第八章 电子传递与氧化磷酸化
生理学呼吸作用
呼吸作用的场所
外膜 场所：细胞质和线粒体 数目：500~2000个 结构特点：外膜通 透，内膜选择透过。 内膜 基质 嵴
功能：三羧酸循环（基质）、 电子传递和氧化磷酸化（内膜）
第二节 呼吸代谢的多样性
葡萄糖 糖 酵 解 有 氧 呼 吸 丙酮酸
有O2 无O2 有O2
磷酸戊糖途径
酒精发酵 乳酸发酵
无氧呼吸
6CO2+5 G6P+12NADPH +H+ + Pi
PPP在葡萄糖降解中所占的比例与生理过程 有关：
*感病、受旱、受伤、衰老的组织中及种子
形成过程中，PPP途径加强。
2、PPP途径生理意义
为物质合成提供还原剂：是生物体内产生 NADPH2的主要途径，氧化1葡萄糖，产生 12个NADPH2 许多中间产物为其它物质合成提供了原料 与光合作用有共同的中间产物,因而将呼吸作 用和光合作用可以联系起来。 在许多植物中普遍存在,特别是在植物感病和 受伤、干旱时,该途径可占全部呼吸50%以上。
呼吸链=氢传递体+电子传递体
二、电子传递及氧化磷酸化
FAD NAD FMN UQ H+ cytb cytc1 cytc cytaa3 O2 H2 O
氢传递体：传递H(H++e),包括NAD+（辅酶Ⅰ）、 NADP+（辅酶Ⅱ）、FMN、FAD、辅酶Q（CoQ或UQ） 等。 电子传递体：只传递电子，包括细胞色素系统 （Cyt）和黄素蛋白、铁硫蛋白。 除UQ外，多数组分与蛋白质结合成复合体镶嵌在膜内。
3）酒精和乳酸发酵
4）戊糖磷酸途径（PPP）
（一）糖酵解途径(EMP途径)
糖酵解是将葡萄糖降解成丙酮酸并释放能 量的过程。 进行部位是在细胞质中，是有氧呼吸和无氧呼吸 共同的途径 功能： 糖
生物化学复习要点-生物氧化与氧化磷酸化
生物氧化与氧化磷酸化一、教学大纲基本要求教学大纲基本要求讲解生物氧化与氧化磷酸化，1.生物能学简介，包括化学反应的自由能，自由能变化与化学反应平衡常数的关系，标准自由能变化的加和性，高能磷酸化合物，生物氧化的概念和特点。
2.线粒体电子传递，包括线粒体电子传递过程，电子传递链，电子传递链有关的酶和载体,电子传递链的抑制剂。
3.氧化磷酸化作用，包括氧化磷酸化的,P／O比和由ADP形成ATP的部位,电子传递和ATP形成的偶联及调节机制概念，氧化磷酸化的偶联机理，氧化磷酸化的解偶联。
二、本章知识要点1、本章概述有机物分子在生物细胞内被逐步氧化生成CO2，并释放出能量。
电子传递和氧化磷酸化作用使NADH和和FADH2再氧化并以ATP捕获释放出的能量。
真核生物电子传递和氧化磷酸化作用在线粒体内膜进行，而原核生物中过程在质膜上进行。
2、自由能变、反应平衡常数、氧化还原电位体系内能用于做功的能量称为自由能。
对化学反应来说，可以把自由能看成促使化学反应达到平衡的一种驱动力。
反应物自由能的总和与产物的自由能总和之差就是该反应的自由能变化(△G)。
当△G<0时体系未达到平衡，反应可以自发正向进行；当△G>0时体系未达到平衡，必须供能反应才能正向进行；当△G=0时反应处于平衡状态。
在参加反应物质的浓度为1mol/L、压力为一个大气压(0.1MPa)，温度为25℃、pH=0的条件下进行反应时自由能的变化称为标准自由能变化(△G0)。
标准自由能变化具有加和性。
对生物化学反应而言，在参加反应物质的浓度为1mol/L、压力为0.1MPa，温度为25℃、pH=7.0的条件下进行反应时自由能变为标准自由能变化(△G0)。
生化反应中自由能变与反应的平衡常数间的关系可以用△G0=-RTlnK′eq =-2.303RTlogK′eq。
氧化-还原电位(E)是物质对电子亲和力的量度。
生化反应的标准氧化-还原电势(E0 )是在标准状况(参加反应物质的浓度为1mol/L、压力为0.1MPa，温度为25℃)和pH7的条件下测量的，用伏特表示。
6.2 电子传递链
电子从参考电势到样品流动,氧化还原电势为正样品具有较强的受电子影响氧化剂，受电子体例如:O 2，Fe 3+等标准氢电极测试电极盐桥电子从样品流动到参考电势,氧化还原电势为负样品具有较强的电子转移势能还原剂,供电子体例如：NADH，FADH2等氧呼吸链呼吸链膜间腔NADH → NADH-Q 还原酶 → Q → 细胞色素还原酶 → 细胞复合体酶名称多肽链数辅基复合体 Ⅰ复合体 Ⅱ复合体 Ⅲ复合体 ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素C氧化酶3941013FMN,Fe-SFAD,Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu四种具有传递电子功能的酶复合体(complex) 人线粒体呼吸链复合体- 测定各载体的E’o - 测定各载体被氧化的速率- 测定各载体的氧-还状态呼吸链及其相关电子载体的标准还原电势由E ’o 推断的载体顺序：NADH → Q → cyt b → cyt c 1 → cyt c → cyt a → cyt a 3 → O 2e–趋向于自发从E’o较低的载体流向较高在整条载体链被还原后测定各载体的氧化速率ⅠⅣCytcQNAD H +H +延胡索酸琥珀酸1/2O 2+2H +H 2O胞液侧基质侧线粒体内膜e -e -e -e-e-ⅡⅢ以氢负离子( H-)形式转移进入水溶剂异咯嗪结构FMN组成成分作用传递机制2Fe-2S型4Fe-4S型参与单电子转移：Fe-S簇中只有1个Fe被氧化或还原蓝细菌Anabaena7120的铁氧还蛋白为2Fe-2S型仅指无机S为一种脂溶性醌类化合物。
泛醌半醌泛醇5元含氮吡咯环（卟啉）共价原态复合体Ⅰ→FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4;Fe-SN-3; Fe-SN-2膜间隙NADH+H++FMN FMNH2+NAD+复合体ⅡFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3酶结合位点Fe-S中心细胞质辅酶Q亚铁血红素外周胞质双磷脂酰甘油复合体Ⅲb562; b566; Fe-S; c1细胞色素 c1细胞间隙细胞色素 b细胞色素 c1和细胞色素 b结构示意图细胞色素 c 细胞色素 c1铁硫蛋白细胞色素 b复合体ⅣCuA→a→a3→CuB复合体IV：细胞色素氧化酶激活分子氧H+离子泵鱼藤酮,安密妥,杀粉蝶菌素抗酶素A氰化物,叠氮化物,一氧化碳。
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
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3. 泛醌（ubiquinone , Q） 又称辅酶Q （Coenzyme Q , CoQ）
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**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
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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
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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
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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
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（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
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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
生物化学课件(生物氧化和能量转换)
NAD+ + 2H NADP+ + 2H
NADH + H+ NADPH + H+
NAD(P)＋的结构
2. 黄素蛋白：是指几种以黄素核 苷酸（FMN或FAD)为辅基的酶
代谢物
FMN/FAD
已氧化代谢物
FMNH2/FADH2
3. 铁硫蛋白：无机硫原子和/或蛋白质Cys残基的硫原子 相连。铁-硫中心（Fe-S）最简单的是单铁原子与4个Cys 的-SH相连，更复杂的是有2个或4个铁原子
and in a cell!
线粒体的跨膜转运系统：线粒体外胞液中NADH跨 膜转运
1. 苹果酸-天 冬氨酸穿梭： 主要存在于 哺乳动物的 肝脏、肾和
心肌中
2. 磷酸甘油穿 梭：昆虫的飞 翔肌中大量存 在。哺乳动物 中主要存在于 肌肉和脑组织
中
电子传递链的主要组分
1. 烟酰胺腺嘌呤核苷酸NAD+和NADP+：是许多脱氢酶的 辅酶
型，半醌型和还原型。
CoQ不仅接受NADH脱氢酶的H，还
接受线粒体其他脱氢酶的H，如琥
珀酸脱氢酶，脂酰CoA脱氢酶及其
他黄素脱氢酶脱下的H，在电子传
递链中处于中心地位。
氢醌
氧化型泛醌 半醌自由基
5. 细胞色素：是一类含铁卟啉（血红素）辅基的蛋白 质。根据其吸收光谱的不同，可分为a,b,c三类。
Fe3+ + e
电子走向：琥珀酸→FADH2→ Fe-S →Cyt b560 →CoQ
3. 复合物Ⅲ:CoQ-细胞色素C氧化还原酶 含有：1）细胞色素b、c1 2）铁硫蛋白: 含有铁硫簇Fe-S
电子走向：CoQ →Cytb→ Fe-S →Cytc1 →Cytc
第八章 生物氧化 课外练习题
第八章生物氧化课外练习题一、名词解释1、生物氧化：指发生在线粒体内的一系列传递氢和电子的氧化还原反应，有机物质被氧化，生成二氧化碳和水，并逐步放出能量的过程。
2、呼吸链：呼吸代谢中间产物的电子和质子，沿着一系列有顺序的排列在线粒体内膜上的电子传递体组成的电子传递途径，传递到分子氧的总过程。
3、氧化磷酸化：代谢物氧化脱氢经呼吸链传递给氧生成水的同时，释放的能量使ADP磷酸化生成ATP，由于是代谢物的氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联发生，因此称为氧化磷酸化。
二、符号辨识1、Fe-S：铁硫蛋白；2、CoQ：辅酶Q；3、Cyt：细胞色素体系三、填空1、生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为（呼吸）作用。
有两种类型的氧化体系，即（线粒体）氧化体系和（非线粒体）氧化体系。
2、生物氧化的方式有（脱氢）氧化、（加氧）氧化和（脱羧）氧化三种。
3、呼吸链的组成成分包括脱氢酶的辅酶（NAD+）和（NADP+）、黄素蛋白的辅基（FMN）和（FAD）以及（Fe-S）蛋白、（泛醌）和（细胞色素）体系。
4、呼吸链的氢传递体既传递质子也传递电子，其类型有（NAD+）、（NADP+）、（FMN）、（FAD）和（UQ）。
5、呼吸链的电子传递体只传递电子，包括（细胞色素）体系、某些（黄素）蛋白和（铁硫）蛋白。
6、泛醌又称为（辅酶Q），广泛存在于动物和细菌的线粒体中。
它是电子传递链中唯一的（非蛋白）电子载体，是一种（脂）溶性醌类化合物。
7、主要的两条呼吸链途径为（NADH）氧化呼吸链和（FADH2）氧化呼吸链，与氧化磷酸化偶联可分别产生（3）分子和（2）分子ATP。
8、ATP酶，由两个主要单元构成，（F0）起质子通道作用，（F1）起催化合成ATP的作用。
9、氧化磷酸化的机制可用Mitchell的（化学渗透）假说予以解释。
10、氧化磷酸化的抑制包括（电子传递）抑制、（解偶联剂）抑制、（ATP酶）的失活以及（离子载体）的影响。
11、细胞的（微粒）体和（过氧化物酶）体中也发现有氧分子直接参与的生物氧化体系。
第8章：生物氧化
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。
第八章生物氧化
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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。
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H3C H3C
N
CH 2 O H C OH H C OH H C OH
O PO O-
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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
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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
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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)
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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)。