复旦大学生化课件生物氧化2

1、Biological Oxidation（Biological Oxidation）一一. . 生物氧化的概念及意义生物氧化的概念及意义二二. . 生物氧化的特点生物氧化的特点三三. . 生物氧化的方式生物氧化的方式四四. . 生物氧化体系生物氧化体系呼吸链呼吸链五五. . 能量的释放、转移、储存及利用能量的释放、转移、储存及利用六六. . 非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系 生物氧化是指生物氧化是指糖类糖类、脂类脂类和和蛋白蛋白质质等在生物等在生物活细胞活细胞内进行的一系内进行的一系列的列的氧化分解氧化分解作用，最终生成作用，最终生成H2O和和CO2，同时，同时释放能量释放能量的过的过程，又称

2、程，又称细胞呼吸或组织呼吸细胞呼吸或组织呼吸。 相当于相当于分解（异化）分解（异化）作用。作用。 1948年，年，Eugene Kennedy和和Albert Lehninger发现发现线粒体线粒体是真核生物是真核生物生物氧化及氧化磷酸化生物氧化及氧化磷酸化的场所，开始了生物能研究的新世代。的场所，开始了生物能研究的新世代。 线粒体有线粒体有两层膜两层膜，外膜对小分子（，外膜对小分子（Mr 5000）和离子为自由透过。和离子为自由透过。内膜对大多数小分子及离内膜对大多数小分子及离子不透过（包括子不透过（包括H+），只有内膜上存在特异运），只有内膜上存在特异运输体的物质可以透过。输体的物质可以透

3、过。内膜上含有内膜上含有呼吸链和呼吸链和ATP合成酶合成酶。 线粒体线粒体基质基质含有丙酮酸脱氢酶复合物和柠檬含有丙酮酸脱氢酶复合物和柠檬酸循环途径、脂肪酸酸循环途径、脂肪酸 -氧化途径、氨基酸氧化氧化途径、氨基酸氧化途径及途径及酵解以外酵解以外所有能量物质氧化途径所有能量物质氧化途径。Albert Lehninger 1917-1986Eugene Kennedy1919- The outer membrane is a relatively simple phospholipid bilayer, containing protein structures called porins 孔孔

4、( (道道) )蛋白蛋白 which render it permeable to molecules of about 10 kilodaltons or less (the size of the smallest proteins). Ions, nutrient molecules, ATP, ADP, etc. can pass through the outer membrane with ease. The inner membrane is freely permeable only to oxygen, carbon dioxide, and water. Its struc

5、ture is highly complex, including all of the complexes of the electron transport system, the ATP synthetase complex, and transport proteins. The wrinkles, or folds, are organized into lamillae (layers), called the cristae (脊，嵴脊，嵴). The cristae greatly increase the total surface area of the inner mem

6、brane. The larger surface area makes room for many more of the above-named structures than if the inner membrane were shaped like the outer membrane. The membranes create two compartments. The intermembrane space, as implied, is the region between the inner and outer membranes. It has an important r

7、ole in the primary function of mitochondria, which is oxidative phosphorylation. The matrix contains the enzymes that are responsible for the citric acid cycle, -oxidation, AA oxidation and etc. The matrix also contains dissolved O2, H2O, CO2, the recyclable intermediates that serve as energy shuttl

8、es, and much more. Because of the folds of the cristae, no part of the matrix is far from the inner membrane. Therefore matrix components can quickly reach inner membrane complexes and transport proteins. 与无机氧化（燃烧）相比，生物氧化与无机氧化（燃烧）相比，生物氧化与无机氧化从与无机氧化从氧化的物质、释放出的总能氧化的物质、释放出的总能量及终产物都相同量及终产物都相同。但两者的表现形式和。

9、但两者的表现形式和条件不同。条件不同。具体表现在：具体表现在：体外燃烧体外燃烧 ： (CH) +O2H2O+CO2+热能。热能。H2O的生成为的生成为氢和氧的直接化合氢和氧的直接化合CO2的生成为的生成为碳和氧的直接化合碳和氧的直接化合能量为能量为骤然释放骤然释放，以，以光和热光和热的形式的形式 生生物氧化物氧化 (CH) +O2H2O+ CO2+热能热能 H2O的生成在的生成在酶的作用下脱氢酶的作用下脱氢，H经一经一系列的系列的递氢和递电子递氢和递电子反应，最终与反应，最终与O2接接合合生成生成H2O。 CO2为有机物在为有机物在酶的作用下脱羧酶的作用下脱羧形成。形成。 生物氧化要求生物氧化

10、要求条件温和条件温和，为，为逐步氧化逐步氧化。能量的释放是能量的释放是一步一步缓慢释放一步一步缓慢释放，释放，释放的能量以的能量以高能磷酸键的形式贮存高能磷酸键的形式贮存，不会，不会使周围温度升高而伤害有机体。使周围温度升高而伤害有机体。反应条件反应条件 温温 和和 剧剧 烈烈反应过程反应过程 逐步进行的酶促反应逐步进行的酶促反应 一步完成一步完成能量释放能量释放 逐步进行逐步进行 瞬间释放瞬间释放CO2生成方式生成方式 有机酸脱羧有机酸脱羧 碳和氧结合碳和氧结合H2O 需需 要要 不需要不需要 生物氧化生物氧化 体外燃烧体外燃烧CO2的生成方式的生成方式：有机物在：有机物在酶的作用下酶的作用

11、下脱羧脱羧(decarboxylation)生成。生成。 根据根据脱羧的部位脱羧的部位分为：分为： -decarboxylation -decarboxylation 根据根据脱羧的性质脱羧的性质分为：分为： 简单脱羧（简单脱羧（simple decarboxylation） 氧化脱羧氧化脱羧 （oxidative decarboxylation）1. -直直接接脱脱羧羧H3CCCOOHO-酮酮酸酸脱脱羧羧酶酶Mg2+ TPPH3CCOH+ CO22. -直直接接脱脱羧羧H2CCCOOHO丙丙酮酮酸酸脱脱羧羧酶酶H3CCOCOOH+ CO2HOOC草酰乙酸丙酮酸1. -氧氧 化化 脱脱 羧羧H

12、3CCCOOHO丙丙 酮酮 酸酸 氧氧 化化 脱脱 羧羧 酶酶 系系H3CCO+ CoASH + NAD+乙 酰 辅 酶SCoA +NADH+H+CO22. -氧氧 化化 脱脱 羧羧H2CCHCOOHOH苹苹 果果 酸酸 酶酶H3CCOCOOH+ CO2 + NADPH+H+HOOC苹果酸丙酮酸+ NADP+丙酮酸脱氢酶复合物丙酮酸脱氢酶复合物+ 生物氧化中的生物氧化中的CO2是由糖、脂、蛋白质等有是由糖、脂、蛋白质等有机物转变成机物转变成含羧基的化合物含羧基的化合物后后脱羧脱羧产生的。产生的。1、丙酮酸直接脱羧、丙酮酸直接脱羧 (乙醇发酵）乙醇发酵）2、丙酮酸氧化脱羧（生成乙酰、丙酮酸氧化脱

13、羧（生成乙酰CoA）3、TCA循环中循环中 -酮戊二酸的生成酮戊二酸的生成(异柠檬酸氧化脱羧）异柠檬酸氧化脱羧）4、TCA循环中琥珀酰循环中琥珀酰CoA的生成（的生成（ -酮戊二酸氧化酮戊二酸氧化脱羧）脱羧）5、草酰乙酸脱羧生成丙酮酸、草酰乙酸脱羧生成丙酮酸(直接脱羧）直接脱羧）6、苹果酸脱羧生成丙酮酸（氧化脱羧）、苹果酸脱羧生成丙酮酸（氧化脱羧）（1）加氧加氧（氧化）（氧化）（oxidation） RCHO + O2 RCOOH（2）脱氢脱氢（dehydrogenation） RCH2OH 2 H RCHO CH3CHO +H2O CH3CH(OH)(OH) CH3COOH+2H（3）脱电子

14、脱电子（deelectronation） Fe2+ -e Fe3+脱氢酶脱氢酶(Dehydrogenase) 使代谢物的氢活化、脱离，并将之传递给其他受氢使代谢物的氢活化、脱离，并将之传递给其他受氢体或传递体。体或传递体。氧化酶氧化酶(Oxidase) 生物氧化中，以氧直接为受氢体的氧化还原酶类称生物氧化中，以氧直接为受氢体的氧化还原酶类称为氧化酶。为氧化酶。加氧酶加氧酶(Oxygenase) 催化加氧反应的酶。催化加氧反应的酶。传递体传递体(Carrier) 生物氧化过程中，起着中间传递氢或电子作用的物生物氧化过程中，起着中间传递氢或电子作用的物质，它们既不能使代谢物脱氢，也不能使氢活化。质

15、，它们既不能使代谢物脱氢，也不能使氢活化。 催化：催化：DH + R D + RH绝大多数脱氢酶需要绝大多数脱氢酶需要Co I或或Co II作为辅酶作为辅酶。3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 + NAD+ + 磷酸磷酸 1, 3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 + NADH + H+ 丙酮酸丙酮酸 + NADH + H+ 乳酸乳酸 + NAD+也有以也有以黄素核苷酸（黄素核苷酸（FMN或或FAD）作为辅酶）作为辅酶的。的。琥珀酸琥珀酸 + FAD 延胡索酸延胡索酸 + FADH2NADH + H+ + FMN NAD+ + FMNH2NAD or NADP代 谢 物 2H已 氧 化 代 谢 物2H2H传递体

16、传递体2HH2O12O22HNADH+H+orNADPH+H+脱 氢 酶1 需 氧 黄 酶 (aerobic flavoenzym e)需 氧 黄 酶FM N or FADFM NH2 or FADH2代 谢 物 2H已 氧 化 代 谢 物2H2HO2H2O22 不需氧黄酶(anaerobic flavoenzyme)不需氧黄酶FMN or FADFMNH2 or FADH2代谢物2H已氧化代谢物2H2H传递体传递体2HH2O12O22H（1）催化：）催化：RH + O2 R + H2O2产物是产物是H2O2；需要；需要黄素核苷酸作为辅基黄素核苷酸作为辅基。 葡萄糖葡萄糖 + O2 + H2O

17、 葡萄糖酸内酯葡萄糖酸内酯+H2O2（2）催化：）催化：RH + O2 R + H2O作用产物之一是作用产物之一是H2O，不是不是H2O2；包括两种类型：；包括两种类型：金金属蛋白属蛋白，如抗坏血酸氧化酶，含铜，如抗坏血酸氧化酶，含铜 L-抗坏血酸抗坏血酸 + O2 脱氢抗坏血酸脱氢抗坏血酸 + H2O 另一类是另一类是细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶，催化：，催化： 4 Cyt c-Fe2+ + O2 4 Cyt c-Fe3+ + H2O 催化催化H2O2等作为氧化剂等作为氧化剂的氧化还原反应，存在于的氧化还原反应，存在于过氧化物酶体，负责过氧化物酶体，负责H2O2和过氧化物的分解与转化。和过氧

18、化物的分解与转化。如：如： 以以血红素为辅基血红素为辅基的过氧化物酶和过氧化氢酶；的过氧化物酶和过氧化氢酶； 以以FAD为辅基为辅基的的NAD(P)过氧化物酶；过氧化物酶； 谷胱甘肽过氧化物酶，有的谷胱甘肽过氧化物酶，有的含硒含硒，有的则，有的则不含不含，但都以，但都以 H2O2以外的过氧化物（如脂质过氧化物）为氧化剂。以外的过氧化物（如脂质过氧化物）为氧化剂。 分别催化的反应包括：分别催化的反应包括： 2 H2O2 2 H2O+O2 (过氧化氢酶）过氧化氢酶） RH + H2O2 2 H2O+R (过氧化物酶）过氧化物酶） 2 GSH + ROOH(H2O2) ROH + GSSG 一种与一

19、种与阻断过氧化物生成阻断过氧化物生成有关的特殊氧化酶。有关的特殊氧化酶。生物体的生物体的自由基清除剂自由基清除剂。分为CuZn-SOD、Mn-SOD 和Fe-SOD 三种。 2 O= +2 H+ H2O2 + O2 作用是作用是清除超氧负离子自由基清除超氧负离子自由基。超氧自由基是。超氧自由基是带有不配对电子的氧分子，十分活跃，可与多带有不配对电子的氧分子，十分活跃，可与多种生物分子反应，引发种生物分子反应，引发脂质过氧化脂质过氧化，造成膜损，造成膜损伤；使伤；使DNA断裂断裂，导致基因突变；与炎症、衰，导致基因突变；与炎症、衰老、肿瘤等密切相关。老、肿瘤等密切相关。自由基是一类非常活跃的化学

20、物质，是个自由基是一类非常活跃的化学物质，是个有不有不成对（奇数）电子的原子、原子团、分子和离成对（奇数）电子的原子、原子团、分子和离子子。其中最重要的是氧自由基，它可聚集体表、。其中最重要的是氧自由基，它可聚集体表、心脏、血管、肝脏和脑细胞中。使心脏、血管、肝脏和脑细胞中。使血管发生纤血管发生纤维性病变维性病变，导致动脉管硬化，高血压，心肌梗，导致动脉管硬化，高血压，心肌梗塞；引起老年人神经官能不全，导致记忆、智塞；引起老年人神经官能不全，导致记忆、智力障碍以及抑郁症，甚至老年性痴呆等，是造力障碍以及抑郁症，甚至老年性痴呆等，是造成人类衰老和疾病的元凶。成人类衰老和疾病的元凶。(1)无机氧自

21、由基无机氧自由基：超氧自由基、羟基自由基：超氧自由基、羟基自由基 (2)有机氧自由基有机氧自由基：过氧自由基、烷氧自由基、：过氧自由基、烷氧自由基、多元不饱和脂肪酸自由基多元不饱和脂肪酸自由基RUFA、半醌自由基。、半醌自由基。 与氧化酶不同，氧合酶与氧化酶不同，氧合酶催化氧原子直接参入有催化氧原子直接参入有机分子机分子。（1）作用于一种氢供体作用于一种氢供体，包括，包括: (A) 催化两个氧原子参入催化两个氧原子参入dioxygenase，需要铁，需要铁离子或离子或NADP作为辅助因子，往往伴随开环。作为辅助因子，往往伴随开环。 儿茶酚儿茶酚 + O2 顺，顺顺，顺-己二烯二酸己二烯二酸 (

22、B) 催化一个氧原子参入催化一个氧原子参入(monooxygenase) L-乳酸乳酸 + O2 乙酸乙酸 + CO2 + H2O 这类酶有的是这类酶有的是黄素蛋白黄素蛋白，反应过程包含，反应过程包含脱羧脱羧。（2）作用于两种氢供体作用于两种氢供体，包括：，包括： （A）催化两个氧原子参入催化两个氧原子参入，如邻氨基苯甲酸，如邻氨基苯甲酸1, 2-双氧双氧合酶合酶 邻氨基苯甲酸邻氨基苯甲酸 + NADPH + O2 + 2 H2O 儿茶酚儿茶酚 + CO2 + NADP+ + NH3。 这类酶有的是黄素蛋白，反应可能伴随羟化、脱氨、这类酶有的是黄素蛋白，反应可能伴随羟化、脱氨、脱羧或开环。脱羧

23、或开环。（B）催化一个氧原子参入催化一个氧原子参入，如胆固醇，如胆固醇7 -单氧合酶单氧合酶 胆固醇胆固醇 + NADPH + O2 7 -胆固醇胆固醇 + NADP+ + H2O 由于这类酶反应中伴随羟基的形成，又称由于这类酶反应中伴随羟基的形成，又称羟化酶羟化酶；因；因多含多含P-450，又称，又称P-450羟化体系羟化体系。它们通过自身的还原和氧化，它们通过自身的还原和氧化，将脱氢酶和氧化酶连接起来组成呼将脱氢酶和氧化酶连接起来组成呼吸链，在生物氧化和氧化磷酸化过吸链，在生物氧化和氧化磷酸化过程中发挥重要作用，主要包括程中发挥重要作用，主要包括黄素黄素蛋白蛋白、铁硫蛋白铁硫蛋白、CoQ和

24、和细胞色素细胞色素复合物复合物。(Respiratory Chain) 生物氧化体系解决的是生物氧化体系解决的是有机物脱氢有机物脱氢及及氢的去路氢的去路问题，即解决有机物是如何通过一系列问题，即解决有机物是如何通过一系列特异性的特异性的酶酶催化的反应催化的反应脱氢、递氢和递电子脱氢、递氢和递电子，把氢交给氧，把氢交给氧生成水生成水，并，并产生产生ATP的问题的问题。 整个氢的传递和电子的传递过程以及参与这一整个氢的传递和电子的传递过程以及参与这一系列催化反应的酶与辅酶及其他中间递体一个接系列催化反应的酶与辅酶及其他中间递体一个接一个，组成链状反应体系，如同接力棒一样，这一个，组成链状反应体系，

25、如同接力棒一样，这种形式的反应种形式的反应呼吸链呼吸链。递氢体递氢体:呼吸链中参与传递呼吸链中参与传递H的辅酶或辅基。的辅酶或辅基。递电子体递电子体:呼吸链中参与传递电子的辅酶或辅基。呼吸链中参与传递电子的辅酶或辅基。以以: NAD+ (CoI)或或NADP+ (CoII)为辅酶的脱氢酶为辅酶的脱氢酶、黄素蛋白黄素蛋白（黄酶（黄酶yellow enzyme, flavoprotein, FP）、）、辅酶辅酶Q (CoQ, 泛醌，泛醌，ubiquinone)及及 细胞色素复细胞色素复合物合物 (cytochrome complex)组成两条呼吸链组成两条呼吸链：S. NAD+ FP1 CoQ b

26、c1c(a+a3) 1/2O2 FP2 S.SH2SNAD+NADH+H+FMNH2Fe-SFMNFe-SCoQCoQH22Cyt- Fe2+2Cyt- Fe3+1/2O2OH2ONADH氧化呼吸链氧化呼吸链2H2H2H2e2H+2eFAD呼吸链呼吸链FADH2CoQCtyb c1 c aa3 O21、烟酰胺脱氢酶烟酰胺脱氢酶类类 nicotinamide dehydrogenases 或称或称吡啶脱氢酶类吡啶脱氢酶类，pyridine dehydrogenases，以，以NAD+及及NADP+为辅酶。为辅酶。2、黄素酶黄素酶类类 flavoprotein, flavin-linked deh

27、ydrogenase, NADH dehydrogenase黄素单核苷酸黄素单核苷酸 (FMN)黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)3、辅酶辅酶Q (coenzyme Q, CoQ) (泛醌泛醌 ，ubiquinone)4、 细胞色素类细胞色素类 cytochromesCytb, Cytc1, Cytc, Cyta1a3(I)(II)呼吸链上的电子载体被组装为膜包埋呼吸链上的电子载体被组装为膜包埋的的超分子复合物超分子复合物，可以被分离开来，线粒，可以被分离开来，线粒体内膜用去污剂温和处理，分离后可以得体内膜用去污剂温和处理，分离后可以得到到四个独立的电子载体复合物四个独立的电子载

28、体复合物，每个部分，每个部分可以催化电子通过呼吸链的一部分转移。可以催化电子通过呼吸链的一部分转移。复合物复合物I和和II催化电子由催化电子由不同的供体不同的供体（NADH-复合物复合物I、琥珀酸、琥珀酸-复合物复合物II）转）转移到泛醌移到泛醌；复合物；复合物III把电子由泛醌传递给把电子由泛醌传递给Cyt C；复合物；复合物IV完成电子由完成电子由Cyt C到到O2的的传递过程。传递过程。 许多代谢（中间）物的脱氢都通过脱氢酶的作许多代谢（中间）物的脱氢都通过脱氢酶的作用，是用，是催化底物脱氢催化底物脱氢的一类酶，辅酶大多相同，的一类酶，辅酶大多相同，有两种有两种：NAD+（Co I）（）

29、（nicotinamide adenine dinucleotide）、）、 NADP+ (Co II): (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)。 还原型代谢物还原型代谢物 + NAD+氧化型代谢物氧化型代谢物 + NADH+H+ 还原型代谢物还原型代谢物+NADP+氧化型代谢物氧化型代谢物+NADPH+H+ 这些脱氢酶有些分布在这些脱氢酶有些分布在胞质胞质中，有些分布在中，有些分布在线线粒体粒体中，有些则中，有些则胞质和线粒体胞质和线粒体中中兼有兼有。 烟酰胺可通过烟酰胺可通过反复的还原和氧化反复的还原和氧化，起到，起到接受氢接受氢和提供

30、氢和提供氢的作用而传递氢。的作用而传递氢。 底物分子上脱下的两个氢原子，一个以底物分子上脱下的两个氢原子，一个以氢阴离氢阴离子子(:H-)的形式转移到的形式转移到NAD(P)+上形成上形成NAD(P)H，另一个则以另一个则以H+形式游离到溶液中。每一个形式游离到溶液中。每一个:H-携携带两个电子，其中带两个电子，其中1e使氢以原子形式结合到吡啶使氢以原子形式结合到吡啶环的环的C-4上，另上，另1e与吡啶环上的与吡啶环上的N结合，结合，N由由+5价价变为变为+3价。价。 NADPH上的氢可借助上的氢可借助吡啶核苷酸转氢酶吡啶核苷酸转氢酶（pyridine nucleotide transhydr

31、ogenase)的作用的作用转移到转移到NAD+上形成上形成NADH。MH2 M + 2 HdHENADH和和NADPH参与不同的代谢途径参与不同的代谢途径还原生物还原生物合成产物合成产物氧化前体氧化前体生物合成反应生物合成反应分解代谢分解代谢氧化磷酸化氧化磷酸化还原燃料还原燃料氧化产物氧化产物 这类酶是这类酶是与黄素相关的脱氢酶与黄素相关的脱氢酶或称为或称为黄素蛋白黄素蛋白，辅基，辅基中因含核黄素得名，线粒体中可能与一种中因含核黄素得名，线粒体中可能与一种铁硫蛋白铁硫蛋白（Iron-sulfur protein，Fe-S）组成复合体。）组成复合体。 种类多，酶蛋白不同，但辅基只有两种：种类多

32、，酶蛋白不同，但辅基只有两种： 黄素单核苷酸黄素单核苷酸FMN是是NADH脱氢酶（脱氢酶（FP1）的辅基。的辅基。NADH+H+E-FMNNAD+E-FMNH2 黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸FAD是琥珀酸脱氢酶是琥珀酸脱氢酶（FP2）的辅基，此类酶催化由）的辅基，此类酶催化由NADH、琥珀酸、琥珀酸、脂酰脂酰CoA或或3-磷酸甘油分子上脱氢，生成磷酸甘油分子上脱氢，生成FMNH2或或FADH2。Iron-sulfur Center最早由最早由Helmut Beinert发现，发现，铁与铁与无无机硫原子机硫原子和和/或蛋白质或蛋白质Cys残基的硫原子残基的硫原子相相连连。铁硫中心（。铁硫

33、中心（Fe-S）最简单的是单个铁）最简单的是单个铁原子与原子与4个个Cys的的-SH相连，更复杂的是有相连，更复杂的是有2个或个或4个铁原子。个铁原子。Rieske铁硫蛋白铁硫蛋白则为则为1个个铁原子与两个铁原子与两个His残基相连。残基相连。 所有的铁硫蛋白所有的铁硫蛋白参与一个电子的转移参与一个电子的转移，其中的铁原子或被氧化、或被还原，线粒其中的铁原子或被氧化、或被还原，线粒体中至少有体中至少有8个铁硫蛋白参与电子传递。个铁硫蛋白参与电子传递。Iron-sulfur Centers 又称又称泛醌泛醌(Ubiquinone)，脂溶性醌类化合物，脂溶性醌类化合物，有一个长的异戊二烯侧链，因广

34、泛存在得名。有一个长的异戊二烯侧链，因广泛存在得名。呼吸链中是呼吸链中是参入到线粒体内膜的电子载体参入到线粒体内膜的电子载体。 CoQ在呼吸链中在呼吸链中接受黄素酶的接受黄素酶的H，本身被还原，本身被还原为氢醌，再为氢醌，再把电子传递给把电子传递给Cyt体系体系被氧化，接受被氧化，接受1e变为自由基半醌，接受变为自由基半醌，接受2e变为氢醌（变为氢醌（QH2）。）。 CoQ不仅接受不仅接受NADH脱氢酶的脱氢酶的H，还接受线粒，还接受线粒体其他脱氢酶的体其他脱氢酶的H，如琥珀酸脱氢酶，脂酰，如琥珀酸脱氢酶，脂酰CoA脱氢酶及其他黄素脱氢酶脱下的脱氢酶及其他黄素脱氢酶脱下的H，在电子传递，在电子

35、传递链中处于链中处于中心地位中心地位。氧化型泛醌氧化型泛醌自由基半醌自由基半醌氢（质）醌氢（质）醌ETF:electron-transferring flavoprotein也称也称NADH：泛醌氧化还原酶：泛醌氧化还原酶，是一个大，是一个大的酶复合物，由的酶复合物，由42条不同的多肽链组成，包括条不同的多肽链组成，包括含含FMN黄素蛋白和至少黄素蛋白和至少6个铁硫中心。高分辨率个铁硫中心。高分辨率电子显微镜显示复合物电子显微镜显示复合物I为为L形，形，L的一个臂在膜的一个臂在膜内，另一臂伸展到基质中。内，另一臂伸展到基质中。复合物复合物I催化两个同时发生的偶联过程催化两个同时发生的偶联过程：

36、（1）NADH+H+QNAD+QH2（2）4个质子由基质转到内膜外个质子由基质转到内膜外因此，复合物因此，复合物I是由是由电子转移能所驱动的质电子转移能所驱动的质子泵子泵，结果，结果内膜基质面变负，内膜外侧变正内膜基质面变负，内膜外侧变正。 (Complex I):NADH + H+NAD+FMNFMNH2Fe2+-SFe3+-SCoQCoQH2NADPH + NAD+ NADP+ + NADH其其Fe-S复复合物有三合物有三种种形式形式：FeS, Fe2S2, Fe4S4NADPH可可将电子传递将电子传递给给NAD+电子传递的方向为：电子传递的方向为：NADHFMNFe-SQ 总的反应结果为

37、：总的反应结果为：NADH + 5H+（M） + QNAD+ + QH2 + 4H+（C）也称也称琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶，是，是TCA循环中唯循环中唯一的一个线粒体内膜结合的酶一的一个线粒体内膜结合的酶，虽比复合，虽比复合物物I小而简单，但含有小而简单，但含有两类辅基两类辅基和和至少至少4种种不同的蛋白质不同的蛋白质，1个蛋白质与个蛋白质与FAD及有及有4个个铁原子的铁原子的Fe-S中心共价结合。中心共价结合。电子由琥珀电子由琥珀酸流向酸流向FAD，然后通过，然后通过Fe-S中心到泛醌中心到泛醌。呼吸链上还有其他底物的电子流经呼吸链上还有其他底物的电子流经Q，但不经过复合物但不经过复合物II

38、，如脂酰，如脂酰CoA脱氢酶、脱氢酶、3-磷酸甘油脱氢酶等。磷酸甘油脱氢酶等。SuccinateFADFADH2Fe2+-SFe3+-SCoQCoQH2电子传递的方向为：琥电子传递的方向为：琥珀酸珀酸FADFe-SQ 反应结果为：反应结果为：琥珀酸琥珀酸+Q延胡索酸延胡索酸+QH2 琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 琥珀酸琥珀酸到泛醌：复合物到泛醌：复合物IIIIETF: Electron- transferring Flavoprotein又称又称Cyt bc1复合物复合物或或泛醌：细胞色素泛醌：细胞色素c氧化还原酶氧化还原酶。偶联催化。偶联催化电子由氢醌到电子由氢醌到Cyt c的转移的转移和和质子

39、由膜内基质向膜外空间的运质子由膜内基质向膜外空间的运输输。复合物复合物III和和IV结构的确定（结构的确定（1995-1998，X-射线晶体学）是线粒体电子转移射线晶体学）是线粒体电子转移研究的里程碑。复合物研究的里程碑。复合物III是一个是一个由相同单由相同单体组成的二聚体体组成的二聚体，每个单体含有，每个单体含有11个不同个不同的亚基。的亚基。 复合物复合物III的功能核心有三部分：的功能核心有三部分：Cyt b（有两（有两个血红素个血红素bH和和bL ）、含）、含2Fe-2S的的铁硫蛋白铁硫蛋白和带和带血红素的血红素的Cyt c1。 有功能的二聚体单位中，有功能的二聚体单位中，Cyt c

40、1和铁硫蛋白突和铁硫蛋白突出出P面，与膜间空间的面，与膜间空间的Cyt c作用，复合物有两个作用，复合物有两个泛醌结合位点泛醌结合位点QN和和QP（两个阻止氧化磷酸化作两个阻止氧化磷酸化作用的药物作用位点用的药物作用位点-可阻止可阻止QN面电子由面电子由bH流向流向Q以及以及QP的电子由的电子由QH2流向铁硫蛋白）。单体间流向铁硫蛋白）。单体间的界面形成两个口袋，每个口袋含来自的界面形成两个口袋，每个口袋含来自1个单体个单体的的QP和另一个单体的和另一个单体的QN。泛醌在这些掩蔽的袋。泛醌在这些掩蔽的袋中移动。中移动。（Cyt bc1Complex或泛醌：或泛醌：CytC氧化还原酶氧化还原酶）

41、单体单体二聚体功能单位二聚体功能单位Antimycin A粘色唑粘色唑Myxothizol（The Q Cycle)根据复合物根据复合物III的结构和氧化还原反应详细的结构和氧化还原反应详细的生物化学研究，有人提出了的生物化学研究，有人提出了电子经复合物的电子经复合物的流动模型流动模型-Q循环的反应为：循环的反应为： QH2+2cyt c1（氧化型）（氧化型）+2HN+Q+2cyt c1(还原型）还原型）+4Hp+ 膜的膜的N侧，侧，2QH2被氧化为被氧化为2Q，释放，释放4H+到内膜到内膜外空间外空间，每个，每个QH2提供提供1e到到cyt c1（通过（通过Fe-S中中心），另心），另1e到

42、到Q分子分子（通过（通过cyt b），两步还原成），两步还原成QH2，还原反应还从基质中利用掉，还原反应还从基质中利用掉2H+。转移的。转移的净效应：净效应：QH2被氧化成被氧化成Q，2cyt c被还原被还原。电子：电子：Qbc1c 细胞色素是细胞色素是含铁含铁的电子传递体，铁原子的电子传递体，铁原子处于卟啉结构中心，构成处于卟啉结构中心，构成血红素血红素(heme)。细胞色素类细胞色素类都以血红素作为辅基都以血红素作为辅基，使这类，使这类蛋白质呈现红色或褐色。细胞色素类在呼蛋白质呈现红色或褐色。细胞色素类在呼吸链吸链中中将电子从辅酶将电子从辅酶Q传递到传递到O2。 D. Kailin根据吸收

43、光谱将它们分成根据吸收光谱将它们分成a、b、c三类。线粒体的电子传递链至少含有三类。线粒体的电子传递链至少含有5种种不同的细胞色素：不同的细胞色素：b、 c1、 c、a1、a3。 又称又称细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶，呼吸链的最后一步，呼吸链的最后一步，把把Cyt c的电子转移给的电子转移给O2，生成生成H2O。 一个大的酶复合物一个大的酶复合物线粒体内膜上线粒体内膜上,13个亚基，个亚基，Mr204000，作用是，作用是电子传递和质子泵电子传递和质子泵。三个亚。三个亚基对于功能至关重要。亚基基对于功能至关重要。亚基II有有2个个Cu离子离子CuA（与（与Cys的的-SH相连相连)、2个血红素

44、基团（分别为个血红素基团（分别为a1、a3）和另一个）和另一个Cu离子（离子（CuB）。）。 电子传递为：电子传递为：cyt c-CuA-a-a3-CuB-O2，每，每4e通过通过复合物时，酶从基质中消耗复合物时，酶从基质中消耗4个个“底物底物”H+，生，生成成2H2O，每通过，每通过1e，利用氧化还原反应的能量，利用氧化还原反应的能量泵出泵出1H+到内膜外空间。到内膜外空间。 4 cyt c(reduced)+8H+N+O24 cyt c(oxidized)+4H+P+2H2O 电子从复合物电子从复合物I或或II到达辅酶到达辅酶Q，承担了，承担了电子和质子的流动载体电子和质子的流动载体。再将

45、电子传递给。再将电子传递给复合物复合物III，后者将它们传递给，后者将它们传递给流动的连接流动的连接器器细胞色素细胞色素c。然后复合物。然后复合物IV由还原的由还原的细胞色素细胞色素c将电子传递给将电子传递给O2。电子流经复。电子流经复合物合物I、III和和IV的过程伴随质子从基质流的过程伴随质子从基质流向膜外空间。向膜外空间。 脂肪酸脂肪酸 -氧化产生的电子也可以通过辅氧化产生的电子也可以通过辅酶酶Q进入呼吸链。进入呼吸链。1、从、从NADH到到O2，每一电子传递体的，每一电子传递体的氧化还原电势逐氧化还原电势逐步增加步增加。 -0.32 -0.06 0.00 +0.26 +0.28 +0.

46、82 NAD+FP1CoQbc1 c aa3 O2 数值愈低（负值愈大、正值愈小），失去电子的倾向数值愈低（负值愈大、正值愈小），失去电子的倾向愈大，愈易成为还原剂而处于呼吸链的前面。电子按氧愈大，愈易成为还原剂而处于呼吸链的前面。电子按氧化还原电位从低向高传递，能量逐级释放，呼吸链中的化还原电位从低向高传递，能量逐级释放，呼吸链中的复合物复合物、都是质子泵，可将质子有机质转移到都是质子泵，可将质子有机质转移到膜间隙。膜间隙。2、用分离的电子传递体、用分离的电子传递体重组重组，NADH可使可使NADH脱氢酶还原，但不能直接使脱氢酶还原，但不能直接使cyt b、c或或aa3还原。还原型还原。还原

47、型NADH脱氢酶不能直接与脱氢酶不能直接与cyt c起作用，必须经过辅酶起作用，必须经过辅酶Q和和cyt b和和c1后才能后才能再与再与cyt c起作用。起作用。3、分离到的线粒体传递体复合物，在、分离到的线粒体传递体复合物，在传递功能传递功能上都是有顺序上都是有顺序地联在一起的。如地联在一起的。如cyt b、c1和一和一个铁个铁-硫蛋白等。硫蛋白等。4、用分光光度法通过、用分光光度法通过吸收光谱的变化测定完整吸收光谱的变化测定完整线粒体中呼吸链的各个电子传递体的氧化线粒体中呼吸链的各个电子传递体的氧化-还还原状态原状态。 能能阻断阻断呼吸链某一部位呼吸链某一部位电子传递电子传递的物质为电子传

48、递抑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递过程，再测定链中各组分的氧化-还原态情况，是研还原态情况，是研究电子传递顺序的有效的重要方法。究电子传递顺序的有效的重要方法。1、鱼藤酮鱼藤酮(rotenone)、安密妥安密妥(amytal)、杀粉蝶菌素杀粉蝶菌素(piericidin)，阻断电子由，阻断电子由NADH向向CoQ的传递。的传递。2、抗霉素抗霉素A (antimycin A)，抑制，抑制b到到c1的电子传递。的电子传递。3、氰化物、硫化氢、叠氮化物、氰化物、硫化氢、叠氮化物、CO等

49、，阻断电子由等，阻断电子由cyt aa3到氧到氧的传递。的传递。生物氧化所释放的能量并不是完全以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，其余部分则于维持体温外，其余部分则以高能磷酸键以高能磷酸键的形式转移和储存的形式转移和储存，一旦需要，则由，一旦需要，则由ATP再水解释放能力供机体需要，以免浪费。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异养生物体高能磷酸键的形成方式有两种：两种：底物水平（底物）磷酸化、电子传底物水平（底物）磷酸化、电子传递水平（氧化）磷酸化递水平（氧化）磷酸化。 （Su

50、bstrate Level Phosphorylation)代谢物质分解过程中，底物分子代谢物质分解过程中，底物分子因因脱氢脱氢、脱水脱水等作用，等作用，能量在分子内能量在分子内部重排部重排（重新分布）（重新分布）形成高能磷酸酯形成高能磷酸酯键键，并，并转移给转移给ADPADP形成形成ATPATP。 底物水平磷酸化底物水平磷酸化ATPADP + Pi（Oxidative Phosphorylation)生物氧化过程中，生物氧化过程中，代谢物脱下的代谢物脱下的氢经呼吸链氧化为水时所释放的能量氢经呼吸链氧化为水时所释放的能量转移给转移给ADP形成形成ATP的过程的过程。实际上。实际上是氧化作用与氧

51、化作用过程释放的能是氧化作用与氧化作用过程释放的能量用于形成量用于形成ATP过程（磷酸化作用）过程（磷酸化作用）两种作用的两种作用的偶联反应偶联反应。氧化磷酸化氧化磷酸化（Coupled oxidative phosphorylation)（P/O） 1940，S. Ochoa提出，代谢物脱下的氢经呼吸链提出，代谢物脱下的氢经呼吸链氧化生成水，氧化生成水，一对电子（一对电子（2H）经呼吸链传递到）经呼吸链传递到O2生成水所产生的生成水所产生的ATP分子的数目（分子的数目（即即消耗消耗1个个原子氧所产生原子氧所产生ATP的数目）的数目）称为磷氧比称为磷氧比(P/O)。 代谢物脱下的代谢物脱下的2

52、H经经NADH氧化呼吸链氧化呼吸链被氧化为被氧化为水时，生成水时，生成3ATP（P/O 3），），而而经琥珀酸氧化呼经琥珀酸氧化呼吸链吸链氧化为水时，生成氧化为水时，生成2ATP（P/O 2）。 现在普遍认为，现在普遍认为，2H经经NADH氧化呼吸链被氧化氧化呼吸链被氧化为水时，生成为水时，生成2.5ATP；而经琥珀酸氧化呼吸链而经琥珀酸氧化呼吸链氧化为水时，生成氧化为水时，生成1.5ATP 。（1）ADP-Pi、ATP的调节作用的调节作用 ADP/ATP 小，小，减缓、表现为抑制作用；减缓、表现为抑制作用；ADP/ATP 大，加快、大，加快、表现为促进作用表现为促进作用.（2）激素激素的调节

53、作用的调节作用Thyroxine(+)Na+、K+-ATPase, 加快加快 ATPADP+Pi, ADP进入线粒体的数量增加，进入线粒体的数量增加，氧化磷酸化加快，耗氧及产热增多氧化磷酸化加快，耗氧及产热增多甲状腺机甲状腺机能亢进能亢进(hyperthyroidism)，患者，患者BMR(basal metabolic rate)增高。增高。（3）抑制剂抑制剂（inhibitors)的作用的作用A. 解偶联剂解偶联剂uncoupler的作用的作用2,4-dinitrophenol, DNP，解除偶联作用。解除偶联作用。B. 寡霉素寡霉素oligomycin，抑制氧的利用和，抑制氧的利用和AT

54、P的形成。的形成。C. CO的作用的作用，与还原型，与还原型Cyt 氧化酶氧化酶结合。结合。D. CN-的作用的作用，与氧化型，与氧化型Cyt 氧化酶结合，生成高铁氧化酶结合，生成高铁Cyt 氧化酶氧化酶,酶失活，电子不能传给酶失活，电子不能传给O2，呼吸中断。，呼吸中断。E. 异巴比妥和鱼藤酮异巴比妥和鱼藤酮的作用，抑制的作用，抑制FP1CoQ 的传递。的传递。F. Antimycin(antitoxin)A的作用，抑制的作用，抑制Cyt bc的传递。的传递。G. 离子载体抑制剂离子载体抑制剂（ionophores)pHpH为为7 7时，时，DNPDNP以解离形式存以解离形式存在，脂不溶性，

55、在，脂不溶性，不能过膜。不能过膜。接受质子成为非解接受质子成为非解离形式，脂溶性，离形式，脂溶性，可过膜。可过膜。质子被带入膜内，打破跨膜质子被带入膜内，打破跨膜的质子梯度。质子梯度不用的质子梯度。质子梯度不用于于ATPATP形成，形成，P/OP/O下降。下降。2，4-二硝基苯酚的作用机理二硝基苯酚的作用机理（Uncoupling proteins, UCPs)解偶联蛋白是线粒体内膜上解偶联蛋白是线粒体内膜上参与机体产热的重要参与机体产热的重要转运蛋白质转运蛋白质。UCPs被激活时，被激活时，形成质子通道形成质子通道，可，可引起引起线粒体内膜上的质子转运速度加快线粒体内膜上的质子转运速度加快，

56、使，使ATP合成依赖的合成依赖的线粒体内膜上的电化学梯度改变，线粒体内膜上的电化学梯度改变，氧化磷酸化氧化磷酸化被解偶联，被解偶联，不能合成不能合成ATP，产能转化为产热。，产能转化为产热。UCPs被认为是参与被认为是参与能量代谢的重要靶蛋白。能量代谢的重要靶蛋白。机体产热与能量平衡、代谢、体重调节有着密不机体产热与能量平衡、代谢、体重调节有着密不可分的关系，推测可分的关系，推测UCPs可能与肥胖、胰岛素抵抗及糖可能与肥胖、胰岛素抵抗及糖尿病的发生发展相关尿病的发生发展相关。但对于。但对于UCPs生理功能的组织特生理功能的组织特异性及其主要的体内的调控因素仍不十分清楚。异性及其主要的体内的调控

57、因素仍不十分清楚。目前作为目前作为肥胖药物肥胖药物研究的靶蛋白非常热门。研究的靶蛋白非常热门。 An uncoupling protein (thermogenin，产热素产热素) is produced in brown adipose tissue of newborn mammals and hibernating冬眠冬眠mammals. This protein of the inner mitochondrial membrane functions as a H+carrier. The uncoupling protein blocks development of a H+ e

58、lectrochemical gradient, thereby stimulating respiration. D DG of respiration is dissipated as heat. This non-shivering thermogenesis“（非战慄产热）（非战慄产热） is costly in terms of respiratory energy unavailable for ATP synthesis, but provides valuable warming of the organism.苍术苷苍术苷阿米妥阿米妥敌草隆敌草隆二环己基碳二亚胺二环己基碳二亚

59、胺 羰基羰基-氰氰-对对-三氟甲氧基苯肼三氟甲氧基苯肼 (1) 化学偶联假说化学偶联假说（chemical coupling hypothesis），）， 认为电子传递和认为电子传递和ATP生成生成的偶联是通过一系列连续的化学反应的偶联是通过一系列连续的化学反应形成形成一个高能的共价中间物一个高能的共价中间物，被用于，被用于ATP的形的形成。成。 (2)构象偶联假说构象偶联假说（conformational coupling hypothesis），认为电子沿呼吸链），认为电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋白组分发生了传递使线粒体内膜蛋白组分发生了构象变构象变化而形成一种高能形式化而形成一种高能形

60、式，进一步使，进一步使F0F1-ATP酶高能化，用于酶高能化，用于ATP的生成。的生成。 (3) 化学渗透假说化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis），认为电子传递的结果，认为电子传递的结果把把H+从线粒体内膜基质泵到膜外空间形从线粒体内膜基质泵到膜外空间形成一个跨内膜的成一个跨内膜的H+梯度梯度，这种，这种H+梯度梯度渗透能渗透能（质子推动力，质力质子推动力，质力）用于驱用于驱动动ATP的生成。由英国科学家的生成。由英国科学家P. Michell (1961) 提出，获提出，获1978年诺贝尔年诺贝尔化学奖化学奖 。Chemiosmotic Hypothesis电子传递