生物化学生物氧化

琥珀酸 ↓
抗霉素A 二巯基丙醇
CO, CN－ N 3－, H 2S
↓ NADH→FMN→CoQ→Cyt b→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2
×
鱼藤酮 粉蝶霉素A 异戊巴比妥
FADH2
×
×
三、氧化磷酸化 (一) 线粒体结构 (二) 氧化磷酸化机制 1. ATP合成部位
－0.22 PhotosystemP 700
3 2 －0.20 Fe e Fe 1 －0.18 O2 2 H 2e H 2O 2
(三) 电势和自由能的关系
体系自由能的改变等于体系所做最大功的能量
G Wmax
体系所做最大功也可以看成是自由能的变化
' Wmax Go ' nEo F
（二）电子传递链
电子从NADH到O2的传递所经过的途径形象地被称为电子链，也 称呼吸链。由一系列的递氢体和递电子体按一定的顺序排列所组成的 连续反应体系，它将代谢物脱下的成对氢原子交给氧生成水，同时有 ATP生成。
复合体 复合体 I. NADH-Q还原酶 复合体 II. 琥珀酸-Q还原酶
亚基数 46 5 11 13
Cytc
0.8
1.0
复 合 体 Ⅳ
100
1 O2 2 H 2 H 2O
0
FeS NADH FMN Fe S Q [ Cytb ] Cytc1 Cytc Cyta Cyta3 O2
Succinate FAD Fe S
ΔGo’ (KJ mol－1)
Lipidacid 2H 2e Dihydrolipoicacid
－0.29 Cytochromea, Fe3 e Fe2
－0.23 Cytochromef , Fe3 e Fe2 －0.22
NO3 2H 2e NO2 H2O
0.29
细胞色素
分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通过Fe3+、 Fe2+形式变化传递电子，根据吸收光谱的不同将细胞色素分为a, b, c三类。细胞色素c是唯一能溶于水的细胞色素。呼吸链中有5种： 细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。
3. 复合体Ⅲ (Q-细胞色素c氧化还原酶)
安密妥、鱼藤酮等抑制电子从复 合体Ⅰ中铁硫中心到Q的传递。
辅酶Q：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传 递电子。有3种氧化还原形式即氧化型醌Q，还原型氢醌(QH2)和介 于两者之者的自由基半醌(QH)。
O CH3 O CH3 O O CH3 (CH2 CH C CH2 )n H CH3
n=6-10
外 Q 2H
＋
Q
e
－
eb eb
－ －
•Q－ QH2
e
－
Fe-S
e
－
外
C1
2 H＋ •Q－ QH2
562
Q
566 562
e b eb
－ －
e
－
－
e Fe-S
－
C1
566
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•Q－
e
内
内
•Q－ 2H＋
QH2
左： H2 Cytc1 (氧化型) Q Cytc1 (还原型) 2H外 Q
右： 2 Q +Cytc1(氧化型) 2H内 QH2 Q Cytc1(还原型) 2H外 QH
－
e
－
＋
负极反应: 氧化反应
正极反应: 还原反应
Zn Zn2 2e
负极电极电势: 锌片与硫酸锌溶液间
o o E负极 EZn2 / Zn 0.76V
Cu 2 2e Cu
正极电极电势: 铜片与硫酸铜溶液间
o o E正极 ECu2 /Cu 0.34V
o o 电动势(正负电极间) E正极 E负极 0.34V (0.76) 1.10V
抑制剂 CN－
200
(三) 电子传递链各个成员 1. 复合体Ⅰ(NADH-Q还原酶) 由42个不同的多肽链构成，包含有FMN辅基的黄素蛋白和至少6个 铁硫中心[Fe-S]。同时催化两个紧密相连的过程： ①通过FMN将基质中NADH上的氢负离子和一个质子转移个辅酶Q。 ②从基质中转移4个质子(每对电子)到线粒体内膜外侧。 + 全过程 NADH 5H内 Q NAD +QH2 +4H外 产生的QH2在线粒体内膜中从复合体Ⅰ扩散到复合体Ⅲ并将电 子传递给复合体Ⅲ后，本身被氧化。
Go ' 220kJ / mol 52.6kcal / mol Go ' 181.6kJ / mol 43.4kcal / mol
需氧细胞内糖、脂肪、氨基酸等通过各自的分解途 径，所形成的还原型辅酶，包括NADH和FADH2通过电 子传递途径被重新氧化。还原型辅酶上的氢原子以质子 形式脱下， 其电子沿着一系列的电子载体转移，最后转 移到分子氧。质子和离子型氧结合成水。在电子传递过 程中释放出的大量自由能则使ADP磷酸化成ATP。
0.36 0.42 0.43 0.77 0.82
GSSG 2H 2e 2GSH
FAD 2H 2e FADH2 FMN 2H 2e FMNH2
Acetyldehyde 2H 2e Ethanol Pyruvate 2H 2e Lactate
电子供体到电子受体的四种电子转移方式 ① 以电子形式直接转移 例如 Fe2 / Fe3 电子对转移电子至 Cu 2 / Cu 电子对
Fe2 Cu 2 Fe3 Cu
② 电子以氢原子的形式转移
AH 2 A 2e 2 H AH 2 B A BH 2
Cytochrome c (×2) c
e e
－
－
c1
Cytochrome c1 QH2 Q
e e Fe-S e e b 4e ee e
－ － － L － － －
ISP 4 H＋ 2Q 2 QH2
－
outsite
－
bH Cytochrome b
2 H＋
insite
Q循环 二个QH2参与电子传递过程，使二个CytC还原，该过程 又产生了一个QH2。这样使得携带二个电子的载体QH2经过 细胞色素还原酶后转交给带一个电子的CytC。这有利于电子 的有效利用。
Biological
Oxidation
Oxydative phosphorylation
To teach is not to fill a vase but to light a fire
一、氧化还原电势 (一) 原电池 在容器A中放入硫酸锌溶液并插入锌片，在容器B中放入硫酸铜溶 液并插入铜片，两溶液间用盐桥(饱和氯化钾和琼脂凝胶)，再用导线 将两金属片连接起来。
辅基 FMN, 9 Fe-S中心 FAD, Cytb560, 3 Fe-S中心
氧化还原组分 NADH, Q 琥珀酸, Q Q, Cyt C Cyt C
复合体 III. 细胞色素还原酶
复合体 IV. 细胞色素氧化酶
CytbH(Cytb-562), Cytc1, CytbL(Cytb-566), Fe-SRieske
③ 电子以氢负离子(H－)的形式转移
3 - 磷酸甘油醛+ Pi+ NAD+ 1,3 - 二磷酸甘油酸+ NADH + H +
④ 有机氧化剂加氧，电子转移至氧原子
1 R - CH 3 + O2 R - CH 2 - OH 2
(二) 生物体中某些重要的氧化-还原电势
Reduction half-reactions
－0.43 Cytochromeb5 (microsomal ) Fe3 e Fe2
－0.42 Fumarate 2H 2e Succinate
Ketoglutarate CO2 2H 2e Isocitrate －0.38 Ubiquinone(Q) 2H 2e QH2
① 二聚体 (两个相同的单体，每个单体含11不同的亚基)。 ② 每个单体含有一个功能核心：bH(Cytb562)、bL(Cytb566)、Cytc1、 Rieske铁硫蛋白[2Fe-2S]中心。 功能：通过Q循环传递电子
QH2 2Cytc1 (氧化型) 2H内 Q 2Cytc1 (还原型) 4H外
4Cytc1 (还原型) 8H内 O2 4Cytc1 (氧化型) 4H外 2H2O
c
2 H＋
e e
－
－
CuA
e ea
－ －
Cytochrome c oxidase
3
outsite
－
a 2 H＋
CuB
e e
－
insite
H2O
½O2＋2H＋
(四) 电子传递的抑制剂
① 抑制第一位点的有异戊巴比妥、粉蝶霉素A、鱼藤酮等； ② 抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇； ③ 抑制第三位点的有CO、H2S和CN－、N3－。其中，CN－和N3 －主要抑制氧化型Cytaa -Fe3+，而CO和H S主要抑制还原型 3 2 Cytaa3-Fe2+。
铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通 过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，有FeS、2Fe-2S和4Fe-4S三种 类型。
2. 复合体Ⅱ (琥珀酸-Q还原酶)
包含TCA循环中的琥珀酸脱氢酶、FAD、铁硫中心 和A、B、C、D四种蛋白亚基。每个亚基都有3个跨膜螺 旋，都有血红素和一个与泛醌结合的位点。 功能：琥珀酸 FAD 铁硫中心 Cytb560 Q 无氢质子横穿线粒体内膜。
FAD 2H 2e FADH2 (Lipoyl )
NADP 2H 2e NADPH H NAD 2H 2e NADH H
0.04
0.08 0.22 0.23
－0.34 Cytochromeb5 (mitochodrial ), Fe3 e Fe2 －0.32 Cytochromec1, Fe3 e Fe2 －0.32 Cytochromec, Fe3 e Fe2
Cyta, Cyta3, CuA, CuB
电子传递链标准氧化还原势和ATP形成部位
抑制剂 鱼藤酮 安密妥 ADP+Pi ATP 抑制剂 抗霉素A
－0.4 －0.2
NADH NAD+ 琥珀酸 延胡索酸 复合体Ⅰ
复合体 Ⅱ
ADP+Pi
ATP
Eo’ (V)
0
ADP+Pi
ATP
Q
0.2
0.4 0.6
复合体 Ⅲ
Ferredoxin, Fe3 e Fe2
2H 2e H2
Eo’(v)
Reduction half-reactions
Eo’(v)
－0.17
0.02 0.03
AcetylCoA CO2 H 2e Pyruvate CoA －0.48 Oxaloacetate 2H 2e Malate
＝ －2×96485×[0.82－(－0.32)]
＝ －220 KJ· －1 mol
二、电子传递和氧化呼吸链
（一）电子传递过程 电子传递过程包括电子从还原型辅酶上通过 一系列 按照电子亲和力递增顺序排列的电子载体所构成的电子 传递链传递到氧的过程。
1 NADH H O2 NAD H 2O 2 1 FADH 2 O2 FAD H 2O 2
4. 复合体Ⅳ (细胞色素c氧化酶)
由13个 (哺乳)和3个(细菌)亚基组成，推出只有3个亚基与传递电 子和转移氢质子有关。 亚基1和亚基2上有四个氧化还原活性(金属离子)中心：血红素a (Cyta), 血红素a3 (Cyta3), CuB中心, CuA (两个相邻铜原子)中心。其中， 血红素a3和CuB组成为双核中心(氧分子在此接受电子)。 电子传递： Cyt c→CuA→Cyt a→Cyta3-CuB→O2
(四) 标准电动势和平衡常数的关系
RT RT RT [氧化剂] o Eo ln Keq 2.3 lg Keq 2.3 lg nF nF nF [还原剂]
例：计算NADH氧化反应的ΔGo’
1 NADH H O2 NAD H 2O 2
正极反应：½ O2＋2H+＋ 2e＝H2O Eo’＝0.82 负极反应：NAD+＋H+＋2e＝NADH Eo’＝－0.3 ΔGo’ ＝－nFΔEo’