第八章 生物氧化
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医学生物化学(第八章)生物氧化
* 铁硫蛋白为单电子传递体 ( Fe2+-e Fe3+)
+e
20
3. 泛醌（ubiquinone , Q） 又称辅酶Q （Coenzyme Q , CoQ）
21
**泛醌的特点 1）是双电子传递体 2）不与蛋白结合的游离存在的电子载体 3）是复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之间的连接者，
是多种底物的电子进入呼吸链的中心点
53
四、 ATP与能量的释放、储存和利用
H2O+CO2 ATP
有机物氧化 产能
生物大分子 主动
合成
运输
肌肉 收缩
遗传信 息传递
O2 ADP+Pi
54
一、 ATP分子中的高能磷酸基的来源 （一） 氧化磷酸化： 主要来源 （二） 底物水平磷酸化 概念： 在反应过程中,由于分子内部能 量重新分配，形成高能磷酸化合物，进一 步将高能磷酸基转移给ADP，形成ATP
67
AH2
2H+
2Cu2+
O2-
H2O
A 2Cu+
1/2O2
属氧化酶主要有：细胞色素氧化酶、 酚氧化酶、 抗坏血酸氧化酶等
68
（二）需氧脱氢酶 （aerobic dehydrogenase）
特点： 使作用物氢活化， 受氢体：除氧以外还有其他试剂 产物之一是H2O2
69
AH
FMN(FAD)
H2O2
氧化磷酸化
4
糖
脂肪
葡萄糖 脂肪酸 ＋ 甘油
乙 酰CoA
蛋白质
氨基酸
TCA cycle
CO2
H＋＋e （进 入 呼 吸 链 ）
生成H2O 及释 放 出 能 量
5
第8章：生物氧化
GDP+Pi
HSCoA
H2C COOH H2C COOH
琥珀酸
GTP
O C SCoA
琥珀酰CoA
ATP ADP
琥珀酰CoA合成酶
2. 氧化磷酸化
在线粒体中，代谢物脱下的2H经呼吸链氧为 水时所释放的能量使ADP磷酸化生成ATP的 过程。它是体内生成ATP的主要的方式。
呼 吸 链
1 O2 H2O
实质：每消耗1mol氧原子所产生的ATP的mol数。
线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值
底 物 β-羟丁酸 琥珀酸 抗坏血酸 呼吸链的组成 NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ →Cyt c→复合体Ⅳ→O2 复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ →Cyt c→复合体Ⅳ→O2 Cyt c→复合体Ⅳ→O2 复合体Ⅳ→O2 0.88 0.61-0.68 1 1 细胞色素c (Fe2+) 1.7 2 P/O比值 2.4～2.8 可能生成的 ATP数 3
1. 温度： 体温，~37度
高温
2. 反应温和：酶促,逐步氧化,逐步放能,可调节
反应剧烈：短时间内以光、热能形式放能
不能储存，0% 碳和氢直接与氧结合生成。
3. 效率：以高能键储存，40~55%
4. CO2来源：有机羧酸脱羧而来
二、生物氧化的酶类 氧化酶类 需氧脱氢酶 不需氧脱氢酶
R=H: NAD+;
R=H2PO3:NADP+
B: FAD和 FMN
FAD（或FMN）+ 2H FADH2（或 FMNH2）
C: 辅酶Q ( CoQ) 泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊烯连接形 成较长的疏水侧链（人CoQ10），脂溶性, 在膜中 可流动。 不固定于复合体，呈游离状态。氧化还 原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。
HSCoA
H2C COOH H2C COOH
琥珀酸
GTP
O C SCoA
琥珀酰CoA
ATP ADP
琥珀酰CoA合成酶
2. 氧化磷酸化
在线粒体中，代谢物脱下的2H经呼吸链氧为 水时所释放的能量使ADP磷酸化生成ATP的 过程。它是体内生成ATP的主要的方式。
呼 吸 链
1 O2 H2O
实质：每消耗1mol氧原子所产生的ATP的mol数。
线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值
底 物 β-羟丁酸 琥珀酸 抗坏血酸 呼吸链的组成 NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ →Cyt c→复合体Ⅳ→O2 复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ →Cyt c→复合体Ⅳ→O2 Cyt c→复合体Ⅳ→O2 复合体Ⅳ→O2 0.88 0.61-0.68 1 1 细胞色素c (Fe2+) 1.7 2 P/O比值 2.4～2.8 可能生成的 ATP数 3
1. 温度： 体温，~37度
高温
2. 反应温和：酶促,逐步氧化,逐步放能,可调节
反应剧烈：短时间内以光、热能形式放能
不能储存，0% 碳和氢直接与氧结合生成。
3. 效率：以高能键储存，40~55%
4. CO2来源：有机羧酸脱羧而来
二、生物氧化的酶类 氧化酶类 需氧脱氢酶 不需氧脱氢酶
R=H: NAD+;
R=H2PO3:NADP+
B: FAD和 FMN
FAD（或FMN）+ 2H FADH2（或 FMNH2）
C: 辅酶Q ( CoQ) 泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊烯连接形 成较长的疏水侧链（人CoQ10），脂溶性, 在膜中 可流动。 不固定于复合体，呈游离状态。氧化还 原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。
生物化学 第8章 生物氧化
天冬 氨酸
①苹果酸脱氢酶
②天冬氨酸氨基转移酶
存在部位：肝脏、心肌组织
两种穿梭系统的比较
α-磷酸甘油穿梭 穿梭 物质 进入线粒 体后转变 成的物质 进入 呼吸链 α-磷酸甘油 磷酸二羟丙酮 苹果酸-天冬氨酸穿梭 苹果酸、 谷氨酸 天冬aa、α-酮戊二酸
FADH2
琥珀酸 氧化呼吸链
NADH+ H+
NADH 氧化呼吸链
琥珀酸由琥珀酸脱氢酶催化脱下的2H经复合 体Ⅱ（FAD，Fe—S）使COQ形成COQH2， 再往下传递与NADH氧化呼吸链相同。（见 上图）
NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼 吸链总图
FADH2
NADH
FMN
CoQ
Cyt-b c1
c
aa3
O2 H2O
3、分别进入两条呼吸链的底物
苹果酸 异柠檬酸 β -羟丁酸 谷氨酸 NAD+ FMN 琥珀酸 FAD（Fe-S） CoQ b c1 c aa3 O2
10
血红素b、c1 Fe-S 血红素c 血红素a 血红素a3 Cu2+ O2
Q
Cytc
13
1
Cytc Cyta
Ⅳ
细胞色素C氧化酶
13
(一)尼克酰胺核苷酸类(NAD+)
NAD+ 和NADP+的结构
NAD+：R=H NADP+：R=PO32-
尼克酰胺核苷酸的作用原理
H
H H CONH 2
C CONH2 N R
AH2 2H(2H++2e)
吸 链
1 2 O2
H2O
氧化
A
ADP+Pi
能量 ATP 磷酸化
第八章生物氧化
27
2.黄素蛋白（flavin protein，FP）
黄素蛋白的辅基有两种：FMN和FAD， 其分 子中的异咯嗪环可以进行可逆的加氢和脱氢反应， 故黄素蛋白在呼吸链中属于递氢体，在加氢反应 时接收2个氢原子。
28
H3C H3C
N
CH 2 O H C OH H C OH H C OH
O PO O-
36
37
细胞色素c （Cytochrome C）
➢13kD球形蛋白 ➢唯一能溶于水的细胞色素 ➢流动电子载体，可在线粒 体内膜外侧移动
38
呼吸链中常见的几种蛋白质或酶
名称
特点
主要功能
黄素蛋白
以FAD或FMN为辅基 传递H和电子
铁硫蛋白
辅基为铁硫中心（Fe-S） 传递单个电子
泛醌（CoQ）
脂溶性，能在内膜中自 由扩散
ATP、热能
10ion and storage of ATP
ATP在能量代谢中的核心作用 ATP的生成
底物水平磷酸化 氧化磷酸化 ATP的储存和利用
11
一、 ATP在能量代谢中的核心作用
生物体能量代谢的特点：
1. 生物体不能承受能量大量增加、能量大量 释放的化学过程，所以代谢反应都是依序 进行，能量逐步得失的反应
⊿G′
(kcal/mol) (－14.8) (－12.3) (－11.8) (－10.3) (－7.3) (－7.5) (－6.6) (－6.6) (－5.0)
14
二、 ATP的生成 （一）底物水平磷酸化 定义：代谢物在氧化分解过程中，因脱氢或
脱水而引起分子内能量重新分布，产 生高能键，然后将高能键转移给ADP （或GDP）生成ATP（或GTP）的过 程，称为底物水平磷酸化(substrate phosphorylation)。
第八章 生物氧化
第八章生物氧化一、内容提要生物氧化是指糖、脂肪、蛋白质等供能物质在生物细胞中彻底氧化分解为CO2和H2O 并逐步释放能量的过程。
CO2的生成方式为有机酸脱羧。
脱羧反应根据其发生在α碳原子及β碳原子，分为α脱羧和β脱羧。
有的脱羧反应涉及氧化，因此脱羧反应又可分为不伴氧化的单纯脱羧和伴氧化的氧化脱羧。
线粒体内膜存在多种具有氧化还原功能的酶和辅酶，排列组成呼吸链。
细胞的线粒体中，代谢物脱下的2H以质子和电子形式通过呼吸链逐步传递给O2生成H2O。
从细胞内膜分离得到四种功能的呼吸链复合体：NADH-泛醌还原酶（复合体Ⅰ）、琥珀酸-泛醌还原酶（复合体Ⅱ）、泛醌-细胞色素C还原酶（复合体Ⅲ）和细胞色素C氧化酶（复合体Ⅳ）。
CoQ、Cytc不包含在这些复合体中。
体内存在两条呼吸链，即NADH氧化呼吸链及琥珀酸氧化呼吸链。
ATP的生成方式有两种：底物水平磷酸化和氧化磷酸化，以氧化磷酸化为主。
氧化磷酸化是呼吸链电子传递过程中产生的能量，使ADP磷酸化生产ATP的过程。
实验结果表明，每2H经NADH氧化呼吸链传递可产生约2．5个ATP，经琥珀酸氧化呼吸链传递可产生约1．5个ATP。
氧化磷酸化受到甲状腺素和ADP/ATP比值的调节，同时易受呼吸链抑制剂、解偶联剂和ATP合酶抑制剂等抑制。
底物水平磷酸化是代谢物分子中能量直接转移给ADP生成ATP的过程。
除ATP外还存在其它高能化合物，但生物体内能量的生成、转化、储存和利用都是以ATP为中心。
在肌肉和脑组织中，磷酸肌酸可作为ATP的能量储存形式。
胞质中物质代谢生成的NADH不能直接进入线粒体，必须通过α-磷酸甘油和苹果酸-天冬氨酸两种穿梭机制进入线粒体进行氧化。
生物氧化过程中有时会生成反应活性氧类，他们具有强氧化性，对细胞有损伤作用。
微粒体中的氧化酶类可以将某些底物分子羟基化，增强其极性，便于从体内排出；过氧化物酶体中的氧化酶类和超氧化物歧化酶对反应活性氧类具有一定的清除作用。
Q第八章生物氧化
FAD
CoQ
ADP+Pi Cyt b ATP c1 c
ADP+Pi aa3 ATP O2
ATP
氧化磷酸化偶联部位
三、氧化磷酸化偶联机制---化学渗透假说
在氧化磷酸化中，电子从一个载体到另一个载 体的传递过程中究竟怎样促使ADP磷酸化成 ATP的？ 目前最为流行的是化学渗透假说（Peter Mitchell于1961年提出 ）：
例： CH3CH2OH
乙醇脱氢酶
CH3CHO
NAD+
NADH+H+
NAD+ 2H+
2e
电子传递链
1\2 O2 O=
H 2O
一、 呼吸链（respiratory chain) 概念：
代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所 催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这 一系列的酶和辅酶称为呼吸链(respiratory chain)又称电 子传递链(electron transfer chain)。 组成：脱氢酶、传递体和氧化酶 各组分按一定顺序排列在线粒体内膜
～P 甘油酸 ～P ATP
～P
磷酸肌酸 （磷酸基团储备物）
～P ～P
6-磷酸葡萄糖 3-磷酸甘油醛
0
二、ATP的生成方式（重点） • 生物氧化不仅仅是消耗O2生成CO2和H2O，更重 要的是在这个过程中有能量的释放。 • 释放出的能量在细胞内以ATP的形式贮存，以 供细胞代谢活动。
底物水平磷酸化 呼吸链磷酸化(最主要)
1、α—磷酸甘油穿梭（1NADH ：1.5ATP）
•主要存在于脑、骨骼肌
2、苹果酸穿梭（1NADH：2.5ATP）
主要存在于肝、心肌组织中。
生物化学58 第八章 生物氧化
糖异生 葡萄糖
2. 糖代谢的中间产物可氨基化生成某些 非必需氨基酸
丙氨酸
天冬氨酸
糖
丙酮酸
草酰乙酸
乙酰CoA
α -酮戊二酸 谷氨酸
柠檬酸
（三）脂类与氨基酸代谢的相互联系
1. 蛋白质可以转变为脂肪
氨基酸
乙酰CoA
脂肪
2. 氨基酸可作为合成磷脂的原料
丝氨酸
磷脂酰丝氨酸
胆胺
脑磷脂
胆碱
卵磷脂
3. 脂肪的甘油部分可转变为非必需氨基 酸
1. 摄入的糖量超过能量消耗时
合成糖原储存（肝、肌肉）
葡
萄
合成脂肪
糖
乙酰CoA
（脂肪组织）
2. 脂肪的甘油部分能在体内转变为糖
甘油激酶
葡
甘油
磷酸-甘油
萄
肝、肾、肠
糖
脂
肪
脂酸
乙酰CoA
葡萄糖
（二）糖与氨基酸代谢的相互联系
1. 大部分氨基酸脱氨基后，生成相应的α酮酸，可转变为糖。
例如
脱氨基
丙氨酸
丙酮酸
第八章 生物氧化
第八章 生物氧化
与非生物氧化共同之处： 1、反应的本质都是脱氢、 失电子或加氧；2、被氧 化的物质相同，终产物 和释放的能量也相同。
定义：生物氧化过程中从代谢物脱下来的 氢和电子需要经过一系列中间传递体，最 后才与氧气形成水，在其间能量逐步释放。 这种由一系列传递体构成的链状复合体称 为电子传递体系（ETS）或简称为呼吸链。 NADH呼吸链和FADH2呼吸链。
呼吸链的组分
NAD+及与NAD+偶联的脱氢酶：NAD+是一种流 动的电子传递体。
黄素及与黄素偶联的脱氢酶 辅酶Q：属于一种流动的电子传递体。 铁硫蛋白 细胞色素：细胞色素c是一种流动的电子传递体 氧气
第八章生物氧化
2.细胞色素 Cyt 细胞色素(Cyt 细胞色素 Cyt) 细胞色素是属于色蛋白类的结合蛋白， 细胞色素是属于色蛋白类的结合蛋白，其辅基是 含铁卟啉的衍生物(血红素A,血红素B,血红素 血红素A,血红素B,血红素C) 含铁卟啉的衍生物 血红素A,血红素B,血红素C) 细胞色素共有五种，分别为Cyt 细胞色素共有五种，分别为Cyt a, Cyt b, c， Cyt c1, Cyt c， Cyt a3. 细胞色素在呼吸链中是通过铁卟啉中的铁原子氧 化还原作用而往复传递电子， 化还原作用而往复传递电子，细胞色素是单电子 传递体方程式如下 方程式如下： 传递体方程式如下： ( b, c1, c) 2Cyt·Fe 2Cyt Fe3+ + 2e2Cyt·Fe 2Cyt Fe2+
一. 生物氧化的涵义 由前述分解代谢的总方程式： 由前述分解代谢的总方程式：
有机物 + O2 能量（ ATP） CO2 + H2O + 能量（ ATP）
则有机物的分解是一种有氧参与的氧化反应， 则有机物的分解是一种有氧参与的氧化反应， 且反应发生在生物体内， 且反应发生在生物体内，故称为生物氧化 定义 有机物质在生物体细胞内的 氧化分解作用称为生物氧化 由于此过程消耗氧生成CO2 ，且在细 由于此过程消耗氧生成CO 胞中进行， 胞中进行，因此又称为细胞呼吸
（二）反应历程复杂 例 葡萄糖的氧化反应方程式： 葡萄糖的氧化反应方程式： C6H12O6 +6O2 6CO2 + 6H2O
在体内和体外都是一样的， 在体内和体外都是一样的，但各自的反 应历程不同,体外氧化是一次反应完全的 应历程不同 体外氧化是一次反应完全的 而生物氧化是在活细胞的水溶液中进 生物氧化是在活细胞的水溶液中进 行的，途径迂回曲折，有条不紊， 行的，途径迂回曲折，有条不紊，反 应历程复杂， 应历程复杂，都是酶促反应
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在线粒体内膜上主要有两条呼吸链：
NADH 氧化呼吸链
NADH
NADH-Q 还原酶
Q
细胞色素 还原酶
细胞色 素C
细胞色素 氧化酶
O2
琥珀酸-Q还原酶 琥珀酸氧化呼吸链
FADH2
① NADH-Q还原酶(NADH脱氢酶、复合体Ⅰ)
❖电子传递链上第一个质子泵，FMN和铁-硫聚簇（Fe-S） 是该酶的辅基。
第八章 生物氧化
第一节 生物氧化概述
1. 生物氧化的概念及特点
• 有机分子在生物细胞内进行氧化分解而生成CO2和 H2O并释放出能量的过程称为生物氧化。
• 生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧 化－还原反应，所以又称为细胞氧化或细胞呼吸。
二、生物氧化的特点
生物氧化
体外燃烧
细胞内温和条件
高温或高压、干燥条件
化学渗透假说示意图
支持化学渗透假说的实验证据
(1) 氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。 (2) 线粒体内膜对H+ OH- K+ Cl-都是不通透的。 (3) 破坏H+浓度梯度的形成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，
▪需氧细胞生命活动的主要能量来源，是生物产生ATP 的主要途径。
▪与生物氧化作用相伴而生的磷酸化作用，是将生物氧 化过程中释放的自由能使ADP磷酸化生成ATP的作用。
▪氧化磷酸化的全过程可用方程式表示如下：
xADP + xPi + ½ O2 + H+ + NADH
xATP + H2O + NAD+
颈部和背部上方的一种特殊的脂肪组织称为褐色脂肪的 氧化提供热量以维持体温。
• 细菌和叶绿体都含有转运氢离子的电子传递链。
五、线粒体穿梭系统（细胞质内NADH的再氧化）
❖ 真核细胞细胞质中产生的NADH必须进入线粒体才
能经呼吸链氧化并生成ATP。 ❖ 但NADH不能直接透过线粒体内膜。
1. 甘油-3-磷酸穿梭 2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭（肝﹑ 心中）
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。
◊底物水平磷酸化
区别
底物水平磷酸化指ATP的形成直接与一个代谢中间物上的磷 酸基团转移相偶联的作用。
2. 氧化磷酸化偶联部位及P/O比
①P/O比：
1940年，S. Ochoa测定了在呼吸链中O2的消耗与ATP生 成的比例关系，提出了P/O比的概念。
②抗霉素A：干扰电子在细胞色素还原酶中细胞色素b上的传递， 所以阻断电子由QH2向细胞色素c1的传递。
③氰化物（CN-）、叠氮化物（N3-）、一氧化碳（CO）等：其作 用是阻断电子在细胞色素氧化酶中的传递。
电子传递链抑制剂示意图
第三节 氧化磷酸化作用
▪氧化磷酸化作用是电子在沿着电子传递链传递过程中 所伴随的将ADP磷酸化而形成ATP的全过程。
一系列酶促反应
无机催化剂
逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆发释放
释放的能量转化成ATP被利用 转换为光和热，散失
2. 氧化还原电位与自由能
1、氧化还原电位：指氧化还原反应中，反应物得失电子 的能力。用E表示。
•通常所说某一物质的氧化还原电位都是和标准氢电极比 较得到的。
2、自由能（G）:指在一个体系的总能量中，在恒温恒 压条件下能够做功的那一部分能量。
NADH-Q还原酶
NADH FMN Fe2+S
CoQ
细胞色素还原酶
cyt. b Fe2+
Fe3+S
cyt. c1 Fe2+
cyt. c Fe3+
NAD+ FMNH2
cyt. a Fe2+ Cu+
Fe3+S
CoQH2
cyt. a3 Fe3+
Cu2+
cyt. b Fe3+
H2O
Fe2+S
cyt. c1 Fe3+
FADH2
•呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，
在线粒体内膜上主要有两条呼吸链：
NADH 氧化呼吸链
NADH
NADH-Q 还原酶
Q
细胞色素 还原酶
细胞色 素C
细胞色素 氧化酶
O2
琥珀酸-Q还原酶 琥珀酸氧化呼吸链
FADH2
FADH2 Fe3+S
FAD Fe2+S
琥珀酸－Q还原酶
• 有贮能作用的物质是磷酸肌酸和磷酸精氨酸。
第二节 电子传递链及内部氧化体系
1. 电子传递链的概念及组成
• 电子由NADH到O2的传递所经过的途径称为电子传 递链。
• 呼吸链包括：NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、 细胞色素还原酶、细胞色素C、细胞色素氧化酶。
•呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，
• 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。
②氧化磷酸化抑制剂 ❖ 这类试剂的作用特点是既抑制氧的利用又抑制ATP的
形成；但不直接抑制电子传递链上载体的作用。 ❖ 直接干扰ATP的生成过程。 ❖ 寡霉素、双环己基碳二亚胺（抑制FOF1某些蛋白的活
NADH
NADH-Q 还原酶
Q
细胞色素 还原酶
细胞色 素C
细胞色素 氧化酶
O2
琥珀酸-Q还原酶
FADH2
④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 ）
• 细胞色素是含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称。 其辅基包括细胞色素b562、细胞色素b566、细胞色素c1 和铁硫蛋白（2Fe-2S）。
❖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。
❖ 线粒体NADH+H+经呼吸链氧化P/O比为2.5，FADH2经 呼吸链氧化P/O比为1.5。
②形成ATP的部位（氧化与磷酸化偶联部位） ❖电子由NADH到氧的传递过程中，释放自由能的部位 有三处：
cyt. a Fe3+ Cu2+
cyt. a3 Fe2+
Cu+
细胞色素氧化酶
1/2O2
电子传递的过程
cyt. c Fe2+
2. 电子传递的抑制剂 •能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传 递抑制剂。
◆常见的几种电子传递抑制剂及其作用部位
①鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素。其作用是阻断电子在NADHQ还原酶内的传递，所以阻断了电子由NADH向CoQ的传递。
⑴ 磷氧键型（－O－P） ①酰基磷酸化合物
氨酰腺苷酸
②焦磷酸化合物
③烯醇式磷酸化合物
⑵ 氮磷键型
磷酸肌酸
磷酸精氨酸
⑶ 硫脂键型
3’-腺苷磷酸-5’-磷酰硫酸
⑷ 甲硫键型
一些磷酸化合物水解的标准自由能变化
4. ATP的特殊作用
• ATP在传递能量方面起着转运站的作用。它是能量的 携带者和转运者，但并不是能量的贮存者。
❖铁硫聚簇通过Fe3+ Fe2+ 变化，将氢从FMNH2上脱下 传给CoQ，同时起传递电子的作用，每次传递一个电子.
Cys S
S
S Cys +e-
Fe3+
Fe3+
Cys S
S
S Cys -e-
Cys S
S
S Cys
Fe3+
Fe2+
Cys S
S
S Cys
②辅酶Q（泛醌、亦简称Q)
NADH
NADH-Q 还原酶
Q
细胞色素 还原酶
琥珀酸-Q还原酶
FADH2
细胞色 素C
细胞色素 氧化酶
O2
③琥珀酸-Q还原酶（复合体Ⅱ）
• 位于线粒体内膜，琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部 分，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。
• 琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅
基FAD还原为FADH2，然后FADH2又将电子传递给 Fe-S聚簇。
❖自由能变化（ΔG）:
A
B
ΔG= GB – GA
ΔG< 0，放能，自发进行，可以产生有用的功 ΔG >0，吸能，非自发进行，必须供给能量才能进行。 ΔG =0 ，平衡状态
3. 高能磷酸化合物
•机体内含有很多磷酸化合物，其磷酰基团水解时可释放 出大量的自由能，这类化合物称为高能磷酸化合物。
• 高能磷酸化合物的类型
能荷＝ [ATP]+0.5[ADP]
[ATP]+[ADP]+[AMP]
并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。 H+如何通过电子传递链“泵”出的？
▪ 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。
性） ❖ 寡霉素等对利用氧的抑制作用可被DNP解除。
③离子载体抑制剂
❖ 是一类脂溶性物质，能与H+以外的其他一价阳离子 结合，并作为他们的载体使他们能穿过膜，消除跨 膜的电位梯度。
❖ 缬氨霉素（K+），短杆菌肽（K+ 、Na+、 一价阳离 子）
NADH 氧化呼吸链
NADH
NADH-Q 还原酶
Q
细胞色素 还原酶
细胞色 素C
细胞色素 氧化酶
O2
琥珀酸-Q还原酶 琥珀酸氧化呼吸链
FADH2
① NADH-Q还原酶(NADH脱氢酶、复合体Ⅰ)
❖电子传递链上第一个质子泵，FMN和铁-硫聚簇（Fe-S） 是该酶的辅基。
第八章 生物氧化
第一节 生物氧化概述
1. 生物氧化的概念及特点
• 有机分子在生物细胞内进行氧化分解而生成CO2和 H2O并释放出能量的过程称为生物氧化。
• 生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧 化－还原反应，所以又称为细胞氧化或细胞呼吸。
二、生物氧化的特点
生物氧化
体外燃烧
细胞内温和条件
高温或高压、干燥条件
化学渗透假说示意图
支持化学渗透假说的实验证据
(1) 氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。 (2) 线粒体内膜对H+ OH- K+ Cl-都是不通透的。 (3) 破坏H+浓度梯度的形成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，
▪需氧细胞生命活动的主要能量来源，是生物产生ATP 的主要途径。
▪与生物氧化作用相伴而生的磷酸化作用，是将生物氧 化过程中释放的自由能使ADP磷酸化生成ATP的作用。
▪氧化磷酸化的全过程可用方程式表示如下：
xADP + xPi + ½ O2 + H+ + NADH
xATP + H2O + NAD+
颈部和背部上方的一种特殊的脂肪组织称为褐色脂肪的 氧化提供热量以维持体温。
• 细菌和叶绿体都含有转运氢离子的电子传递链。
五、线粒体穿梭系统（细胞质内NADH的再氧化）
❖ 真核细胞细胞质中产生的NADH必须进入线粒体才
能经呼吸链氧化并生成ATP。 ❖ 但NADH不能直接透过线粒体内膜。
1. 甘油-3-磷酸穿梭 2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭（肝﹑ 心中）
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。
◊底物水平磷酸化
区别
底物水平磷酸化指ATP的形成直接与一个代谢中间物上的磷 酸基团转移相偶联的作用。
2. 氧化磷酸化偶联部位及P/O比
①P/O比：
1940年，S. Ochoa测定了在呼吸链中O2的消耗与ATP生 成的比例关系，提出了P/O比的概念。
②抗霉素A：干扰电子在细胞色素还原酶中细胞色素b上的传递， 所以阻断电子由QH2向细胞色素c1的传递。
③氰化物（CN-）、叠氮化物（N3-）、一氧化碳（CO）等：其作 用是阻断电子在细胞色素氧化酶中的传递。
电子传递链抑制剂示意图
第三节 氧化磷酸化作用
▪氧化磷酸化作用是电子在沿着电子传递链传递过程中 所伴随的将ADP磷酸化而形成ATP的全过程。
一系列酶促反应
无机催化剂
逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆发释放
释放的能量转化成ATP被利用 转换为光和热，散失
2. 氧化还原电位与自由能
1、氧化还原电位：指氧化还原反应中，反应物得失电子 的能力。用E表示。
•通常所说某一物质的氧化还原电位都是和标准氢电极比 较得到的。
2、自由能（G）:指在一个体系的总能量中，在恒温恒 压条件下能够做功的那一部分能量。
NADH-Q还原酶
NADH FMN Fe2+S
CoQ
细胞色素还原酶
cyt. b Fe2+
Fe3+S
cyt. c1 Fe2+
cyt. c Fe3+
NAD+ FMNH2
cyt. a Fe2+ Cu+
Fe3+S
CoQH2
cyt. a3 Fe3+
Cu2+
cyt. b Fe3+
H2O
Fe2+S
cyt. c1 Fe3+
FADH2
•呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，
在线粒体内膜上主要有两条呼吸链：
NADH 氧化呼吸链
NADH
NADH-Q 还原酶
Q
细胞色素 还原酶
细胞色 素C
细胞色素 氧化酶
O2
琥珀酸-Q还原酶 琥珀酸氧化呼吸链
FADH2
FADH2 Fe3+S
FAD Fe2+S
琥珀酸－Q还原酶
• 有贮能作用的物质是磷酸肌酸和磷酸精氨酸。
第二节 电子传递链及内部氧化体系
1. 电子传递链的概念及组成
• 电子由NADH到O2的传递所经过的途径称为电子传 递链。
• 呼吸链包括：NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、 细胞色素还原酶、细胞色素C、细胞色素氧化酶。
•呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，
• 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。
②氧化磷酸化抑制剂 ❖ 这类试剂的作用特点是既抑制氧的利用又抑制ATP的
形成；但不直接抑制电子传递链上载体的作用。 ❖ 直接干扰ATP的生成过程。 ❖ 寡霉素、双环己基碳二亚胺（抑制FOF1某些蛋白的活
NADH
NADH-Q 还原酶
Q
细胞色素 还原酶
细胞色 素C
细胞色素 氧化酶
O2
琥珀酸-Q还原酶
FADH2
④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 ）
• 细胞色素是含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称。 其辅基包括细胞色素b562、细胞色素b566、细胞色素c1 和铁硫蛋白（2Fe-2S）。
❖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。
❖ 线粒体NADH+H+经呼吸链氧化P/O比为2.5，FADH2经 呼吸链氧化P/O比为1.5。
②形成ATP的部位（氧化与磷酸化偶联部位） ❖电子由NADH到氧的传递过程中，释放自由能的部位 有三处：
cyt. a Fe3+ Cu2+
cyt. a3 Fe2+
Cu+
细胞色素氧化酶
1/2O2
电子传递的过程
cyt. c Fe2+
2. 电子传递的抑制剂 •能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传 递抑制剂。
◆常见的几种电子传递抑制剂及其作用部位
①鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素。其作用是阻断电子在NADHQ还原酶内的传递，所以阻断了电子由NADH向CoQ的传递。
⑴ 磷氧键型（－O－P） ①酰基磷酸化合物
氨酰腺苷酸
②焦磷酸化合物
③烯醇式磷酸化合物
⑵ 氮磷键型
磷酸肌酸
磷酸精氨酸
⑶ 硫脂键型
3’-腺苷磷酸-5’-磷酰硫酸
⑷ 甲硫键型
一些磷酸化合物水解的标准自由能变化
4. ATP的特殊作用
• ATP在传递能量方面起着转运站的作用。它是能量的 携带者和转运者，但并不是能量的贮存者。
❖铁硫聚簇通过Fe3+ Fe2+ 变化，将氢从FMNH2上脱下 传给CoQ，同时起传递电子的作用，每次传递一个电子.
Cys S
S
S Cys +e-
Fe3+
Fe3+
Cys S
S
S Cys -e-
Cys S
S
S Cys
Fe3+
Fe2+
Cys S
S
S Cys
②辅酶Q（泛醌、亦简称Q)
NADH
NADH-Q 还原酶
Q
细胞色素 还原酶
琥珀酸-Q还原酶
FADH2
细胞色 素C
细胞色素 氧化酶
O2
③琥珀酸-Q还原酶（复合体Ⅱ）
• 位于线粒体内膜，琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部 分，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。
• 琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅
基FAD还原为FADH2，然后FADH2又将电子传递给 Fe-S聚簇。
❖自由能变化（ΔG）:
A
B
ΔG= GB – GA
ΔG< 0，放能，自发进行，可以产生有用的功 ΔG >0，吸能，非自发进行，必须供给能量才能进行。 ΔG =0 ，平衡状态
3. 高能磷酸化合物
•机体内含有很多磷酸化合物，其磷酰基团水解时可释放 出大量的自由能，这类化合物称为高能磷酸化合物。
• 高能磷酸化合物的类型
能荷＝ [ATP]+0.5[ADP]
[ATP]+[ADP]+[AMP]
并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。 H+如何通过电子传递链“泵”出的？
▪ 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。
性） ❖ 寡霉素等对利用氧的抑制作用可被DNP解除。
③离子载体抑制剂
❖ 是一类脂溶性物质，能与H+以外的其他一价阳离子 结合，并作为他们的载体使他们能穿过膜，消除跨 膜的电位梯度。
❖ 缬氨霉素（K+），短杆菌肽（K+ 、Na+、 一价阳离 子）