第八章生物能学与生物氧化2

（一）生物氧化的特点
在活的细胞中（pH接近中性、体温条件下），有 机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下 进行，其途径迂回曲折，有条不紊。 氧化过程中能 量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如 ATP）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会 因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释 放的能量尽可能得到有效的利用。
辅酶Q （CoQ）
Cyt b
Fe-S
Cyt c1
Cyt c
Cyt aa3 O2
两条主要呼吸链
琥珀酸等 FADH2 呼吸链
FAD Fe-S
复合物 II 琥珀酸-辅 酶Q还原酶
NADH
FMN 复合物 I Fe-S NADH
脱氢酶 CoQ
Cyt b Fe-S 复合物 III NADH
细胞色素 呼吸链 Cyt c1 还原酶
脂肪
多糖
蛋白质
脂肪酸、甘油
葡萄糖、 其它单糖
氨基酸
乙酰CoA
ห้องสมุดไป่ตู้磷酸化
电子传递 （氧化）
+Pi
e-
三羧酸 循环
生物氧化的三个阶段
大分子降解成 基本结构单位
小分子化合物分 解成共同的中间 产物（如丙酮酸 、乙酰CoA等）
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。
二、电子传递链（呼吸链）
（一）线粒体结构特点 （二）电子传递链（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
（一）线粒体结构特点
嵴
➢线粒体外膜
自由透过小分子和离子
➢线粒体内膜
不能自由透过大部分小分子和离子 ,包括H+。
含有：电子传递体（复合体I、II 、III、IV）
ADP-ATP转运载体 ATP合酶（FoF1） 其他载体
➢线粒体基质含有丙酮酸脱氢酶系
柠檬酸循环酶系、脂肪酸-氧化酶系 DNA、核糖体、其他酶 ATP、ADP、Pi、Mg2+ 、 Ca2+ 、 K+ 、很多可溶的中间代谢产物
Cristae (嵴、the infoldings of the inner membrane of mitochondria) is where the respiratory chain is located.
方法三: 各种特异性抑制剂的作用，在阻止步骤 之前的处于还原态而阻止之后的处于氧化态。
鱼藤酮
Reduced Oxidized Reduced
抗霉素 A Oxidized
Reduced
方法四:分 离并鉴定 每个多蛋 白质复合 物：
链上组分 中特有的 电子供体 和受体可 以确定。
Separation of functional complexes of the respiratory chain. The outer mitochondrial membrane is first removed by treatment with the detergent digitonin（洋地黄皂苷）. Fragments of inner membrane are then obtained by osmotic rupture of the mitochondria, and the fragments are gently dissolved in a second detergent. The resulting mixture of inner membrane proteins is resolved by ion-exchange chromatography into different complexes (I through IV) of the respiratory chain, each with its unique protein composition and the enzyme ATP synthase. The isolated Complexes I through IV catalyze transfers between donors (NADH and succinate), intermediate carriers (Q and cytochrome c), and O2, as shown. In vitro, isolated ATP synthase has only ATP-hydrolyzing (ATPase), not ATPsynthesizing, activity.
❖电子传递链在原核生物存在于质膜上，在真 核细胞存在于线粒体内膜上。
➢呼吸链由4个多蛋白的复合物（I, II,
III, 和 IV；3个是质子泵）和2个移动的电子 载体，泛醌（Q或辅酶Q）以及细胞色素c组 成。
➢呼吸链中蛋白质的辅基包括：
黄素类（FMN，FAD）， 血红素（血红素 A，铁原卟啉IX ，血红素 C ）， 铁硫聚簇（ 2Fe-2S, 4Fe-4S) 和 铜 。
Path of electrons from NADH, succinate, fatty acyl–CoA, and glycerol 3-phosphate to ubiquinone. Electrons from NADH pass through a flavoprotein to a series of ironsulfur proteins (in Complex I) and then to Q. Electrons from succinate pass through a flavoprotein and several Fe-S centers (in Complex II) on the way to Q. Glycerol 3phosphate donates electrons to a flavoprotein (glycerol 3phosphate dehydrogenase) on the outer face of the inner mitochondrial membrane, from which they pass to Q. Acyl-CoA dehydrogenase (the first enzyme of oxidation) transfers electrons to electrontransferring flavoprotein (ETF), from which they pass to Q via ETF: ubiquinone oxidoreductase.
第三节 电子传递和氧化呼吸链
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 。
一、生物氧化概述
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并释放出能量的过程称为生物氧 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。
FMNH2 +NAD（P）+
NADH + 5H+N + Q
NADH dehydrogenase （Complex I）
NAD+ + QH2 + 4H+P
辅酶Q是呼吸链 电子传递的枢纽
Ubiquinone (Q) accepts electrons from both NADH and FADH2 in the respiratory chain
*Numbers of subunits in the bacterial equivalents in parentheses. + Cytochrome c is not part of an enzyme complex; it moves between Complexes III and IV as a freely soluble protein.
➢完全的还原伴随着O2的突然传导； ➢较早的氧化作用更接近呼吸链的末端；
➢使用快速而灵敏的分光光度技术跟随细 胞色素的氧化作用，发现最大吸收峰的波 长不同。
The UV absorption spectra of NAD and NADH. Reduction of the nicotinamide ring produces a new, broad absorption band with a maximum at 340 nm. The production of NADH during an enzymecatalyzed reaction can be conveniently followed by observing the appearance of the absorbance at 340 nm.
The Protein Components of the Mitochondrial Electron-Transfer Chain
Enzyme
Mass
complex/protein (kDa)
I NADH
850
dehydrogenase
II Succinate
140
dehydrogenase
III Ubiquinone 250
呼吸链上很多电子载体的顺序通 过多种研究得以阐明
• 方法一：测量标准还原电位（E’0）
• 电子倾向于从低还原电位的载体流向还原电 位高的载体（不过在真正的细胞中可能有偏 差）
Electron carriers may have an order of increasing E’0
方法二：氧化作用动力学研究
❖生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧） 的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结 合，消耗氧气，都生成CO2和H2O，所释 放的能量也相同。但二者进行的方式和历 程却不同：
细胞内温和条件（常温、常压、 高温或高压、干燥条件 中性pH、水溶液）
一系列酶促反应
无机催化剂
逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆发释放 释放的能量转化成ATP被利用 转换为光和热，散失
Cytochrome c+ 13
IV Cytochrome 160 oxidase
Number of Prosthetic group(s) subunits *
43 (14)
FMN, Fe-S
4
FAD, Fe-S
11 1 13 (3–4)
Hemes, Fe-S Heme Hemes; CuA ,CuB
（二）电子传递链（呼吸链）的概念
线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这 里氧化所产生的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 （ electron transfer chain),因为其功能和呼吸作用直接相关 ，亦称为呼吸链。
（二）CO2的生成
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
R
H2N-CH-COOH 氨基酸脱羧酶 CH2-NH2 +CO2
O
丙酮酸脱氢酶系
CH3-C-COOH
CH3COSCoA+CO2
CoASH NAD+
（三）呼吸链的组成 琥珀酸等
黄素蛋白酶类 （flavoproteins, FP）
黄素蛋白 （FAD）
铁-硫蛋白类 （iron—sulfur proteins)
铁硫蛋白 （Fe-S）
细胞色素类
（cytochromes） 辅酶Ｑ
细胞色素类
（ubiquinone,亦写作CoQ）
NADH 黄素蛋白 （FMN） 铁硫蛋白 （Fe-S）
Cyt c
复合物 IV Cyt aa3 细胞色素
氧化酶 O2
1.NADH-Q还原酶（NADH脱氢酶、 复合体Ⅰ）
❖NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，FMN 和铁-硫蛋白（Fe-S）是该酶的辅基，由辅基或辅酶 负责传递电子和氢。
传递氢机理:
NAD+ + 2H+ +2e
NADH + H+
NAD（P）H + H++FMN
NADH+H+
（三）H2O的生成
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 过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O 。
例：
乙醇脱氢酶
CH3CH2OH
CH3CHO
NAD+
NADH+H+
NAD+
2e
电子传递链
2H+
1\2 O2 O= H2O