生物化学(10)生物氧化Appt课件

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生物氧化

1第七章代谢总论与生物氧化

2第一节代谢总论代谢(metabolism)——活细胞中所有化学变化的总称。每一变化均为酶催化物质代谢能量代谢中间代谢（代谢中的一系列的酶促反应）代谢的研究方法——中间代谢的研究方法同位素示踪法（常用放射性同位素）

3第二节生物能学化学反应自发进行的条件：在生物化学能量学中，标准状况的pH值规定为7.0。G0′G<0

4一、生物能和ATP1、ATP是生物能存在的主要形式ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。2、磷酸肌酸（磷酸精氨酸—无脊椎动物）是能量的储存形式。3、生物化学反应的自由能变化生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从热力学的规律。

5磷酸肌酸（creatinephosphate,CP)的产生：为肌肉和脑组织能量的一种储存形式。

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81,磷氧键型（—O～P)(1)酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔

9酰基磷酸化合物氨甲酰磷酸氨酰基腺苷酸

10（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔

11（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔

122,氮磷键型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。

133,硫酯键型腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A

144,甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸

15第三节生物氧化定义：有机物质在生物体细胞内的氧化作用，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。在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧化成CO2和水，并释放出能量。

16一、生物氧化的方式生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化。在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。

171．脱氢氧化反应（1）脱氢在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。

18eg.琥珀酸脱氢酶

19eg.乳酸脱氢酶

20（2）加水脱氢催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。

212．氧直接参加的氧化反应这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化的生成水的反应。加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如，甲烷单加氧酶CH4+NADH+O2CH3-OH+NAD++H2O

22氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。

233．生成二氧化碳的氧化反应（1）直接脱羧作用氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。（2）氧化脱羧作用氧化代谢中产生的有机羧酸在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧。

24二、生物氧化的特点1，生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，pH7，常温）。2，氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。3，水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。4，在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。

255，生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。6，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。

26第三节、线粒体呼吸链和ATP合成细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所，主要功能是将代谢物脱下的氢通过多种酶及辅酶所组成的传递体系的传递，最终与氧结合生成水。一、线粒体呼吸链的组成

27线粒体的结构

28由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成的这种代谢途径一般称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，称为呼吸链。代谢物脱下的成对氢原子通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，此传递链称为呼吸链，又称为电子传递链。

29（一）两条主要的氧化呼吸链(1)NADH氧化呼吸链：NADH＋H+→FMN→Fe-S→Q→b→Fe-S→c1→c→a→a3→O2(2)琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）：琥珀酸→FAD→Q→b→Fe-S→c1→c→a→a3→O2

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31传递体作用尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）递氢体尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）递氢体黄素蛋白（辅基为FAD和FMN）递氢体铁硫蛋白（Fe-S）单电子传递体辅酶Q递氢体细胞色素类单电子传递体

32参与生物氧化的酶类脱氢酶——以FMN，FAD，NAD，NADP为辅酶的脱氢酶氧化酶——以氧为直接受氢体的氧化还原酶类eg.细胞色素酶、抗坏血酸氧化酶加氧酶——催化加氧传递体——递氢体（传递氢原子）递电子体（传递电子）

33NADH：还原型辅酶它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。

34基质

35铁硫蛋白铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+Fe2+变化起传递电子的作用。

36NADH泛醌还原酶简写为NADHQ还原酶,即复合物I，它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。NADHQ还原酶NADH+Q+H+NAD++QH2

37NADHQ还原酶是线粒体内膜上最大的一个蛋白质复合物。最少含有16个多肽亚基。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。

38泛醌（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。

39复合物Ⅰ：将来自NADH的电子传递给Q

40③泛醌细胞色素c还原酶简写为QH2-cyt.c还原酶,即复合物III,它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（cyt.c）的还原。QH2-cyt.c还原酶QH2+2cyt.c(Fe3+)Q+2cyt.c(Fe2+)+2H+

41复合体Ⅲ（泛醌-细胞色素c还原酶）：2Cytb+2Cytc1+（Fe-S）

42QH2-cyt.c还原酶由9个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素b和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。

43细胞色素（简写为cyt.）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a,b,c和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素a,b,c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。细胞色素主要是通过Fe3+Fe2+的互变起传递电子的作用的。

44④细胞色素c氧化酶简写为cyt.c氧化酶，即复合物IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。活性部分主要包括cyt.a和a3。cyt.a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt.aa3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+Cu2+的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。

45复合体Ⅳ：Cyta+Cyta3

46作用：将电子由琥珀酸转移到Q。组成：由四个亚基组成，两个大亚基构成琥珀酸脱氢酶，辅基为FAD、Fe-S；另两个亚基为将琥珀酸脱氢酶结合到膜上以及使电子转移到Q所必需。复合体Ⅱ（琥珀酸－Q还原酶）

47复合体Ⅱ（琥珀酸-泛醌还原酶）：

48琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸-Q还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子传递给Q。再通过QH2-cyt.c还原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶将电子传递到O2。

49琥珀酸延胡索酸ComplexⅡ

50（二）电子传递的抑制剂电子传递抑制剂（呼吸链抑制剂）可阻断呼吸链的电子传递。⒈鱼藤酮（rotenone）、杀粉蝶菌素（piericidine）、异戊巴比妥（amobar-bital)。阻断电子由NADH向CoQ的传递。⒉抗霉素A（antimycinA)、二巯基丙醇（dimercaptopropanol,BAL)。阻断电子由CoQH2到Ctyc1的传递⒊CO、CN-、N3-、H2S。抑制Ctyc氧化酶。

51二、氧化-还原电势与自由能的变化在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物(氧化剂）接受电子。在线粒体呼吸链中，推动电子从NADH传递到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+和1/2O2/H2O两个半反应之间存在很大的电势差。

52(a)1/2O2+2H++2e-H2OE0’=+0.82V(b)NAD++H++2e-NADHE0’=-0.322V将(a)减去(b)，即得(c)式：(c)1/2O2+NADH+H+H2O+NAD+ΔE0’=+1.14VG’=-nFE0’=-2965001.14=-220kJ/mol

53阿密妥

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56三、电子传递和ATP的合成NADH或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到O2的过程中，释放出大量的能量。这种高能电子传递过程的释能反应与ADP和磷酸合成ATP的需能反应相偶联，是ATP形成的基本机制。

57（1）ATP酶复合体线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的球状颗粒，称为ATP酶复合体，是ATP合成的场所。线粒体呼吸链的电子传递过程是在内膜上进行的。

58ATP合酶（ATPsynthase)：FOF1-ATP酶

59ATP合酶，由两个主要的单元构成，即FO和F1。F1由5种不同的亚基（按3、3、1、1和1的比例结合）组成。含有合成ATP的催化部位。FO和F1之间有一个大约5nm的柄相连。柄包含有两种蛋白质，即OSCP和F6。OSCP为寡霉素敏感性付与蛋白。F6为偶合因子。F0为一个疏水蛋白，含有质子通道，是与线粒体电子传递系统连接的部位。

60（2）ATP合成反应-氧化磷酸化生物氧化的释能反应与ADP的磷酰化反应偶联合成ATP的过程，称为氧化磷酸化。氧化磷酸化：包含底物水平磷酸化和电子传递体磷酸化。

61底物水平磷酸化：底物的高能磷酸基团直接转移给ADP生成ATP。X～P+ADPATP+X氧化磷酸化:当电子从NADH＋H＋或FADH2经电子传递体系传递给氧形成水的同时，伴随ADP磷酸化为ATP，此过程称为氧化磷酸化（电子传递体磷酸化或偶联磷酸化）。

62（3）P/O比值P/O比值是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷（或ADP）的摩尔数，即生成的ATP的摩尔数。P/O比：当一对电子通过呼吸链传至氧所产生的ATP分子数。NADH氧化呼吸链——3(2.5)琥珀酸氧化呼吸链——2(1.5)

63根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的G’<-30.5kJ/mol。FMNH2Qcyt.bcyt.c1cyt.aa3O2G’-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/moL这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联，产生3个ATP(2.5个)。这些反应称为呼吸链的偶联部位。从琥珀酸O2只产生2个ATP(1.5个).

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65①NADH与Q之间②b与c之间。③a、a3与O2之间。

66(4)胞液中NADH及NADPH穿梭机制胞液中的3-磷酸甘油醛或乳酸脱氢，均可产生NADH。这些NADH可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷酸化，产生H2O和ATP。磷酸甘油穿梭系统(2或1.5个ATP)主要存在于脑和骨骼肌苹果酸穿梭系统(3或2.5个ATP)主要存在于肝和心肌

67-磷酸甘油穿梭系统

68苹果酸穿梭系统

69（5）偶联机制化学渗透假说（1961年由PeterMitchell提出）的要点是：a.线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；b.在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧（膜对H+是不通透的）。这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度(pH)和电位梯度（）；

70c.在膜内外势能差（pH和）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP。

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72四、氧化磷酸化的解偶联和抑制1、解偶联剂（uncoupler):使电子传递与磷酸化偶联过程相脱离。如：2，4-二硝基苯酚（dinitrophenol,DNP):脂溶性，其质子化形式和共轭碱形式可穿过线粒体内膜→进入基质侧释出H+→破坏电化学梯度。

732、氧化磷酸化抑制剂：（1）作用：抑制氧的利用和抑制ATP的合成，但不直接抑制电子传递链上载体的作用。（2）举例：寡霉素（oligomycin)：→抑制ATP合成。→电化学梯度↑→抑制电子传递与寡霉素敏感蛋白（OSCP）结合→阻止质子由Fo回流