第章生物氧化優(yōu)秀公開(kāi)課

生物氧化(Biologicaloxidation)生物化學(xué)1/92第二章生物氧化（biologicaloxidation）第二節(jié)線(xiàn)粒體氧化體系第三節(jié)ATP的生成（P340）第四節(jié)線(xiàn)粒體外NADH2的氧化（P326）第一節(jié)概論2/92第一節(jié)概論二、生物氧化所討論的問(wèn)題三、生物氧化中CO2生成方式四、生物氧化中物質(zhì)氧化的方式五、生物氧化的特點(diǎn)六、氧化-還原電勢(shì)（電位）七、參與生物氧化的酶類(lèi)和電子載體一、概念3/92二、生物氧化所討論的問(wèn)題1、細(xì)胞如何在酶的催化下將代謝物分子中的C轉(zhuǎn)變成CO2？2、細(xì)胞如何利用O2將代謝物分子中的H氧化成H2O？3、當(dāng)有機(jī)物被氧化時(shí)，細(xì)胞如何貯存和利用氧化所產(chǎn)生的能量？5/92三、生物氧化中CO2生成方式基本方式：底物脫羧基作用α-脫羧

（羧基位置）β-脫羧分類(lèi):單純脫羧（不伴隨脫氫）氧化脫羧（伴隨脫氫）6/92（1）α—單純脫羧（2）β—單純脫羧α---酮酸脫羧酶Mg2+TPPO‖CH3CCOOHO‖CH3CH+CO2

β-酮酸脫羧酶COOHC=OCH2COOHαβCOOHC=O+CO2

CH31.單純脫羧基作用（不伴隨脫氫）

7/92四、生物氧化中物質(zhì)氧化的方式生物體內(nèi)氧化作用主要有三種方式：1.失電子如：Fe2+—→Fe3++e—

2.脫氫如：醇氧化為醛

3.加氧如：

醛氧化為酸（加水脫氫反應(yīng)）

*生物體內(nèi)氧化還原反應(yīng)的同時(shí)，有能量的釋放和轉(zhuǎn)移9/92五、生物氧化的特點(diǎn)在活細(xì)胞內(nèi)的水溶液中進(jìn)行體溫條件（370C、pH7±）在一系列酶的催化下分步進(jìn)行，能量逐步釋放（加水脫氫方式使生物體能獲取更多的能量）氧化過(guò)程中產(chǎn)生的能量主要貯藏在ATP中在學(xué)習(xí)生物氧化之前，有必要復(fù)習(xí)氧化還原電勢(shì)的概念10/92六、氧化-還原電勢(shì)（電位）（一）概念：一個(gè)氧化還原對(duì)失去電子或獲得電子的傾向稱(chēng)為氧化還原電勢(shì)(電位)生物氧化中包括許多氧化-還原反應(yīng)：

在生物氧化反應(yīng)中，通常用氧化還原電位來(lái)相對(duì)地表示各種化合物對(duì)電子親合力的大小。H2←→2H++2e電子供體(還原型)電子受體(氧化型)Fe2+←→Fe3++e11/92六、氧化-還原電勢(shì)（電位）（二）標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)與自由能的關(guān)系：△E0′；氧化還原體系中兩個(gè)半反應(yīng)的氧化還原電位差：E0′正極-E0′負(fù)極（失去電子傾向高）ΔG0′=-nΔE0’

F

（三）標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)與平衡常數(shù)的關(guān)系：

ΔG0′=-2.303RTlgK’eq=-nΔE0’

F

13/92七、參與生物氧化的酶類(lèi)和電子載體2.氧化酶：如細(xì)胞色素氧化酶、抗壞血酸氧化酶等

3.加氧酶：如單加氧酶、加雙氧酶

4.傳遞體遞氫體（hydrogencarrier）主要有黃素蛋白傳遞體及輔酶Q（CoQ）遞電子體（electroncarrier），主要有多種細(xì)胞色素及鐵硫蛋白1.脫氫酶14/92脫氫酶（dehydrogenase）根據(jù)所含輔因子的不同，可將脫氫酶分為兩類(lèi)：以黃素核苷酸為輔基的脫氫酶以煙酰胺核苷酸為輔酶的脫氫酶

這類(lèi)酶均不能直接以氧為受氫體

SH2+E-NAD+S+E-NADH+H+SH2+E-NADP+S+E-NADPH+H+SH2+E-FMN→S+E-FMNH2SH2+E-FAD→S+E-FADH2遞氫體、氧如琥珀酸脫氫酶（FAD）、NADH脫氫酶（FMN）等;

15/92一、呼吸鏈的概念respiratorychain：由一系列遞氫體和遞電子體以及相應(yīng)的酶系統(tǒng)按一定順序排列在線(xiàn)粒體內(nèi)膜上構(gòu)成的一條長(zhǎng)鏈（生物氧化還原鏈或稱(chēng)為電子傳遞鏈），因與細(xì)胞攝取氧的呼吸過(guò)程有關(guān)，故又稱(chēng)呼吸鏈。17/92二、線(xiàn)粒體內(nèi)的兩條重要呼吸鏈（分類(lèi)：NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈)18/9221/92呼吸鏈的概念電子從NADH或FADH2到O2的傳遞所經(jīng)過(guò)的途徑，稱(chēng)為電子傳遞鏈，或稱(chēng)呼吸鏈。它是由一系列遞氫體和遞電子體以及相應(yīng)的酶系統(tǒng)按一定順序排列在線(xiàn)粒體內(nèi)膜上的一條長(zhǎng)鏈。主要由蛋白質(zhì)復(fù)合體組成，大致分為四部分，即：NADH-Q還原酶、琥珀酸-Q還原酶、細(xì)胞色素還原酶和細(xì)胞色素氧化酶。23/921.以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶(尼克酰胺核苷酸類(lèi))NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu)NAD+：R=HNADP+：R=PO32-功能：將底物上的氫激活并脫下。輔酶：NAD+或NADP+25/92尼克酰胺核苷酸的作用原理：+H+e+

H++H+2HHHeH+HNAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2H26/92輔酶FMN傳遞電子的過(guò)程：29/92復(fù)合物Ⅰ的結(jié)構(gòu)與電子傳遞過(guò)程30/92NADH-Q還原酶各輔基（輔酶）的氧化還原循環(huán)：MSH2NAD+NADH2FMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2H+2H+NADH-Q還原酶泵到線(xiàn)粒體內(nèi)膜外側(cè)31/92以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶４H+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(zhì)結(jié)合稱(chēng)為鐵硫蛋白。3.鐵硫蛋白32/92鐵硫聚簇通過(guò)Fe3+

Fe2+

變化，將電子從FMNH2上脫下傳給CoQ，每次傳遞一個(gè)電子.

CysSSSCysFe3+

Fe3+

CysSSSCys

CysSSSCysFe3+

Fe2+

CysSSSCys

+e-33/92

是脂溶性醌類(lèi)化合物，而且分子較小，可在線(xiàn)粒體內(nèi)膜的磷脂雙分子層的疏水區(qū)自由擴(kuò)散。功能基團(tuán)是苯醌,通過(guò)醌/酚的互變傳遞氫，Q(醌型結(jié)構(gòu))很容易接受2個(gè)電子和2個(gè)質(zhì)子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出2個(gè)電子和2個(gè)質(zhì)子，重新氧化成Q。因此，它在線(xiàn)粒體呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。4.輔酶Q（泛醌、亦簡(jiǎn)稱(chēng)Q。是許多酶的輔酶)如：NADH-Q還原酶、琥珀酸-Q還原酶、脂酰-CoA脫氫酶等唯一的非蛋白組分兩條途徑的集合點(diǎn)5.細(xì)胞色素還原酶（細(xì)胞色素bc1復(fù)合體、復(fù)合體Ⅲ）含有兩種細(xì)胞色素（細(xì)胞色素b、細(xì)胞色素c1）和一鐵硫蛋白（2Fe-2S）。

細(xì)胞色素bc1復(fù)合體的作用是將電子從QH2轉(zhuǎn)移到細(xì)胞色素c：QH2cyt.bFe-Scyt.c1cyt.ccytbc135/922H+細(xì)胞色素（cytochrome,cyt）

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

細(xì)胞色素主要是通過(guò)輔基中Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用。一個(gè)細(xì)胞色素每次傳遞一個(gè)電子。36/92QH2將電子傳給cytbc138/92細(xì)胞色素bc1復(fù)合物（復(fù)合物Ⅲ）細(xì)胞色素c在復(fù)合體III和Ⅳ之間傳遞電子。（細(xì)胞色素c交互地與細(xì)胞色素還原酶的C1和細(xì)胞色素氧化酶接觸）是唯一能溶于水的細(xì)胞色素40/926.細(xì)胞色素氧化酶（復(fù)合體Ⅳ、細(xì)胞色素c氧化酶）由cyta和a3

組成。復(fù)合物中除了含有鐵卟啉外，還含有2個(gè)銅原子（CuA，CuB）。Cyta與CuA相配合，cyta3與CuB相配合，當(dāng)電子傳遞時(shí)，細(xì)胞色素的Fe3+Fe2+間循環(huán)，同時(shí)Cu2+Cu+間循環(huán)，將電子從cytc直接傳遞給O2。也叫末端氧化酶。41/9244/92

TheelectronpathincomplexIV45/927.琥珀酸-Q還原酶（復(fù)合體Ⅱ）琥珀酸脫氫酶也是此復(fù)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(shí)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。46/92四、呼吸鏈中各組分的排列順序P120確定呼吸鏈中各遞氫體或遞電子體的排列順序的實(shí)驗(yàn)方法有多種1.測(cè)定各種電子傳遞體的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位（E0′），依還原電位大小排列：2.用分離出的電子傳遞體進(jìn)行呼吸鏈復(fù)合物體外重組實(shí)驗(yàn)4.利用光譜變化觀察線(xiàn)粒體各傳遞體氧化順序3.利用呼吸鏈的特殊阻斷抑制劑，阻斷鏈中某些特定的電子傳遞環(huán)節(jié)。48/921.測(cè)定各種電子傳遞體的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位（E0′），依還原電位大小排列★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(dāng)電子從E0’值小的物質(zhì)傳到E0’值大的物質(zhì)時(shí)，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(zhuǎn)移的電子數(shù)，F(xiàn)是法拉第常數(shù)。49/92-0.32-0.12+0.10+0.04+0.23+0.25+0.29+0.8NADH—FMN.Fe.S—CoQ—Cytb—Cytc1—Cytc—Cytaa3—O2

琥珀酸

FAD-Fe.S50/922.用分離出的電子傳遞體進(jìn)行呼吸鏈復(fù)合物體外重組實(shí)驗(yàn)51/922.用分離出的電子傳遞體進(jìn)行呼吸鏈復(fù)合物體外重組實(shí)驗(yàn)51/9252/92

NADH

FMN（Fe-S）CoQCytb、c1

CytcCytaa3

O2

（Fe-S）

（Cu2+）

FAD（Fe-S）

琥珀酸3.利用呼吸鏈的特殊阻斷抑制劑，阻斷鏈中某些特定的電子傳遞環(huán)節(jié)。凡能夠切斷呼吸鏈中某一部位電子流的物質(zhì)，稱(chēng)為呼吸鏈電子傳遞抑制劑。53/92魚(yú)藤酮、安密妥、粉蝶霉素A

CN-、-N3、CO抗霉素AFAD(Fe-S)NADHFMN（Fe-S）CoQCytbCytc1CytcCytaa3O2

呼吸鏈抑制劑作用位點(diǎn)魚(yú)藤酮、安密妥：抑制NADH到輔酶Q的電子傳遞；抗霉素A：抑制細(xì)胞色素b到c1之間的電子傳遞;氰化物、疊氮化物、一氧化碳：抑制細(xì)胞色素aa3到氧的電子傳遞。54/924.用分光光度法測(cè)得各個(gè)傳遞體發(fā)生吸收光譜的變化完整的線(xiàn)粒體當(dāng)電子傳遞體處于氧化態(tài)時(shí)，懸浮液渾濁，光吸收不能直接測(cè)出；但當(dāng)之處于還原態(tài)時(shí)，即可以氧化態(tài)為對(duì)照測(cè)出。游離的線(xiàn)粒體在有氧下進(jìn)行電子傳遞時(shí)，NADH一端還原性最強(qiáng)，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(dāng)向完全處于還原狀態(tài)的電子傳遞體中加入氧時(shí)，最先被氧化的是細(xì)胞色素aa3,其次cytC,cytC1,cytb,最后是NADH。55/92第三節(jié)、ATP的生成（P340）

一、氧化磷酸化的概念二、ATP的生成方式三、氧化磷酸化的作用機(jī)制六、呼吸鏈的加強(qiáng)、抑制和解偶聯(lián)四、磷氧比值五、ATP生成的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)57/92生物體內(nèi)物質(zhì)氧化產(chǎn)生能量與ADP劫獲能量進(jìn)行磷酸化產(chǎn)生ATP的過(guò)程相偶聯(lián)的作用稱(chēng)為氧化磷酸化作用。一、氧化磷酸化的概念58/92二、ATP的生成方式1.氧化磷酸化（電子傳遞體磷酸化）2.底物水平磷酸化59/921.氧化磷酸化定義：呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中釋放的能量，在ATP合酶的催化下，使ADP磷酸化成ATP的過(guò)程，由于代謝物的氧化反應(yīng)與ADP的磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)進(jìn)行，故稱(chēng)為氧化磷酸化。呼吸鏈SH2H(2H++2e)S能ADP+PiATPO212氧化磷酸化偶聯(lián)H2O60/92SH2S2HRCOOHCO2+RHE代謝物氧化產(chǎn)物2Hα-磷酸甘油穿梭蘋(píng)果酸穿梭

+

O212H2O能量ADP+H3PO4ATP+

H2O氧化磷酸化呼吸鏈線(xiàn)粒體胞液61/92確定氧化磷酸化偶聯(lián)部位

（ATP生成部位）的實(shí)驗(yàn)方法1）P/O比值測(cè)定：一對(duì)電子通過(guò)呼吸鏈傳遞至O2所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。經(jīng)過(guò)幾種不同底物在離體線(xiàn)粒體實(shí)驗(yàn)中測(cè)得：琥珀酸P/O=1.7蘋(píng)果酸P/O=3.0由此確定NADH呼吸鏈中有三個(gè)偶聯(lián)部位：NADH-----CoQCytb-----CytcCytaa3---O2而琥珀酸呼吸鏈中只有二個(gè)偶聯(lián)部位：Cytb-----CytcCytaa3---O262/922）電位變化測(cè)定琥珀酸（

FAD-Fe.S）

NADH—FMN.Fe.S—CoQ—Cytb—Cytc1—Cytc—Cytaa3—O2

（-0.32-0.12+0.10+0.04+0.23+0.25+0.29+0.8）①②③

ΔE0’=0.33V

ΔE0’=0.19V

ΔE0’

=0.51VΔG0′=-63.7=-36.7=-98.4(KJ/mol)(ATP-30.54KJ/mol)63/92+0.01？？氧化磷酸化偶聯(lián)部位64/922.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(nèi)部能量分配產(chǎn)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(zhuǎn)移給ADP（或GDP）而生成ATP（或GTP）的反應(yīng)，稱(chēng)為底物水平磷酸化。例如:糖酵解過(guò)程每次底物磷酸化產(chǎn)生一個(gè)ATP65/92糖酵解過(guò)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(yīng)ADPATP1,3-二磷酸甘油酸(1,3-DPG)OPO3

2-66/92糖酵解過(guò)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(yīng)67/92三、氧化磷酸化的作用機(jī)制化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)（高能共價(jià)中間物？）構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō)（構(gòu)象變化？）化學(xué)滲透假說(shuō)（1961年，英國(guó)Mitchell）68/92

因提出氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制：化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)而在1978年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的PeterDMitchell化學(xué)滲透假說(shuō)的偶聯(lián)機(jī)制H+H+eOADP+PiATP內(nèi)外膜間隙內(nèi)膜線(xiàn)粒體基質(zhì)電子傳遞給氧釋出的能量推動(dòng)質(zhì)子泵H+被泵至線(xiàn)粒體內(nèi)外膜間隙，在內(nèi)膜兩側(cè)形成化學(xué)梯度（勢(shì)能）當(dāng)H+順梯度回到基質(zhì)面時(shí)，釋出的能量使ADP磷酸化為ATP70/92化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)71/92質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力72/9273/92ATP轉(zhuǎn)移酶：轉(zhuǎn)移ATP至胞漿75/92化學(xué)滲透假說(shuō)基本要點(diǎn)：電子經(jīng)呼吸鏈傳遞的同時(shí)，可將質(zhì)子（H+）從內(nèi)膜的基質(zhì)面排到內(nèi)膜外，而造成膜內(nèi)外的電化學(xué)梯度。當(dāng)H+離子順梯度回流時(shí)釋放出自由能，可使ADP+PiATP。

77/92化學(xué)滲透假說(shuō)基本要點(diǎn)：呼吸鏈中遞氫體和遞電子體是交替排列的，在內(nèi)膜中都有特定的位置，催化的反應(yīng)是定向的；當(dāng)遞氫體從內(nèi)膜內(nèi)側(cè)接受底物傳來(lái)的H+后，可將其中的電子傳給其后的遞電子體，而將H+泵到內(nèi)膜外側(cè)，故具有氫泵作用。線(xiàn)粒體內(nèi)膜不能讓H+自由通過(guò)，H+泵出使內(nèi)膜外側(cè)[H+]，造成“跨膜化學(xué)電位差”。電化學(xué)梯度的形成可看成能量的儲(chǔ)存，是由電子傳遞時(shí)釋放的能量所引起。因而當(dāng)H+離子順梯度回流（通過(guò)F0回流到基質(zhì)）時(shí)釋放出自由能，可使ADP+PiATP。78/92四、磷氧比值

P/O值：是指某物質(zhì)氧化時(shí)每消耗1mol氧所消耗無(wú)機(jī)磷的mol數(shù)。實(shí)質(zhì)：每消耗1mol原子氧所產(chǎn)生的ATP的mol數(shù)。兩類(lèi)呼吸鏈的磷氧比（真核細(xì)胞）：NADH呼吸鏈：3（2.5）FADH2呼吸鏈：2（1.5）79/92離體線(xiàn)粒體實(shí)驗(yàn)中測(cè)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80/92五、ATP生成的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

ATP合酶（三聯(lián)體、三分子體、F0F1復(fù)合體）頭部柄部基底部F1：具ATP合酶活性，α3β3γδεF0：質(zhì)子通道，鑲嵌于線(xiàn)粒體內(nèi)膜ab2cn81/9282/92TheATPsynthasecomprisesaprotonchannel(Fo)andaATPase(F1)FO的亞基F1的γ-亞基83/92Theγsubunitpassesthroughthecenteroftheα3β3

hexamerandmakesthenucleotide-bindingsitesintheβsubunitsdistinctfromoneanother.Unlikethetightandlooseforms,theopenformoftheβsubunitcanchangeconformationsufficientlytoreleaseboundnucleotides.ATPReleaseFromtheβsubunitintheopenform.Therotationoftheγsubunitinterconvertsthethreeβsubunits.ThesubunitintheT(tight)form,whichcontainsnewlysynthesizedATPthatcannotbereleased,isconvertedintotheO(open)form.Inthisform,itcanreleaseATPandthenbindADPandPtobeginanewcycle.Binding-ChangeMechanismforATPSynthase.Theα3β3hexamerofATPsynthaseisfixedtoasurface,withtheγsubunitprojectingupwardandlinkedtoafluorescentlylabeledactinfilament.TheadditionandsubsequenthydrolysisofATPresultinthecounterclockwiserotationoftheγsubunit,whichcanbedirectlyseenunderafluorescencemicroscope.DirectObservationofATP-DrivenRotationinATPSynthase.

Thecsubunitconsistsoftwoαhelicesthatspanthemembrane.Anasparticacidresidueinthesecondhelixliesonthecenterofthemembrane.Thestructureoftheasubunithasnotyetbeendirectlyobserved,butitappearstoincludetwohalf-channelsthatallowprotonstoenterandpasspartway(到中途)butnotcompletelythroughthemembrane.Aprotonentersfromtheintermembranespaceintothecytosolichalf-channeltoneutralizethechargeonanaspartateresidueinacsubunit.Withthischargeneutralized,thecringcanrotateclockwisebyonecsubunit,movinganasparticacidresidueoutofthemembraneintothematrixhalf-channel.Thisprotoncanmoveintothematrix,resettingthesystemtoitsinitialstate.ProtonMotionAcrosstheMembraneDrivesRotationoftheCRingEachprotonentersthecytosolichalf-channel,followsacompleterotationofthe