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

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

2 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

3 氧化 Oxidation

4 氧化反应: 加氧、脱氢、失电子

5 化学氧化 生物氧化 ATP

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

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

12 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

13 线粒体——细胞的发电站

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15 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）

16 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 / FADH H2O

17 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 )

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

19 黄素蛋白/黄素酶( FP ) 递氢体— FADH2 二甲基异咯嗪

20 黄素蛋白/黄素酶( FP ) 传递：2H

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22 Fe-S 作用： Fe Fe3++e 单电子传递 Fe2S Fe4S4 Fe3+ Fe2+ 氧化型 还原型

23 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

24 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

25 细胞色素( Cyt ) 以血红素为辅基的电子传递蛋白

26 细胞色素( Cyt ) 传递：e Fe3+ Fe2+ 氧化型 还原型

27 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 )

28 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

29 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

30 4人组合接力赛！

31 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

32 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

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

34 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

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36 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

37 电子传递：琥珀酸→FAD→Fe-S →CoQ

38 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

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

40 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

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

43 1 呼吸链的组成 2 呼吸链成分排列顺序如何确定？

44 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

45 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

46 -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

47 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

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49 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

50 NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链

51 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?

52 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)

53 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

54 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

55 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

56 Old P/O New P/O NADH FADH

57 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

58 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+

59 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

60 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

61 Peter Mitchell 1978 Nobel Laureate

62 三、ATP合酶催化ATP生成 F1 F0

63 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

64 基质侧 胞浆侧

65 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。

66 Nobel Laureate 1997

67 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

68 Mitochondria and disease ?