生化课件糖4生物氧化

二、生物氧化——电子传递和氧化磷酸化作用1生物氧化概述2呼吸链3线粒体和氧化磷酸化作用1生物氧化概述糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biologicaloxidation）。糖

脂肪

蛋白质

CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能生物氧化与体外氧化之

相同点

体内氧化体外氧化（1）物质氧化方式：加氧、脱氢、失电子（2）物质氧化时的耗氧量、终产物和释放的能量均相同。生物氧化与体外氧化之不同点

体内氧化体外氧化（1）反应条件：温和剧烈（2）反应过程：分步反应一步反应能量逐步释放能量突然释放（3）产物生成：间接生成直接生成（4）能量形式：热能、ATP热能、光能生物氧化的特点在活细胞中进行，中性pH、体温、水环境等一系列酶和电子传递体条件下逐步进行的，逐步氧化释放能量，总和与体外相同释放的能量一般先储存于特殊的高能化合物ATP中真核细胞中，生物氧化多在线粒体内进行；原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行生物氧化的过程三个阶段：1.糖、脂肪、蛋白质转变为葡萄糖、甘油、脂肪酸和氨基酸2.生成乙酰CoA3.三羧酸循环和氧化磷酸化脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）

共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位生物氧化的三个阶段生物氧化过程中CO2的生成方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。类型：按脱羧部位：α-脱羧和β-脱羧按脱羧性质：单纯脱羧和氧化脱羧直接脱羧基作用

(Directdecarboxylation)磷酸烯醇式丙酮酸PEP丙酮酸草酰乙酸苹果酸PEP羧化酶苹果酸酶丙酮酸羧化酶氧化脱羧基作用

(Oxidativedecarboxylation)几个重要的CO2生成反应1、丙酮酸直接脱羧(乙醇发酵）2、丙酮酸氧化脱羧（生成乙酰CoA）3、TCA循环中-酮戊二酸的生成(氧化脱羧）4、TCA循环中琥珀酰~CoA的生成（氧化脱羧）5、草酰乙酸脱羧生成丙酮酸(直接脱羧）6、苹果酸生成丙酮酸（氧化脱羧）生物氧化过程中H2O的生成代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+

乙醇脱氢酶例如：1\2

O2NAD+电子传递链

H2O2eO2-2H+2呼吸链2.1呼吸链2.2呼吸链成员2.3呼吸链中的自由能2.4电子传递的抑制剂2.1呼吸链(respiratorychain)呼吸链又叫电子传递体系或电子传递链（electrontransferchain），它是代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧原子从而生成水的全部体系，因为其功能和呼吸作用直接相关，故称为呼吸链真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上；原核生物中，它位于细胞膜上呼吸链在生物细胞中，接受代谢物上脱下的氢(或电子)的载体有三种——NAD+、NADP+

和FADNADPH不进入呼吸链合成ATP，而是作为生物合成的还原剂只有NADH和FADH2进入呼吸链所以呼吸链有两条：上述标准自由能ΔGº’显示，两条呼吸链都有大量自由能的释放。1.NADH氧化呼吸链:主要的呼吸链2.琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）呼吸链的类型四种具有电子传递功能的酶复合体(complex)

*泛醌和Cytc

均不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体2.2呼吸链成员呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链2.琥珀酸氧化呼吸链

（FADH2氧化呼吸链）琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O21.NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2ⅢⅠ

Ⅱ

Ⅳ

CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸

琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧

基质侧线粒体内膜

e-e-e-e-e-电子载体及其顺序呼吸链的组成四个蛋白复合体：复合体I～IV两个可灵活移动的成分：泛醌（Q）和细胞色素c

呼吸链的组成1.黄素蛋白酶类（flavoproteins,FP）2.铁-硫蛋白类（iron-sulfurproteins)3.辅酶Ｑ（ubiquinone,亦写作CoQ）4.细胞色素类（cytochromes）NADH辅酶Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黄素蛋白FAD黄素蛋白FMN细胞色素类铁硫蛋白Fe-S铁硫蛋白Fe-S复合体I/复合体II/复合体III&IV复合体Ⅰ:NADH-泛醌还原酶将电子从NADH经FMN及铁硫蛋白传递给泛醌

(ubiquinone)

复合体ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原，所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。NAD+和NADP+烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变反应：NADH+H++FMN NAD++FMNH2

还原态：三价氮氧化态：五价氮FMN（黄素单核苷酸）结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN•FMN、FMN•和FMNH2相互转变还原型半醌型氧化型氧化型半醌型还原型铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)的铁与无机硫原子和/或蛋白质Cys残基的硫原子相连，其中铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。Ⓢ表示无机硫铁硫蛋白铁-硫聚簇的三种不同类型又称辅酶Q、CoQ、Q，脂溶性醌类化合物，有一个长的异戊二烯侧链，因此有利于在线粒体内膜扩散，因广泛存在得名。在电子传递链中处于中心地位。泛醌（Ubiquinone）Q还原为QH2中间经过半醌中间物氧化型泛醌半醌型氢（质）醌Q、QH•和QH2相互转变复合体Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2高分辨率电子显微镜显示复合体I为L形，L的一个臂在膜内，另一臂伸展到基质中。复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌还原酶将电子从琥珀酸经FAD及铁硫蛋白传递给泛醌

复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3也称琥珀酸脱氢酶，是TCA循环中唯一的一个线粒体内膜结合的酶，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。ComplexIISuccinateFumarateFADFADH2Fe2+-SFe3+-SCoQCoQH2琥珀酸延胡索酸琥珀酸脫氫酶FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）的结构复合体II的结构复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c还原酶

将电子从泛醌经Cytb、Cytc1传递给细胞色素c

复合体ⅢQH2→→Cytc

b562;b566;Fe-S;c1细胞色素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。细胞色素c是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。通过Fe3+Fe2+的互变起电子传递中间体作用。电子从QH2-细胞色素c复合体的传递复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶将电子从细胞色素c经Cytaa3传递给氧

复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB其中Cyta3

和CuB形成的活性部位将电子交给O2。Cyta和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。Cytaa3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+

Cu2+

的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。电子从细胞色素c传递给氧分子NADH呼吸链电子传递和水的生成H2O12O2O2-MH2还原型代谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+

细胞色素b-c1-c-aa3

FeS2H+M氧化型代谢底物FADH2呼吸链电子传递和水的生成2eH2OFADFADH2琥珀酸

FeS2Fe2+2Fe3+

细胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+延胡索酸2eNADH呼吸链NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等复合物II复合物IV复合体I复合物IIINADH脱氢酶细胞色素还原酶细胞色素氧化酶琥珀酸-辅酶Q还原酶FADH2呼吸链两条呼吸链2.3自由能变化计算公式：ΔGº’=-nFΔEº'ΔGº’：标准自由能变化n：传递的电子数F：法拉第常数（96.5kJ/Vmol）ΔEº’

：标准氧还电位变化（V）如：NADH到QΔ

Eº'

＝0.36V

计算得到：Δ

Gº’

＝-69.5kJ/mol各种氧化还原对的标准氧化还原电位ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位电子传递链自由能变化

ATPATP呼吸链传递时自由能的下降NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化总反应：

NADH+H++1/2O2→NAD++H2O

ΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07kJ/mol总反应：FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.18)]=-193.0kJ/molFADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化2.4电子传递的抑制剂能阻断呼吸链某一部位电子传递的物质为电子传递抑制剂。利用专一性电子传递抑制剂选择性地阻断某个传递过程，再测定链中各组分的氧化-还原态情况，是研究电子传递顺序的有效的重要方法。电子传递抑制剂举例：抑制剂鱼滕酮(rotenone)、安密妥(amytal)、杀粉蝶菌素(piericidin)等可以抑制电子由NADH传递给辅酶Q，因此部位I不生成ATP。抗霉素A

(antimycinA)

抑制电子由细胞色素b传给c1，因此部位III形成不了ATP。氰化物(CN-)

、叠氮化物(N3-)

、CO、硫化氢等抑制细胞色素氧化酶电子传递给氧，所以部位IV不产生ATP。电子传递抑制剂NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸复合物II复合物IV复合物I复合物III鱼藤酮安密妥抗霉素A氰化物CO抗霉素A的抑制部位NADFPQbcaa3NADFPQbcaa3呼吸链的比拟图解决定电子载体顺序的方法3线粒体和氧化磷酸化作用3.1线粒体3.2氧化磷酸化的概念3.3磷氧比概念和ATP合成机制3.4氧化磷酸化的解偶联和抑制3.5细胞溶液内NADH的再氧化3.6氧化磷酸化调控和ATP结算3.7其它氧化系统(自学)3.1线粒体1948年由EugeneKennedy和AlbertLehninger发现在真核细胞中线粒体是氧化磷酸化的部位，从而开辟生物能传递研究的新纪元。Mitochondrion线粒体3.2氧化磷酸化作用在真核生物细胞内，发生在线粒体内膜上，原核生物中，则发生在浆膜上。高能磷酸键的形成

生物氧化所释放的能量并不是完全以热量的形式散发，除一部分以热能形式用于维持体温外，其余部分则以高能磷酸键的形式转移和储存，一旦需要，则由ATP再水解释放能力供机体需要，以免浪费。 异养生物体高能磷酸键的形成方式有两种：底物水平（底物）磷酸化、电子传递水平（氧化）磷酸化。底物水平磷酸化

（SubstrateLevelPhosphorylation)

代谢物质分解过程中，底物分子因脱氢、脱水等作用，能量在分子内部重排（重新分布）形成高能磷酸酯键，并转移给ADP形成ATP。

高能磷酸键的形成及转移底物水平磷酸化ATPADP+Pi氧化磷酸化

（OxidativePhosphorylation)

生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经呼吸链氧化为水时所释放的能量转移给ADP形成ATP的过程。实际上是氧化作用与氧化作用过程释放的能量用于形成ATP过程（磷酸化作用）两种作用的偶联反应。高能磷酸键的形成及转移

氧化磷酸化（Coupledoxidativephosphorylation)氧化磷酸化偶联的部位底物水平磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化作用。即底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP生成ATP。电子传递体系磷酸化是指当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系(呼吸链)传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP的全过程。通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。3.3磷氧比（P/O）呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和原子氧（O）消耗量的比值称为磷氧比。P/O的数值相当于一对电子（2H）经呼吸链传递至原子氧生成水所产生的ATP分子数（即消耗1个原子氧所产生ATP的数目）。NADHFADH2O212H2OH2O例

实测得NADH呼吸链：P/O~3（2.5）ADP+PiATP实测得FADH2呼吸链：P/O~2（1.5）O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPP/O比值研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体的P/O比值和电化学实验。P/O比值是指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间接测出ATP生成量。实验证明NADH呼吸链的P/O值是3，即每消耗一摩尔氧原子就可形成3（2.5）摩尔ATP，FADH2呼吸链的P/O值是2，即消耗一摩尔氧原子可形成2（1.5）摩尔ATP。ATP的合成部位ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方。如，NADH呼吸链生成ATP的三个部位是：ΔE0'值在此三个部位有大的“跳动”，都在0.2伏以上。ATP产生的机理氧化与磷酸化作用如何耦联尚不够清楚，目前主要有三个学说：化学耦联学说构像耦联学说化学渗透学说化学渗透学说的主要论点

呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP与Pi合成ATP。

电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成H+跨线粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化学势(ΔH+)驱动ATP的合成化学渗透假说

(chemiosmotichypothasis)化学渗透假说模型化学渗透假说原理示意图2H+4H+4H+2H+NADH+H+4H+3H+3H+

ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-+++++++++__________质子流线粒体内膜磷酸化

氧化

4H+ⅢⅠ

Ⅱ

Ⅳ

F0F1

CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+H+胞液侧基质侧++++++++++---

------化学渗透假说详细示意图支持化学渗透假说的实验证据氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。线粒体内膜对H+OH-K+Cl-都是不通透的。破坏H+浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑制剂）必然破坏氧化磷酸化作用的进行。线粒体的电子传递所形成的电子流能够将H+

从线粒体内膜逐出到线粒体膜间隙。大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质子，并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。迄今未能在电子传递过程中分离出一个与ATP形成有关的高能中间化合物，亦未能分离出电子传递体的高能存在形式。ATP合酶结构模式图ATP合酶结构模式图亲水部分F1(α3β3γδε亚基)活性中心疏水部分Fo(a1b2c9～12亚基)质子通道柄部有寡霉素敏感蛋白(OSCP)，连接Fo、F1。当H+顺浓度递度经Fo中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。ATP合酶的工作机制ATP合成酶及ATP合成

线粒体ATP合成酶复合物F1复合物F1结晶ATP结合位点ADP结合位点侧视俯视线粒体ATP合成酶复合物（续）F0F1结构酵母F0F1结构F0F1复合物结构3.4氧化磷酸化的解偶联和抑制解偶联剂（uncouplers）氧化磷酸化抑制剂（inhibitors）离子载体抑制剂（ionophores）解偶联剂（uncouplers）这类试剂的作用是使电子传递和ATP形成两个过程分离，它只抑制ATP的形成过程，不抑制电子传递过程，使电子传递所产生的自由能都变为热能。典型的解偶联剂是2,4-二硝基苯酚(DNP)

解偶联剂作用机制

H＋膜内外电化学梯度电子传递使H＋跨膜转移H＋经ATP合酶的F0

单元回流ATP合成H＋经从其它途径回流能量以热能散失，不能合成ATP2,4-二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外接受质子成为非解离形式，脂溶性，可过膜。pH为7时，DNP以解离形式存在，脂不溶性，不能过膜。质子被带入膜内，打破跨膜的质子梯度。质子梯度不用于ATP形成，P/O下降。氧化磷酸化抑制剂这类试剂的作用特点是既抑制氧的利用又抑制ATP的形成，但不直接抑制电子传递链上载体的作用。这一点和电子抑制剂不同。氧化磷酸化抑制剂的作用是直接干扰ATP的形成过程。由于它干扰了由电子传递的高能状态形成ATP的过程，结果也使电子传递不能进行。寡霉素（oligomycin）就属于这类抑制剂。氧化磷酸化抑制剂作用机制如：寡霉素与Fo单元的亚基结合阻止H+从Fo单元回流抑制ATP合成H+

电化学梯度异常增高抑制磷酸化过程抑制电子传递的氧化过程寡霉素的抑制作用离子载体抑制剂这是一类脂溶性物质。这类物质能与某些离子结合，并作为他们的载体使这些离子能够穿过膜。它和解偶联试剂的区别在于是作为H＋以外的其它一价阳离子的载体。

如缬氨霉素（valinomycin）能够结合K＋离子，与K＋形成脂溶性复合物，从而容易地使K＋通过膜。因此这类抑制剂是通过增加线粒体内膜对一价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化过程。解偶联蛋白（产热素）是存在于某些生物细胞线粒体内膜上的蛋白质，为天然解偶联剂。它们能形成质子通道，让膜外的H+通过通道返回膜内，消除跨膜质子浓度梯度。如：动物的褐色脂肪组织，其产热机制是线粒体氧化磷酸化解偶联的结果。人、新生无毛的哺乳动物以及冬眠的哺乳动物。3.5细胞溶液内NADH的再氧化磷酸甘油穿梭系统苹果酸-天冬氨酸穿梭系统

酵解（细胞质）氧化磷酸化

（线粒体）已知胞液中的NADH不能通过正常线粒体内膜而进入线粒体，那么胞液中的NADH是怎么被氧化呢?α-磷酸甘油穿梭途径线粒体内膜上有以FAD为辅基的α-磷酸甘油脱氢酶，磷酸二羟丙酮可以接受胞液中NADH的还原当量，还原成α-磷酸甘油，这样就可以线粒体内膜上的载体运载到线粒体内，在同样酶催化的正反应作用下，将还原当量交给FAD（线粒体内α-磷酸甘油脱氢酶的辅基），进入氧化呼吸链。-磷酸甘油穿梭（线粒体基质）磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油FADFADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2NADHNAD+线粒体内膜（细胞液）甘油-3-磷酸脱氢酶甘油-3-磷酸脱氢酶磷酸甘油穿梭苹果酸-天冬氨酸穿梭途径主要存在于肝、脑和红细胞中，还原当量进入线粒体的NADH呼吸链。线粒体外的还原当量交给草酰乙酸生成苹果酸，由线粒体内膜上的载体带入线粒体内，将还原当量交给NAD+生成NADH，进入NADH氧化呼吸链，苹果酸被氧化成草酰乙酸，再与谷氨酸通过转氨基作用，生成天冬氨酸和α-酮戊二酸，再由线粒体内膜上的载体转运出线粒体，通过转氨基作用，又生成草酰乙酸，完成了这样一个循环。

苹果酸-草酰乙酸穿梭作用细胞液线粒体内膜体天冬氨酸-酮戊二酸苹果酸草酰乙酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸苹果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+线粒体基质NADH+H+ⅣⅠⅡⅢ（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ