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1、第八章,生物氧化与氧化磷酸化,Biological oxidation and oxidative phosphorylation,第一节 生物氧化反应及氧化还原酶基本类型 Reactions and Oxidative-Reductive Enzymes in Biological Oxidation,一、体内进行的氧化还原反应就是生物氧化,泛指在生物体内发生的任何氧化还原反应，也包括营养物和生物分子在生物体（细胞）内进行的氧化还原作用。营养物和生物分子经历氧化还原反应被彻底分解，产生H2O、CO2，并伴有ATP的生成，或转化为其它分子, 此过程需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称细
2、胞呼吸(cellular respiration)。,* 生物氧化（biological oxidation）,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,* 生物氧化的一般过程,* 生物氧化特点：生物分子在体内的反应条件温和，逐步反应，逐步释能，常伴有分解释能反应与需能反应偶联，或能量形式的转换。,氧化还原酶类促进的氧化反应，包括失电子、脱氢和加氧不同反应方式，参与产生能量或催化物质代谢变化。 加水脱氢是重要的脱氢反应，酶催化向底物加入水分子同时脱去一对氢，相当于底物加入一个氧原子。,* 生物体内的氧化还原反应类型,二、很多氧化酶直接以氧为受氢/电子体,氧化酶类是一大类酶的统称，
3、泛指催化涉及氧分子（O2）的反应。 分为4组： 氧化酶（oxidases） 需氧脱氢酶 (aerobic dehydrogenases) 加氧酶 (oxygenases) 氢过氧化物酶（hydroperoxidases） 特点：分别存在于不同亚细胞结构中，多数催化物质转化，与ATP的生成无关。,（一）某些氧化酶辅基含铜或铁卟啉 催化的反应可以O2为直接受氢体，产物为H2O。其辅基主要成分是Cu2+或铁卟啉，主要存在于线粒体。如细胞色素C氧化酶、抗坏血酸氧化酶。 （二）需氧脱氢酶直接还原氧生成过氧化氢 属于黄素酶(flavoenzyme)，辅基成分为FAD或FMN，如醛脱氢酶、黄嘌呤氧化酶、L-
4、氨基酸氧化酶等。它们催化的反应以O2为直接受氢体，产物为H2 O2。黄嘌呤氧化酶(xanthine oxidase)辅基还含有钼（Mo）和铁-硫蛋白。,各种加氧酶以及氢过氧化物酶包括过氧化氢酶(catalase)、过氧化物酶(peroxidase)主要存在于微粒体，参与某些代谢物、药物、毒物的转化或清除。,（三）直接涉及氧反应的酶还有加氧酶和过氧化酶,三、不需氧脱氢酶不能直接以氧为受氢体,不需氧脱氢酶（anaerobic dehydrogenases）： 指能催化底物脱氢而又不以氧为直接受氢体的酶。此类酶不是将氢（H+ + e-）直接传递给O2，而是使H活化并由辅酶或辅基接受，产生还原型辅酶或
5、辅基。 主要功能： （1）作为呼吸链/电子传递链中氢或电子载体，间接将氢或电子传递给O2，生成H2O，与产生ATP相关。（2）催化不涉及呼吸链/电子传递链偶联的氧化还原反应，促进代谢物之间氢的交换。（3）通过催化可逆的反应促进还原当量在细胞内的自由运转或穿梭。,NAD+和NADP+的结构,R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+,（一）很多不需氧脱氢酶以尼克酰胺腺嘌呤核苷酸为受氢体,NAD+（NADP+）的加氢和脱氢反应,氧化还原反应的变化发生在五价氮和三价氮之间。,（二）某些不需氧脱氢酶以黄素核苷酸为受氢体,琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶、NADH-Q氧化还原酶和琥珀酸-Q还原酶等分
6、别以黄素单核苷酸（flavin mononucleotide，FMN）、黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD为辅酶。,FMN的加氢和脱氢反应,FMN结构中含核黄素，功能部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN 。,FAD,（三）某些氧化还原酶以血红素为电子载体,Q-细胞色素c氧化还原酶以血红素bH、bL及c1为辅基，传递电子。,血红素 b,血红素 C,第二节 线粒体氧化体系与氧化磷酸化Mitochondrial oxidative system and oxidative phosphorylation,真核细胞ATP的生成主要发生在线
7、粒体中。营养物质经脱氢酶催化脱下的成对氢原子（NADH+H+，FADH2），再通过位于线粒体内膜上多种酶和辅酶催化的氧化还原连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水。氧化反应逐步释放的能量可同时驱动质子跨膜转移到内膜外侧，形成跨线粒体内膜的质子梯度，该梯度势能再促进ATP的生成。 营养物氧化、电子传递、质子泵流和ATP合成等过程结合偶联成一个整体, 高效完成线粒体的呼吸作用。,呼吸链的定义 在线粒体内膜中，由一系列具有氢和/或电子传递功能的酶复合体按一定顺序排列，组成的氧化还原体系称为呼吸链（respiratory chain）。因为传递氢相当于传递质子和电子（2H 2H+ + 2e-），所以呼吸
8、链又称电子传递链(electron transport chain)。 组成 电子传递体,一、呼吸链就是由电子传递体组成的氧化还原体系,（一） 电子传递体是酶复合体的辅酶或辅基,电子传递体：就是组成呼吸链的几种酶复合体的辅酶或辅基，有的直接传递氢，有的传递电子。由于辅酶/辅基分子不同，受不同蛋白质内部环境影响不同，电子传递体具有不同的氧化还原电位（redox potential），决定了它们在呼吸链中的排列次序。,某些电子传递体直接传递氢 包括NAD+、FMN、FAD和泛醌。,2. 铁硫蛋白和细胞色素传递电子 Fe2+ Fe3+ + e-,泛醌（Coenzyme Q , CoQ, Q）由多个异
9、戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。,泛醌的加氢和脱氢反应,铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+ Fe3+e- 反应传递电子。属于单电子传递体。, 表示无机硫,铁硫蛋白 (iron-sulfur protein ),细 胞 色 素（Cytochrome，Cyt）,细胞色素是一类以血红素（heme）为辅基的电子传递蛋白，根据它们吸收光谱不同而分类。,各种还原型细胞色素的主要光吸收峰,（二）复合体、和在电子传递中有质子泵作用,采用胆酸、脱氧胆酸处理线粒体内膜，经硫酸铵分级分离，可纯化出呼吸链成分，得
10、到4种酶复合体（complex）。 复合体、和完全镶嵌在线粒体内膜中，在参与电子传递过程，同时驱动产生跨线粒体内膜的质子梯度。 复合体镶嵌在内膜的内侧，只参与电子传递。,人线粒体呼吸链酶复合体,注细胞色素c不参与酶复合体组成，而是作为可溶性蛋白在复合体和之间自由移动。,1. 复合体将NADH+H+中的两个质子/电子传递给泛醌（ubiquinone）,复合体又称NADH-泛醌还原酶 复合体电子传递：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体有质子泵功能,NADH FMN N1a （N3, N1b, N4）N2 QP-N Q,（Fe2
11、S2） （Fe4S4）（Fe2S2） （Fe4S4）（Fe4S4）,目前推测复合体中电子传递顺序如下：,复合体的功能,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, 4个亚基组成，以FAD、Fe-S和血红素b（heme b566）为辅基 电子传递：琥珀酸FAD几种Fe-S CoQ 复合体没有H+泵的功能,2. 复合体将质子/电子从琥珀酸传递到泛醌。,3. 复合体将电子从泛醌传递给细胞色素c,泛醌-细胞色素C 还原酶同二聚体结构,复合体又叫泛醌-细胞色素C还原酶，细胞色素b-c1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 pro
12、tein) 泛醌从复合体、募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体 电子传递过程：CoQH2(Cyt bHCyt bL) Fe-S Cytc1Cytc,复合体的电子传递通过“Q循环”实现。 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。 Cyt c是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体。,4. 复合体将电子从细胞色素c传递给氧,复合体又称细胞色素c氧化酶(cytochrome c oxidase) 电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2 Cyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜
13、向胞浆侧转移,细胞色素C氧化酶CuA中心,细胞色素氧化酶a3-CuB中心,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。,（三）体内有两条重要的呼吸链,呼吸链组分的顺序是根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位（E0）、由低到高排列的，即电子总是从低电位组分向高电位组分传递 。,标准氧化还原电位 拆开和重组 特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧,由以下实验确定,呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位,1. NADH氧化呼吸链 NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 2. 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀
14、酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2,氧化呼吸链可分为两条途径:,NADH氧化呼吸链,FADH2氧化呼吸链,电子传递链中酶复合体电子传递示意图,二、呼吸链释能与ADP磷酸化生成ATP的过程偶联进行,* 定义 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。,底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。,（一）复合体、和是氧化磷酸化偶联部位,1. 根据P/O比值推测氧化磷酸化偶联部位,2
15、.根据电子传递时自由能变化确定偶联部位,G=-nFE,电子传递链自由能变化,氧化磷酸化偶联部位,（二）氧化磷酸化偶联的机制是跨线粒体内膜质子梯度偶联ATP生成,化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，驱动质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，从而产生膜内外质子电化学梯度储存能量,当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。,1. 呼吸链氧化驱动产生跨线粒体内膜的质子梯度,氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜； 线粒体内膜对H+、OH、K、Cl离子是不通透的； 电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度； 增加线粒体内
16、膜外侧酸性可导致ATP合成，而线粒体内膜加入使质子通过物质可减少内膜质子梯度，结果电子虽可以传递，但ATP生成减少。,化学渗透假说已经得到广泛的实验支持,化学渗透假说简单示意图,胞液侧,基质侧,电子传递过程复合体 (4H+) 、 (4 H+)和 (2H+)有质子泵功能,化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响,F1：亲水部分 （动物：33亚基复合体 ，OSCP、IF1 亚基），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。 F0：疏水部分（ab2c912亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道 。,ATP合酶结构组成,2. ATP合酶利用质子顺梯度回流释能合成ATP,质子通过ATP合酶Fo顺浓度梯度回流使F1亚基旋转,ATP合酶 Fo中a亚基和c亚基结构示意,通过C环的旋转，质子从内膜胞浆侧进入胞浆半通道，通过基质半通道释放进入线粒体基质。,c环与 亚基紧密相连，当 c环旋转时会带动 亚基旋转。,当H+顺浓度递度经Fo中a亚基和c亚基之间回流时，亚基发生旋转，3个亚基的构象发生改变。,ATP合酶的工作机制,
