生物化學(xué)生物氧化

生物化學(xué)課件生物氧化第一頁，共六十四頁，2022年，8月28日

新陳代謝（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換、能量交換和信息交換的過程。生物一方面不斷地從周圍環(huán)境中攝取能量和物質(zhì)，通過一系列生物反應(yīng)轉(zhuǎn)變成自身組織成分，即所謂同化作用（assimilation）；另一方面，將原有的組成成份經(jīng)過一系列的生化反應(yīng)，分解為簡單成分重新利用或排出體外，即所謂異化作用（dissimilation），通過上述過程不斷地進(jìn)行自我更新。特點(diǎn)：特異、有序、高度適應(yīng)和靈敏調(diào)節(jié)、代謝途徑逐步進(jìn)行第二頁，共六十四頁，2022年，8月28日新陳代謝的概念及內(nèi)涵

小分子大分子合成代謝（同化作用）需要能量

釋放能量分解代謝（異化作用）大分子小分子物質(zhì)代謝能量代謝新陳代謝信息交換第三頁，共六十四頁，2022年，8月28日生物界能量傳遞及轉(zhuǎn)化總過程太陽電子傳遞合成分解電子傳遞光合作用呼吸作用生命現(xiàn)象自養(yǎng)細(xì)胞異養(yǎng)細(xì)胞ATPADP(CH2O)+O2(CO2)+H2OATPADP（光能）（電能）（化學(xué)能）（化學(xué)能）（電能）（化學(xué)能）生物合成機(jī)械功主動運(yùn)輸生物發(fā)光生物發(fā)電生物發(fā)熱第四頁，共六十四頁，2022年，8月28日脂肪葡萄糖、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(jìn)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)單位第一節(jié)代謝的一般過程一、分解代謝與合成代謝第五頁，共六十四頁，2022年，8月28日1、酶抑制劑的應(yīng)用2、利用遺傳缺陷癥研究代謝途徑3、氣體測量法4、同位素示蹤法二、中間代謝第六頁，共六十四頁，2022年，8月28日三、微生物代謝與發(fā)酵工程（略）第七頁，共六十四頁，2022年，8月28日一、生物氧化的本質(zhì)與特點(diǎn)（P302）在活的細(xì)胞中（pH接近中性，體溫條件下），有機(jī)物的氧化在一系列酶,輔酶和中間傳遞體參與下進(jìn)行，其途徑迂回曲折，有條不紊,氧化過程中能量逐步釋放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截獲，再供給機(jī)體所需.在此過程中既不會因氧化過程中能量驟然釋放而傷害機(jī)體，又能使釋放的能量盡可得到有效的利用。第二節(jié)生物氧化第八頁，共六十四頁，2022年，8月28日

在無氧條件下，兼性生物或厭氣生物能利用細(xì)胞中的氧化型物質(zhì)作為電子受體，將燃料分子氧化分解，這稱為無氧氧化。這些生物有的以有機(jī)物分子作為最終的氫受體(如厭氧發(fā)酵)，有的則以無機(jī)物分子作為氫受體(如微生物中的化能自養(yǎng)菌對NO3-、SO42-的利用)。1.無氧氧化二、有氧氧化和無氧氧化（P303）第九頁，共六十四頁，2022年，8月28日

2.有氧氧化生物氧化在有氧和無氧條件下都能進(jìn)行。在有氧條件下，好氣生物或兼性生物吸收空氣中的氧作為電子受體，可將燃料分子完全氧化分解，這稱為有氧氧化。因?yàn)橛醒跹趸紵耆?，產(chǎn)能多，所以，只要有氧氣存在，細(xì)胞都優(yōu)先進(jìn)行有氧氧化。第十頁，共六十四頁，2022年，8月28日三、生物氧化與生物能（一）氧化還原電勢第十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日

原電池示意圖ΔE0=E0正極-E0

負(fù)極=+0.34V-(-0.76V)=+1.10V負(fù)極反應(yīng):Zn=Zn2++2eE0Zn2+/Zn=-0.76V正極反應(yīng):Cu=Cu2++2eE0Cu2+/Cu=+0.34V第十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日第十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日1、標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢第十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日

第十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日Nernst(能斯特)方程則非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的可通過能斯特方程進(jìn)行計(jì)算：R為氣體常數(shù)，其值為8.314J·K-1

·mol-1，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，其值為96.485kJ/(V.mol)，

T為熱力學(xué)溫度，當(dāng)T=298K時2、非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氧化還原電勢（P305）E’E0’[電子受體][電子供體]E’E0’[電子受體][電子供體]0.03第十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日（二）自由能的變化（P306）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°′例題：計(jì)算下反應(yīng)式ΔG°′（P306）ΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.485×0.123

=-23.74kJ/mol第十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日（三）高能鍵和高能化合物

生化反應(yīng)中，在水解時或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由能（>21千焦/摩爾）的化合物稱為高能化合物。第十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日1、高能鍵和高能化合物的概念第十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日2、ATP在能量代謝中的作用

在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個磷酸基團(tuán)完全解離成帶4個負(fù)電荷的離子形式（ATP4-），具有較大勢能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因而水解自由能很大（ΔG°′=-30.5千焦/摩爾）。腺嘌呤—核糖—O—P—O~P—O~P—O-OOOO-O-O-+++Mg2+第二十頁，共六十四頁，2022年，8月28日ATP+H2O＝ADP+Pi

△G＝-30.5kJ/摩爾ADP+H2O＝AMP+Pi

△G＝-33.1kJ/摩爾第二十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日ATP在能量轉(zhuǎn)運(yùn)中地位和作用★ATP是細(xì)胞內(nèi)的"能量通貨"★ATP是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的中間載體～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基團(tuán)儲備物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第二十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日代謝物分解氧化CO2H2O能熱能（散發(fā)）化學(xué)能（儲能）ATPADPPiCC~P+能機(jī)械能（肌肉收縮）化學(xué)能（合成代謝）滲透能（吸收分泌）電能（神經(jīng)傳導(dǎo)生物電）熱能（維持體溫）等ATP的生成和利用第二十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日四、生物氧化酶類1、不需氧脫氫酶（表8-3）第二十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日2、需氧脫氫酶和氧化酶第二十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日第三節(jié)生物氧化體系一、生物氧化體系的類型不需傳遞體的生物氧化體系需傳遞的生物氧化體系第二十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日1、不需傳遞體體系∶ 是最簡單的生物氧化體系。從底物脫下來的氫不需傳遞，直接在酶作用下與分子氧結(jié)合。這種酶可分為∶

第二十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日

(見P310)氧化酶類∶ 它是含Cu++或Fe++的金屬蛋白，不能從底物上脫氫，只能奪取底物上的電子對(2e)，用于激活分子氧(O2)，從而促進(jìn)氧與底物的化合。氰化物、硫化氫對氧化酶有抑制作用。

(1)氧化酶類催化的反應(yīng)模式∶第二十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日(2)需氧脫氫酶類催化的反應(yīng)模式∶ 第二十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日（一）呼吸鏈的概念（P311）二、呼吸鏈線粒體內(nèi)膜上一組排列有序的遞氫體和遞電子體（酶與輔酶）構(gòu)成的功能單位，也稱電子傳遞鏈。第三十頁，共六十四頁，2022年，8月28日（二）呼吸鏈的組成四種具有傳遞電子功能的酶復(fù)合體(合成物)*泛醌和Cytc均不包含在上述四種復(fù)合體中。復(fù)合體酶名稱復(fù)合體Ⅰ復(fù)合體Ⅱ復(fù)合體Ⅲ復(fù)合體ⅣNADH-泛醌還原酶琥珀酸-泛醌還原酶泛醌-細(xì)胞色素C還原酶細(xì)胞色素c氧化酶輔基FMN，F(xiàn)e-S，F(xiàn)e-S鐵卟啉，F(xiàn)e-S鐵卟啉，Cu多肽鏈數(shù)41113復(fù)合體酶名稱復(fù)合體Ⅰ復(fù)合體Ⅱ復(fù)合體Ⅲ復(fù)合體ⅣNADH-泛醌還原酶琥珀酸-泛醌還原酶泛醌-細(xì)胞色素C還原酶細(xì)胞色素c氧化酶輔基FMN，F(xiàn)e-SFAD，F(xiàn)e-S鐵卟啉，F(xiàn)e-S鐵卟啉，Cu多肽鏈數(shù)42413第三十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日線粒體呼吸鏈復(fù)合體FMN,Fe-S復(fù)合體ⅠFAD,Fe-S,Cytb復(fù)合體ⅡCytb,Fe-S,Cytc1復(fù)合體ⅢCytaa3,Cu復(fù)合體Ⅳ第三十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)線粒體內(nèi)膜e-e-e-e-e-第三十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日呼吸鏈主要成分和作用遞氫體遞電子體煙酰胺（NAD+,NADP+）

黃素蛋白(flavoprotein)（FMN,FAD）鐵硫蛋白（Fe-S）

泛醌(Ubiquinone)（CoQ）

細(xì)胞色素類(Cytochrome)（Cyt）第三十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日煙酰胺核苷酸類（NAD+,NADP+）遞氫體第三十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日黃素蛋白(flavoprotein)類（FMN,FAD）遞氫體第三十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日鐵硫蛋白Fe2+Fe3++電子傳遞電子方式：遞電子體第三十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日泛醌（CoQ）(Ubiquinone)遞氫體第三十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日細(xì)胞色素(Cytochrome)類Cytb，Cytc1，Cytc,Cytaa3組成呼吸鏈的細(xì)胞色素:細(xì)胞色素氧化酶Fe2+Fe3++電子遞電子體第三十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日NNNNFe3+H3C--CH3-CH-CH3CH3CH2CH2COO-CH2CH2COO-H3C-

CysSH3C-CH

CysS蛋白質(zhì)細(xì)胞色素c

輔基第四十頁，共六十四頁，2022年，8月28日細(xì)胞色素系統(tǒng)傳遞電子的過程2Fe2+2Fe3+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+1/2O2O2-H2O2H+2e2e2e2e2ebc1cCu2+aa3,第四十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日（三）呼吸鏈主要成分的排列順序NADH氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈（FADH2

氧化呼吸鏈）體內(nèi)的兩條呼吸鏈：（P315）第四十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日1.NADH氧化呼吸鏈NADH→復(fù)合體Ⅰ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O22.琥珀酸氧化呼吸鏈琥珀酸→復(fù)合體Ⅱ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2第四十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日NADH氧化呼吸鏈FADH2

氧化呼吸鏈第四十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降FADH22個電子NADH第四十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日三、細(xì)胞質(zhì)中的NADH的氧化胞液中生成的NADH不能自由通透線粒體內(nèi)膜，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)入線粒體1、磷酸二羥丙酮-磷酸甘油穿梭系統(tǒng)（神經(jīng)組織和骨骼?。?、蘋果酸-天冬氨酸穿梭作用（肝和心?。┙徒猓?xì)胞質(zhì)）氧化磷酸化

（線粒體）第四十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日磷酸二羥丙酮-磷酸甘油穿梭機(jī)制示意圖1.5ATP2Hα-磷酸甘油穿梭1.5ATP神經(jīng)組織和骨骼肌第四十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日蘋果酸—天冬氨酸穿梭系統(tǒng)2.5ATP2H蘋果酸-天冬氨酸穿梭2.5ATP肝和心肌第四十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日第四節(jié)氧化磷酸化代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用于合成ATP（即ADP+Pi→ATP）,這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化(生物體通過磷酸化作用，將化合物在氧化過程中所釋放的能量一部分轉(zhuǎn)移到ATP分子中形成高能磷酸鍵的過程

P320)。。ADP+PiATP+H2O生物氧化過程中釋放出的自由能第四十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日一、ATP的生成類別：底物水平磷酸化

電子傳遞水平磷酸化第五十頁，共六十四頁，2022年，8月28日二、電子傳遞過程中自由能的變化呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降第五十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日第五十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日三、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理

1、線粒體ATP合酶（mitochondrialATPase）2、能量偶聯(lián)假說

1953年EdwardSlater化學(xué)偶聯(lián)假說

1964年P(guān)aulBoyer構(gòu)象偶聯(lián)假說

1961年P(guān)eterMitchell化學(xué)滲透假說3、質(zhì)子梯度的形成4、ATP合成的機(jī)制1978年獲諾貝爾化學(xué)獎第五十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日1、線粒體ATP合酶（P324）

氧化磷酸化重建示意圖第五十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日內(nèi)膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基質(zhì)膜間隙電子傳遞鏈2,化學(xué)滲透假說(chemiosmotichypothasis)電子傳遞的自由能驅(qū)動H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙，從而形成H+跨線粒體內(nèi)膜的電化學(xué)梯度，這個梯度的電化學(xué)勢(ΔH+)驅(qū)動ATP的合成。第五十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日化學(xué)滲透假說原理示意圖4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+

ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2個電子+++++++++__________質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜磷酸化

氧化

第五十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日Boyer和Walker的工作

英國科學(xué)家Walker通過x光衍射獲得高分辯率的牛心線粒體ATP酶晶體的三維結(jié)構(gòu)，證明在ATP酶合成ATP的催化循環(huán)中三個β亞基的確有不同構(gòu)象，從而有力地支持了Boyer的假說。

Boyer和Walker共同獲得1997年諾貝爾化學(xué)獎。

美國科學(xué)家Boyer為解釋ATP酶作用機(jī)理,提出旋轉(zhuǎn)催化假說，認(rèn)為ATP合成酶β亞基有三種不同的構(gòu)象，一種構(gòu)象(L)有利于ADP和Pi結(jié)合，一種構(gòu)象(T)可使結(jié)合的ADP和Pi合成ATP，第三種構(gòu)象(O)使合成的ATP容易被釋放出來。在ATP合成過程中，三個β亞基依次進(jìn)行上述三種構(gòu)象的交替變化，所需能量由跨膜