巫-第八章生物氧化和能量转化

线粒体呼吸链(电子传递链)
（一）电子传递链的基本组成
• 电子传递链是一系列电子传递体按对电子亲和力逐 渐升高的顺序组成的电子传递系统
• 电子传递链的主要组分包括： （书p175，表8-5） • NADHCoQ还原酶 (复合物I) • 琥珀酸脱氢酶 (复合物II) • 细胞色素b c1复合物 （复合物III，
• 细胞色素主要是通过辅 基中Fe3+ Fe2+ 的互变 起传递电子的作用。
• 一个细胞色素每次传递 一个电子。
细胞色素（cyt.）
• 线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a, b, c 和c1等， 组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。
• Cyt b、Cyt c1、Cyt c、 Cyt a 、Cyt a3
2Fe-2S
4Fe-4S
铁硫蛋白
辅酶Q类（CoQ）： 唯一的非蛋白电子 载体。脂溶性醌类 化合物。
Q (醌型结构) 很容 易接受电子和质子， 还原成QH2（还原 型）；
QH2也容易给出电子 和质子，重新氧化 成Q。
CoQ→CoQH2
细胞色素（cytochrome,cyt）
• 以铁卟啉（血红素）为 辅基的蛋白质（有颜色）
FMN → FMNH2
Fe2+
Fe3+&环第1位和第10位上的两个氮 原子反复进行加氢和脱氢反应。
铁硫蛋白(铁硫中心):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。
• 2 底物水平磷酸化：底物在脱氢时形
(不需O2)
成的高能磷酸基团 直接转移给ADP生
成ATP的方式。
底物水平磷酸化
二、氧化磷酸化的偶联部位
磷氧比（P/O）是指一对电子通过呼吸
链传递到氧时所产生的ATP分子数。
根据氧化-还原电势与自由能变化关系式， 计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的 G’ < -30.5 kJ / mol。
第 三节 氧化磷酸化作用
一 氧化磷酸化(oxidative
phosphorylation)： 是指生物体氧化过程中释放出自由能驱动 ADP磷酸化形成ATP的过程。
线粒体ATP合成的方式有两种： 1. 底物水平磷酸化 2. 氧化磷酸化
• 1 氧化磷酸化（电子传递链的磷酸化）在呼吸
(需O2)
链电子传递过程中释放的能量使 ADP磷酸化生成ATP的过程。
• 一、线粒体
• 成熟的成纤维细胞中线粒体(mitochondria)是含 量最丰富的细胞器.
• 每个细胞中约有1000个线粒体，占整个细胞体积 的25％。
• 线粒体功能： • 能量转换 • 合成ATP • 物质运输 • 信息传递 等
线粒体--细胞的能量转换器
• 两层单位膜构成 • 封闭囊状结构
• 一电子传递 • CoQH2→ Fe-S → cyt. c1 → cyt. c
• 另一电子传递 • CoQH2→ cyt.b→CoQ-
另一电子传递 CoQH2→ cyt.b→CoQ-
线粒体呼吸链
• 视频 1 • 线粒体-呼吸链蛋白复合体
（四）电子传递链的抑制
• 鱼藤酮(rotenone):抑制电子从 FMNH2传递到CoQ
主要化学成分： • 蛋白质(可溶性和不溶性) • 脂类
二、线粒体内膜上的电子传递链
在生物氧化过程中，从代谢物上脱下的氢由 一系列传递体依次传递，最后与氧形成水的整 个体系称为呼吸链（respiratory chain）。
由于在传递过程中，在很多部位氢原子实际 上以质子（H+）形式进入基质，仅发生电子转 移，因此呼吸链又称为电子传递链（electrontransport chain）。
（一）ATP合酶（ATP synthase）
ATP合酶由两个主要单元构成，一是起
质子通道作用的单元称为F0单元，另一是催 化ATP合成的单元称为F1单元。故ATP合酶 又称F0 F1 酶（ F0 F1 －ATPase） 。
该酶又称复合体Ⅴ
… ATP生成的结构基础
头部:F1,含α ，β ，γ ，δ ，ε五种亚基 作用：催化ADP和Pi发生磷酸化，生成
3. 自由能变化和氧化还原电位的关系 △Go’ ＝-n F △E0’
n：转移电子数； F：法拉第常数[96.5 KJ/(V.mol)]
六、高能磷酸化合物
生物体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基 水解时，释放大量的能量，这些化合物称为 高能磷酸化合物。如 ATP。 一般将水解时能够释放21 kJ /mol （5千卡 / mol ）以上自由能（G’ < -21 kJ / mol）的 化合物称为高能化合物。 根据生物体内高能化合物键的特性可以把 他们分成以下几种类型。
生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的 一系列氧化还原反应。
二、生物氧化的特点
1. 生物氧化是在细胞内进行的。 2. 生物氧化是在常温、常压、近于中性及有
水环境中进行的。 3. 生物氧化所产生的能量是逐步释放的。 4. 生物氧化所产生的能量首先转移到一些特
殊的高能化合物中。
三、生物氧化中CO2的生成
第八章 生物氧化和能量转换
第八章 生物氧化和能量转换 提纲
• 第一节 生物氧化概述 • 第二节 线粒体及其内部氧化体系（重点） • 第 三节 氧化磷酸化作用（重点）
第一节 生物氧化概述
一 生物氧化（biological oxidation）
是指细胞内的糖、蛋白质和脂肪进行氧化 分解而生成CO2和H2O，并释放能量的过程。
O O- P
O-
O O P O-
O-
焦磷酸 7.3千卡/摩尔
N
N
O O- P
O-
O O- P
O-
O O- P
O-
NN OCH2 O
HH
H
H
OH OH
ATP（三磷酸腺苷）
2. 磷氮键型（－N～P）
O
NH
PO
C NH O
N CH3 C H 2C O O H
磷酸肌酸
10.3千卡/摩尔
O
NH
PO
C NH O
NADH Co Q G´ -50.18
cyt b cyt c1 cyt aa3 O2
-38.6
-104.22
一对电子从NADH传递到氧气, 释放的能量可以合成2.5个ATP。
一对电子从FADH2传递到氧气, 释放出的能量可以合成1.5个 ATP。 (书p179)
三、氧化磷酸化的偶联机理
ATP, 也可水解ATP。
基部：F0， 作用：具有质子通道的作用，传送质子通
过膜到达F1的催化部位
柄部：连接F1和F0 作用：控制质子的流动，从而控制ATP的生
成速度
• 视频 2 • 电子传递中ATP的产生
（二）氧化磷酸化的偶联机理
• 化学渗透假说的要点是：
• 1)递氢体和递电子体间隔排列,催化定向反 应.
1. 直接脱羧作用
氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催 化下，直接从分子中脱去羧基。例如草酰 乙酸的脱羧。
2. 氧化脱羧作用
氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸） 在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时， 也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧 化脱羧生成丙酮酸。
四、生物氧化中H2O的生成
代谢物MH2
1. 磷氧键型（－O～P）
(1)酰基磷酸化合物
OO H3N+ C O P O-
O-
氨甲酰磷酸
O
O
CO P
CH OH
CH2 O
OOO P OO-
3-磷酸甘油酸磷酸 11.8千卡/摩尔
（2）烯醇式磷酸化合物
COOH O CO PO CH2 O
磷酸烯醇式丙酮酸 14.8千卡/摩尔
（3）焦磷酸化合物
NH2
细胞色素c还原酶 ） • 细胞色素c氧化酶 （复合物IV ）
42 11
（二）电子传递链的基本组成
电子传递链基本分为： 1. 烟酰胺腺嘌呤核苷酸（NAD+、NADP+） 2. 黄素蛋白（FMN、FAD） 3. 铁硫蛋白（Fe－S） 4. 泛醌（辅酶Q，CoQ） 5. 细胞色素（cyt）
NADH是由NAD+接受多种代谢产物脱氢 得到的产物。它所携带的高能电子是线粒体 呼吸链主要电子供体之一。
3. 硫碳键型（－C～S）
(1)甲硫键化合物
(2)硫酯键化合物
COO-
CH
N
H
+ 3
CH2
CH2 H 3C S + A
S-腺苷甲硫氨酸
O R C SCoA
酰基辅酶A
第二节 线粒体及其内部氧化体系
线粒体是生物氧化的主要场所。
在生物氧化中，从代谢物上脱下的氢由一 系列传递体所组成的电子传递链而转移， 最终达到氧，使氧还原成水，并伴随着自 由能的释放和ATP的生成。
• 2)递氢体(复合物I. III.IV)起质子泵作用,把 质子从内膜内侧泵到内膜外侧.
• 部位I: ΔG0´= -nFΔE0´= -2☓96500 ☓ [(-0.06)-(0.32)]=-50180焦/摩=-50.18千焦 /摩
• 部位II: ΔG0´= -nFΔE0´= -2☓96500 ☓[0.26-(-0.052)]= -60.22千焦/摩
• 部位III:
ΔG0´= -nFΔE0´= -2☓96500 ☓(0.817-0.28)=-103.64 千焦/摩
N CH3 NH2
C H2C H2C H2C HC O O H
磷酸精氨酸 7.7千卡/摩尔
这两种高能化合物 在生物体内起储存能量的作用
• 磷酸原：以高能磷酸形式储能的物质
• 磷酸肌酸：脊椎动物肌肉中的储能物质
•
存在肌肉、脑、神经组织。
• 磷酸精氨酸：无脊椎动物肌肉中的储能 物质
• ATP不是真正的储能物质
•与反应途径、反应机理、反应速度无关。
△G ＝GB – GA＝ △Go’ + RT ln [B]/[A]
△G ： 自由能变
△Go’：标准自由能变
R ：摩尔气体常数[ 8.314 J / (mol . K)] T：热力学温度 (K)
△G < 0: 反应能自发进行，放能反应。 △G > 0: 供给能量才能进行，吸能反应。 △G = 0: 反应处于平衡状态。
氧化型
H2O
一个或多个传递体
M
还原型
1/2O2
脱氢酶
氧化酶
五、自由能和氧化还原电位
1. 自由能 自由能是指一个化合物分子结构中所固有
的能量，是一种能在恒温、恒压条件下作功 的能量。
如果 A
B , 则△G ＝GB – GA
• △G 仅决定于反应物（初始状态）的自由能 与产物（最终状态）的自由能；
• 抗霉素A(antimycin A):抑制电 子从CoQ 传递到Cyt C
• N3,CO,CN-:抑制电子从Cyta,a3 传递到O2.
1 ATP
1 ATP
0.5 ATP
思 考？
• 鱼藤酮电子抑制剂 • 抗霉素A电子抑制剂 • N3、CO、CN-电子抑制剂
从NADH O2 产生 ？？ATP 从FADH2 O2 产生? ? 个ATP
• 细胞色素主要是通过Fe3+ Fe2+ 的互变起传递 电子的作用的。
• Cyt aa3 可直接以氧分子为电子受体 • Cyt aa3复合体含有两个血红素A和Cu ，在氧化还原反
应中也发生价态变化（Cu2+ Cu+），又称细胞色素 氧化酶。
细胞色素
Cu2+ Cu+
a
cyta a3
b562
cytb
b566
辅基为铁卟啉
cytc c1
C
Fe2+
Fe3++e
（三）电子传递链各组分的排列顺序
线粒体末端氧化呼吸链有两条： 1. NADH氧化呼吸链（NADH电子传递链） 2. 琥珀酸氧化呼吸链（FADH2电子传递链）
电子从低电位流向高电位： FADH2
NADH FMN CoQ cyt b cyt c1 cyt c cyt aa3 O2
两条呼吸链中除NADH、CoQ和cytc外， 其余组分形成嵌入内膜的结构化超分子复合 体。这些复合体有4类：
Ⅰ. NADH-Q还原酶复合物 Ⅱ. 琥珀酸－Q还原酶复合物(琥珀酸脱氢酶) Ⅲ. Cyt bc1 复合物(细胞色素C还原酶) Ⅳ. 细胞色素氧化酶复合物（Cytc aa3 ）
• 由于QH2是一个双电子载体，细胞色素 蛋白组分(如cyt.c)都是单电子传递体，所 以，实际反应情况比较复杂。
当 △G ＝0 时， △Go’ ＝- RT ln [B]/[A] ＝-2.303 RT lg K’eq
K /eq是化学反应的平衡常数，△Go’ 也是一个常数。
2. 氧化还原电位
△E0’ ＝ E0’正 – E0’负＝ E0’氧化极 – E0’还原极
• E0’ 越小，供电子倾向越大，其还原力越强 • E0’ 越大，得电子倾向越大，其氧化力越强 •书p167:表8-1