生物化学07第七章 生物氧化与氧化磷酸化

线粒体的结构
（一） 电子传递体是酶复合体的辅酶或辅 基
电子传递体： 就是组成呼吸链的几种酶复合体的辅酶或辅 基。
有的直接传递氢，有的传递电子。
电子传递体具有不同的氧化还原电位（redox potential），决定了它们在呼吸链中的排列次 序。
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）。
生物氧化（biological oxidation）
泛指在生物体内发生的任何氧化还原反 应，也包括营养物和生物分子在生物体（细 胞）内进行的氧化还原作用。
营养物和生物分子经历氧化还原反应被 彻底分解，产生H2O、CO2，并伴有ATP的生 成，或转化为其它分子, 此过程需耗氧、排出 CO2。
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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
FMN FMNH2
还原型Fe-S 氧化型Fe-S
Q QH2
复合体Ⅰ的功能
2. 复合体Ⅱ
1）又称琥珀酸-泛醌还原酶, 4个亚基组成。 以FAD、Fe-S和血红素b（heme b566）为 辅基。
2）复合体Ⅱ镶嵌在内膜的内侧。黄素蛋白、 铁硫蛋白突入基质；
两个疏水跨膜蛋白结合细胞色素将复合物锚 定于内膜。
只参与电子传递。 催化电子从琥珀酸至CoQ。
• 3 ）电子传递：琥珀酸→FAD→几种 Fe-S →血红素b → CoQ。
• ４）复合体Ⅱ催化电子传递释放的自 由能较少，因此没有H+泵的功能，不 产生跨线粒体内膜的质子梯度。
3．复合体Ⅲ
１）复合体Ⅲ又叫泛醌-细胞色素c氧化还原酶或 细胞色素ＢＣ１复合体
（2）催化不涉及呼吸链的氧化还原反应，促 进代谢物之间氢的交换。
（3）通过催化可逆的反应促进还原当量在细 胞内的自由运转或穿梭。
（一）很多不需氧脱氢酶以尼克酰胺腺嘌呤 核苷酸为受氢体
维生素PP 包括尼克酸和尼克酰胺。 NAD+（辅酶I，coenzyme I，Co I） NADP+（辅酶II，coenzyme II，Co II） 是烟酰胺脱氢酶类的辅酶。 是维生素PP的活性形式。
第七章 生物氧化与氧化磷酸化
Biological oxidation and oxidative phosphorylation
第一节
生物氧化反应及氧化还原酶基本类型
Reactions and Oxidative-Reductive Enzymes in Biological Oxidation
一、生物氧化
维生素B2是核醇与异咯嗪的缩合物。具 黄色，又叫核黄素。
维生素B2 在黄素激酶作用下生成FMN 。 FMN在焦磷酸化酶作用下生成FAD。
FMN和FAD是维生素B2的活性形式。
琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶、 NADH-Q氧化还原酶和琥珀酸-Q还原 酶等
分别以黄素单核苷酸（flavin mononucleotide，FMN）、黄素腺 嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD为辅酶。
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。
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：
铁硫蛋白
铁硫蛋白辅基：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+ 和Fe3++e- 反应传递电子。属于单电 子传递体。 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。
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。
b c1 c aa3 O2
（二）复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ在电子传递中有 质子泵作用
采用胆酸、脱氧胆酸处理线粒体内膜，经 硫酸铵分级分离，可纯化出呼吸链成分，得 到4种酶复合体（complex）。
复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ完全镶嵌在线粒体内膜 中，跨膜。
参与电子传递过程，同时驱动产生跨线粒体 内膜的质子梯度。
复合体Ⅱ镶嵌在内膜的内侧，只参与电子 传递。
能磷酸酯键的形式储存起来。
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。
生物氧化过程：
• 代谢物分子脱氢，并解离成氢离子和电子； 还原当量（reducing equivalent ）一般是指 以氢原子或氢离子形式存在的一个电子或一 个电子当量。
• 电子经过中间载体传给氧分子，激活氧；
• 真核细胞ATP的生成主要发生在线粒体中。
• 营养物经氧化脱氢、电子传递、质子泵流 和ATP合成等过程结合偶联成一个整体, 高效完成线粒体的呼吸作用。
一、呼吸链
在线粒体内膜中，由一系列具有氢和/或电子 传递功能的酶复合体按一定顺序排列，组成 的 氧 化 还 原 体 系 称 为 呼 吸 链 （ respiratory chain）。 因为传递氢相当于传递质子和电子（2H+ + 2e） ， 所 以 呼 吸 链 又 称 电 子 传 递 链 (electron transport chain)。
4. 复合体Ⅳ将电子从细胞色素c传递给氧
1）复合体Ⅳ又称细胞色素c氧化酶 (cytochrome c oxida—se)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c 氧化酶（Cyt aa3）。
２）复合体Ⅳ有13个亚基。
其中SU1～SU3构成复合体核心，负责细 胞色素Ｃ氧化、电子传递、氧气的还原。
２）人体细胞的复合体III中含有２种细胞色素b （Ｃytb５６２，b５６６）、细胞色素Ｃ１和铁硫 蛋白。
Ｃytb５６２血红素辅基亲和力高，b５６６血红素辅 基亲和力低。
细胞色素b、细胞色素Ｃ１和铁硫蛋白的作用是 进行泛醌氧化、电子传递、细胞色素Ｃ还原。
• ３）泛醌是双电子载体，细胞色素Ｃ１是单 电子载体，复合体III电子传递需经Ｑ循环。
血红素 C
O HC
OOC CH2 CH2
CH2 CH2 CH CH3 HC OH
CH3 C CH2 3 H
N N Fe N
N
CH3 CH CH2
CH2 CH3 CH2 COO
血红素 b
第二节
线粒体氧化体系与氧化磷酸化
Mitochondrial oxidative system and oxidative phosphorylation
电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置
胞液侧 4H+
2H+ 4H+ Cyt c
+
+++++ +
++
+
Q
Ⅰ
--
NADH+H+
NAD+
Ⅱ
-
延胡索酸
琥珀酸
Ⅲ- - -
Ⅳ
--
H2O 1/2O2+2H+
F
0
-
F1
基质侧
ADP+Pi ATP
H+
1. 复合体Ⅰ将NADH+H+中的两个质 子/电子传递给泛醌（ubiquinone）
由线粒体基因编码，含铁和铜离子位点。
其它10个亚基起调节作用。
SU2含两个铜离子与—SH结合组成双核 中心——CuA中心。
SU1含血红素a和a3及一个铜离子，铜离 子和血红素a3形成第二个双核中心，
叫血红素a3 -CuB中心。将电子传递给O2。
3）细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使 O2还原成水的过程中，有强氧化性中 间物----超氧离子生成。
• H+和O2-结合成H2O ，并释放能量。
二、很多氧化酶直接以氧为受氢/电子体
氧化酶类是一大类酶的统称，泛指催化涉及 氧分子（O2）的反应。
分为4组： 氧化酶（oxidases） 需氧脱氢酶 (aerobic dehydrogenases) 加氧酶 (oxygenases) 氢过氧化物酶（hydroperoxidases）
细胞色素
• 这是一类血红素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。
• ４）复合体Ⅲ每传递2个电子向内膜胞浆侧 释放4个H+，复合体Ⅲ也有质子泵作用。
• ５）复合体III将电子从泛醌传递给细胞色 素Ｃ。
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。
CoQ
cytb ADP
e FeS
cytC1
H+ ATP
cytC
复合体Ⅲ QH2→ b562; b566; Fe-S; c1 →Cyt c
三、不需氧脱氢酶
不需氧脱氢酶 （anaerobicdehydrogenases）：
指能催化底物脱氢而又不以氧为直接受氢体 的酶。
此类酶不是将氢（H+ + e-）直接传递给O2， 而是使H活化并由辅酶或辅基接受，产生还原 型辅酶或辅基。
主要功能： （1）作为呼吸链/电子传递链中氢或电子载
体，间接将氢或电子传递给O2，生成H2O， 与产生ATP相关。
• 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 质子游离出来, NADH(H+) • 结构如下：
NAD+和NADP+的分子结构
NNAADDPP++
（二）某些不需氧脱氢酶以黄素核苷酸为 受氢体
其辅酶中含有核黄素而呈黄色，故又称 黄酶。
FMN的加氢和脱氢反应
FMN结构中含核黄素，功能部位是异咯嗪环，氧 化还原反应时不稳定中间产物是FMNH• 。
O
H3C
5
N
10
4 NH
FAD
8
9
1
H3C
N NO
NH2
HCH
H C OH H C OH
N
N
H C OH O
O
N
N
CH2 O P O P O CH2 O
1）复合体Ⅰ又称NADH-泛醌氧化还原酶。
是呼吸链的主要入口，含亚基最多，分 别由核基因和线粒体基因编码。
辅基为FMN和多个铁硫中心。
2）复合体Ⅰ电子传递： NADH→FMN→Fe-S→ CoQ
3）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+
特点：分别存在于不同亚细胞结构中，多数 催化物质转化，与ATP的生成无关。
（一）某些氧化酶辅基含铜或铁卟啉
催化的反应可以O2为直接受氢体，
产物: 为H2O。 辅基: 主要成分是Cu2+或铁卟啉， 存在: 线粒体。
如细胞色素C氧化酶、抗坏血酸氧化酶。
（二）需氧脱氢酶直接还原氧生成过氧化氢
它们催化的反应以O2为直接受氢体， 产物: H2O2。 辅基: 为FAD或FMN.
但它们始终和双核中心紧密结合，被束 缚在表面而不释放到周围介质，不会 引起细胞损伤。
４）复合体Ⅳ有质子泵作用，有两个质 子通道。
A 一个使基质中质子能到达氧气； B 另一个使质子跨内膜转移到胞质侧。
每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞 浆侧转移
５）电子传递：Cyt c→CuA→Cyt a→Cyt a3–CuB→O2
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。
属于黄素酶(flavoenzyme)，如醛脱氢酶、黄嘌 呤氧化酶、L-氨基酸氧化酶等。
黄嘌呤氧化酶(xanthine oxidase)辅基还含有 钼（Mo）和铁-硫蛋白。
（三）加氧酶和氢过氧化物酶
各种加氧酶以及氢过氧化物酶(包括过 氧化氢酶、过氧化物酶。)
主要存在于微粒体，参与某些代谢物、药 物、毒物的转化或清除。
OH OH
HH
H
H
OH OH
（三）某些氧化还原酶以血红素为电 子载体
Q-细胞色素c氧化还原酶（复合体Ⅲ）以血红 素bH、bL及c1为辅基，传递电子。
CH3 CH3 HC S CH2 protein
H3C OOC CH2 CH2
N N Fe N
N
CH2 CH2 COO
CH3
CH3
CH S CH2 protein CH3