第14章生物氧化

1、Chapter14 Biological OxidationO2第一节第一节 生物氧化的涵义生物氧化的涵义及其与物质代谢的关系及其与物质代谢的关系1. 生物氧化概念生物氧化概念-有机物质在活细胞内氧化有机物质在活细胞内氧化分解，产生分解，产生CO2、H2O，释放能量的作用称生，释放能量的作用称生物氧化物氧化 （Biological Oxidation）。）。乙酰乙酰CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP * * 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程3. 3. 生物氧化与体外氧化的相同点生物氧化与体外氧化的相同点 化学本质相同，都遵循氧化还原反应的一般化学本质相同，都遵循氧化还原反应的一般规

2、律。规律。 物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（物（CO2，H2O）和释放能量均相同。）和释放能量均相同。* * 生物氧化与体外氧化的不同点生物氧化与体外氧化的不同点4. 4. 生物氧化与物质代谢的关系生物氧化与物质代谢的关系 -生物氧化是物质代谢的基本反应之一生物氧化是物质代谢的基本反应之一2HCO2ATP ADP + PiO2H2O乙酰CoA CoASH葡萄糖 甘油、脂肪酸 氨基酸糖原 脂肪 蛋白质三羧酸循环第一阶段第二阶段第三阶段氧化磷酸化丙酮酸2H胞液线粒体胞液胞液线粒体线粒体-21SH2NAD+2HSNADHFMNH2CoQFe2+CytF

3、e3+CytO22eCytFe2+CytFe3+CytFe3+O2+(a-a3)Fe2+Cyt2eCoQH2FMNH2O2HH+2e2H+2e图14-3 呼吸链氧化-还原反应示意图(1)(2)(3)(4)(bc1)c2H一、不需传递体的生物氧化体系（一酶体系）一、不需传递体的生物氧化体系（一酶体系） 1. 氧化酶氧化酶-含铜含铜 2. 需氧脱氢酶需氧脱氢酶-黄酶的一种黄酶的一种SH2SNAD+(或NADP+)NADH (或NADPH ）+H+FMNH2(或FADH2)FMN(或FAD)O2H2O2一、不需传递体的生物氧化体系（一酶体系）一、不需传递体的生物氧化体系（一酶体系） 氧化酶氧化酶 需

4、氧脱氢酶需氧脱氢酶二、需传递体的生物氧化体系二、需传递体的生物氧化体系 二酶氧化还原体系：黄素酶二酶氧化还原体系：黄素酶+细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶 多酶氧化还原体系：多酶氧化还原体系：电子传递链（呼吸链）电子传递链（呼吸链） 代谢物脱下的成对氢原子（代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链呼吸链(respiratory chain)或或电子传递链电子传递链(electron transfer chain)。组成组成-递氢体递氢体

5、和和 电子传递体（电子传递体（2H 2H+ + 2e）位置位置-线粒体内膜（真核生物）线粒体内膜（真核生物） -胞浆（原核生物）胞浆（原核生物） （一）呼吸链（一）呼吸链1. NADH氧化呼吸链氧化呼吸链2. 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 NADHFMN（Fe-S）CoQCyt b c1 caa3O2CoQCyt b c1 caa3O2 FAD（Fe-S）琥珀酸（二）呼吸链的类型（二）呼吸链的类型NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链H+H+线粒体内重要代谢物的氧化途径线粒体内重要代谢物的氧化途径NADHFMN（Fe-S） c1 caa3O2 FAD（Fe-S） 琥珀

6、酸 -磷酸甘油CoQCyt b苹果酸 -羟脂酰CoA -羟丁酸异柠檬酸谷氨酸FAD硫辛酸 丙酮酸 -酮戊二酸FAD 脂酰CoA1. 脱氢脱氢 NAD+和和NADP+为辅酶的脱氢酶：递氢体。为辅酶的脱氢酶：递氢体。 二者的递氢部位是二者的递氢部位是烟酰胺烟酰胺部分，为部分，为VB5。（三）呼吸链有关酶和传递体及其作用机制（三）呼吸链有关酶和传递体及其作用机制R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+NAD+和和NADP+的结构的结构NAD+（NADP+）的递氢机制）的递氢机制（氧化型）（氧化型）NHCONH2R+ H + H + + eNHCONH2RH+ H +NAD +/NADP+NA

7、DH/NADPH（还原型）（还原型）2. NADH被黄素酶氧化被黄素酶氧化 FMN和和FAD为辅基：递氢体为辅基：递氢体 最重要的是最重要的是NADH脱氢酶（脱氢酶（ FMN为辅基为辅基） 和和琥珀酸脱氢酶（琥珀酸脱氢酶（ FAD为辅基为辅基） 辅基的异咯嗪及核醇部分为辅基的异咯嗪及核醇部分为VB2（核黄素）（核黄素） FMN结构结构CH2OHOPOHOCCHOHCHOHHOHCHHNHNNNOOH3CH3C1458910异咯嗪异咯嗪核醇核醇 CH2OOOHOHHHHCH2HOPOHONNNNNH2OPOHOCCHOHCHOHHOHCHHNHNNNOOH3CH3C1458910FAD结构结构F

8、MN和和FAD递氢机制递氢机制 RNHNNNOOH3CH3CFMN/FAD1458910RNHNHHNNOOH3CH3C1458910+ 2HFMNH2/FADH2（氧化型）（氧化型）（还原型）（还原型）双电子传递体双电子传递体3. 还原型黄素酶还原型黄素酶释放两个电子释放两个电子， 经经Fe-S传递给传递给CoQ Fe-S为铁硫中心或铁硫簇，含等量铁原子和硫原子。为铁硫中心或铁硫簇，含等量铁原子和硫原子。 铁除与硫连接外，还与肽链中铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的巯基连接。残基的巯基连接。 铁原子进行铁原子进行Fe2+ Fe3+e 反应，为反应，为单电子传递体单电子传递体。 FeFeS

9、SSFeFeSSSSSCysCysCysCysSFeSFeSSSSCysCysCysCys二铁二硫二铁二硫四铁四硫四铁四硫Fe-S中心有两种形式中心有两种形式4. CoQ接受接受Fe-S传递来的传递来的2个电子，个电子， 并吸收并吸收线粒体基质中的线粒体基质中的2个个H+ 成为成为还原型还原型QH2 Co Q又叫又叫泛醌，泛醌，侧链含多个异戊二烯。侧链含多个异戊二烯。 脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜中分离出脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜中分离出来，因此不包含在四种复合体中。来，因此不包含在四种复合体中。 分子中的苯醌结构能可逆结合分子中的苯醌结构能可逆结合2个个H，为，为递氢体递氢体。

10、 OOH3COH3COCH3(CH2CHCCH3CH2)nHCoQ isoprene H2CCCCH2CH3H OOCH3OCH3CH3OROHOHCH3OCH3CH3OR+ 2H 泛泛醌醌（氧氧化化型型） 二二氢氢泛泛醌醌（还还原原型型）5. QH2被被细胞色素细胞色素氧化氧化 细胞色素细胞色素（Cytochrome, Cyt）以铁卟啉为辅基以铁卟啉为辅基 呼吸链中主要有呼吸链中主要有a、b、c三类（吸收光谱和吸收峰三类（吸收光谱和吸收峰不同）。差别在于铁卟啉的侧链以及铁卟啉与蛋不同）。差别在于铁卟啉的侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接的方式不同。白部分连接的方式不同。 Cyt b、c的铁卟啉与血

11、的铁卟啉与血红素相同；红素相同； Cyt a的铁卟啉为血红素的铁卟啉为血红素A。 分子中的分子中的铁铁通过氧化还原而传递电子，为通过氧化还原而传递电子，为单电子单电子传递体传递体。（四）呼吸链的（四）呼吸链的4个氧化还原酶复合物个氧化还原酶复合物人线粒体呼吸链复合体人线粒体呼吸链复合体复复合合体体酶酶名名称称复复合合体体复复合合体体复复合合体体复复合合体体NADH-泛泛醌醌还还原原酶酶琥琥珀珀酸酸-泛泛醌醌还还原原酶酶泛泛醌醌-细细胞胞色色素素C还还原原酶酶细细胞胞色色素素c氧氧化化酶酶辅辅基基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁铁卟卟啉啉，Fe-S 铁铁卟卟啉啉，Cu 多多肽肽链链数数39

12、4 1013 复复合合体体酶酶名名称称复复合合体体复复合合体体复复合合体体复复合合体体NADH-泛泛醌醌还还原原酶酶琥琥珀珀酸酸-泛泛醌醌还还原原酶酶泛泛醌醌-细细胞胞色色素素C还还原原酶酶细细胞胞色色素素c氧氧化化酶酶辅辅基基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁铁卟卟啉啉，Fe-S 铁铁卟卟啉啉，Cu 多多肽肽链链数数394 1013 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置四种复合体在呼吸链中

13、四种复合体在呼吸链中的排列关系的排列关系NADHsuccinate FMN（Fe-S） FAD（Fe-S） Cyt b, （Fe-S）CoQ Cyt aa3O2Cyt ccompex Icompex IIcompex IIIcompex IVc1NADH+H+ NAD+ FMN FMNH22Fe2+-S 2Fe3+-S QQH2 复合体复合体NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 u 功能功能: 将电子从将电子从NADH传递给泛醌传递给泛醌 (ubiquinone) ,复合体复合体具有质子泵功能，每传递具有质子泵功能，每传递2个电

14、子可将个电子可将4个个H+从内膜的基质侧泵胞浆侧。从内膜的基质侧泵胞浆侧。 复合体复合体琥珀酸琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 琥珀酸琥珀酸 延胡索酸延胡索酸 FAD FADH22Fe2+-S 2Fe3+-S QQH2u 功能功能: 将电子从琥珀酸传将电子从琥珀酸传递给泛醌，递给泛醌，无质子泵功能。无质子泵功能。 复合体复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1u 功能：将电子从泛醌功能：将电子从泛醌传递给细胞色素传递给细胞色素c。u有质子泵功能有质子泵功能 复合体复合体还原型还原型Cyt c O2CuAaa3CuB u 功能

15、：将电子从细胞色功能：将电子从细胞色素素c传递给氧。传递给氧。u有质子泵功能有质子泵功能呼吸链的特点1 随着各电子传递体的还原电位随着各电子传递体的还原电位 ，对电，对电 子亲和力子亲和力 ，电子逐步传递到氧，每一，电子逐步传递到氧，每一 次传递都释放能量次传递都释放能量2 各电子传递体以复合体形式存在，按各电子传递体以复合体形式存在，按 序整合，连续，高速序整合，连续，高速3 分布不对称（分布不对称（Mit内膜上）内膜上） 贯穿：贯穿：NADH脱氢酶脱氢酶 偏外：偏外：C1，a 便于方便地传递便于方便地传递H+ 偏内：偏内：a3NNFeNNCHOHO血红素A（细胞色素aa3的辅基)12345

16、678HOOCCOOH过氧化氢酶催化过氧化氢酶催化2H2O22H2O + O2过氧化物酶催化过氧化物酶催化 或SH2SNAD+NADF+ H+2Ph2PhOHOHOOO1/2O22e2H+H2O脱氢酶醌还原酶酚氧化酶Cu2+Cu+SH2SNADP+NADPH+H+2GSHGSSGDHAAA2Cu+2Cu2+1/2 O2O2H+H2O脱氢酶谷胱甘肽还原酶 脱氢抗坏血酸还原酶抗坏血酸氧化酶2e2e线粒体线粒体细胞的动力站细胞的动力站COCHOCH2OHOPOO-O-POO-O-甘油酸甘油酸-1,3-二磷酸二磷酸CH3COOPOO-O-乙酰磷酸乙酰磷酸10.1千卡千卡/摩尔摩尔11.8 千卡千卡/摩

17、尔摩尔H3N+COOPOO-O-氨甲酰磷酸RCOOPOOO-A酰基腺苷酸RCH COOPOOO-AN+H3氨酰基腺苷酸OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡千卡/摩尔摩尔O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）O-POO-O POO-O-焦磷酸焦磷酸7.3千卡千卡/摩尔摩尔OPOON HCN HNC H3C H2C O O HOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸磷酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔O SOO-OCH2OHHOHHOHH

18、NNNH2NNO POO-3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸RCOSCoA酰基辅酶酰基辅酶A 丙酮酸激酶丙酮酸激酶 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸+ADP 烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸+ATP 琥珀酰硫激酶琥珀酰硫激酶 琥珀酰琥珀酰CoA+H3PO4+GDP 琥珀酸琥珀酸+CoA+GTP P/O比值比值: 氧消耗与无机磷酸消耗之间成一定比例关系，可氧消耗与无机磷酸消耗之间成一定比例关系，可以反映底物脱氢氧化与以反映底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系。生成之间的比例关系。 把每消耗把每消耗1摩尔氧原子所产生的摩尔氧原子所产生的ATP的摩尔数（即的摩尔数（即使无机磷与使无机磷与ADP变为变为ATP的摩尔

19、数）的摩尔数）称为称为P/O比值。比值。根据根据P/O比值推测氧化磷酸化偶联部位比值推测氧化磷酸化偶联部位P/O1， (0.5) 合成合成1个个ATPP/O1.5, 2, 合成合成 2个个ATP P/O2.5, 合成合成 3个个ATP 线线粒粒体体离离体体实实验验测测得得的的一一些些底底物物的的P/O比比值值底底 物物呼呼吸吸链链的的组组成成P/O比比值值可可能能生生成成的的 ATP数数 -羟羟丁丁酸酸NAD+复复合合体体CoQ复复合合体体2.42.8 3Cyt c复复合合体体O2琥琥珀珀酸酸复复合合体体CoQ复复合合体体1.7 2Cyt c复复合合体体O2抗抗坏坏血血酸酸Cyt c复复合合体

20、体O20.88 1细细胞胞色色素素c (Fe2+) 复复合合体体O20.61-0.68 1线粒体离体实验测得的一些底物的线粒体离体实验测得的一些底物的P/OP/O比值比值注：近年的实验确定，注：近年的实验确定，NADH呼吸链呼吸链P/O比值大约为比值大约为2.5； 琥珀酸呼吸链琥珀酸呼吸链P/O比值约为比值约为1.5。根据电子传递时自由能变化确定可能的偶联部位根据电子传递时自由能变化确定可能的偶联部位G=-nFE电子传递链自由能变化电子传递链自由能变化区段区段电位变化电位变化(E)自由能变化自由能变化G=-nF E能否生成能否生成 ATP(G是否大于是否大于 30.5kJ) Cyt aa3O2

21、 0.53V 102.3kJ/mol 能能NAD+CoQ0.36V 69.5kJ/mol 能能CoQCytc 0.21V 40.5kJ/mol 能能在琥珀酸氧化呼吸链中，只有在琥珀酸氧化呼吸链中，只有处可生成处可生成ATP。氧氧化化还还原原对对E (V)NAD+/NADH+H+-0.32FMN/ FMNH2-0.30FAD/ FADH2-0.06Cyt b Fe3+/Fe2+0.04（或或0.10）Q10/Q10H20.07Cyt c1 Fe3+/ Fe2+0.22Cyt c Fe3+/Fe2+0.25Cyt a Fe3+ / Fe2+0.29Cyt a3 Fe3+ / Fe2+ 0.551/

22、2 O2/ H2O 0.82呼呼吸吸链链中中各各种种氧氧化化还还原原对对的的标标准准氧氧化化还还原原电电位位-50.24kJ/moL-41.87kJ/moL-100.48kJ/moL1. 呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。阻断呼吸链中某些部位电子传递。2. 解偶联剂解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：如： 2,4二硝基苯酚（二硝基苯酚（DNP)、解偶联蛋白、解偶联蛋白 3. 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 对电子传递及对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素如：寡霉素 四、影响氧化磷酸化的因素四、影响氧化磷酸化

23、的因素（一）抑制剂（一）抑制剂鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A异戊巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S如如DNP的解耦连作用：的解耦连作用：脂溶性，其质子化形式脂溶性，其质子化形式和共轭碱形式可穿过线粒体和共轭碱形式可穿过线粒体内膜内膜进入基质侧释出进入基质侧释出H+，返回胞液侧结合返回胞液侧结合H+破坏电破坏电化学梯度。化学梯度。解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 ADP+Pi ATP mtDNA为裸露的环状双螺旋结构为裸露的环状双螺旋结构易受氧易受氧自由

24、基的损伤自由基的损伤突变突变氧化磷酸化氧化磷酸化ATP 。mtDNA编码呼吸链编码呼吸链13条多肽链的基因、条多肽链的基因、22个个tRNA的基因、的基因、2个个rRNA基因。基因。五、线粒体外五、线粒体外NADH（EMP）的氧化磷酸化）的氧化磷酸化 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间隙膜间隙 线粒体线粒体 基质基质-磷酸甘油磷酸甘油 脱氢酶脱氢酶 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O-磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOHNADH

25、 +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-OHH-OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H -OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸 谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸a-a-酮戊酮戊二酸二酸苹果酸苹果酸 谷氨酸谷氨酸草酰乙酸草酰乙酸a-a-酮戊酮戊二酸二酸天冬氨酸天

26、冬氨酸NADHNADH2 2NADHNADH2 2NADNADNADNAD六、氧化磷酸化作用机制的解释六、氧化磷酸化作用机制的解释 - 底物脱下的氢的一对电子通过底物脱下的氢的一对电子通过NADH呼吸链传递给氧原呼吸链传递给氧原子，期间分别有子，期间分别有4、4、2共共5对质子从线粒体的基质转移对质子从线粒体的基质转移到膜的间隙中。呼吸链发挥了质子泵的作用。到膜的间隙中。呼吸链发挥了质子泵的作用。 - 结果在线粒体内膜的两侧形成了质子的电化学梯度，积结果在线粒体内膜的两侧形成了质子的电化学梯度，积蓄了很大的自由能。蓄了很大的自由能。- 当质子顺电化学梯度通过基粒返回到基质时，有自由能当质子顺电

27、化学梯度通过基粒返回到基质时，有自由能释放。释放能量在内膜粒子的释放。释放能量在内膜粒子的ATP合酶（合酶（FoF1ATPase）作用下，通过作用下，通过ADP 的磷酸化生成的磷酸化生成ATP分子。分子。 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化学渗透假说详细示意图化学渗透假说详细示意图（1） 氧化还原回路机制 该机制由Mitchell 提出。他认为线粒体内膜呼吸链的各个氧化还原中心即FMN、CoQ、细胞色素以及铁硫聚簇的排列可能既能执行电子