1、biological oxidation内容提纲u概述概述uATP的生成的生成和储存利用和储存利用u氧化呼吸链氧化呼吸链l 呼吸链的组成及呼吸链的组成及其作其作用用l 体内重要的呼吸链体内重要的呼吸链u氧化磷酸化氧化磷酸化l概念、偶联部位及机制概念、偶联部位及机制l影响因素影响因素l线粒体内膜对物质的转运线粒体内膜对物质的转运u其他氧化和抗氧化体系其他氧化和抗氧化体系2第一节 概 述Introduction3糖原 三酯酰甘油 蛋白质 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 ADP+Pi ATP 生物氧化生物氧化O24物质在生物体内进行氧物质在生物体内进行氧化分解生成化分解生成CO2 和和 H2O并释放能量
2、的过程称并释放能量的过程称生物氧化生物氧化(biological oxidation) 。一、生物氧化的概念和意义 5糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能此过程需耗氧、排出此过程需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，又在活细胞内进行，故又称故又称细胞呼吸细胞呼吸( (cellular respiration) )。 二、生物氧化的特点6l生物氧化中物质的氧化方式有生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、加氧、脱氢、脱电子脱电子，遵循氧化还原反应的一般规律。，遵循氧化还原反应的一般规律。l物质在体内外氧化时所物质在体内外氧化时所消耗的氧量消耗的氧量
3、、最终最终产物产物（CO2，H2O）和和释放能量释放能量均相同。均相同。生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化体外氧化 在细胞内温和的水溶液环境中在细胞内温和的水溶液环境中（体温，（体温，pH接近中性），由一接近中性），由一系列系列酶酶的催化下逐步进行的催化下逐步进行 体外燃烧体外燃烧 能量能量逐步逐步释放，有利于机体捕释放，有利于机体捕获能量，提高获能量，提高ATP生成的效率生成的效率 生物氧化中生成的生物氧化中生成的H2O由脱下的由脱下的氢与氧结合产生，氢与氧结合产生，CO2由由有机酸有机酸脱羧脱羧产生产生 能量是突然释放的。能量是突然释放的。 产生的产生的CO2、H2O由物质由物质中的碳和氢
4、直接与氧结中的碳和氢直接与氧结合生成。合生成。 速度速度受受体内多种因素体内多种因素调控调控 不受调节不受调节生物氧化与体外氧化之不同点7v 生物氧化过程中生物氧化过程中COCO2 2的生成的生成8u根据脱去的羧基在有机酸分子中的位置不同，分为-脱羧和-脱羧；u根据脱羧是否伴有氧化，又可分为单纯脱羧和氧化脱羧。（二） -氧化脱羧CH3CCOOHOCH3COSCoA +CO2丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶复合体复合体HSCoA NAD+NADH+H+9（一）-单纯脱羧氨基酸氨基酸脱羧酶脱羧酶RCHCOOHNH2 -氨基酸氨基酸RCH2NH2 + CO2胺胺（三）-单纯脱羧+ CO2CH2COOHCOC
5、OOHCH2COCOOHP磷酸烯醇式磷酸烯醇式 丙酮酸羧激酶丙酮酸羧激酶GTPGDP10（四）-氧化脱羧+CO2异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶 NAD+NADH+H+CHOHCOOHCHCOOHCH2COOHC=OCH2CH2COOHCOOH生物氧化体系及其特点11内容特点反应条件酶催化、体温、近中性pH环境、逐步释放能量氧化方式脱氢、脱电子、加氧生成CO2的方式脱羧基场所线粒体、微粒体、过氧化物酶体等能量的形式ATP、热能H2O的生成方式主要是通过NADH+H+、FADH2呼吸链第二节 ATP的生成和储存利用Generation and storage of ATP12uATP在能量代谢中的核
6、心作用在能量代谢中的核心作用uATP的生成的生成uATP的储存和利用的储存和利用底物水平磷酸化底物水平磷酸化氧氧 化化 磷磷 酸酸 化化13一、 ATP在能量代谢中的核心作用14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，所以代谢反应都是释放的化学过程，所以代谢反应都是依序依序进行，能量逐步得失进行，能量逐步得失的反应的反应2. 生物体不直接利用营养物质的化学能，需生物体不直接利用营养物质的化学能，需要使之转移成要使之转移成细胞可以利用的能量形式细胞可以利用的能量形式3. ATP是最重要的高能化合物，是是最重要的高能化合物
7、，是细胞可以细胞可以直接利用的最主要能量形式直接利用的最主要能量形式 生物化学中把化合物水解时释放的能量生物化学中把化合物水解时释放的能量大于大于21 kJ/mol者者, ,所含的化学键称为所含的化学键称为高能键高能键，以以“”表示。表示。 含有含有高能键高能键的化合物称为的化合物称为高能化合物高能化合物。在体内所有高能化合物中，以在体内所有高能化合物中，以高能磷酸化合高能磷酸化合物物种类最多，其中又以种类最多，其中又以ATP最为重要。最为重要。15化合物化合物E0kJ/mol(kcal/mol)磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸61.9(14.8)氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸51.4(12.3)1
8、，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸49.3(11.8)磷酸肌酸磷酸肌酸43.1(10.3)ATP ADPPi30.5(7.3)乙酰辅酶乙酰辅酶A31.5(7.5)ADP AMPPi27.6(6.6)焦磷酸焦磷酸27.6(6.6)1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖20.9(5.0)一些重要高能化合物水解释放的标准自由能 16二、 ATP的生成17（一）底物水平磷酸化定义：定义：代谢物在氧化分解过程中，因代谢物在氧化分解过程中，因脱氢脱氢或或脱水脱水而引起而引起分子内能量重新分布分子内能量重新分布，产，产生生高能键高能键，然后将高能键转移给，然后将高能键转移给ADP（或（或GDP）生成生成ATP（或（或GTP）
9、的的过过程，称为程，称为底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substrate phosphorylation)。(1) 1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶激酶ADPATP(2) 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸ADPATP丙酮酸激酶丙酮酸激酶(3) 琥珀酰琥珀酰CoA琥珀酸琥珀酸 + HSCoA琥珀酰琥珀酰CoA合成酶合成酶GDP+PiGTP底物水平磷酸化反应18（二）氧化磷酸化定义：定义：氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative (oxidative phosphorylationphosphorylation) )是指在呼吸链电子是指
10、在呼吸链电子传递过程中偶联传递过程中偶联ADPADP磷酸化，生成磷酸化，生成ATPATP，又称为又称为偶联磷酸化偶联磷酸化。氧化磷酸化是体内生成氧化磷酸化是体内生成ATPATP的最主要方式。的最主要方式。19磷酸肌酸的生成磷酸磷酸肌酸是肌肉肌酸是肌肉和脑组织中能量和脑组织中能量的贮存的贮存形式。形式。20三、ATP的储存和利用 核苷二磷酸激酶的作用核苷二磷酸激酶的作用ATP + UDP ADP + UTPATP + CDP ADP + CTPATP + GDP ADP + GTP腺苷酸激酶的作用腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP21核苷三磷酸的生成 ATP的生成、储存和利
11、用的生成、储存和利用ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 机械能机械能( (肌肉收缩肌肉收缩) )渗透能渗透能( (物质主动转运物质主动转运) ) 化学能化学能( (合成代谢合成代谢) )电能电能( (生物电生物电) )热能热能( (维持体温维持体温) )生物体内能量的储存和利生物体内能量的储存和利用都以用都以ATP为中心。为中心。22 第三节 氧化呼吸链The Oxidative Respiratory Chain23u氧化呼吸链氧化呼吸链l概念概念l组成组成l排列顺序排列顺序u体内重要的呼吸链体内重要的呼吸链24一、呼吸链的组成及作
12、用25u 定义 指指线粒体内膜线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具有电中按一定顺序排列的一系列具有电子传递功能的酶复合体，可通过子传递功能的酶复合体，可通过连锁的氧化还原反应连锁的氧化还原反应将代谢物脱下的将代谢物脱下的成对氢原子成对氢原子最终传递给氧生成水。这最终传递给氧生成水。这一 系 列 酶 和 辅 酶一 系 列 酶 和 辅 酶 称 为称 为 氧 化 呼 吸 链氧 化 呼 吸 链 ( o x i d a t i v e respiratory chain)，又称，又称电子传递链电子传递链(electron transfer chain)。u定位：线粒体内膜：线粒体内膜u组成：递氢体和递电
13、子体（：递氢体和递电子体（2H 2H+ + 2e） 线粒体结构示意图膜膜间腔间腔或胞质侧或胞质侧基质侧基质侧ATP合酶合酶2627呼吸链的结构组分呼吸链的结构组分1. 以NAD+为辅酶的脱氢酶类 作为脱氢酶的辅酶，作为脱氢酶的辅酶， NAD+或或NADP+分子中分子中烟酰胺的氮可接受一个电子，其对侧的碳原子能烟酰胺的氮可接受一个电子，其对侧的碳原子能进行可逆的加氢和脱氢反应，故此类酶在呼吸链进行可逆的加氢和脱氢反应，故此类酶在呼吸链中属于中属于递氢体递氢体，在加氢反应时接收，在加氢反应时接收一个氢原子和一个氢原子和一个电子一个电子。28NAD+和NADP+的结构辅酶辅酶I，Co I 辅酶辅酶I
14、I，Co II29+ H + H+ + e+ HN+RCONH2HNAD+或或NADP+NRHHCONH2NADH或或NADPH30NAD+（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。氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。2.黄素蛋白（flavin protein，FP） 黄素蛋白的辅基有两种：黄素蛋白的辅基有两种：FMN和和FAD， 其分其分子中的子中的异咯嗪环异咯嗪环可以进行可逆的加氢和脱氢反应，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故黄素蛋白在呼吸链中属于递氢体递氢体，在加氢反应，在加氢反应时接收时接收2个氢原子个氢原子
15、。3132 NNNNNH2OOHOHHHHCH2HOPOO-OPOO-OCH2CHOHCCHOHCH2HOHNHNNNH3CH3COOFMNAMPFAD333.铁硫蛋白（iron-sulfur protein） 铁硫蛋白以铁硫簇（铁硫蛋白以铁硫簇（Fe-S）为辅基，）为辅基，Fe-S含有等量含有等量的铁原子和硫原子，其中铁的铁原子和硫原子，其中铁原子可以进行可逆的得失电原子可以进行可逆的得失电子反应子反应( Fe2+ Fe3+e )，故，故铁硫蛋白在呼吸链中属于铁硫蛋白在呼吸链中属于单单电子传递体电子传递体。34表示无机硫表示无机硫 S35铁硫蛋白的结构示意图铁硫蛋白的结构示意图 FeS Fe
16、2S2 Fe4S4364.泛醌（ubiquinone，Q） 在呼吸链传递过程中，泛醌在呼吸链传递过程中，泛醌接受接受黄素蛋白和铁黄素蛋白和铁硫蛋白复合物传递来的硫蛋白复合物传递来的质子和电子质子和电子还原成还原成还原型还原型，又可又可脱去质子和电子脱去质子和电子成成氧化型氧化型，故泛醌在呼吸链中，故泛醌在呼吸链中属于属于递氢体递氢体。37 泛醌是脂溶性化合物，在呼吸链中不与蛋白泛醌是脂溶性化合物，在呼吸链中不与蛋白质结合而以质结合而以游离的形式存在游离的形式存在，能在线粒体内膜中，能在线粒体内膜中自由扩散，将呼吸链传递过程联系起来。自由扩散，将呼吸链传递过程联系起来。385.细胞色素（cyto
17、chromes，Cyt）细胞色素是一类含血红素（铁卟啉）辅基的细胞色素是一类含血红素（铁卟啉）辅基的单单电子传递电子传递蛋白蛋白，根据它们吸收光谱不同而分类。各，根据它们吸收光谱不同而分类。各种细胞色素的主要差别在于种细胞色素的主要差别在于铁卟啉辅基的侧链铁卟啉辅基的侧链以及以及铁卟啉与蛋白质部分的连接方式铁卟啉与蛋白质部分的连接方式各有不同。各有不同。3940细胞色素细胞色素c c的分子结构的分子结构41 呼吸链中包括细胞色素呼吸链中包括细胞色素a、a3、b、c和和c1，其电，其电子传递顺序子传递顺序是是Cyt bCyt c1 Cyt c Cyt a Cyt a3 O2 Fe2+ Fe3+e
18、Cu+ Cu2+e。 Cyt a、a3中除了有中除了有2个个铁卟啉铁卟啉辅基外，还有辅基外，还有铜离铜离子子可进行传递电子的反应。可进行传递电子的反应。42泛醌也不泛醌也不包含在上述四种复合体中。包含在上述四种复合体中。名称质量(kDa)多肽数组成（辅基）复合体复合体( (NADH-NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶 ) )85043黄素蛋白黄素蛋白(FMN)(FMN)铁硫蛋白铁硫蛋白(Fe-S)(Fe-S)复合体复合体( (琥珀酸琥珀酸- -泛醌还原酶泛醌还原酶 ) )1404黄素蛋白黄素蛋白(FAD)(FAD)铁硫蛋白铁硫蛋白(Fe-S)(Fe-S) CytCyt b b560560( (铁卟
19、啉铁卟啉) )复合体复合体 ( (泛醌泛醌- -细胞色素细胞色素C C还原酶还原酶) )25011CytCyt b b562562、b b566566、c c1 1 铁硫蛋白铁硫蛋白(Fe-S) (Fe-S) 细胞色素细胞色素C C131（血红素（血红素c)c)复合体复合体( (细胞色素细胞色素C C氧化酶氧化酶) )16013CytCyt aa aa3 3( (铁卟啉、铁卟啉、Cu)Cu)组成呼吸链的蛋白质复合体43线粒体呼吸链复合体FMN,Fe-S复合体复合体FAD,Fe-S, Cyt b复合体复合体Cyt b, Fe-S, Cyt c1复合体复合体Cyt aa3, Cu复合体复合体44
20、1/2O2+2H+ H2O 胞质侧胞质侧基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 QH2 Q 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 QH2 Q NADH+H+ NAD+ 4H+4H+4H+4H+Cytcox Cytcox Cytcred Cytcred 2H+2H+电子传递链各复合体在线粒体电子传递链各复合体在线粒体内膜内膜中的位置中的位置45（一）复合体: NADH-泛醌还原酶u 功能功能: 将电子从将电子从NADH传递给泛醌传递给泛醌 u 组成：黄素蛋白、铁硫蛋白、疏水蛋白组成：黄素蛋白、铁硫蛋白、疏水蛋白u 复合体复合体的电子传递：的电子传递：NADH+H+ FMNNAD+ FMNH2还原型还原型F
21、e-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2复合体复合体有质子泵功能有质子泵功能，每传递，每传递2个电子可将个电子可将4个个H+从内膜基质侧泵从内膜基质侧泵到胞质侧。到胞质侧。46复合体复合体, NADH-, NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶功能：功能：将将电子从电子从NADH NADH 泛醌泛醌复合体复合体47（二）复合体: 琥珀酸-泛醌还原酶u 功能功能: 将电子从将电子从琥珀酸琥珀酸传递传递给泛醌给泛醌u 组成：黄素蛋白、铁硫蛋白组成：黄素蛋白、铁硫蛋白u 复合体复合体的电子传递：的电子传递：琥珀酸琥珀酸 FAD 延胡索酸延胡索酸 FADH2还
22、原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2复合体复合体II没有质子泵功能没有质子泵功能48复合体复合体, , 琥珀酸琥珀酸- -泛醌还原酶泛醌还原酶复合体复合体胞质侧胞质侧功能功能将将电子从琥珀酸电子从琥珀酸 泛醌泛醌49（三）复合体: 泛醌-细胞色素c还原酶 u 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素功能：将电子从泛醌传递给细胞色素cu 组成：细胞色素组成：细胞色素b(b562,b566) 细胞色素细胞色素c1、铁硫蛋白铁硫蛋白u复合体复合体的电子传递：的电子传递：QH2 Cyt c b566; b562; Fe-S; c1 泛醌泛醌从复合体从复合体、募集募集氢和电子并氢和电子并穿梭穿梭传
23、递传递到复合体到复合体。复合体复合体也也有质子泵功能有质子泵功能，每传递，每传递2个电子可个电子可将将4个个H+从内膜基质侧泵从内膜基质侧泵到胞质侧。到胞质侧。50复合体复合体，泛醌，泛醌- -细胞色素细胞色素c c还原酶还原酶 功能：功能：将将电子从电子从泛醌泛醌 Cyt cCyt c复合体复合体 胞质侧胞质侧51LH52 复合体复合体的电子传递的电子传递通过通过“Q循环循环”实现。实现。 复合体复合体也有质子泵也有质子泵作用作用，每传递，每传递2个电子个电子向内膜向内膜胞浆侧胞浆侧释放释放4个个H+。 Cyt c是是呼吸链唯一水呼吸链唯一水溶性球状蛋白溶性球状蛋白，不包，不包含在复合体中。
24、将获含在复合体中。将获得的电子传递到复合得的电子传递到复合体体。53QH2e-Q-Fe-SCyt c1Cyt ce-e-e-QCyt bLe-Cyt bHQH2Q-e-e-QFe-Se-Cyt c1e-Cyt cCyt bLe-Cyt bHQ循环第一阶段第二阶段Qe-Q-e-H+QH254线粒体线粒体内膜内膜胞质侧胞质侧基质侧基质侧562566（四）复合体: 细胞色素c氧化酶u 功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞色素c传递给传递给氧氧u复合体复合体的电子传递：的电子传递：还原型还原型Cyt c O2CuACyt aCyt a3-CuB 复合体复合体也也有质子泵功能有质子泵功能，每传递每传
25、递2 2个电子个电子使使2 2个个H H+ +跨内膜跨内膜向胞质侧转移向胞质侧转移。 55复合体复合体，细胞色素，细胞色素c c氧化酶氧化酶功能：功能：将将电子从电子从Cyt c O2胞质侧胞质侧复合体复合体5657 NADH+H+ NAD+ e-e-e-e-e-延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O Cyt c Q 胞质侧胞质侧线粒体内膜线粒体内膜 基质侧基质侧 呼吸链中复合体呼吸链中复合体I IIVIV四个蛋白复合体：四个蛋白复合体：复合体复合体I IV两个可灵活移动的成分：两个可灵活移动的成分：泛醌（泛醌（CoQ）和）和 Cyt c 58二、呼吸链中电子传递体的排列顺
26、序 由以下实验确定由以下实验确定 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 （由低到高）（由低到高） 吸收光谱吸收光谱 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 拆开和重组拆开和重组呼吸链各组分的排列顺序呼吸链各组分的排列顺序59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氧化还原对E0(V)氧化还原对氧化还原对E0(V)NAD+ /NADN+H+0.32Cyt c1 Fe3+ /Fe2+0.22FMN /FMNH20.219Cyt c Fe3+ /Fe2+0.254FAD /FADH20.219Cyt a Fe3+ /Fe2+0.29Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyt a3
27、 Fe3+ /Fe2+0.35Q10 /Q10H20.061/2O2 /H2O0.81660（一） NADH氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2（二）FADH2氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O261三、体内重要的呼吸链FMN FMNH2QQH2NAD+ SH2NADH+H+ SCyt-Fe2+ Cyt-Fe3+ 2e2H+(b-c1)Cyt-Fe3+ Cyt-Fe2+ c2eCyt-Fe2+ Cyt-Fe3+ (a-a3)2e O2O2-H2O延胡索酸延胡索酸FADH2琥珀酸琥珀酸FADQH2Q2eNADH氧化呼吸链氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链或或 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链62两种呼吸链的比较63NADH呼吸链FADH2呼吸链 相同点 将将H传递给传递给O2生成水；生成水； H和和O2消耗，其它可反复使用；消耗，其它可反复使用； CoQ是两种呼吸链的汇合点。是两种呼吸链的汇合点。不同点氧化还原反氧化还原反应底物应底物苹果酸、异柠檬酸等体内多种代谢物琥珀酸、脂酰辅酶A、-磷酸甘油等起始物起始物 NADHFADH2ATP生成生成2.5 1.5
