生物化學第六章生物氧化課件

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第六章生物氧化

§8-1、生物能學的基本概念§8-2、線粒體氧化體系（生物氧化的三大類產物的生成途徑）第六章生物氧化[目的要求]第六章生物氧化1.了解能量的基本性質；內能、焓、熵、自由能的概念；自由能的變化與化學反應的關系；ATP的結構特點及其對物質代謝的重要意義。2.了解生物氧化的概念；生物氧化的種類；生物氧化中物質氧化的方式。3.掌握生物氧化產物二氧化碳生成方式；呼吸鏈的概念及其組成；氧化磷酸化的概念及ATP的生成途徑；磷氧比的概念及兩類呼吸鏈的磷氧比。[目的要求]

功能：為生命活動提供能源與碳源實質：生物細胞利用氧氣對細胞內的有機物質（糖、脂肪和蛋白質）進行氧化分解產生CO2和H2O并釋放出能量的過程。生物氧化通常需要消耗氧，所以又稱為細胞呼吸、組織呼吸或內呼吸。第六章生物氧化

生物氧化概述概念：有機物在生物體內的氧化作用稱為生物氧化。第六章生物氧化返回

1.反應由酶催化，反應條件溫和；2.反應分步進行，順序性3.能量逐步放出，且放出的能量以化學能的方式儲存于ATP中，能量利用率高。特點：生物氧化的種類：1、根據有無氧的參與，分有氧氧化：有O2參與，產物為CO2、H2O,底物氧化完全，產能多無氧氧化：無O2參與，產物為乙醇、乳酸等,底物氧化不完全，產能少第六章生物氧化2、根據發(fā)生場所，分線粒體氧化體系：與ATP的生成有關，產能的氧化作用，線粒體內發(fā)生（原核生物在質膜上發(fā)生）。微粒體氧化體系：與ATP的生成無關，光滑內質網上發(fā)生，機體對非營養(yǎng)物質發(fā)生的生物轉化，與機體排毒及排出異物有關。2、脫氫反應：最主要的生物氧化方式如：TCA3:異檸檬酸草酰琥珀酸NAD+NADH+H+FADFADH2琥珀酸延胡索酸TCA7:TCA9:EMP6:蘋果酸1、3－二磷酸甘油酸3-磷酸甘油醛草酰乙酸NAD+NADH+H+Pi＋NAD+NADH+H+第六章生物氧化3、加氧反應：－O212+OH第六章生物氧化§6.1生物能學的基本概念二、能量的守恒與轉化一、能量的性質四、最重要的高能化合物—ATP五、關于生物化學中能量變化的一些規(guī)定三、熱力學第二定律與熵返回二、能量的守恒與轉化1、內能與焓2、熱力學第一定律:

△U=Q-W內能（U）：體系內部質點能量總和。焓（H）：體系的內能與該體系壓力、體積的乘積之和。

其中：△U：體系內能的變化，Q：體系吸收的熱量W：體系對外做功?！鱄=△QP

恒壓過程吸收的熱量在數(shù)值上等于體系的焓變。生物體是恒溫、恒壓環(huán)境，△U≈△H，合稱能量的變化。返回△U=△QV

恒容過程吸收的熱量在數(shù)值上等于內能的變化?！?.1生物能學的基本概念三、熱力學第二定律與熵

熵（S）：表示體系能量分散程度的狀態(tài)函數(shù)稱為熵。

熱力學第二定律：自發(fā)過程是體系與環(huán)境總熵增加的過程?！鱏=Q/T=△S體系+△S環(huán)境≥O§6.1生物能學的基本概念返回§6.1生物能學的基本概念自由能:自由能變化(ΔG）:

ΔG=ΔH-TΔSABΔG=GB-

GA自由能（G）:

指在一個體系的總能量中，在恒溫恒壓條件下能夠做功的那一部分能量。ΔG是衡量過程自發(fā)性的標準：ΔG<0，放能，過程可自發(fā)進行，產生有用的功；ΔG>0，吸能，過程不可自發(fā)進行，須供給能量才能進行；ΔG=0,過程處平衡狀態(tài)。四、最重要的高能化合物—ATP1、ATP的分子結構特點§6.1生物能學的基本概念返回（2）ATP水解產物具有更大的共振穩(wěn)定性，其水解產物ADP3-和Pi的某些電子的能量水平遠遠小于ATP。（3）H+的低濃度導致ATP4-向分解方向進行。（4）酸酐鍵溶劑化所需能量小于磷脂鍵?！偟膩碚f：反應物的不穩(wěn)定性和產物的穩(wěn)定性或反應物內的靜電斥力和產物的共振穩(wěn)定使ATP水解釋放大量能量?！?.1生物能學的基本概念2、ATP水解釋放大量自由能，其主要原因是：②ATP分子內存在相反共振現(xiàn)象.由于在相鄰的兩個磷原子之間夾著一個氧原子，氧原子上存在有未共用電子對，而磷原子因P=O和P-O-間的誘電子效應帶有部分正電荷，于是在兩個相鄰的磷原子之間存在競爭氧原子上的未共用電子的現(xiàn)象，這種作用的結果會影響ATP分子的結構穩(wěn)定性。（1）ATP分子結構存在不穩(wěn)定因素：①

ATP分子內有4個負電荷（ATP4-），產生靜電斥力，促使ATP水解成ADP3-，而減弱斥力?！?.1生物能學的基本概念ATP是磷酸基團轉移反應的中間載體:

磷酸基團往往從磷酸基團轉移勢能高的物質向勢能低的物質轉移。磷酸基團轉移勢能在數(shù)值上等于其水解反應的ΔG0’。磷酸基團轉移勢能（kcal/mol)246810121416ATPPEP1，3-二磷酸-甘油酸6-P-葡萄糖3-P-甘油ATP斷裂形成AMP和焦磷酸的作用:ΔG01’=-7.7(Kcal/mol)=-32.19(KJ/mol)ΔG02

’=-6.9(Kcal/mol)=-28.842(KJ/mol)ΔG0

’=

ΔG01’

+

ΔG02

’

=-61.028KJ/mol

ATP+RCOOH+CoA-SHAMP+PPi+RCO-S-CoA

ΔG0’=－0.2(Kcal/mol)=－0.836(KJ/mol)

ATP+H2OAMP+PPi

PPi+H2O2Pi

意義：螢火蟲發(fā)光物質的形成由ATP降解為AMP+PPi來提供腺苷酸；為一些接近平衡的反應提供驅動力：4、能荷

ATP是生命活動中能量的主要直接供體，因此ATP不斷產生又不斷消耗，ATP、ADP和AMP的轉換率非常高。但它們在機體內總能保持相應的平衡狀態(tài)，以適應細胞對能量的需求。例如：一個靜臥的人24小時內消耗約40公斤ATP。

細胞所處的能量狀態(tài)用ATP、ADP和AMP之間的關系式來表示，稱為能荷，公式如下：

[ATP]+1/2[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]腺苷酸庫能荷=§6.1生物能學的基本概念五、關于生物化學中的能量變化的一些規(guī)定1、任何情況下，在一個稀釋的水溶液中，當有水存在時，水的活度規(guī)定為1.0。2、生物化學所說的標準狀態(tài)定義為0.1MPa，25℃，PH7.0。標準狀態(tài)下的自由能變化以△Go’表示。3、△Go’用于生物化學能量學，假定每個反應物和產物能夠解離的標準狀態(tài)是它的未解離形式與解離學說的混合物狀態(tài)，兩種混合物存在的條件正是PH7.0的環(huán)境。4、△Go’的單位為焦耳或千焦耳每摩爾。返回§6.1生物能學的基本概念§6.2線粒體氧化體系一、生物氧化中CO2生成的方式二、呼吸鏈四、線粒體外NADH2的氧化三、氧化磷酸化：ATP的生成途徑主要內容返回1、α-單純脫羧

COOHC=OCH2COOHαβ2、β-單純脫羧COOHC=O+CO2

CH3

O‖CH3CH+CO2

O‖CH3CCOOH§6.2線粒體氧化體系（二）氧化脫羧1、α-氧化脫羧2、β-氧化脫羧

O‖CH3－C－COOH+CoASH+NAD+

O‖CH3－C～SCoA+NADH+H++CO2COOHC=O+CO2+NADPH+H+

CH3COOHC=O+NADP+CH2COOHβα二、呼吸鏈1.呼吸鏈的種類2.呼吸鏈的組成3.呼吸鏈中傳遞體的排列順序定義:分布于線粒體內膜，由遞氫體和遞電子體按一定順序排列構成的氧化還原體系，與細胞利用氧的呼吸過程有關，通常稱為呼吸鏈，又稱電子傳遞鏈。(NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈)§6.2線粒體氧化體系返回1.呼吸鏈的種類返回呼吸鏈的電子傳遞過程2.呼吸鏈的組成(1)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶(2)NADH-Q還原酶(3)鐵硫蛋白(4)輔酶Q(5)細胞色素還原酶(6)細胞色素氧化酶(7)琥珀酸-Q還原酶復合物呼吸鏈由一系列的氫傳遞體和電子傳遞體組成?！?.2線粒體氧化體系返回(1)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶NAD+和NADP+的結構NAD+：R=HNADP+：R=PO32-(尼克酰胺核苷酸類)功能：將底物上的氫激活并脫下。輔酶：NAD+或NADP+OR§6.2線粒體氧化體系尼克酰胺核苷酸的作用原理：+H+e+H++H+2HHHeH+HNAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2H§6.2線粒體氧化體系(2)NADH-Q還原酶（復合物Ⅰ）

NADH-Q還原酶是一個大的蛋白質復合體，F(xiàn)MN和鐵-硫聚簇（Fe-S）是該酶的輔基，輔酶Q是該酶的輔酶，由輔基或輔酶負責傳遞電子和氫。以FMN或FAD為輔基的蛋白質統(tǒng)稱黃素蛋白。

FMN通過氧化還原變化可接收NADH+H+的氫以及電子。

FMN

FMNH2§6.2線粒體氧化體系

NADH-Q還原酶先與NADH結合并將NADH上的兩個氫轉移到FMN輔基上，電子經鐵硫蛋白的鐵硫中心傳遞給輔酶Q。

NADH+H++FMNFMNH2+NAD+鐵硫蛋白復合物CoQee§6.2線粒體氧化體系輔酶FMN傳遞電子的過程：復合物Ⅰ的結構與電子傳遞過程NADH-Q還原酶各輔基（輔酶）的氧化還原循環(huán)：MMH2NAD+NADH2FMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2H+2H+NADH-Q還原酶泵到線粒體內膜外側§6.2線粒體氧化體系鐵硫聚簇（Fe-S中心）主要以

(Fe-0S)(2Fe-2S)或

(4Fe-4S)形式存在，鐵硫聚簇與蛋白質結合稱為鐵硫蛋白。(3)鐵硫蛋白鐵硫聚簇通過Fe3+

Fe2+

變化，將氫從FMNH2上脫下傳給CoQ，同時起傳遞電子的作用，每次傳遞一個電子.

CysSSSCys

Fe3+

Fe3+

CysSSSCys

CysSSSCys

Fe3+

Fe2+

CysSSSCys

+e-§6.2線粒體氧化體系(4)輔酶Q（泛醌、亦簡稱Q。是許多酶的輔酶)如：NADH-Q還原酶、琥珀酸-Q還原酶、脂酰-CoA脫氫酶等

是脂溶性醌類化合物，而且分子較小，可在線粒體內膜的磷脂雙分子層的疏水區(qū)自由擴散。功能基團是苯醌,通過醌/酚的互變傳遞氫，Q(醌型結構)很容易接受2個電子和2個質子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出2個電子和2個質子，重新氧化成Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質子的傳遞體?！?.2線粒體氧化體系(5)細胞色素還原酶（細胞色素bc1復合體、復合體Ⅲ）含有兩種細胞色素（細胞色素b、細胞色素c1）和一鐵硫蛋白（2Fe-2S）。細胞色素bc1復合體的作用是將電子從QH2轉移到細胞色素c：QH2cyt.bFe-Scyt.c1cyt.c§6.2線粒體氧化體系cytbc1細胞色素（cytochrome,cyt）

是以鐵卟啉（血紅素）為輔基的蛋白質（有顏色），高等動物線粒體呼吸鏈中主要含有5種細胞色素a、a3、b、c、c1等，細胞色素b,c1,c的輔基都是鐵-原樸啉Ⅳ，細胞色素a、a3的輔基為血紅素A。

細胞色素主要是通過輔基中Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用。一個細胞色素每次傳遞一個電子?！?.2線粒體氧化體系細胞色素中的血紅素QH2將電子傳給cytbc1細胞色素bc1復合物（復合物Ⅲ）（6）細胞色素c在復合體III和Ⅳ之間傳遞電子。（細胞色素c交互地與細胞色素還原酶的C1和細胞色素氧化酶接觸）是唯一能溶于水的細胞色素§6.2線粒體氧化體系(7)細胞色素氧化酶（復合體Ⅳ、細胞色素c氧化酶）由cyt.a和a3

組成。復合物中除了含有鐵卟啉外，還含有2個銅原子（CuA，CuB）。Cyta與CuA相配合，cyta3與CuB相配合，當電子傳遞時，細胞色素的Fe3+Fe2+間循環(huán)，同時Cu2+Cu+間循環(huán)，將電子從cytc直接傳遞給O2。也叫末端氧化酶。§6.2線粒體氧化體系Thethreecriticalsubunitsofcytochromeoxidase(complexIV)2CuACuBHameaHamea3

TheelectronpathincomplexIV(7)琥珀酸-Q還原酶（復合體Ⅱ）琥珀酸脫氫酶也是此復合體的一部分，其輔基包括FAD和Fe-S聚簇。琥珀酸脫氫酶催化琥珀酸氧化為延胡索酸，同時其輔基FAD還原為FADH2，然后FADH2又將電子傳遞給Fe-S聚簇。最后電子由Fe-S聚簇傳遞給琥珀酸-Q還原酶的輔酶CoQ。§6.2線粒體氧化體系3.呼吸鏈中傳遞體的排列順序：(3)利用光譜變化確定各組分的氧化還原狀態(tài)(1)測各組分氧化還原電位（E0’）遞增研究方法(2)呼吸鏈復合物重組(4)利用呼吸鏈抑制劑§6.2線粒體氧化體系返回（1）呼吸鏈中電子傳遞方向是從E0’值小向大的方向傳遞★E0’越小，越易失去電子，處于呼吸鏈的前面，反之，E0’越大，越易得到電子，處于呼吸鏈的后面。

★當電子從E0’值小的物質傳到E0’值大的物質時，伴隨著自由能的降低，即有熱量放出:

△G0’=－nF△E0’

=－nF

（E0’受體－E0’供體）

其中：n是轉移的電子數(shù)，F(xiàn)是法拉第常數(shù)。§6.2線粒體氧化體系返回（2）呼吸鏈復合物重組

NADH

FMN（Fe-S）CoQCytb、c1

CytcCytaa3

O2

（Fe-S）

（Cu2+）

FAD（Fe-S）

琥珀酸§6.2線粒體氧化體系ThefunctionalcomplexeshavebeenseparatedandcharacterizedThefunctionalcomplexeshavebeenseparatedandcharacterized（3）用分光光度法測得各個傳遞體發(fā)生吸收光譜的變化完整的線粒體當電子傳遞體處于氧化態(tài)時，懸浮液渾濁，光吸收不能直接測出；但當之處于還原態(tài)時，即可以氧化態(tài)為對照測出。游離的線粒體在有氧下進行電子傳遞時，NADH一端還原性最強，而靠近氧一端電子傳遞體幾乎處于氧化態(tài)，由此判斷電子的流向。當向完全處于還原狀態(tài)的電子傳遞體中加入氧時，最先被氧化的是細胞色素aa3,其次cytC,cytC1,cytb,最后是NADH?！?.2線粒體氧化體系（4）電子傳遞抑制劑：凡能夠切斷呼吸鏈中某一部位電子流的物質，稱為呼吸鏈電子傳遞抑制劑。有：魚藤酮、安密妥：抑制電子從NADH到輔酶Q的傳遞；抗霉素A：抑制細胞色素b到c1之間的電子傳遞;氰化物、疊氮化物、一氧化碳：抑制電子從細胞色素aa3到氧的傳遞。返回三、氧化磷酸化作用與ATP的生成

1、氧化磷酸化的概念2、氧化磷酸化方式(即ATP的生成方式）§6.2線粒體氧化體系3、氧化磷酸化的作用機制5.呼吸鏈的加強、抑制和解偶聯(lián)4、磷氧比值返回1、氧化磷酸化的概念：生物體內物質氧化產生能量與ADP劫獲能量進行磷酸化產生ATP的過程相偶聯(lián)的作用稱為氧化磷酸化作用。2、氧化磷酸化方式(即ATP的生成方式）1)電子傳遞體磷酸化2)底物水平磷酸化§6.2線粒體氧化體系返回(1)電子傳遞體系的氧化磷酸化(也稱氧化磷酸化)定義：呼吸鏈電子傳遞過程中釋放的能量，在ATP合酶的催化下，使ADP磷酸化成ATP的過程，由于代謝物的氧化反應與ADP的磷酸化反應偶聯(lián)進行，故稱為氧化磷酸化。呼吸鏈AH22H(2H++2e)A能ADP+PiATPO212氧化磷酸化偶聯(lián)H2O§6.2線粒體氧化體系AH2A2HRCOOHCO2+RHE代謝物氧化產物2Hα-磷酸甘油穿梭蘋果酸穿梭

+

O212H2O能量ADP+H3PO4ATP+

H2O氧化磷酸化呼吸鏈線粒體胞液§6.2線粒體氧化體系（2）底物水平磷酸化

定義：由底物分子因脫氫或脫水而使分子內部能量分配產生的高能磷酸鍵（或高能硫酯鍵），在激酶作用下將高能鍵上的鍵能直接轉移給ADP（或GDP）而生成ATP（或GTP）的反應，稱為底物水平磷酸化。例如:糖酵解過程每次底物磷酸化產生一個ATP§6.2線粒體氧化體系糖酵解過程的底物磷酸化:磷酸甘油酸激酶

3-磷酸甘油酸這是糖酵解中第一次底物水平磷酸化反應ADPATP1,3-二磷酸甘油酸(1,3-DPG)OPO3

2-§6.2線粒體氧化體系糖酵解過程的底物磷酸化:ADPATP丙酮酸激酶(Mg2+,K+)磷酸烯醇式丙酮酸

烯醇式丙酮酸糖酵解中第二次底物水平磷酸化反應§6.2線粒體氧化體系3、氧化磷酸化的作用機制化學滲透假說H+H+eOADP+PiATP內外膜間隙內膜線粒體基質電子傳遞給氧釋出的能量推動質子泵H+被泵至線粒體內外膜間隙，在內膜兩側形成化學梯度（勢能）當H+順梯度回到基質面時，釋出的能量使ADP磷酸化為ATP§6.2線粒體氧化體系返回3.氧化磷酸化偶聯(lián)機制：化學滲透學說質子驅動力§6.2線粒體氧化體系ATP轉移酶：轉移ATP至胞漿

因提出氧化磷酸化偶聯(lián)機制：化學滲透學說而在1978年獲諾貝爾化學獎的PeterDMitchell4、磷氧比值:P/O值：是指某物質氧化時每消耗1mol氧所消耗無機磷的mol數(shù)。實質：每消耗1mol原子氧所產生的ATP的mol數(shù)。兩類呼吸鏈的磷氧比（真核細胞）：NADH呼吸鏈：2.5FADH2呼吸鏈：1.5§6.2線粒體氧化體系返回離體線粒體實驗中測得一些底物的P/O值β-羥丁酸

NAD+→FMN→CoQ→Cyt→O2

2.4～2.82.5琥珀酸

FAD→CoQ→Cyt→O2

1.71.5抗壞血酸

Cytc→Cytaa3→O2

0.881Cytc(Fe2+)Cytaa3→O2

0.61～0.681底物呼吸鏈的組成生成ATP數(shù)P/O值§6.2線粒體氧化體系ATP生成的結構基礎:ATP合酶（三聯(lián)體、三分子體、F0F1復合體）頭部柄部基底部F1：具ATP合成酶活性，α3β3γδεF0：質子通道，鑲嵌于線粒體內膜ab2cn§6.2線粒體氧化體系TheATPsynthasecomprisesaprotonchannel(Fo)andaATPase(F1)FO的十個亞基F1的γ-亞基5.呼吸鏈的加強、抑制和解偶聯(lián)(1)ADP與ATP的調節(jié)作用ADP/ATP↓：抑制氧化磷酸化，ATP生成↓ADP/ATP↑：促進氧化