生物氧化(Biologicaloxidation)生物化學1/92第二章生物氧化（biologicaloxidation）第二節(jié)線粒體氧化體系第三節(jié)ATP的生成（P340）第四節(jié)線粒體外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題三、生物氧化中CO2生成方式四、生物氧化中物質氧化的方式五、生物氧化的特點六、氧化-還原電勢（電位）七、參與生物氧化的酶類和電子載體一、概念3/92二、生物氧化所討論的問題1、細胞如何在酶的催化下將代謝物分子中的C轉變成CO2？2、細胞如何利用O2將代謝物分子中的H氧化成H2O？3、當有機物被氧化時，細胞如何貯存和利用氧化所產生的能量？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: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、生物氧化中物質氧化的方式生物體內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）

*生物體內氧化還原反應的同時，有能量的釋放和轉移9/92五、生物氧化的特點在活細胞內的水溶液中進行體溫條件（370C、pH7±）在一系列酶的催化下分步進行，能量逐步釋放（加水脫氫方式使生物體能獲取更多的能量）氧化過程中產生的能量主要貯藏在ATP中在學習生物氧化之前，有必要復習氧化還原電勢的概念10/92六、氧化-還原電勢（電位）（一）概念：一個氧化還原對失去電子或獲得電子的傾向稱為氧化還原電勢(電位)生物氧化中包括許多氧化-還原反應：

在生物氧化反應中，通常用氧化還原電位來相對地表示各種化合物對電子親合力的大小。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（電位）（二）標準電勢與自由能的關系：△E0′；氧化還原體系中兩個半反應的氧化還原電位差：E0′正極-E0′負極（失去電子傾向高）ΔG0′=-nΔE0’

F

（三）標準電勢與平衡常數(shù)的關系：

ΔG0′=-2.303RTlgK’eq=-nΔE0’

F

13/92七、參與生物氧化的酶類和電子載體2.氧化酶：如細胞色素氧化酶、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：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的酶系統(tǒng)按一定順序排列在線粒體內膜上構成的一條長鏈（生物氧化還原鏈或稱為電子傳遞鏈），因與細胞攝取氧的呼吸過程有關，故又稱呼吸鏈。17/92二、線粒體內的兩條重要呼吸鏈（分類：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的傳遞所經過的途徑，稱為電子傳遞鏈，或稱呼吸鏈。它是由一系列遞氫體和遞電子體以及相應的酶系統(tǒng)按一定順序排列在線粒體內膜上的一條長鏈。主要由蛋白質復合體組成，大致分為四部分，即：NADH-Q還原酶、琥珀酸-Q還原酶、細胞色素還原酶和細胞色素氧化酶。23/921.以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶(尼克酰胺核苷酸類)NAD+和NADP+的結構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傳遞電子的過程：29/92復合物Ⅰ的結構與電子傳遞過程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還原酶泵到線粒體內膜外側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，鐵硫聚簇與蛋白質結合稱為鐵硫蛋白。3.鐵硫蛋白32/92鐵硫聚簇通過Fe3+

Fe2+

變化，將電子從FMNH2上脫下傳給CoQ，每次傳遞一個電子.

CysSSSCysFe3+

Fe3+

CysSSSCys

CysSSSCysFe3+

Fe2+

CysSSSCys

+e-33/92

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。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脫氫酶等唯一的非蛋白組分兩條途徑的集合點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.ccytbc135/922H+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-原卟啉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。36/92QH2將電子傳給cytbc138/92細胞色素bc1復合物（復合物Ⅲ）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40/926.細胞色素氧化酶（復合體Ⅳ、細胞色素c氧化酶）由cyta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。41/9244/92

TheelectronpathincomplexIV45/927.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。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驗方法有多種1.測定各種電子傳遞體的標準氧化還原電位（E0′），依還原電位大小排列：2.用分離出的電子傳遞體進行呼吸鏈復合物體外重組實驗4.利用光譜變化觀察線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.測定各種電子傳遞體的標準氧化還原電位（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)。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行呼吸鏈復合物體外重組實驗51/922.用分離出的電子傳遞體進行呼吸鏈復合物體外重組實驗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，稱為呼吸鏈電子傳遞抑制劑。53/92魚藤酮、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魚藤酮、安密妥：抑制NADH到輔酶Q的電子傳遞；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：抑制細胞色素aa3到氧的電子傳遞。54/924.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。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制六、呼吸鏈的加強、抑制和解偶聯(lián)四、磷氧比值五、ATP生成的結構基礎57/92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。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SH2H(2H++2e)S能ADP+PiATPO212氧化磷酸化偶聯(lián)H2O60/92SH2S2HRCOOHCO2+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61/92確定氧化磷酸化偶聯(lián)部位

（ATP生成部位）的實驗方法1）P/O比值測定：一對電子通過呼吸鏈傳遞至O2所產生的ATP分子數(shù)。經過幾種不同底物在離體線粒體實驗中測得：琥珀酸P/O=1.7蘋果酸P/O=3.0由此確定NADH呼吸鏈中有三個偶聯(lián)部位：NADH-----CoQCytb-----CytcCytaa3---O2而琥珀酸呼吸鏈中只有二個偶聯(lián)部位：Cytb-----CytcCytaa3---O262/922）電位變化測定琥珀酸（

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ATP65/92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

2-66/92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67/92三、氧化磷酸化的作用機制化學偶聯(lián)假說（高能共價中間物？）構象偶聯(lián)假說（構象變化？）化學滲透假說（1961年，英國Mitchell）68/92

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PeterDMitchell化學滲透假說的偶聯(lián)機制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ATP70/92化學滲透學說71/92質子驅動力72/9273/92ATP轉移酶：轉移ATP至胞漿75/92化學滲透假說基本要點：電子經呼吸鏈傳遞的同時，可將質子（H+）從內膜的基質面排到內膜外，而造成膜內外的電化學梯度。當H+離子順梯度回流時釋放出自由能，可使ADP+PiATP。

77/92化學滲透假說基本要點：呼吸鏈中遞氫體和遞電子體是交替排列的，在內膜中都有特定的位置，催化的反應是定向的；當遞氫體從內膜內側接受底物傳來的H+后，可將其中的電子傳給其后的遞電子體，而將H+泵到內膜外側，故具有氫泵作用。線粒體內膜不能讓H+自由通過，H+泵出使內膜外側[H+]，造成“跨膜化學電位差”。電化學梯度的形成可看成能量的儲存，是由電子傳遞時釋放的能量所引起。因而當H+離子順梯度回流（通過F0回流到基質）時釋放出自由能，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：3（2.5）FADH2呼吸鏈：2（1.5）79/92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80/92五、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合酶活性，α3β3γδεF0：質子通道，鑲嵌于線粒體內膜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