第五章生物氧化.doc

第七章 生 物 氧 化【授课时间】4学时【单元目标】1叙述生物氧化的概念及生物学意义，列举与体外燃烧的异同。2解释呼吸链，呼吸链组成及各成分的作用。写出两条主要呼吸链传递顺序。3熟记作用物水平磷酸化和氧化磷酸化的概念。熟记氧化磷酸化偶联部位及电子传递抑制剂的作用部位。解释氧化磷酸化PO比值。4熟记两种穿梭机制，解释其对线粒体外NADH氧化磷酸化的意义。1 记住体内生理、生化活动用能和储能形式。7列举体内CO2生成的主要方式。【授课内容】1生物氧化的概念、特点及物质氧化方式2线粒体氧化体系 第一节 新陈代谢一.新陈代谢通论（一） 新陈代谢的概念（二）新陈代谢的内涵(三) 新陈代谢的调节(四)代谢中常见的有机化学反应机制二. 新陈代谢研究方法三. 生物能学简介(一)有关热力学的一些基本概念(二).自由能（free energy）(三). 化学反应中自由能的变化和意义1、化学反应的自由能变化的基本公式 =H-TS2、化学反应自由能变化与平衡常数和电势的关系3、偶联化学反应G变化的可加性4、能量学用于生物化学反应中的一些规定四. 高能化合物与ATP的作用第二节 生成ATP的氧化体系 一、线粒体氧化呼吸链 在线粒体中，由若干递氢体或递电子体按一定顺序排列组成的，与细胞呼吸过程有关的链式反应体系称为呼吸链。 这些递氢体或递电子体往往以复合体的形式存在于线粒体内膜上。 线粒体的结构 主要的电子传递复合体有：1复合体（NADH-泛醌还原酶）： NADH还原酶 + 2（Fe-S）+ CoQ铁硫蛋白的 分子结构 铁硫蛋白分子中含有由半胱氨酸残基硫原子与铁离子形成的铁硫中心，一次可传递一个电子。泛醌的分子结构 2复合体（琥珀酸-泛醌还原酶）： 琥珀酸脱氢酶 + 2（Fe-S）+2（Cyt b560） 细胞色素b的分子结构 细胞色素类： 这是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质。在生物氧化反应中，其铁离子可为+2价亚铁离子，也可为+3价高铁离子。通过这种转变而传递电子。细胞色素为单电子传递体。 细胞色素可存在于线粒体内膜，也可存在于微粒体。 存在于线粒体内膜的细胞色素有Cytaa3，Cytb（b560，b562，b566），Cytc，Cytc1；而存在于微粒体的细胞色素有CytP450和Cytb5。 3复合体（泛醌-细胞色素c还原酶）： 2Cytb + Cytc1 +（Fe-S）4复合体（细胞色素c氧化酶）： Cyta + Cyta3 （二）呼吸链成分的排列顺序： 1NADH氧化呼吸链： 2. 琥珀酸氧化呼吸链： 二、氧化磷酸化 在线粒体中，底物分子脱下的氢原子经递氢体系传递给氧，在此过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP，这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化 直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子中的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷酸化。 底物水平磷酸化仅见于下列三个反应： （一）氧化磷酸化的偶联部位： l 通过测定在氧化磷酸化过程中，氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系，可以反映底物脱氢氧化与 ATP 生成之间的比例关系。 l 每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数称为 P/O 比值 。 合成1molATP时，需要提供的能量至少为G0=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差E0=0.2V。故在NADH氧化呼吸链中有三处可生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可生成ATP。 （二）氧化磷酸化的偶联机制： 目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年由Mitchell提出的化学渗透学说。这一学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。这种形式的“势能”，可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP。 1质子梯度的形成机制： 质子的转移主要通过氧化呼吸链在递氢或递电子过程中所形成的氧化还原袢来完成。 每传递两个氢原子，就可向膜间腔释放10个质子。 质子梯度的形成2ATP的合成机制： 当质子从膜间腔返回基质中时，这种“势能”可被位于线粒体内膜上的ATP合成酶利用以合成ATP。ATP合成酶的分子结构ATP合酶F1段的结构ATP合酶的作用机制(脂质体重建实验)ATP合成模式图三、氧化磷酸化的影响因素（一）ATP/ADP比值： ATP/ADP比值是调节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；反之，当ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢。 （二）甲状腺激素： 甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的速度。其原因是甲状腺激素可以激活细胞膜上的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。（三）药物和毒物：1呼吸链的抑制剂： 能够抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或毒物称为氧化磷酸化的抑制剂。 能够抑制第一位点的有异戊巴比妥、粉蝶霉素A、鱼藤酮等； 能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇； 能够抑制第三位点的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。 2解偶联剂：不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，但能使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化的药物或毒物称为解偶联剂。 主要的解偶联剂有2,4-二硝基酚 3氧化磷酸化的抑制剂： 对电子传递和ADP磷酸化均有抑制作用的药物和毒物称为氧化磷酸化的抑制剂，如寡霉素。 四、高能磷酸键的储存与释放（一）高能磷酸键的类型： 生物化学中常将水解时释放的能量20kJ/mol的磷酸键称为高能磷酸键。 生物体内的高能磷酸键主要有以下几种类型：1磷酸酐键：包括各种多磷酸核苷类化合物，如ADP，ATP，GDP，GTP，CDP，CTP，GDP，GTP及PPi等，水解后可释放出30.5kJ/mol的自由能。2混合酐键：由磷酸与羧酸脱水后形成的酐键，主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。在标准条件下水解可释放出61.9kJ/mol的自由能。3烯醇磷酸键：见于磷酸烯醇式丙酮酸中，水解后可释放出61.9kJ/mol的自由能。 4磷酸胍键：见于磷酸肌酸中，水解后可释放出43.9kJ/mol的自由能。 磷酸肌酸（CP）是肌肉和脑组织中能量的贮存形式。但磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用，而必须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理活动之需。这一反应过程由肌酸磷酸激酶（CPK）催化完成。 （二）ATP循环： ATP是生物界普遍使用的供能物质，有“通用货币”之称。ATP分子中含有两个高能磷酸酐键，均可以水解供能。 ATP水解为ADP并供出能量之后，又可通过氧化磷酸化重新合成，从而形成ATP循环。 （三）多磷酸核苷间的能量转移： 在生物体内，除了可直接使用ATP供能外，还用使用其他形式的高能磷酸键供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白质的合成等。 核苷单磷酸激酶 五、线粒体外NADH的穿梭 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。 （一）磷酸甘油穿梭系统： NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，只产生2分子ATP。（二）苹果酸穿梭系统： 胞液中NADH+H+的一对氢原子经此穿梭系统带入一对氢原子可生成3分子ATP。