生物氧化和氧化磷酸化综述

1、第六章第六章 电子传递体系与氧化磷酸化电子传递体系与氧化磷酸化重点讨论生物体内如何生成重点讨论生物体内如何生成水水并产并产生生能量能量的过程的过程.目录目录第一节第一节 生物氧化概述生物氧化概述第二节第二节 线粒体电子传递体系线粒体电子传递体系第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用第一节第一节 生物氧化概述生物氧化概述一、生物氧化的概念和特点一、生物氧化的概念和特点二、二、 高能化合物高能化合物生物氧化的特点和方式生物氧化的特点和方式1 1、生物氧化的特点、生物氧化的特点2 2、生物氧化过程中、生物氧化过程中COCO2 2的生成和的生成和H H2 2O O的生成的生成3 3、有机物在体内氧

2、化释能的三个阶段、有机物在体内氧化释能的三个阶段 糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成成COCO2 2和和H H2 2O O并释放出能量的过程称为并释放出能量的过程称为生物氧化生物氧化（biological biological oxidationoxidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。一系列氧化还原反应过程。生物氧化的特点生物氧化的特点 在活的细胞中（在活的细胞中（pHpH接近中性、体温条件下），接近中性、体温条件下），有机物的氧化在一系

3、列酶、辅酶和中间传递体参与有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。 氧化过程中氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如ATPATP）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。的能量尽可得到有效的利用。COCO2 2的生成的生成 方式方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物

4、，然后在酶催化下羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧脱羧而生成而生成COCO2 2。 类型类型：-脱羧和脱羧和-脱羧脱羧 氧化脱羧和单纯脱羧氧化脱羧和单纯脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系NAD+ NADH+H+CoASH例：例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶CH2-NH2RH H2 2O O的生成的生成 代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（体（NADNAD+ +、NADPNADP+ +、FADFAD、FMNFMN等）所接受，再通过等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传

5、递给氧而生成一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H H2 2O O 。CH3CH2OHCH3CHONAD+ NADH+H+ 乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶例：例：12 O2NAD+电子传递链电子传递链 H2O2eO=2H+脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它单糖其它单糖三羧酸三羧酸循环循环电子传递电子传递（氧化）（氧化）蛋白质蛋白质脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAe-磷酸化磷酸化+Pi 小分子化合物小分子化合物分解成共同的分解成共同的中间产物（如中间产物（如丙酮酸、乙酰丙酮酸、乙酰CoA等）等） 共同中间物进共同中间物进入三羧酸循环入三羧酸循环,氧化脱下的氢由氧化脱下的氢由电子传递链传

6、递电子传递链传递生成生成H2O，释放，释放出大量能量，其出大量能量，其中一部分通过磷中一部分通过磷酸化储存在酸化储存在ATP中。中。大分子降解大分子降解成基本结构成基本结构单位单位 生物氧化的三个阶段生物氧化的三个阶段高能化合物高能化合物1 1、高能化合物的类型、高能化合物的类型 2 2、ATPATP的特点及其特殊作用的特点及其特殊作用 生化反应中，在水解时或基团转移反应中可生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（释放出大量自由能（2121千焦千焦/ /摩尔）的化合物称摩尔）的化合物称为高能化合物。为高能化合物。高高能能化化合合物物类类型型ATPATP的特殊作用的特殊作用 AT

7、PATP是细胞内的是细胞内的“能量通货能量通货” ATPATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体是细胞内磷酸基团转移的中间载体PPPPATPP02108641214磷磷酸酸基基团团转转移移能能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘磷酸甘油酸磷酸油酸磷酸磷酸肌酸磷酸肌酸 （磷酸基团储备物）（磷酸基团储备物） 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖3-磷酸甘油磷酸甘油第二节第二节 线粒体电子传递体系线粒体电子传递体系 一、线粒体结构特点一、线粒体结构特点二、电子传递呼吸链的概念电子传递呼吸链的概念三、呼吸链的组成三、呼吸链的组成四、机体内两条主要的呼吸链及其能量变化四、机体内两条主要的呼吸链及其能量变化 五、五

8、、电子传递抑制剂电子传递抑制剂线粒体呼吸链线粒体呼吸链 线粒体基质是呼吸线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的这里氧化所产生的NADHNADH和和FADHFADH2 2将质子和电子转移将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给传递，最后传递给O O2 2生成生成H H2 2O O。这种由载体组成的。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递系统称电子传递电子传递链链（eclctron transfer eclctron transfer chain),chain),因为其功能和呼因为

9、其功能和呼吸作用直接相关，亦称为吸作用直接相关，亦称为呼吸链呼吸链。线粒体结构线粒体结构呼吸链的组成呼吸链的组成1. 1. 黄素蛋白酶类黄素蛋白酶类（flavoproteins, FPflavoproteins, FP）2. 2. 铁铁- -硫蛋白类硫蛋白类（ironsulfur proteins)ironsulfur proteins)3. 3. 辅酶辅酶（ubiquinone,ubiquinone,亦写作亦写作CoQCoQ）4. 4. 细胞色素类细胞色素类（cytochromes）NADH辅辅 酶酶 Q（CoQ）Fe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等琥珀酸等黄素

10、蛋白黄素蛋白（F AD）黄素蛋白黄素蛋白（FMN）细胞色素类细胞色素类铁硫蛋白铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白铁硫蛋白（Fe-S）烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类 特点特点：以：以NADNAD+ + 或或NADPNADP+ +为辅酶，存在于线为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。粒体、基质或胞液中。 传递氢机理传递氢机理: NAD(P)NAD(P) + + + 2H + 2H+ + +2e NAD(P)H + H+2e NAD(P)H + H+ +黄素蛋白酶类黄素蛋白酶类 特点特点： 以以FAD或或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白类别类别：黄素脱氢酶类（如黄素脱氢酶类（

11、如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）脱氢酶、琥珀酸脱氢酶） 需氧脱氢酶类（如需氧脱氢酶类（如L氨基酸氧化酶）氨基酸氧化酶） 加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）递氢机理：递氢机理：FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2铁硫蛋白铁硫蛋白 +e 传递电子机理传递电子机理：Fe3+ Fe2+ -e 特点特点：含有含有Fe和对酸不稳定的和对酸不稳定的S原子，原子，Fe和和S常以等摩尔量存在（常以等摩尔量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，构成，构成FeS中心，中心，Fe与蛋白质分子中的与蛋白质分子中的4个个Cys残残基的巯基与蛋白质相连结。基的巯基与蛋白质相连结。CoQ 特点：带有聚

12、异戊二烯侧链的苯醌，脂带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动泳动,是非蛋白成分是非蛋白成分。 +2H 传递氢机理：CoQ CoQH2 2HCoQ的结构和递氢原理的结构和递氢原理CoQ+2H CoQH2细胞色素细胞色素 传递电子机理传递电子机理： +e +e Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+ e e 特点特点：以血红素（以血红素（heme）为辅基，血红素的主要）为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。成份为铁卟啉。 类别类别: 根据吸收光谱分成根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中三类，呼吸链中含含5种（种（b、c、c1、a和和a

13、3)，cyt b和和cytc1、cytc在呼在呼吸链中的中为电子传递体，吸链中的中为电子传递体，a和和a3以复合物物存在，以复合物物存在，称称细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶，其分子中除含，其分子中除含Fe外还含有外还含有Cu ，可将电子传递给氧，因此亦称其为可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶末端氧化酶。细胞色素的结构和递电子机理细胞色素的结构和递电子机理传递电子机理传递电子机理：Fe3+ Fe2+-e+e铁硫蛋白的结构及递电子机理铁硫蛋白的结构及递电子机理S Fe1Fe0S2-4Cys2Fe2S2-4Cys4Fe4S2-4Cys传递电子机理传递电子机理：Fe3+ Fe2+-e+eNADHN

14、ADH呼吸链呼吸链H2O12O2O2-MH2还原型代还原型代 谢底物谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+ 细胞色素细胞色素b- c1- c -aa3 Fe S2H+M氧化型代氧化型代 谢底物谢底物FADH2呼吸链呼吸链FADFADH2琥珀酸琥珀酸 Fe S2Fe2+2Fe3+ 细胞色素细胞色素b- c1 - c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸延胡索酸NADH呼吸链和呼吸链和FADH2呼吸链呼吸链 FADH2 FeS FeS NADHFMNFeSCoQCytbFeSCytcFMNFeSCoQCytbFeSCytc1 1Cytc

15、CytaaCytcCytaa3 3OO2 2NADH呼吸链呼吸链FADH2呼吸链呼吸链线粒体膜上的呼吸链对三氟甲氧基苯腙羰基氰基化物对三氟甲氧基苯腙羰基氰基化物二环己基羰二亚胺二环己基羰二亚胺双香豆素双香豆素2-噻吩甲酰噻吩甲酰三氟丙酮三氟丙酮杀粉蝶菌素杀粉蝶菌素汞制剂汞制剂电电子子传传递递链链中中各各中中间间体体的的顺顺序序NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFADFe-S琥珀酸琥珀酸等等复合物复合物 II复合物复合物 IV复合物复合物 I复合物复合物 IIINADH脱氢酶脱氢酶辅酶辅酶Q-细胞色素细胞色素还原酶还原酶细胞色素细胞色素C还原酶

16、还原酶琥珀酸琥珀酸-辅酶辅酶Q还原酶还原酶第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用一、 氧化磷酸化和磷氧比（氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念）的概念二、二、氧化磷酸化的偶联机理氧化磷酸化的偶联机理三、三、 线粒体外线粒体外NADH的氧化磷酸化作用的氧化磷酸化作用四、能荷四、能荷 氧化磷酸化氧化磷酸化 代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成合成ATP（即（即ADP+PiATPATP）, ,这种氧化放能和这种氧化放能和ATPATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。类别类别： 底物水平磷酸化底物水平磷酸化

17、电子传递水平磷酸化电子传递水平磷酸化ADP + Pi ATP + H ATP + H2 2O O生物氧化过程中生物氧化过程中释放出的自由能释放出的自由能磷氧比（磷氧比（ P/O ）呼吸过程中无机磷酸（呼吸过程中无机磷酸（P Pi i）消耗量和分子氧（）消耗量和分子氧（O O2 2）消耗量的比）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子氧原子，而每生成一分子ATPATP消耗一分子消耗一分子P Pi i ，因此，因此P/O的数值相当于的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的一对电子

18、经呼吸链传递至分子氧所产生的ATPATP分子数。分子数。NADHNADHFADHFADH2 2O O2 212H H2 2O OH H2 2O O例例 实测得实测得NADHNADH呼吸链呼吸链： P/O 3 ( (产产ATP2.5mol)ATP2.5mol)ADP+ADP+PiPi ATP ATP实测得实测得FADHFADH2 2呼吸链呼吸链： P/O2 (产产ATP1.5mol)O O2 2122e-2e-ADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATP氧化磷酸化的偶联机理氧化磷酸化的偶联机理1 1、化学渗透假说、化学渗透假说2 2、氧化磷酸化的抑制、氧化磷酸化的抑制 解偶联剂和离子载体抑制剂解偶联剂和离子载体抑制剂