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1、生生 物物 氧氧 化化有机物质在生物体内的氧化作用。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作 用。在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧 化成CO2和水，并释放出能量。生物氧化与非生物氧化反应的比生物氧化与非生物氧化反应的比 较较 共同点：反应的本质都是脱氢、失电子或加氧；被氧化的物质相同，终产物和释放的能量也相同 。 主要差别：生物氧化的主要方式为脱氢；生物氧化在酶的催化下进行，因此条件比较温和；生物氧化是在一系列酶、辅酶（辅基）和电子传递 体的作用下逐步进行的，每一步释放一部分能量。氧化还原反应H H2O、ATP？参与生物氧化主要的参与生物氧化主要的酶酶l 氧化酶（Oxidases） l
2、脱氢酶（Dehydrogenases）最普遍 l 过氧化物酶（Peroxidases） l 加氧酶（Oxygenase ）呼呼 吸吸 链链 (Respiratory Chain)l 定义生物氧化过程中从代谢物脱下来的氢和电子 需要经过一系列中间传递体，最后才与氧气形成水， 在其间能量逐步释放。这种由一系列传递体构成的链 状复合体称为电子传递体系或简称为呼吸链。 呼吸链的三种类型呼吸链的三种类型 原核细胞的细胞膜和真核细胞的线粒体内 膜，通过氧化磷酸化产生ATP：NADH呼吸链、 FADH2呼吸链 真核细胞内质网，参与某些代谢物的合成 或降解，不产生ATP：细胞色素P450呼吸链呼吸链的组分 N
3、AD+及与NAD+偶联的脱氢酶 黄素及与黄素偶联的脱氢酶 辅酶Q：流动的电子传递体 铁硫蛋白 细胞色素：流动的电子传递体 氧气NAD+及与NAD+偶联的脱氢酶电子传递部位：NADH、NADPH黄素及与黄素偶联的脱氢酶电子传递部位：FMN、FADCoQ（泛醌,UQ）脂溶性，在线粒体内膜上具有高 度流动性，含量高。铁硫蛋白Fe3+ + e Fe2+ 非血红素铁三类铁硫蛋白细胞色素类Cyt是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质 Fe3+ + e Fe2+ Cytb Cytc1CytcCytaCyta3O2 Fe-S血红素铁细胞色素C氧化酶CuA中心 细胞色素氧化酶a3-CuB中心 Fe ()Fe ()CuCu
4、B2+CuCuB2+CuCuB+CuCuB+HO-YHO-Y(Tyrosine 244)HO-YHO-YHO-YHO-YHO-YOO2Fe (III)Fe (IV)Fe (IV)Fe (IV)Fe (III)+Fe (III)+Fe (III)e -e -H+H2OH+CuCuB+OHOH CuCuB+CuCuB2+O-YO=OO=OOHOH OHOH OO OO OO O-OO-OOHOH CuCuB+H+H2Oe -H+, e e-细胞色素C氧化酶a3-CuB中心使O2还原生成H2O的过程 目 录几种细细胞色素的性质质比较较细胞色素血红素线粒体内膜上的定位辅基与蛋白质的连接方 式 aa3a
5、跨膜蛋白非共价键bb跨膜蛋白非共价键cc水溶性的外周蛋白 （膜间隙一侧）共价键c1c跨膜蛋白共价键复合体l 分子氧电子的最终受体如何确定呼吸链各组分的排列 顺序 测定各成分的标准氧化还原电位（E0） 根据在有氧环境下氧化反应达到平衡时各电子传递体的 还原程度来确定 使用特异性呼吸链抑制剂和人工电子受体 呼吸链的拆分和重组 l呼吸链各组分的标准氧化还原电位l在有氧条件下，线粒体中TCA循环反应达到平衡时，呼吸链中 各组分的还原程度电子传递体辅酶I黄素蛋白细胞色素b细胞色素c细胞色素aa3还原程度(%)53201661l几种呼吸链抑制剂的作用位点安米妥几种呼吸链链抑制剂剂的化学结结构l呼吸链的拆分
6、和重组 4个复合物、CoQ、Cytc呼吸链链上各电电子传递传递 体的排列顺顺序各传递体的位置专一，不可逆复合体复合体I I、IIII、IIIIII和和IVIV的结构和性质的结构和性质复 合 体别名大小 （106）多肽 链的 数目辅酶或辅基是非 产生 质子抑制剂在内膜 上的相 对比 率 INADH-CoQ还原 酶或NADH脱氢 酶0.70.930FMN、铁硫 蛋白是鱼藤酮、安 米妥、杀粉菌 素1II琥珀酸-CoQ还原 酶0.1445FAD、铁硫蛋 白、血红素b非萎锈灵 (carboxin)2IIICoQ-细胞色素c还 原酶0.2511血红素b、血 红素c、铁硫 蛋白是抗霉素A3IV细胞色素c氧化
7、酶0.16 0.1713Cu、血红素a是CO、H2S、 CN、叠氮化 物67复合体I：NADH- CoQ还原酶lNADH脱氢酶是主要成分lNADH FMN Fe-S CoQl4个质子泵入线粒体膜间隙复合物II：琥珀酸-CoQ氧化还原酶l琥珀酸脱氢酶是主要成分l琥珀酸 FAD Fe-S蛋白 Cytb CoQl无质子泵出复合体III： CoQ- 细胞色素c 还原酶lCoQ Cytb Fe-S蛋白 Cytc1 Cytcl4个质子泵出复合体 IV:细胞色素c氧化酶lCytc CuA Cyta CuB-a3 O2l2个质子泵出NADHNADH呼吸链呼吸链FADHFADH2 2呼吸链呼吸链氧化磷酸化 呼吸
8、链的主要功能是产生能量货币ATP。当电子 沿着呼吸链向下游传递的时候总伴随着自由能的 释放，释放的自由能有很大一部分用来驱动ATP 的合成，这种与电子传递偶联在一起的合成ATP 方式（ADP被磷酸化）被称为氧化磷酸化。氧化磷酸化的偶联联机制化学偶联假说 构象偶联假说 化学渗透学说该学说由Peter Mitchell于1961年提出，其核 心内容是电子在沿着呼吸链向下游传递的时候 ，释放的自由能转化为跨线粒体内膜（或跨细 菌质膜）的质子梯度，质子梯度中蕴藏的电化 学势能直接用来驱动ATP的合成。驱动ATP合 成的质子梯度通常被称为质子驱动力（pmf） ，它由化学势能（质子的浓度差）和电势能（ 内
9、负外正）两部分组成。化学渗透学说图解支持化学渗透学说的主要的 证据 （1）氧化磷酸化的进行需要完整的线粒体内膜的存 在。 （2）使用精确的pH计可以检测到跨线粒体内膜的质 子梯度存在。据测定，一个呼吸活跃的线粒体的 膜间隙的pH要比其基质的pH低0.75个单位。 （3）破坏质子驱动力的化学试剂能够抑制ATP的合 成。 （4）从线粒体内膜纯化得到一种酶能够直接利用质 子梯度合成ATP，此酶称为F1F0-ATP合酶。 （5）人工建立的跨线粒体内膜的质子梯度也可驱动 ATP的合成 通过过改变变离体线线粒体的悬悬液的pH而 建立的pH梯度可以驱动驱动 ATP合成由细细菌视视紫红质创红质创 造的 质质子
10、梯度可被牛F1F0- ATP合酶用于合成ATP质子梯度的产生机制：质子梯度的产生机制：Q Q循环循环F F1 1/F/F0 0ATP ATP合合酶酶的的结结结结构和功能构和功能质质子通过这过这 种蛋白质质的扩扩散驱动驱动 ATP合成和释释放 两个部分: F1和F0 （后者因为为受寡霉素的抑制而得名 ） F1 催化单单元由5种亚亚基组组成a a3 3b b3 3gdegde.Fo 膜整合单单元质质子通道abab2 2c c1010 F1F0: 各具有一个催化中心 ：贯穿复合体，并与F0接触 ：与F0的两个b亚基形成固定复合体的结构 ：帮助与F0结合结合变化学说1977年Paul D. Boyer
11、提出的结合变化学说能正确地解释F1F0-ATP合酶 的作用机理。其主要内容是： （1）活性中心ATP的合成并不需要质子驱动 力，与活性中心结合的ATP 或ADP处于平衡。 （2）如果没有质子流过F0，与活性中心结合的ATP就不会与酶解离。 （3）3个亚基与亚基的不同表面结合，于是不同的亚基采取不同的构 象。 （4）在某一时刻，1个亚基为T态，1个亚基为L态，1个亚基为O态 。 （5）处于T态的亚基紧密结合1分子ATP，ATP与ADPPi处于平衡， 但ATP并不能与它解离；处于L态的亚基结合有ADP和Pi，但并不能 释放核苷酸；处于O态的亚基能够释 放结合的ATP。 （6）三种状态的亚基可以相互
12、转变 ，转变 由亚基的转动 所驱动 。 （7）亚基转动 的动力来自质子通过F0的流动。结合变化学说可简化为：质子流动驱动 C单位转动 带动 亚基转 动诱导 亚基构象变化ATP释放和重新合成。质子通过F0通道回到基质的模型aL：loose conformation ADP、Pi与酶结合疏松 T：tight conformation ADP、Pi与酶结合紧密，合成ATP O：open conformation ATP与酶亲和力低，释放质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动亚 基旋转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起 亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将 ADP
13、和Pi加合在一起，形成ATP。同位素（18O）交换实验换实验F1F0-ATP合酶催化的反应应的历历程日本科学家的亚基的旋转实验 来自日本的一个研究小组使 用基团工程将F1F0-ATP合酶 的亚基和亚基上添加组氨 酸残基标签，然后将改造过 的酶与预先喷涂金属Ni复合 物的载玻片保温一定时间。 经过这样的处理，F1F0-ATP 合酶将通过它的组氨酸标签 与金属Ni复合物之间的相互 作用而锚定在载玻片上。随 后借助于生物素与抗生物素 蛋白之间的亲和力，将荧光 标记的肌动蛋白丝固定在 亚基的头部。这时加入ATP ，在显微镜下可以直接观测 到肌动蛋白丝沿着逆时针方 向有规律地转动 亚基的旋转轨迹 氧化磷
14、酸化的解偶联氧化磷酸化的解偶联l 氧化磷酸化与呼吸链通常紧密偶联，但是，低水平的质 子泄漏时刻发生在线粒体内膜上，因此，确切地说，线 粒体通常是部分解偶联的。 l 解偶联一般是受解偶联剂作用所致。 l 解偶联剂的作用机制在于它们能够快速地消耗跨膜的质 子梯度，使得质子难以通过F1F0-ATP合酶上的质子通道 来合成ATP，从而将贮存在质子梯度之中的电化学势能 转变成热。此外，随着质子梯度的消失，电子在呼吸链 上“回流”压力将会减轻，进而导致细胞内脂肪等物质的 生物氧化更加旺盛。 l 有两类解偶联剂，一类为有机小分子化合物，通常为脂 溶性的质子载体，带有酸性基团；另一类为天然的解偶 联蛋白（UC
15、P） 。三种解偶联剂的化学结构 DNP解偶联的化学机制 解偶联蛋白l至少已发现五种类型的UCPUCP1UCP5。l原理：在线粒体内膜上形成质子通道。l UCP1 又名产热素，它主要存在于动物的褐色脂 肪组织，与机体的非颤抖性产热有关。机体对寒 冷做出的反应是交感神经末梢释放去甲肾上腺素 ，去甲肾上腺素激活褐色脂肪组织中的脂肪酶， 脂肪酶水解脂肪，释放出游离的脂肪酸。游离脂 肪酸不仅作为代谢燃料经氧化产生ATP和质子梯 度，还能与CoQH2和嘌呤核苷酸一起直接激活产 热素。一旦产热素被激活，则使F1F0-ATP合酶发 生“短路”生热。lUCP2存在于多数细胞，UCP3 主要存在于骨骼肌 ，UCP
16、4 和UCP5存在于脑。它们都是受到高度调 控的蛋白质，一旦激活，都能增加热量的产出。 由于它们影响到代谢效率，其含量的差异（特别 是骨骼肌中的UCP3）可能是某些个体或人群肥胖 的原因。产热素的作用图解ATP-ADP ATP-ADP 转转转转位位酶酶 ATP必须运输出线粒体 l ATP 离开, ADP进入线粒体- 通过一种“转位酶“ l ATP离开是有利的，因为细胞液比基质要 “+“ l 然而ATP出去和ADP进入有1个负电荷的净转移相 当于有1个质子进入基质。 l 所以每1个ATP的输出消耗1个H+ l 1个ATP合成大概需要消耗3 H+ l 于是，合成及加上输出 1 ATP = 4H+ 1NADH 2.5ATP 1FADH2 1.
