基础生物化学生物氧化

1、6 生物氧化生物氧化(Biologicaloxidation)6.1 生物氧化概述生物氧化概述6.2 电子传递链（呼吸链）电子传递链（呼吸链）6.3 氧化磷酸化氧化磷酸化6.1 生物氧化概述生物氧化概述6.1.1 生物氧化的概念生物氧化的概念6.1.1.1 生物氧化的主要内容生物氧化的主要内容生物氧化生物氧化（biological oxidation）是生物细胞将糖、是生物细胞将糖、脂和蛋白质等有机物进行氧化分解，最终生脂和蛋白质等有机物进行氧化分解，最终生成成CO2和和H2O并释放能量的过程，也称为细并释放能量的过程，也称为细胞呼吸（胞呼吸（cellular respiration）。）。代

2、谢物在体内的氧化可以分为代谢物在体内的氧化可以分为3个阶段：个阶段：糖、脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰辅糖、脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰辅酶酶A中的乙酰基。中的乙酰基。乙酰辅酶乙酰辅酶A进入三羧酸循环脱氢，生成进入三羧酸循环脱氢，生成CO2并使并使NAD和和FAD还原成还原成NADH、FADH2。NADH和和FADH2中的氢经呼吸链将电子传递中的氢经呼吸链将电子传递给氧生成水，氧化过程中释放出来的能量用给氧生成水，氧化过程中释放出来的能量用于于ATP合成。合成。狭义地说只有第狭义地说只有第3个阶段才是生物氧化，这是个阶段才是生物氧化，这是体内能量生成的主要阶段。体内能量生成的主要阶段。6

3、.1.1.2 生物氧化的特点生物氧化的特点生物体内进行的氧化反应与体外氧化反应都遵生物体内进行的氧化反应与体外氧化反应都遵循氧化反应（脱氢、脱电子和加氧等）的一循氧化反应（脱氢、脱电子和加氧等）的一般规律，最终氧化分解产物是般规律，最终氧化分解产物是CO2和和H2O，同时释放能量。但是生物氧化反应又有其特同时释放能量。但是生物氧化反应又有其特点。点。生物氧化中底物是在酶的催化下，经一系列生物氧化中底物是在酶的催化下，经一系列连续的化学反应逐步氧化分解的，氧化过程连续的化学反应逐步氧化分解的，氧化过程产生的能量也是逐步释放的。产生的能量也是逐步释放的。 生物氧化产生的能量部分可转变成生命活动生物

4、氧化产生的能量部分可转变成生命活动能够利用的形式，即合成能够利用的形式，即合成ATP，不是全以热，不是全以热的形式释放。的形式释放。生物氧化是在常温、常压、近中性生物氧化是在常温、常压、近中性pH的环的环境中进行。境中进行。在真核细胞内，生物氧化主要是在线粒体中进在真核细胞内，生物氧化主要是在线粒体中进行，原核细胞内生物氧化是在细胞膜上进行。行，原核细胞内生物氧化是在细胞膜上进行。6.1.1.3 生物氧化中生物氧化中CO2和和H2O的生成的生成 CO2的生成的生成代谢底物在酶的作用下经一系列脱氢、加水等代谢底物在酶的作用下经一系列脱氢、加水等反应，转变为含羧基的化合物，经脱羧反应反应，转变为含

5、羧基的化合物，经脱羧反应生成生成CO2，包括直接脱羧和氧化脱羧。，包括直接脱羧和氧化脱羧。 H2O的生成的生成生物氧化中底物脱下的氢与氧结合生成水。生物氧化中底物脱下的氢与氧结合生成水。6.1.2 生物氧化的自由能变化生物氧化的自由能变化6.1.2.1 自由能概念自由能概念生物体不能直接利用热能做动，在生命活动过生物体不能直接利用热能做动，在生命活动过程中所需的能量都来自体内生化反应释放的程中所需的能量都来自体内生化反应释放的自由能。自由能。自由能自由能(free energy) ：在恒温、恒压条件下一：在恒温、恒压条件下一个体系可用于做有用功的能量。又称个体系可用于做有用功的能量。又称Gib

6、bs自自由能，以由能，以G表示。表示。6.1.2.3 氧化还原电位氧化还原电位生物体内进行的生化反应有许多是氧化还原反生物体内进行的生化反应有许多是氧化还原反应，生物所需要的能量就来自于体内的氧化应，生物所需要的能量就来自于体内的氧化还原反应。在生物体中物质进行氧化还原反应。在生物体中物质进行氧化-还原时，还原时，其基本原理和化学电池一致。在氧化其基本原理和化学电池一致。在氧化-还原反还原反应中，电子从还原剂传递到氧化剂。应中，电子从还原剂传递到氧化剂。标准状况下氧化还原电位变化：标准状况下氧化还原电位变化： E =标准氧化电极电位标准氧化电极电位 标准还原电极电位标准还原电极电位E 越大，得

7、到电子的倾向越大，氧化能力越强；越大，得到电子的倾向越大，氧化能力越强；E 越小，失去电子的倾向越大，还原能力越越小，失去电子的倾向越大，还原能力越强。强。6.1.3 高能磷酸化合物高能磷酸化合物6.1.3.1 生物体内的高能化合物生物体内的高能化合物生命过程必须与放能反应偶联。生物氧化释放生命过程必须与放能反应偶联。生物氧化释放的能量一般先贮藏在高能化合物中，机体用的能量一般先贮藏在高能化合物中，机体用于做功的能量来自高能化合物水解反应。这于做功的能量来自高能化合物水解反应。这样，高能化合物就成为放能反应与吸能反应样，高能化合物就成为放能反应与吸能反应之间的能量梭。之间的能量梭。高能化合物中

8、含有高能键，高能键是指具有高高能化合物中含有高能键，高能键是指具有高的磷酸基团转移势能或水解时释放较多自由的磷酸基团转移势能或水解时释放较多自由能的磷酸酐键或硫酯键。高能键是不稳定的能的磷酸酐键或硫酯键。高能键是不稳定的键。键。 ATP是最重要的高能化合物。是最重要的高能化合物。并非含磷酸基团的化合物均属于高能化合物，并非含磷酸基团的化合物均属于高能化合物，例如例如6-磷酸葡萄糖、磷酸葡萄糖、6-磷酸果糖、磷酸果糖、3-磷酸甘磷酸甘油，它们水解时只释放出油，它们水解时只释放出4.212.6 kJmol-1的能量，因而属于低能磷酸化合物。的能量，因而属于低能磷酸化合物。6.1.3.2 ATP的结

9、构及其在能量转换中的作用的结构及其在能量转换中的作用糖、脂肪和蛋白质是大多数生物赖以生存的主糖、脂肪和蛋白质是大多数生物赖以生存的主要能源物质，通过细胞呼吸作用使这些贮存要能源物质，通过细胞呼吸作用使这些贮存能源物质氧化分解，同时释放出能量。释放能源物质氧化分解，同时释放出能量。释放的能量除一部分以热的形式散失于周围环境的能量除一部分以热的形式散失于周围环境中之外，其余部分通过底物水平磷酸化或氧中之外，其余部分通过底物水平磷酸化或氧化磷酸化生成化磷酸化生成ATP，以高能磷酸键的形式存，以高能磷酸键的形式存在。同时，在。同时，ATP也是生命活动利用能量的主也是生命活动利用能量的主要直接供给形式。

10、要直接供给形式。 中度体力劳动者每日每中度体力劳动者每日每kg体重需供给能量体重需供给能量3440千卡，若一成人重千卡，若一成人重70kg，从事中度体力，从事中度体力劳动，则每日应供应含能量劳动，则每日应供应含能量2450千卡的食物，千卡的食物，其中其中40%的能量转变成化学能储存于的能量转变成化学能储存于ATP分分子的高能键中，这一部分能量应为子的高能键中，这一部分能量应为24500.4=980.0千卡，按每千卡，按每molATP水解生水解生成成ADP+Pi释放释放7.3千卡能量计算，应当合成：千卡能量计算，应当合成：9807.3=134.3molATP，ATP的分子量为的分子量为507.2

11、2，所以，所以134.3molATP重达重达68.12kg，表，表明明ATP在体内的代谢十分旺盛。在体内的代谢十分旺盛。ATP的末端有两个以磷酸酐键连接的磷酸基，的末端有两个以磷酸酐键连接的磷酸基，由于由于PO键的极化，电子云偏向氧原子，使键的极化，电子云偏向氧原子，使磷原子带部分正电荷，相距很近的正电荷相磷原子带部分正电荷，相距很近的正电荷相互排斥，使磷酸酐键不稳定。互排斥，使磷酸酐键不稳定。同时，在生理同时，在生理pH条件下，条件下，ATP约带约带4个空间距个空间距离很近的负电荷，它们之间相互排斥，使磷离很近的负电荷，它们之间相互排斥，使磷酸酸酐键易水解。酸酸酐键易水解。当当ATP水解生成

12、水解生成ADP和和Pi时，可部分消除这种时，可部分消除这种应力，而且在生理应力，而且在生理pH下下ADP和和Pi都带负电荷，都带负电荷，使平衡强烈地趋向水解，释放出大量自由能。使平衡强烈地趋向水解，释放出大量自由能。 ATP的合成可与放能反应偶联，利用其释放的的合成可与放能反应偶联，利用其释放的能量由能量由ADP和和Pi合成合成ATP；在需要时又水解；在需要时又水解成成ADP和和Pi，同时将贮藏的能量释放出来，同时将贮藏的能量释放出来，以推动各种耗能的生命活动。如分子和离子以推动各种耗能的生命活动。如分子和离子的跨膜主动运输、收缩蛋白的收缩、小的构的跨膜主动运输、收缩蛋白的收缩、小的构件分子合

13、成生物大分子等。件分子合成生物大分子等。ATP-ADP循环是生物系统的能量交换中枢。循环是生物系统的能量交换中枢。ATP还可作为磷酸基团转移反应的中间载体。还可作为磷酸基团转移反应的中间载体。ATP水解时的标准自由能变化位于多种物质水水解时的标准自由能变化位于多种物质水解时标准自由能变化的中间，它能从具有更解时标准自由能变化的中间，它能从具有更高能量的化合物接受高能磷酸键，高能量的化合物接受高能磷酸键，ATP也能也能将将Pi转移给水解时标准自由能变化较小的转移给水解时标准自由能变化较小的化合物。化合物。为了衡量磷酸化合物中磷酸基团转移的热力学为了衡量磷酸化合物中磷酸基团转移的热力学趋势，而引入

14、磷酸基团转移势能，在数值上趋势，而引入磷酸基团转移势能，在数值上等于其水解反应的等于其水解反应的- G0。在磷酸基团转移反。在磷酸基团转移反应中，磷酸基从转移势能较高的供体转移到应中，磷酸基从转移势能较高的供体转移到转移势能较低的受体分子。转移势能较低的受体分子。ATP的磷酸基团转移势能在常见的含磷酸基团的磷酸基团转移势能在常见的含磷酸基团化合物中处于中间位置，因而在磷酸基团转化合物中处于中间位置，因而在磷酸基团转移势能高的供体与低能的受体之间充当中间移势能高的供体与低能的受体之间充当中间载体。载体。例如例如EMP生成的高能中间产物生成的高能中间产物1,3-二磷酸甘油二磷酸甘油酸和酸和PEP，

15、在细胞内并不直接水解，而是经，在细胞内并不直接水解，而是经特殊激酶的作用，以转移磷酸基团的形式将特殊激酶的作用，以转移磷酸基团的形式将捕获的自由能传递给捕获的自由能传递给ADP生成生成ATP。ATP又又可通过酶促磷酸基团转移反应将磷酸酐键的可通过酶促磷酸基团转移反应将磷酸酐键的大部分自由能传递给受体分子。例如葡萄糖大部分自由能传递给受体分子。例如葡萄糖和甘油，而形成和甘油，而形成6-磷酸葡萄糖和磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油，磷酸甘油，使这些代谢物活化，以利于酶促反应的进行。使这些代谢物活化，以利于酶促反应的进行。 体内体内ATP处于消耗和补充的动态平衡中。估处于消耗和补充的动态平衡中。估计每千克活

16、动组织含有几个计每千克活动组织含有几个mmolL-1的的ATP，0.1mmolL-1的的ADP和和0.01 mmolL-1的的AMP，这要求这要求ATP与与ADP的转换速度能够随细胞生的转换速度能够随细胞生命活动的需求而不断变化。命活动的需求而不断变化。在一般组织中，在一般组织中，ATP消耗过程的加速伴随着消耗过程的加速伴随着ATP合成过程的加速，合成过程的加速，ATP水解产物水解产物ADP的的浓度对浓度对ATP的合成速度起直接调控作用。的合成速度起直接调控作用。而在动物肌肉、脑和神经等易兴奋组织中，当而在动物肌肉、脑和神经等易兴奋组织中，当其发生快速反应时对高能磷酸化合物的立即其发生快速反应

17、时对高能磷酸化合物的立即需要大于需要大于ATP合成能力，例如人在剧烈活动合成能力，例如人在剧烈活动时肌肉消耗时肌肉消耗ATP多达多达6mmolL-1kg-1s-1，而，而在迟延几秒钟后发生的最大在迟延几秒钟后发生的最大ATP合成为合成为1 mmolL-1kg-1s-1。表明为了维持这些组织的。表明为了维持这些组织的快速反应和快速反应和ATP的动态平衡，必须有一种便的动态平衡，必须有一种便于利用的高能磷酸贮能物质。于利用的高能磷酸贮能物质。6.1.3.3 磷酸肌酸磷酸肌酸以 高 能 磷 酸 形 式 贮 能 的 物 质 统 称 磷 酸 原以 高 能 磷 酸 形 式 贮 能 的 物 质 统 称 磷

18、酸 原(phosphagens)，包括磷酸肌酸、磷酸精氨酸，包括磷酸肌酸、磷酸精氨酸等。等。ATP是细胞内主要的磷酸载体或能量传递体，是细胞内主要的磷酸载体或能量传递体，人体储存能量的方式不是人体储存能量的方式不是ATP而是磷酸肌酸。而是磷酸肌酸。磷酸肌酸存在于肌肉、脑和神经组织中，它磷酸肌酸存在于肌肉、脑和神经组织中，它可与可与ATP相互转化。相互转化。ATP多时，以磷酸肌酸多时，以磷酸肌酸的形式贮能；的形式贮能；ATP不足时，磷酸肌酸转化为不足时，磷酸肌酸转化为ATP。肌肉中磷酸肌酸的含量比。肌肉中磷酸肌酸的含量比ATP约高约高34倍，足以维持倍，足以维持ATP的恒定水平。的恒定水平。肌细

19、胞线粒体内膜和胞液中均有肌酸激酶。线肌细胞线粒体内膜和胞液中均有肌酸激酶。线粒体内膜的肌酸激酶主要催化正向反应，生粒体内膜的肌酸激酶主要催化正向反应，生成的成的ADP可促进氧化磷酸化，生成的磷酸肌可促进氧化磷酸化，生成的磷酸肌酸逸出线粒体进入胞液，磷酸肌酸所含的能酸逸出线粒体进入胞液，磷酸肌酸所含的能量不能直接利用；胞液中的肌酸激酶主要催量不能直接利用；胞液中的肌酸激酶主要催化逆向反应，生成的化逆向反应，生成的ATP可补充肌肉收缩时可补充肌肉收缩时的能量消耗，而肌酸又回到线粒体用于磷酸的能量消耗，而肌酸又回到线粒体用于磷酸肌酸的合成。肌酸的合成。 肌肉中磷酸肌酸的浓度为肌肉中磷酸肌酸的浓度为A

20、TP浓度的浓度的5倍，可倍，可储存肌肉几分钟收缩所急需的化学能。储存肌肉几分钟收缩所急需的化学能。6.2 呼吸链（电子传递链）呼吸链（电子传递链）6.2.1 线粒体线粒体线粒体内膜是能量转换的重要部位，电子传递线粒体内膜是能量转换的重要部位，电子传递链和氧化磷酸化有关的组分都存在于此。原链和氧化磷酸化有关的组分都存在于此。原核细胞没有线粒体结构，它的部分质膜起着核细胞没有线粒体结构，它的部分质膜起着这种作用。这种作用。线粒体是有两层膜，外膜平滑，透性高，仅线粒体是有两层膜，外膜平滑，透性高，仅有少量酶结合其上。内膜形成了许多向内褶有少量酶结合其上。内膜形成了许多向内褶叠的嵴，产能和需能越高的组

21、织（如昆虫飞叠的嵴，产能和需能越高的组织（如昆虫飞翔肌）嵴的数目也越多。嵴的形成有利于增翔肌）嵴的数目也越多。嵴的形成有利于增加内膜的面积。加内膜的面积。内膜约含内膜约含80的蛋白质，包括电子传递链和氧的蛋白质，包括电子传递链和氧化磷酸化的有关组分，是线粒体功能的主要化磷酸化的有关组分，是线粒体功能的主要担负者。线粒体的内腔充满半流动的基质担负者。线粒体的内腔充满半流动的基质（衬质），其中包含大量的酶类以及线粒体（衬质），其中包含大量的酶类以及线粒体DNA和核糖体。和核糖体。线粒体基质酶类包括线粒体基质酶类包括TCA酶类、脂肪酸酶类、脂肪酸 -氧化氧化酶类和氨基酸分解代谢酶类。酶类和氨基酸分解

22、代谢酶类。哺乳动物线粒体哺乳动物线粒体DNA为环状分子，编码包括为环状分子，编码包括细胞色素氧化酶、细胞色素细胞色素氧化酶、细胞色素b和和F0疏水亚基疏水亚基在内的在内的10多种蛋白质，约占内膜总蛋白质的多种蛋白质，约占内膜总蛋白质的20，其余的蛋白质均由核基因编码，在细，其余的蛋白质均由核基因编码，在细胞质中合成后运入线粒体。胞质中合成后运入线粒体。线粒体内膜的内表面有一层排列规则的球形颗线粒体内膜的内表面有一层排列规则的球形颗粒，通过一个细柄与构成嵴的内膜相连接，粒，通过一个细柄与构成嵴的内膜相连接，这就是这就是ATP合酶合酶(偶联因子偶联因子F1-F0)。 6.2.2 电子传递链电子传递

23、链(electron transfer chain，ETC) 电子传递链电子传递链(呼吸链呼吸链respiratory chain)是一系列是一系列电子载体按氧化还原电位梯度排列的电子传电子载体按氧化还原电位梯度排列的电子传递系统，它将代谢物脱下的氢的电子传递给递系统，它将代谢物脱下的氢的电子传递给氧生成水，同时有氧生成水，同时有ATP生成。生成。所有组成成分都嵌合于线粒体内膜，并分段组所有组成成分都嵌合于线粒体内膜，并分段组成分离的复合物，在复合物内各载体成分的成分离的复合物，在复合物内各载体成分的物理排列也符合电子流动的方向。物理排列也符合电子流动的方向。6.2.2.1 电子传递链的组成电

24、子传递链的组成电子传递链的组分包括递氢体电子传递链的组分包括递氢体(hydrogen transfer)和递电子体和递电子体(eletron transfer)。递氢。递氢体和递电子体是传递氢原子或电子的载体，体和递电子体是传递氢原子或电子的载体，由于氢原子可以看作是由由于氢原子可以看作是由H+和和e组成的，所以组成的，所以递氢体也是递电子体，递氢体和递电子体的递氢体也是递电子体，递氢体和递电子体的本质是酶、辅酶、辅基或辅因子。本质是酶、辅酶、辅基或辅因子。NAD、FAD、FMN、Fe-S、细胞色素和泛醌等。、细胞色素和泛醌等。它们都是疏水性分子。除泛醌外，其他组分它们都是疏水性分子。除泛醌外

25、，其他组分都是蛋白质通过其辅基的可逆氧化还原传递都是蛋白质通过其辅基的可逆氧化还原传递电子。电子。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD，辅酶，辅酶I，CoI)。NAD是脱氢酶的辅酶，是连接作用物与呼吸链是脱氢酶的辅酶，是连接作用物与呼吸链的重要环节。的重要环节。NAD的主要功能是接受从代谢物上脱下的的主要功能是接受从代谢物上脱下的2H(2H+ +2e)，并传给另一传递体黄素蛋白。，并传给另一传递体黄素蛋白。在生理在生理pH条件下，烟酰胺中的氮条件下，烟酰胺中的氮(吡啶氮吡啶氮)为五为五价的氮，它能可逆地接受电子而成为三价氮，价的氮，它能可逆地接受电子而成为三价氮，与氮对位的碳也较活

26、泼，能可逆地加氢还原，与氮对位的碳也较活泼，能可逆地加氢还原，故可将故可将NAD视为递氢体。反应时，视为递氢体。反应时，NAD的尼的尼克酰胺部分可接受一个氢原子及一个电子，克酰胺部分可接受一个氢原子及一个电子，还有一个质子还有一个质子(H+)留在介质中。留在介质中。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP，辅酶，辅酶，Co)也是有些脱氢酶的辅酶，它与也是有些脱氢酶的辅酶，它与NAD不不同之处是在腺苷酸部分中核糖的同之处是在腺苷酸部分中核糖的2位碳上羟位碳上羟基的氢被磷酸基取代而成。基的氢被磷酸基取代而成。当此类酶催化代谢物脱氢后，其辅酶当此类酶催化代谢物脱氢后，其辅酶NADP

27、接接受氢而被还原生成受氢而被还原生成NADPH，它须经吡啶核，它须经吡啶核苷酸转氢酶苷酸转氢酶(pyridine nucleotide transhydrogenase)作用将还原当量转移给作用将还原当量转移给NAD，然后再经呼吸链传递，但，然后再经呼吸链传递，但NADPH一一般是为合成代谢或羟化反应提供氢。般是为合成代谢或羟化反应提供氢。 黄素蛋白黄素蛋白(flavoproteins)与电子传递链有关的黄素蛋白有两种，分别以与电子传递链有关的黄素蛋白有两种，分别以FMN和和FAD为辅基。为辅基。在在FAD、FMN分子中的异咯嗪部分可进行可逆分子中的异咯嗪部分可进行可逆的脱氢加氢反应。氧化型黄

28、素辅基从的脱氢加氢反应。氧化型黄素辅基从NADH接接受两个电子和一个质子，或从底物受两个电子和一个质子，或从底物(如琥珀酸如琥珀酸)接受两个电子和两个质子而还原：接受两个电子和两个质子而还原：NADH+H+FMN=NAD+FMNH2琥珀酸琥珀酸+FAD=延胡索酸延胡索酸+FADH2FAD或或FMN与酶蛋白部分之间是通过非共价键与酶蛋白部分之间是通过非共价键相连，但结合牢固，因此氧化与还原都在同相连，但结合牢固，因此氧化与还原都在同一个酶蛋白上进行，故黄素核苷酸的氧化还一个酶蛋白上进行，故黄素核苷酸的氧化还原电位取决于和它们结合的蛋白质，所以有原电位取决于和它们结合的蛋白质，所以有关的标准还原电

29、位指的是特定的黄素蛋白，关的标准还原电位指的是特定的黄素蛋白，而不是游离的而不是游离的FMN或或FAD；在电子转移反应中它们只是在黄素蛋白的活性在电子转移反应中它们只是在黄素蛋白的活性中心部分，而其本身不能作为作用物或产物，中心部分，而其本身不能作为作用物或产物，这和这和NAD不同，不同，NAD与酶蛋白结合疏松，当与酶蛋白结合疏松，当与某酶蛋白结合时可以从代谢物接受氢，而与某酶蛋白结合时可以从代谢物接受氢，而被还原为被还原为NADH，游离的，游离的NADH可再与另一可再与另一种酶蛋白结合，释放氢后又被氧化为种酶蛋白结合，释放氢后又被氧化为NAD。很多黄素蛋白参与呼吸链组成，与电子转移有很多黄素

30、蛋白参与呼吸链组成，与电子转移有关。如关。如NADH脱氢酶以脱氢酶以FMN为辅基，是呼吸为辅基，是呼吸链的组分之一，介于链的组分之一，介于NADH与其它电子传递与其它电子传递体之间；体之间；琥珀酸脱氢酶，线粒体内的甘油磷酸脱氢酶的琥珀酸脱氢酶，线粒体内的甘油磷酸脱氢酶的辅基为辅基为FAD，它们可直接从作用物转移，它们可直接从作用物转移H+e到呼吸链。脂肪酰到呼吸链。脂肪酰CoA脱氢酶（脱氢酶（FAD为辅基）为辅基）与琥珀酸脱氢酶相似，也能将氢从作用物传与琥珀酸脱氢酶相似，也能将氢从作用物传递进入呼吸链，但还需电子转移黄素蛋白递进入呼吸链，但还需电子转移黄素蛋白(辅辅基为基为FAD)参与才能完成

31、。参与才能完成。 铁硫蛋白铁硫蛋白(iron sulfur proteins, Fe-S)是含铁硫络合物的蛋白质，又称非血红素铁蛋是含铁硫络合物的蛋白质，又称非血红素铁蛋白（或铁硫中心），其特点是含铁原子。铁白（或铁硫中心），其特点是含铁原子。铁与无机与无机S原子或与肽链上原子或与肽链上Cys残基的硫结合。残基的硫结合。常见的铁硫蛋白有常见的铁硫蛋白有3种组合方式种组合方式a、单个铁原子与、单个铁原子与4个个Cys残基上的残基上的-SH硫相连。硫相连。b、2个铁原子、个铁原子、2个无机硫原子组成个无机硫原子组成(2Fe-2S)，其中每个铁原子还各与两个其中每个铁原子还各与两个Cys残基的残基的

32、-SH硫硫相结合。相结合。c、由、由4个铁原子与个铁原子与4个无机硫原子相连个无机硫原子相连(4Fe 4S)，铁与硫相间排列在一个正六面体的铁与硫相间排列在一个正六面体的8个顶角个顶角端；此外端；此外4个铁原子还各与一个半胱氨酸残个铁原子还各与一个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。基上的巯基硫相连。铁硫蛋白在氧化态时两个铁均为铁硫蛋白在氧化态时两个铁均为Fe3+，在还原，在还原态时变为态时变为Fe2+。由于铁的氧化、还原而达到。由于铁的氧化、还原而达到传递电子作用。传递电子作用。泛醌泛醌(ubiquinone,UQ或或Q)也称辅酶也称辅酶Q(coenzyme Q)，为一脂溶性苯醌，为一脂溶性苯醌，带

33、有一很长的脂肪族侧链，带有一很长的脂肪族侧链， 易结合到膜上或易结合到膜上或与膜脂混溶。与膜脂混溶。UQ由多个异戊二烯单位构成，不同来源的泛由多个异戊二烯单位构成，不同来源的泛醌其异戊二烯单位的数目不同，在哺乳类动醌其异戊二烯单位的数目不同，在哺乳类动物组织中最多见的泛醌其侧链由物组织中最多见的泛醌其侧链由10个异戊二个异戊二烯单位组成。烯单位组成。UQ的功能基团是苯醌，泛的功能基团是苯醌，泛醌接受一个电子和一个醌接受一个电子和一个质子还原成半醌，再接质子还原成半醌，再接受一个电子和质子则还受一个电子和质子则还原成二氢泛醌，后者又原成二氢泛醌，后者又可脱去电子和质子而被可脱去电子和质子而被氧化

34、恢复为泛醌。氧化恢复为泛醌。细胞色素体系细胞色素体系1926年年Keilin首次首次使用分光镜观察使用分光镜观察昆虫飞翔肌振动昆虫飞翔肌振动时，发现有特殊时，发现有特殊的吸收光谱，因的吸收光谱，因此把细胞内的吸此把细胞内的吸光物质定名为细光物质定名为细胞色素。胞色素。细胞色素是一类含有铁卟啉辅基的色蛋白，属细胞色素是一类含有铁卟啉辅基的色蛋白，属于递电子体。于递电子体。线粒体内膜中有细胞色素线粒体内膜中有细胞色素b、c1、c、aa3，肝、，肝、肾等组织的微粒体中有细胞色素肾等组织的微粒体中有细胞色素P450。细胞。细胞色素色素b、c1、c为红色细胞素，细胞色素为红色细胞素，细胞色素aa3为为绿

35、色细胞素。不同的细胞色素具有不同的吸绿色细胞素。不同的细胞色素具有不同的吸收光谱，不但其酶蛋白结构不同，辅基的结收光谱，不但其酶蛋白结构不同，辅基的结构也有一些差异。构也有一些差异。 细胞色素细胞色素c为一外周蛋白，位于线粒体内膜的外为一外周蛋白，位于线粒体内膜的外侧。细胞色素侧。细胞色素C比较容易分离提纯，其结构比较容易分离提纯，其结构已清楚。哺乳动物的已清楚。哺乳动物的Cyt c由由104个氨基酸残个氨基酸残基组成，并从进化的角度作了许多研究。基组成，并从进化的角度作了许多研究。Cyt c的辅基血红素的辅基血红素(亚铁原卟啉亚铁原卟啉)通过共价键通过共价键(硫硫醚键醚键)与酶蛋白相连，其余

36、各种细胞色素中辅与酶蛋白相连，其余各种细胞色素中辅基与酶蛋白均通过非共价键结合。基与酶蛋白均通过非共价键结合。细胞色素细胞色素a和和a3不易分开，统称为细胞色素不易分开，统称为细胞色素aa3。和细胞色素和细胞色素P450、b、c1、c不同，细胞色素不同，细胞色素aa3的辅基不是血红素，而是血红素的辅基不是血红素，而是血红素A。细胞。细胞色素色素aa3可将电子直接传递给氧，因此又称可将电子直接传递给氧，因此又称为细胞色素氧化酶。为细胞色素氧化酶。铁卟啉辅基所含铁卟啉辅基所含Fe2+可有可有Fe2+=Fe3+e的互变，的互变，因此起到传递电子的作用。因此起到传递电子的作用。铁原子可以和酶蛋白及卟啉

37、环形成铁原子可以和酶蛋白及卟啉环形成6个配位键。个配位键。细胞色素细胞色素aa3和和P450辅基中的铁原子只形成辅基中的铁原子只形成5个配个配位键，还能与氧再形成一个配位键，将电子位键，还能与氧再形成一个配位键，将电子直接传递给氧，也可与直接传递给氧，也可与CO、氰化物、氰化物、H2S或或叠氮化合物形成一个配位键。叠氮化合物形成一个配位键。细胞色素细胞色素aa3与氰化物结合就阻断了整个呼吸链与氰化物结合就阻断了整个呼吸链的电子传递，引起氰化物中毒。的电子传递，引起氰化物中毒。电子传递链组分除泛醌和细胞色素电子传递链组分除泛醌和细胞色素c外，其余外，其余组分实际上形成嵌入内膜的结构化超分子复组分

38、实际上形成嵌入内膜的结构化超分子复合物。用毛地黄皂苷、胆酸盐等去垢剂处理合物。用毛地黄皂苷、胆酸盐等去垢剂处理分离的线粒体时，可溶解外膜，并将内膜分分离的线粒体时，可溶解外膜，并将内膜分裂成四种仍保存部分电子传递活性的复合物。裂成四种仍保存部分电子传递活性的复合物。复合物复合物I(NADH脱氢酶脱氢酶)相对分子质量约相对分子质量约70万万90万，含有万，含有25种不同的种不同的蛋白质，包括以蛋白质，包括以FMN为辅基的黄素蛋白和多为辅基的黄素蛋白和多种铁硫蛋白，催化电子从种铁硫蛋白，催化电子从NADH转移到泛醌。转移到泛醌。复合物复合物(琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶) 相对分子质量约相对分子质量约

39、14万，含有万，含有45种不同的蛋白种不同的蛋白质，包括以质，包括以FAD为辅基的黄素蛋白、铁硫蛋为辅基的黄素蛋白、铁硫蛋白和细胞色素白和细胞色素b560，催化电子从琥珀酸传递，催化电子从琥珀酸传递到泛醌。到泛醌。复合物复合物(细胞色素细胞色素b、cl，复合体，复合体) 相对分子质量约相对分子质量约25万，含有万，含有910种不同的蛋白种不同的蛋白质，包括细胞色素质，包括细胞色素b、cl和铁硫蛋白，催化电和铁硫蛋白，催化电子从还原型泛醌转移到细胞色素子从还原型泛醌转移到细胞色素c。复合物复合物(细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶)相对分子质量约相对分子质量约16万万17万，哺乳动物线粒体万，哺乳动物

40、线粒体细胞色素氧化酶至少含有细胞色素氧化酶至少含有13种不同的蛋白质，种不同的蛋白质，包括细胞色素包括细胞色素aa3和含铜蛋白，催化电子从还和含铜蛋白，催化电子从还原型细胞色素原型细胞色素c传递给分子氧。传递给分子氧。6.2.2.2 呼吸链中各种传递体的排列顺序呼吸链中各种传递体的排列顺序根据各种组分的标准氧化还原电位来确定。根据各种组分的标准氧化还原电位来确定。标准氧化还原电位越小，其还原性越强，容易标准氧化还原电位越小，其还原性越强，容易被氧化；标准氧化还原电位越大，其氧化性被氧化；标准氧化还原电位越大，其氧化性越强，容易被还原。越强，容易被还原。呼吸链中各种组分的排列顺序是由低电位依次呼

41、吸链中各种组分的排列顺序是由低电位依次向高电位排列。向高电位排列。根据在有氧条件下氧化反应达到平衡时各种根据在有氧条件下氧化反应达到平衡时各种传递体的还原程度来确定。传递体的还原程度来确定。Chance和和Williams使用分光光度法测定离体的使用分光光度法测定离体的线粒体在有氧条件下线粒体在有氧条件下TCA反应达到平衡时，反应达到平衡时，呼吸链中各种传递体的还原程度。反应达到呼吸链中各种传递体的还原程度。反应达到平衡时从底物到氧的各种传递体的还原程度平衡时从底物到氧的各种传递体的还原程度是递减的，底物的最高，氧最低。是递减的，底物的最高，氧最低。好象物理学上的联通管，好象物理学上的联通管，

42、若进水量等于出水量，若进水量等于出水量，即流量达到平衡时，即流量达到平衡时，离进水口最近的水管离进水口最近的水管中水位最高，离出水中水位最高，离出水管最近的水管中水位管最近的水管中水位最低，从进水管到出最低，从进水管到出水管水位逐渐减低，水管水位逐渐减低，若把水流视为电子流，若把水流视为电子流，就是此情况。就是此情况。使用特异的抑使用特异的抑制剂制剂特异的抑制剂能特异的抑制剂能阻断呼吸链中阻断呼吸链中的特定环节，的特定环节，阻断部位的底阻断部位的底物一侧的各种物一侧的各种传递体应为还传递体应为还原型，阻断部原型，阻断部位的氧一侧的位的氧一侧的各种传递体应各种传递体应为氧化型。为氧化型。表中可见

43、表中可见FP、Cyt b位于抗霉素位于抗霉素A阻断部位之前，阻断部位之前，Cyt c、cl、aa3位于阻断部位之后。用不同的位于阻断部位之后。用不同的抑制剂作此实验，就可以确定呼吸链中各种抑制剂作此实验，就可以确定呼吸链中各种传递体的排列顺序。传递体的排列顺序。使用抗霉素使用抗霉素A前后递电子体的还原型百分数前后递电子体的还原型百分数在体外实验中，将线粒体分成各种复合物，在体外实验中，将线粒体分成各种复合物，检测其各自催化的反应，再将其重组，检测检测其各自催化的反应，再将其重组，检测其催化能力。其催化能力。美国格林美国格林(Green)等实验室成功地将呼吸链分等实验室成功地将呼吸链分离成具有催

44、化活性的四种复合物以及离成具有催化活性的四种复合物以及CoQ和和Cytc。将。将、和和这四种复合物这四种复合物1：1：1：1的比例混合，加上的比例混合，加上CoQ和和Cyt c重组，基重组，基本上恢复了线粒体原有的催化能力。本上恢复了线粒体原有的催化能力。借助上述实验方法，呼吸链各组分的排列顺序借助上述实验方法，呼吸链各组分的排列顺序已基本明确，但仍有些不一致的看法，其中已基本明确，但仍有些不一致的看法，其中以以CoQ至细胞色素至细胞色素C以及以及Fe-S和和CoQ的定位的定位和数量也有争议。和数量也有争议。6.2.2.3 呼吸链呼吸链在脱氢酶催化下底物在脱氢酶催化下底物AH2脱下的氢交给脱下

45、的氢交给NAD生生成成NADH，在，在NADH脱氢酶作用下，脱氢酶作用下，NADH将两个氢原子传递给将两个氢原子传递给FMN生成生成FMNH2，再，再将氢传递至将氢传递至CoQ生成生成CoQH2，此时，此时2个氢原个氢原子解离成子解离成2H+ +2e，2H+游离于介质中，游离于介质中，2e经经Cyt b、c1、c、aa3传递，最后将传递，最后将2e传递给传递给1/2O2，生成，生成O2-，O2-与介质中游离的与介质中游离的2H+结结合生成水。合生成水。 琥珀酸在脱氢生成的琥珀酸在脱氢生成的FADH2，将氢传递给，将氢传递给CoQ，生成，生成CoQH2，此，此后的传递和后的传递和NADH氧化氧化

46、呼吸链相同。呼吸链相同。 线粒体中物质代谢会生成大量的线粒体中物质代谢会生成大量的NADH和和FADH2，它们可来自丙酮酸氧化脱羧、，它们可来自丙酮酸氧化脱羧、TCA、脂肪酸的、脂肪酸的-氧化和氧化和L-谷氨酸的氧化脱谷氨酸的氧化脱氨等反应。氨等反应。 6.2.3 电子传递抑制剂电子传递抑制剂电子传递抑制剂能够在呼吸链某一特定部位阻电子传递抑制剂能够在呼吸链某一特定部位阻断电子传递。断电子传递。鱼藤酮鱼藤酮(rotenone) 鱼藤酮是一种极毒的植物毒素，用作杀虫剂，鱼藤酮是一种极毒的植物毒素，用作杀虫剂，它抑制复合物它抑制复合物，阻断电子由，阻断电子由NADHCoQ的传递，但不影响的传递，但

47、不影响FADH2CoQ的氢传递。的氢传递。安密妥安密妥(amytal)、杀粉蝶菌素、杀粉蝶菌素A(piericidin A)等等与鱼藤酮作用位点相同。与鱼藤酮作用位点相同。抗霉素抗霉素A(antimycin A)抗霉素抗霉素A是从灰色链球菌分离出的一种抗菌素，是从灰色链球菌分离出的一种抗菌素，抑制复合物抑制复合物的电子传递作用。的电子传递作用。氰化物、叠氮化物、氰化物、叠氮化物、CO和和H2S 这些抑制剂均阻断细胞色素这些抑制剂均阻断细胞色素aa3至至O2的电子传的电子传递，其中递，其中CN-和和N3-与氧化型与氧化型Cytaa3(Fe3+)有高有高度亲和力，度亲和力，CO则与还原型则与还原型

48、Cytaa3(Fe2+)形成形成复合物。复合物。6.3 氧化磷酸化氧化磷酸化6.3.1 氧化磷酸化的概念及类型氧化磷酸化的概念及类型ATP几乎是生物组织细胞能够直接利用的唯一几乎是生物组织细胞能够直接利用的唯一能源，在糖、脂类及蛋白质等物质氧化分解能源，在糖、脂类及蛋白质等物质氧化分解中释放出的能量，相当大的一部分能使中释放出的能量，相当大的一部分能使ADP磷酸化成为磷酸化成为ATP，从而把能量保存在，从而把能量保存在ATP分分子内。子内。 生物体内通过生物氧化合成生物体内通过生物氧化合成ATP的方式有底物的方式有底物水平磷酸化和氧化磷酸化。水平磷酸化和氧化磷酸化。 底 物 水 平 磷 酸 化

49、底 物 水 平 磷 酸 化 ( s u b s t r a t e l e v e l phospharylation)底物分子中的能量直接以高能键形式转移给底物分子中的能量直接以高能键形式转移给ADP生成生成ATP，这个过程称为底物水平磷酸，这个过程称为底物水平磷酸化。化。氧化磷酸化氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)氧化磷酸化是需氧生物合成氧化磷酸化是需氧生物合成ATP的主要途径。的主要途径。氧化是底物脱氢或失电子的过程，磷酸化是氧化是底物脱氢或失电子的过程，磷酸化是ADP与与Pi合成合成ATP的过程。的过程。在结构完整的线粒体中氧化与磷酸化这两个过在结构完整的

50、线粒体中氧化与磷酸化这两个过程是紧密地偶联在一起的，即氧化释放的能程是紧密地偶联在一起的，即氧化释放的能量用于量用于ATP合成，这个过程就是氧化磷酸化，合成，这个过程就是氧化磷酸化，氧化是磷酸化的基础，而磷酸化是氧化的结氧化是磷酸化的基础，而磷酸化是氧化的结果。果。电子从电子从NADH或或FADH2经电子传递链传递到分经电子传递链传递到分子氧形成水，同时偶联子氧形成水，同时偶联ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP，称为电子传递偶联的磷酸化或氧化磷酸化。称为电子传递偶联的磷酸化或氧化磷酸化。6.3.2 氧化磷酸化与电子传递的偶联氧化磷酸化与电子传递的偶联6.3.2.1 P/0值测定值测定P/O是指每

51、消耗一个氧原子是指每消耗一个氧原子(或每对电子通过呼或每对电子通过呼吸链传递至氧吸链传递至氧)所产生的所产生的ATP分子数。分子数。NADH经呼吸链完全氧化时测得的经呼吸链完全氧化时测得的P/O比值为比值为3；FADH2完全氧化时测得的完全氧化时测得的P/O比值为比值为1.5。 在一密闭的容器中加入氧化的底物、在一密闭的容器中加入氧化的底物、ADP、Pi、氧饱和的缓冲液，再加入线粒体制剂时、氧饱和的缓冲液，再加入线粒体制剂时就会有氧化磷酸化进行。反应终了时测定就会有氧化磷酸化进行。反应终了时测定O2消耗量消耗量(可用氧电极法可用氧电极法)和和Pi消耗量消耗量(或或ATP生生成量成量)就可以计算

52、出就可以计算出P/0值了。值了。6.3.2.2 电子传递过程的能量变化电子传递过程的能量变化电子沿呼吸链由低电位流向高电位是个逐步释电子沿呼吸链由低电位流向高电位是个逐步释放能量的过程。放能量的过程。根据氧化还原电位计算电子传递释放的能量是根据氧化还原电位计算电子传递释放的能量是否能满足否能满足ATP合成的需要。合成的需要。电子在两个传递体间传递转移时，氧化还原电电子在两个传递体间传递转移时，氧化还原电位差位差( E )与自由能的变化与自由能的变化( G )间的关系为：间的关系为： G = -nF E （n为反应中电子转移数目，为反应中电子转移数目，F为法拉弟常数）为法拉弟常数）1mol AT

53、P水解生成水解生成ADP与与Pi所释放的能量为所释放的能量为30.5 kJmol-1 ，凡氧化过程中释放的能量大，凡氧化过程中释放的能量大于于30.5 kJmol-1 ，均有可能生成，均有可能生成1mol ATP，即可能存在一个偶联部位。即可能存在一个偶联部位。根据根据 G = -nF E ，当，当n=2时，时， E =0.1583V时可释放时可释放30.5 kJmol-1能量，所以反应底物能量，所以反应底物与生成物的标准氧化还原电位的变化大于与生成物的标准氧化还原电位的变化大于0.1583V的部位均可能存在着一个偶联部位。的部位均可能存在着一个偶联部位。在在NADCoQ，Cyt bCyt c

54、和和Cytaa3O2处处可能存在着偶联部位。可能存在着偶联部位。这是反应处在热力学平衡状态，温度为这是反应处在热力学平衡状态，温度为25，pH=7.0，反应底物和产物的浓度均为，反应底物和产物的浓度均为1mol计计算的，这种条件在体内是不存在的。因此这算的，这种条件在体内是不存在的。因此这一计算结果只能供参考。一计算结果只能供参考。根据根据NADH和和FADH2经电子传递过程中的能量经电子传递过程中的能量计算，释放的能量大大多于实测计算，释放的能量大大多于实测P/O比合成比合成ATP数所需的能量，因此氧化磷酸化是可以数所需的能量，因此氧化磷酸化是可以进行的，进行的，即即1mol NADH经呼吸

55、链氧化可偶联产生经呼吸链氧化可偶联产生2.5 mol ATP，而，而FAD则为则为1.5 mol ATP。根据根据 G = -nF E 也可算出电子从也可算出电子从NADH和和FADH2传递到传递到O2时氧化磷酸化的贮能效率。时氧化磷酸化的贮能效率。NADH+2.5ADP+2.5Pi+1/2O2NAD+4H2O+2.5ATP放能反应放能反应 NADH+1/2O2NAD+H2O G = -nF E = -220.07 kJmol-1合成合成ATP的吸能反应的吸能反应 2.5ADP+2.5Pi2.5ATP+3H2O G = 76.25 kJmol-1贮能效率：贮能效率：76.25/220.0710

56、0=34.7呼吸链中电子传递和磷酸化的偶联部位呼吸链中电子传递和磷酸化的偶联部位1分子葡萄糖经分子葡萄糖经EMP-TCA彻底氧化，共生成彻底氧化，共生成32个个ATP，葡萄糖燃烧时释放的总能量为，葡萄糖燃烧时释放的总能量为-2876.5kJmol-1，贮能效率则为：，贮能效率则为：3230.5/2876.5100=33.96.3.3 氧化磷酸化的机理氧化磷酸化的机理在在NADH和和FADH2的氧化过程中，电子传递是的氧化过程中，电子传递是如何偶联磷酸化的机理还不完全清楚。如何偶联磷酸化的机理还不完全清楚。50年代年代Slater及及Lehninger提出了化学偶联学说，提出了化学偶联学说，19

57、64年年Boyer又提出了构象变化偶联学说，又提出了构象变化偶联学说，但都缺乏实验依据。而多数人支持英国生化但都缺乏实验依据。而多数人支持英国生化学家学家P.Mitchell于于1961年提出的化学渗透学说年提出的化学渗透学说(chemiosmotic hypothesis)，1966年完善了这年完善了这一学说。因此而获得一学说。因此而获得1978年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。 6.3.3.1 线粒体偶联因子线粒体偶联因子F1-F0ATP是由位于线粒体内膜上的是由位于线粒体内膜上的ATP合成酶催化合成酶催化合成的。合成的。 ATP合酶可利用电子传递的高能状合酶可利用电子传递的高能状态将态

58、将ADP和和Pi合成为合成为ATP。在电镜下可见到线粒体内膜基质侧有许多的球在电镜下可见到线粒体内膜基质侧有许多的球状颗化偶联因子，其中包含状颗化偶联因子，其中包含ATP合酶系统，合酶系统， ATP合酶是一个膜蛋白质复合体，主要由疏合酶是一个膜蛋白质复合体，主要由疏水的水的F0和亲水的和亲水的F1组成，又称组成，又称F1-F0-ATPase复合物或复合物或ATP合酶。合酶。F1是它的球形头部，伸入到线粒体基质中，由是它的球形头部，伸入到线粒体基质中，由五种亚基组成五种亚基组成( 3 3)，是合成，是合成ATP的催化的催化部分。部分。 与与 亚基上有亚基上有ATP结合部位；结合部位； 亚基亚基被

59、认为具有控制质子通过的闸门作用；被认为具有控制质子通过的闸门作用； 亚基亚基是是F1与膜相连所必需，其中中心部分为质子与膜相连所必需，其中中心部分为质子通路；通路； 亚基是酶的调节部分。亚基是酶的调节部分。F0横贯线粒体内膜，主要构成质子通道，由十横贯线粒体内膜，主要构成质子通道，由十多种亚基组成。位于多种亚基组成。位于F1与与F0之间的柄含有寡之间的柄含有寡霉素敏感性蛋白霉素敏感性蛋白(oligomycin sensitivity conferringprotein, OSCP)，参与调控，参与调控F1-F0的的功能。功能。6.3.3.2 化学渗透学说化学渗透学说(chemiosmotic

60、hypothesis)化学渗透学说认为在电子传递与化学渗透学说认为在电子传递与ATP合成之间合成之间起偶联作用的是质子电化学梯度。起偶联作用的是质子电化学梯度。呼吸链中的电子传递体在线粒体内膜中有着呼吸链中的电子传递体在线粒体内膜中有着特定的不对称分布，递氢体和电子传递体是特定的不对称分布，递氢体和电子传递体是间隔交替排列的，催化反应是定向的。即在间隔交替排列的，催化反应是定向的。即在传递电子过程中释放的能量不断将线粒体基传递电子过程中释放的能量不断将线粒体基质内的质内的H+逆浓度梯度泵出线粒体内膜。逆浓度梯度泵出线粒体内膜。 电子传递过程中复合物电子传递过程中复合物I、和和中的递氢中的递氢体