生物氧化08教学课件

生物氧化－电子传递和氧化磷酸化生物氧化：有机分子在机体氧化分解成二氧化碳和水并释放出能量的过程。

特点：在活的细胞中（pH接近中性、体温条件下），有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。第一节电子传递和氧化呼吸链

1、概念需氧细胞内糖、脂肪、氨基酸等通过各自的分解途径所形成的还原性辅酶，包括NADH和FADH2通过电子传递途径被重新氧化。即还原型辅酶上的氢原子以质子的形式脱下，其电子沿一系列按一定顺序排列的电子传递体转移，最后转移给分子氧并生成水，这个电子传递体系称为电子传递链,由于消耗氧，故也叫呼吸链。2、呼吸链的组成

由一系列氢传递体和电子传递体组成，

主要是蛋白复合体，大致分为四个部分：

复合体复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体Ⅳ

酶名称NADH-Q还原酶琥珀酸-Q还原酶细胞色素还原酶细胞色素氧化酶

辅基

FMN，Fe-SFAD，Fe-S

铁卜啉，Fe-S

铁卜啉，CuNADH氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链电子传递链标准氧化还原自由能变化NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等复合物II复合物IV复合体I复合物IIINADH脱氢酶细胞色素C还原酶细胞色素C氧化酶琥珀酸-辅酶Q还原酶-0.2-0.400.20.40.60.8E0/V40503020100ΔG°′ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPNAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。FMN(黄素蛋白辅基)FMNFMNH2＋2H－2H接受的氢原子接受的氢原子铁硫聚簇（Fe-S中心）铁硫聚簇主要以（Fe-S）、(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在，铁硫聚簇与蛋白质结合称为铁硫蛋白。CoQCoQH2＋2H－2H辅酶Q（泛醌、亦简称Q）

功能基团是苯醌,通过醌/酚的互变传递氢，Q(醌型结构)很容易接受2个电子和2个质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出2个电子和2个质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。R:哺乳动物中为10个异戊二烯单位，简写为Q10

非哺乳动物中为6-8个异戊二烯单位。作用:使辅酶Q成为非极性化合物，在线粒体内膜的脂双层中可以迅速扩散。

泛醌（醌型或氧化型）

泛醌H·（半醌型）

二氢泛醌（氢醌型或还原型）

辅酶Q：线粒体内膜，结合游离接受：NADH、琥珀酸脱氢酶，脂酰-CoA脱氢酶以及其它黄素酶类脱下的氢。NAD+NADH＋H＋FMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)2(Fe-S)2e＋2H＋CoQCoQH2ⅠNADH-Q还原酶各辅基（辅酶）的氧化还原循环紫MH2紫M2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQFADFADH2Ⅱ2e＋2H＋延胡索酸琥珀酸3）细胞色素还原酶（细胞色素bc1复合体、复合体Ⅲ、辅酶Q-细胞色素C还原酶）

位于线粒体内膜上，其辅基包括Cytb562、Cytb566、Cytc1和铁硫蛋白（2Fe-2S）。两种Cytb在细胞色素还原酶中以游离形式存在，而Cytc1则以共价键与蛋白质连接。Cytbc1复合体的作用是将电子从QH2转移到CytcCoQ-CytC还原酶细胞色素的辅基—铁卟啉：Fe3+Fe2+＋e

－e波长nm还原型Cytc的吸收光谱Cyta的辅基Cytb的辅基Cytc的辅基细胞色素c起着在复合体III和Ⅳ之间传递电子的作用，细胞色素c交互地与细胞色素还原酶的C1和细胞色素氧化酶接触。是唯一能溶于水的细胞色素。由一条多肽链组成，含104个氨基酸残基，分子量13kDa。细胞质线粒体基质线粒体外膜线粒体内膜无血红素细胞色素c成熟的细胞色素c血红素合成酶细胞色素氧化酶催化氧接受4个电子的过程。[Fe3+Cu2+][Fe3+Cu+][Fe2+Cu+]e-e-Fe2+-OCu+=OFe3+-O-Cu2+=O-O-H-HO2e-+2H+H2O容易与氧气结合过氧中间体高铁中间体Fe4+=O2+Cu2+O-H-He-+2H+鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素抗霉素A

氰化物、一氧化碳、硫化氢、叠氮化合物

呼吸链的电子传递抑制剂图示

NADH

NADH-Q还原酶

CoQ

cytb

cytc1cytccytaa3

O2生物体内高能磷酸化合物ATP的生成主要由三种方式：

第四节氧化磷酸化氧化磷酸化

底物水平磷酸化光合磷酸化

氧化磷酸化:是与电子传递过程偶联的磷酸化过程。即伴随电子从底物到O2的传递，ADP被磷酸化生成ATP的酶促过程，这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷酸化。

一、概念这是需氧生物合成ATP的主要途径。真核生物的电子传递和氧化磷酸化均在线粒体内膜上进行。原核生物则在质膜上进行。线粒体结构外膜:

平滑，含约50%脂类和50%蛋白，蛋白质中有些可以形成孔道蛋白，能通过分子量小于4000-5000的物质。内膜:含约20%脂类和80%蛋白。它是细胞质和线粒体基质之间的主要屏障。内膜有许多向内的折叠，称为嵴。嵴与嵴之间形成区室。内膜上有许多球状颗粒（内膜球体），内膜还含有许多富含蛋白质的跨膜颗粒（如电子传递链颗粒、跨膜运送颗粒等）。二、氧化磷酸化偶联部位及P/O比

当一对电子经呼吸链传给O2的过程中所产生的ATP分子数。实质是伴随ADP磷酸化所消耗的无机磷酸的分子数与消耗分子氧的氧原子数之比,称为P/O比。1、P/O比：

1940年，S.Ochoa测定了在呼吸链中O2的消耗与ATP生成的关系，提出P/O比的概念。线粒体NADH+H+经呼吸链氧化P/O比为2.5(3),FADH2经呼吸链氧化P/O比为1.5(2)。2、形成ATP的部位（氧化与磷酸化偶联部位）电子传递链将NADH和FADH2上的电子传递给氧的过程中释放自由能，供给ATP的合成。其中释放大量自由能的部位有3处，这3个部位就是ATP合成的部位，称为偶联部位。即复合物Ⅰ(将NADH上的电子传递给CoQ的过程)、Ⅲ（将电子由CoQ传递给细胞色素c的过程）、Ⅳ（将电子从细胞色素c传递给氧的过程），ATP的合成是由线粒体内膜上的ATP合酶（复合体Ⅴ，H+-ATP酶）催化的。（氧还电位）NADHQCytbCytcCytaO269.5102.340.5

自由能变化（单位：KJ/mol）

ADP+PiATP合成1molATP需30.5KJ-0.4-0.200.20.40.60.8复合物IV复合物III复合物I所以，3个

ATP共截获的能量为：＝43%3×30.5KJ69.5+40.5+102.5KJ三、氧化磷酸化作用的机理1.有关氧化磷酸化机理的几种假说化学偶联假说构象偶联假说化学渗透假说（1）化学偶联假说（1953年）

（chemicalcouplinghypothesis）

认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的化学反应形成高能共价中间物，它们随后裂解驱动氧化磷酸化，即将其能量转移到ADP中形成ATP。

（2）构象偶联假说（1964）

（conformationalcouplinghypothesis）

认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能构象，这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。(3)化学渗透假说（1961）

（Chemiosmotichypothesis）1961年由英国生物化学家PeterMitchell最先提出。

认为电子传递释放的自由能和ATP的合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。即电子传递释放的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H+离子梯度，及一个电位梯度。这个跨膜的电化学电势驱动ATP的合成。获得1978年的诺贝尔化学奖NADH呼吸链中的三个复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ起着质子泵的作用，将H+

从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙。化学渗透假说示意图线粒体内膜H+不断从内膜内侧泵至内膜外侧，而又不能自由返回内膜内侧，从而在内膜两侧建立起质子浓度梯度和电位梯度即电化学梯度，也称为质子动力。当存在足够的跨膜电化学梯度时，强大的质子流通过嵌在线粒体内膜的F0F1-ATP合酶返回基质，质子电化学梯度蕴藏的自由能释放，推动ATP的合成。线粒体基质

线粒体膜O2H2O++++----H+e-

H+ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图支持化学渗透假说的实验证据：氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。

线粒体内膜对H+OH-K+Cl-都是不通透的。

破坏H+浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑制剂）必然破坏氧化磷酸化作用的进行。

线粒体的电子传递所形成的电子流能够将H+

从线粒体内膜逐出到线粒体膜间隙。

大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质子，并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。

迄今未能在电子传递过程中分离出一个与ATP形成有关的高能中间化合物，亦未能分离出电子传递体的高能存在形式。H+如何通过电子传递链“泵”出的？关于H+通过电子传递链“泵”出的两种假设氧化-还原回路机制(Mitchell提出）：线粒体内膜呼吸链的各个氧-还中心即FMNCoQCytC以及Fe-S中心的排列可能即执行电子转移又能转移基质的质子。但是在电子传递链中，(H+e-）载体只有两个即FMNCoQ，则三个ATP合成部位中还缺少一个(H+e-）载体，假设CoQ发挥两次作用。(Q循环）质子泵机制：电子传递导致复合体的构象变化，而造成AA侧链pK的变化，发挥质子泵作用的侧链暴露在内膜内侧或外侧（交替变化），从而使质子发生移位。合成一个ATP，大约需要

2-3个跨膜质子。线粒体内膜的表面有一层规则地间隔排列着的球状颗粒，称为FOF1-ATP合酶，也叫ATP合酶复合体或ATP合酶，是ATP合成的场所。它由FO、F1两部分组成。

FO由4种不同的肽链组成，是跨线粒体内膜的疏水蛋白质，它是质子通道。F1由5种9条肽链组成，呈球状，是复合体的头，与FO结合后这个头伸向膜内基质。FO是膜外质子返回膜内的通道，F1是催化ATP合成的部位，当膜外的质子经FO质子通道到达F1时便推动ATP的合成。ATP的合成机制F1部分包括9个亚基:3、3亚、、。亚基是催化ATP合成的部位，亚基连接FO和F1。OSCPF1H+通道FO柄DCCD结合蛋白基质表面外表面F6FO上有6个二环己基二亚胺（DCCD，DCC，DCCI）结合蛋白，这些蛋白围成桶状，具有离子通道，通道内部有谷氨酸残基（大肠杆菌是天冬氨酸残基），这些残基可与DCCD结合，从而抑制质子通过FO

。连接F1部分和FO部分是一个短柄，包含有两种蛋白质，寡霉素敏感性付与蛋白（OSCP）和偶合因子6（F6），寡霉素可与FO结合，抑制质子通过FO。

氧化磷酸化重建示意图ATP酶作用机理ADP+PiProtenFluxH+ATP+H2O

ATPProtonFluxADP+Pi有利于ADP与Pi结合的构象有利于与ATP结合的构象有利于ATP释放的构象不同的化学因素对氧化磷酸化作用的影响方式不同，据此将它们分成三大类：四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂1.解偶联剂其作用是使电子传递和ATP形成的两个过程分开，失掉它们的紧密联系，使ATP不能合成，这种作用称为解偶联作用，这类化合物成为解偶联剂。解偶联剂不抑制电子传递。不抑制底物水平的磷酸化。解偶联剂离子载体抑制剂氧化磷酸化抑制剂2,4-二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外DNP在pH=7的环境中以解离形式存在，是脂不溶的，不能过膜。在酸性环境中接受H+,成为不解离形式，是脂溶性的，很容易过膜，同时将H+带入膜内，起消除质子浓度梯度的作用。亦称质子载体型试剂。起同样作用的有三氟甲氧基苯腙羰基氰化物（FCCP）。

直接作用于ATP合酶复合体而抑制ATP合成的一类化合物。由于它干扰了由电子传递的高能状态形成ATP的过程，从而间接抑制电子传递和降低O2的利用率。（区别于电子传递链抑制剂）寡霉素、双环己基碳二亚胺:抑制FOF1某些蛋白的活性2.氧化磷酸化抑制剂寡霉素等对利用氧的