生物化學與分子生物學-授課教案生物化學教學方案:

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生物化學與分子生物學:授課教案生物化學教學方案第六章:教案首頁課程名稱生物化學年級專業(yè)、層次本科臨床醫(yī)學類授課教師職稱課型（大、小) 大學時 4 授課題目（章、節(jié)) 第六章生物氧化教材名稱《生物化學》第七版作者

教案首頁

課程名稱

生物化學

年級

專業(yè)、層次

本科臨床醫(yī)學類

授課教師

職稱

課型（大、小)

大

學時

授課題目（章、節(jié))

第六章生物氧化

教材名稱

《生物化學》第七版

作者

查錫良

出版社

人民衛(wèi)生出版社

主要參考書

（注明頁數(shù))

趙寶昌　主編. 生物化學(第二版). 高等教育出版社, 2009-1. 第七章生物氧化.

目的與要求：

1. 掌握：生物氧化的概念。線粒體氧化呼吸鏈的組成、結(jié)構(gòu)、遞氫體和遞電子體的排列順序。氧化磷酸化和底物水平磷酸化的概念。氧化磷酸化的偶聯(lián)部位。氧化磷酸化的調(diào)節(jié)。線粒體外NADH的穿梭。

gydjdsj.org.cn/shouyi/

2. 熟悉：P/O比值。高能磷酸鍵的類型。

3. 了解：ADP合酶的分子結(jié)構(gòu)及作用機制。線粒體外的氧化體系。

教學內(nèi)容與時間安排、教學方法：

1.教學內(nèi)容與時間安排

線粒體氧化呼吸鏈的組成和結(jié)構(gòu) 1.0學時

氧化磷酸化的概念、偶聯(lián)部位及機制 1.0學時

氧化磷酸化的調(diào)節(jié)、ATP的作用及物質(zhì)轉(zhuǎn)運 1.5學時

線粒體外的氧化體系執(zhí)業(yè)護士網(wǎng); 0.5學時

2. 教學方法：

講授+演示+啟發(fā)+討論。

教學重點及如何突出重點、難點及如何突破難點：

1. 重點：線粒體氧化呼吸鏈遞氫體和遞電子體的排列順序。氧化磷酸化的偶聯(lián)部位。氧化磷酸化的調(diào)節(jié)。線粒體外NADH的穿梭。

2. 難點：線粒體氧化呼吸鏈的組成和結(jié)構(gòu)。線粒體外NADH的穿梭。

3. 課件色彩及語言強調(diào)突出重點；采用圖片及動畫演示理解難點。

教研室審閱意見：

同意。

教研室主任簽名：李洪

2009 年2 月 28 日

基本內(nèi) 容

課堂設(shè)計和時間安排

第六章生物氧化

☆生物氧化的概念。物質(zhì)在生物體內(nèi)氧化分解并釋放出能量的過程稱為生物氧化。

生物體內(nèi)的生物氧化過程與體外燃燒不同的是：在37℃，近于中性的含水環(huán)境中，由酶催化進行；反應(yīng)逐步釋放出能量，相當一部分能量以高能磷酸酯鍵的形式儲存起來。

生物氧化的一般過程。

第一節(jié) 生成ATP的氧化磷酸化體系

一、氧化呼吸鏈是由遞氫體和遞電子體構(gòu)成的傳遞鏈

☆呼吸鏈的概念。在線粒體中，由若干遞氫體或遞電子體按一定順序排列組成的，與細胞呼吸過程有關(guān)的鏈式反應(yīng)體系稱為氧化呼吸鏈。構(gòu)成氧化呼吸鏈的遞氫體或遞電子體通常以復(fù)合體的形式存在于線粒體內(nèi)膜上。

★（一)氧化呼吸鏈由4種復(fù)合體和2種游離成份組成

人線粒體呼吸鏈復(fù)合體。

1. 復(fù)合體Ⅰ（NADH-泛醌還原酶)：

NADH還原酶：NADH還原酶催化（NADH+H⁺)的脫氫反應(yīng)，從而將2H傳遞給其輔基FMN，生成FMNH₂。

鐵硫蛋白：鐵硫蛋白(Fe-S)共有9種同工蛋白；分子中含有由半胱氨酸殘基硫原子及無機硫原子與鐵離子形成的鐵硫中心(鐵硫簇)，一次可傳遞一個電子至CoQ。

鐵硫中心的結(jié)構(gòu)。

泛醌（CoQ)：泛醌（輔酶Q, CoQ, Q)是游離存在于線粒體內(nèi)膜中的脂溶性有機化合物，由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈（人CoQ₁₀)，氧化還原反應(yīng)時可在醌型與氫醌型之間相互轉(zhuǎn)變。

2. 復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸-泛醌還原酶)：

細胞色素類：這是一類以鐵卟啉為輔基的酶。在生物氧化反應(yīng)中，其鐵離子可為+2價亞鐵離子，也可為+3價高鐵離子，通過這種轉(zhuǎn)變而傳遞電子。細胞色素為單電子傳遞體。

細胞色素根據(jù)其鐵卟啉輔基的結(jié)構(gòu)以及吸收光譜的不同而分類。

鐵卟啉輔基的分子結(jié)構(gòu)。

細胞色素可存在于線粒體內(nèi)膜，也可存在于微粒體。存在于線粒體內(nèi)膜的細胞色素有Cyt aa₃，Cyt b（b₅₆₀，b₅₆₂，b₅₆₆)，Cyt c，Cyt c₁；存在于微粒體的細胞色素有Cyt P₄₅₀和Cyt b₅。

細胞色素b的分子結(jié)構(gòu)。細胞色素c的分子結(jié)構(gòu)。

3. 復(fù)合體Ⅲ（泛醌-細胞色素c還原酶)。

4. 復(fù)合體Ⅳ（細胞色素c氧化酶)。

★（二)氧化呼吸鏈各組分按氧化還原電位高低排列

通過四個方面的實驗可確定呼吸鏈各組分的排列順序：

① 標準氧化還原電位。

② 拆開和重組。

③ 特異抑制劑阻斷。

④ 還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧。

呼吸鏈中各氧化還原對的標準氧化還原電位。

氧化呼吸鏈的組成：

☆⑴ NADH氧化呼吸鏈：NADH →復(fù)合體Ⅰ→Q →復(fù)合體Ⅲ→Cyt c →復(fù)合體Ⅳ→O₂。

☆⑵ 琥珀酸（FADH₂)氧化呼吸鏈：琥珀酸→復(fù)合體Ⅱ →Q →復(fù)合體Ⅲ→Cyt c →復(fù)合體Ⅳ→O₂。

氧化呼吸鏈的排列順序：

☆1. NADH氧化呼吸鏈。

☆2. 琥珀酸（FADH₂)氧化呼吸鏈。

兩條電子傳遞鏈的關(guān)系。

二、氧化磷酸化是底物氧化與ADP磷酸化的偶聯(lián)過程

（一)生物體內(nèi)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。

底物水平磷酸化涉及的生物化學反應(yīng)。

2. 氧化磷酸化：

☆氧化磷酸化的概念。在線粒體中，底物分子脫下的氫原子經(jīng)遞氫體系傳遞給氧，在此過程中釋放能量使ADP磷酸化生成ATP，這種能量的生成方式就稱為氧化磷酸化。

（二)氧化磷酸化的偶聯(lián)部位

1. P/O比值：通過測定在氧化磷酸化過程中，氧的消耗與無機磷酸消耗之間的比例關(guān)系，可以反映底物脫氫氧化與ATP生成之間的比例關(guān)系。

☆P/O比值的概念。每消耗一摩爾氧原子所消耗的無機磷原子的摩爾數(shù)稱為P/O比值。

線粒體離體實驗測得的一些底物的P/O比值。

2. 自由能變化與ATP的生成部位：合成1mol ATP時，需要提供的標準自由能變化至少為ΔG^Ө = -30.5 kJ/mol，相當于標準氧化還原電位差ΔE^Ө = 0.15~0.2 V。因此，在NADH氧化呼吸鏈中有三處可以生成ATP（2.5分子ATP)，而在琥珀酸氧化呼吸鏈中，只有兩處可以生成ATP（1.5分子ATP)。

氧化磷酸化的偶聯(lián)部位。

★（三)氧化磷酸化的偶聯(lián)機制

1. 化學滲透假說(chemiosmotic hypothesis)：目前公認的氧化磷酸化的偶聯(lián)機制是1961年由Peter Mitchell提出的化學滲透學說。

⑴ 化學滲透假說的基本要點：該學說認為氧化呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上，當氧化反應(yīng)進行時，H⁺通過氫泵作用被排斥到線粒體內(nèi)膜外側(cè)（膜間腔)，從而形成跨膜pH梯度和跨膜電位差。當質(zhì)子順濃度梯度回流時，這種形式的“勢能”可以被存在于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基團，并與ADP結(jié)合而合成ATP。

⑵ 質(zhì)子梯度的形成機制：質(zhì)子的轉(zhuǎn)移主要通過氧化呼吸鏈在遞氫或遞電子過程中所形成的氧化還原袢來完成。每傳遞兩個氫原子，就可向膜間腔釋放10個質(zhì)子。

復(fù)合體Ⅰ的氧化還原袢。復(fù)合體Ⅲ的氧化還原袢。復(fù)合體Ⅳ的氧化還原袢。

質(zhì)子梯度的形成。

★（四)ATP合酶利用質(zhì)子回流的能量催化合成ATP

當質(zhì)子從膜間腔返回基質(zhì)中時，這種“勢能”可被位于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶利用以合成ATP。

1. ATP合酶的分子結(jié)構(gòu)：

嵌于線粒體內(nèi)膜上，其頭部呈顆粒狀，突出于線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)。頭部由三對αβ亞基組成，催化活性中心位于β亞基。

ATP合酶的分子結(jié)構(gòu)。ATP合酶F1段的結(jié)構(gòu)。

2. ATP合酶的工作機制。

三、氧化磷酸化的速率受體內(nèi)外因素影響

☆（一)ADP水平是調(diào)節(jié)氧化磷酸化的主要因素

正常情況下，機體的氧化磷酸化速率主要受ADP水平的調(diào)節(jié)。ADP水平增高或ATP消耗過多，可致氧化磷酸化速率加快；反之，當ADP水平下降或ATP消耗減少時，則氧化磷酸化速率減慢。

☆（二)甲狀腺激素增加ATP的消耗而影響氧化磷酸化的速率

甲狀腺激素可間接影響氧化磷酸化的速率。甲狀腺激素可以激活細胞膜上的Na⁺,K⁺-ATP酶，使ATP水解增加，導致ADP水平升高，氧化磷酸化速率加快。甲狀腺激素也可促使線粒體內(nèi)膜解偶聯(lián)蛋白表達增強，從而加速H+的回流，減少ATP合成。

☆（三)內(nèi)源性解偶聯(lián)蛋白可釋放熱能

哺乳類動物棕色脂肪組織細胞中含大量線粒體，其內(nèi)膜上存在豐富的解偶聯(lián)蛋白（UCP)，可在線粒體內(nèi)膜上形成質(zhì)子通道，導致氧化磷酸化解偶聯(lián)并釋放熱能以維持體溫。

☆（四)藥物和毒物抑制電子傳遞或ATP合成

按照抑制位點或作用機制將影響氧化磷酸化速率的藥物和毒物分為三類：呼吸鏈抑制劑、解偶聯(lián)劑和ATP合酶抑制劑。

1. 呼吸鏈抑制劑阻斷電子傳遞過程：

能夠抑制呼吸鏈遞氫或遞電子過程的藥物或毒物稱為呼吸鏈抑制劑。能夠抑制第一位點的有異戊巴比妥、粉蝶霉素A、魚藤酮等；能夠抑制第二位點的有抗霉素A和二巰基丙醇；能夠抑制第三位點的有CO、H₂S和CN^-、N₃^-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa₃-Fe³⁺，而CO和H₂S主要抑制還原型Cytaa₃-Fe²⁺。

2. 解偶聯(lián)劑破壞跨膜質(zhì)子梯度：

不抑制呼吸鏈的遞氫或遞電子過程，但能使氧化產(chǎn)生的能量不能用于ADP磷酸化的藥物或毒物稱為解偶聯(lián)劑。解偶聯(lián)劑通常引起線粒體內(nèi)膜對質(zhì)子的通透性增加，從而使線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子梯度不能形成。主要的解偶聯(lián)劑有2,4-二硝基酚。

3. ATP合酶抑制劑抑制質(zhì)子回流：

能抑制ATP合酶的質(zhì)子回流，從而使線粒體內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子電化學梯度增高，對呼吸鏈的電子傳遞和ADP磷酸化均產(chǎn)生抑制作用的藥物和毒物稱為ATP合酶抑制劑，如寡霉素、二環(huán)己基碳二亞胺。

氧化磷酸化的抑制劑。

四、ATP在能量代謝中的核心作用

（一)高能磷酸鍵的類型

生物化學中常將水解時釋放的能量>21kJ/mol的磷酸鍵稱為高能磷酸鍵。但實際上，高能磷酸鍵水解釋放的能量來自于整個分子化學能的釋放，并非直接來自于磷酸鍵，即并不存在能量特別高的磷酸鍵。

高能磷酸鍵的主要類型有：

1. 磷酸酐鍵：包括各種多磷酸核苷類化合物，如ADP，ATP，GDP，GTP，CDP，CTP，GDP，GTP及PPi等，水解后可釋放出30.5kJ /mol的自由能。

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。在標準條件下水解可釋放出61.9kJ/mol的自由能。

3. 烯醇磷酸鍵：見于磷酸烯醇式丙酮酸中，水解后可釋放出61.9kJ/mol的自由能。

4. 磷酸胍鍵：見于磷酸肌酸中，水解后可釋放出43.9kJ/mol的自由能。

幾種常見的高能化合物。

☆磷酸肌酸（creatine phosphate, C～P)是骨骼肌、心肌和腦組織中能量的貯存形式。磷酸肌酸中的高能磷酸鍵不能被直接利用，必須先將其高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ATP，才能供生理活動之需。反應(yīng)過程由肌酸激酶（CK)催化完成。該酶定位線粒體內(nèi)膜和胞液中。

肌酸激酶的作用。

（二)ATP循環(huán)（ATP cycle)

ATP是生物界普遍使用的供能物質(zhì)，有“通用貨幣”之稱。ATP分子中含有兩個高能磷酸酐鍵（A-P~P~P)，均可以水解供能。ATP水解為ADP并供出能量之后，又可通過氧化磷酸化重新合成，從而形成ATP循環(huán)。

ATP循環(huán)。

（三)多磷酸核苷間的能量轉(zhuǎn)移

☆在生物體內(nèi)，除了可直接使用ATP供能外，還使用其他形式的高能磷酸鍵供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白質(zhì)的合成等。核苷單磷酸激酶和核苷二磷酸激酶的催化作用。

五、線粒體內(nèi)膜對代謝物的選擇性轉(zhuǎn)運

☆（一)線粒體外NADH的穿梭

胞液中的3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油或乳酸脫氫，均可產(chǎn)生NADH。這些NADH可經(jīng)穿梭系統(tǒng)而進入線粒體氧化磷酸化，產(chǎn)生H₂O和ATP。

1. 磷酸甘油穿梭系統(tǒng)

主要存在于腦和骨骼肌中。NADH通過此穿梭系統(tǒng)帶一對氫原子進入線粒體，由于經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈進行氧化磷酸化，故只能產(chǎn)生1.5分子ATP。

磷酸甘油穿梭系統(tǒng)。

2. 蘋果酸穿梭系統(tǒng)

主要存在于肝和心肌中。胞液中NADH+H⁺的一對氫原子經(jīng)此穿梭系統(tǒng)帶入一對氫原子，由于經(jīng)NADH氧化呼吸鏈進行氧化磷酸化，故可生成2.5分子ATP。

蘋果酸穿梭系統(tǒng)。

六、有機酸的脫羧作用生成二氧化碳

在生物體內(nèi)，CO₂是通過有機酸的脫羧作用生成的。按照羧基所連接的位置不同，可將有機酸的脫羧作用分為α-脫羧和β-脫羧。按照脫羧時是否伴有氧化作用，可將有機酸的脫羧作用分為單純脫羧和氧化脫羧。

1. α–單純脫羧：見于氨基酸的脫羧作用。

2. β–單純脫羧：見于草酰乙酸的脫羧作用。

3. α-氧化脫羧：見于丙酮酸的脫氫與脫羧作用。

4. β-氧化脫羧：見于蘋果酸的脫氫與脫羧作用。

第二節(jié) 其他氧化體系

一、需氧脫氫酶和氧化酶

只能以某些輔酶或輔基作為受氫體而不能以O(shè)₂作為直接受氫體的脫氫酶稱為不需氧脫氫酶。能以O(shè)₂作為直接受氫體的酶稱為需氧脫氫酶或氧化酶。氧化酶能直接利用O₂為受氫體，產(chǎn)物為H₂O；而需氧脫氫酶通常以FAD或FMN為輔基，但可催化底物脫氫并以氧為受氫體，產(chǎn)物為H₂O₂。

二、抗氧化酶體系清除反應(yīng)活性氧類

（一)過氧化氫酶（catalase)

過氧化氫酶又稱觸酶，其輔基為血紅素，可催化H₂O₂的分解反應(yīng)。

（二)過氧化物酶（perioxidase)

過氧化物酶也以血紅素為輔基，可催化H2O2直接氧化酚類或胺類化合物。

（三)超氧物歧化酶（superoxide dismutase，SOD)

呼吸鏈電子傳遞過程或體內(nèi)某些物質(zhì)(如黃嘌呤)氧化時，均可產(chǎn)生超氧離子。超氧離子的化學性質(zhì)非�；顫�，易引起磷脂分子中的不飽和脂肪酸氧化生成過氧化脂質(zhì)，造成生物膜的損傷。超氧物歧化酶可催化一分子超氧離子氧化生成O₂，而另一分子超氧離子還原生成H₂O₂。

在真核細胞中存在三種超氧物歧化酶同工酶：即細胞外Cu/Zn-SOD、胞液Cu/Zn-SOD和線粒體Mn-SOD。

三、微粒體氧化酶類催化加氧反應(yīng)

★（一)加單氧酶（monooxygenase)

加單氧酶，又稱為混合功能氧化酶（mixed-function oxidase)，催化氧分子中的一個氧原子加到底物分子上（羥化)，而另一個氧原子則被氫還原成水。此反應(yīng)過程需Cyt P₄₅₀參與。

混合功能氧化酶的催化機制。

（二)加雙氧酶（dioxigenase)

加雙氧酶催化氧分子中的兩個氧原子添加到底物中帶雙鍵的兩個碳原子上，引起碳鏈或碳環(huán)的斷裂，如色氨酸吡咯酶。

☆——重點

★——難點

1.0學時

動畫演示+總結(jié)

重點強調(diào)