生物化学与分子生物学：生物氧化-第1次

1、生 物 氧 化 (biological oxidation) 食物中的能量食物中的能量 消化、吸收消化、吸收产能产能 生化作用生化作用 q- - 物质氧化脱下的氢，是如物质氧化脱下的氢，是如 何传递给氧，最终生成何传递给氧，最终生成H H2 2O O，并释放出大，并释放出大 量量能量能量的？的？ 解解 决决 的的 问问 题题 -代谢物在胞液中脱下的氢，代谢物在胞液中脱下的氢， 是如何传递给是如何传递给O O2 2，彻底氧化分解的？，彻底氧化分解的？ q 能量是如何产生的？能量是如何产生的？ n氧化呼吸链是由具有电子传递功能的 复合体组成 n氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP 磷酸化偶联生成AT

2、P n 氧化磷酸化的影响因素 n其他氧化与抗氧化体系 内容提纲 1.1. 生物氧化生物氧化、呼吸链呼吸链、氧化磷酸化氧化磷酸化和和底物水平底物水平 磷酸化磷酸化的概念的概念 2.2. 呼吸链的呼吸链的组成组成和和排列顺序排列顺序 3.3. 影响影响氧化磷酸化的氧化磷酸化的因素因素 【掌握掌握】 1.1. 线粒体内膜对物质的转运线粒体内膜对物质的转运 【熟悉熟悉】 1. 1. 化学渗透假说化学渗透假说 【了解了解】 执业医师考试西医综合考试 1. 1. 概论概论生物氧化的特点生物氧化的特点 2. ATP2. ATP与其他高能与其他高能 化合物化合物 ATPATP循环与高能磷酸键循环与高能磷酸键

3、ATPATP的利用的利用 其他高能磷酸化合物其他高能磷酸化合物 高能磷酸化合物的储存和高能磷酸化合物的储存和 利用利用 3. 3. 氧化磷酸化氧化磷酸化 氧化磷酸化的概念氧化磷酸化的概念 两条呼吸链的组成和排列两条呼吸链的组成和排列 顺序顺序 ATPATP合酶合酶 氧化磷酸化的调节氧化磷酸化的调节 呼吸链的组成呼吸链的组成 氧化磷酸化及影响氧氧化磷酸化及影响氧 化磷酸化的因素化磷酸化的因素 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 胞浆中胞浆中NADHNADH的氧化的氧化 4. 4. 其他氧化体系其他氧化体系过氧化物酶体和微粒体中过氧化物酶体和微粒体中 的酶类的酶类 20152015年两大国家考试生物化学

4、考试大纲年两大国家考试生物化学考试大纲 物 质 在 生 物 体 内 进 行 氧 化 称物 质 在 生 物 体 内 进 行 氧 化 称 生 物 氧 化生 物 氧 化 (biological oxidation)(biological oxidation)，主要指糖、脂肪、蛋白，主要指糖、脂肪、蛋白 质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成COCO2 2 和 和 H H2 2O O的过程。的过程。 糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 COCO2 2和和H H2 2O O O2 能量能量 ADP+PiADP+Pi ATP 热能热能 u 生物氧化的概念生物氧化的概念 生物

5、氧化的方式生物氧化的方式 n生物氧化中物质的氧化方式有生物氧化中物质的氧化方式有加氧加氧、 脱氢脱氢、失电子失电子，遵循氧化还原反应的，遵循氧化还原反应的 一般规律。一般规律。 * * 生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化与体外氧化之相同点 n物质在体内外氧化时所物质在体内外氧化时所消耗的氧量消耗的氧量、 最终产物最终产物（COCO2 2，H H2 2O O）和）和释放能量释放能量 均相同。均相同。 * * 生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化与体外氧化之不同点 生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化 w在细胞内在细胞内温和温和的水溶液环境中的水溶液环境中 （体温，（体温，pHpH接近中性），由一接近中

6、性），由一 系列系列酶的催化酶的催化下逐步进行下逐步进行 w体外燃烧体外燃烧 w能量逐步释放能量逐步释放，有利于机体捕，有利于机体捕 获能量，提高获能量，提高ATPATP生成的效率生成的效率 w生物氧化中生成的生物氧化中生成的H H2 2O O由脱下的由脱下的 氢与氧结合产生，氢与氧结合产生，COCO2 2由有机酸由有机酸 脱羧产生脱羧产生 w能量是突然释放的。能量是突然释放的。 w产生的产生的COCO2 2、H H2 2O O由物质中由物质中 的碳和氢直接与氧结合的碳和氢直接与氧结合 生成。生成。 w速度受体内多种因素速度受体内多种因素调控调控w不受调节不受调节 第一节第一节 氧化呼吸链是由

7、具有电子传递功能的氧化呼吸链是由具有电子传递功能的 复合体组成复合体组成 氧化呼吸链氧化呼吸链 定义定义 指指线粒体内膜线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具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，可通过有电子传递功能的酶复合体，可通过连锁的氧化还原连锁的氧化还原 反应反应将代谢物脱下的将代谢物脱下的成对氢原子成对氢原子最终传递给氧生成水。最终传递给氧生成水。 这这一系列酶和辅酶一系列酶和辅酶称为称为氧化呼吸链氧化呼吸链(oxidative (oxidative respiratory chain)respiratory chain)，又称，又称电子传递链电子传递链(electro

8、n (electron transfer chain)transfer chain)。 定位：线粒体内膜定位：线粒体内膜 组成：递氢体和电子传递体（组成：递氢体和电子传递体（2H 2H 2H 2H+ + + 2e + 2e） 名称名称辅酶或辅基辅酶或辅基作用作用 黄素蛋白黄素蛋白FMNFMN或或FADFAD递氢体，传递递氢体，传递2H2H 铁硫蛋白铁硫蛋白铁硫簇铁硫簇(Fe-S)(Fe-S)递电子体，传递递电子体，传递1e1e 泛醌泛醌递氢体，传递递氢体，传递2H2H 细胞色素细胞色素 (cyt)(cyt)* * 血红素样辅基血红素样辅基递电子体，传递递电子体，传递1e1e 组成呼吸链的递氢体

9、和递电子体组成呼吸链的递氢体和递电子体 * * 组成呼吸链的组成呼吸链的CytCyt分为分为Cyt aCyt a、b b、c c三类及不同亚类，三类及不同亚类， 包括了包括了Cyt aCyt a、a a3 3、b b、c c和和c c1 1，除了以血红素为辅基外，除了以血红素为辅基外， Cyt aCyt a和和a a3 3中还有中还有CuCu2+ 2+参与电子的传递 参与电子的传递 黄素蛋白（黄素蛋白（flavin proteinflavin protein，FPFP） 黄素蛋白是由一条多肽结合黄素蛋白是由一条多肽结合1 1个辅基组成的酶类，个辅基组成的酶类， 是是维生素维生素B2B2的衍生物

10、。的衍生物。 黄素蛋白的辅基有两种：黄素蛋白的辅基有两种：FMNFMN和和FADFAD， 其分子中其分子中 的异咯嗪环可以进行可逆的加氢和脱氢反应，故的异咯嗪环可以进行可逆的加氢和脱氢反应，故 黄素蛋白在呼吸链中属于黄素蛋白在呼吸链中属于递氢体递氢体，在加氢反应时，在加氢反应时 接收接收2 2个氢原子个氢原子。 黄素单核苷酸黄素单核苷酸 黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸 FADH2FADH2 铁硫蛋白（铁硫蛋白（iron-sulfur proteiniron-sulfur protein） 铁硫蛋白以铁硫簇（铁硫蛋白以铁硫簇（Fe-SFe-S）为辅基，）为辅基，Fe-SFe-S 含有等量的

11、铁原子和硫原子，其中铁原子可以进含有等量的铁原子和硫原子，其中铁原子可以进 行可逆的得失电子反应行可逆的得失电子反应( Fe( Fe2+ 2+ Fe Fe3+ 3+e +e ) )，故铁，故铁 硫蛋白在呼吸链中属于硫蛋白在呼吸链中属于单电子传递体单电子传递体。 铁硫蛋白结构示意图铁硫蛋白结构示意图 泛醌（泛醌（ubiquinoneubiquinone，Q Q） 在呼吸链传递过程中，泛醌接受黄素蛋白在呼吸链传递过程中，泛醌接受黄素蛋白 和铁硫蛋白复合物传递来的质子和电子还原成还原和铁硫蛋白复合物传递来的质子和电子还原成还原 型，又可脱去质子和电子成氧化型，故泛醌在呼吸型，又可脱去质子和电子成氧化

12、型，故泛醌在呼吸 链中属于链中属于递氢体递氢体。 泛醌是脂溶性化合物，在呼吸链中不与蛋白泛醌是脂溶性化合物，在呼吸链中不与蛋白 质结合而以游离的形式存在，能在线粒体内膜中质结合而以游离的形式存在，能在线粒体内膜中 自由扩散，将呼吸链传递过程联系起来。自由扩散，将呼吸链传递过程联系起来。 细胞色素（细胞色素（cytochromescytochromes，CytCyt） 细胞色素是一类含血红素样辅基的细胞色素是一类含血红素样辅基的单电子传递单电子传递 蛋白蛋白，根据它们吸收光谱不同而分类。各种细胞色，根据它们吸收光谱不同而分类。各种细胞色 素的主要差别在于辅基卟啉环的侧链以及血红素所素的主要差别在

13、于辅基卟啉环的侧链以及血红素所 处分子环境各有不同。处分子环境各有不同。 呼吸链中包括细胞色素呼吸链中包括细胞色素a a、a a3 3、b b、c c和和c c1 1，其，其 电子传递顺序是电子传递顺序是Cyt bCyt cCyt bCyt c1 1 Cyt c Cyt aa Cyt c Cyt aa3 3 OO2 2。 Fe2+ Fe3+e Cu+ Cu2+e 由于由于Cyt aCyt a和和Cyt aCyt a3 3结合紧密，很难分开，结合紧密，很难分开， 故将故将Cyt aCyt a和和Cyt aCyt a3 3 合称为合称为Cyt aaCyt aa3 3。 Cyt aaCyt aa3

14、3中除中除 了有两个血红素辅基外，还有了有两个血红素辅基外，还有2 2个铜原子可进行传个铜原子可进行传 递电子的反应。递电子的反应。 CytbCytb、c c、c1c1都含血红素（铁原卟啉），铁卟啉辅都含血红素（铁原卟啉），铁卟啉辅 基中铁原子与卟啉环和蛋白质形成了基中铁原子与卟啉环和蛋白质形成了6 6个个配位键，配位键， 不能再与不能再与O2O2，COCO或或CNCN等结合。等结合。 n细胞色素细胞色素aa3aa3中的铁原子只形成中的铁原子只形成5 5个个配位键，还能配位键，还能 与氧再形成一个配位键，将电子直接传递给氧，与氧再形成一个配位键，将电子直接传递给氧， 也可与也可与COCO、氰化

15、物、氰化物、H H2 2S S或叠氮化合物形成一个配或叠氮化合物形成一个配 位键位键 n细胞色素细胞色素aa3aa3可将电子直接传递给氧可将电子直接传递给氧，因，因 此又称为此又称为细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶。 这些具有氧化还原特性的这些具有氧化还原特性的蛋白质蛋白质 （酶及辅基）组成了（酶及辅基）组成了四个具有传四个具有传 递电子功能的复合体递电子功能的复合体，构成了，构成了两两 类呼吸链类呼吸链：NADHNADH氧化呼吸链和琥氧化呼吸链和琥 珀酸氧化呼吸链珀酸氧化呼吸链. . 1. 1. 复合体复合体: NADH-: NADH-泛醌氧化还原酶泛醌氧化还原酶 （一）氧化呼吸链的组成 NAD

16、H+H+ FMN NAD+ FMNH2 还原型还原型 Fe-S Fe-S 氧化型氧化型 Fe-S Fe-S Q QH2 还原型还原型 Fe-S Fe-S 氧化型氧化型 Fe-S Fe-S Q QH2 复合体复合体有质子泵功能有质子泵功能，每传递，每传递2 2个电子可将个电子可将4 4个个H H+ + 从内膜基质侧泵到胞浆侧从内膜基质侧泵到胞浆侧 复合体复合体 I I 及复合体及复合体 II II 的电子传递的电子传递 2. 2. 复合体复合体: : 琥珀酸琥珀酸- -泛醌氧化还原酶泛醌氧化还原酶 琥珀酸琥珀酸 FAD FAD 延胡索酸延胡索酸 FADHFADH2 2 还原型还原型Fe-S Fe

17、-S 氧化型氧化型Fe-S Fe-S Q QH2 复合体复合体IIII没有质子泵功能没有质子泵功能 复合体复合体 I I 及复合体及复合体 II II 的电子传递的电子传递 3. 3. 复合体复合体: : 泛醌泛醌- -细胞色素氧化还原酶细胞色素氧化还原酶 QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1 泛醌泛醌从复合体从复合体、募集募集还原当量和电子还原当量和电子 并并穿梭穿梭传递到复合体传递到复合体。 复合体复合体的电子传递的电子传递 通过通过“Q Q循环循环”实现。实现。 复合体复合体也有质子泵也有质子泵 作用作用，每传递，每传递2 2个电子个电子 向内膜胞浆侧释放向内膜胞

18、浆侧释放4 4个个 H H+ +。 Cyt cCyt c是是呼吸链唯一水呼吸链唯一水 溶性球状蛋白溶性球状蛋白，不包，不包 含在复合体中。将获含在复合体中。将获 得的电子传递到复合得的电子传递到复合 体体。 QH2 Fe-SCyt c1Cyt c ( (还原型还原型) )e- Q- e- Q Cyt b566Cyt b562Q Q- QH2Q- e- e- Q Fe-SCyt c1Cyt c ( (还原型还原型) ) Cyt b566Cyt b562 QH2 Q循环 第一阶段第二阶段 4. 4. 复合体复合体: : 细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶 Cyt a3CuB Cyt a3CuB结合

19、紧密，形成活性双核中心，结合紧密，形成活性双核中心，将电子将电子 传递给传递给O O2 2。每传递。每传递2 2个电子使个电子使2 2个个H+H+跨内膜向胞浆侧转移。跨内膜向胞浆侧转移。 还原型还原型CytCyt c O c O2 2CuCuA Aaaaa3 3- -CuCuB B 复复 合合 体体 的的 电电 子子 传传 递递 过过 程程 O2- 人线粒体呼吸链的组成及功能人线粒体呼吸链的组成及功能 * 泛醌泛醌 和和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中均不包含在上述四种复合体中 呼吸链呼吸链 组成组成 酶名称酶名称质量质量 (kD)(kD) 亚基亚基 数数 功能辅基功能辅基主要功能主要

20、功能 复合体复合体 NADH-NADH-泛醌氧泛醌氧 化还原酶化还原酶 100010004040FMNFMN，Fe-SFe-S将将2e2e从从NADHNADH传递给传递给Q Q，并由基，并由基 质向膜间隙泵出质向膜间隙泵出4H4H+ + 复合体复合体 琥珀酸琥珀酸- -泛醌泛醌 氧化还原酶氧化还原酶 1401404 4FADFAD，Fe-SFe-S将将2e2e从从FADHFADH2 2传递给传递给Q Q 泛醌泛醌 (CoQ)(CoQ) 0.860.86 3 3 (Q(Q10 10) ) 将复合体将复合体I I和复合体和复合体IIII的的2e 2e 传传 递给复合体递给复合体IIIIII 复合体

21、复合体 泛醌泛醌- -细胞色细胞色 素氧化还原酶素氧化还原酶 2502501111血红素血红素b bL L, b, bH H, , c c1 1, Fe-S, Fe-S 将将2e2e从从QHQH2 2传递到传递到cyt ccyt c，并由，并由 基质向膜间隙泵出基质向膜间隙泵出4H4H+ + 细胞色素细胞色素c c 13131 1血红素血红素c c将将2e2e从复合体从复合体IIIIII传递到复合传递到复合 体体IVIV 复合体复合体细胞色素细胞色素c c 氧化酶氧化酶 2002001313血红素血红素a a，a a3 3， CuCuA A, Cu, CuB B 将将2e2e从从cyt ccyt c传递给传递给O O生成水，生成水， 并向膜间隙泵出并向膜间隙泵出2H2H+ + （二）氧化呼吸链组分的排列顺序（二）氧化呼吸链组分的排列顺序 由以下实验确定由以下实验确定 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 （由低到高）（由低到高） 拆开和重组拆开和重组 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 还