云南大学 生化 下册9.生物氧化与氧化磷酸化

苹果酸脱氢酶 3-磷酸甘油脱氢酶 异柠檬酸脱氢酶 脂酰辅酶A脱氢酶 琥珀酸脱氢酶 α-酮戊二酸脱氢酶 丙酮酸脱氢酶 FAD Fe-S FMN CoQ Cytb CytC NADH 1 Fe-S
ADP ATP ADP ATP
CytC Cytaa3
O2
ADP ATP
β-羟丁酸脱氢酶
β-羟脂酰CoA脱氢酶
线 粒 体 的 生 化
生物氧化的方式
CO2 的生成方式：有机物在酶的作用下 脱羧(decarboxylation)生成。 • 脱羧作用根据脱羧的部位分为： -decarboxylation -decarboxylation • 脱羧作用根据脱羧的性质分为： simple decarboxylation oxidative decarboxylation
琥珀酸——FADH2——铁硫蛋白——CoQ
复合体Ⅱ中电子传递顺序:
琥珀酸→ （FAD，S1）→ S3 → QP-S →Q
一些含有FAD的脱氢酶也可将底物中的电子传递给泛醌。
3.细胞色素C 还原酶（复合体III)
又称CoQ-细胞色素C
还原酶，细胞色素bc1 复合体。该复合体主 要包含细胞色素b562 和b566,细胞色素c1,2F-
目前推测复合体Ⅰ中电子传递顺序如下：
NADH → FMN → N1a
→（N3, N1b, N4）→
N2 →
QP-N → Q
（Fe2S2）
（Fe4S4) (Fe2S2) (Fe4S4）（Fe4S4）
2.琥珀酸-Q还原酶
琥珀酸-Q还原酶即复合体II,它包括三羧酸循环 中的琥珀酸脱氢酶。该酶复合体中也包括2Fe2S,3Fe-3S和4Fe-4S. 它的作用是将琥珀酸分子的电子及质子传递到 呼吸链中。其过程是:
脱羧与氧化脱羧
-脱羧
R-CH(NH2)-COOHRCH2NH2CO2（氨基酸脱羧酶）
-氧化脱羧
CH3COCOOH +NAD++CoASH （丙酮酸脱氢酶系）
H3COSCoA+NADH+H+
-脱羧
HOOCCO-CH2COOH CH3COCOOH+CO2(丙酮酸羧化酶）
-氧化脱羧
HOOCCH2-CH(OH)COOH+NADP+ CH3COCOOH+CO2+NADPH+H+(苹果酸酶）
cytochrome C
a—Cua
a3— Cub
O2可能与a3-Cub结合，并接受电子成为O2-;
细胞色素氧化酶中的细胞色素a和a3 的电子传递 体Fe，Cu离子中心的电子传递体是Cu，它们一 次只能传一个电子: Cu2+ Cu+
在呼吸过程中，4个电子使1分子氧气接受 4个电子，列
复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧
复合体Ⅳ
还原型Cyt c → CuA→a→a3→CuB
→ O2
其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。
该酶有四个氧化—还原中心。都集中在第I和第 II亚基上。分别为血红素a和a3, Cua和Cub.它们 都分别与相应的蛋白结合。分别形成2个电子传 递中心，a—CuA和a3—CuB. 电子传递顺序为：
铁硫蛋白
S
无机硫
S
半胱氨酸硫
NADH+H+ NAD+
FMN FMNH2
还原型Fe-S 氧化型Fe-S
Q QH2
复合体Ⅰ的功能
辅酶Q
辅酶Q是一个脂溶性的辅酶，即可结合到 线粒体膜上，又可以游离状态存在。它以 不同的形式接受电子和质子。 辅酶Q是一个醌类结构，同时有异戊二烯 为单位的长链结构。哺乳动物为10个异戊 二烯，其分子简称CoQ10
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
细胞色素C在电子传递中的作用是不断地 接受复合体III（细胞色素C1)交出的电子， 然后又传给复合体IV(细胞色素a)。
5.细胞色素氧化酶(复合体IV)
细胞色素氧化酶 分子较大，约20 万kd，由10 个亚 基组成，分别为 I, II, III, IV, ……， 其中最大的三个 亚基由线粒体 DNA编码。
氧化
• 糖、脂肪、蛋白质 CO2+H2O • 体内：酶促反应，生成ATP 体外：燃烧，生成光和热 • 氧化过程：加氧、脱氢、失电子
生物氧化发生的场所
1948年，Eugene Kennedy和Albert Lehninger发 现，线粒体是真核生物氧化磷酸化的场所，开始了 生物能研究的新世代。 线粒体有两层膜，外膜对小分子（Mr5000） 和离子为自由透过。内膜对大多数小分子及离子不 透过（包括H+），只有内膜上存在特异运输体的物 质可以透过。内膜上含有呼吸链和ATP合成酶。 线粒体基质含有丙酮酸脱氢酶复合物和柠檬酸 循环途径、脂肪酸-氧化途径、氨基酸氧化途径及 酵解以外所有能量物质氧化途径。
FMN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• 。
铁硫簇(iron-sulfur cluster )的结构
铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和 硫原子，其中铁原子可进行Fe2+ Fe3++e 反应传 递电子。
Ⓢ 表示无机硫
一、氧化呼吸链又称电子传递链
定义 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，这一系列酶和辅酶称为呼吸链 (respiratory chain) 又 称 电 子 传 递 链 (electron transfer chain)。 组成 递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e）
代谢 能量代谢 分解 合成 产能 耗能 生物氧化
体内代谢 物质——能量
转化
体外燃烧
体内代谢与体外燃烧的区别：
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 3. 效率：以高能键储存，40~55% 不能储存，0% 4. CO2来源：有机羧酸脱羧而来 直接氧化而来
呼吸链全貌
电子传递中的抑制剂：
第三节 氧化磷酸化
Oxidative Phosphorylation
氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP 磷酸化反应偶联
* 定义 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是 指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化， 生成ATP，又称为偶联磷酸化。 氧化磷酸化过程与线粒体结构密切相关。 底 物 水 平 磷 酸 化 (substrate level phosphorylation) 是底物分子内部能量重 新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成 ATP的过程。
NADH→ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 →CoQ
FMN 既可接受2个电子和2个质子，也可接受1个电 子和1个质子。
NAD+和NADP+的结构
R=H: NAD+;
R=H2PO3:NADP+
NAD+（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。
eⅣ H2O
线粒体内膜
延胡索酸 NAD+
琥珀酸 1/2O2+2H+
基质侧
氧化呼吸链电子传递概貌
呼吸链的特点
1 随着各电子传递体的还原电位，对电 子亲和力，电子逐步传递到氧，每一 次传递都释放能量 2 各电子传递体以复合体形式存在，按 序整合，连续，高速 3 分布不对称（Mit内膜上） 贯穿：复合体 I、III、IV 偏外：C1，a 便于传递 偏内：a3
第九章、生物氧化—
电子传递和氧化磷酸化
第一节
生物氧化
* 生物氧化（biological oxidation）的概念
物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主 要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释
放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。此过程
需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称 细胞呼吸(cellular respiration)。
* 生物氧化的一般过程
糖
脂肪
O2 CO2和H2O ADP+Pi
蛋白质
能量
ATP
热能
营养物质分解氧化三阶段
• 大分子小分子 ------- Ⅰ：分解 • Ⅱ：分解氧化 • 乙酰CoA • • TCA Ⅲ：氧化磷酸化 • （主要产能步） • H2O+ATP CO2
代谢与能量
物质代谢
（一）线粒体的结构
线粒体内膜的功能
1.使反应局限在一定的区域内； 2.电子传递，实现质子梯度； 3.实现ATP的合成
(二）氧化磷酸化机制
1.磷氧比（P/O）
指消耗1个氧原子，产生的ATP数叫磷氧比。 由于生物氧化过程中，氧气的消耗主要是在呼吸 链过程消耗的，1对电子经过电子传递过程，消 耗1个氧原子，生成1分子水。1分子ADP加1个 无机磷酸即合成1分子ATP。所以在ATP合成中， 消耗1个磷原子表明生成了1个高能磷酸键。所以， P/O表示1对电子经电子传递链过程生成的ATP 数。
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 NAD+/NADH+H+ FMN/ FMNH2 FAD/ FADH2 Cyt b Fe3+/Fe2+ Q10/Q10H2 Cyt c1 Fe3+/ Fe2+ Cyt c Fe3+/Fe2+ Cyt a Fe3+ / Fe2+ Cyt a3 Fe3+ / Fe2+ 1/2 O2/ H2O Eº (V) ' -0.32 -0.30 -0.06 0.04（或0.10） 0.07 0.22 0.25 0.29 0.55 0.82