生物化学与分子生物学（第9版）第6章生物氧化

作者:苑辉卿单位:山东大学齐鲁医学院第六章

生物氧化BiologicalOxidation第一节

线粒体氧化体系与呼吸链第二节

氧化磷酸化与ATP的生成第三节

氧化磷酸化的影响因素第四节

其他氧化与抗氧化体系重点难点熟悉了解掌握生物氧化的概念线粒体呼吸链的组成及功能氧化磷酸化的概念、意义及其影响因素ATP在能量代谢中的作用化学渗透学说与ATP的生成机制呼吸链抑制剂的种类及作用特点ROS的种类及生成机制清除ROS的抗氧化酶微粒体的生物氧化线粒体氧化体系与呼吸链第一节Biologicaloxidationinmitochondriaandthemitochondrialrespiratorychain物质在生物体内进行的氧化分解称生物氧化(biologicaloxidation)生物氧化发生的部位：细胞胞质、线粒体、微粒体等线粒体氧化体系：通过酶促反应将营养物质氧化分解为CO2和H2O，并释放能量，产生ATP微粒体氧化体系：利用氧化酶类对底物进行加氧修饰，不产生ATP生物氧化主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内氧化分解时逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程特点：反应温和，需要酶的催化，氧化反应逐步进行，能量逐步释放线粒体氧化体系营养物质氧化的一般过程线粒体氧化体系需要递氢体和递电子体递电子体递氢体电子直接传递：Fe2+Fe3++e以氢原子的形式传递电子2H2H++2e⇌⇌水溶性辅酶或辅基：

NAD+/NADH,NADP+/NADPH为双电子传递体线粒体氧化体系的递氢体和递电子体功能基团：芳环中五价氮和三价氮间的变化水溶性辅酶或辅基：FAD/FADH2,FMN/FMNH2为单双电子传递体线粒体氧化体系的递氢体和递电子体结构中含核黄素

异咯嗪环为功能基团脂溶性有机化合物：泛醌（ubiquinone，CoQ，Q）线粒体氧化体系的递氢体和递电子体人体：CoQ10，含10个异戊二烯单位可在线粒体内膜中自由扩散传递质子和电子QQH

QH2铁硫蛋白(iron-sulfurprotein

)

辅基：铁硫中心(Fe-S)含铁离子和硫原子通过

Fe2+Fe3++e-

反应传递电子

单电子传递体

线粒体氧化体系的递氢体和递电子体Fe-SFe2S2Fe4S4⇌细胞色素蛋白

（cytochrome,Cyt）含血红素样辅基的蛋白质分Cyta、b、c

及不同的亚类线粒体氧化体系的递氢体和递电子体细胞色素a，b，c结合的血红素辅基血红素a血红素b血红素c通过血红素辅基

Fe2+

Fe3++e-

反应传递电子单电子传递体⇌具有传递电子能力的蛋白复合体组成线粒体呼吸链线粒体呼吸链：

生物体将NADH+H+和FADH2彻底氧化生成水和ATP的过程与细胞的呼吸有关，需要消耗氧，参与氧化还原反应的组分由含辅助因子的多种蛋白酶复合体组成，形成一个连续的传递链，因此称为线粒体呼吸链（mitochodrialrespiratorychain）。也称电子传递链(electrontransferchain)4个蛋白质复合体，位于线粒体内膜含多种具有传递电子能力的辅基，如FMN、Fe-S、金属离子等蛋白复合体、泛醌以及细胞色素c协同完成电子传递到氧的过程电子传递过程伴随H+移至线粒体内膜的胞质侧，形成跨内膜H+梯度，释放的能量用于生成ATP

一、呼吸链由4种具有传递电子能力的蛋白质复合体组成线粒体内膜的传递电子的复合体人线粒体呼吸链复合体的组成泛醌和细胞色素c不包含在上述四种复合体中复合体Ⅰ：NADH-泛醌还原酶、NADH脱氢酶接受来自NADH+H+的电子并转移给泛醌复合体Ⅰ可催化两个同时进行的过程：

电子传递：NADH→FMN→Fe-S→Q

质子的泵出：复合体Ⅰ有质子泵功能，每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧（一）复合体Ⅰ将NADH+H+中的电子传递给泛醌复合体Ⅰ介导的电子传递过程NADH+H+

NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2复合体Ⅱ：琥珀酸-泛醌还原酶，即三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S→Q复合体Ⅱ：无H+泵的功能（二）复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递到泛醌（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：泛醌-细胞色素C还原酶人复合体Ⅲ含有Cytb(b562,b566)、Cytc1和一种可移动的铁硫蛋白(Rieskeprotein)泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集氢并穿梭传递到复合体Ⅲ电子传递：QH2→(CytbL→CytbH)→Fe-S→Cytc1→Cytc复合体Ⅲ的电子传递通过“Q循环”实现复合体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Cytc将获得的电子传递到复合体IV复合体Ⅲ的电子传递复合体Ⅳ：细胞色素C氧化酶电子传递：Cytc→CuA→Cyta→Cyta3–CuB→O2CuA和Cyta3–CuB形成双核中心，将电子传递给O2质子泵功能：每传递2个电子使2个H+跨内膜向膜间隙侧转移（四）复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧复合体IV的电子传递过程复合体IV的CuB-Cyta3将电子传递给O2、生成水1、NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→CoQ

→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22、琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸→复合体Ⅱ→CoQ

→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2二、NADH和FADH2是呼吸链的电子供体NADH和FADH2是线粒体呼吸链的电子供体，形成两条呼吸链标准氧化还原电位特异抑制剂阻断还原状态呼吸链缓慢给氧将呼吸链拆开和重组

呼吸链各组分的排列顺序的实验依据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/H2O0.816NADH氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链氧化磷酸化与ATP的生成第二节OxidativephosphorylationandproductionofATP

底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation):

与底物分子的高能键水解相偶联，使ADP磷酸化生成ATP氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)：NADH和FADH2通过线粒体呼吸链被氧化生成水的过程伴随着能量的释放，驱动ADP磷酸化生成ATP。即NADH和FADH2的氧化过程与ADP磷酸化过程相偶联，释放的能量用于生成ATPATP生成方式氧化过程如何偶联ADP的磷酸化过程？每条呼吸链各产生多少ATP？一、氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内根据P/O比值自由能变化:⊿Gº'=-nF⊿Eº'氧化与磷酸化的偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ（一）P/O比值指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）根据自由能变化确定偶联部位⊿Gº’=-nF⊿Eº'偶联部位电位变化(∆E0')自由能变化(∆G0')能否生成ATP(G0'是否大于30.5KJ)NADH~CoQ0.36V69.5KJ/mol能CoQ~Cytc0.21V40.5KJ/mol能Cyta-a3~O20.53V102.3KJ/mol能n：传递电子数；F：法拉第常数

合成1摩尔ATP需能量约30.5kJ

（二）自由能变化呼吸链产生的能量完全满足合成ATP所需复合体I复合体III复合体IV一对电子经NADH氧化呼吸链氧化，偶联生成2.5分子的ATP一对电子经琥珀酸呼吸链氧化，偶联产生1.5分子ATP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(chemiosmotichypothesis)电子经呼吸链传递时释放的能量，通过复合体的质子泵功能，转运H+从线粒体基质到内膜的胞质侧质子不能自由穿过线粒体内膜返回基质，从而形成跨线粒体内膜的质子电化学梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差），储存电子传递释放的能量质子的电化学梯度转变为质子驱动力，促使质子从膜间隙侧顺浓度梯度回流至基质、释放储存的势能，用于驱动ADP与Pi结合生成ATP化学渗透假说示意图质子的跨内膜梯度复合体I，III，IV都具有质子泵功能呼吸链每传递2个电子使10个H+跨内膜向胞浆侧转移线粒体胞浆侧的质子浓度、正电荷远高于基质形成跨内膜的浓度和电位差（电化学梯度）依赖于完整封闭的线粒体内膜，对H+、K＋、Cl－等离子的不通透性呼吸链复合体可驱动质子移至线粒体膜间隙，形成可测定的跨膜电化学梯度增加线粒体膜间隙侧的酸性可促进ATP合成，减少内膜质子梯度，电子虽可以传递，但ATP生成减少化学渗透假说的实验依据三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成

ATPATP合酶：跨线粒体内膜的通道蛋白功能：回流质子至基质时，结合ADP与Pi合成ATPATP合酶结构组成F1（亲水部分）亚基：αβγδε功能：催化ATP合成Fo（疏水部分）亚基：a1b2c9-12功能：质子回流至基质的通道DL.Nelson,MM.CoxLehningerPrinciplesofBiochemistryATP合酶：质子回流通道a亚基形成2个质子半通道半通道接受的质子中和c亚基Asp61的负电荷后，c亚基环与内膜接触发生转动ATP合酶的结合变构模型：催化ATP合成质子顺浓度梯度经Fo部分回流时，驱动γ亚基转动，使3个β亚基构象周期性改变

依次结合底物、生成、释出产物ATP生成1个ATP，需3个H＋回流入线粒体基质小结氧化磷酸化：

在线粒体完成氧化与磷酸化的偶联过程

通过NADH呼吸链、琥珀酸呼吸链完成线粒体基质中NADH、FADH2的氧化过程

呼吸链中具有质子泵功能的复合体能够将基质中的质子“泵出”至膜间隙侧而产生跨膜质子电化学梯度，储存电子氧化释放的能量，形成质子驱动力

质子驱动力促使质子通过线粒体内膜上ATP合酶回流至基质释放能量，同时驱动ADP磷酸化生成ATP，完成磷酸化过程小结一对电子经NADH氧化呼吸链氧化，偶联生成2.5分子的ATP一对电子经琥珀酸呼吸链氧化，偶联产生1.5分子ATP复合体I复合体III复合体IV为何生物氧化主要的能量代谢产物是ATP？ATP合酶的作用ATP的作用四、ATP在能量代谢中起核心作用ATP合酶的作用：线粒体内膜存在ATP合酶，电子传递产生的质子驱动力通过ATP合酶的离子通道促使质子回流、释放的能量用于产生ATPATP：高能磷酸化合物ATP是高能磷酸化合物高能磷酸化合物：含有磷酸基并在水解时释放较大自由能（大于25kJ/mol），表示为

～PATP是高能磷酸化合物：ATP结构中的β和γ磷酸酯键水解时释放的能量比通常的磷酸酯键多，如：γ磷酸酯键水解ΔG为

－30.5kJ/mol化合物△E0′kJ/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)乙酰辅酶A－31.5(－7.5)ADP→AMP＋Pi－27.6(－6.6)焦磷酸－27.6(－6.6)葡糖-1-磷酸－20.9(－5.0)一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能（一）ATP是体内能量捕获和释放利用的重要分子ATP是体内最重要的高能磷酸化合物，是细胞可直接利用的能量形式（一）ATP是体内能量捕获和释放利用的重要分子ATP供能方式高能磷酸键水解释放能量基团转移葡萄糖

葡糖-6-磷酸（二）ATP是体内能量转移和磷酸核苷化合物相互转变的核心

ATP+UDP→ADP+UTPATP+CDP→ADP+CTPATP+GDP→ADP+GTP核苷二磷酸激酶催化

（三）ATP通过转移自身基团提供能量ATP通过共价键与底物或酶分子相连，将Pi、Ppi、AMP基团转移到底物或蛋白上而形成中间产物磷酸肌酸：肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式（四）磷酸肌酸是高能键能量的储存形式ATP的生成、储存和利用氧化磷酸化的影响因素第三节Regulationofoxidativephosphorylation

体内能量状态可调节氧化磷酸化速率--[ADP]：浓度高，氧化速率加快

抑制剂

其它：--甲状腺激素：诱导ATP酶合成，加速ATP分解--线粒体DNA突变：能量代谢障碍--核基因突变：线粒体所需蛋白缺陷，能量代谢受阻氧化磷酸化的调控一、体内能量状态可调节氧化磷酸化速率

氧化磷酸化是机体合成能量载体ATP的最主要的途径机体根据能量需求调节氧化磷酸化速率，从而调节ATP的生成量细胞内ADP的浓度以及ATP/ADP的比值感应机体能量状态的变化耗能代谢反应活跃时，ATP分解为ADP和Pi的速率增加，使ATP/ADP的比值降低、ADP的浓度增加，氧化磷酸化速率加快

ATP和ADP也同时调节糖酵解、柠檬酸循环途径，调节NADH和FADH2的生成

二、抑制剂可阻断氧化磷酸化过程（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、粉蝶霉素A、异戊巴比妥等复合体Ⅱ的抑制剂：萎锈灵复合体Ⅲ抑制剂：抗霉素A，阻断Cytb传递电子到泛醌(QN)

复合体Ⅳ抑制剂：CN－、N3－紧密结合中氧化型Cyta3，阻断电子由Cyta到CuB-Cyta3间传递；CO与还原型Cyta3结合，阻断电子传递给O2

呼吸链抑制剂的阻断位点（二）解偶联剂阻断ADP的磷酸化过程氧化过程与磷酸化过程分离二硝基苯酚：结合H＋，破坏质子梯度内源性解偶联蛋白UCP1：棕色脂肪组织线粒体，使组织产热解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）ATP合酶抑制剂抑制电子传递、ATP合成寡霉素（Oligomycin）:与Fo结合，阻滞质子回流，抑制ATP合成，抑制质子泵作用各种抑制剂对电子传递链的影响三、线粒体的内膜选择性转运代谢物线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运转运蛋白进入线粒体出线粒体ATP-ADP转位酶ADP3-ATP4-磷酸盐转运蛋白H2PO4-+H+二羧酸转运蛋白HPO42-苹果酸α-酮戊二酸转运蛋白苹果酸α-酮戊二酸天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白谷氨酸天冬氨酸单羧酸转运蛋白丙酮酸OH-三羧酸转运蛋白苹果酸柠檬酸碱性氨基酸转运蛋白鸟氨酸瓜氨酸肉碱转运蛋白脂酰肉碱肉碱线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运

胞浆NADH的跨膜转运胞浆NADH需转运至线粒体基质进行氧化转运机制：--α-磷酸甘油穿梭--苹果酸-天冬氨酸穿梭α-磷酸甘油穿梭存在部位：脑、骨骼肌胞液中的NADH通过穿梭将2H交给FAD，进入琥珀酸氧化呼吸链产生1.5分子ATP

苹果酸-天冬氨酸穿梭

存在部位：肝、心肌

胞液NADH通过穿梭进入NADH氧化呼吸链产生2.5分子ATPATP、ADP、Pi的跨膜转运在细胞pH条件下，ADP、ATP呈解离状态

腺苷酸转运蛋白（移位酶）反向转运ATP和ADP出入线粒体内膜每分子ATP4-和ADP3-反向转运时，向内膜外净转移1个负电荷，相当于多1个H+转入线粒体基质其他氧化与抗氧化体系第四节Oxidativereactionsandanti-oxidants一、微粒体中的加氧酶类微粒体细胞色素P450加单氧酶功能：使底物羟化--参与类固醇激素、胆汁酸及胆色素等的生成--药物、毒物的生物转化

机制：催化O2中的一个氧原子加入底物，另一个氧原子被还原成H2ORH

+

NADPH

+

H++

O2

→

ROH

+

NADP＋

+

H2O细胞色素P450单加氧酶作用机制二、线粒体呼吸链也可产生活性氧反应活性氧类(reactiveoxygenspecies,ROS):O2的不完全还原产物：超氧阴离子(·O2-)，羟自由基(·OH）、H2O2等化学性质非常活泼，氧化性强ROS主要来源线粒体：细胞内95％的ROS来自线粒体，超氧阴离子O·-2以及后续H2O2和·OH

－ROS主要由复合体I和复合体III中的“Q循环”中产生-半醌型泛醌（QH·)，可直接将单个电子泄漏给O2而生成·O2-

过氧化酶体：FAD将从脂肪酸等底物获得的电子交给O2生成H2O2和羟自由基·OH胞浆需氧脱氢酶：如黄嘌呤氧化酶也可催化生成O·-2细菌感染、组织缺氧等病理过程；环境、药物等外源因素氧化氧化杀死入侵细菌H2O2可使2I-氧化为I2，使酪氨酸碘化生成甲状腺素强氧化性，可诱发氧化应激，引起细胞膜脂质、蛋白质、DNA等氧化损伤破坏细胞的正常结构和功能，与机体的衰老、疾病的发生密切相关ROS的作用抗氧化抗氧化体系清除ROS催化2分子·O2-分别进行氧化和还原，生成O2和H2O2活性强，是人体防御超氧离子损伤的重要酶哺乳动物细胞有3种SOD同工酶：