈異戊二烯基數(shù)目不同脂溶性輔酶、可在脂雙層中擴散與蛋白質(zhì)結(jié)合不緊密靈活的電子載體輔酶-Q的功能還原成QH2氧化成Q電子和質(zhì)子的傳遞體CoQ和電子傳遞體的碰撞是電子傳遞的前提和條件（四）電子傳遞鏈的組成成分3、琥珀酸—Q還原酶（復(fù)合體Ⅱ）

嵌在線粒體內(nèi)膜（包括琥珀酸脫氫酶）電子傳遞：FADH2Fe-SCoQUbiquinone(Q)acceptselectronsfrombothNADHandFADH2intherespiratorychainMoviecomplex2（四）電子傳遞鏈的組成成分4、細(xì)胞色素還原酶（復(fù)合體Ⅲ）cytochrome,Cyt是含鐵的Pr以血紅素為輔基電子傳遞蛋白還原型Cyt有光譜吸收現(xiàn)象通過Fe3+

Fe2+互變起傳遞電子的作用電子傳遞：CoQCytcCyta：輔基是血紅素ACytb：------------------BCytc：------------------C——卟啉的側(cè)鏈基團不同Cyt的鐵卟啉一般以非共價鍵與酶蛋白結(jié)合Cytc例外，以硫醚鍵共價結(jié)合ReducedcytochromeshasthreeabsorptionbandsinthevisiblewavelengthsCyta:~600nmCytb:~560nmCytc:~550nm細(xì)胞色素還原酶（CoQ-細(xì)胞色素c還原酶）Cytb562/bHCytb566/bLCytc1Cytb硫醚鍵c型Cytb型Cyt為乙烯基所處多肽環(huán)境不同Cytochromebc1complex(complexIII)（四）電子傳遞鏈的組成成分5、細(xì)胞色素c（cytc）單一多肽鏈易溶于水與Cytc1含相同輔基，但蛋白組成不同無血紅素Cytc（細(xì)胞溶膠）內(nèi)外膜間隙（Cytc合成酶）

成熟Cytc（構(gòu)象變化）線粒體外膜通道×Cytc功能：傳遞電子復(fù)合體Ⅲ復(fù)合體ⅣQ循環(huán)Moviecomplex3（四）電子傳遞鏈的組成成分6、細(xì)胞色素氧化酶（Cytc氧化酶、復(fù)合體Ⅳ）位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復(fù)合物活性部分主要包括cyta和a3Cytaa3復(fù)合體(細(xì)胞色素c氧化酶)除含2個鐵卟啉，還含2個銅原子(Cu+

Cu2+)Thethreecriticalsubunitsofcytochromeoxidase

Cua-CuA聚族a3-CuB聚族Moviecomplex4Movieaswhole（五）電子傳遞抑制劑——阻斷呼吸鏈中某部位電子傳遞的物質(zhì)；氧化作用受阻、能量釋放減少魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素阻斷電子由NADH向CoQ的傳遞；抗霉素A抑制電子從Cytb到Cytc1的傳遞；氰化物、疊氮化物、CO等阻斷電子由Cytaa3傳遞到氧OxidizedReducedReducedOxidizedReducedElectroncarriersmayhaveanorderofincreasingE`0從NADH到分子氧每一電子傳遞體得電子的傾向逐漸增大kineticsofoxidation.三、氧化磷酸化作用代謝物的氧化（脫氫）作用與ADP的磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)生成ATP的過程。部位：線粒體內(nèi)膜（真核）胞漿膜（原核細(xì)胞）數(shù)目、形狀因細(xì)胞而異底物磷酸化沒有氧的參與分子內(nèi)部所含能量重新分配，生成高能磷酸鍵也稱代謝物水平磷酸化（一）線粒體膜的結(jié)構(gòu)特點兩層膜結(jié)構(gòu)：外膜和內(nèi)膜

外膜平滑、有彈性

內(nèi)膜有許多向內(nèi)折疊的突起（嵴）

外膜脂質(zhì)多、密度小

內(nèi)膜Pr含量高、密度稍大

對代謝物的通透性不同、酶的分布不同（二）氧化磷酸化的偶聯(lián)機制1、ATP的合成部位NADH氧化過程中有三個反應(yīng)G’值大于30.5kJ/molNADHFMNcytbcytc1cytaa3

O2-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/mol復(fù)合物ⅣCytc氧化酶復(fù)合物Ⅲ泛醌Cytc還原酶

復(fù)合物ⅠNADH脫氫酶NADH+H++?O2H2O+NAD+ΔG°'=-220kJ/mol電子通過線粒體呼吸鏈傳遞到O2的過程中，釋放出大量能量；這種電子傳遞過程的釋能反應(yīng)與ADP和磷酸合成ATP的需能反應(yīng)相偶聯(lián)，是ATP形成的基本機制。從NADHO2產(chǎn)生2.5個ATP從FADH2

O2產(chǎn)生1.5個ATPP/O比值—消耗1摩爾氧有多少無機磷轉(zhuǎn)化為有機磷—一對電子經(jīng)呼吸鏈傳至氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)

反映氧化磷酸化的效率化學(xué)偶聯(lián)假說構(gòu)象偶聯(lián)假說化學(xué)滲透假說2、有關(guān)氧化磷酸化機理的幾種假說

（1）化學(xué)偶聯(lián)假說（1953年）（掌握要點）chemicalcouplinghypothesis

認(rèn)為電子傳遞反應(yīng)釋放的能量通過一系列連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)形成高能共價中間物，最后將其能量轉(zhuǎn)移到ADP中形成ATP。AH2+B+I-OHAI+BH2+OH-AI+X-H+OH-

X

I+A+H2O

XI+P-OHXP+I-OH

XP+ADPATP+X-HAH2+B+ADP+P-OHA+BH2+ATP+H2O

（2）構(gòu)象偶聯(lián)假說（1964）

conformationalcouplinghypothesis

認(rèn)為電子沿電子傳遞鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜的蛋白質(zhì)組分發(fā)生了構(gòu)象變化，形成一種高能構(gòu)象，這種高能形式通過ATP的合成而恢復(fù)其原來的構(gòu)象。迄今未能分離出這種高能蛋白質(zhì)。但在電子傳遞過程中蛋白質(zhì)組分的構(gòu)象變化還是存在的。

（3）化學(xué)滲透假說：a.線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€質(zhì)子泵b.電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時釋放出來的能量，用于驅(qū)動膜內(nèi)側(cè)的H+遷移到膜外側(cè)（內(nèi)膜對H+是不通透的），在膜內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度和電位梯度c.

在膜內(nèi)外勢能差的驅(qū)動下，膜外高能質(zhì)子沿著一個特殊通道（ATP合酶組成部分），跨膜回到膜內(nèi)側(cè)。質(zhì)子跨膜過程中釋放的能量，直接驅(qū)動ADP和磷酸合成ATP超聲波處理嵴重新封閉形成亞線粒體泡內(nèi)膜外翻尿素胰蛋白酶保留電子傳遞功能喪失合成ATP功能氧化磷酸化恢復(fù)①線粒體內(nèi)膜組份完整②電子傳遞伴隨質(zhì)子泵出③質(zhì)子梯度破壞引起氧化磷酸化解偶聯(lián)④TheartificiallyimposedprotongradientalonewasfoundtodriveATPsynthesis!支持化學(xué)滲透假說的實驗證據(jù)：氧化磷酸化作用的進行需要封閉的線粒體內(nèi)膜存在。線粒體內(nèi)膜對H+OH-K+

Cl-都是不通透的。破壞H+

濃度梯度的形成（用解偶聯(lián)劑或離子載體抑制劑）必然破壞氧化磷酸化作用的進行。線粒體的電子傳遞所形成的電子流能夠?qū)+

從線粒體內(nèi)膜逐出到線粒體膜間隙。大量直接或間接的實驗證明膜表面能夠滯留大量質(zhì)子，并且在一定條件下質(zhì)子能夠沿膜表面迅速轉(zhuǎn)移。迄今未能在電子傳遞過程中分離出一個與ATP形成有關(guān)的高能中間化合物，亦未能分離出電子傳遞體的高能存在形式。

H+如何通過電子傳遞鏈“泵”出的？（三）質(zhì)子梯度的形成（耗能過程）（四）ATP合成機制——ATP酶復(fù)合體線粒體內(nèi)膜表面有一層規(guī)則地間隔排列著的球狀顆粒，稱為ATP酶復(fù)合體/ATP合酶，是ATP合成的場所。結(jié)構(gòu)：頭部：ATP合酶（F1）柄部：棒狀Pr，對寡霉素敏感（OSCP）基底部：疏水Pr，與內(nèi)膜連接（FO）頭部含5種不同的亞基（3、3、1、1

、1

）OSCP是能量轉(zhuǎn)換通道F0與線粒體電子傳遞系統(tǒng)連接（質(zhì)子通道）Movie

ATPsyntheseThe18Oexperiment:TheG`0forATPsynthesisonpurifiedF1

isclosetozero!

(PaulBoyer)無質(zhì)子梯度質(zhì)子梯度的作用：不是形成ATP；而是使ATP從酶分子釋放結(jié)合變化機制（binding-changemechanism）O：開放形式，對底物親和力極低L：與底物結(jié)合松弛，無催化能力T：與底物結(jié)合緊密，有催化活性線粒體ATP酶(五)線粒體兩條呼吸鏈NADH氧化呼吸鏈——細(xì)胞內(nèi)主要的呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈由琥珀酸脫氫酶復(fù)合體、CoQ和Cyt組成

FAD、Fe-S、Cytb558需要氧的參與；消耗氧、ADP和無機磷酸生成ATP；

電子傳遞水平的磷酸化線粒體呼吸鏈1、解偶聯(lián)劑（uncoupler）——使電子傳遞和ATP形成兩個過程分離；不抑制電子傳遞，只抑制ATP形成；使電子傳遞所產(chǎn)生的自由能變?yōu)闊崮埽?/p>