生物氧化'''

2Cu2+ 2Cu+
2Fe2+
Cyta3 2Fe3+
细胞色素氧化酶
1 2 O2 H2O
33
简写为cyt. c 氧化酶， 即复合物IV，它是位 于线粒体呼吸链末端的 蛋白复合物，由12个 多肽亚基组成。活性部 分主要包括cyt. a和a3。
cyt. a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还 含有铜原子。cyt. a a3可以直接以O2为电子受体。
△G0′ = -nF△E0′ n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/mol· V)
电子传递链自由能变化
区段
电位变化 (⊿Eº′)
NAD+~CoQ 0.36V
CoQ~Cyt c 0.21V
Cyt aa3~O2 0.53V
自由能变化
能否生成Hale Waihona Puke BaiduTP
⊿Gº′=-nF⊿Eº′ (⊿Gº′是否大于30.5KJ)
1、电子传递链中各组分的顺序由还原电位决定 电子传递方向：(还原电位)低 高
四、ATP的生成、利用与储存
（一）电子传递和ATP的合成
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）ATP生成
➢ 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼吸链 电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联 磷酸化。
(a) ½ O2 + 2 H+ + 2 e- H2O E0’ = +0.82 V (b) NAD+ + H+ + 2 e- NADH E0’ = -0.322 V 将 (a) 减去 (b)，即得 (c) 式： (c)½ O2 + NADH + 2H+ H2O + NAD+ E0’ = +1.14 V G’ =-nF E0’ =-2 96500 1.14 = -220 kJ / mol
阻断氧化磷酸化的电子传递过程
➢ 复合体Ⅰ抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素 A(piericidin A)及异戊巴比妥(amobarbital)等阻断 传递电子到泛醌 。
➢ 复合体Ⅱ的抑制剂：萎锈灵(carboxin)。
➢ 复合体Ⅲ抑制剂：抗霉素A(antimycin A)阻断Cyt bH传 递电子到泛醌(QN) ；粘噻唑菌醇则作用QP位点。
➢ 复合体Ⅳ 抑制剂：CN－、N3－紧密结合中氧化型Cyt a3， 阻断电子由Cyt a到CuB- Cyt a3间传递。CO与还原型 Cyt a3结合，阻断电子传递给O2。
各种呼吸链抑制剂的阻断位点
抗霉素A 二巯基丙醇
琥珀酸
CO、CN-、 N3-及H2S
×
FAD
×
(Fe-S)
NADH
FMN (Fe-S)
Cyt aa3 细胞色素氧化酶
O2
重要代谢物进入呼吸链的途径
在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个化合物 （还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物(氧化剂）接受电子。 在线粒体呼吸链中，推动电子从NADH传递到O2的力，是由于 NAD+ / NADH + H+ 和1/2 O2 / H2O两个半反应之间存在很大 的电势差。
➢ 底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)与脱 氢反应偶联，生成底物分子的高能键，使ADP(GDP)磷酸 化生成ATP(GTP)的过程。不经电子传递。
氧化磷酸化
氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ
➢ 根据P/O比值 ➢ 自由能变化: ⊿Gº'=-nF⊿Eº'
H2O也直接参与生物氧化反应；CO2由有机酸脱羧产生 （4）生物氧化的速度由细胞自动调控。
这类反应进行过程中细胞要摄取O2， 释放CO2故又形象地称之为细胞呼 吸
物质氧化的方式： 失电子、脱氢(最主要)、加氧
CO２生成的方式： 有机酸脱羧
糖原 葡萄糖
三酯酰甘油 脂酸+甘油 乙酰CoA
蛋白质 氨基酸
琥珀酸 延胡索酸
FAD
CoQH2
Fe-S
FADH2
CoQ
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功能：将电子从CoQ传递给Cytc 组成：Cytb、Fe-S、Cytc1 细胞色素(Cyt)：含铁卟啉辅基的色蛋白，分a、b、c
三类，每类中又分几种亚类。
27
细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶 类，根据它们吸收光谱不同而分类。
→Cyt c→复合体Ⅳ→O2 抗坏血酸 Cyt c→复合体Ⅳ→O2 细胞色素c (Fe2+) 复合体Ⅳ→O2
1.5
1.5
0.88
1
0.61- 0.68
两类呼吸链的磷氧比（真核细胞）：
NADH呼吸链：3
FADH2呼吸链：2
自由能变化
根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化(△G0′)与还 原电位变化(△E0′)之间有以下关系：
P/O值(磷氧比值 )
是指某物质氧化时每消耗1mol氧所消耗无 机磷的mol数。
(每消耗1mol原子氧所产生的ATP的mol 数)
线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值
底物
呼吸链的组成
P/O比值 可能生成的 ATP 数
β-羟丁酸 NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ 2.5
2.5
琥珀酸
→Cyt c→复合体Ⅳ→O2 复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ
CoQ CoQH2
2Fe2+ Cytb 2Fe3+
2Fe3+ Fe -S 2Fe2+
2Fe2+
Cytc1 2Fe3+
CoQ-Cytc还原酶
2Fe3+
Cytc 2Fe2+
功能：将电子从Cytc最终传递到O2 组成：Cyta、Cyta3、Cu
2Fe3+ Cytc 2Fe2+
2Fe2+ Cyta
2Fe3+
铁硫蛋白
S
无机硫 S
半胱氨酸硫
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
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。因此， 它在线粒体呼吸链 中作为电子和质子 的传递体。
泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形成较长的 疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌 型泛醌。内膜中可移动电子载体，在各复合体间募集并穿梭传 递还原当量和电子。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心 作用。
功能：将电子从琥珀酸传递给CoQ 辅基：FAD、Fe-S
当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。
化学渗透假说已经得到广泛的实验支持 ➢ 氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜； ➢ 线粒体内膜对H+、OH－、K＋、Cl－离子是不通透的； ➢ 电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内
膜电化学梯度； ➢ 增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而线粒体内
在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+ Cu2+ 的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。
琥珀酸等
FADH2
Fe-S
复合物 II
琥珀酸-Q还原酶
NADH
FMN Fe-S CoQ
复合物 I
NADH-Q 还原酶
Cyt b Fe-S Cyt c1
复合物 III
细胞色素还原酶
Cyt c
复合物 IV
CoQ
Cyt b→Cyt c→Cyt c Cyt aa3 O2
×
鱼藤酮 粉蝶霉素A 异戊巴比妥
2）解偶联剂
破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度
解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联相互 分离，基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的 质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释 放，ATP的生成受到抑制。
电子传递过程复合体Ⅰ (4H+) 、Ⅲ (4 H+)和Ⅳ (2H+) 有质子泵功能
胞液侧 4H+
4H+
+
+++++
2H+ Cyt c
+
++
Q
F
-Ⅰ -
Ⅱ
-
- -Ⅲ-
Ⅳ
0
--
-
NADH+H+
延胡索酸
H2O
NAD+ 琥珀酸
1/2O2+2H+
F1
基质侧
ADP+Pi ATP
H+
1. 氧化磷酸化抑制剂
1）呼吸链抑制剂
NADH→FMN→Fe-S→ CoQ→ Fe-S→ CoQ
它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。 NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子 供体之一。
铁硫蛋白(简写为 Fe-S)是一种与电 子传递有关的蛋 白质，它与
NADHQ还原酶 的其它蛋白质组 分结合成复合物 形式存在。
碳和氧结合 不需要
生物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 得到有效的利用。
C6H12O6 + 6O2
6CO2+6H2O + 能量 (2840kJ/mol)
最大特点：逐步释放能量。 方式：酶催化
膜加入使质子通过物质可减少内膜质子梯度，结果电子 虽可以传递，但ATP生成减少。
2.质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶 利用催化ATP合成
ATP合酶结构组成 F1 ： 亲 水 部 分 （ 动 物 ：
α3β3γδε 亚 基 复 合 体 ， OSCP、IF1 亚基），线 粒体内膜的基质侧颗粒 状 突起 ， 催 化 ATP合 成。 F0：疏水部分（ab2c9~12亚基， 动物还有其他辅助亚 基），镶嵌在线粒体内 膜中，形成跨内膜质子 通道 。
蛋白质
Cys
S
CH CH3
CH3 Cys S
H3C
NN
CH CH3
Fe
NN
H3C
CH3
CH2 CH2 COOH
CH2 CH2 COOH
Cytc辅基
功能：单电子传递体
+e
Fe3+
Fe2+
-e
（简写为cyt. ）是含铁的电子传递体，辅基为铁 卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成 血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。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。细胞色 素a, b, c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴 别。
69.5KJ/mol
能
40.5KJ/mol
能
102.3KJ/mol
能
氧化磷酸化偶联部位 琥珀酸
NADH
FAD (Fe-S)
FMN (Fe-S)
CoQ
Cyt b→Cyt c→Cyt c Cyt aa3 O2
ATP
ATP
ATP
1、化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)
电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线粒体内 膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学 梯度储存能量。(产生跨线粒体内膜的质子梯度)
细胞色素主要是通过Fe3+ Fe2+ 的互变起传递 电子的作用的。
它是电子传递链中一 个独立的蛋白质电子 载体，位于线粒体内 膜外表，属于膜周蛋 白，易溶于水。它与 细 胞 色 素 c1 含 有 相 同 的辅基，但是蛋白组 成则有所不同。在电 子 传 递 过 程 中 ， cyt. c通过Fe3+ Fe2+ 的 互变起电子传递中间 体作用。
组成 递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e）
一、呼吸链的组成
在线粒体内膜上存在两种呼吸链：
复合体 I
复合体 III
复合体 IV
复合体 II
复合体 III
复合体 IV
1.复合体Ⅰ：NADH-CoQ还原酶
功能：将电子从NADH传递给CoQ 辅基：FMN，铁硫蛋白
➢ 复合体Ⅰ电子传递：
复合体Ⅰ
生物氧化和有机物质体外燃烧在化学本质 上是相同的，遵循氧化还原反应的一般规 律，所耗的氧量、最终产物和释放的能量 均相同
生物氧化 特点：
（1）在细胞内，温和的环境中经酶催化逐步进行。 （2）能量逐步释放。一部分以热能形式散发，以维持体温，
一部分以化学能形式储存供生命活动能量之需（约40%） （3）生物氧化生成的H2O是代谢物脱下的氢与氧结合产生，
TAC
CO2 2H
ADP+Pi ATP
呼吸链
(NADH,FADH2)
H2O
第二节 线粒体氧化体系
真 核 细 胞-线 粒 体 （mitochondria)
是生物氧化的主要场所，主要功能是 将代谢物脱下的氢通过多种酶及辅酶 所组成的传递体系的传递，最终与氧 结合生成水。
定义
指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具有电子传 递功能的酶复合体，可通过链锁的氧化还原将代谢物脱下 的电子最终传递给氧生成水。这一系列酶和辅酶称为呼吸 链 (respiratory chain) 又 称 电 子 传 递 链 (electron transfer chain)。
Biological Oxidation
营养物质在生物体内进行氧化分解，最终生成CO2 和H2O，并释放能量的过程.
生物氧化
体外燃烧
反应条件
温和
剧烈
(体温、pH近中性) (高温、高压)
反应过程
逐步进行的酶促反应 一步完成
能量释放
逐步进行
瞬间释放
（化学能、热能）
（热能）
CO2生成方式 H2O
有机酸脱羧 需要