第六章 生物氧化 Biological oxidation 生物化学与分子生物学教研室 张 健

授课安排 生物氧化概述 线粒体电子传递链 1st 线粒体氧化磷酸化 非线粒体氧化体系 2nd

氧化 Oxidation

氧化反应: 加氧、脱氢、失电子

化学氧化 生物氧化 ATP

生物氧化概念 糖 氧化分解 H2O + CO2 蛋白质 脂肪 热能 60% 40% 释放能量 ADP+Pi ATP

生物氧化与化学氧化的相同点 1.遵循氧化还原反应的一般规律 2.耗氧量、终产物和释放能量相同 3.热力学第一定律-能量守恒

生物氧化与体外氧化的不同点 生物氧化 化学氧化 能量逐步释放 有机酸脱羧产生CO2 能量迅速释放 碳直接与氧结合生成CO2

重点、难点内容 呼吸链的组成和排列顺序 氧化磷酸化的概念 ATP合成酶 1 2 3

生物氧化过程 糖原 甘油三酯 蛋白质 氨基酸 葡萄糖 脂酸+甘油 乙酰CoA TCA Stage I Stage II Stage III ADP+Pi ATP 2H H2O 呼吸链

第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系 The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing

线粒体 Mitochondria TAC 糖原 脂肪 蛋白质 葡萄糖 脂肪酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA CO2 ADP+Pi ATP 2H 前面提到生物氧化分为三个阶段，在第三阶段三羧酸循环中有两次脱羧和四次脱氢反应，并且在第三阶段中反应物脱下的氢传给氧生成水，氧化过程中释放出来的能量合成ATP，糖代谢和脂代谢中已经讲过，本节我们主要学习代谢物脱下的氢是如何传递给氧生成水，细胞通过什么方式将氧化过程中释放的能量转变成ATP分子中的高能键。 CO2 ADP+Pi ATP 2H H2O 呼吸链

线粒体——细胞的发电站

一、呼吸链 定义 组成 递氢体和电子传递体（2H  2H+ + 2e） 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）

线粒体生物氧化的电子传递过程？ 电子传递过程中如何生成 ATP？ NADH / FADH2 H2O

电子传递链中的5种成份 （辅酶、辅基） 尼克酰胺核苷酸 黄素蛋白/黄素酶( FP ) 铁硫蛋白( Fe-S ) 辅酶Q(CoQ)/泛醌 呼吸链的主要成分有烟酰胺核苷酸、黄素蛋白、铁硫蛋白、辅酶Q和细胞色素体系五类。除烟酰胺核苷酸、辅酶Q和细胞色素c外，它们形成四种复合体，其中复合体 I 、III 和 IV 完全镶嵌在线粒体内膜中， 复合体 II 镶嵌在内膜的内侧 细胞色素( Cyt )

尼克酰胺核苷酸 氧化型 还原型 NAD(P)+ NAD(P)H + H+ 传递：H + e

黄素蛋白/黄素酶( FP ) 递氢体— FADH2 二甲基异咯嗪

黄素蛋白/黄素酶( FP ) 传递：2H

Fe-S 作用： Fe2+ Fe3++e 单电子传递 Fe2S2 Fe4S4 Fe3+ Fe2+ 氧化型 还原型

泛醌/辅酶Q (CoQ) A、结构 1. 含有多个异戊二烯侧链的醌类化合物 2. 脂溶性 3. 可在线粒体内膜自由扩散

泛醌/辅酶Q (CoQ) +2H - 2H H B、作用：递氢体 C、递氢机制：是多种底物进入呼吸链的中心点

细胞色素( Cyt ) 以血红素为辅基的电子传递蛋白

细胞色素( Cyt ) 传递：e Fe3+ Fe2+ 氧化型 还原型

电子传递链中的5种成份 辅酶、辅基 功 能 尼克酰胺核苷酸 传递电子、递氢体 黄素蛋白/黄素酶( FP ) 递氢体 铁硫蛋白( Fe-S ) 辅酶Q(CoQ)/泛醌 细胞色素( Cyt )

4种具有传递电子功能的酶复合体 （一）呼吸链的组成 复合体 酶名称 辅 基 复合体Ⅰ NADH-Q 还原酶 FMN，Fe-S 复合体Ⅱ 辅 基 复合体Ⅰ NADH-Q 还原酶 FMN，Fe-S 复合体Ⅱ 琥珀酸-Q还原酶 FAD， Fe-S 复合体Ⅲ Q-CytC 还原酶 铁卟啉，Fe-S 复合体Ⅳ CytC 氧化酶 铁卟啉，Cu 4种具有传递电子功能的酶复合体

电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置 Q e- Cytc 胞液侧 Ⅲ 线粒体内膜 Ⅱ Ⅳ Ⅰ 基质侧 延胡索酸 NADH+H+ H2O 琥珀酸 基质侧 NADH+H+ NAD+ ½ O2+2H+ H2O

4人组合接力赛！

1、复合体ⅠNADH中的电子传递给泛醌 组成：黄素蛋白、铁硫蛋白 功能：将电子从 NADH 传递给CoQ，故复合 体 I 称为 NADH-泛醌还原酶

每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体Ⅰ有质子泵功能 NADH FMN，Fe-S Q 复合体Ⅰ的电子传递

NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2 还原型Fe-S 氧化型Fe-S Q QH2

2、复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递到泛醌 复合体Ⅱ是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸-泛醌还原酶 复合体Ⅱ没有质子泵功能的功能

Cell 杂志发表饶子和院士课题组破解线粒体膜蛋白复合物II三维结构的研究论文

电子传递：琥珀酸→FAD→Fe-S →CoQ

3、复合体Ⅲ功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c 泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体Ⅲ 复合体Ⅲ每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+ ，复合体Ⅲ也有质子泵作用

电子传递： CoQH2→(Cyt bL→Cyt bH) →Fe-S →Cytc1→Cytc

4、复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧 复合体Ⅳ又称细胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase) Cyt a3–CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2 每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移，复合体Ⅳ 也有质子泵作用

电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置 Positive - - - - - - - + + + + + + + + Negative

1 呼吸链的组成 2 呼吸链成分排列顺序如何确定？

明确呼吸链组分排列顺序的实验方法 ① 标准氧化还原电位，由低到高排列 ② 特异抑制剂阻断 ③ 还原状态呼吸链缓慢给氧，光谱分析 ④ 拆开和重组

呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位 E0‘(V) NAD+ /NADN+H+ －0.32 Cyt c1 Fe3+ /Fe2+ 0.22 FMN /FMNH2 －0.219 Cyt c Fe3+ /Fe2+ 0.254 FAD /FADH2 Cyt a Fe3+ /Fe2+ 0.29 Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+ 0.05(0.10) Cyt a3 Fe3+ /Fe2+ 0.35 Q10 /Q10H2 0.06 1/2O2 /H2O 0.816

-0.4 -0.2 E +0.2 +0.4 +0.6 +0.8 呼吸链中各物质在氧化还原作用中的位置

2条氧化呼吸链 1. NADH氧化呼吸链 2. 琥珀酸氧化呼吸链 NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2 2. 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 →复合体Ⅱ →Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2

NADH、FADH2氧化呼吸链 胞质侧 Q 基质侧 Ⅲ Ⅰ Ⅱ Ⅳ F0 F1 Cyt c Ⅱ 延胡索酸 琥珀酸 NADH+H+ NAD+ 1/2O2+2H+ H2O 基质侧 ADP+Pi ATP

NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链

氧化呼吸链中电子传递和水的生成 细胞如何利用电子传递过程中释放的能量生成ATP分子?

二、氧化磷酸化 ATP的生成方式 底物磷酸化(substrate level phosphorylation) 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)

底物水平磷酸化 1,3-二磷酸甘油酸 (1,3-DPG) 3-磷酸甘油酸 ADP ATP OPO 3 2- 磷酸甘油酸激酶

氧化磷酸化 呼吸链中氧化磷酸化偶联部位 - = e- e- e- E - = e- - = e- ΔG 2 2 2 ΔG 2 ΔG 2 O -0.4 ΔG - = -69.5kJ/mol 复合体I -0.2 e- 2 e- 2 e- 2 E 复合体II Q ΔG - = -36.7kJ/mol +0.2 复合体III e- 2 +0.4 ΔG - = -112kJ/mol 复合体IV +0.6 e- 2 ATP 2 H+ + O H2O +0.8 呼吸链中氧化磷酸化偶联部位

3个氧化磷酸化偶联位点 P/O ratio: 物质氧化时每消耗 1 摩尔氧原子所生成ATP的摩尔数 琥珀酸 NADH→复合体 I→CoQ→复合体III→Cyt C→复合体IV→O2 复合体II ↓ 琥珀酸 P/O =1.7, 约1.5 ATP β-羟丁酸 P/O =2.4 ~ 2.8, 约2.5 ATP 抗坏血酸 P/O =0.88, 约1 ATP 氧化磷酸化偶联部位在 复合体I、III、IV

Old P/O New P/O NADH 3 2.5 FADH2 2 1.5

化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 氧化磷酸化的偶联机制是什么？ 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 1个假说

化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 线粒体基质 线粒体内膜 ADP + Pi ATP O H2O H+ e- H+ + + + + - - - -

化学渗透假说示意图 - - - - - - - - - 胞浆侧 + + + + + + + + + + Q 基质侧 4H+ 2H+ Ⅲ Ⅰ Ⅱ Ⅳ F0 F1 Cyt c Q + + + + + + + + + + - - - - - - - - - H+ 延胡索酸 琥珀酸 NADH+H+ NAD+ 1/2O2+2H+ H2O 基质侧 ADP+Pi ATP

Proof 1. 线粒体内膜的完整性 2. H+等离子不能自由穿透线粒体内膜 3. 可测定的跨膜电化学梯度 4. 破坏跨膜电化学梯度影响ATP的产生

Peter Mitchell 1978 Nobel Laureate

三、ATP合酶催化ATP生成 F1 F0

ATP合成酶的结构 由亲水部分 F1（α3β3γδε亚基 ）：催化ATP合成 基质侧 疏水部分 F0： 形成跨膜质子通道 胞浆侧

基质侧 胞浆侧

ATP合酶的工作机制 “结合变构” 当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。

Nobel Laureate 1997

小 结 5 种电子传递链成份（辅酶、辅基） 4 种具有传递电子功能的酶复合体 3 个氧化磷酸化偶联位点（质子泵） 小 结 5 种电子传递链成份（辅酶、辅基） 4 种具有传递电子功能的酶复合体 3 个氧化磷酸化偶联位点（质子泵） 2 条氧化呼吸链（NADH、FADH2） 1 个假说--化学渗透假说

Mitochondria and disease ?