第六章 生物氧化

R=H: NAD+;
R=H2PO3: NADP+
目录
NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变
递H++2e 氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。
目录
FMN 结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯 嗪环。
FMN FAD
R N
+2H
FMNH2 FADH2
R N
递2H++2e
1
N O NH O H H3C H3C
目录

生物氧化的一般过程
糖原 三酯酰甘油 蛋白质 氨基酸
葡萄糖
脂酸+甘油
乙酰CoA
TAC
CO2 2H
ADP+Pi 呼吸链
ATP H2O
目录
第一节
生成ATP的氧化磷酸化体系
The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing
目录
Mitochondrion
O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆
侧转移 。
目录
复合体Ⅳ结构
目录
复 合 体 Ⅳ 的 电 子 传 递 过 程
目录
（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低 到高的顺序排列
由以下实验确定: 标准氧化还原电位 拆开和重组
特异抑制剂阻断
还原状态呼吸链缓慢给氧
目录
呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位
Ⅳ
0
F1
基质侧
ADP+Pi ATP H+
（三）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 OSCP），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，
传递氢的酶或辅酶
目录
（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力 的复合体组成
酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存 在形式，所含各组分具体完成电子传递过程。电
子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒体内膜，
转变为跨内膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物 合成。
目录
人线粒体呼吸链复合体
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
→Fe-S →Cytc1→Cytc
目录
细胞色素(cytochrome, Cyt)
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。 属于单电子传递体
目录
复合体Ⅲ的电子传递通过“Q循环”实现。
目录
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。
⊿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
能 能 能
目录
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
第6章
生物氧化
Biological Oxidation
目录
* 生物氧化的概念
物质在生物体内进行氧化称生物氧化，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
细胞呼吸
热能
目录
生物氧化的特点： 1、反应条件温和(在体温37℃，pH近中性)的有 水环境中进行。 2、反应由酶催化。 3、逐步放能，有利于ATP的生成。 4、H2O由代谢物脱下的氢和氧结合生成， CO2由有机酸脱羧生成。
素C还原酶
Fe-S
血红素c 血红素a，a3， CuA, CuB
泛醌、细胞色素c不包含在上述四种复合体中。
目录
4H+
琥珀酸
Ⅱ
延胡索酸
4H+
Cytc ox Cytc red Cytc red
2H+
胞液侧
Cytc ox
QH2 Q
基质侧
Ⅲ
线粒体内膜
Ⅳ
Ⅰ
1/2O2+2H+ H2 O
NADH+H+
NAD+
R
H3CO OH
R
CoQ (醌型或氧化型)
CoQH (半醌型)
CoQH2 (氢醌型或还原型)
目录
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。
电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S →CoQ
复合体Ⅱ没有H+泵的功能。
目录
目录
目录
AH2 2H NADH+H (或 FADH2) 电子传递链 A NAD (或 FAD) 释放能量 ADP + Pi ATP合成酶 ATP 磷酸化过程
+ +
H2O 氧化过程 1/2 O2 氧 化 磷 酸 化
目录
底物水平磷酸化
1,3-BP- 甘油酸 +ADP
3-P-甘油酸激酶
3-P-甘油酸 +ATP
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。
目录
质子梯度 ＝ 能量
氧化磷酸化
势能
电能
势能 ATP
目录
Peter Mitchell Nobel Prize in Chemistry, 1978
"for his contribution to the understanding of biological energy transfer through the formulation of the chemiosmotic theory"
目录
铁硫蛋白
S
无机硫
S
半胱氨酸硫
目录
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）。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。 递2H++2e
O H3CO CH3 H H3CO O CH3 H H3CO OH CH3
H3CO O
R
H3CO OH
4H+
4H+
2H+
电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置
目录
电子传递链各组份的排列顺序
FADH2 (Fe-S)
NADH FMN (Fe-S) I Q II Cytb Cytc1 (Fe-S) III Cytc
aa3
O2 IV
目录
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。
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+
E0‘(V)
0.22 0.254 0.29
Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+
目录
二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与 ADP磷酸化生成ATP偶联

ATP生成方式
氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)：代谢物脱 下的氢，经氧化呼吸链电子传递释放能量，偶联驱 动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，直接将高能代谢物分子中的能量转 移给 ADP( 或 GDP) ，生成 ATP( 或 GTP) 的过程。不 经电子传递。
目录
一、呼吸链

定义 代谢物脱下的成对氢原子（ 2H）通过多种酶和
辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生
成水， 这一系列酶和辅酶组成的传递链称为呼吸链
(respiratory chain)又称电子传递链(electron transfer chain)。

组成
传递电子的酶或辅酶
递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e）
Q10 /Q10H2
0.05(0.10)
0.06
Cyt a3 Fe3+ /Fe2+
1/2O2 /H2O
0.35
0.816
目录
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、FADH2氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）
琥珀酸 →复合体Ⅱ →Q →复合体Ⅲ→Cyt c →
可能生成的 ATP 数 3
2
2
细胞色素c (Fe2+ )
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) 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
ATP ATP
ATP
目录
近代实验和电化学计算结果：
平均每泵出4个H+才合成并转运1分子ATP
NADH氧化呼吸链泵出10个H+：10/4=2.5（分子ATP）
FADH2氧化呼吸链泵出6个H+：6/4=1.5（分子ATP）
目录
(二)氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜 的质子梯度
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
It isn’t a theory, it’s a fact.
目录
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+ 2H+ 4H+ Cyt c
+
+ + + + +
Q
+
+ +
F
+
-
Ⅰ
NAD+
Ⅱ
NADH+H+
延胡索酸 琥珀酸
-
Ⅲ -
- 1/2O2+2H+
- H2 O
线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值
底 物 - 羟丁酸 β 琥珀酸 抗坏血酸 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 复合体Ⅳ→O2 1 1 1 1
目录
P/O 比值 3
丙酮酸激酶
PEP+ADP
丙酮酸+ATP
琥珀酰CoA+Pi+GDP
琥 珀 酰 CoA合 成 酶
琥珀酸+CoA+GTP
目录
（一）氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、 Ⅳ内
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 '
目录
1、P/O 比值 指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生 成ATP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）。
Cyt c是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，故不包 含在复合体中。将获得的电子传递到复合体Ⅳ。
目录
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
H3C H3C
N
O NH
H
H3C H3C
R N
H N
O NH
N
10
N H
O
N H
Oቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
FMN (醌型或氧化型)
FMNH (半醌型)
FMNH2 (氢醌型或还原型)
目录
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
复合体Ⅰ电子传递：NADH→FMN→Fe-S→
CoQ→ Fe-S→ CoQ
目录
NADH +H+ NAD
+
FMN
2Fe2+ Fe -S
3+
CoQ
FMNH 2
2Fe
CoQH 2
NADH-CoQ还原酶
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。
目录
NAD+和NADP+的结构
复合体Ⅳ→O2
目录
4H+
4H+
Cytc
2H+
e-
胞液侧
eⅠ NADH+H+
Ⅱ
e-
Q eⅢ
eⅣ H 2O
线粒体内膜
延胡索酸 NAD+
琥珀酸 1/2O2+2H+
基质侧
4H+
4H+
2H+
目录
琥珀酸脱氢酶、
脂酰CoA脱氢酶、
α-磷酸甘油脱氢酶
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
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，细胞色
素b-c1复合体，含有细胞色素b(b566, b562)、 细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白。 泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子并穿 梭传递到复合体Ⅲ。
电子传递过程：CoQH2→(Cyt bL→Cyt bH)
酶名称
NADH-泛醌 还原酶 琥珀酸-泛醌 还原酶 泛醌-细胞色
质量 (kD)
850 140 250 13 162
多肽 链数
39 4 11 1 13
功能辅基
FMN，Fe-S FAD，Fe-S 血红素bL, bH, c1,
含结合位点
NADH（基质侧） CoQ（脂质核心） 琥珀酸（基质侧） CoQ（脂质核心） Cyt c（膜间隙侧） Cyt c1， Cyt a Cyt c（膜间隙侧）