生物氧化與氧化磷酸化

生物氧化與氧化磷酸化第一節(jié)新陳代謝生化定義——泛指生物與周?chē)h(huán)境進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的過(guò)程。是生物體物質(zhì)代謝與能量代謝的有機(jī)統(tǒng)一。合成代謝（同化作用）分解代謝（異化作用）生物體的新陳代謝一、

物質(zhì)代謝與能量代謝的統(tǒng)一生物小分子合成生物大分子需要能量釋放能量生物大分子分解為生物小分子能量代謝物質(zhì)代謝二者相輔相成，研究物質(zhì)代謝就是研究能量代謝反響步驟繁多，具有嚴(yán)格的順序性；與內(nèi)外環(huán)境相適應(yīng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)；通過(guò)酶活性調(diào)節(jié)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。逐步進(jìn)行

新陳代謝的特點(diǎn)細(xì)胞內(nèi)溫和的條件下，由酶催化進(jìn)行的；1、研究材料活體研究：“invivo〞：以生物整體、整體器官或微生物細(xì)胞群為對(duì)象進(jìn)行的代謝研究稱(chēng)為活體研究〔又稱(chēng)體內(nèi)研究〕；離體研究：“invitro〞：以組織切片、勻漿或組織提取液為對(duì)象進(jìn)行的代謝研究稱(chēng)為離體研究〔又稱(chēng)體外研究〕。二、代謝的研究方法A、同位素示蹤法將含有同位素35S、32P、14C、15N、3H的物質(zhì)參與代謝反響，測(cè)試該基團(tuán)在不同物質(zhì)間的轉(zhuǎn)移情況，來(lái)認(rèn)識(shí)代謝過(guò)程。γβ高能化合物ATP2、研究方法B、整體方法純化合物排泄物的化學(xué)分析典型案例脂肪酸的β氧化

以活動(dòng)物為研究對(duì)象，分析其排泄物、血清、頭發(fā)等，從而了解體內(nèi)的代謝情況，屬體內(nèi)研究。C、組織提取法各類(lèi)組織細(xì)胞各種破碎方法碎片置于試管中向該試管中加入純化合物（如葡萄糖）分析各類(lèi)代謝中間產(chǎn)物及酶，邏輯推斷。典型例子糖代謝、生物氧化等等D、代謝途徑阻斷等方法屬體外研究，了解某一反響被抑制之后的結(jié)果，從而推測(cè)某物質(zhì)在體內(nèi)的代謝變化,如使用酶抑制劑E、利用遺傳缺陷型基因突變→遺傳缺陷型→某種酶缺乏→某代謝反響受阻→某代謝中間物積累/某產(chǎn)物不能合成遺傳缺陷型微生物F、氣體測(cè)量法代謝過(guò)程中氣體的消耗或產(chǎn)生的變化量20世紀(jì)40年代~50年代G、核磁共振波譜法〔NMR〕通過(guò)測(cè)定放射性同位素的磁矩來(lái)研究分子外圍和骨架的結(jié)構(gòu)信息。對(duì)樣品不加任何破壞，能最好反映機(jī)體內(nèi)化學(xué)反響的真實(shí)情況一、生物氧化概念和特點(diǎn)

有機(jī)物質(zhì)〔糖、脂肪和蛋白質(zhì)〕在生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行氧化分解而生成C2O和H2O并釋放和儲(chǔ)存能量的過(guò)程稱(chēng)為生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又稱(chēng)為呼吸作用。1、概念第二節(jié)、生物氧化

2、生物氧化的特點(diǎn)生物氧化體外燃燒細(xì)胞內(nèi)溫和條件（常溫、常壓、中性pH、水溶液）高溫或高壓、干燥條件一系列酶促反應(yīng)無(wú)機(jī)催化劑逐步氧化放能，能量利用率高能量爆發(fā)釋放釋放的能量轉(zhuǎn)化成ATP被利用轉(zhuǎn)換為光和熱，散失實(shí)質(zhì)相同：都是脫氫、失電子或與氧結(jié)合，消耗氧氣，都生成C2O和H2O，所釋放的能量也相同。方式和歷程不同：提問(wèn)：有機(jī)物的生物氧化與體外燃燒有何相同與區(qū)別？3、生物氧化的主要內(nèi)容〔1〕細(xì)胞如何在酶的催化下將有機(jī)化合物中的C變成C2O—C2O如何形成？脫羧反響〔2〕在酶的作用下細(xì)胞怎樣利用分子氧將有機(jī)化合物中的H氧化成H2O—H2O如何形成？電子傳遞鏈〔3〕當(dāng)有機(jī)物被氧化成C2O和H2O時(shí)，釋放的能量怎樣轉(zhuǎn)化成ATP—能量如何產(chǎn)生？底物水平磷酸化氧化磷酸化根本方式：底物脫羧基作用分類(lèi):單純脫羧（不伴隨脫氫）氧化脫羧（伴隨脫氫）二

、生物氧化中CO2的生成

O‖CH3CH+CO2

O‖CH3CCOOH單純脫羧氧化脫羧

O‖CH3－C－COOH+CoASH+NAD+

O‖CH3－C～SCoA+NADH+H++CO2第三節(jié)、生物氧化中H2O的生成

真核生物線(xiàn)粒體內(nèi)膜或原核生物細(xì)胞膜上的呼吸鏈作用下產(chǎn)生。生物體內(nèi)主要以脫氫酶、傳遞體、氧化酶組成的生物氧化體系催化水的生成。氧化酶2e2H+H2OO2-1/2O2電子傳遞體氫傳遞體脫氫酶

-2HMH2一、電子傳遞鏈的概念生物氧化過(guò)程中，代謝物上脫下的氫原子，經(jīng)過(guò)一系列的按一定順序排列的氫傳遞體和電子傳遞體的傳遞，最后傳遞到氧分子生成水，這種氫和電子的傳遞體系稱(chēng)呼吸鏈或電子傳遞鏈。類(lèi)型：NADH鏈和FADH2鏈FADH2二、電子傳遞鏈的組分

以NAD+或NADP+為輔酶，200多種，以前者為主遞氫體總是作為NADH電子傳遞鏈上的原初電子供體NAD(P)++2H

NAD(P)H+H+2、黃素脫氫酶類(lèi)(遞氫體)以FAD或FMN為輔基

MH2+E-FMN→M+E-FMNH2MH2+E-FAD→M+E-FADH2類(lèi)型NADH脫氫酶，以FMN為輔基，催化NADH將H傳遞給FMN→FMNH2琥珀酸脫氫酶，以FAD為輔基，催化琥珀酸將H傳遞給FAD→FADH23、鐵硫蛋白類(lèi)(Fe-S)——非血紅素鐵蛋白Fe-S在線(xiàn)粒體內(nèi)膜上常與黃素酶或細(xì)胞色素結(jié)合成復(fù)合物存在。9種，常以2Fe-2S或4Fe-4S存在通過(guò)鐵的變價(jià)進(jìn)行單電子傳遞，F(xiàn)e3++eFe2+共有3種4、細(xì)胞色素類(lèi)(Cyt)－電子傳遞體Cytb和Cytc1：細(xì)胞色素c復(fù)原酶。Cytaa3：末端氧化酶。以Fe卟啉為輔基的色素蛋白，只存在于需氧細(xì)胞；依靠鐵和銅的變價(jià)傳遞電子

Fe3++e→Fe2+Cu2++e→Cu+呼吸鏈中的Cyt蛋白:

Cytb、Cytc1、Cytc和Cytaa3順序：

Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2

存在于細(xì)胞色素a、a3的血紅素A存在于細(xì)胞色素b、c、c1的血紅素5、輔酶Q(CoQ)、泛醌、——遞氫體非蛋白組分，醌類(lèi)，側(cè)鏈為異戊二烯；中間傳遞體，通過(guò)醌/酚結(jié)構(gòu)互變傳遞電子只能從黃素酶的FMNH2或FADH2，接受和傳遞H。復(fù)合體Ⅰ(NADH脫氫酶或NADH–Q復(fù)原酶):包括黃素蛋白(FMN)和鐵硫蛋白。催化電子從NADH→CoQ。復(fù)合體Ⅱ(琥珀酸脫氫酶或琥珀酸–Q復(fù)原酶):包括黃素蛋白(FAD)、鐵硫蛋白和細(xì)胞色素b560。催化電子從琥珀酸→CoQ。復(fù)合體Ⅲ〔細(xì)胞色素復(fù)原酶〕：包括Cytb、Cytc1和鐵硫蛋白。催化電子從CoQH2→Cytc。復(fù)合體Ⅳ〔細(xì)胞色素氧化酶):包括Cytaa3和含銅蛋白。催化電子從復(fù)原型Cytc→O2電子傳遞鏈的組成從線(xiàn)粒體內(nèi)膜上別離到四種酶復(fù)合體及輔酶Q(CoQ)和細(xì)胞色素C(Cytc)。復(fù)合體I：NADH-Q復(fù)原酶組成：FMN+Fe-S蛋白〔+CoQ〕功能：遞氫

Fe-S蛋白：遞電子體

Fe3++eFe2+NADH鏈復(fù)合體II：琥珀酸-Q復(fù)原酶組成：FAD+Fe-S蛋白功能：遞氫244FADH2鏈232復(fù)合體III：細(xì)胞色素復(fù)原酶組成：Cytb、Cytc1、Fe-S蛋白功能：傳遞電子復(fù)合體IV：細(xì)胞色素氧化酶組成：Cytaa3+2Cu＋功能：遞電子給氧Cu2＋＋eCu＋

NADH鏈CoQNADH-Q復(fù)原酶細(xì)胞色素還原酶3復(fù)合體細(xì)胞色素C細(xì)胞色素氧化酶4復(fù)合體1復(fù)合體線(xiàn)粒體外膜線(xiàn)粒體內(nèi)膜2e遞氫體遞電子體NADH鏈FADH2鏈IIIIIVQCIIQC三、電子傳遞鏈的類(lèi)型和組成：NADH鏈：復(fù)合體I、CoQ、III、Cytc、IVFADH鏈：復(fù)合體II、CoQ、III、Cytc、IV四、電子傳遞鏈中傳遞體的排列順序依據(jù)—各傳遞體的E○’,重建組成、抑制劑的阻斷試驗(yàn)NADH鏈NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2

FADH2鏈FADH2→CoQ→b→c1→c→aa3→O2

FADH2NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2

-0.32→-0.30→+0.1←+0.07→+0.22→+0.25→+0.29→+0.82-0.06E0’

低→高，NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2魚(yú)藤酮

NADH鏈斷，F(xiàn)ADH2鏈通FADH2五、電子傳遞抑制作用〔鏈阻斷試驗(yàn)〕電子傳遞抑制劑：能夠抑制電子傳遞鏈上某一部位電子傳遞的物質(zhì)安蜜妥殺粉蝶菌素A毒魚(yú)藤：兩廣一帶有毒魚(yú)作用的一類(lèi)藤本植物的統(tǒng)稱(chēng)。毒魚(yú)藤的根皮或種子中含有的殺蟲(chóng)有效成分是魚(yú)藤酮和擬魚(yú)藤酮。(一)NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2氰化物CONADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2eee氰化物、CO——窒息劑〔劇毒！〕抗霉素A-分離自霉菌(二)(三)第四節(jié)、氧化磷酸化與ATP的生成

生物氧化釋放的能量，通過(guò)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。一、高能化合物1、定義：在生化反響中，隨著水解反響或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反響可放出大量自由能〔＞20.92KJ/mol〕的化合物。其中斷裂釋放出大量自由能的共價(jià)鍵稱(chēng)為高能鍵(~)。

A→B△G0

＞0(不能自發(fā)進(jìn)行）高能化合物(水解)→低能化合物△G0＜0(能自發(fā)進(jìn)行)提問(wèn)：兩反響如何可以結(jié)合在一起呢？P177A+高能化合物→B+低能化合物△G0＜0(能自發(fā)進(jìn)行)

高能基團(tuán)的傳遞2.生物意義：3、高能化合物的種類(lèi)磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型-O~P磷氮型HN=C-N~P(O)-43.1烯醇式磷酸化合物△GoKJ/mol-C=C-O~P(O)--61.9酰基磷酸化合物-C-O~P(O)-42.3O焦磷酸化合物

(O)P-O~P(O)

-30.5硫脂鍵化合物~

S

-31.4甲硫鍵化合物

CH3~S+-C-C-40.8~高能鍵,水解斷開(kāi)，并可傳遞能量P177〔1〕ATP的分子結(jié)構(gòu)4、最重要的高能化合物ATP①生物體通用的能量貨幣。產(chǎn)能反響產(chǎn)生的能量物質(zhì)主要是ATP提供反響所需能量；提供細(xì)胞活動(dòng)的機(jī)械能；提供細(xì)胞吸收物質(zhì)時(shí)的能量；產(chǎn)生電效應(yīng)；轉(zhuǎn)變成光能或熱能②磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移反響的中間載體?！?〕ATP在能量轉(zhuǎn)化中的作用能量源自能源物質(zhì)〔糖、脂、偶爾是蛋白質(zhì)〕的分解分解代謝氧化產(chǎn)能ADP機(jī)械能〔運(yùn)動(dòng)〕化學(xué)能〔合成反響〕滲透能〔分泌、吸收〕電能〔生物電〕熱能〔體溫維持〕光能〔生物發(fā)光〕

UTP、GTP、CTP、TTP合成，供能ATP5、ATP生成的途徑光合磷酸化氧化磷酸化ATP在傳遞能量方面起著轉(zhuǎn)運(yùn)站的作用，它是能量的攜帶者和轉(zhuǎn)運(yùn)者，但不是能量的貯存者。儲(chǔ)能物質(zhì)：磷酸肌酸、磷酸精氨酸二、氧化磷酸化作用定義：代謝物的氧化作用與ADP的磷酸化作用相偶聯(lián)生成ATP的過(guò)程。根據(jù)氧化方式不同分為兩類(lèi)

底物水平磷酸化氧化磷酸化電子傳遞鏈磷酸化P1851、底物水平磷酸化(無(wú)O2參與)S→M～P＋ADP→ATP氧化激酶定義：底物被氧化的同時(shí)，分子內(nèi)部能量重新分布產(chǎn)生高能磷酸化合物，高能磷酸化合物在酶(激酶)的作用將高能磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移至ADP上形成ATP的過(guò)程。與底物催化過(guò)程相伴的無(wú)氧ATP形成機(jī)制磷酸甘油酸激酶丙酮酸激酶GTP+ADPGDP+ATP琥珀酰CoA合成酶2、電子傳遞體系磷酸化

(通常稱(chēng)的氧化磷酸化)

電子從NADH或FADH2經(jīng)電子傳遞鏈傳遞給O2形成水時(shí)，同時(shí)偶聯(lián)ADP磷酸化為ATP，這一過(guò)程稱(chēng)電子傳遞體系磷酸化。氧化過(guò)程和磷酸化過(guò)程同時(shí)進(jìn)行。與電子傳遞鏈相伴的有氧ATP形成機(jī)制。ATP合酶產(chǎn)水反應(yīng)的△G磷酸化P/O：一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳給氧原子的過(guò)程中所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。實(shí)質(zhì)指每消耗1摩爾氧原子所消耗無(wú)機(jī)磷酸/產(chǎn)生ATP的摩爾數(shù)。3、P/O比和氧化磷酸化偶聯(lián)部位1940年S.Ochoa

提出P/O比概念NADH+H++1/2O2

NAD++H2O磷酸化氧化+

3ADP+3Pi

+3ATPNADH鏈:P/O=3FADH2鏈：P/O=2FADH2+1/2O2+

2ADP+2Pi

NAD++H2O+2ATP偶聯(lián)部位的證實(shí):

專(zhuān)一性的抑制劑；電化學(xué)實(shí)驗(yàn)當(dāng)傳遞體間△E0’

>0.18時(shí)，滿(mǎn)足ADP+Pi→ATP的需要NADH→(FMN)→CoQ→(b→c1)→c→(a→a3)→O2

-0.32→-0.30→+0.1←+0.07→+0.22→+0.25→+0.29→+0.39+0.816FADH2(-0.18)ATPATPATP復(fù)合物I、III和IV具有質(zhì)子泵功能，能利用電子傳遞釋放的自由能將質(zhì)子泵出線(xiàn)粒體內(nèi)膜，形成質(zhì)子電化學(xué)梯度，此梯度可推動(dòng)ATP的合成。氧化磷酸化的耦聯(lián)部位是：復(fù)合物I、III和IV132三、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)(1953)(chemicalcouplinghypothesis)構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō)(1964)(conformationalcouplinghypothesis)化學(xué)滲透假說(shuō)

(chemiosmotichypothesis)

1、化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)P.Mitchell〔英〕1961年提出,1978年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。在電子傳遞和ATP合成之間起偶聯(lián)作用的是質(zhì)子電化學(xué)梯度。要點(diǎn)：線(xiàn)粒體內(nèi)膜是完整的封閉系統(tǒng)；內(nèi)膜上遞氫體和遞電子體交替排列，催化反響定向進(jìn)行e傳遞過(guò)程中釋放的能量將H+由內(nèi)膜內(nèi)側(cè)泵到內(nèi)膜外側(cè)；內(nèi)膜對(duì)H+不通透，阻止H+自由進(jìn)入，形成膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度；足夠大的質(zhì)子電化學(xué)梯度使質(zhì)子經(jīng)F1-F0復(fù)合體回到內(nèi)膜內(nèi)側(cè)，推動(dòng)ADP磷酸化形成ATP?；瘜W(xué)滲透假說(shuō)示意圖ATP合酶是ATP合成的場(chǎng)所。FO鑲嵌在內(nèi)膜中,是膜外質(zhì)子返回膜內(nèi)的通道。F1伸向膜內(nèi)基質(zhì),是催化ATP合成的部位。當(dāng)膜外的質(zhì)子經(jīng)FO質(zhì)子通道到達(dá)F1時(shí)便推動(dòng)ATP的合成。2、ATP的合成機(jī)制—FOF1-ATP合酶3、ATP酶的旋轉(zhuǎn)催化理論－－Boyer.P.D.(1994)LOT四、氧化磷酸化的阻斷作用電子傳遞抑制劑氧化磷酸化抑制作用解偶聯(lián)作用離子載體抑制作用2.氧化磷酸化抑制作用：既抑制氧的利用又抑制ATP的生成，但不直接抑制呼吸鏈上載體的作用。如寡霉素阻斷方式：寡霉素：通過(guò)抑制ATP合酶Fo質(zhì)子通道的作用抑制氧化磷酸化。1.電子傳遞抑制作用:如魚(yú)藤酮、安密妥等概念：將電子傳遞過(guò)程和ATP形成過(guò)程別離的作用稱(chēng)為~。產(chǎn)生這種作用的物質(zhì)為~。能抑制ATP的形成，但不抑制電子傳遞，不抑制底物水平磷酸化。解偶聯(lián)劑：2,4-二硝基苯酚〔D