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1、11第六章 生物氧化 吉林大学基础医学院吉林大学基础医学院生物化学教研室生物化学教研室张桂荣张桂荣Biological Oxidation物物质质在在生生物物体体内内进进行行氧氧化化称称生生物物氧氧化化(biological oxidation)，主主要要指指糖糖、脂脂肪肪、蛋蛋白白质质等等在在体体内内分分解解时逐步释放能量，最终生成时逐步释放能量，最终生成CO2 和和 H2O的过程。的过程。糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能生物氧化的概念生物氧化的概念 糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨
2、基酸 乙酰乙酰CoA TAC TAC 2H 2H 呼呼吸吸链链 H H2 2O O ADP+Pi ATP COCO2 2 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程14生物条件生物条件51. 呼吸链呼吸链 (respiratory chain)2. 递氢体递氢体3. 电子传递体电子传递体（电子传递链电子传递链 Electron Transport Chain）传递氢的酶或辅酶传递氢的酶或辅酶递氢体同时有传递递氢体同时有传递电子的作用电子的作用传递电子的酶或辅酶传递电子的酶或辅酶第一节第一节氧化呼吸链是具有电子传递功能的复合体氧化呼吸链是具有电子传递功能的复合体一、氧化呼吸链由一、氧化呼吸链由4种具有
3、传递电子能力的复合体组成种具有传递电子能力的复合体组成6呼吸链的组成呼吸链的组成复合体复合体 酶名称酶名称重要酶蛋白重要酶蛋白辅基辅基功能结构功能结构NADH-泛醌泛醌还原酶还原酶黄素蛋白黄素蛋白铁硫蛋白铁硫蛋白FMNFe-SVit B2Fe琥珀酸琥珀酸-泛醌泛醌还原酶还原酶黄素蛋白黄素蛋白铁硫蛋白铁硫蛋白Cyt bFADFe-S铁卟啉铁卟啉Vit B2FeFe泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶Cyt b Cyt c1铁硫蛋白铁硫蛋白铁卟啉铁卟啉Fe-SFeFe细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶Cyt aa3铁卟啉铁卟啉FeCu泛醌泛醌Cyt c复合体复合体又称又称NADH-泛醌还原酶。泛醌
4、还原酶。泛醌泛醌(ubiquinone) 又称辅酶又称辅酶Q(Coenzyme Q)复合体复合体电子传递：电子传递：1、复合体复合体作用是将作用是将NADH+H+中的电子中的电子传递给泛醌传递给泛醌每传递每传递2个电子可将个电子可将4个个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体复合体有质子泵功能。有质子泵功能。 复合体复合体NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 Fe-SNAD+和和NADP+的结构的结构R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+ 烟烟酰酰胺胺腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸烟烟酰酰胺胺腺腺嘌
5、嘌呤呤二二核核苷苷酸酸磷磷酸酸NAD+（NADP+）和）和NADH（NADPH）相互转变）相互转变氧化还原反应时变化发生在氧化还原反应时变化发生在五价氮五价氮和和三价氮三价氮之间。之间。接受一个接受一个H原子和一个电子（原子和一个电子（NADH+H+)(NADPH+H+)复合体复合体的功能的功能 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH24H+复合体复合体是三羧酸循环中的是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶，又称又称琥珀酸琥珀酸- -泛醌还原酶泛醌还原酶。2、复合体复合体功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌复合体
6、复合体没有没有H H+ +泵的功能泵的功能复合体复合体电子传递：电子传递：琥珀酸琥珀酸 FAD几种几种Fe-S CoQ3、复合体复合体功能是将电子从还原型泛醌传功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素递给细胞色素C复合体复合体又叫又叫泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素b-c1复合体，含有细胞色素复合体，含有细胞色素b(b562, b566)、细胞色素、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白和一种可移动的铁硫蛋白泛醌泛醌从复合体从复合体、募集还原当量和电子并穿梭募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体传递到复合体。CoQH2 (Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1 Cyt
7、c复合体复合体电子传递过程：电子传递过程：（b566)（b562)Cytb CytC1 复合体复合体传递一对电子泵出传递一对电子泵出4H+复合体复合体的电子传递的电子传递通过通过“Q循环循环”实现。实现。复合体复合体每传递每传递2个电个电子向内膜胞浆侧释放子向内膜胞浆侧释放4个个H+，复合体复合体也有也有质子泵作用质子泵作用。Cyt c是是呼吸链唯一水呼吸链唯一水溶性球状蛋白，溶性球状蛋白，不包含不包含在复合体中。将获得的在复合体中。将获得的电子传递到复合体电子传递到复合体。复合体复合体又称又称细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶(cytochrome c oxidase)。4、复合体复合体将电子从
8、细胞色素将电子从细胞色素C传递给氧传递给氧复合体复合体电子传递：电子传递： Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2Cyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给形成活性双核中心，将电子传递给O2。每每2个电子传递过程个电子传递过程使使2个个H+跨内膜向胞浆跨内膜向胞浆侧转移侧转移 。Cytaa3复复合合体体的的电电子子传传递递过过程程 Cytcox NADH+H+ NAD+ 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 QH2 Q 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 4H+4H+4H+4H+Cytcox Cytcred Cytcred 4H+4H+电子传
9、递链各复合体在线粒体内膜中的位置电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置118呼吸链组分的排列顺序呼吸链组分的排列顺序 1. 1. 两条呼吸链两条呼吸链NADH FMN Q Cytb c1 c aa3 O2FADH22）琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 （ FADH2氧化呼吸链）氧化呼吸链）1） NADH氧化呼吸链氧化呼吸链（1 1）呼吸链各组分氧化还原电位呼吸链各组分氧化还原电位(E0) 2.2.呼吸链各组分排列顺序的确定实验呼吸链各组分排列顺序的确定实验（2 2）利用呼吸链特异的抑制剂阻断某一组分的电子传递）利用呼吸链特异的抑制剂阻断某一组分的电子传递（3 3）利用呼吸链各组分特有的吸收光谱
10、）利用呼吸链各组分特有的吸收光谱（4 4）在体外将呼吸链拆开和重组）在体外将呼吸链拆开和重组119总总 结结201. 呼吸链呼吸链 (respiratory chain)2. 递氢体递氢体3. 电子传递体电子传递体（电子传递链电子传递链 Electron Transport Chain）传递氢的酶或辅酶传递氢的酶或辅酶递氢体同时有传递递氢体同时有传递电子的作用电子的作用传递电子的酶或辅酶传递电子的酶或辅酶21呼吸链的组成呼吸链的组成复合体复合体 酶名称酶名称 重要酶蛋白重要酶蛋白辅基辅基功能结构功能结构NADH-泛醌泛醌还原酶还原酶黄素蛋白黄素蛋白铁硫蛋白铁硫蛋白FMNFe-SVit B2Fe
11、琥珀酸琥珀酸-泛醌泛醌还原酶还原酶黄素蛋白黄素蛋白铁硫蛋白铁硫蛋白Cyt bFADFe-S铁卟啉铁卟啉Vit B2FeFe泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶Cyt b Cyt c1铁硫蛋白铁硫蛋白铁卟啉铁卟啉Fe-SFeFe细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶Cyt aa3铁卟啉铁卟啉FeCu泛醌泛醌Cyt c122两条呼吸链两条呼吸链NADH FMN Q Cytb c1 c aa3 O2FADH22）琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链（ FADH2氧化呼吸链）氧化呼吸链）1） NADH氧化呼吸链氧化呼吸链u两条呼吸链的名称两条呼吸链的名称u作用作用接受接受H的来源（的来源（NADH,FADH)
12、u排列顺序排列顺序12324第二节第二节氧化磷酸化将氧化呼吸链释能氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与与ADP磷酸化偶联生成磷酸化偶联生成ATPu氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 是是指指由由代代谢谢物物脱脱下下的的氢氢，经经线线粒粒体体氧氧化化呼呼吸吸链链电电子子传传递递释释放放能能量量，此此释释能能过过程程与与驱驱动动ADP磷磷酸酸化化生生成成ATP相相偶偶联联，即即还还原原当当量量的的氧氧化化过过程程与与ADP的磷酸化过程相偶联，产生能量的磷酸化过程相偶联，产生能量ATP。u底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substrate level phosphor
13、ylation) 与与脱脱氢氢反反应应偶偶联联，直直接接将将高高能能代代谢谢物物分分子子中中的的能能量量转转移移至至ADP（或或GDP），生生成成ATP(或或GTP）的过程，称为底物水平磷酸化。）的过程，称为底物水平磷酸化。ATP生成方式生成方式125126一、氧化磷酸化偶联部位在复合体一、氧化磷酸化偶联部位在复合体、内内根据根据P/O比值比值自由能变化自由能变化: G=-nFE 氧化磷酸化偶联部位：复合体氧化磷酸化偶联部位：复合体、何谓氧化磷酸化偶联部位？何谓氧化磷酸化偶联部位？理论推测的氧化呼吸链中偶联生成理论推测的氧化呼吸链中偶联生成ATP的部位的部位依据？依据？（一）（一） P/O比值
14、（确定部位）比值（确定部位）1) 概念概念氧化磷酸过程中，每消耗氧化磷酸过程中，每消耗1/2摩尔摩尔O2所需磷酸的摩尔数。所需磷酸的摩尔数。2) 2) 实验条件实验条件O2底物底物线粒体线粒体H3PO4ADP3 3）结果）结果 P/O ATP生生成部位成部位2.51.5211底物底物丙酮酸丙酮酸琥珀酸琥珀酸抗坏血酸抗坏血酸NAD+FADCyt C呼吸链呼吸链3129NADH FMN Q Cytb c1 c aa3 O2FADH2-0.32 -0.30 0.04 0.07 0.22 0.25 0.29 0.82 -0.06( (二）自由能变化二）自由能变化(生成生成1mol ATP需需 30.5
15、30.5kJ )G0=nFE0G0 (kJ)E0 (V)0.3669.50.1936.70.58112（满足条件）（满足条件） 一对电子一对电子经经NADH氧化呼吸链传递生成氧化呼吸链传递生成ATP 2.5个个经琥珀酸氧化呼吸链传递生成经琥珀酸氧化呼吸链传递生成ATP 1.5个个ATPATP ATP氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2131二二. .氧化磷酸化偶联机制氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度是产生跨线粒体内膜的质子梯度 化学渗透假说化学渗透假说（chemiosmo
16、tic hypothesis)chemiosmotic hypothesis)1978 电子经氧化呼吸链传递时释电子经氧化呼吸链传递时释放的能量，驱动质子放的能量，驱动质子H+从线粒体基质从线粒体基质侧泵出至内膜的膜间腔侧，产生膜内侧泵出至内膜的膜间腔侧，产生膜内外质子电化学梯外质子电化学梯度，度，以此储存能量。以此储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。132复合体复合体、均有质子泵的作用均有质子泵的作用 电子经电子经呼吸链呼吸链传递释放的能量，传递释放的能量，将基质中将基质中H+泵到线粒体内膜外侧。泵到线粒体内膜外侧。 F0 F1 Cyt
17、 c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 4H+ 2H+ 4H+ 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 复合体复合体 (4H+) 、 (4 H+)和和 (2H+)有质子泵功能有质子泵功能 134三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成ATP 由呼吸链中复合体质子泵作用形成的跨线由呼吸链中复合体质子泵作用形成的跨线粒体内膜的粒体内膜的H+浓度梯度和电位差，储存电子传浓度梯度和电位差，储存电子传递释放的能量。递释放的
18、能量。 当质子顺浓度梯度回流至线粒体基质内时，当质子顺浓度梯度回流至线粒体基质内时，储存的能量被储存的能量被ATP合酶（合酶（ATP synthase)充分利充分利用，催化用，催化ADP与与Pi生成生成ATP。135内膜内膜基质基质膜间腔膜间腔a bF1： 含含5种多肽链种多肽链 催化催化ATP合成合成Fo：跨线粒体内膜：跨线粒体内膜 疏水蛋白疏水蛋白 含含3种亚基种亚基 质子通道质子通道ATP合酶（复合体合酶（复合体）136四、四、ATP在能量代谢中起核心作用在能量代谢中起核心作用137影响氧化磷酸化的因素影响氧化磷酸化的因素 （一）抑制剂（一）抑制剂1.1.呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂2.2.
19、解偶联剂解偶联剂3.3.氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 （二二） ADP的调节作用的调节作用氧化磷酸化氧化磷酸化（ATP利用）利用）ADP（三）（三）甲状腺素甲状腺素（四）线粒体（四）线粒体DNADNA突变突变 138（一）（一）高能化合物高能化合物 水解时释放出的自由能较多的化合物。水解时释放出的自由能较多的化合物。 (G0 21kJ/mol)ATP: 体外释放体外释放30.5kJ；体内释放；体内释放50 kJ 常见的高能化合物：常见的高能化合物：ATP GTP UTP CTP乙酰乙酰CoA PEP CP (磷酸肌酸磷酸肌酸) （creatine phosphate）四、四、ATP139（
20、二）（二）ATP的贮存和利用的贮存和利用 ATP为中心为中心 1. 直接供能直接供能ADP+ADPATP + AMP+ ADP 2. 高能化合物需从高能化合物需从ATP中获得能量中获得能量UTPCTPGTPUDPCDPGDP+ ATP3. CP是肌肉和脑组织中能量的贮存形式是肌肉和脑组织中能量的贮存形式 ATP + 肌酸肌酸 储存储存利用利用ATP 消耗过量消耗过量ADP+PiCP + ADP 140五、通过五、通过线粒体内膜的物质转运线粒体内膜的物质转运1.-1.-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭线粒体内膜的主要转运蛋白线粒体内膜的主要转运蛋白 ( (一一) )胞浆中胞浆中NADH进入线粒体进入线粒体2.2.苹果酸苹果酸天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭( (二二) )腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白1412 其他氧化体系 一、氧化酶类一、氧化酶类 二、二、过氧化物酶体中的酶类过氧化物酶体中的酶类三、超氧化物歧化酶三、超氧化物歧化酶四、微粒体中的酶类四、微粒体中的酶类 （加氧酶类（加氧酶类）（一）加单氧酶（一）加单氧酶（二）加双氧酶（二）加双氧酶
