第6章生物氧化

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。铁卟啉的侧链以及与 蛋白的连接不同。
多异戊二烯
甲酰基
1、复合体Ⅰ作用是将NADH+H+中的电子传递给
泛醌(ubiquinone) 复合体Ⅰ又称NADH-泛醌还原酶。
复合体Ⅰ电子传递：NADH→FMN→Fe-S→
底 物 -羟丁酸 β 琥珀酸 呼吸链的组成 NAD+ →复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ →Cyt c→复合体Ⅳ→O2 复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ →Cyt c→复合体Ⅳ→O2 Cyt c →复合体Ⅳ→O2
Cytaa3 复合体Ⅳ→O2
P/O比值 2.5
可能生成的 ATP数 2.5
1.5
1.5
抗坏血酸
0.88 0.61-0.68
F1
4H+
2H+
NADH氧化呼吸链
NADH氧化呼吸链是体内分布最广的一条重要呼吸
链。生成3分子ATP。
丙酮酸 10H+ 2e
-酮戊二酸
异柠檬酸 苹果酸 谷氨酸 -羟丁酸 -羟脂酰CoA
3-磷酸甘油醛脱氢酶
NAD+→[ FMN (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3
2H 1/2O2
复合体Ⅳ 细胞色素C氧化酶
胞液侧
FMN，Fe-S
QH2 Q
FAD，Fe-S
血红素 bL, bH c1, Fe-S
Cytc
Ⅳ
血红 素aa3， CuA, CuB
线粒体内膜
基质侧
Ⅰ
Ⅲ
1/2O2+2H+
Ⅱ
H2
电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置
递 氢体
NAD+和NADP+的结构
尼克酰胺
R=H: NAD+;
能 能 能
氧化磷酸化偶联部位
琥珀酸
FAD (Fe-S) NADH FMN (Fe-S) CoQ Cyt b→Cyt c→Cyt c Cyt aa3 O2
ATP ATP
ATP
掌握
生物氧化 概念、与体外氧化的不同 氧化磷酸化 概念、呼吸链的概念和组成、P/O、偶联部位
1、NADH氧化呼吸链 NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2 2、琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 →复合体Ⅱ →Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2
FADH2氧化呼吸链
-磷酸甘油 脂肪酰CoA 6H+ 2e
琥珀酸
3-磷酸甘油醛脱氢酶
FAD (Fe-S) →CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2
Cytb 2H+ 6H+
H 2O
(二)氧化磷酸化的偶联机制
化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线
NADH（基质侧） CoQ（脂质核心） 琥珀酸（基质侧）
还原酶
泛醌-细胞色 素C还原酶 250 11
CoQ（脂质核心）
Cyt c（膜间隙侧） Cyt c1， Cyt a Cyt c（膜间隙侧）
13 162
1 13
复合体ⅠNADH-泛醌还原酶
复合体Ⅲ 泛醌-细胞色素C还原酶
复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶
R=H2PO3: NADP+
NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变
5价
3价
氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。
FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯 嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN· 。在 可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态，属于单、 双电子传递体。
H
N
复合体Ⅳ也有质子泵作用。每2个电子传递过程使2个H+ 跨内膜向胞浆侧转移 。
复 合 体 Ⅳ 的 电 子 传 递 过 程
4H+
胞液侧
4H+
2H+
Cyt c
Q
Ⅰ NADH+H+ Ⅱ 延胡索酸
F
Ⅲ
1/2O2+2H+
Ⅳ H2 O
0
基质侧
4H+
NAD+
琥珀酸
F1
4H+
2H+
（二）呼吸链组分的排列
由以下实验确定: 标准氧化还原电位 还原状态呼吸链缓慢给氧
NADH氧化呼吸链
NADH氧化呼吸链是体内分布最广的一条重要呼吸
链。生成3分子ATP。
丙酮酸 10H+ 2e
-酮戊二酸
异柠檬酸 苹果酸 谷氨酸 -羟丁酸 -羟脂酰CoA
3-磷酸甘油醛脱氢酶
NAD+→[ FMN (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3
2H 1/2O2
10H+
2H+ H 2O
电子传递链自由能变化
区段 电位变化 (⊿Eº ′) 自由能变化 能否生成ATP
⊿Gº ′=-nF⊿Eº (⊿Gº ′ ′是否大于30.5KJ)
NAD+~CoQ CoQ~Cyt c Cyt aa3~O2
0.36V 0.21V 0.53V
69.5KJ/mol 40.5KJ/mol 102.3KJ/mol

组成 递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e）
电子传递链各个组分
复合体 复合体Ⅰ 复合体Ⅱ 复合体Ⅲ 细胞色素c 复合体Ⅳ 细胞色素C氧 化酶 酶名称 质量 (kD) 850 140 多肽 链数 39 4 功能辅基 含结合位点
NADH-泛醌 还原酶 琥珀酸-泛醌
FMN，Fe-S FAD，Fe-S 血红素bL, bH, c1, Fe-S 血红素c 血红素aa3， CuA, CuB
1 1
细胞色素c (Fe2+ )
ATP ATP ATP Β-羟丁酸→NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2
P/O
2.5
琥珀酸 →复合体Ⅱ →Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2
P/O
1.5
只是说在这些部位可以生成ATP，因为能量足够，并不是就在这里生成。
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： △G0′ = -nF△E0′ n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/mol· V)
ATP
呼 吸 链 +O2
H2O
氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)
是指代谢物脱下的氢，在呼吸链电子传递过程中 ， 释放的能量偶联ADP磷酸化生成ATP的过程，又 称为偶联磷酸化。
氧? 化
磷酸化 偶? 联
第一节
生成ATP的氧化磷酸化体系
The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing
（一）氧化磷酸化的偶联部位
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 '
1、P/O 比值
指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2 所消耗Pi的 摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP 分子数）。
线 粒 体 离 体 实 验 测 得 的 一 些 底 物 的 P/O 比 值
NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链
琥珀酸 FAD (Fe-S) NADH FMN (Fe-S) CoQ Cyt b→Cyt c1→Cyt c Cyt aa3 O2
4H+
4H+
2H+
胞液侧
Cyt c
Q
Ⅰ
NADH+H+ Ⅱ 延胡索酸
F
Ⅲ
1/2O2+2H+
Ⅳ H2 O
0
基质侧
4H+
NAD+
琥珀酸
CoQ→ Fe-S→ CoQ
每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到
胞浆侧，复合体Ⅰ有质子泵功能。
NADH+H+ NAD+
FMN FMNH2
还原型Fe-S 氧化型Fe-S
Q QH2
复合体Ⅰ的功能
4H+
2、复合体Ⅱ功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。
复合体Ⅱ是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又
称琥珀酸-泛醌还原酶。
“Q循环”
CoQ募集并穿梭传递 还原当量和电子。
“Q循环” 结果：
2QH2 QH2 + Q
传递2e给cytc,并向膜间隙泵出4H+
4、复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧
复合体Ⅳ又称细胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase)。
电子传递：Cyt c→CuA→Cyt a→Cyt a3–CuB→O2 Cyt a3–CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。
特异抑制剂阻断
拆开和重组
还原在前，氧化在后
呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位
氧化还原对
NAD+ /NADN+H+ FMN /FMNH2 FAD /FADH2
E0‘(V)
－0.32 －0.219 －0.219
氧化还原对
Cyt c1 Fe3+ /Fe2+ Cyt c Fe3+ /Fe2+ Cyt a Fe3+ /Fe2+
通过加水脱氢反应使物质能间 接获得氧，并增加脱氢的机会； 物质中的碳和氢直接 氧 结 合 生 成 CO2 和 脱下的氢与氧结合产生H O，
2
有机酸脱羧产生CO2。
H2O 。

生物氧化的一般过程
三酯酰甘油
脂酸+甘油
糖原
葡萄糖
蛋白质
氨基酸
乙酰CoA
底物水平磷酸化 氧化磷酸化
TAC
CO2
ADP+Pi H
一、呼吸链

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
还原反应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)。
E0‘(V)
0.22 0.254 0.29
Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+
Q10 /Q10H2
0.05(0.10)
0.06
Cyt a3 Fe3+ /Fe2+
1/2O2 /H2O
0.35
0.816
1、NADH氧化呼吸链
NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c →
复合体Ⅳ→O2 2、琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 →复合体Ⅱ →Q →复合体Ⅲ→Cyt c → 复合体Ⅳ→O2
N N
N H
N
H
递电子体 铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原 子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+ Fe3++e 反应传递电子。属于单电子传递体。
Ⓢ 表示无机硫Leabharlann Baidu
泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）。 脂溶性醌类化合物，募集电子 和质子。递氢递电子。
异戊二烯
细胞色素(cytochrome, Cyt)
电子传递链可驱动质子移出线粒体
线粒体内膜对H+、OH－、K＋、Cl－离子是不通
透的；
增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成
10H+
2H+ H 2O
FADH2氧化呼吸链
-磷酸甘油 脂肪酰CoA 8H+ 2e
琥珀酸
3-磷酸甘油醛脱氢酶
FAD (Fe-S) →CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2 Cytb 2H+ 8H+
H 2O
二、氧化磷酸化

ATP生成方式
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。 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。
电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S →CoQ
复合体Ⅱ没有H+泵的功能。
QH2
CoQ募集电子和质子
3、复合体Ⅲ功能是将电子从还原型泛醌传递给细
胞色素c。
复合体Ⅲ又叫泛醌-细胞色素C还原酶,含有cytb(b562, b566)、cytc1和一种可移动的铁硫蛋白。 电子传递过程：CoQH2→(Cyt bL→Cyt bH) →Fe-S →Cytc1→Cytc 复合体Ⅲ也有质子泵作用。 Cyt c是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体 中。
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。当质子顺浓 度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。
化学渗透假说简单示意图
线粒体膜
线粒体基质
eH 2O O2
- - - -
ATP
ADP + Pi
++++
H+ H+ 氢的浓度梯度 跨膜电位差
电化学梯度

化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。
生物化学
主讲：葛振英 讲师 生物化学与分子生物学 教研室
生物氧化的概念
物质在生物体内进行氧化称生物氧化(biological oxidation)，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解
时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。
糖
O2
脂肪
蛋白质
CO2和H2O ADP+Pi
能量
ATP
热能
生物氧化与体外氧化之相同点
生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、 失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。 物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终
产物(CO2，H2O)和释放能量均相同。

生物氧化与体外氧化之不同点 生物氧化
体外氧化
能量突然释放。
反应环境温和，酶促反应逐步 进行，能量逐步释放，能量容 易捕获，ATP生成效率高。