生物化学与分子生物学-授课教案生物化学教学方案:

课程名称

生物化学

年级

专业、层次

本科临床医学类

授课教师

职称

课型（大、小)

大

学时

4

授课题目（章、节)

第六章  生物氧化

教材名称

《生物化学》第七版

作者

查锡良

出版社

人民卫生出版社

主要参考书

（注明页数)

 赵宝昌　主编. 生物化学(第二版). 高等教育出版社, 2009-1. 第七章 生物氧化.

目的与要求：

1. 掌握：生物氧化的概念。线粒体氧化呼吸链的组成、结构、递氢体和递电子体的排列顺序。氧化磷酸化和底物水平磷酸化的概念。氧化磷酸化的偶联部位。氧化磷酸化的调节。线粒体外NADH的穿梭。

2. 熟悉：P/O比值。高能磷酸键的类型。

3. 了解：ADP合酶的分子结构及作用机制。线粒体外的氧化体系。

教学内容与时间安排、教学方法：

1.教学内容与时间安排

线粒体氧化呼吸链的组成和结构      1.0学时

氧化磷酸化的概念、偶联部位及机制 1.0学时

氧化磷酸化的调节、ATP的作用及物质转运    1.5学时

线粒体外的氧化体系     执业护士网; 0.5学时

2. 教学方法：

讲授+演示+启发+讨论。

教学重点及如何突出重点、难点及如何突破难点：

1. 重点：线粒体氧化呼吸链递氢体和递电子体的排列顺序。氧化磷酸化的偶联部位。氧化磷酸化的调节。线粒体外NADH的穿梭。

2. 难点：线粒体氧化呼吸链的组成和结构。 线粒体外NADH的穿梭。

3. 课件色彩及语言强调突出重点；采用图片及动画演示理解难点。

教研室审阅意见：

   同意。

  教研室主任签名：李洪

 2009 年2 月 28 日

基 本 内 容

课堂设计和时间安排

第六章 生物氧化

☆生物氧化的概念。物质在生物体内氧化分解并释放出能量的过程称为生物氧化。

生物体内的生物氧化过程与体外燃烧不同的是：在37℃，近于中性的含水环境中，由酶催化进行；反应逐步释放出能量，相当一部分能量以高能磷酸酯键的形式储存起来。

生物氧化的一般过程。

第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系

一、氧化呼吸链是由递氢体和递电子体构成的传递链

☆呼吸链的概念。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氧化呼吸链。构成氧化呼吸链的递氢体或递电子体通常以复合体的形式存在于线粒体内膜上。

★（一)氧化呼吸链由4种复合体和2种游离成份组成

人线粒体呼吸链复合体。

1. 复合体Ⅰ（NADH-泛醌还原酶)：

NADH还原酶：NADH还原酶催化（NADH+H⁺)的脱氢反应，从而将2H传递给其辅基FMN，生成FMNH₂。

铁硫蛋白：铁硫蛋白(Fe-S)共有9种同工蛋白；分子中含有由半胱氨酸残基硫原子及无机硫原子与铁离子形成的铁硫中心(铁硫簇)，一次可传递一个电子至CoQ。

铁硫中心的结构。

泛醌（CoQ)：泛醌（辅酶Q, CoQ, Q)是游离存在于线粒体内膜中的脂溶性有机化合物，由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ₁₀)，氧化还原反应时可在醌型与氢醌型之间相互转变。

2. 复合体Ⅱ（琥珀酸-泛醌还原酶)：

细胞色素类：这是一类以铁卟啉为辅基的酶。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。

细胞色素根据其铁卟啉辅基的结构以及吸收光谱的不同而分类。

铁卟啉辅基的分子结构。

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Cyt aa₃，Cyt b（b₅₆₀，b₅₆₂，b₅₆₆)，Cyt c，Cyt c₁；存在于微粒体的细胞色素有Cyt P₄₅₀和Cyt b₅。

细胞色素b的分子结构。细胞色素c的分子结构。

3. 复合体Ⅲ（泛醌-细胞色素c还原酶)。

4. 复合体Ⅳ（细胞色素c氧化酶)。

★（二)氧化呼吸链各组分按氧化还原电位高低排列

通过四个方面的实验可确定呼吸链各组分的排列顺序：

① 标准氧化还原电位。

② 拆开和重组。

③ 特异抑制剂阻断。

④ 还原状态呼吸链缓慢给氧。

呼吸链中各氧化还原对的标准氧化还原电位。

氧化呼吸链的组成：

☆⑴ NADH氧化呼吸链：NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O₂。

☆⑵ 琥珀酸（FADH₂)氧化呼吸链：琥珀酸→复合体Ⅱ →Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O₂。

氧化呼吸链的排列顺序：

☆1. NADH氧化呼吸链。

☆2. 琥珀酸（FADH₂)氧化呼吸链。

两条电子传递链的关系。

二、氧化磷酸化是底物氧化与ADP磷酸化的偶联过程

（一)生物体内ATP的生成方式

1. 底物水平磷酸化：

☆底物水平磷酸化的概念。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。

底物水平磷酸化涉及的生物化学反应。

2. 氧化磷酸化：

☆氧化磷酸化的概念。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。

（二)氧化磷酸化的偶联部位

1. P/O比值：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。

☆P/O比值的概念。每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷原子的摩尔数称为P/O比值。

线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值。

2. 自由能变化与ATP的生成部位：合成1mol ATP时，需要提供的标准自由能变化至少为ΔG^Ө = -30.5 kJ/mol，相当于标准氧化还原电位差ΔE^Ө = 0.15~0.2 V。 因此，在NADH氧化呼吸链中有三处可以生成ATP（2.5分子ATP)，而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可以生成ATP（1.5分子ATP)。

氧化磷酸化的偶联部位。

★（三)氧化磷酸化的偶联机制

1. 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)： 目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年由Peter Mitchell提出的化学渗透学说。

⑴ 化学渗透假说的基本要点：该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。当质子顺浓度梯度回流时，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。

⑵ 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。

复合体Ⅰ的氧化还原袢。复合体Ⅲ的氧化还原袢。复合体Ⅳ的氧化还原袢。

质子梯度的形成。

★（四)ATP合酶利用质子回流的能量催化合成ATP

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合酶利用以合成ATP。

1. ATP合酶的分子结构：

嵌于线粒体内膜上，其头部呈颗粒状，突出于线粒体内膜的基质侧。头部由三对αβ亚基组成，催化活性中心位于β亚基。

ATP合酶的分子结构。ATP合酶F1段的结构。

2. ATP合酶的工作机制。

三、氧化磷酸化的速率受体内外因素影响

☆（一)ADP水平是调节氧化磷酸化的主要因素

正常情况下，机体的氧化磷酸化速率主要受ADP水平的调节。ADP水平增高或ATP消耗过多，可致氧化磷酸化速率加快；反之，当ADP水平下降或ATP消耗减少时，则氧化磷酸化速率减慢。

☆（二)甲状腺激素增加ATP的消耗而影响氧化磷酸化的速率

甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的速率。甲状腺激素可以激活细胞膜上的Na⁺,K⁺-ATP酶，使ATP水解增加，导致ADP水平升高，氧化磷酸化速率加快。甲状腺激素也可促使线粒体内膜解偶联蛋白表达增强，从而加速H+的回流，减少ATP合成。

☆（三)内源性解偶联蛋白可释放热能

哺乳类动物棕色脂肪组织细胞中含大量线粒体，其内膜上存在丰富的解偶联蛋白（UCP)，可在线粒体内膜上形成质子通道，导致氧化磷酸化解偶联并释放热能以维持体温。

☆（四)药物和毒物抑制电子传递或ATP合成

按照抑制位点或作用机制将影响氧化磷酸化速率的药物和毒物分为三类：呼吸链抑制剂、解偶联剂和ATP合酶抑制剂。

1. 呼吸链抑制剂阻断电子传递过程：

能够抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或毒物称为呼吸链抑制剂。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. 解偶联剂破坏跨膜质子梯度：

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。解偶联剂通常引起线粒体内膜对质子的通透性增加，从而使线粒体内膜两侧的质子梯度不能形成。主要的解偶联剂有2,4-二硝基酚。

3. ATP合酶抑制剂抑制质子回流：

能抑制ATP合酶的质子回流，从而使线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高，对呼吸链的电子传递和ADP磷酸化均产生抑制作用的药物和毒物称为ATP合酶抑制剂，如寡霉素、二环己基碳二亚胺。

氧化磷酸化的抑制剂。

四、ATP在能量代谢中的核心作用

（一)高能磷酸键的类型

生物化学中常将水解时释放的能量>21kJ/mol的磷酸键称为高能磷酸键。但实际上，高能磷酸键水解释放的能量来自于整个分子化学能的释放，并非直接来自于磷酸键，即并不存在能量特别高的磷酸键。

高能磷酸键的主要类型有：

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。

几种常见的高能化合物。

☆磷酸肌酸（creatine phosphate, C～P)是骨骼肌、心肌和脑组织中能量的贮存形式。磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用，必须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理活动之需。反应过程由肌酸激酶（CK)催化完成。该酶定位线粒体内膜和胞液中。

肌酸激酶的作用。

（二)ATP循环（ATP cycle)

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（A-P~P~P)，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。

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。 核苷单磷酸激酶和核苷二磷酸激酶的催化作用。

五、线粒体内膜对代谢物的选择性转运

☆（一)线粒体外NADH的穿梭

胞液中的3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油或乳酸脱氢，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。

1. 磷酸甘油穿梭系统

主要存在于脑和骨骼肌中。NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，由于经琥珀酸氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故只能产生1.5分子ATP。

磷酸甘油穿梭系统。

2. 苹果酸穿梭系统

主要存在于肝和心肌中。胞液中NADH+H⁺的一对氢原子经此穿梭系统带入一对氢原子，由于经NADH氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故可生成2.5分子ATP。

苹果酸穿梭系统。

六、有机酸的脱羧作用生成二氧化碳

在生物体内，CO₂是通过有机酸的脱羧作用生成的。按照羧基所连接的位置不同，可将有机酸的脱羧作用分为α-脱羧和β-脱羧。按照脱羧时是否伴有氧化作用，可将有机酸的脱羧作用分为单纯脱羧和氧化脱羧。

1. α–单纯脱羧：见于氨基酸的脱羧作用。

2. β–单纯脱羧：见于草酰乙酸的脱羧作用。

3. α-氧化脱羧：见于丙酮酸的脱氢与脱羧作用。

4. β-氧化脱羧：见于苹果酸的脱氢与脱羧作用。

第二节 其他氧化体系

一、需氧脱氢酶和氧化酶

只能以某些辅酶或辅基作为受氢体而不能以O₂作为直接受氢体的脱氢酶称为不需氧脱氢酶。能以O₂作为直接受氢体的酶称为需氧脱氢酶或氧化酶。氧化酶能直接利用O₂为受氢体，产物为H₂O；而需氧脱氢酶通常以FAD或FMN为辅基，但可催化底物脱氢并以氧为受氢体，产物为H₂O₂。

二、抗氧化酶体系清除反应活性氧类

（一)过氧化氢酶（catalase)

过氧化氢酶又称触酶，其辅基为血红素，可催化H₂O₂的分解反应。

（二)过氧化物酶（perioxidase)

过氧化物酶也以血红素为辅基，可催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物。

（三)超氧物歧化酶（superoxide dismutase，SOD)

呼吸链电子传递过程或体内某些物质(如黄嘌呤)氧化时，均可产生超氧离子。超氧离子的化学性质非常活泼，易引起磷脂分子中的不饱和脂肪酸氧化生成过氧化脂质，造成生物膜的损伤。 超氧物歧化酶可催化一分子超氧离子氧化生成O₂，而另一分子超氧离子还原生成H₂O₂。

在真核细胞中存在三种超氧物歧化酶同工酶：即细胞外Cu/Zn-SOD、胞液Cu/Zn-SOD和线粒体Mn-SOD。

三、微粒体氧化酶类催化加氧反应

★（一)加单氧酶（monooxygenase)

加单氧酶，又称为混合功能氧化酶（mixed-function oxidase)，催化氧分子中的一个氧原子加到底物分子上（羟化)，而另一个氧原子则被氢还原成水。此反应过程需Cyt P₄₅₀参与。

混合功能氧化酶的催化机制。

（二)加双氧酶（dioxigenase)

加双氧酶催化氧分子中的两个氧原子添加到底物中带双键的两个碳原子上，引起碳链或碳环的断裂，如色氨酸吡咯酶。  

☆——重点

★——难点

1.0学时

动画演示+总结

重点强调

列表总结

图片展示

图片展示

图片展示

图片展示

图片展示

图片展示

图片展示

图片展示

图片展示

-----------------

1.0学时

举例

列表总结

重点强调+动画演示

重点强调+动画演示

重点强调+动画演示

重点强调+动画演示

图片展示

重点强调

图片展示+总结

重点强调

重点强调

列表总结

动画演示

设问+动画演示

图片展示

图片展示

图片展示

-----------------

1.5学时

图片展示

图片展示

动画演示

重点强调

重点强调

重点强调

重点强调

重点强调+举例

重点强调+举例

重点强调+举例

图片展示+总结

列表总结

重点强调

图片展示

动画演示

重点强调

重点强调

动画演示

动画演示

图片展示

图片展示

图片展示

图片展示

-----------------

0.5学时

图片展示

图片展示

图片展示

动画演示

图片展示

小  结

1. 生物氧化及呼吸链的概念。

2. 生成ATP的氧化磷酸化体系的组成、结构和作用机制。

3. 底物水平磷酸化与氧化磷酸化。

4. 氧化磷酸化的调节。

5. 线粒体外NADH的穿梭。

6. 线粒体外的氧化体系。

复 习 思 考 题 、作 业 题

一、名词解释

 1. 生物氧化；2. 呼吸链；3. 底物水平磷酸化；4. 氧化磷酸化；5. P/O比值；6. 呼吸链抑制剂；7. 氧化磷酸化解偶联剂。

二、问答题

1. 简述NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链的排列顺序及相关底物。

2. 氧化磷酸化是怎样进行调节的？

下 次 课 预 习 要 点

 第三章 酶

1. 酶的概念。

2. 酶与一般催化剂的共同点及特点。

3. 酶的辅助因子。

4. 酶的活性中心。

5. 酶的催化机制。

实 施 情 况 及 分 析