生 物 氧 化(biological oxidation) 食物中的能量食物中的能量消化、吸收消化、吸收产能产能生化作用生化作用q- - 物质氧化脱下的氢，是如何物质氧化脱下的氢，是如何传递给氧，最终生成传递给氧，最终生成H H2 2O O，并释放出大量，并释放出大量能量能量的？的？解解 决决 的的 问问 题题-代谢物在胞液中脱下的氢，代谢物在胞液中脱下的氢，是如何传递给是如何传递给O O2 2，彻底氧化分解的？，彻底氧化分解的？q 能量是如何产生的？能量是如何产生的？n氧化呼吸链是由具有电子传递功能的复合体组成n氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化偶联生成ATPn 氧化磷酸化的影响因素n其他氧化与抗氧化体系内容提纲1.1.生物氧化生物氧化、呼吸链呼吸链、氧化磷酸化氧化磷酸化和和底物水平底物水平磷酸化磷酸化的概念的概念2.2.呼吸链的呼吸链的组成组成和和排列顺序排列顺序3.3.影响影响氧化磷酸化的氧化磷酸化的因素因素【掌握掌握】1.1.线粒体内膜对物质的转运线粒体内膜对物质的转运【熟悉熟悉】1. 1. 化学渗透假说化学渗透假说【了解了解】执业医师考试西医综合考试1. 1. 概论概论生物氧化的特点生物氧化的特点2. ATP2. ATP与其他高能与其他高能化合物化合物ATPATP循环与高能磷酸键循环与高能磷酸键ATPATP的利用的利用其他高能磷酸化合物其他高能磷酸化合物高能磷酸化合物的储存和高能磷酸化合物的储存和利用利用3. 3. 氧化磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化的概念氧化磷酸化的概念两条呼吸链的组成和排列两条呼吸链的组成和排列顺序顺序ATPATP合酶合酶氧化磷酸化的调节氧化磷酸化的调节呼吸链的组成呼吸链的组成氧化磷酸化及影响氧氧化磷酸化及影响氧化磷酸化的因素化磷酸化的因素底物水平磷酸化底物水平磷酸化胞浆中胞浆中NADHNADH的氧化的氧化4. 4. 其他氧化体系其他氧化体系过氧化物酶体和微粒体中过氧化物酶体和微粒体中的酶类的酶类20152015年两大国家考试生物化学考试大纲年两大国家考试生物化学考试大纲物物 质质 在在 生生 物物 体体 内内 进进 行行 氧氧 化化 称称 生生 物物 氧氧 化化(biological (biological oxidation)oxidation)，主主要要指指糖糖、脂脂肪肪、蛋蛋白白质质等等在在体体内内分分解解时时逐逐步步释释放放能能量量，最最终终生生成成COCO2 2 和和 H H2 2O O的过程。的过程。糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 COCO2 2和和H H2 2O O O2能量能量ADP+PiADP+PiATP热能热能u 生物氧化的概念生物氧化的概念 生物氧化的方式生物氧化的方式 n生生物物氧氧化化中中物物质质的的氧氧化化方方式式有有加加氧氧、脱脱氢氢、失失电电子子，遵遵循循氧氧化化还还原原反反应应的的一般规律。一般规律。* * 生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化与体外氧化之相同点n物物质质在在体体内内外外氧氧化化时时所所消消耗耗的的氧氧量量、最最终终产产物物（COCO2 2，H H2 2O O）和和释释放放能能量量均相同。均相同。* * 生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化w在在细细胞胞内内温温和和的的水水溶溶液液环环境境中中（体体温温，pHpH接接近近中中性性），由由一一系列系列酶的催化酶的催化下逐步进行下逐步进行w体外燃烧体外燃烧w能能量量逐逐步步释释放放，有有利利于于机机体体捕捕获能量，提高获能量，提高ATPATP生成的效率生成的效率w生生物物氧氧化化中中生生成成的的H H2 2O O由由脱脱下下的的氢氢与与氧氧结结合合产产生生，COCO2 2由由有有机机酸酸脱羧产生脱羧产生w能量是突然释放的。能量是突然释放的。 w产产生生的的COCO2 2、H H2 2O O由由物物质质中中的的碳碳和和氢氢直直接接与与氧氧结结合合生成。生成。w速度受体内多种因素速度受体内多种因素调控调控w不受调节不受调节第一节第一节 氧化呼吸链是由具有电子传递功能的氧化呼吸链是由具有电子传递功能的复合体组成复合体组成氧化呼吸链氧化呼吸链 定义定义 指指线线粒粒体体内内膜膜中中按按一一定定顺顺序序排排列列的的一一系系列列具具有有电电子子传传递递功功能能的的酶酶复复合合体体，可可通通过过连连锁锁的的氧氧化化还还原原反反应应将将代代谢谢物物脱脱下下的的成成对对氢氢原原子子最最终终传传递递给给氧氧生生成成水水。这这一一系系列列酶酶和和辅辅酶酶称称为为氧氧化化呼呼吸吸链链(oxidative (oxidative respiratory respiratory chain)chain)，又又称称电电子子传传递递链链(electron (electron transfer chain)transfer chain)。 定位：定位：线粒体内膜线粒体内膜 组成：组成：递氢体递氢体和和电子传递体电子传递体（2H 2H 2H 2H+ + + 2e+ 2e） 名称名称辅酶或辅基辅酶或辅基作用作用黄素蛋白黄素蛋白FMNFMN或或FADFAD递氢体，传递递氢体，传递2H2H铁硫蛋白铁硫蛋白铁硫簇铁硫簇(Fe-S)(Fe-S)递电子体，传递递电子体，传递1e1e泛醌泛醌递氢体，传递递氢体，传递2H2H细胞色素细胞色素(cyt)*(cyt)*血红素样辅基血红素样辅基递电子体，传递递电子体，传递1e1e组成呼吸链的递氢体和递电子体组成呼吸链的递氢体和递电子体* * 组成呼吸链的组成呼吸链的CytCyt分为分为Cyt aCyt a、b b、c c三类及不同亚类，三类及不同亚类，包括了包括了Cyt aCyt a、a a3 3、b b、c c和和c c1 1，除了以血红素为辅基外，除了以血红素为辅基外，Cyt aCyt a和和a a3 3中还有中还有CuCu2+2+参与电子的传递参与电子的传递 黄素蛋白（黄素蛋白（flavin proteinflavin protein，FPFP）黄素蛋白是由一条多肽结合黄素蛋白是由一条多肽结合1 1个辅基组成的酶类，个辅基组成的酶类，是是维生素维生素B2B2的衍生物。的衍生物。黄素蛋白的辅基有两种：黄素蛋白的辅基有两种：FMNFMN和和FADFAD， 其分子中其分子中的异咯嗪环可以进行可逆的加氢和脱氢反应，故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黄素蛋白在呼吸链中属于递氢体递氢体，在加氢反应时，在加氢反应时接收接收2 2个氢原子个氢原子。 黄素黄素黄素黄素黄素单核苷酸黄素单核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸FADH2FADH2 铁硫蛋白（铁硫蛋白（iron-sulfur proteiniron-sulfur protein） 铁硫蛋白以铁硫簇（铁硫蛋白以铁硫簇（Fe-SFe-S）为辅基，）为辅基，Fe-SFe-S含有等量的铁原子和硫原子，其中铁原子可以进含有等量的铁原子和硫原子，其中铁原子可以进行可逆的得失电子反应行可逆的得失电子反应( Fe( Fe2+ 2+ Fe Fe3+3+e+e ) )，故铁硫，故铁硫蛋白在呼吸链中属于蛋白在呼吸链中属于单电子传递体单电子传递体。铁硫蛋白结构示意图铁硫蛋白结构示意图 泛醌（泛醌（ubiquinoneubiquinone，Q Q） 在呼吸链传递过程中，泛醌接受黄素蛋白在呼吸链传递过程中，泛醌接受黄素蛋白和铁硫蛋白复合物传递来的质子和电子还原成还原和铁硫蛋白复合物传递来的质子和电子还原成还原型，又可脱去质子和电子成氧化型，故泛醌在呼吸型，又可脱去质子和电子成氧化型，故泛醌在呼吸链中属于链中属于递氢体递氢体。 泛醌是脂溶性化合物，在呼吸链中不与蛋白质泛醌是脂溶性化合物，在呼吸链中不与蛋白质结合而以游离的形式存在，能在线粒体内膜中自结合而以游离的形式存在，能在线粒体内膜中自由扩散，将呼吸链传递过程联系起来。由扩散，将呼吸链传递过程联系起来。 细胞色素（细胞色素（cytochromescytochromes，CytCyt）细胞色素是一类含血红素样辅基的细胞色素是一类含血红素样辅基的单电子传递单电子传递蛋白蛋白，根据它们吸收光谱不同而分类。各种细胞色，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辅基卟啉环的侧链以及血红素所素的主要差别在于辅基卟啉环的侧链以及血红素所处分子环境各有不同。处分子环境各有不同。 呼吸链中包括细胞色素呼吸链中包括细胞色素a a、a a3 3、b b、c c和和c c1 1，其，其电子传递顺序是电子传递顺序是Cyt bCyt cCyt bCyt c1 1 Cyt c Cyt aa Cyt c Cyt aa3 3 OO2 2。 Fe2+ Fe3+eCu+ Cu2+e 由于由于Cyt aCyt a和和Cyt aCyt a3 3结合紧密，很难分开，故结合紧密，很难分开，故将将Cyt aCyt a和和Cyt aCyt a3 3 合称为合称为Cyt aaCyt aa3 3。 Cyt aaCyt aa3 3中除了中除了有两个血红素辅基外，还有有两个血红素辅基外，还有2 2个铜原子可进行传递个铜原子可进行传递电子的反应。电子的反应。CytbCytb、c c、c1c1都含血红素（铁原卟啉），铁卟啉辅都含血红素（铁原卟啉），铁卟啉辅基中铁原子与卟啉环和蛋白质形成了基中铁原子与卟啉环和蛋白质形成了6 6个个配位键，配位键，不能再与不能再与O2O2，COCO或或CNCN等结合。等结合。n细胞色素细胞色素aa3aa3中的铁原子只形成中的铁原子只形成5 5个个配位键，还能配位键，还能与氧再形成一个配位键，将电子直接传递给氧，与氧再形成一个配位键，将电子直接传递给氧，也可与也可与COCO、氰化物、氰化物、H H2 2S S或叠氮化合物形成一个配或叠氮化合物形成一个配位键位键 n细胞色素细胞色素aa3aa3可将电子直接传递给氧可将电子直接传递给氧，因此，因此又称为又称为细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶。 这些具有氧化还原特性的这些具有氧化还原特性的蛋白质蛋白质（酶及辅基）组成了（酶及辅基）组成了四个具有传四个具有传递电子功能的复合体递电子功能的复合体，构成了，构成了两两类呼吸链类呼吸链：NADHNADH氧化呼吸链和琥氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链珀酸氧化呼吸链. .1. 1. 复合体复合体: NADH-: NADH-泛醌氧化还原酶泛醌氧化还原酶（一）氧化呼吸链的组成uu 定位：定位：定位：定位： 线粒体内膜的双层脂质膜线粒体内膜的双层脂质膜线粒体内膜的双层脂质膜线粒体内膜的双层脂质膜uu 功能功能功能功能: : : : 将电子从将电子从将电子从将电子从NADHNADHNADHNADH传递给泛醌传递给泛醌传递给泛醌传递给泛醌 uu 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uu 复合体复合体复合体复合体的电子传递：的电子传递：的电子传递：的电子传递：NADH+H+ FMNNAD+ FMNH2还原型还原型Fe-S Fe-S 氧化型氧化型Fe-S Fe-S QQH2还原型还原型Fe-S Fe-S 氧化型氧化型Fe-S 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 2个电子可将个电子可将4 4个个H H+ +从内膜基质侧泵到胞浆侧从内膜基质侧泵到胞浆侧复合体复合体 I I 及复合体及复合体 II II 的电子传递的电子传递2. 2. 复合体复合体: : 琥珀酸琥珀酸- -泛醌氧化还原酶泛醌氧化还原酶uu定位：线粒体双层脂质膜的内侧定位：线粒体双层脂质膜的内侧定位：线粒体双层脂质膜的内侧定位：线粒体双层脂质膜的内侧uu功能功能功能功能: : : : 将电子从将电子从将电子从将电子从FADH2FADH2FADH2FADH2传递给泛醌传递给泛醌传递给泛醌传递给泛醌uu 组成：黄素蛋白、铁硫蛋白组成：黄素蛋白、铁硫蛋白组成：黄素蛋白、铁硫蛋白组成：黄素蛋白、铁硫蛋白uu 复合体复合体复合体复合体的电子传递：的电子传递：的电子传递：的电子传递：琥珀酸琥珀酸 FAD FAD 延胡索酸延胡索酸 FADHFADH2 2还原型还原型Fe-S Fe-S 氧化型氧化型Fe-S Fe-S QQH2 复合体复合体IIII没有质子泵功能没有质子泵功能复合体复合体 I I 及复合体及复合体 II II 的电子传递的电子传递3. 3. 复合体复合体: : 泛醌泛醌- -细胞色素氧化还原酶细胞色素氧化还原酶 uu定位：定位：定位：定位： 线粒体内膜的双层脂质膜线粒体内膜的双层脂质膜线粒体内膜的双层脂质膜线粒体内膜的双层脂质膜uu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c c c cuu组成：细胞色素组成：细胞色素组成：细胞色素组成：细胞色素b(b562,b566)b(b562,b566)b(b562,b566)b(b562,b566) 细胞色素细胞色素细胞色素细胞色素c1c1c1c1、铁硫蛋白、铁硫蛋白、铁硫蛋白、铁硫蛋白uu复合体复合体复合体复合体的电子传递：的电子传递：的电子传递：的电子传递：QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1 泛醌泛醌从复合体从复合体、募集募集还原当量和电子还原当量和电子并并穿梭穿梭传递到复合体传递到复合体。复合体复合体的电子传递的电子传递通过通过“Q 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 2个电子个电子向内膜胞浆侧释放向内膜胞浆侧释放4 4个个H H+ +。Cyt cCyt 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。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。4. 4. 复合体复合体: : 细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶uu定位：定位：定位：定位： 线粒体内膜的双层脂质膜线粒体内膜的双层脂质膜线粒体内膜的双层脂质膜线粒体内膜的双层脂质膜uu功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞色素c c c c传递给氧传递给氧传递给氧传递给氧uu组成：细胞色素组成：细胞色素组成：细胞色素组成：细胞色素aa3aa3aa3aa3， CuCuCuCuuu复合体复合体复合体复合体的电子传递的电子传递的电子传递的电子传递 Cyt a3 Cyt a3CuBCuB结合紧密，形成活性双核中心，结合紧密，形成活性双核中心，将电子将电子传递给传递给O O2 2。每传递。每传递2 2个电子使个电子使2 2个个H+H+跨内膜向胞浆侧转移。跨内膜向胞浆侧转移。 还原型还原型Cyt c OCyt c O2 2CuCuA Aaaaa3 3- -CuCuB B复复合合体体的的电电子子传传递递过过程程O2-人线粒体呼吸链的组成及功能人线粒体呼吸链的组成及功能* 泛醌泛醌 和和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中均不包含在上述四种复合体中呼吸链呼吸链组成组成酶名称酶名称质量质量(kD)(kD)亚基亚基数数功能辅基功能辅基主要功能主要功能复合体复合体NADH-NADH-泛醌氧泛醌氧化还原酶化还原酶100010004040FMNFMN，Fe-SFe-S将将2e2e从从NADHNADH传递给传递给Q Q，并由基，并由基质向膜间隙泵出质向膜间隙泵出4H4H+ + 复合体复合体琥珀酸琥珀酸- -泛醌泛醌氧化还原酶氧化还原酶1401404 4FADFAD，Fe-SFe-S将将2e2e从从FADHFADH2 2传递给传递给Q Q泛醌泛醌(CoQ)(CoQ)0.860.863 3 (Q(Q1010) )将复合体将复合体I I和复合体和复合体IIII的的2e 2e 传传递给复合体递给复合体IIIIII复合体复合体泛醌泛醌- -细胞色细胞色素氧化还原酶素氧化还原酶2502501111血红素血红素b bL L, b, bH H, , c c1 1, Fe-S, Fe-S将将2e2e从从QHQH2 2传递到传递到cyt ccyt c，并由，并由基质向膜间隙泵出基质向膜间隙泵出4H4H+ + 细胞色素细胞色素c c13131 1血红素血红素c c将将2e2e从复合体从复合体IIIIII传递到复合传递到复合体体IVIV复合体复合体细胞色素细胞色素c c 氧化酶氧化酶2002001313血红素血红素a a，a a3 3，CuCuA A, Cu, CuB B将将2e2e从从cyt ccyt c传递给传递给O O生成水，生成水，并向膜间隙泵出并向膜间隙泵出2H2H+ + （二）氧化呼吸链组分的排列顺序（二）氧化呼吸链组分的排列顺序 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） 拆开和重组拆开和重组 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位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E E E E0 0 0 0 (V)(V)(V)(V)氧化还原对氧化还原对E E E E0 0 0 0 (V)(V)(V)(V)NADNAD+ + /NADN+H /NADN+H+ +0.320.320.320.32Cyt c1 FeCyt c1 Fe3+ 3+ /Fe/Fe2+2+0.220.220.220.22FMN /FMNHFMN /FMNH2 20.300.300.300.30Cyt c FeCyt c Fe3+ 3+ /Fe/Fe2+2+0.250.250.250.25FAD /FADHFAD /FADH2 20.2190.2190.2190.219Cyt a FeCyt a Fe3+ 3+ /Fe/Fe2+2+0.290.290.290.29Cyt bCyt bL L(b(bH H) ) FeFe3+3+/Fe/Fe2+2+0.07(0.100.07(0.100.07(0.100.07(0.10) ) ) )Cyt a3 FeCyt a3 Fe3+ 3+ /Fe/Fe2+2+0.550.550.550.55Q /QHQ /QH2 20.100.100.100.101/2O1/2O2 2 /H /H2 2O O0.820.820.820.821. NADH1. NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH NADH 复合体复合体Q Q 复合体复合体Cyt c Cyt c 复复合体合体OO2 22. FADH2. FADH2 2氧化呼吸链氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q Q 复合体复合体Cyt c Cyt c 复合体复合体OO2 2 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 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+氧化呼吸链各组分在线粒体内膜中的位置及排列顺序氧化呼吸链各组分在线粒体内膜中的位置及排列顺序