第二章 生物氧化.ppt

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1、第二章第二章 生物氧化生物氧化 一切生命活动都需要能量，光合自养生物一切生命活动都需要能量，光合自养生物通过光合作用利用太阳能将通过光合作用利用太阳能将COCO2 2和和H H2 2O O转化为转化为有机物（糖），将光能转化为有机物中稳定有机物（糖），将光能转化为有机物中稳定的化学能；的化学能；异养生物或光合自养生物的非光合组织通异养生物或光合自养生物的非光合组织通过呼吸作用将有机物氧化分解为过呼吸作用将有机物氧化分解为COCO2 2和和H H2 2O O，同时释放能量，一部分能量转换为同时释放能量，一部分能量转换为ATPATP（腺（腺苷三磷酸），苷三磷酸），ATPATP可直接用于需要能量的各

2、可直接用于需要能量的各种生命活动。生物氧化与氧化酸化是需氧生种生命活动。生物氧化与氧化酸化是需氧生物获得物获得ATPATP的主要途径。的主要途径。第一节第一节 生物氧化概述生物氧化概述 一、生物氧化的概念、特点和方式一、生物氧化的概念、特点和方式 （一）生物氧化的概念（一）生物氧化的概念 生物氧化是有机物（糖、脂肪和蛋白质）在生物生物氧化是有机物（糖、脂肪和蛋白质）在生物体细胞内进行氧化分解并释放能量的过程。体细胞内进行氧化分解并释放能量的过程。它包括一系列氧化还原反应，体内所需能量大部它包括一系列氧化还原反应，体内所需能量大部分来自有机物的氧化。生物氧化的全过程可分为分来自有机物的氧化。生物

3、氧化的全过程可分为4 4个个阶段：阶段：糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoACoA TACTAC NADH+HNADH+H+,FADH,FADH2 2 NADH+HNADH+H+呼呼吸吸链链 HH2 2OO ADP+Pi ATP COCO2 2 CoA 第一阶段第一阶段:大分子降解成基本结构单位大分子降解成基本结构单位.第二阶段第二阶段:小分子化合物分解成共同的中间产物小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰（如丙酮酸、乙酰CoACoA等）等）.第三阶段第三阶段:共同中间产物进入三羧酸循环共同中间产物进入三羧酸循环

4、,氧化脱氧化脱氢氢.第四阶段第四阶段:氧化脱下的氢由电子传递链传递生成氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H H2 2O O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在在ATPATP中。中。（二）生物氧化的特点（二）生物氧化的特点 1 1、生生物物氧氧化化是是在在生生物物细细胞胞内内进进行行的的酶酶促促氧氧化化过过程程，反应条件温和（水溶液，反应条件温和（水溶液，pHpH 7 7和常温）。和常温）。2 2、氧氧化化进进行行过过程程中中，必必然然伴伴随随生生物物还还原原反反应应的的发发生。生。3 3、水水是是许许多多生生物物氧氧化化反反应应的的氧氧供供体体。

5、通通过过加加水水脱脱氢作用直接参予了氧化反应。氢作用直接参予了氧化反应。4 4、在在生生物物氧氧化化中中，碳碳的的氧氧化化和和氢氢的的氧氧化化是是非非同同步步进进行行的的。氧氧化化过过程程中中脱脱下下来来的的氢氢质质子子和和电电子子，通通常常由各种载体，如由各种载体，如NADHNADH等传递到氧并生成水。等传递到氧并生成水。5 5、生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由、生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能

6、量，提高能量利用率。放能量，提高能量利用率。6 6、生物氧化释放的能量，通过与、生物氧化释放的能量，通过与ATPATP合成相偶联，合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能转换成生物体能够直接利用的生物能ATPATP。7 7、进行生物氧化反应的部位、进行生物氧化反应的部位 （1 1）线粒体）线粒体 （2 2）内质网、微粒体、过氧化酶体等）内质网、微粒体、过氧化酶体等 8、生理意义：供给机体能量，进行正常生理生化生理意义：供给机体能量，进行正常生理生化活动，转化有害废物。活动，转化有害废物。（三）生物氧化的方式（三）生物氧化的方式 生物氧化生物氧化是在一系列氧化是在一系列氧化-还原酶催化下分步

7、进还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化。行的。每一步反应，都由特定的酶催化。生物氧化生物氧化进行的方式有加氧、脱氢等，其中以脱氢氧化方式进行的方式有加氧、脱氢等，其中以脱氢氧化方式为主。代谢底物脱下的氢原子，需经过一系列传递为主。代谢底物脱下的氢原子，需经过一系列传递体的传递，才能交给最终受氢体，最终与氧结合生体的传递，才能交给最终受氢体，最终与氧结合生成水。成水。1.1.脱氢氧化反应脱氢氧化反应 （1 1）脱氢）脱氢 在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应的多有机物质生物氧化的重要步骤。催

8、化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。是各种类型的脱氢酶。烷基烷基脂肪酸脱氢脂肪酸脱氢 如琥珀酸脱氢如琥珀酸脱氢醛酮脱氢醛酮脱氢 如乳酸脱氢酶如乳酸脱氢酶+2H+2e-+COOHCHCHCOOHCOOHCH2CH2COOH （2 2）加水脱氢）加水脱氢 酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。2.2.氧直接参加的氧化反应氧直接参加的氧化反应 这类反应包括：这类反应包括：加氧酶加氧酶催化的加氧反应和催化的加氧反应和氧化酶氧化酶催催化的生成水的反应。化的生成水的反应。加氧酶加氧酶 能够催化氧分子直接加入到有机分子中。能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如：甲烷单加氧

9、酶例如：甲烷单加氧酶 CHCH4 4+NADH+O+NADH+O2 2CHCH3 3-OH+NAD-OH+NAD+H+H2 2O O 氧氧化化酶酶 主主要要催催化化以以氧氧分分子子为为电电子子受受体体的的氧氧化化反反应应，反反应应产产物物为为水水。在在各各种种脱脱氢氢反反应应中中产产生生的的氢氢质质子子和和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。电子，最后都是以这种形式进行氧化的。3.3.生成二氧化碳的氧化反应生成二氧化碳的氧化反应 （1 1）直接脱羧作用）直接脱羧作用 氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。接从分

10、子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。（2 2）氧化脱羧作用）氧化脱羧作用 氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧生成丙酮酸。（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧生成丙酮酸。二、自由能和氧化还原电位二、自由能和氧化还原电位 （一）自由能（一）自由能 生物氧化过程中发生许多生化反应，生化反应中生物氧化过程中发生许多生化反应，生化反应中的能量变化和一般化学反应一样，可用热力学上的的能量变化和一般化学反应一样，可用热力学上的自由能来描述。自由

11、能（自由能来描述。自由能（free energyfree energy）是指一个体）是指一个体系的总能量中，在恒温恒压下能够做功的那一部分系的总能量中，在恒温恒压下能够做功的那一部分能量，又称为能量，又称为GibbsGibbs自由能（自由能（G G）。）。自由能自由能(Gibbs(Gibbs函数函数)的定义为的定义为:=HTS 化学反应的自由能变化化学反应的自由能变化(GibbsGibbs函数变化函数变化):):r=rHTrS 化学反应的自由能变化（化学反应的自由能变化（r rG G）是个状态函数）是个状态函数,只只与反应的始态和终态有关与反应的始态和终态有关,与反应的途径无关与反应的途径无关

12、.自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：r rG0G0G0，反应不能自发进行，反应不能自发进行,必须供给能量，反应必须供给能量，反应才能进行，其逆反应是自发的；才能进行，其逆反应是自发的；r rG=0G=0，反应处于平衡状态，反应处于平衡状态;生物氧化释放生来的能量正是可为有机体利用的自生物氧化释放生来的能量正是可为有机体利用的自由能。由能。标准自由能变化标准自由能变化:在在2525，101325Pa(1101325Pa(1个大气个大气压压)下，反下，反应应物物浓浓度度为为1mol/L1mol/L时时，反，反应应系系统统的自由能的自由能变变化。

13、化。化学反化学反应应的的标标准自由能准自由能变变化用化用 r rG G表示表示(生物化生物化学反学反应应标标准自由能准自由能变变化用化用 rG表示表示,单单位位为为kJ/mol.kJ/mol.例如例如,A+B C+D 其自由能其自由能变变化遵循下式化遵循下式:rG=rG+RTln 当反当反应应平衡平衡时时(即即 rG=0):rG=-RTln 因为平衡常数因为平衡常数K=CD/AB 所以一个所以一个生物化学反生物化学反应应标标准自由能准自由能变变化与一个反化与一个反映的平衡常数映的平衡常数间间的关系的关系为为:rG=-RTln K =-2.303RTlgK CDABCDAB 其中其中R为气体常数

14、为气体常数(R=8.315kJ/ml.k),),T为热力学为热力学温度温度(单位为单位为K),),rG可以通可以通过测过测定平衡定平衡时时的的产产物物和反和反应应物的物的浓浓度度计计算出来算出来.（二）标准氧化还原电位（二）标准氧化还原电位（）生物氧化包括一系列的氧化还原反应，如果反应物生物氧化包括一系列的氧化还原反应，如果反应物失去电子失去电子,则该物质称为则该物质称为还原剂还原剂;如果反应物得到电如果反应物得到电子子,则该反应物称为则该反应物称为氧化剂氧化剂.氧化还原反应包括一个氧化还原反应包括一个矛盾的两个方面矛盾的两个方面,一种物质作为还原剂失去电子本身一种物质作为还原剂失去电子本身被

15、氧化被氧化,而另一种物质作为氧化剂得到电子被还原而另一种物质作为氧化剂得到电子被还原.物质得失电子的趋势物质得失电子的趋势(电子转移的潜势电子转移的潜势)可以用可以用氧化氧化还原电位还原电位值值定量表示定量表示.检流计检流计+-盐桥盐桥氢气氢气参考半反应池参考半反应池样品半反应池样品半反应池 氧化还原物质与标准氢氧化还原物质与标准氢电极组成原电池电极组成原电池(如右图如右图),可测定其可测定其值值.用于生物测量的标准条用于生物测量的标准条件为件为:参考半反应池参考半反应池的氢离的氢离子浓度子浓度1.07mol/L,氢气气氢气气压压101325Pa(1个大气压个大气压)标标准还原电位人为地规定为

16、准还原电位人为地规定为0.0V;样品半反应池样品半反应池中含有待测定样品的氧化型和还原中含有待测定样品的氧化型和还原型物质各型物质各1mol/L,pH=7.0;电流表电流表上的读数表示两个半上的读数表示两个半反应池之间的电势差反应池之间的电势差,即样品半反应池的标准氧化还原即样品半反应池的标准氧化还原电位电位.氧化还原物质与标准氢电极组成氧化还原物质与标准氢电极组成原电池结构示意图原电池结构示意图 在生物体内发生氧化还原反应的氧化还原对，其在生物体内发生氧化还原反应的氧化还原对，其电子转移潜势常用电子转移潜势常用生化标准氧化还原电位生化标准氧化还原电位表示，符表示，符号为号为。生化标准氧化还原

17、电位是指。生化标准氧化还原电位是指pH=7.0pH=7.0、2525、氧化态氧化态=还原态还原态=1mol/L=1mol/L等标准条件下与等标准条件下与标准氢电极组成原电池测得的氧化还原电位。表标准氢电极组成原电池测得的氧化还原电位。表2-12-1是生物体内一些重要氧化还原对的。是生物体内一些重要氧化还原对的。氧化氧化-还原反应式还原反应式生化标准氧化还原电位生化标准氧化还原电位（V V）琥珀酸琥珀酸+CO+CO2 2+2H+2H+2e+2e-酮戊二酸酮戊二酸H H2 2O O-0.67-0.673-3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸+2H+2H+2e2e-3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛+H+H2 2O

18、O-0.55-0.55-酮戊二酸酮戊二酸+2H+2H+2e+2e-异柠檬酸异柠檬酸-0.38-0.38NADNAD+H+H+2e+2e-NADHNADH-0.32-0.32乙醛乙醛+2H+2H+2e+2e-乙醇乙醇-0.197-0.197FeFe3+3+e+e-FeFe2+2+0.77+0.77+0.815+0.815生物体内一些重要氧化还原对的生物体内一些重要氧化还原对的E 值越小，失电子能力越强（还原剂）；值越值越小，失电子能力越强（还原剂）；值越大，获得电子能力越强（氧化剂）。根据大，获得电子能力越强（氧化剂）。根据值可值可判断生物体内各种物质得失电子能力的强弱，如判断生物体内各种物质得

19、失电子能力的强弱，如0 02 2易获得电子形成水，易获得电子形成水，NADHNADH易失去电子氧化成易失去电子氧化成NADNAD+。12NADH+H+O2 NAD+H2O2e-电子受体电子受体 电子受体电子受体E（三）自由能与氧化还原电位差的关系（三）自由能与氧化还原电位差的关系 一个氧化还原反应可以看成是一个化学电池，当一个氧化还原反应可以看成是一个化学电池，当通过化学电池的电流无限小时，电池做最大功：通过化学电池的电流无限小时，电池做最大功：WmaxnFE式中式中n n氧化还原反应中传递的电子数目；氧化还原反应中传递的电子数目；E生化标准氧化还原电位差；生化标准氧化还原电位差；F F法拉第

20、常数法拉第常数96.485kJ/(V96.485kJ/(Vmol)mol)。根据热力学定律，在恒温恒压体系中，体系自由能根据热力学定律，在恒温恒压体系中，体系自由能的降低（的降低（G G为负值）等于体系所做的最大功，即为负值）等于体系所做的最大功，即Wmax GnFE G nFE 因此，利用生化标准氧化还原电位差可以计算出氧因此，利用生化标准氧化还原电位差可以计算出氧化还原反应的生化标准自由能变化。化还原反应的生化标准自由能变化。例：求下列反应的例：求下列反应的 G 解解:查表知，查表知，E E(O(O2 2/HO/HO2 2)+0.815V+0.815V E E(NAD(NAD+/NADH)

21、/NADH)0.32V0.32V 所以所以 E0.8150.815(0.32)0.32)1.135(V)1.135(V)G2 21.1351.13596.48596.485 219(kJ/mol)219(kJ/mol)12O2NADH H+H2ONAD+三、高能化合物三、高能化合物 有机物经生物氧化所释放的自由能要转换为高能化有机物经生物氧化所释放的自由能要转换为高能化合物分子中活跃的化学能，才能被生物所利用。合物分子中活跃的化学能，才能被生物所利用。ATPATP是生命活动中最重要的能量载体，也是最重要的高能是生命活动中最重要的能量载体，也是最重要的高能化合物。化合物。（一）高能化合特的概念（

22、一）高能化合特的概念 在生化标准条件（在生化标准条件（pH7、25、1mol/L）下发生水）下发生水解时，可释放出大量自由能（解时，可释放出大量自由能（20.92kJ以上）的化合物，以上）的化合物，称为称为高能化合物高能化合物。例如，腺苷三磷酸（。例如，腺苷三磷酸（ATP）水解为）水解为腺苷二磷酸（腺苷二磷酸（ADP）时，可释放）时，可释放30.5kJ/mol能量。能量。OPOOHNNNNNH2OHHOHHOHHOCH2HOPOOHOPOOHNNNNNH2OHHOHHOHHOCH2OPOOHHOPOOHH2OPi腺嘌呤核糖ATP4-+H2O ADP3-+Pi2-+H+G -30.5kJMOL-

23、1 ATP3-+H2O ADP2-+Pi3-+H+G-33.1kJMOL-1 在高能化合物分子中，被水解释放出大量自由能的在高能化合物分子中，被水解释放出大量自由能的活泼共价建，称为活泼共价建，称为高能键高能键，用符号，用符号“”表示。当分表示。当分子中含有磷酸基团，该磷酸基团被水解时释放出大量子中含有磷酸基团，该磷酸基团被水解时释放出大量的自由能，这类高能化合物又称为的自由能，这类高能化合物又称为高能磷酸化合物高能磷酸化合物。（二）高能化合物的类型（二）高能化合物的类型 生物体内的高能化合物，根据其分子结构特点和所生物体内的高能化合物，根据其分子结构特点和所含高能键的特征，可分为下列几种类型

24、。含高能键的特征，可分为下列几种类型。高高能能化化合合物物氮磷键型氮磷键型（PN）磷氧键型磷氧键型（OP）硫酯键型硫酯键型甲硫键型甲硫键型焦磷酸化合物焦磷酸化合物 酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物 烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物 上述高能化合物中，上述高能化合物中，含磷酸基团的高能磷酸化合含磷酸基团的高能磷酸化合物占绝大多数。但并不是所有含磷酸基团的化合物物占绝大多数。但并不是所有含磷酸基团的化合物都是高能化合物。都是高能化合物。例如，例如，6-6-磷酸葡萄糖、磷酸葡萄糖、3-3-磷酸甘磷酸甘油等，水解释放的自由能都小于油等，水解释放的自由能都小于20.92kJ/mol,20.92kJ/mol,

25、所以所以称他们为普通磷酸化合物或低能磷酸化合物。称他们为普通磷酸化合物或低能磷酸化合物。1.1.磷氧键型磷氧键型 酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物3-3-磷酸甘油酸磷酸磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸乙酰磷酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸酰基腺苷酸酰基腺苷酸氨酰腺苷酸氨酰腺苷酸焦磷酸化合物焦磷酸化合物AMPADPATP无机焦磷酸无机焦磷酸烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物磷磷酸酸烯烯醇醇式式丙丙酮酮酸酸2.2.氮磷键型氮磷键型磷磷酸酸肌肌酸酸磷磷酸酸精精氨氨酸酸3.3.硫酯键型硫酯键型乙酰乙酰CoA3-3-磷酸腺苷磷酸腺苷-5-5-磷酰硫酸磷酰硫酸4.4.甲硫键型甲硫键型S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸化合物化合物GG

26、（kJ/molkJ/mol）磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸-61.9-61.93-3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸-49.3-49.3磷酸肌酸磷酸肌酸-43.1-43.1ATPADP+PiATPADP+Pi-30.5-30.5ATP ATP AMP+PPiAMP+PPi-32.2-32.26-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖-13.8-13.83-3-磷酸甘油磷酸甘油-9.2-9.2一些磷酸化合特水解时的标准自由能变化一些磷酸化合特水解时的标准自由能变化 ATP ATP虽然是高能化合物，但它的虽然是高能化合物，但它的G值值介于其他高介于其他高能化合物和普通磷酸化合物之能化合物和普通磷酸化合物之间间，即它的磷

27、酸基，即它的磷酸基团转团转移移势势能能处处于中于中间间位置，位置，这这使使ATPATP在生物体内的能量在生物体内的能量转转换换和磷酸基和磷酸基团转团转移移过过程中起着中程中起着中间传递间传递体的作用。放体的作用。放能反能反应应和吸能反和吸能反应应往往需要通往往需要通过过ADPADP和和ATPATP的相互的相互转变转变而偶而偶联联起来起来 ADPATP磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶，二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸甘油酸（放能）（放能）葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖（吸能）（吸能）己糖激酶己糖激酶上图放能反应和吸能反应的偶联上图放能反应和吸能反应的偶联第二节第二节 电子传递链电子传递链在生物氧化过

28、程中，从代谢底物上脱下的在生物氧化过程中，从代谢底物上脱下的2 2个氢经过个氢经过一系列按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传一系列按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传递，最终传递给递，最终传递给O2并生成并生成H2O，这种氢和电子的传递，这种氢和电子的传递体系为电子传递链，生物氧化中的体系为电子传递链，生物氧化中的电子传递链电子传递链又称为又称为氧化呼吸链氧化呼吸链。一、电子传递链的组成及其功能一、电子传递链的组成及其功能电子传递链主要由蛋白质复合体组成，大致分为电子传递链主要由蛋白质复合体组成，大致分为4 4个部分：个部分：NADH-CoQNADH-CoQ还原酶复合物（还原酶复合物（

29、NADHNADH脱氢酶）脱氢酶）、琥珀酸琥珀酸-CoQ-CoQ还原酶复合物还原酶复合物、细胞色素还原酶复合物细胞色素还原酶复合物和和细胞色素氧化酶复合物细胞色素氧化酶复合物.Cytc Q NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-呼吸链各蛋白质复合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各蛋白质复合体在线粒体内膜中的位置FADFADH2琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸e2+e3+2H2e-2e-2H+琥珀酸还原酶复合物琥珀酸还原酶复合物M.H2代谢物氧化的氧化的代谢物代谢物呼吸链呼吸链呼吸链呼吸链（）（

30、）脱氢酶脱氢酶（）黄素酶黄素酶（）e-e-e e-S-S辅酶辅酶2e-2 2e e2+2+2F2Fe e3+3+细胞细胞色素色素b b2e-2Fe3+2Fe2+e-Se-SATPADP2Fe2+2Fe3+细胞细胞色素色素2e-3Fe3+2Fe2+细胞细胞色素色素2e-2Fe2+2Fe3+细胞细胞色素色素aaaa3 32e+2Cu2+2Cu+细胞细胞色素色素a a3 3ATPADPH2O12O22e+2H+NADH-CoQNADH-CoQ还原酶复合物还原酶复合物细胞色素还原酶复合物细胞色素还原酶复合物细胞色素氧化酶复合物细胞色素氧化酶复合物 脱氢脱氢 以以NADNAD和和NADPNADP为辅酶的

31、脱氢酶为辅酶的脱氢酶,直接催化代谢物直接催化代谢物脱氢脱氢,脱下来的氢交给脱下来的氢交给NADNAD+或或NADPNADP+,从而形成从而形成NADHNADH或或HADPH.NADHADPH.NAD或或NADPNADP的氧化还原反应发生在烟酰胺的吡啶的氧化还原反应发生在烟酰胺的吡啶环上环上.E0-0.41V-0.32V-0.06V+0.1V+0.04V+0.26V+0.29V+0.81VNADH-CoQ还原酶还原酶(NADH-CoQ还原酶复合物还原酶复合物)又称为又称为NADH-CoQNADH-CoQ还原酶或复合物还原酶或复合物I I，是一个相对分，是一个相对分子质量为子质量为88000880

32、00的蛋白质分子，至少含有的蛋白质分子，至少含有3434条多肽链。条多肽链。NADHNADH脱氢酶属黄素核苷酸脱氢酶类，辅基为脱氢酶属黄素核苷酸脱氢酶类，辅基为FMNFMN。此酶包括此酶包括黄素酶黄素酶和和铁铁-硫蛋白硫蛋白（Fe-SFe-S，通过，通过FeFe离子离子价态变化传递电子）两个电子传递结构，它们嵌合于价态变化传递电子）两个电子传递结构，它们嵌合于线粒体内膜中。线粒体内膜中。黄素酶黄素酶 黄素酶或黄素蛋白是以黄素酶或黄素蛋白是以FMNFMN或或FADFAD为辅基的为辅基的一类不需氧脱氢酶一类不需氧脱氢酶,作用是递氢作用是递氢.递氢作用是因黄素递氢作用是因黄素基的第基的第1,1,第第

33、5 5两位两位N N原子能被还原原子能被还原.1245 呼吸链中最重要的黄素酶是呼吸链中最重要的黄素酶是NADHNADH脱氢酶脱氢酶和和琥珀酸脱琥珀酸脱氢酶氢酶.NADHNADH脱氢酶脱氢酶 此酶以此酶以NADHNADH为底物为底物,将将NADHNADH脱下来的氢脱下来的氢通过通过FMN,FFMN,Fe e-S-S中心交给中心交给COQ,COQ,故故NADHNADH脱氢酶也叫脱氢酶也叫NADH-NADH-CoQCoQ还原酶还原酶.琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 此酶催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸此酶催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸,辅基是辅基是FADFAD和和F Fe e-S-S中心琥珀酸脱氢酶把琥珀酸脱下来

34、中心琥珀酸脱氢酶把琥珀酸脱下来的氢通过的氢通过FAD,FFAD,Fe e-S-S中心交给中心交给COQ,COQ,故琥珀酸脱氢酶也故琥珀酸脱氢酶也叫琥珀酸叫琥珀酸-Q-Q还原酶还原酶.铁-硫蛋白 铁铁-硫蛋白是相对分子质量较小的蛋白硫蛋白是相对分子质量较小的蛋白质质,分子中含有分子中含有非血红素铁非血红素铁和对酸不稳定的硫和对酸不稳定的硫,所以所以通常简写为通常简写为F Fe e-S-S或或F Fe eS,S,铁硫成等量关系铁硫成等量关系,已知的有一已知的有一铁四硫铁四硫(F(Fe eS S4 4),),二铁二硫二铁二硫(F(Fe e2 2S S2 2)和四铁四硫和四铁四硫(F(Fe4e4S S

35、4 4)3)3种类型种类型.Fe(S-Cys)4型型Fe2S2(S-Cys)4型型Fe4S4(S-Cys)4型型 铁铁-硫蛋白在线粒体内膜上常常与黄素酶硫蛋白在线粒体内膜上常常与黄素酶,细胞色细胞色素结合成复合物素结合成复合物,有人将这种铁有人将这种铁-硫蛋白称为铁硫蛋白称为铁-硫中硫中心心,Fe,S,Fe,S是很敏感的部分是很敏感的部分,往往受抑制剂的抑制往往受抑制剂的抑制.它们它们的作用是通过铁价数的改变进行电子传递的作用是通过铁价数的改变进行电子传递.辅酶辅酶Q(COQ)Q(COQ)辅酶辅酶Q Q是脂溶性醌类化合物是脂溶性醌类化合物,因广布于因广布于自然界自然界,所以有称泛醌所以有称泛醌

36、.辅酶辅酶Q Q有一个长的类异戊二烯有一个长的类异戊二烯侧链侧链,使它具有高度的疏水性使它具有高度的疏水性,能在线粒体内膜的疏能在线粒体内膜的疏水区中迅速扩散水区中迅速扩散,它是呼吸链中唯一一个不牢固地结它是呼吸链中唯一一个不牢固地结合于蛋白质上的电子或氢的传递体合于蛋白质上的电子或氢的传递体,因此不包含在四因此不包含在四种复合体中。种复合体中。分子中的苯醌结构能可逆地结合分子中的苯醌结构能可逆地结合2 2个个H H，为递氢体。，为递氢体。Fe2+Fe3+e-细胞色素细胞色素 细胞色素是一类以传递电子作为其主要细胞色素是一类以传递电子作为其主要生物功能的色蛋白生物功能的色蛋白.电子的传递是借助

37、于其辅基铁卟啉电子的传递是借助于其辅基铁卟啉铁价的可逆变化铁价的可逆变化,细胞色素在组织内分布极广细胞色素在组织内分布极广,种类很种类很多多.还原型细胞色素具有明显的可见光谱吸收现象，可还原型细胞色素具有明显的可见光谱吸收现象，可看到看到、33个吸收峰。个吸收峰。根据吸收光谱的不同，将细胞色素分为根据吸收光谱的不同，将细胞色素分为Cyt、cyt b、cyt c等等3类。类。3 3类细胞色素的辅基结构以及辅类细胞色素的辅基结构以及辅基与蛋白质的结合方式有所不同；基与蛋白质的结合方式有所不同；细胞色素细胞色素a a类的辅类的辅基是血红素基是血红素A A，它与细胞色素，它与细胞色素a a的蛋白质部分

38、非共价的蛋白质部分非共价结合结合；细胞色素细胞色素b b类的辅基是铁原卟啉类的辅基是铁原卟啉IXIX，它与蛋，它与蛋白质非共价结合白质非共价结合；细胞色素细胞色素C C类的辅基也是铁原卟类的辅基也是铁原卟啉啉IXIX，它与蛋白质共价结合，它与蛋白质共价结合。在动物线粒体的呼吸。在动物线粒体的呼吸链中至少有链中至少有5 5种细胞色素，它们分别是种细胞色素，它们分别是cyt b、cyt c1、cyt c、cyt a、cyt a3。细胞色素还原酶细胞色素还原酶 细胞色素还原酶含有细胞色素细胞色素还原酶含有细胞色素b b、铁铁-硫中心以及细胞色素硫中心以及细胞色素C C1 1。细胞色素还原酶血红素。细

39、胞色素还原酶血红素辅基中的铁离子，在电子传递中发生可逆的价态变辅基中的铁离子，在电子传递中发生可逆的价态变化。化。QHQH2 2被氧化型细胞色素氧化的过程被氧化型细胞色素氧化的过程:QH:QH2 2将电子传将电子传给氧化型细胞色素给氧化型细胞色素b,使之变为还原型使之变为还原型细胞色素细胞色素b,H+质子留在溶液中质子留在溶液中.还原型还原型细胞色素细胞色素b将电子传给铁将电子传给铁-硫硫中心中心,再转给细胞色素再转给细胞色素C1,接着转给细胞色素接着转给细胞色素C.在呼吸链中细胞色素还原酶的作用是催化电子从在呼吸链中细胞色素还原酶的作用是催化电子从CoQHCoQH2 2转移到细胞色素转移到细

40、胞色素C C。线粒体中的细胞色素绝大多数和线粒体内膜结合线粒体中的细胞色素绝大多数和线粒体内膜结合紧密紧密,只有细胞色素只有细胞色素C和线粒体内膜结合较松和线粒体内膜结合较松,容易分容易分离纯化离纯化,因此对它的结构和功能研究的更为清楚因此对它的结构和功能研究的更为清楚.细胞色素细胞色素C C（CtycCtyc）Cty c为可溶性蛋白质，以静为可溶性蛋白质，以静电作用结合在线粒体内膜的外表面，电作用结合在线粒体内膜的外表面，Cyt c1将接受将接受的电子传递给的电子传递给Cty c，Cty c再将接受的电子传递给再将接受的电子传递给Cyt aa3。Cyt aa3是由是由Cyt a和和Cyt a

41、3组成的复合物。组成的复合物。该复合物称为细胞色素氧化酶、复合物该复合物称为细胞色素氧化酶、复合物IVIV或细胞色或细胞色素素C C氧化酶。氧化酶。Cyt c与细胞色素还原酶的与细胞色素还原酶的Cyt c1和细胞色素氧化和细胞色素氧化酶（复合物酶（复合物IVIV）接触，起到在复合物）接触，起到在复合物IIIIII和和IVIV之间传之间传递电子的作用。递电子的作用。细胞色素氧化酶（复合物细胞色素氧化酶（复合物IVIV）细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶（Cyt aa3）含有）含有2 2个血红素个血红素A A、2 2个铜离子和个铜离子和1010个亚个亚基。基。Cyt a接受来自接受来自Cyt c-Fe2

42、+的电子，经的电子，经C Cu u2+2+C Cu u+将电子传递给将电子传递给Cyt a3，最后，最后Cyt a3将接受的电子传递将接受的电子传递给给O2，使，使O2还原成还原成H2O。二、重要的电子传递链二、重要的电子传递链 电子传递链的各种组分在线粒体内膜上按一定的顺电子传递链的各种组分在线粒体内膜上按一定的顺序排列，才能发挥其传递电子的功能。在线粒体内序排列，才能发挥其传递电子的功能。在线粒体内膜上主要有两条电子传递链。膜上主要有两条电子传递链。1 1、NADH电子传递链电子传递链 线粒体基质中的丙酮酸、线粒体基质中的丙酮酸、异柠檬酸、异柠檬酸、-酮戊二酸、苹果酸等脱氢生成酮戊二酸、苹

43、果酸等脱氢生成的的NADH+H+作为电子最初供体。作为电子最初供体。电子传递顺序：电子传递顺序：NADH-CoQ还原酶还原酶CoQ细细胞色素还原酶胞色素还原酶Cty cCyt aa3O2。2 2、FADH2电子传递链电子传递链 亦称为琥珀酸呼吸链。亦称为琥珀酸呼吸链。线粒体基质中的琥珀酸脱氢生成的线粒体基质中的琥珀酸脱氢生成的FADH2作为作为这条电子传递链的电子最初供体。这条电子传递链的电子最初供体。电子传递顺序：电子传递顺序：琥珀酸琥珀酸-CoQ还原酶还原酶CoQ细胞色素还原酶细胞色素还原酶Cty cCty aa3O2。三、电子传递链的抑制剂三、电子传递链的抑制剂 能够阻断电子传递链中某一

44、部位电子传递的物质能够阻断电子传递链中某一部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。称为电子传递抑制剂。利用电子传递抑制剂的专一利用电子传递抑制剂的专一性有选择性地阻断电子传递链中某个传递步骤，再性有选择性地阻断电子传递链中某个传递步骤，再测定每一种电子载体的氧化或还原状态，从而可确测定每一种电子载体的氧化或还原状态，从而可确定电子传递体的排列顺序。常见的电子传递抑制剂定电子传递体的排列顺序。常见的电子传递抑制剂有以下几种。有以下几种。1 1、鱼藤酮、鱼藤酮（rotenone）、安密妥、安密妥（amytal）、杀粉、杀粉蝶菌素蝶菌素（piericidine）它们的作用是阻断电子由它们的作用是阻断电

45、子由NADHNADH向向COQCOQ的传递。鱼藤酮是一种极毒的植物物质，常用的传递。鱼藤酮是一种极毒的植物物质，常用作杀虫剂。作杀虫剂。2 2、抗霉素抗霉素A A（antimycin A）它是从链霉菌分离出来它是从链霉菌分离出来的抗菌素，能阻断电子由的抗菌素，能阻断电子由Cyt b向向Cyt c1的传递的传递.3 3、氰化物、硫化物、叠氮化物、氰化物、硫化物、叠氮化物、CO 它们都能阻它们都能阻断电子在细胞色素氧化酶中的传递。断电子在细胞色素氧化酶中的传递。各种抑制剂对电子传递的抑制部位如下图所示各种抑制剂对电子传递的抑制部位如下图所示:鱼藤酮鱼藤酮,安密妥安密妥杀粉蝶菌素杀粉蝶菌素抗霉素抗霉

46、素A AN3-,CO,H2S,CN-第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 氧化磷酸化（氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）是需氧）是需氧生物获得生物获得ATPATP的主要途径。氧化磷酸化作用是的主要途径。氧化磷酸化作用是指与生指与生物氧化作用相偶联的磷酸化作用。它是将生物氧化物氧化作用相偶联的磷酸化作用。它是将生物氧化过程中释放的自由能用于过程中释放的自由能用于ADPADP磷酸化形成磷酸化形成ATPATP的过程。的过程。真核生物的氧化磷酸化作用在细胞的线粒体内膜真核生物的氧化磷酸化作用在细胞的线粒体内膜进行；原核生物则在细胞质膜上进行。进行；原核生物则在细胞质

47、膜上进行。一、一、ATP合成的两种途径合成的两种途径 1 1、底物水平磷酸化、底物水平磷酸化 ATP的生成直接由一个代的生成直接由一个代谢中间物上的磷酸基团转移到谢中间物上的磷酸基团转移到ADP上。上。APi代表底物在氧化过程中形成的中间产物代表底物在氧化过程中形成的中间产物-高能磷酸化合物高能磷酸化合物.2 2、氧化磷酸化、氧化磷酸化 将生物氧化过程中释放的自由将生物氧化过程中释放的自由能用于能用于ADP磷酸化形成磷酸化形成ATPATP的过程。的过程。ADP+APiATP+ANADH+H+=220.5kJ/molrGADP+PiATP+H2O rG=+30.5kJ/moL 二、氧化磷酸化的偶

48、联部位二、氧化磷酸化的偶联部位 电子在氧化呼吸链中按顺序传递逐步释放出自由电子在氧化呼吸链中按顺序传递逐步释放出自由能，若释放的自由能足以用来形成能，若释放的自由能足以用来形成ATP，那么这个，那么这个电子传递部位称为电子传递部位称为偶联部位偶联部位。实验证明，在呼吸链。实验证明，在呼吸链的的4 4个酶复合体中，复合体个酶复合体中，复合体I I、IIIIII、IVIV是偶联部位，是偶联部位，一对电子流经一对电子流经NADH-CoQ还原酶所释放的自由能足还原酶所释放的自由能足以形成以形成1 1分子分子ATP，流经细胞色素还原酶形成，流经细胞色素还原酶形成0.50.5分分子子ATP，流经细胞色素氧

49、化酶形成，流经细胞色素氧化酶形成1 1个个ATP分子。因分子。因此，一对电子经此，一对电子经NADH电子传递链氧化磷酸化产生电子传递链氧化磷酸化产生2.52.5分子分子ATP；经；经FADHFADH2 2电子传递链氧化磷酸化只产电子传递链氧化磷酸化只产生生1.51.5分子分子ATP。ADP磷酸化形成磷酸化形成ATP需要消耗无机磷酸；一对电需要消耗无机磷酸；一对电子经氧化呼吸链传递给子经氧化呼吸链传递给O2，需要消耗氧分子，二者，需要消耗氧分子，二者是相偶联的。研究氧化磷酸化最常用的方法之一测是相偶联的。研究氧化磷酸化最常用的方法之一测定线粒体或其制剂的定线粒体或其制剂的P/O比。比。P/O是指

50、每消耗一摩尔是指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。氧所消耗无机磷酸的摩尔数。ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位 实验证明，线粒体内的实验证明，线粒体内的NADH+H+经呼吸经呼吸链氧化，其链氧化，其P/O比为比为2.5；FADH2经呼吸链氧经呼吸链氧化，其化，其P/O比为比为1.5。线粒体外（细胞质中）的线粒体外（细胞质中）的NADH+H+，通，通过不同途径（线粒体穿梭系统）进入不同的过不同途径（线粒体穿梭系统）进入不同的呼吸链氧化，其呼吸链氧化，其P/O比不同；通过苹果酸穿梭比不同；通过苹果酸穿梭途径进入电子传递链氧化的途径进入电子传递链氧化的P/O比为比为2.5