第6章-生物氧化36985教学课件

第6章生物氧化36985幻灯片生物氧化方式：加氧、脱氢、脱电子。

生物氧化特点：生物氧化是在条件温和（体温，pH接近中性）的细胞内进行，反应常在一系列酶催化下逐步进行，能量逐步释放。体外氧化常是剧烈的过程，能量突然释放。两者皆遵循化学反应规律，反应产物相同。生物氧化包括生成ATP的氧化磷酸化体系和不生成ATP的氧化体系。在线粒体内膜上存在有4种复合体和2种自由成分，共同组成氧化呼吸链。（一）氧化呼吸链的组成

复合体Ⅰ：NADH－泛醌还原酶

复合体Ⅱ：琥珀酸－泛醌还原酶

复合体Ⅲ：泛醌－细胞色素c还原酶

复合体Ⅳ：细胞色素c氧化酶

CoQ

：又称泛醌

Cytc

：细胞色素cⅢⅠ

Ⅱ

Ⅳ

Cytc

Q

NADH+H+

琥珀酸

1/2O2+2H+

H2O

胞液侧

基质侧线粒体内膜

e-e-e-e-e-呼吸链各组分呼吸链组分组分质量(kD)多肽链数功能成分复合体Ⅰ85039FMN，Fe-S复合体Ⅱ1404FAD，Fe-S复合体Ⅲ25011CytbL(b566),bH(b562),c1,Fe-S复合体Ⅳ16213Cyta，a3，CuA,CuBCoQ不定0CoQCytc131Cytc1．复合体Ⅰ：NADH-泛醌还原酶FMNFe-S（铁硫蛋白的铁硫中心）

功能成分

复合体Ⅰ的功能是将电子从NADH传递给CoQ

NADH+H+FMN，Fe-SCoQee复合体ⅠFMNFe-SNADHee复合体Ⅰ：NADH-泛醌还原酶QH2R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）的结构NAD+的加氢和脱氢反应

FMN（黄素单核苷酸）的异咯嗪环可逆地接受或失去2H++2e，起电子传递体或递氢体作用,将电子从NADH传给Fe-S。FMNAMPFADⅠⅡⅢ2VitB2FAD

铁硫蛋白的铁硫中心（Fe-S）含有等量的Fe和S（Fe2S2或Fe4S4），Fe为电子传递体，Fe3+

Fe2+，将电子从FMN传递给CoQe铁硫蛋白的

分子结构铁硫蛋白分子中含有半胱氨酸残基硫原子,与铁硫中心的Fe相连。2．复合体Ⅱ：琥珀酸-泛醌还原酶功能成分FADFe-S复合体Ⅱ的功能是将电子从琥珀酸传递给CoQ琥珀酸e复合体Ⅱ

FAD,Fe-SCoQeFMNAMPFADⅠⅡⅢ2VitB2FAD

Fe-S复合体Ⅱ

Cytb(b566+b562)Fe-SCytc1eeeCytce3．复合体Ⅲ：泛醌-细胞色素c还原酶功能成分Cytb（Cytb566+Cytb562）Fe-SCytc1复合体Ⅲ的主要功能是将电子从CoQ传递给Cytc。CoQH2ee复合体ⅢCytcb566,b562Fe-S,c1

Fe-S复合体Ⅲ

Cytb(b566+b562)Fe-SCytc1eeeeCytc细胞色素(cytochrome,Cyt)是一类含血红素辅基的蛋白质。Cyt

中血红素的Fe传递电子，细胞色素为电子传递体Fe3+

Fe2+,eCyta

类：Cyta+Cyta3Cytb

类：Cytb566+Cytb562Cytc

类：Cytc+Cytc1细胞色素细胞色素a和b辅基细胞色素c辅基

Cyta

和Cyta3

因两者位于同一亚基上，难分离，故习惯又称Cytaa3

，并常以Cytaa3代表复合体Ⅳ。复合体Ⅳ含2个Cu离子，分别为CuA和CuB，Cu离子可传递电子，为电子传递体：4、复合体Ⅳ：细胞色素c

氧化酶功能成分CytaCyta3CuACuBCu2+

Cu+

e复合体Ⅳ中CuA与Cyta

密切接触，CuB与Cyta3构成双核中心（Cyta3-

CuB，实指

Fe3+-Cu2+），分别形成两个电子传递功能单元。其中Cyta3-

CuB将电子传递给O2，与H+最后生成水。复合体Ⅳ的功能是将电子从Cytc传递给氧。

Cytce复合体Ⅳ1/2O2CuA,Cyt

a,Cyt

a3

-

CuBe

复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶

5、CoQ：又称泛醌

CoQ是小分子脂溶性醌类化合物。其含有多个异戊二烯构成的侧链，人的CoQ的侧链由10个异戊二烯单位组成，用CoQ10

表示。

CoQ的功能是将电子从复合体Ⅰ或复合体Ⅱ传递给复合体Ⅲ。CoQ复合体Ⅰ复合体Ⅲ复合体Ⅱeee泛醌的分子结构6、细胞色素c(Cytc)

Cytc

与线粒体内膜外表面结合不紧密，易于分离，不参与复合体形成。其功能是将电子从复合体Ⅲ传递给复合体Ⅳ。复合体Ⅲ

Cytc复合体Ⅳee细胞色素c

(Cytc)（二）氧化呼吸链的排列顺序

琥珀酸等↓

FAD,Fe-S

复合体Ⅱ

↓NADH+H+→FMN,Fe-S→CoQ→b566,b562,Fe-S,c1→Cytc

CuA,Cyt

a,Cyta3-CuB

复合体Ⅳ

O2

复合体Ⅰ

复合体Ⅲ

呼吸链分为两种：①NADH氧化呼吸链②琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）

氧化还原对E0'(V)氧化还原对E0'

(V)NAD+/NADN+H+－0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2－0.219CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2－0.06CytaFe3+/Fe2+0.29CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyta3Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.816呼吸链中各氧化还原对的标准氧化还原电位呼吸链组分按氧化还原电位由低到高排列。二、氧化磷酸化

代谢物脱下的氢经氧化呼吸链传递给氧生成水，同时偶联驱动ADP磷酸化生成ATP，此称为氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）。（一）氧化磷酸化的偶联部位

1、P/O

比值：

P/O

比值是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数，即生成ATP

的摩尔数。线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值底物呼吸链的组成P/O比值可能生成的ATP数β-羟丁酸NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ2.4～2.83→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O211线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值0.8811.72根据以上P/O比值判断氧化磷酸化偶联部位：复合体ⅥO2ATPATPATPNADH→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ→Cytc琥珀酸复合体ⅡNADH呼吸链存在3个偶联部位，琥珀酸呼吸链（FADH呼吸链）存在2个偶联部位。自由能的变化与氧化还原电位变化的关系：

ΔG=-nFΔE

（ΔE为氧化还原电位变化，n为传递的电子数，F为法拉弟常数=96.5kJ/mol·V）合成1molATP时，需要提供的能量至少为

ΔG=30.5kJ/mol。2、自由能的变化NADH→→CoQ

电位差0.38V,ΔG=-73.3kJ/mol，

可产生1个ATP。CoQ→→Cytc

电位差0.19V,ΔG=-36.7kJ/mol，

可产生1个ATP。

Cytaa3→1/2O2

电位差0.53V,ΔG=-102.3kJ/mol，

可产生1个ATP。

FADH2→→CoQ

电位差0.12V,ΔG=-22.9kJ/mol,

不能产生ATP。（二）氧化磷酸化偶联机制化学渗透假说（chemiosmotichypothesis)

此假说于1961年由英国人

PeterMitchell

提出。其要点是：电子沿呼吸链传递时，可将质子H+从线粒体内膜内泵到线粒体内膜外，产生内膜内外质子电化学梯度，以此储存电子传递释放的能量，当H+顺浓度梯度回流通过ATP合酶时，驱动ADP+Pi生成ATP。

后来的实验结果证实，复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ均具有质子泵作用，每传递2H可分别可泵出4H+、4H+、2H+.

约每3个H+

通过ATP合酶回流时，驱动ADP+Pi生成1分子ATP。

将ATP4-转出线粒体同时将ADP3-转入线粒体,相当于将1个H+带入线粒体内，故每分子ATP生成并转运出线粒体实需4个H+回流。

NADH氧化呼吸链每传递2H，泵出10个H+，实生成2.5个ATP，琥珀酸氧化呼吸链传递2H泵出6个H+

，实生成1.5个ATP。电子传递与质子梯度的形成（实验）质子梯度的形成（三）ATP

合酶从线粒体内膜分离到复合体Ⅴ即ATP合酶，该酶由F0(疏水部分）和F1(亲水部分）组成。ATP合酶F1α3

β3γδεF0:F1诸亚基协同，催化

ADP+Pi生成ATP，催化部位在β亚基上。F0为质子

H+通道。a1b2c9-12ATP合酶的分子结构基质侧内膜外侧转动ATP合酶F0的a亚基紧靠c亚基环外侧，形成2个不连通的质子半通道，分别开口于内膜基质侧和内膜外侧，并分别与1个c亚基相对应。当H+回流时，先进入a亚基的入口质子半通道，结合于对应的c亚基的Asp61残基上，c亚基发生转动，转到a亚基出口质子半通道时，Asp61残基上的H+进入出口质子半通道而回到基质中。质子回流造成的c亚基转动通过F1的γ亚基带动β亚基构象发生循环变化，不断合成ATP。ATP合酶的分子结构基质侧内膜外侧转动ATP合成模式图（β亚基）质子回流L:疏松型

O:开放型

T:紧密型ATP合酶的分子结构（早期图）三、氧化磷酸化的影响因素1.呼吸链抑制剂复合体Ⅳ1/2O2NADH→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ→Cytc琥珀酸复合体Ⅱ鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥抗霉素A二巯基丙醇粘噻唑菌醇CN-COH2SN3-（一）氧化磷酸化抑制剂萎锈灵不抑制呼吸链的电子传递过程，但使氧化与磷酸化偶联过程脱离的药物或毒物称为解偶联剂。

作用机制：使呼吸链传递电子过程中泵出的H+不经ATP

合酶的F0质子通道回流，而通过其它途径返回线粒体，ATP不能生成，能量以热能释放。

2．解偶联剂

2,4-二硝基苯酚（dinitrophenol,DNP）：

可在线粒体内膜中自由移动，胞液侧结合H+,基质侧释放H+。解偶联蛋白：

在线粒体内膜上形成质子通道，存在于棕色脂肪组织，产热御寒。3.ATP合酶抑制剂寡霉素（oligomycin)结合于ATP合酶F1的寡霉素敏感蛋白（靠近F0处），可阻断质子通道，抑制ATP合酶。

二环己基碳二亚胺(DCCD)可结合F0的c亚基（其谷氨酸残基），阻断质子回流，抑制ATP合酶。细胞内ADP浓度是调节氧化磷酸化速度的重要因素。

ADP浓度升高，可致氧化磷酸化速度加快；反之，ADP浓度下降，则氧化磷酸化速度减慢。（二）ADP的调节作用（ATP/ADP）

（三）甲状腺素

甲状腺素可诱导合成细胞膜Na+,K+-ATP

酶，ATP水解增加，氧化磷酸化加快。甲状腺素使解偶联蛋白基因表达增加，使耗氧产能均增加。线粒体DNA（mitochondrialDNA，mtDNA）为裸露的环状DNA，无蛋白质保护和损伤修复系统，易受各种因素影响发生突变。

mtDNA编码呼吸链13条多肽链，其突变将影响氧化磷酸化。（四）线粒体DNA突变四、ATP生物化学将水解时释放的能量>21kJ/mol的化学键称为高能键（实际上并不存在键能特别高的化学键），用“～”表示，如高能磷酸键。含有高能键的化合物称高能化合物（见书表）。ATP是生命活动最主要的直接使用能量形式。

生成ATP的方式主要有两种：氧化磷酸化和底物水平磷酸化。

另外当ATP消耗过多，ADP积聚，可由ADP生成ATP。

ADP+ADP

ATP+AMP

ATP

不能储存，磷酸肌酸（creatinephosphateCP)是直接使用能量的贮存形式，主要存在于脑和肌肉组织。NH2|C=NH|N—CH3

|CH2

|COOH+ATPNH～P|C=NH|N—CH3

|CH2

|COOH肌酸激酶CPK(CK)

肌酸磷酸肌酸五、通过线粒体内膜的物质转运

线粒体外膜通透性较高，线粒体内膜通过不同的转运蛋白进行各种物质交换，各主要转运蛋白见下表。转运蛋白进入线粒体出线粒体ATP-ADP转位酶ADP3-ATP4-磷酸盐转运蛋白H2PO4-+H+二羧酸转运蛋白HPO42-苹果酸α-酮戊二酸转运蛋白苹果酸α-酮戊二酸天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白谷氨酸天冬氨酸单羧酸转运蛋白丙酮酸OH-三羧酸转运蛋白苹果酸柠檬酸碱性氨基酸转运蛋白鸟氨酸瓜氨酸肉碱转运蛋白脂酰肉碱肉碱线粒体内膜的某些转运蛋白前者进入琥珀酸呼吸链（FADH呼吸链）产生1.5分子ATP，主要在脑和骨骼肌。后者进入NADH呼吸链氧化产生2.5分子ATP，主要在肝和心肌。（一）胞液中NADH的氧化胞液中NADH通过α-磷酸甘油穿梭或苹果酸-天冬氨酸穿梭的方式将2H带入线粒体内。1、α-磷酸甘油穿梭胞液中磷酸甘油脱氢酶以NAD+为辅酶，线粒体内膜磷酸甘油脱氢酶以FAD

为辅基。胞液中NADH+H+在此两种酶作用下，通过α-磷酸甘油，转入线粒体氧化。

NADH+H+

FADH2

NAD+

FAD

线粒体内膜线粒体外膜膜间隙线粒体基质α-磷酸甘油脱氢酶呼吸链磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油1、α-磷酸甘油穿梭α-磷酸甘油脱氢酶苹果酸草酰乙酸谷氨酸α酮戊二酸天冬氨酸α酮戊二酸草酰乙酸天冬氨酸谷氨酸苹果酸NADH+H+NAD+NAD+NADH+H+转氨基转氨基2H转运蛋白胞液侧线粒体内2、苹果酸—天冬氨酸穿梭内膜转运蛋白（二）ATP、ADP与磷酸盐的转运ATP-ADP转位酶又称腺苷酸转运蛋白，将ATP4-转出线粒体同时将ADP3-转入线粒体，如此相当于将1个H+带入线粒体，

磷酸盐转运蛋白将胞液中的H2PO4-与H+转入线粒体内。腺苷酸转运蛋白磷酸盐转运蛋白O2e-O·-2e-+2H+H2O2e-+H+·OHH2Oe-+H+H2O第二节其他不生成ATP的氧化体系

一、抗氧化酶体系体内物质代谢过程可产生超氧阴离子O2·-、H2O2、过氧化物（R-O-OH）、羟自由基（·OH）等反应活性氧类(reactiveoxygenspecies,ROS)。线粒体：呼吸链电子传递可产生超氧阴离子O2·-

，是O2·-的主要来源。

过氧化酶体：FAD将从脂肪酸等底物获得的电子交给O2生成H2O2和

·OH。胞浆需氧脱氢酶以O2为受氢体，产物是H2O2，也可生成少量O2·-

。细菌感染、组织缺氧、环境、药物等因素也可导致细胞产生活性氧类。

反应活性氧类ROS的主要来源反应活性氧