第六章 生物氧化

cytC
e cytaa3
1/2O2 H+
（二）呼吸链成分的排列顺序：
按标准氧还电位递增值确定的呼吸链各传递体 的排列顺序是目前一致认可的方法。
在生物化学中，以（E0′）值来表示氧化还原剂
对电子的亲和力。
根据氧化还原原理（E0′）值愈低的氧还对释出 电子的倾向愈大，愈容易成为还原剂，因而排 列于呼吸链的前面。
线粒体的结构
（一）呼吸链的组成
呼吸链可用胆酸,脱氧等反复处理,分离成 四种仍具有传递电子功能的酶复合体,复合 体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ完全镶嵌在线粒体内膜中,复合 体Ⅱ镶嵌在内膜内侧.
1．复合体Ⅰ（NADH-泛醌还原酶）：
将电子从还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 （reduced nicotinamide adenine dinucleotide, NADH），传递给泛醌
铁硫蛋白分子中含有由半胱氨酸残基硫原子与 铁离子形成的铁硫中心，一次可传递一个电子。
在复合体Ⅰ中,其功能是将FMNH2的电子传递 给泛醌.
铁硫蛋白的 分子结构
铁硫蛋白分子 中含有由半胱 氨酸残基硫原 子与铁离子形 成的铁硫中心， 一次可传递一 个电子。
（4）泛醌（ubiquinone，Q）
泛醌是一种黄色脂溶性醌类化合物，以往曾以 为它是一种辅酶，称为辅酶Q（coenzyme Q，Co Q）。
后来发现它是呼吸链中唯一不与蛋白质结合 的电子载体，故称为泛醌更为恰当。
人和哺乳动物组织中的泛醌其侧链有10个异 戊二烯单位（n = 10），以Q10表示。
泛醌接受一个电子和一个质子还原成半醌，再 接受一个电子和一个质子还原成二氢泛醌，后 者又可脱去电子和质子而被氧化为泛醌。将氢 解离成氢离子和电子分别传递.
FMN和FAD与酶蛋白结合得相当牢固。
黄素蛋白的作用是催化代谢物脱氢或传 递氢，前者称为黄素脱氢酶，后者称为 黄酶递氢体。在黄酶递氢体中最重要的 是ＮＡＤＨ－泛醌还原酶。ＦＭＮ或Ｆ ＡＤ的发挥功能的结构是异咯嗪环,可以 接受一对氢原子而变成还原型ＦＭＮＨ ２或ＦＡＤＨ２。
（3）铁硫蛋白
铁硫蛋白分子中含有等量的铁原子和硫原子,所 以称铁硫蛋白，铁硫蛋白在线粒体内膜上常与 其他递氢体或递电子体(黄素蛋白或细胞色素) 构成复合物存在。
FAD
↓
NAD+→[FMN(Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2
0.36V
0.21V
0.53V
（二）氧化磷酸化的偶联机制：
目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年由 Mitchell提出的化学渗透学说。
这一学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上， 当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到 线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜 pH梯度和跨膜电位差。
首先由NADH提供1个质子和2个电子,加上线粒体 基质内1个质子,使FMN还原成FMNH2.FMNH2内 膜胞浆侧释放出2个质子,将2个电子Fe-S.
第二个回路开始时Fe-S放出2个电子重新被氧化,将 2个电子加上基质内的2个质子传递给泛醌,使泛醌 还原成QH2. QH2移至内膜胞浆侧释放出2个质子, 而将2个电子交给Cyt b.
当H+顺浓度梯度经F0回流时，F1催 化ADP和Pi，生成并释放ATP。
ATP合酶的分子结构
ATP合酶F1段的结构
ATP合成模式图
三、氧化磷酸化的影响因素
（一）抑制剂
1．呼吸链的抑制剂： 能够抑制呼吸链递氢或递电子过程的药
物或毒物称为呼吸链的抑制剂。
能够抑制第一位点的有异戊巴比妥、粉蝶 霉素A、鱼藤酮等；(复合体I)
泛醌接受一个电子和一 个质子还原成半醌，再 接受一个电子和一个质 子还原成二氢泛醌，后 者又可脱去电子和质子 而被氧化为泛醌。
2．复合体Ⅱ（琥珀酸-泛醌还原酶）：
琥珀酸脱氢酶 + 2（Fe-S）+2（Cyt b560）
以FAD为辅基
琥珀酸 FADH
H+ ，e FeS
Cyt b560
CoQ
细胞色素
4．复合体Ⅳ（细胞色素c氧化酶）：
Cyta + Cyta3
复合体IV将电子从细胞色素C传递给氧。人体 细胞中的复合体IV中含有Cyt a和Cyt a3。由 于两者结合紧密，很难分离，故合称为细胞色 素氧化酶（Cyt aa3）。在aa3分子中除铁卟啉 外，尚含有2个铜原子，依靠其化合价的变化， 把电子从 a3传到氧，故在细胞色素体系中也是 呈复合体排列的。
丙酮酸 α-酮戊二酸 硫辛酸
异柠檬酸 苹果酸 谷氨酸
FAD
2e
NAD+→[ FMN (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3
β-羟丁酸
2H
β-羟脂酰CoA
1/2O2
2H+
H2O
2. 琥珀酸氧化呼吸链：
FAD呼吸链由黄素蛋白、泛醌、细 胞色素体系、铁硫蛋白所组成， FAD呼吸链各组分的排列顺序见图：
化产生的能量不能用于ADP磷酸化的药物或毒 物称为解偶联剂。 其基本作用机制是使呼吸链传递电子过程中泵 出的质子不经ATP合酶的F0质子通道回流,而通 过线粒体内膜中其他的途径返回线粒体基质,破 坏质子梯度.抑制ATP生成,组成的能量以热能 的方式释放. 主要的解偶联剂有2,4-二硝基苯酚(DNP)。脂 溶性物质,进入基质侧时释出质子,返回胞浆侧 时,结合质子,破坏质子梯度.
这种形式的“势能”，可以被存在于线粒体内 膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基团，并 与ADP结合而合成ATP。
1．质子梯度的形成机制：
质子的转移主要通过氧化呼吸链在递 氢或递电子过程中所形成的氧化还原 袢来完成。
当质子从膜间腔返回基质中时，这种“势 能”可被位于线粒体内膜上的ATP合酶利 用以合成ATP。
1. NADH氧化呼吸链 2. 琥珀酸氧化呼吸链
1．NADH氧化呼吸链：
NADH呼吸链是细胞内的主要呼吸链， 因为生物氧化过程中大多数脱氢酶都是 以NAD+为辅酶，代谢物脱下的氢使辅 酶由氧化型（NAD+）转变为还原型 （NADH）。NADH通过这条呼吸链将 氢最终传递给氧而生成水，NADH呼吸 链各组分的排列顺序见图：
α-磷酸甘油
脂肪酰CoA 琥珀酸
FAD (Fe-S) Cytb
[FAD(FP)] →CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2
二、氧化磷酸化
在线粒体中，底物分子脱下的氢原子 经递氢体系传递给氧，在此过程中释 放能量使ADP磷酸化生成ATP，这种 能量的生成方式就称为氧化磷酸化。
直 接 将 底 物 分 子 中 的 高 能 键 转 变 为 ATP分子中的末端高能磷酸键的过程 称为底物水平磷酸化。
每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩 尔数称为P/O比值。
合 成 1molATP 时 ， 需 要 提 供 的 能 量 至 少 为 ΔG0'=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差 ΔE0'=0.2V。故在NADH氧化呼吸链中有三 处可生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸链中， 只有两处可生成ATP。
2、 ATP合酶
ATP合酶（ATP synthase）位于线粒体内 膜的基质侧，形成许多颗粒状突起。该酶主 要由F0（疏水部分）和F1（亲水部分）组成。
F0含有较多的亮氨酸、丙氨酸等，是疏水蛋 白，因此可以进入膜脂质，贯穿整个膜。 F0 构成H+通道，允许H+通过并不需要载体。
F1主要由α3β3γδε亚基组成，其功能 是催化生成ATP。β亚基有催化活性， 但β亚基必须与α亚基结合才有活性； γ亚基控制质子通过。
NADH
e FMN
FeS
CoQ
H+
（1）辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ
NAD+（辅酶I，coenzyme I，Co I）与NADP+（辅 酶II，coenzyme II，Co II）是烟酰胺脱氢酶类的辅酶， NAD 或NADP 分子中烟+酰胺的氮+ 为五价,能接受电子 成为三价氮.此时其对侧的碳原子可进行加氢反应.在加 氢反应时只能接受1个氢原子和1个电子,将+另一个H 游 离出来.结构如下：
生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列 氧化还原反应，所以又称为细胞氧化或细胞呼吸。
思考：以下关于营养物质在体内氧化和体外燃烧的叙述正确的是
A．逐步释出能量 B．氧和碳原子化合产生CO2 C．需要催化剂 D．彻底氧化产生相同产物 E．体外燃烧释出的能量大于体内氧化
生物氧化过程： 代谢物分子脱氢，并解离成氢离子和电子; 电子经过中间载体传给氧分子，激活氧; H+和O2-结合成H2O ，并释放能量;
所有生命都利用太阳能
三大 营养 物质
氧化 分解
糖、脂肪和蛋白质等有机物在体内的逐步氧化分 解化（成bCiOol2o和gicHa2lOo，xid并at释ion放）出。能量的过程称为生物氧
与体外燃烧不同的是，生物体内的生物氧化过程 是在37℃，近于中性的含水环境中，由酶催化进 行的；反应逐步释放出能量，相当一部分能量以 高能磷酸酯键的形式储存起来。
底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：
⑴
3-磷酸甘油酸激酶
1,3-二磷酸甘油酸+ADP
3-磷酸甘油酸+ATP
⑵
丙酮酸激酶
磷酸烯醇式丙酮酸+ADP
烯醇式丙酮酸+ATP
⑶
琥珀酰CoA合成酶
琥珀酰CoA+H3PO4+GDP
琥珀酸+CoA+GTP
琥珀酸硫激酶
（一）氧化磷酸化的偶联部位：
通过测定在氧化磷酸化过程中，氧的消耗 与无机磷酸消耗之间的比例关系，可以反 映底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关 系。
Cyt b是跨膜蛋白,将2个电子交还给泛醌,加上基质 内的2个质子又使泛醌还原成QH2.QH2将2个质子 向胞浆侧释出,2个电子最终依次传递给氧,并与基 质内的2个质子生成水.
质子梯度的形成
当质子从膜间腔返回基质中时，这种 “ 势 能 ” 可 被 位 于 线 粒 体 内 膜 上 的 ATP 合酶利用以合成ATP。
能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基 丙醇； (复合体III)
能够抑制第三位点的有 CO、H2S和CN-、 N3- 。 其 中 ， CN- 和 N3- 主 要 抑 制 氧 化 型 Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制还原型 Cytaa3-Fe2+。 (复合体IV)
2．解偶联剂： 不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，但能使氧
这是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的蛋 白质。
细胞色素可存在于线粒体内膜，也可存在于微 粒体。
在生物氧化反应中，其铁离子可为+2价亚铁离 子，也可为+3价高铁离子。通过这种转变而传 递电子。细胞色素为单电子传递体。
各种细胞色素的主要差别在于铁卟啉辅基的侧 链以及铁卟啉与蛋白质部分的连接方式。参与 呼吸链组成的细胞色素有细胞色素a、b、c， 每一类中又因其最大吸收峰的微小差别再分为 几种亚类。
第一节 生成ATP的氧化体系
一、线粒体氧化呼吸链
在线粒体中，由若干递氢体或递电子体 按一定顺序排列组成的，与细胞呼吸过 程有关的链式反应体系称为呼吸链。
这些递氢体或递电子体往往以复合体的 形式存在于线粒体内膜上。
不论递氢体还是电子传递体都起传递电 子的作用,所以呼吸链又称电子传递链.
复合体III将电子从泛醌传递给细胞色素Ｃ。人体 细胞的复合体III中含有２种细胞色素b（Ｃytb５６ ２，b５６６）、细胞色素Ｃ１和铁硫蛋白。Cytc呈 水溶性,与线粒体内膜外表面结合不紧密,极易与 线粒体内膜分离,故不包含在上述复合体中.
Байду номын сангаас
CoQ
cytb ADP
e FeS
cytC1 H+
ATP
cytC
NAD+
NADP+
（2）黄素蛋白（fliavoprotein，ＦＰ）
是一类氧化还原酶，其辅酶中含有核黄 素而呈黄色，故又称黄酶。
黄素蛋白的辅基有两种：黄素单核苷酸 （flavin mononucleotide, FMN）和黄素腺 嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide, FAD）。
存在于线粒体内膜的细胞色素有Cytaa3，Cytb （b560，b562，b566），Cytc，Cytc1；而存在于 微粒体的细胞色素有CytP450和Cytb5。
在典型的线粒体呼吸链中，其传递 顺序是：
b c1 c aa3 O2
细胞色素b的分子结构
3．复合体Ⅲ（泛醌-细胞色素c还原酶）： 2Cytb + Cytc1 +（Fe-S）