化學(xué)生物氧化第1頁/共58頁一、線粒體的結(jié)構(gòu)特點

線粒體由內(nèi)外兩層膜封閉，包括外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)四個功能區(qū)隔。

1、外膜

(out

membrane)含40%的脂類和60%的蛋白質(zhì)，具有孔蛋白（porin）構(gòu)成的親水通道，允許分子量為5KD以下的分子通過，1KD以下的分子可自由通過。2、內(nèi)膜

（inner

membrane）含100種以上的多肽，蛋白質(zhì)和脂類的比例高于3:1。通透性很低，僅允許不帶電荷的小分子物質(zhì)通過，大分子和離子通過內(nèi)膜時需要特殊的轉(zhuǎn)運系統(tǒng)。內(nèi)膜向內(nèi)折褶形成許多嵴,

大大增加了內(nèi)膜的表面積。

3、膜間隙(intermembrane

space)是內(nèi)外膜之間的腔隙，延伸至嵴的軸心部，腔隙寬約6-8nm。

4、基質(zhì)（matrix）為內(nèi)膜和嵴包圍的空間。除糖酵解在細胞質(zhì)中進行外，其他的生物氧化過程都在線粒體中進行。第2頁/共58頁高能化合物一般對酸、堿和熱不穩(wěn)定。高能磷酸化合物常用~P或~來表示。高能磷酸化合物是最多最常見的高能化合物：1．磷酸酐鍵：包括各種多磷酸核苷類化合物，如ADP，ATP等。

2．混合酐鍵：由磷酸與羧酸脫水后形成的酐鍵，主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。

3．烯醇磷酸鍵：見于磷酸烯醇式丙酮酸中。

4．磷酸胍鍵：見于磷酸肌酸中，是肌肉和腦組織中能量的貯存形式。此外尚有硫酯型、甲硫型等化合物。二、高能化合物

生化反應(yīng)中，在水解時或基團轉(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3頁/共58頁高能化合物類型第4頁/共58頁常見的代謝物水解的標準自由能第5頁/共58頁ATP的特點

在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個磷酸基團完全解離成帶4個負電荷的離子形式（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）。ATP4-+H2O＝ADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ?MOL-1ATP3-+H2O＝ADP2-+Pi3-+H+G＝-33.1kJ?MOL-1腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-+++Mg2+第6頁/共58頁ATP在能量轉(zhuǎn)運中地位和作用★

ATP是細胞內(nèi)的“能量通貨”★

ATP是細胞內(nèi)磷酸基團轉(zhuǎn)移的中間載體～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基團轉(zhuǎn)移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基團儲備物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第7頁/共58頁三、生物氧化的特點和方式

糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)在細胞中進行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化（biologicaloxidation），其實質(zhì)是需氧細胞在呼吸代謝過程中所進行的一系列氧化還原反應(yīng)過程。呼吸作用O2CO2+H2O細胞呼吸（微生物）第8頁/共58頁脂肪葡萄糖、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）

共同中間產(chǎn)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

生物氧化的三個階段第9頁/共58頁1、生物氧化是在生物細胞內(nèi)進行的酶促氧化過程，反應(yīng)條件溫和（水溶液，中性pH和常溫），伴隨生物還原反應(yīng)的發(fā)生。2、水是許多生物氧化反應(yīng)的氧供體。通過加水脫氫作用直接參予了氧化反應(yīng)。3、在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進行的。氧化過程中脫下來的氫質(zhì)子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水。（一）、生物氧化的特點第10頁/共58頁4、生物氧化是一個分步進行的過程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反應(yīng)的產(chǎn)物都可以分離出來。這種逐步進行的反應(yīng)模式有利于在溫和的條件下釋放能量，提高能量利用率。5、生物氧化釋放的能量，通過與ATP合成相偶聯(lián)，轉(zhuǎn)換成生物體能夠直接利用的生物能ATP。第11頁/共58頁本質(zhì)：生物氧化的本質(zhì)是電子的得失，在生物體內(nèi)，有三種方式：（二）、生物氧化的本質(zhì)及過程O2苯丙氨酸酪氨酸3、脫氫氧化2、電子轉(zhuǎn)移1、加氧氧化：第12頁/共58頁1、CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。

類型：α-脫羧和β-脫羧氧化脫羧和單純脫羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脫氫酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2R過程：第13頁/共58頁2、H2O的生成

代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O

。例：1\2O2NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO=2H+CH3CH2OHCH3CHONAD+乙醇脫氫酶NADH+H+

第14頁/共58頁直接將底物分子中的高能鍵轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP分子中的末端高能磷酸鍵的過程稱為底物水平磷酸化。

X~P+ADPATP+X底物水平磷酸化僅見于下列三個反應(yīng)：

3-磷酸甘油酸激酶

1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP

丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP烯醇式丙酮酸+ATP

琥珀酰硫激酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP

(1)底物水平磷酸化3、ATP的生成底物水平磷酸化電子傳遞水平磷酸化第15頁/共58頁

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。ADP+PiATP+H2O生物氧化過程中釋放出的自由能（2）、氧化磷酸化

ADP+Pi+能量ATPAMP+PPi+能量ATP

當(dāng)電子從NADH或FADH2經(jīng)過電子傳遞體系傳遞給氧生成H2O時,同時伴有ADP磷酸化為ATP,這一過程稱為電子傳遞體系磷酸化。第16頁/共58頁

一個典型的哺乳動物線粒體的直徑是0.2m到0.8m，長度為0.5m到1.5m，大小類似于大腸桿菌細胞。外膜有膜孔蛋白，通透性大（小于10000），內(nèi)膜對分子和離子無通透性，由轉(zhuǎn)運蛋白完成。四、線粒體電子傳遞體系

第17頁/共58頁1、線粒體呼吸鏈

線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場所，底物在這里氧化所產(chǎn)生的NADH和FADH2將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過一系列氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給O2生成H2O。這種由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈（eclctrontransferchain),因為其功能和呼吸作用直接相關(guān)，亦稱為呼吸鏈。第18頁/共58頁呼吸鏈的組成(1)煙酰胺脫氫酶類

NAD+,NADP+(2).黃素脫氫酶類（flavoproteins,FP）(3).鐵硫蛋白類、（iron—sulfurproteins)(4).輔酶Q類等。（ubiquinone,亦寫作CoQ）(5).細胞色素類、（cytochromes）NADH輔酶Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黃素蛋白（FAD）黃素蛋白（FMN）細胞色素類鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白（Fe-S）第19頁/共58頁煙酰胺脫氫酶類

特點：以NAD+

或NADP+為輔酶，存在于線粒體、基質(zhì)或胞液中。

傳遞氫機理:NAD(P)++2H++2eNAD(P)H+H+第20頁/共58頁黃素蛋白酶類

特點：以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為細胞膜組成蛋白類別：黃素脫氫酶類（如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶）需氧脫氫酶類（如L—氨基酸氧化酶）加單氧酶（如賴氨酸羥化酶）遞氫機理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2第21頁/共58頁鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)及遞電子機理傳遞電子機理：Fe3+

Fe2+-e+e

特點：屬于非血紅素鐵（非卟啉鐵）蛋白，含有Fe和對酸不穩(wěn)定的S原子，F(xiàn)e和S常以等摩爾量存在（Fe2S2,Fe4S4)，構(gòu)成Fe—S中心，F(xiàn)e與蛋白質(zhì)分子中的4個Cys殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。FeS0Fe2S2Fe4S4第22頁/共58頁

特點：帶有聚異戊二烯側(cè)鏈的苯醌，脂溶性，位于膜雙脂層中，能在膜脂中自由泳動。+2H

傳遞氫機理：CoQCoQH2

－2HCoQ的結(jié)構(gòu)和遞氫原理第23頁/共58頁細胞色素

特點：以血紅素（heme）為輔基，血紅素的主要成份為鐵卟啉。第24頁/共58頁

類別

輔基輔基與蛋白質(zhì)連接方式

備注CytbCytc1Cytc

血紅素非共價結(jié)合共價結(jié)合硫醚鍵(共價結(jié)合)Fe與卟啉環(huán)和蛋白質(zhì)形成6個共價鍵或配位鍵，不能再與其他物質(zhì)結(jié)合。CytaCyta3血紅素A(還含有2個Cu)非共價結(jié)合a3的Fe形成5個配位鍵，還留有1個配位鍵，能與O2、CO、CN-等結(jié)合。第25頁/共58頁波長/nm

還原型Cytc的吸收光譜類別:根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三類，呼吸鏈中含5種（b、c、c1、a和a3)，cytb和cytc1、cytc在呼吸鏈中的中為電子傳遞體，a和a3以復(fù)合物存在，稱細胞色素氧化酶，其分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu

，可將電子傳遞給氧，因此亦稱其為末端氧化酶。傳遞電子機理：

+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+

－e－e

第26頁/共58頁NADH呼吸鏈NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等復(fù)合物II復(fù)合物IV復(fù)合體I復(fù)合物IIINADH脫氫酶細胞色素還原酶細胞色素氧化酶琥珀酸-輔酶Q還原酶FADH2呼吸鏈-0.2-0.400.20.40.60.8E0/V第27頁/共58頁2、呼吸鏈電子傳遞過程中自由能的變化（1）.氧化-還原電勢氧化劑得到電子或還原劑失掉電子的傾向稱為氧化-還原電勢。氧化-還原物質(zhì)連在一起，都可以有氧化-還原電勢產(chǎn)生，任何氧還電對都有其特定的標準電勢原(E0，pH=0，電解質(zhì)溶液為1mol/L時的電極勢），0（ΔE0

）=E0正極-E0負極RTnFEn=E0+ln[電子受體]a[電子供體]b8.314J/mol.K法拉第常數(shù)96485J/V電極上的價數(shù)變化Nernst方程第28頁/共58頁（2）、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)自由能的變化與標準電勢的關(guān)系如下：

ΔG°′=－nFΔE°′

生物體內(nèi)任何氧還電對都有其特定的標準電勢，而生物體內(nèi)的氧化還原物質(zhì)在進行氧化-還原反應(yīng)時，一般都是pH7.0的環(huán)境下，所以用E°′表示。標準電勢越小，越易失去電子。氧化-還原反應(yīng)自由能的變化、平衡常數(shù)與標準電勢的關(guān)系：因為：△G0=-RTlnKeq=-2.303RTlgKeq△E0=lgKeq2.303RTnF第29頁/共58頁

（3）、呼吸鏈中傳遞體的順序呼吸鏈中H和電子的傳遞順序和方向是根據(jù)各種電子傳遞體的標準氧-還電位（E0）的數(shù)值測定的。FADH22e-第30頁/共58頁NADHFADH2FMNCoQbc1caa3O2-0.32V-0.3V+0.1V+0.07+0.22+0.25+0.29+0.82-0.18V傳氫體：FAD、FMN、NAD+、NADP+、CoQ傳電子體：Fe-S、Cytb、c1、c、aa3第31頁/共58頁

電子傳遞反應(yīng)的次序第32頁/共58頁3、呼吸鏈的作用和傳遞電子的過程

呼吸鏈的作用是接受還原性輔酶上的氫原子對(2H++2e)，使輔酶分子氧化，并將電子對順序傳遞，直至激活分子氧，使氧負離子(O2-)與質(zhì)子對(2H+)結(jié)合，生成水。電子對在傳遞過程中逐步氧化放能，所釋放的能量驅(qū)動ADP和無機磷發(fā)生磷酸化反應(yīng)，生成ATP。第33頁/共58頁4、呼吸鏈電子傳遞和水的生成H2O12O2O2-MH2還原型代謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+

細胞色素b-c-c1-aa3

FeS2H+M氧化型代謝底物FADH2呼吸鏈：2eH2OFADFADH2琥珀酸

FeS2Fe2+2Fe3+

細胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+延胡索酸2eNADH呼吸鏈：第34頁/共58頁1、復(fù)合物INADH-泛醌氧化還原酶（也稱之NADH脫氫酶）催化NADH的兩個電子轉(zhuǎn)移給泛醌。復(fù)合物I中電子轉(zhuǎn)移和質(zhì)子流

魚藤酮（一種植物毒素）和安密妥加入到線粒體懸浮液將阻斷復(fù)合物I中的電子傳遞。第35頁/共58頁通過復(fù)合物II的電子流2、復(fù)合物II將電子由琥珀酸轉(zhuǎn)移到泛醌第36頁/共58頁3、復(fù)合物III將電子由QH2傳給細胞色素c

復(fù)合物III泛醌-細胞色素c氧化還原酶，一個[2Fe-2S]蛋白質(zhì)，細胞色素b和細胞色素c1。伴隨著一分子QH2的氧化有4個質(zhì)子被轉(zhuǎn)移到線粒體膜間隙中，兩個質(zhì)子來自QH2，兩個來自基質(zhì)。電子被單電子載體細胞色素c接受，沿著內(nèi)膜的胞液側(cè)移動并將一個電子轉(zhuǎn)移給復(fù)合物IV。復(fù)合物III中電子傳遞和質(zhì)子流抗霉素A可以阻斷電子傳遞。第37頁/共58頁4、復(fù)合物IV將電子從細胞色素c傳給O2

復(fù)合物IV——細胞色素c氧化酶含有細胞色素a

和a3，它們的血紅素輔基相同，但還原電位不同。復(fù)合物IV中其它的氧化-還原輔助因子是兩個銅離子（CuA和CuB），當(dāng)它們參與電子傳遞時，變換于Cu2+和Cu+狀態(tài)之間。

一分子O2的還原需要4個電子（相當(dāng)于兩分子NADH＋H＋）和4個質(zhì)子。O2＋4e－＋4H＋－－－→2H2O第38頁/共58頁復(fù)合物IV中電子傳遞和質(zhì)子流動細胞色素c氧化酶對質(zhì)子濃度梯度的貢獻是通過兩種方式:(1):每傳遞一對電子（即為了還原O2中的每一個氧原子）就轉(zhuǎn)移兩個H＋;(2)當(dāng)氧被還原為水時,消耗基質(zhì)H＋。與每傳遞一對電子可以凈轉(zhuǎn)移4個H＋的效果是一樣的。第39頁/共58頁O2的還原發(fā)生在一個催化中心，該中心包括細胞色素a3的血紅素鐵原子和相鄰的銅原子CuB。而這個雙核中心可以結(jié)合有毒的配體，例如氰化物和一氧化碳。所以氰化物和一氧化碳是復(fù)合物IV中電子傳遞的阻斷劑。5、復(fù)合物V將質(zhì)子進入基質(zhì)與ATP的形成耦聯(lián)起來復(fù)合物V是一個F-型ATP酶（ATPase），稱為F0F1ATP合成酶，它將底物氧化與線粒體內(nèi)ADP的磷酸化耦聯(lián)起來。第40頁/共58頁NADH呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化總反應(yīng):NADH+H++1/2O2→NAD++H2O

ΔG°′=-nFΔE°′

=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07kJ·mol-1總反應(yīng)：FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0)]=-158.0kJ·mol-1FADH2呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化（一）、呼吸鏈中電子傳遞時自由能的變化五、氧化磷酸化第41頁/共58頁

?G0‘=-nF?E0’

（kJ/mol），合成1molATP時，需要提供的能量至少為ΔG0'=-30.5kJ/mol，相當(dāng)于氧化還原電位差ΔE0'=0.2V。

FAD~0

↓

NAD+→[FMN(Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2

-0.32

-0.30+0.01+0.07+0.22+0.25+0.29+0.82故在NADH呼吸鏈中有三處可生成ATP，而在琥珀酸呼吸鏈中，只有兩處可生成ATP。ATPATP

ATP

第42頁/共58頁ATPATPATP（二）、ADP磷酸化偶聯(lián)部位第43頁/共58頁1、線粒體ATP合酶（三）、氧化磷酸化機理第44頁/共58頁F1組分含有催化亞基，當(dāng)以可溶性形式將它從膜中分離出來時，它可以催化ATP的水解，習(xí)慣上都將F1稱之F1ATP酶。

Fo是一個跨膜的質(zhì)子通道，質(zhì)子經(jīng)過通道進入基質(zhì)的過程與ATP的形成耦聯(lián)。每合成一分子ATP大約有3H＋經(jīng)通道進入基質(zhì)。

F0對寡霉素敏感，寡霉素可結(jié)合在通道中，防止質(zhì)子的進入，抑制ATP的合成。第45頁/共58頁內(nèi)膜膜間腔2、氧化磷酸化的偶聯(lián)機理（1）化學(xué)滲透假說外膜第46頁/共58頁化學(xué)滲透假說示意圖2H+2H+2H+2H+NADH+H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2e-+++++++++__________質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜磷酸化

氧化

化學(xué)滲透假說1961年P(guān)eterMitchell提出(獲1978年諾貝爾化學(xué)獎)：電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時，可將質(zhì)子(H+)從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜外側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度（H+濃度梯度和跨膜電位差），以儲存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時驅(qū)動ADP與Pi生成ATP。第47頁/共58頁（2）、旋轉(zhuǎn)催化機制PaulBoyer認為，3個亞基的本質(zhì)相同，但有構(gòu)象的變化，在任何情況下它們的作用都不相同：“O”狀態(tài)：開放形式，對底物親和力低?！癓”狀態(tài)：與底物結(jié)合較松馳，無催化能力。“T”狀態(tài)：與底物結(jié)合緊密，有催化活性。第48頁/共58頁ATP

合

成

模

式

圖第49頁/共58頁（四）、氧化磷酸化的影響因素1、ATP/ADP比值A(chǔ)TP/ADP比值是調(diào)節(jié)氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；當(dāng)ATP/ADP比值升高時，則氧化磷酸化速度減慢。2、甲狀腺激素甲狀腺激素可間接影響氧化磷酸化的速度。原因：甲狀腺激素可以激活細胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。第50頁/共58頁（1）呼吸鏈的抑制劑NADHFADH2FMNCoQbc1caa3O2魚藤酮安密妥CN-、N-3CO3、藥物和毒物

抗霉素A二巰基丙醇第51頁/共58頁（2）解偶聯(lián)作用——2,4-二硝基苯