生物化学课件：第九章 生物氧化-电子传递和氧化磷酸化作用

第九章生物氧化——电子传递和氧化磷酸化作用

本章主要内容：一、生物氧化的概念定义、特点二、生物氧化中二氧化碳的生成氧化脱羧、直接脱羧三、生物氧化中水的生成呼吸链、呼吸链的组分、各组分排列顺序电子传递的抑制剂四、氧化磷酸化作用

ATP生成的方式线粒体的结构与功能氧化磷酸化作用机制质子梯度的形成ATP合成机制影响氧化磷酸化的因素五、ATP重要的生理功能一、生物氧化（BiologicalOxidation）的概念1、定义

生物氧化：有机物在生物体细胞内的氧化过程，也叫组织呼吸或细胞呼吸。

本质：加氧、脱氢、失电子。

终产物：CO2、H2O、能量。

（提供氧化环境并直接参加生物氧化过程）2、生物氧化的特点⑴、逐步进行：物质逐步氧化，能量逐步释放⑵、条件温和⑶、需O2参与⑷、以脱氢（失电子）方式⑸、CO2以脱羧方式产生⑹、有严格的细胞定位二、生物氧化中二氧化碳的生成1、氧化脱羧在脱羧的同时，伴随有氢的丢失——氧化脱羧。丙酮酸在丙酮酸脱氢酶系催化下、α-酮戊二酸在α-酮戊二酸脱氢酶系催化下发生的脱氢脱羧反应等均属α-氧化脱羧。CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH

O丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH苹果酸酶β-氧化脱羧2、直接脱羧不伴有氧化反应的脱羧过程——直接脱羧。OAA脱羧酶草酰乙酸丙酮酸脱羧酶α-直接脱羧β-直接脱羧氨基酸脱羧酶

α-氨基酸胺α-直接脱羧需要脱氢酶→氧化态传递体一个或多个传递体←需要氧化酶还原态传递体三、电子传递和氧化呼吸链中水的生成1、电子传递过程

生物氧化过程中脱下的氢，经一系列传递体的传递，最后与氧结合生成水。水的生成发生在电子传递过程的最后阶段。电子传递和形成ATP的偶联机制称氧化磷酸化作用——氧化呼吸或呼吸代谢。2、电子传递链---（部位：线粒体）电子从NDAH或FADH2到O2的传递途径称为电子传递链，也叫电子传递体系或呼吸链。其组成：四个蛋白质复合体：复合体I～IV两个可灵活移动成分：泛醌（Q）和细胞色素C胞液侧基质侧线粒体内膜NADH-Q还原酶——复合体Ⅰ琥珀酸-Q还原酶——复合体Ⅱ细胞色素还原酶——复合体Ⅲ细胞色素氧化酶——复合体Ⅳ

辅基：黄素类（FAD、FMN）、铁-硫聚簇、血红素、铜离子等。⑴、NADH-Q还原酶（NADH脱氢酶）复合体Ⅰ，呼吸链中第一个氢泵。辅基一：FMN，接受NADH上的质子和电子生成FMNH2，并将质子传递给CoQ，电子传递给铁硫聚簇。FMN属递氢递电子体。辅基二：铁硫聚簇（Fe-S），接受FMNH2传给的电子，并将电子传递给CoQ。铁硫聚簇：属递电子体。其所含的Fe为非血红素铁。铁硫聚簇中，铁与硫往往等量出现。铁通过与蛋白质上Cys残基的S结合而与蛋白质相连，组成铁-硫蛋白。⑵、CoQ（辅酶Q）

辅酶Q，也叫泛醌。因其广泛存在于具有呼吸作用的生物体内。泛醌属递氢递电子体（第二个氢泵）。人及动物细胞线粒体中的CoQ含有10个异戊二烯单位，因此也叫CoQ10。⑶、琥珀酸-Q还原酶

复合体Ⅱ。组分有：琥珀酸脱氢酶；辅基：FADH2和铁-硫聚簇及CoQ。琥珀酸-Q还原酶的电子受体是铁-硫聚簇，FADH2

将电子通过铁-硫聚簇传递给CoQ，从而进入电子传递链。⑷、细胞色素类（Cyt）

细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白的总称。

Cyt属递电子体，几乎存在于所有生物体内。其从CoQH2上接受电子，并将电子最后传递给氧，使氧成为氧负离子

bc1

caa3↑细胞色素c

氧化酶复合体Ⅳ细胞色素还原酶复合体ⅢO2a和a3以复合物存在，称细胞色素氧化酶，分子中除含Fe外还含有Cu，可将电子传递给氧，故亦称其为末端氧化酶。H2OO221O2-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2e3、电子传递链中各组分的排列顺序⑴、NADH呼吸链：电子传递和水的生成⑵、FADH2呼吸链：电子传递和水的生成H2OFADFADH2

FeS2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ21O2O2-2H+2e延胡索酸琥珀酸琥珀酸等NADH呼吸链NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S复合体II复合体IV复合体I复合体IIINADH-Q还原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

电子传递链各组分的排列位置与其得失电子趋势的强度有关。电子是从标准电势低处向标准电势高处传递的，按各组分的标准电势可决定其在呼吸链中的位置。+0.045CoQ是线粒体中不同代谢物氧化呼吸链的汇合点4、电子传递的抑制剂

电子传递抑制剂——能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质。常用的抑制剂有：

鱼藤酮、安密妥等：阻断氢和电子由NADH向CoQ的传递。

抗霉素A：干扰电子从还原型CoQ（QH2）到细胞色素c1的传递作用。

氰化物、叠氮化物、CO等：阻断电子从aa3→O2的过程。四、氧化磷酸化作用1、生物氧化中ATP生成的方式ATP主要由ADP磷酸化而生成，即：在急需供能时，ATP也可由AMP焦磷酸化而生成，或由两分子ADP生成，即：

ATP生成时，提供能量的方式有两种：⑴、底物水平磷酸化：物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成。⑵、氧化磷酸化

氢或电子在电子传递链的传递过程中，伴随有ADP磷酸化为ATP，这种ATP生成的方式就叫氧化磷酸化，也叫电子传递体系磷酸化，或呼吸链磷酸化作用——产生ATP的主要方式。

膜间空隙⑶、线粒体膜的通透性外膜：通透性较大，分子量小于4000～5000的物质通常均可自由通过。内膜：具有通透屏障作用，对通过的物质具有严格的选择性。

⑷、线粒体的功能①、线粒体各结构的酶Ⅰ、膜间空隙：腺苷酸激酶等核苷酸激酶Ⅱ、外膜：单胺氧化酶、脂肪酸延长途径中的酶等Ⅲ、内膜：分布着与ATP的生成有关的重要酶（如：Cyt类；琥珀酸脱氢酶；NADH-Q还原酶等呼吸链酶及FoF1-ATPase等）Ⅳ、基质：分布有参与糖、脂、Aa代谢的重要酶（如：参与TCA循环的酶、脂肪酸β-氧化酶系、尿素循环中的部分酶等）②、线粒体的功能Ⅰ、氧化反应：产生NADH和FADH2，发生在线粒体基质或是面向基质的内膜的蛋白质上；Ⅱ、电子从NADH和FADH2传递至线粒体内膜上，并同时形成跨膜的质子泵；Ⅲ、处于线粒体内膜上的FoF1-ATPase复合体将贮存在电化学质子梯度上的能量用于ATP的合成。3、氧化磷酸化作用机制⑴、ATP的合成部位ATP生成的部位有三：0.045电子传递链标准氧还势自由能变化和ATP形成部位示意图指氧化磷酸化过程中，每消耗1摩尔O原子所生成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）。P/O比值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Ⅲ2.52.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ1.51.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O20.881细胞色素c(Fe2+)复合体Ⅳ→O20.61-0.681⑵、能量偶联假说化学偶联假说结构（构象）偶联假说化学渗透偶联假说

①、化学偶联假说1953年，荷兰化学家EdwardSlater

要点：电子传递过程中产生一种活泼的高能中间产物，它随后的水解可驱动ATP的生成。这一学说的基础是强调细胞内全部化学反应的顺序性。甘油醛-3-P+NAD++Pi甘油酸-1，3-二磷酸+NADH+H+甘油酸-1，3-二磷酸+ADP甘油酸-3-磷酸+ATP例如：酵解中：至今未能从线粒体中发现假说中的高能化合物、没有突出线粒体膜的重要性。②、构象偶联假说：1964年，美国科学家PaulBoyer

要点：电子沿电子传递链的传递过程中能使线粒体内膜蛋白质组分发生构象变化，形成高能形式，这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。COOHSHCOOHHSA*（蛋白质多肽链）的空间发生如下的变化：③、化学渗透假说：

1961年由英国生化学家PeterMitchell首次提出，1966年再次提出。

化学渗透假说示意图Mitchell认为：电子传递释放出的自由能与ATP的合成是同一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。许多实验结果支持化学渗透假说：氧化磷酸化作用需要线粒体内膜的完整性。解偶联剂：2，4-二硝基苯酚。H+不能自由通过内膜呼吸链确实能将H+排到内膜外侧。ATP的形成确实伴随着H+向膜内的移动。1978年，Mitchell获诺贝尔化学奖。

4、质子梯度的形成质子梯度的形成与NADH脱氢酶、细胞色素还原酶及细胞色素氧化酶有关。线粒体电子传递链图解：表明电子传递和H+

排出的途径2H+2H+⑴、氧化-还原回路机制①、呼吸链中递氢体和递电子体在线粒体内膜上交替排列，各组分有其特定位置，催化定向反应。②、递氢体具氢泵作用，可将底物传来的两个氢中的电子（2e）传递给其后的电子传递体，而将两个质子（H+）从内膜内侧泵出内膜到内膜的外侧。③、内膜具选择通透作用，H+不能自由通过内膜，因此形成膜内外H+

浓度梯度。⑵、质子泵机制电子传递→复合体构象改变→pK值改变→质子移位。实验发现：质子的电化学梯度与ATP的生成并无必然的关系。

ATP合成机制----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F1：亲水部分（动物：α3β3γδε亚基复合体，OSCP、IF1

亚基），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。

F0：疏水部分（ab2c9~12亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道。ATP合酶模式图蕴藏在质子浓度梯度中的自由能称为质子动势或质子动力。当泵出膜外的高能质子重新返回内膜内侧时，可以驱动ATP的合成。ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液侧

基质侧++++++++++---------ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQADP+PiATPADP+PiATP4.氧化磷酸化作用可受某些内外源因素的影响1、呼吸链抑制剂复合体Ⅰ抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidinA)及异戊巴比妥(amobarbital)等阻断传递电子到泛醌。复合体Ⅱ的抑制剂：萎锈灵(carboxin)。（一）有3类氧化磷酸化抑制剂复合体Ⅲ抑制剂：抗霉素A(antimycinA)阻断CytbH传递电子到泛醌(QN)

；粘噻唑菌醇则作用QP位点。复合体Ⅳ抑制剂：CN－、N3－紧密结合中氧化型Cyta3，阻断电子由Cyta到CuB-Cyta3间传递。CO与还原型Cyta3结合，阻断电子传递给O2。

NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×抗霉素A二巯基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各种呼吸链抑制剂的阻断位点2、解偶联剂解偶联剂：使氧化与磷酸化两个偶联过程相互分离的物质。如：二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)；解偶联蛋白(uncouplingprotein，UCP1)。Uncoupler：Amolecular,Suchasdinitrophenol,thatuncouplesATPsynt