生物化学：第八章 生物氧化

1第八章

生物氧化Biologicaloxidation生物氧化的概念：代谢物在活细胞内氧化分解成CO2和H2O并释出能量的过程，称为生物氧化。（方式：加氧、脱氢、失电子）

糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能2糖原甘油三酯蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸链H2OADP+PiATP

CO2

生物氧化的一般过程3第一节

线粒体氧化体系—氧化呼吸链4指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具有电子传递功能的酶复合体，可通过链锁的氧化还原将代谢物脱下的电子最终传递给氧生成水。这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。呼吸链的定义一、氧化呼吸链由4种复合体组成5人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称质量(kD)多肽链数功能辅基含结合位点复合体ⅠNADH-泛醌还原酶85043FMN，Fe-SNADH（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅲ泛醌-细胞色素C还原酶25011血红素bL,bH,c1,Fe-SCytc（膜间隙侧）复合体Ⅳ细胞色素C氧化酶16213血红素a，a3，CuA,CuBCytc（膜间隙侧）

泛醌与细胞色素c不包含在上述四种复合体中。67ⅣCytcoxNADH+H+NAD+1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜ⅠQH2Q

Ⅱ延胡索酸琥珀酸4H+4H+Ⅲ4H+4H+CytcoxCytcredCytcred2H+2H+电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置复合体Ⅰ又称NADH-泛醌还原酶。复合体Ⅰ电子传递：NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQ每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体Ⅰ有质子泵功能。（一）复合体Ⅰ将NADH+H+中的电子传递给泛醌8NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

很多不需氧脱氢酶以尼克酰胺腺嘌呤核苷酸为受氢体9NAD+（NADP+）的加氢和脱氢反应

氧化还原反应的变化发生在五价氮和三价氮之间。10FMN的加氢和脱氢反应

FMN结构中含核黄素，功能部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN•。11FAD

铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+Fe3++e

反应传递电子。属于单电子传递体。

Ⓢ表示无机硫铁硫蛋白13

铁硫蛋白SS无机硫半胱氨酸硫14泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。是内膜中可移动电子载体，在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。

CoQ是递氢体泛醌15复合体Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+

FMNFMNH2还原型Fe-S

氧化型Fe-S

QQH216复合体Ⅱ是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸-泛醌还原酶。电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S→CoQ复合体Ⅱ没有H+泵的功能。（二）复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递到泛醌1718（三）复合体Ⅲ将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c复合体Ⅲ又叫泛醌-细胞色素C还原酶，含有细胞色素b(b562,b566)、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白。泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体Ⅲ。电子传递过程：CoQH2→Cytb→Fe-S→Cytc1→Cytc19细胞色素(cytochrome,Cyt)细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。单电子传递体20

复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c121复合体Ⅲ的电子传递通过“Q循环”实现。

QH2+2Cyc(氧化态）+2H+(基质）Q+2Cyc(还原态）+4H+

复合体Ⅲ每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体Ⅲ也有质子泵作用。Cytc是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体Ⅳ。22复合体Ⅳ又称细胞色素C氧化酶。电子传递：Cytc→CuA→Cyta→Cyta3–CuB→O2Cyta3–CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。(四）复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧23复合体Ⅳ的电子传递过程24细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水的过程，有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合，不会引起细胞损伤。2H+2H2O25二、体内有两条重要的呼吸链

呼吸链组分的顺序是根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位（E0´）、由低到高排列的，即电子总是从低电位组分向高电位组分传递。26呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位氧化还原对E0‘(V)氧化还原对E0‘(V)NAD+/NADN+H+－0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2－0.219CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2－0.219CytaFe3+/Fe2+0.29CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyta3Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.816271、NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22、FADH2氧化呼吸链

琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O228NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链30ⅠⅡⅢⅣCytc

第二节

氧化磷酸化将呼吸链释能

与ADP磷酸化偶联生成ATP31底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)与脱氢反应偶联，生成底物分子的高能键，使ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的过程。不经电子传递。ATP生成方式

32氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)指代谢物脱下的氢,经氧化呼吸链电子传递的释能过程,偶联ADP磷酸化生成ATP，又称为偶联磷酸化。（主要）一、氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内根据P/O比值根据自由能变化:⊿Gº'=-nF⊿Eº'氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ33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→O20.61-0.681（一）P/O比值指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所需磷酸的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。34（二）自由能变化根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化(△G0′)与还原电位变化(△E0′)之间有以下关系：n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/mol·V)△G0′=-nF△E0′35电子传递链自由能变化

36氧化磷酸化偶联部位ATPATPATPCytc37

二、氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度化学渗透假说电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。38氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；线粒体内膜对H+、OH－、K＋、Cl－离子是不通透的；电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度；增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而阻止质子从线粒体基质泵出，可减少内膜两侧的质子梯度，结果电子虽可以传递，但ATP生成减少。化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。39ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液侧

基质侧++++++++++---------电子传递过程复合体Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有质子泵功能。

三、质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催化ATP合成

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合酶结构组成41ATP合酶(复合体V)由亲水部分F1（α3β3γδε亚基）和疏水部分F0（a1b2c9～12亚基）组成。ATP合酶结构模式图H+ADP+Pi=ATP质子通过ATP合酶Fo顺浓度梯度回流使F1γ亚基旋转43当H+顺浓度递度经Fo回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。ATP合酶的工作机制γ亚基旋转使β亚基构象改变导致ATP合成和释放44

营养物脱下的成对氢原子经呼吸链逐步传递，最终与氧结合生成水的过程中，逐步释放能量驱动质子跨膜转移到内膜外侧，形成跨线粒体内膜的质子梯度，当质子顺梯度回流释放能量时被ATP合酶利用催化ATP的生成。小结：每分子NADH经氧化呼吸链传递生成2.5分子ATP每分子FADH2经氧化呼吸链传递生成1.5分子ATP45四、ATP在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用高能磷酸键水解时释放的能量大于25kJ/mol的磷酸酯键，常表示为P。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物46一些生物学重要的有机磷酸化合物水解时释放的标准自由能化合物∆GºkJ/mol（kcal/mol）磷酸烯醇式丙酮酸-61.9(-14.8)氨基甲酰磷酸-51.4(-12.3)1,3-二磷酸甘油酸-49.3(-11.8)磷酸肌酸-43.1(-10.3)ATP→ADP+Pi-30.5(-7.3)ADP→AMP+Pi-27.6(-6.6)焦磷酸-27.6(-6.6)1-磷酸葡萄糖-20.9(-5.0)6-磷酸果糖-15.9(-3.8)AMP-14.2(-3.4)6-磷酸葡萄糖-13.8(-3.3)3-磷酸甘油醛-9.2(-2.2)

核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶的作用

ADP+ADPATP+AMPATP是生物能转换、储存和利用的核心转换：48

肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。储存：49ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。ATP是生物能转换、储存和利用的核心50

第三节

氧化磷酸化的影响因素51Na+，K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。一、ADP/ATP是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素

二、甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热ADP/ATP比值增加，氧化磷酸化速率增加。52三、有3类氧化磷酸化抑制剂（一）呼吸链抑制剂阻断电子传递过程复合体Ⅰ抑制剂：鱼藤酮、异戊巴比妥等。复合体Ⅱ抑制剂：萎锈灵。复合体Ⅲ抑制剂：抗霉素A、粘噻唑菌醇。复合体Ⅳ抑制剂：CN－、N3－、CO、H2S。

53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54（二）解偶联剂使氧化与磷酸化偶联脱节解偶联剂的基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制。如：二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)；解偶联蛋白(uncouplingprotein，UCP1)。55解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP56（三）ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素可结合F0单位，二环己基碳二亚胺共价结合F0的c亚基谷氨酸残基，阻断质子从F0质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。57

寡霉素(oligomycin)寡霉素ATP合酶结构模式图可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。58不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响

各种抑制剂对电子传递链的影响60四、线粒体DNA突变