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1、第八章 生物氧化 Biological Oxidation 物质在生物体内进行氧化称生物氧化 (biological oxidation)，主要指糖、脂肪、蛋白 质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成 CO2 和 H2O的过程。 概 述 糖 脂肪 蛋白质 H2O和CO2 O2 能量 ADP+Pi ATP 热能 糖原 甘油三酯蛋白质 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA 三羧酸循环三羧酸循环 2H 2H 呼吸链 HH 2 2 O O ADP+Pi ATP CO CO2 2 氧化磷酸化 生物氧化的一般过程 p 生物氧化与体外氧化之相同点： l生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、 失电子，遵循氧
2、化还原反应的一般规律。 l物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终 产物(CO2，H2O)和释放能量均相同。 p 生物氧化与体外氧化之不同点： 生物氧化 体外氧化 l反应环境温和，酶促反应 逐步进行，能量逐步释放 ，能量容易捕获，ATP生 成效率高。 l通过加水脱氢反应使物质 能间接获得氧，并增加脱 氢的机会；脱下的氢与氧 结合产生H2O，有机酸脱 羧产生CO2。 l能量突然释放。 l物质中的碳和氢 直接氧结合生成 CO2和和H2O 。 第一节 氧化呼吸链 p 氧化呼吸链的概念 递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e） 指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具 有电子传递功能的酶和辅酶，可将代谢
3、物脱下的 电子最终传递给氧生成水。这一系列酶和辅酶称 为氧化呼吸链又称电子传递链。 p 氧化呼吸链的组成 一、氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成 p 四种具有传递电子功能的酶复合体 p 两种分离存在的递氢（电子）体： 复合体 复合体 复合体 复合体 泛醌 和 细胞色素 c 复合体酶名称 质量 (kD) 多肽 链数 功能 辅基 含结合位点 复合体NADH-泛醌还原 酶 85042FMN，Fe-SNADH（基质侧） CoQ（脂质核心） 复合体琥珀酸-泛醌还原 酶 1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧） CoQ（脂质核心） 复合体泛醌-细胞色素c 还原酶 25011血红素bL, bH,
4、c1, Fe-S Cyt c（膜间隙侧） 复合体细胞色素c氧化酶 16213血红素a，a3， CuA, CuB Cyt c（膜间隙侧） l 泛醌和细胞色素c不包含在上述四种复合体中 。 表8-1 人线粒体呼吸链复合体 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧 基质侧 线粒体内膜 e- e- e- e- e- 氧化呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置 Cytc ox NADH+H+ NAD+ 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧 基质侧 线粒体内膜 QH2 Q 延胡索酸 琥珀酸 4H+ 4H+ 4H+ 4H+ Cytc ox Cytc red Cy
5、tc red 4H+ 4H+ 图8-1 电子传递链各复合体位置示意图 （一） 复合体将NADH+H+中的电子传递给泛醌 p复合体又称NADH-泛醌还原酶或NADH脱氢 酶，接受来自NADH+H+的电子并转移给泛醌 。 p复合体可催化两个同时进行的过程： 电子传递： NADHFMNFe-S CoQ 质子的泵出：复合体有质子泵功能，每传递2个电子 可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧。 图8-2 NAD（P）+的结构式 R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+ NAD+和NADP+ 所含维生素为尼克酰胺(烟酰胺) 图8-3 NAD（P）+的加氢和NAD（P）H的脱氢反应 此两种烟酰胺核苷酸都
6、能够可逆地加氢还原、脱 氢氧化, 故它们可作为递氢体而起作用。 FMN （醌型或氧化型） FMNH （半醌型） FMNH2 （氢醌型或还原型） 图8-4 FMN的加氢和FMNH2的脱氢反应 FMN结构中含核黄素(维生素B2)，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FMNH 。在可逆的氧化还原反应中显示3种分子 状态，属于单、双电子传递体。 铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和 硫原子，其中铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电 子，为单电子传递体。 图8-5 线粒体中铁硫中心Fe4S4结构 表示无机硫 S S S S 无机硫半胱氨酸硫 铁硫蛋白 泛醌是内
7、膜中可移动电子载体，在各复合体间 募集并穿梭传递还原当量和电子，在电子传递和质 子移动的偶联中起着核心作用 。 泛醌 （醌型或氧化型） 泛醌H （半醌型） 二氢泛醌 （氢醌型或还原型） 图8-6 泛醌的加氢和脱氢反应 p 复合体的功能 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2 还原型Fe-S 氧化型Fe-S Q QH2 （二）复合体将电子从琥珀酸传递到泛醌 p复合体是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又 称琥珀酸-泛醌还原酶。 p电子传递：琥珀酸FAD几种Fe-S CoQ p复合体没有H+泵的功能。 复合体的功能 （三）复合体将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c p复合体又叫泛醌-细胞色素C还原酶
8、。人复合 体含有细胞色素b(b562, b566)、细胞色素c1和 一种可移动的铁硫蛋白(Rieske protein)。 p泛醌从复合体、募集还原当量和电子并穿 梭传递到复合体。 p电子传递过程：CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc 细胞色素(cytochrome, Cyt) 细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶 类，根据它们吸收光谱不同而分类，为单电子传递体。 细胞色素a辅基细胞色素b辅基细胞色素c辅基 l复合体的电子传递通 过“Q循环”实现。 l复合体每传递2个电 子向内膜胞浆侧释放4 个H+，复合体也有 质子泵作用。 lCyt c是呼吸链唯一水
9、 溶性球状蛋白，不包含 在复合体中。将获得的 电子传递到复合体。 复合体的功能 p人复合体又称细胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase)。 p电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3 CuBO2 pCyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2 。复合体也有质子泵功能，每传递2个电子使2 个H+跨内膜向胞浆侧转移 。 （四）复合体将电子从细胞色素C传递给氧 复 合 体 的 电 子 传 递 过 程 细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水的 过程，有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合， 不会引起细胞损伤。 二、NADH和FADH2是氧化呼吸链的电子供
10、体 1、NADH氧化呼吸链 NADH 复合体CoQ 复合体Cyt c 复合体O2 2、琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 CoQ 复合体Cyt c 复合体O2 根据电子供体及其传递过程，目前认为，氧化 呼吸链有两条途径： NADH FMN (Fe-S) 琥珀酸 FAD (Fe-S) CoQCyt bCyt c1 Cyt cCyt aa3O2 NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链 由以下实验确定 标准氧化还原电位 （低高） 拆开和重组 特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧 氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列 呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位 氧化还原对E0(V)氧化还原对
11、E0(V) NAD+ /NADN+H+0.32Cyt c1 Fe3+ /Fe2+0.22 FMN /FMNH20.219Cyt c Fe3+ /Fe2+0.254 FAD /FADH20.219Cyt a Fe3+ /Fe2+0.29 Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+ 0.05(0.10 ) Cyt a3 Fe3+ /Fe2+0.35 Q10 /Q10H20.061/2O2 /H2O0.816 E0为负值易失去电子，为正值易得到电子。 第二节 氧化磷酸化 p ATP的生成方式 l 底物水平磷酸化 1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 ADP ATP 磷酸甘油酸
12、激酶 ADP ATP 丙酮酸激酶 琥珀酰CoA 琥珀酸 GDP GTP 琥珀酰CoA合成酶 p ATP的生成方式 代谢物脱下的氢经电子传递链传递给氧时释放的 能量使ADP磷酸化生成ATP 的过程，称为氧化磷酸化 或电子传递水平磷酸化。（生成ATP的主要方式） l 氧化磷酸化 AH2 A 脱氢酶 2H NADH+H+ 或FADH2 NAD+ 或FAD 电子 传递链 1/2O2 H2O 释放能量 ADP+Pi ATP ATP合酶 氧化过程 磷酸化过程 氧化磷酸化 一、氧化磷酸化偶联部位在复合体、内 （一）P/O 比值 指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生 成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧
13、化呼吸链传 递给氧所生成ATP分子数） l根据P/O比值 l自由能变化: G=-nFE 氧化磷酸化偶联部位：复合体、 线 粒 体 离 体 实 验 测 得 的 一 些 底 物 的P/O比 值 底物呼吸链的组成 P/O比值 可能生成的ATP数 - 羟丁酸 NAD+复合体CoQ 复合体2.5 2.5 Cyt c复合体O2 琥珀酸复合体CoQ 复合体 1.5 1.5 Cyt c复合体O2 抗坏血酸 Cyt c复合体O20.88 1 细胞色素c (Fe 2+ ) 复合体O20.61- 0.68 1 （二）自由能变化 n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/molV) G0 = -nFE0 电子传递
14、链自由能变化 ATP ATP AT P 氧化磷酸化偶联部位 NADH FMN (Fe-S) 琥珀酸 FAD (Fe-S) CoQCyt bCyt cCyt c Cyt aa3O2 二、氧化磷酸化偶联机制 p 化学渗透假说简单示意图 线粒体基质 线粒体膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+ e- ADP + Pi ATP 胞浆 化 学 渗 透 假 说 胞液侧线粒体内膜基质侧 F 0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 4H+ 2H+ 4H+ 胞液侧 基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - -
