第六章+生物氧化

烯醇丙酮酸。
3、磷氧比（ P/O ）
呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和原子氧（O）消耗量的比值
称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧 原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的数值相当于一对 电子经呼吸链传递至原子氧所产生的ATP分子数。
铁硫蛋白的结构及递电子机理
1Fe 0S24Cys 4Fe 4S24Cys 2Fe 2S24Cys
S Fe
传递电子机理：Fe3+
+e
-e
Fe2+
CoQ
特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂
溶性，位于膜脂双层中，能在膜脂中自由 泳动。
+2H
传递氢机理：CoQ
－2H
CoQH2
CoQ的结构和递氢原理
CoQ+2H
葡萄糖、 其它单糖
氨基酸
乙酰CoA
磷酸化 （电子传递 氧化）
+Pi
eH
三羧酸 循环
五、参与生物氧化的酶类
1、脱氢酶类：脱氢酶分别与NAD+和NADP+结合，催化底 物脱氢，多数酶以NAD+为辅酶。
2、NADH脱氢酶类以及其它黄素蛋白酶类
3、需氧脱氢酶
4、细胞色素酶类 5、加氧酶类
六、生物能和ATP
的ATP运出线粒体基质。
线粒体结构图
二、电子传递链的概念
线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物氧化所产生的
NADH和FADH2 将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列 氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2 生成H2O。这种由载 体组成的电子传递系统称电子传递链（eclctron transfer chain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。
传递电子机理：
Fe3+
+e －e
Fe2+
Cu2+
+e －e
Cu+
铁-硫蛋白 Cyt c
,4K ,12K III
21K
2Fe-2S (bL)
(b562) (b566)
线粒体基质

23K
c1


36K
(bH)
线粒体基质
8K

17K
,, 4K
Cyt b
细胞色素还原酶 部分结构模式
细胞色素氧化酶 结构示意图
NADH
FADH2
2e-
电 子 传 递 链 标 准 氧 化 还 原 自 由 能 变 化
-0.4
E0/V
NADH
FMN 复合体 I NADH 脱氢酶
-0.2 琥珀酸等 0 FMN Fe-S
Fe-S CoQ Cyt b Fe-S Cyt c1
0.2
复合物 II 琥珀酸-Q还原 酶
复合物 III 细胞色素 还原酶
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。
3、硫酯键型
酰基辅酶A
3′-磷酸腺苷-5′-磷酸硫酸
4、甲硫键型
S-腺苷甲硫氨酸
第二节
线粒体电子传递体系统
一、线粒体结构特点
二、电子传递呼吸链的概念
三、呼吸链的组成 四、机体内两条主要的呼吸链及其能量变化
五、电子传递抑制剂
1、ATP是生物能存在的主要形式 ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。 2、其它高能化合物 磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起重要作 用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放 出自由能。 ATP是细胞内的“能量通货” ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体
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。 ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。 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。
总反应：FADH2+1/2O2→FAD+H2O ΔG°′=-nFΔE°′ = -2×96.5×[0.82-(-0.18)] =-193.0千焦· -1 mol
五、电子传递抑制剂
1、定义 电子传递抑制剂指能够阻断呼吸链中某部位电子传 递的物质。
NAD FP Q
b
c aa3
NAD FP Q
b
c aa3
3、氧化反应分阶段进行，能量逐步释放。
4、生物氧化过程中释放的化学能通常被偶联的磷酸 化反应所利用，贮存于高能磷酸化合物ATP中。 5、真核细胞生物氧化多在线粒体内膜进行，在不含 线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行。
生物氧化与体外反应的区别
共同点：具有氧化还原反应的共同特征，都伴随着
能量的释放，最终产物都是二氧化碳和水，同时释放能
一、线粒体结构特点（动力工厂） 线粒体有两层膜，内膜是细胞溶胶和线粒体基质之间的主要屏障，内膜有
许多向内折叠的脊，脊的存在增加了内膜的面积，扩大了产生ATP的能力，
内膜上还有很多跨膜的颗粒，这些颗粒包括了电子传递链，又在ATP合成中 起作用，跨膜颗粒可以帮助运输合成ATP的原料如ADP和pi，又可将新合成
CoQH2
细胞色素
特点 ： 以血红素（heme）为辅基，血红素的主要
成份为铁卟啉。
类别: 根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中
含5种（b、c、c1、a和a3)，cyt b和cytc1、cytc在呼 吸链中为电子传递体，a和a3以复合物存在，称为细 胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu ，可将 电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。
量的总值也相同。 生物氧化反应又有其特点：1）体外氧化反应主要以 热能形式释放能量，一次性产生大量的光和热；而生物 氧化主要以生成ATP方式逐步释放能量，为生物体所利用 2）体外氧化往往在高温，强酸，强碱或强氧化剂的催化 下进行；而生物氧化是在恒温(37℃)和中性pH环境下进
行，催化氧化反应的催化剂是酶。
四、生物氧化的三个阶段 脂肪 多糖 蛋白质
1、大分子降解 成基本结构单 位
2、小分子化 合物分解成共 同的中间产物 （如丙酮酸、 乙酰CoA等） 3、共同中间 产物进入三羧酸 循环,氧化脱下 的氢由电子传递 链传递生成H2O ，释放出大量能 量，其中一部分 通过磷酸化储存 在ATP中。
脂肪酸、甘油
0.4
Cyt c
0.6
Cyt aa3
复合物 IV 细胞色素 氧化酶
0.8
O2
ຫໍສະໝຸດ Baidu
NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化
总反应: NADH+H++1/2O2→NAD++H2O Δ G°′=-nFΔ E°′ =-2×96.5×[0.82-(-0.32)] =-220.07千焦· -1 mol
FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化
O2
细胞色素 氧化酶
第三节
氧化磷酸化作用
一、 氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念 二、氧化磷酸化的偶联机理 三、氧化磷酸化的解偶联和抑制 四、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用 五、葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算 六、能荷
一、氧化磷酸化
1、定义 氧化磷酸化指代谢物在生物氧化过程中释放出
的自由能使ADP磷酸化合成ATP,这种氧化放能和ATP生成（磷
原核生物的电子传递链位于质膜上，真核生物中位于线粒体 的内膜上。
琥珀酸等
NADH
黄素蛋白 （FMN） 铁硫蛋白 （Fe-S） 辅 酶 Q （CoQ） Cyt b
三、电子传递链的组成
FADH2
1
2
1. 黄素蛋白酶类
（flavoproteins, FP）
黄素蛋白 （F AD）
2. 铁-硫蛋白类
（iron—sulfur proteins)
第六章 生物氧化
主要内容：重点讨论线粒体电
子传递体系的组成、电子传递机理 和氧化磷酸化机理。对非线粒体氧
化体系作一般介绍。
目录
第一节 生物氧化的特点和方式
第二节
第三节 第四节
线粒体电子传递体系
氧化磷酸化作用 其它氧化体系（自学）
第一节 生物氧化的特点和方式
糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进
行氧化分解生成CO2 和H2O，释放出能量并形成
NAD+
三、H2O的生成方式
代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体 （NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列 氢传递体和电子传递体最终交给氧而生成H2O 。
例： CH3CH2OH
乙醇脱氢酶
CH3CHO
NAD+
NADH+H+
NAD+ 2H+
2e
电子传递链
1\2 O2 O=
H 2O
NAD(P)H + H+
黄素蛋白酶类
特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白。 递氢机理：FAD(FMN)+2H
FAD(FMN)H2
类别：黄素脱氢酶类（如琥珀酸脱氢酶）
需氧脱氢酶类（如L—氨基酸氧化酶）
加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）
NADHQ还原酶
• 简写为NADHQ还原酶, 即复合物Ⅰ，它的作用是催化NADH 的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一 种还原酶。 NADHQ还原酶最少含有16个多肽亚基。它的活 性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。
1、磷氧键型（-O～P)
(1)酰基磷酸化合物
3-磷酸甘油酸磷酸 11.8千卡/摩尔
乙酰磷酸 10.1千卡/摩尔
酰基腺苷酸
氨甲酰磷酸 氨酰基腺苷酸
（2）焦磷酸化合物
焦磷酸 ATP（三磷酸腺苷） 7.3千卡/摩尔
（3）烯醇式磷酸化合物
磷酸烯醇式丙酮酸 14.8千卡/摩尔
2、氮磷键型
磷酸肌酸 10.3千卡/摩尔
复合物 III 细胞色素 还原酶
FADH2 呼吸链
NADH 呼吸链 ATP 2
Cyt c1 Cyt c Cyt aa3
复合物 IV 细胞色素 氧化酶
O2
ATP 3
生物系统中的能流
NADH呼吸链电子传递和水的生成
MH2
还原型代 谢底物
NAD+
FMNH2
CoQ
2e
2Fe2+
细胞色素
1 2 O2
Fe
NADH+H+ FMN
细胞色素血红素的结构
还原型Cytc的吸收光谱


波长/nm

传递电子机理：Fe3+
+e
-e
Fe2+
细胞色素氧化酶
NADH
四、机体内两条呼吸链
FMN
Fe-S
复合体 I NADH-Q还 原酶
琥珀酸等
FADH2
FAD
Fe-S
CoQ
复合物 II ATP？ Cyt b 琥珀酸-Q还原 酶 Fe-S
ATP 1
铁硫蛋白 （Fe-S）
Fe-S
3. 辅酶Ｑ
细胞色素类
Cyt c1 Cyt c Cyt aa3 O2
（ubiquinone,亦写作CoQ）
4. 细胞色素类
（cytochromes）
烟酰胺脱氢酶类 特点 ：以NAD+ 或NADP+为辅酶，存在于线
粒体、基质或胞液中。传递氢机理:
NAD(P)
+
+ 2H+ +2e
ATP 的 过 程 称 为 生 物 氧 化 （ biological
oxidation，其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程
中所进行的一系列氧化还原反应过程。 生物氧化要讨论的问题？
一、生物氧化的特点 1、生物氧化在活细胞中进行，反应条件温和、体温 状态、pH中性。 2、生物氧化在一系列的酶、辅酶和中间传递体作用 下逐步进行。
• FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型
FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。
•
NADHQ还原酶
• NADH + Q + H+ ========= NAD+ + QH 2
铁硫蛋白
特点：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和
S常以等摩尔量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，构成 Fe—S中心，Fe与蛋白质分子中的4个Cys残 基的巯基与蛋白质相连结。 +e 传递电子机理：Fe3+ Fe2+ -e
二、CO2的生成方式
方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含 羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成 CO2。 类型：α-脱羧和β-脱羧
氧化脱羧和单纯脱羧
例：
R
氨基酸脱羧酶
R
H2N-CH-COOH
O CH3-C-COOH
CoASH
CH2-NH2 +CO2
丙酮酸脱氢酶系
CH3COSCoA+CO2
NADH+H+
呼吸链的比拟图解
抗霉素 A的 抑制部位
NADH
2、抑制剂的抑制部位
鱼藤酮 安密妥 FMN Fe-S
复合物 I
琥珀酸
FMN
Fe-S
CoQ
Cyt b
复合物 II
NADH -Q还原 酶
复合物 III
琥珀酸－Q还原酶
抗霉素A
Fe-S Cyt c1 Cyt c
细胞色 素还原 酶
复合物 IV
Cyt aa3
氰化物 CO
酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。
生物氧化过程中 释放出的自由能
ADP + Pi
ATP + H2O
2、磷酸化种类分类：
底物水平磷酸化
氧化磷酸化（电子传递磷酸化）
氧化磷酸化：电子在沿着电子传递链传递的 过程中所伴随的将ADP磷酸化为ATP的作用。 底物水平磷酸化：指ATP的形成直接与一个 代谢中间物（如PEP）上的磷酸基团转移相 偶联的作用。糖酵解中1,3-二磷酸甘油酸，磷酸
S
CoQH2
b- c- c1 -aa3
2Fe3+
氧化型代 谢底物
M
O2-
2H+
H2 O
FADH2呼吸链电子传递和水的生成
2H+
琥珀酸 FAD CoQH2 2Fe3+
细胞色素
O2-
H2O
Fe
延胡索酸 FADH2
S
CoQ
b- c1 - c-aa3
2e 2Fe2+
1 2 O2
呼吸链中电子传递时自由能的下降