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1、生物氧化,电子传递和氧化磷酸化作用,目录,一、生物氧化概述 二、呼吸链 三、线粒体和氧化磷酸化作用,生物氧化概述,糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biological oxidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程 生物氧化的主要生理意义是为生物体提供能量,生物氧化的特点,生物氧化在活细胞中进行，中性pH，体温、水环境等 一系列酶和电子传递体条件下逐步进行的，逐步氧化释放能量，总和与体外相同 释放的能量一般都先储存于特殊的高能化合物ATP 真核细胞，生物氧化多在线粒体内进行，在不含线粒体的原
2、核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行,生物氧化的特点,相同点,（1）物质氧化方式：加氧、脱氢、失电子 （2）物质氧化时消耗的氧量、得到的产物和能量相同。,生物氧化的特点,不同点,体内氧化 体外氧化,（1）反应条件： 温和 剧烈 （2）反应过程： 分步反应 一步反应 能量逐步释放 能量突然释放 （3）产物生成： 间接生成 直接生成 （4）能量形式： 热能、ATP 热能、光能,生物氧化的过程,生物氧化包括三个阶段： 糖、脂肪、蛋白质转变为葡萄糖、甘油、脂肪酸和氨基酸 生成乙酰CoA 三羧酸循环和氧化磷酸化,脂肪,葡萄糖、其它单糖,三羧酸循环,电子传递（氧化）,蛋白质,脂肪酸、甘油,多糖,氨基酸,乙酰C
3、oA,e-,磷酸化,+Pi,小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中间产物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。,大分子降解成基本结构单位,生物氧化的三个阶段,生物氧化的过程,生物氧化过程中CO2的生成,方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。 类型：-脱羧和-脱羧 氧化脱羧和单纯脱羧,生物氧化过程中H2O的生成,代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O
4、。,例：,12 O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O=,2H+,呼吸链,呼吸链 呼吸链成员 呼吸链中的自由能 电子传递的抑制剂,呼吸链,呼吸链又叫电子传递体系或电子传递链（eclctron transfer chain），它是代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧原子，而生成水的全部体系，因为其功能和呼吸作用直接相关，故称为呼吸链 在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上，原核生物中，它位于细胞膜上,呼吸链,在生物细胞中，接受代谢物上脱下的氢(或电子)的载体有三种 NAD+、NADP+ 和 FAD 其中NADPH不进入呼吸链合成ATP，而是作为生物合成
5、的还原剂；只有NADH和FADH2进入呼吸链,NADH呼吸链电子传递和水的生成,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,细胞色素 b- c1- c -aa3,2H+,FADH2呼吸链电子传递和水的生成,2e,呼吸链,所以呼吸链有两条： 上述标准自由能G显示，两条呼吸链都有大量自由能的释放。,呼吸链的组成,复合体：NADH一泛醌还原酶：该复合体将电子从NADH经FMN及铁硫蛋白传给泛醌。 复合体：琥珀酸一泛醌还原酶：该复合体将电子从琥珀酸经 FAD及铁硫蛋白传递给泛醌。 复合体：泛醌一细胞色素C还原酶：该复合体将电子从泛醌经Cyt
6、 b、Cyt c1传给Cyt c。 复合体：细胞色素C氧化酶：该复合体将电子从Cyt c经Cyt aa3传递给氧。,电子载体及其顺序,NADH氧化呼吸链: 主要的呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）,呼吸链的组成,四个蛋白复合体：复合体I IV 两个可灵活移动的成分：泛醌（Q）和细胞色素C,电子载体及其顺序,呼吸链的组成,1. 黄素蛋白酶类 （flavoproteins, FP） 2. 铁-硫蛋白类 （ironsulfur proteins) 3. 辅酶 （ubiquinone,亦写作CoQ） 4. 细胞色素类 （cytochromes）,NADH,辅酶Q（CoQ）,Fe-S,Cy
7、t c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀酸等,黄素蛋白FAD,黄素蛋白FMN,细胞色素类,铁硫蛋白Fe-S,铁硫蛋白Fe-S,复合体I / 复合体II / 复合体III&IV,NADH呼吸链,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FAD,Fe-S,琥珀酸等,复合物 II,复合物 IV,复合体 I,复合物 III,NADH脱氢酶,细胞色素还原酶,细胞色素氧化酶,琥珀酸-辅酶Q还原酶,FADH2呼吸链,两条主要呼吸链,NADH-泛醌还原酶,简写为NADHQ还原酶, 即复合物I，它的作用是催化NADH的氧化脱氢以
8、及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。 NADHQ还原酶最少含有16个多肽亚基。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。 FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。,NADH-泛醌还原酶,反应： NADH + H+ + FMN FMNH2 + NAD+,NADH-泛醌还原酶,FMN结构中含核黄素,发挥功能的部位是异咯嗪环,氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN FMN结构特点： R磷酸根,NADH-泛醌还原酶,FMN既可接受两个电子形成FMNH2，又可接受一个电子，或由FMNH2给出一个电子形成稳定的半醌中间产物。,NA
9、DH-泛醌还原酶,FMNH2 上的电子又转移到铁硫聚簇（Fe-S）上 铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+ Fe2+ 变化起传递电子的作用。,NADH-泛醌还原酶,铁-硫聚簇的三种不同类型：,NADH-泛醌还原酶,NADHQ还原酶催化的反应,NADH-泛醌还原酶,辅酶Q,又称泛醌，（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ） 辅酶Q是醌的衍生物，有一个长的类异戊二烯的尾（n个） n的数目因物种而异。哺
10、乳动物n为10，即有10个异戊二烯单位，其符号为Ql0 。由于含有长的脂肪族侧链，有利于在线粒体内膜扩散。Q是很活跃的电子载体,接受电子后还原为QH2,辅酶Q,CoQ的结构式：,Q还原为QH2中间经过半醌中间物,琥珀酸-Q还原酶,又称复合体II 琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。 琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅基FAD还原为FADH2，然后FADH2又将电子传递给Fe-S聚簇。 最后电子由Fe-S聚簇传递给琥珀酸-Q还原酶的辅酶CoQ。,复合体II的结构,细胞色素还原酶,又称复合体III，泛醌细胞色素c还原酶等，简写为QH2-cyt. c还原酶，
11、它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（cyt. c）的还原。 QH2-cyt. c还原酶由9个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素b和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。 QH2 +2cyt. c(Fe3+) Q+2cyt. c (Fe2+) +2H+,QH2-cyt. C 还原酶,细胞色素还原酶,电子从QH2细胞色素c复合体的传递,复合体III的结构,细胞色素c,细胞色素：（简写为cyt. ）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a, b, c
12、和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素a, b, c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。 细胞色素主要是通过Fe3+ Fe2+ 的互变起传递电子的作用的。,细胞色素c,细胞色素c是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，cyt. c通过Fe3+ Fe2+的互变起电子传递中间体作用。,细胞色素c,细胞色素c的结构：,细胞色素氧化酶,又称细胞色素c氧化酶，复合物IV 简写为cyt. c 氧化酶，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。活性部分
13、主要包括cyt. a和a3。,细胞色素氧化酶,cyt.a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt.a a3可以直接以O2为电子受体。,在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+ Cu2+ 的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。,细胞色素氧化酶,电子从细胞色素C传递给氧分子,复合体IV的结构,自由能变化,计算公式： G =- n F E G：标准自由能变化 n：传递的电子数 F：法拉第常数（96.5KJ/mol） E ：标准氧还电位变化,如：NADH到Q E 0.36 V 计算得到： G 69.5 KJ/mol,各种氧化还原对的标准氧化还原电位,呼吸链传递时自由能的
14、下降,根据热力学测定，从NADH到低能量的NADHQ还原酶的FeS中心时，电子传递产生自由能(G)为-50.24 kJ/mol；电子从细胞色素bC1，G为-41.87kJ/mol；在细胞色索C氧化酶复合体中从细胞色素a到O2，G为 -100.48kJ/mol。 这些氧化还原反应都放出足够的能量，可以在标准状况下推动ATP的合成(G-30.56kJ/mol)。其它电子传递反应，即在辅酶Q和细胞色素c之间其G值太小，不足以支持ATP的生成。,呼吸链传递时自由能的下降,NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化,总反应: NADH+H+1/2O2NAD+H2O G=-nFE =-296.50.82-(-
15、0.32) =-220.07千焦mol-1,电子传递的抑制剂,抑制剂鱼滕酮等可以抑制NADH电子传递给辅酶Q，因此部位I不生成ATP，但不抑制FADH2的电子传递，因此FADH2呼吸链仍能获得ATP。 抗霉素A抑制细胞色素b电子传给c1，因此部位形成不了ATP。 氰化物(CN-)、叠氮(N3-)化物和一氧化碳抑制细胞色素氧化酶电子传递给氧，所以部位不产生ATP。,电子传递 抑制剂,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,抗霉素 A的抑制部位,NAD
16、 FP Q b c aa3,NAD FP Q b c aa3,呼吸链的比拟图解,线粒体和氧化磷酸化作用,线粒体 氧化磷酸化的概念 磷氧比概念和ATP合成机制 氧化磷酸化的解偶联和抑制 细胞溶液内NADH的再氧化 氧化磷酸化调控和ATP结算 其它氧化系统 (自学),线粒体,1948年由Eugene Kennedy和Albert Lehninger发现在真核细胞中线粒体是氧化磷酸化的部位，从而开辟了生物能传递研究的新纪元。,Mitochondrion ( ),线粒体,氧化磷酸化作用,概念: 代谢物氧化脱氢经呼吸链传递给氧生成水，同时伴有ADP磷酸化生成ATP的过程。由于代谢物的氧化反应与ADP磷酸化反应偶联
