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基础生物化学生物氧化第一页，讲稿共一百三十四页哦6 生物氧化生物氧化(Biologicaloxidation)6.1 生物氧化概述生物氧化概述6.2 电子传递链（呼吸链）电子传递链（呼吸链）6.3 氧化磷酸化氧化磷酸化第二页，讲稿共一百三十四页哦6.1 生物氧化概述生物氧化概述6.1.1 生物氧化的概念生物氧化的概念6.1.1.1 生物氧化的主要内容生物氧化的主要内容生物氧化生物氧化（biological oxidation）是生物细胞将糖、是生物细胞将糖、脂和蛋白质等有机物进行氧化分解，最终生脂和蛋白质等有机物进行氧化分解，最终生成成CO2和和H2O并释放能量的过程，也称为细并释放能量的过程，也称为细胞呼吸（胞呼吸（cellular respiration）。）。第三页，讲稿共一百三十四页哦代谢物在体内的氧化可以分为代谢物在体内的氧化可以分为3个阶段：个阶段：糖、脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰辅糖、脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰辅酶酶A中的乙酰基。中的乙酰基。乙酰辅酶乙酰辅酶A进入三羧酸循环脱氢，生成进入三羧酸循环脱氢，生成CO2并使并使NAD和和FAD还原成还原成NADH、FADH2。NADH和和FADH2中的氢经呼吸链将电子传递中的氢经呼吸链将电子传递给氧生成水，氧化过程中释放出来的能量用给氧生成水，氧化过程中释放出来的能量用于于ATP合成。合成。狭义地说只有第狭义地说只有第3个阶段才是生物氧化，这是个阶段才是生物氧化，这是体内能量生成的主要阶段。体内能量生成的主要阶段。第四页，讲稿共一百三十四页哦6.1.1.2 生物氧化的特点生物氧化的特点生物体内进行的氧化反应与体外氧化反应都遵生物体内进行的氧化反应与体外氧化反应都遵循氧化反应（脱氢、脱电子和加氧等）的一循氧化反应（脱氢、脱电子和加氧等）的一般规律，最终氧化分解产物是般规律，最终氧化分解产物是CO2和和H2O，同时释放能量。但是生物氧化反应又有其特同时释放能量。但是生物氧化反应又有其特点。点。第五页，讲稿共一百三十四页哦生物氧化中底物是在酶的催化下，经一系列生物氧化中底物是在酶的催化下，经一系列连续的化学反应逐步氧化分解的，氧化过程连续的化学反应逐步氧化分解的，氧化过程产生的能量也是逐步释放的。产生的能量也是逐步释放的。生物氧化产生的能量部分可转变成生命活动生物氧化产生的能量部分可转变成生命活动能够利用的形式，即合成能够利用的形式，即合成ATP，不是全以热，不是全以热的形式释放。的形式释放。生物氧化是在常温、常压、近中性生物氧化是在常温、常压、近中性pH的环境的环境中进行。中进行。在真核细胞内，生物氧化主要是在线粒体中进在真核细胞内，生物氧化主要是在线粒体中进行，原核细胞内生物氧化是在细胞膜上进行。行，原核细胞内生物氧化是在细胞膜上进行。第六页，讲稿共一百三十四页哦6.1.1.3 生物氧化中生物氧化中CO2和和H2O的生成的生成 CO2的生成的生成代谢底物在酶的作用下经一系列脱氢、加水等代谢底物在酶的作用下经一系列脱氢、加水等反应，转变为含羧基的化合物，经脱羧反应反应，转变为含羧基的化合物，经脱羧反应生成生成CO2，包括直接脱羧和氧化脱羧。，包括直接脱羧和氧化脱羧。第七页，讲稿共一百三十四页哦 H2O的生成的生成生物氧化中底物脱下的氢与氧结合生成水。生物氧化中底物脱下的氢与氧结合生成水。第八页，讲稿共一百三十四页哦6.1.2 生物氧化的自由能变化生物氧化的自由能变化6.1.2.1 自由能概念自由能概念生生物物体体不不能能直直接接利利用用热热能能做做动动，在在生生命命活活动动过过程程中中所所需需的的能能量量都都来来自自体体内内生生化化反反应应释释放放的的自由能。自由能。自自由由能能(free energy)：在在恒恒温温、恒恒压压条条件件下下一一个个体体系系可可用用于于做做有有用用功功的的能能量量。又又称称Gibbs自自由能，以由能，以G表示。表示。第九页，讲稿共一百三十四页哦6.1.2.3 氧化还原电位氧化还原电位生生物物体体内内进进行行的的生生化化反反应应有有许许多多是是氧氧化化还还原原反反应应，生生物物所所需需要要的的能能量量就就来来自自于于体体内内的的氧氧化化还还原原反反应应。在在生生物物体体中中物物质质进进行行氧氧化化-还还原原时时，其其基基本本原原理理和和化化学学电电池池一一致致。在在氧氧化化-还还原原反反应中，电子从还原剂传递到氧化剂。应中，电子从还原剂传递到氧化剂。第十页，讲稿共一百三十四页哦标准状况下氧化还原电位变化：标准状况下氧化还原电位变化：E=标准氧化电极电位标准氧化电极电位 标准还原电极电位标准还原电极电位E 越越大大，得得到到电电子子的的倾倾向向越越大大，氧氧化化能能力力越越强强；E 越越小小，失失去去电电子子的的倾倾向向越越大大，还还原原能力越强。能力越强。第十一页，讲稿共一百三十四页哦6.1.3 高能磷酸化合物高能磷酸化合物6.1.3.1 生物体内的高能化合物生物体内的高能化合物生命过程必须与放能反应偶联。生物氧化释放生命过程必须与放能反应偶联。生物氧化释放的能量一般先贮藏在高能化合物中，机体用的能量一般先贮藏在高能化合物中，机体用于做功的能量来自高能化合物水解反应。这于做功的能量来自高能化合物水解反应。这样，高能化合物就成为放能反应与吸能反应样，高能化合物就成为放能反应与吸能反应之间的能量梭。之间的能量梭。第十二页，讲稿共一百三十四页哦高能化合物中含有高能键，高能键是指具有高高能化合物中含有高能键，高能键是指具有高的磷酸基团转移势能或水解时释放较多自由的磷酸基团转移势能或水解时释放较多自由能的磷酸酐键或硫酯键。高能键是不稳定的能的磷酸酐键或硫酯键。高能键是不稳定的键。键。ATP是最重要的高能化合物。是最重要的高能化合物。第十三页，讲稿共一百三十四页哦第十四页，讲稿共一百三十四页哦第十五页，讲稿共一百三十四页哦并并非非含含磷磷酸酸基基团团的的化化合合物物均均属属于于高高能能化化合合物物，例例如如6-磷磷酸酸葡葡萄萄糖糖、6-磷磷酸酸果果糖糖、3-磷磷酸酸甘甘油油，它它们们水水解解时时只只释释放放出出4.212.6 kJmol-1的的能量，因而属于低能磷酸化合物。能量，因而属于低能磷酸化合物。第十六页，讲稿共一百三十四页哦6.1.3.2 ATP的结构及其在能量转换中的作用的结构及其在能量转换中的作用糖、脂肪和蛋白质是大多数生物赖以生存的主糖、脂肪和蛋白质是大多数生物赖以生存的主要能源物质，通过细胞呼吸作用使这些贮存要能源物质，通过细胞呼吸作用使这些贮存能源物质氧化分解，同时释放出能量。释放能源物质氧化分解，同时释放出能量。释放的能量除一部分以热的形式散失于周围环境的能量除一部分以热的形式散失于周围环境中之外，其余部分通过底物水平磷酸化或氧中之外，其余部分通过底物水平磷酸化或氧化磷酸化生成化磷酸化生成ATP，以高能磷酸键的形式存，以高能磷酸键的形式存在。同时，在。同时，ATP也是生命活动利用能量的主也是生命活动利用能量的主要直接供给形式。要直接供给形式。第十七页，讲稿共一百三十四页哦中度体力劳动者每日每中度体力劳动者每日每kg体重需供给能量体重需供给能量3440千卡，若一成人重千卡，若一成人重70kg，从事中度体力，从事中度体力劳动，则每日应供应含能量劳动，则每日应供应含能量2450千卡的食物，千卡的食物，其中其中40%的能量转变成化学能储存于的能量转变成化学能储存于ATP分分子的高能键中，这一部分能量应为子的高能键中，这一部分能量应为24500.4=980.0千卡，按每千卡，按每molATP水解生成水解生成ADP+Pi释放释放7.3千卡能量计算，应当合成：千卡能量计算，应当合成：9807.3=134.3molATP，ATP的分子量为的分子量为507.22，所以，所以134.3molATP重达重达68.12kg，表，表明明ATP在体内的代谢十分旺盛。在体内的代谢十分旺盛。第十八页，讲稿共一百三十四页哦ATP的的末末端端有有两两个个以以磷磷酸酸酐酐键键连连接接的的磷磷酸酸基基，由由于于PO键键的的极极化化，电电子子云云偏偏向向氧氧原原子子，使使磷磷原原子子带带部部分分正正电电荷荷，相相距距很很近近的的正正电电荷荷相相互排斥，使磷酸酐键不稳定。互排斥，使磷酸酐键不稳定。第十九页，讲稿共一百三十四页哦同同时时，在在生生理理pH条条件件下下，ATP约约带带4个个空空间间距距离离很很近近的的负负电电荷荷，它它们们之之间间相相互互排排斥斥，使使磷磷酸酸酐键易水解。酸酸酐键易水解。当当ATP水水解解生生成成ADP和和Pi时时，可可部部分分消消除除这这种种应应力力，而而且且在在生生理理pH下下ADP和和Pi都都带带负负电电荷荷，使平衡强烈地趋向水解，释放出大量自由能。使平衡强烈地趋向水解，释放出大量自由能。第二十页，讲稿共一百三十四页哦 ATP的的合合成成可可与与放放能能反反应应偶偶联联，利利用用其其释释放放的的能能量量由由ADP和和Pi合合成成ATP；在在需需要要时时又又水水解解成成ADP和和Pi，同同时时将将贮贮藏藏的的能能量量释释放放出出来来，以以推推动动各各种种耗耗能能的的生生命命活活动动。如如分分子子和和离离子子的的跨跨膜膜主主动动运运输输、收收缩缩蛋蛋白白的的收收缩缩、小小的的构构件分子合成生物大分子等。件分子合成生物大分子等。ATP-ADP循环是生物系统的能量交换中枢。循环是生物系统的能量交换中枢。第二十一页，讲稿共一百三十四页哦ATP还可作为磷酸基团转移反应的中间载体。还可作为磷酸基团转移反应的中间载体。ATP水解时的标准自由能变化位于多种物质水水解时的标准自由能变化位于多种物质水解时标准自由能变化的中间，它能从具有更解时标准自由能变化的中间，它能从具有更高能量的化合物接受高能磷酸键，高能量的化合物接受高能磷酸键，ATP也能也能将将Pi转移给水解时标准自由能变化较小的转移给水解时标准自由能变化较小的化合物。化合物。第二十二页，讲稿共一百三十四页哦为为了了衡衡量量磷磷酸酸化化合合物物中中磷磷酸酸基基团团转转移移的的热热力力学学趋趋势势，而而引引入入磷磷酸酸基基团团转转移移势势能能，在在数数值值上上等等于于其其水水解解反反应应的的-G0。在在磷磷酸酸基基团团转转移移反反应应中中，磷磷酸酸基基从从转转移移势势能能较较高高的的供供体体转转移移到到转移势能较低的受体分子。转移势能较低的受体分子。ATP的的磷磷酸酸基基团团转转移移势势能能在在常常见见的的含含磷磷酸酸基基团团化化合合物物中中处处于于中中间间位位置置，因因而而在在磷磷酸酸基基团团转转移移势势能能高高的的供供体体与与低低能能的的受受体体之之间间充充当当中中间间载体。载体。第二十三页，讲稿共一百三十四页哦第二十四页，讲稿共一百三十四页哦例例如如EMP生生成成的的高高能能中中间间产产物物1,3-二二磷磷酸酸甘甘油油酸酸和和PEP，在在细细胞胞内内并并不不直直接接水水解解，而而是是经经特特殊殊激激酶酶的的作作用用，以以转转移移磷磷酸酸基基团团的的形形式式将将捕捕获获的的自自由由能能传传递递给给ADP生生成成ATP。ATP又又可可通通过过酶酶促促磷磷酸酸基基团团转转移移反反应应将将磷磷酸酸酐酐键键的的大大部部分分自自由由能能传传递递给给受受体体分分子子。例例如如葡葡萄萄糖糖和和甘甘油油，而而形形成成6-磷磷酸酸葡葡萄萄糖糖和和3-磷磷酸酸甘甘油油，使这些代谢物活化，以利于酶促反应的进行。使这些代谢物活化，以利于酶促反应的进行。第二十五页，讲稿共一百三十四页哦体体内内ATP处处于于消消耗耗和和补补充充的的动动态态平平衡衡中中。估估计计每每千千克克活活动动组组织织含含有有几几个个mmolL-1的的ATP，0.1mmolL-1的的ADP和和0.01 mmolL-1的的AMP，这这要要求求ATP与与ADP的的转转换换速速度度能能够够随随细细胞胞生命活动的需求而不断变化。生命活动的需求而不断变化。在在一一般般组组织织中中，ATP消消耗耗过过程程的的加加速速伴伴随随着着ATP合合成成过过程程的的加加速速，ATP水水解解产产物物ADP的的浓度对浓度对ATP的合成速度起直接调控作用。的合成速度起直接调控作用。第二十六页，讲稿共一百三十四页哦而而在在动动物物肌肌肉肉、脑脑和和神神经经等等易易兴兴奋奋组组织织中中，当当其其发发生生快快速速反反应应时时对对高高能能磷磷酸酸化化合合物物的的立立即即需需要要大大于于ATP合合成成能能力力，例例如如人人在在剧剧烈烈活活动动时时肌肌肉肉消消耗耗ATP多多达达6mmolL-1kg-1s-1，而而在在迟迟 延延 几几 秒秒 钟钟 后后 发发 生生 的的 最最 大大 ATP合合 成成 为为 1 mmolL-1kg-1s-1。表表明明为为了了维维持持这这些些组组织织的的快快速速反反应应和和ATP的的动动态态平平衡衡，必必须须有有一一种种便便于利用的高能磷酸贮能物质。于利用的高能磷酸贮能物质。第二十七页，讲稿共一百三十四页哦6.1.3.3 磷酸肌酸磷酸肌酸以以 高高 能能 磷磷 酸酸 形形 式式 贮贮 能能 的的 物物 质质 统统 称称 磷磷 酸酸 原原(phosphagens)，包包括括磷磷酸酸肌肌酸酸、磷磷酸酸精精氨氨酸酸等。等。ATP是是细细胞胞内内主主要要的的磷磷酸酸载载体体或或能能量量传传递递体体，人人体体储储存存能能量量的的方方式式不不是是ATP而而是是磷磷酸酸肌肌酸酸。磷磷酸酸肌肌酸酸存存在在于于肌肌肉肉、脑脑和和神神经经组组织织中中，它它可可与与ATP相相互互转转化化。ATP多多时时，以以磷磷酸酸肌肌酸酸的的形形式式贮贮能能；ATP不不足足时时，磷磷酸酸肌肌酸酸转转化化为为ATP。肌肌肉肉中中磷磷酸酸肌肌酸酸的的含含量量比比ATP约约高高34倍，足以维持倍，足以维持ATP的恒定水平。的恒定水平。第二十八页，讲稿共一百三十四页哦肌细胞线粒体内膜和胞液中均有肌酸激酶。线肌细胞线粒体内膜和胞液中均有肌酸激酶。线粒体内膜的肌酸激酶主要催化正向反应，生粒体内膜的肌酸激酶主要催化正向反应，生成的成的ADP可促进氧化磷酸化，生成的磷酸肌可促进氧化磷酸化，生成的磷酸肌酸逸出线粒体进入胞液，磷酸肌酸所含的能酸逸出线粒体进入胞液，磷酸肌酸所含的能量不能直接利用；胞液中的肌酸激酶主要催量不能直接利用；胞液中的肌酸激酶主要催化逆向反应，生成的化逆向反应，生成的ATP可补充肌肉收缩时可补充肌肉收缩时的能量消耗，而肌酸又回到线粒体用于磷酸的能量消耗，而肌酸又回到线粒体用于磷酸肌酸的合成。肌酸的合成。第二十九页，讲稿共一百三十四页哦肌肉中磷酸肌酸的浓度为肌肉中磷酸肌酸的浓度为ATP浓度的浓度的5倍，可倍，可储存肌肉几分钟收缩所急需的化学能。储存肌肉几分钟收缩所急需的化学能。第三十页，讲稿共一百三十四页哦6.2 呼吸链（电子传递链）呼吸链（电子传递链）6.2.1 线粒体线粒体线线粒粒体体内内膜膜是是能能量量转转换换的的重重要要部部位位，电电子子传传递递链链和和氧氧化化磷磷酸酸化化有有关关的的组组分分都都存存在在于于此此。原原核核细细胞胞没没有有线线粒粒体体结结构构，它它的的部部分分质质膜膜起起着着这种作用。这种作用。第三十一页，讲稿共一百三十四页哦线线粒粒体体是是有有两两层层膜膜，外外膜膜平平滑滑，透透性性高高，仅仅有有少少量量酶酶结结合合其其上上。内内膜膜形形成成了了许许多多向向内内褶褶叠叠的的嵴嵴，产产能能和和需需能能越越高高的的组组织织（如如昆昆虫虫飞飞翔翔肌肌）嵴嵴的的数数目目也也越越多多。嵴嵴的的形形成成有有利利于于增增加加内膜的面积。内膜的面积。第三十二页，讲稿共一百三十四页哦第三十三页，讲稿共一百三十四页哦内内膜膜约约含含80的的蛋蛋白白质质，包包括括电电子子传传递递链链和和氧氧化化磷磷酸酸化化的的有有关关组组分分，是是线线粒粒体体功功能能的的主主要要担担负负者者。线线粒粒体体的的内内腔腔充充满满半半流流动动的的基基质质（衬衬质质），其其中中包包含含大大量量的的酶酶类类以以及及线线粒粒体体DNA和核糖体。和核糖体。线线粒粒体体基基质质酶酶类类包包括括TCA酶酶类类、脂脂肪肪酸酸-氧氧化化酶类和氨基酸分解代谢酶类。酶类和氨基酸分解代谢酶类。第三十四页，讲稿共一百三十四页哦哺哺乳乳动动物物线线粒粒体体DNA为为环环状状分分子子，编编码码包包括括细细胞胞色色素素氧氧化化酶酶、细细胞胞色色素素b和和F0疏疏水水亚亚基基在在内内的的10多多种种蛋蛋白白质质，约约占占内内膜膜总总蛋蛋白白质质的的20，其其余余的的蛋蛋白白质质均均由由核核基基因因编编码码，在在细细胞胞质中合成后运入线粒体。质中合成后运入线粒体。线线粒粒体体内内膜膜的的内内表表面面有有一一层层排排列列规规则则的的球球形形颗颗粒粒，通通过过一一个个细细柄柄与与构构成成嵴嵴的的内内膜膜相相连连接接，这就是这就是ATP合酶合酶(偶联因子偶联因子F1-F0)。第三十五页，讲稿共一百三十四页哦第三十六页，讲稿共一百三十四页哦6.2.2 电子传递链电子传递链(electron transfer chain，ETC)电子传递链电子传递链(呼吸链呼吸链respiratory chain)是一系列是一系列电子载体按氧化还原电位梯度排列的电子传电子载体按氧化还原电位梯度排列的电子传递系统，它将代谢物脱下的氢的电子传递给递系统，它将代谢物脱下的氢的电子传递给氧生成水，同时有氧生成水，同时有ATP生成。生成。所有组成成分都嵌合于线粒体内膜，并分段组所有组成成分都嵌合于线粒体内膜，并分段组成分离的复合物，在复合物内各载体成分的成分离的复合物，在复合物内各载体成分的物理排列也符合电子流动的方向。物理排列也符合电子流动的方向。第三十七页，讲稿共一百三十四页哦6.2.2.1 电子传递链的组成电子传递链的组成电电 子子 传传 递递 链链 的的 组组 分分 包包 括括 递递 氢氢 体体(hydrogen transfer)和和递递电电子子体体(eletron transfer)。递递氢氢体体和和递递电电子子体体是是传传递递氢氢原原子子或或电电子子的的载载体体，由由于于氢氢原原子子可可以以看看作作是是由由H+和和e组组成成的的，所所以以递递氢氢体体也也是是递递电电子子体体，递递氢氢体体和和递递电电子子体体的的本质是酶、辅酶、辅基或辅因子。本质是酶、辅酶、辅基或辅因子。NAD、FAD、FMN、Fe-S、细细胞胞色色素素和和泛泛醌醌等等。它它们们都都是是疏疏水水性性分分子子。除除泛泛醌醌外外，其其他他组组分分都都是是蛋蛋白白质质通通过过其其辅辅基基的的可可逆逆氧氧化化还还原原传传递递电子。电子。第三十八页，讲稿共一百三十四页哦烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD，辅酶，辅酶I，CoI)。NAD是脱氢酶的辅酶，是连接作用物与呼吸链是脱氢酶的辅酶，是连接作用物与呼吸链的重要环节。的重要环节。第三十九页，讲稿共一百三十四页哦NAD的主要功能是接受从代谢物上脱下的的主要功能是接受从代谢物上脱下的2H(2H+2e)，并传给另一传递体黄素蛋白。，并传给另一传递体黄素蛋白。在生理在生理pH条件下，烟酰胺中的氮条件下，烟酰胺中的氮(吡啶氮吡啶氮)为五为五价的氮，它能可逆地接受电子而成为三价氮，价的氮，它能可逆地接受电子而成为三价氮，与氮对位的碳也较活泼，能可逆地加氢还原，与氮对位的碳也较活泼，能可逆地加氢还原，故可将故可将NAD视为递氢体。反应时，视为递氢体。反应时，NAD的尼的尼克酰胺部分可接受一个氢原子及一个电子，克酰胺部分可接受一个氢原子及一个电子，还有一个质子还有一个质子(H+)留在介质中。留在介质中。第四十页，讲稿共一百三十四页哦烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP，辅酶，辅酶，Co)也是有些脱氢酶的辅酶，它与也是有些脱氢酶的辅酶，它与NAD不同不同之处是在腺苷酸部分中核糖的之处是在腺苷酸部分中核糖的2位碳上羟基位碳上羟基的氢被磷酸基取代而成。的氢被磷酸基取代而成。第四十一页，讲稿共一百三十四页哦当此类酶催化代谢物脱氢后，其辅酶当此类酶催化代谢物脱氢后，其辅酶NADP接接受氢而被还原生成受氢而被还原生成NADPH，它须经吡啶核苷，它须经吡啶核苷酸转氢酶酸转氢酶(pyridine nucleotide transhydrogenase)作用将还原当量转移给作用将还原当量转移给NAD，然后再经呼吸链传递，但，然后再经呼吸链传递，但NADPH一一般是为合成代谢或羟化反应提供氢。般是为合成代谢或羟化反应提供氢。第四十二页，讲稿共一百三十四页哦黄素蛋白黄素蛋白(flavoproteins)与与电电子子传传递递链链有有关关的的黄黄素素蛋蛋白白有有两两种种，分分别别以以FMN和和FAD为辅基。为辅基。第四十三页，讲稿共一百三十四页哦在在FAD、FMN分子中的异咯嗪部分可进行可逆的分子中的异咯嗪部分可进行可逆的脱氢加氢反应。氧化型黄素辅基从脱氢加氢反应。氧化型黄素辅基从NADH接受接受两个电子和一个质子，或从底物两个电子和一个质子，或从底物(如琥珀酸如琥珀酸)接接受两个电子和两个质子而还原：受两个电子和两个质子而还原：NADH+H+FMN=NAD+FMNH2琥珀酸琥珀酸+FAD=延胡索酸延胡索酸+FADH2第四十四页，讲稿共一百三十四页哦FAD或或FMN与酶蛋白部分之间是通过非共价键与酶蛋白部分之间是通过非共价键相连，但结合牢固，因此氧化与还原都在同相连，但结合牢固，因此氧化与还原都在同一个酶蛋白上进行，故黄素核苷酸的氧化还一个酶蛋白上进行，故黄素核苷酸的氧化还原电位取决于和它们结合的蛋白质，所以有原电位取决于和它们结合的蛋白质，所以有关的标准还原电位指的是特定的黄素蛋白，关的标准还原电位指的是特定的黄素蛋白，而不是游离的而不是游离的FMN或或FAD；在电子转移反应中它们只是在黄素蛋白的活性在电子转移反应中它们只是在黄素蛋白的活性中心部分，而其本身不能作为作用物或产物，中心部分，而其本身不能作为作用物或产物，这和这和NAD不同，不同，NAD与酶蛋白结合疏松，当与酶蛋白结合疏松，当与某酶蛋白结合时可以从代谢物接受氢，而与某酶蛋白结合时可以从代谢物接受氢，而被还原为被还原为NADH，游离的，游离的NADH可再与另一可再与另一种酶蛋白结合，释放氢后又被氧化为种酶蛋白结合，释放氢后又被氧化为NAD。第四十五页，讲稿共一百三十四页哦很多黄素蛋白参与呼吸链组成，与电子转移有很多黄素蛋白参与呼吸链组成，与电子转移有关。如关。如NADH脱氢酶以脱氢酶以FMN为辅基，是呼吸为辅基，是呼吸链的组分之一，介于链的组分之一，介于NADH与其它电子传递与其它电子传递体之间；体之间；琥珀酸脱氢酶，线粒体内的甘油磷酸脱氢酶的琥珀酸脱氢酶，线粒体内的甘油磷酸脱氢酶的辅基为辅基为FAD，它们可直接从作用物转移，它们可直接从作用物转移H+e到呼吸链。脂肪酰到呼吸链。脂肪酰CoA脱氢酶（脱氢酶（FAD为辅基）为辅基）与琥珀酸脱氢酶相似，也能将氢从作用物传与琥珀酸脱氢酶相似，也能将氢从作用物传递进入呼吸链，但还需电子转移黄素蛋白递进入呼吸链，但还需电子转移黄素蛋白(辅辅基为基为FAD)参与才能完成。参与才能完成。第四十六页，讲稿共一百三十四页哦铁硫蛋白铁硫蛋白(iron sulfur proteins,Fe-S)是含铁硫络合物的蛋白质，又称非血红素铁蛋是含铁硫络合物的蛋白质，又称非血红素铁蛋白（或铁硫中心），其特点是含铁原子。铁白（或铁硫中心），其特点是含铁原子。铁与无机与无机S原子或与肽链上原子或与肽链上Cys残基的硫结合。残基的硫结合。第四十七页，讲稿共一百三十四页哦常见的铁硫蛋白有常见的铁硫蛋白有3种组合方式种组合方式a、单个铁原子与、单个铁原子与4个个Cys残基上的残基上的-SH硫相连。硫相连。b、2个铁原子、个铁原子、2个无机硫原子组成个无机硫原子组成(2Fe-2S)，其中每个铁原子还各与两个其中每个铁原子还各与两个Cys残基的残基的-SH硫硫相结合。相结合。c、由、由4个铁原子与个铁原子与4个无机硫原子相连个无机硫原子相连(4Fe 4S)，铁与硫相间排列在一个正六面体的，铁与硫相间排列在一个正六面体的8个顶角个顶角端；此外端；此外4个铁原子还各与一个半胱氨酸残基个铁原子还各与一个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。上的巯基硫相连。第四十八页，讲稿共一百三十四页哦第四十九页，讲稿共一百三十四页哦铁硫蛋白在氧化态时两个铁均为铁硫蛋白在氧化态时两个铁均为Fe3+，在还原，在还原态时变为态时变为Fe2+。由于铁的氧化、还原而达到。由于铁的氧化、还原而达到传递电子作用。传递电子作用。第五十页，讲稿共一百三十四页哦泛醌泛醌(ubiquinone,UQ或或Q)也称辅酶也称辅酶Q(coenzyme Q)，为一脂溶性苯醌，为一脂溶性苯醌，带有一很长的脂肪族侧链，带有一很长的脂肪族侧链，易结合到膜上或易结合到膜上或与膜脂混溶。与膜脂混溶。UQ由多个异戊二烯单位构成，不同来源的泛由多个异戊二烯单位构成，不同来源的泛醌其异戊二烯单位的数目不同，在哺乳类动醌其异戊二烯单位的数目不同，在哺乳类动物组织中最多见的泛醌其侧链由物组织中最多见的泛醌其侧链由10个异戊二个异戊二烯单位组成。烯单位组成。第五十一页，讲稿共一百三十四页哦UQ的功能基团是苯醌，泛的功能基团是苯醌，泛醌接受一个电子和一个醌接受一个电子和一个质子还原成半醌，再接质子还原成半醌，再接受一个电子和质子则还受一个电子和质子则还原成二氢泛醌，后者又原成二氢泛醌，后者又可脱去电子和质子而被可脱去电子和质子而被氧化恢复为泛醌。氧化恢复为泛醌。第五十二页，讲稿共一百三十四页哦细胞色素体系细胞色素体系1926年年Keilin首次首次使用分光镜观察使用分光镜观察昆虫飞翔肌振动昆虫飞翔肌振动时，发现有特殊时，发现有特殊的吸收光谱，因的吸收光谱，因此把细胞内的吸此把细胞内的吸光物质定名为细光物质定名为细胞色素。胞色素。第五十三页，讲稿共一百三十四页哦细胞色素是一类含有铁卟啉辅基的色蛋白，属细胞色素是一类含有铁卟啉辅基的色蛋白，属于递电子体。于递电子体。线粒体内膜中有细胞色素线粒体内膜中有细胞色素b、c1、c、aa3，肝、，肝、肾等组织的微粒体中有细胞色素肾等组织的微粒体中有细胞色素P450。细胞。细胞色素色素b、c1、c为红色细胞素，细胞色素为红色细胞素，细胞色素aa3为为绿色细胞素。不同的细胞色素具有不同的吸绿色细胞素。不同的细胞色素具有不同的吸收光谱，不但其酶蛋白结构不同，辅基的结收光谱，不但其酶蛋白结构不同，辅基的结构也有一些差异。构也有一些差异。第五十四页，讲稿共一百三十四页哦细胞色素细胞色素c为一外周蛋白，位于线粒体内膜的外为一外周蛋白，位于线粒体内膜的外侧。细胞色素侧。细胞色素C比较容易分离提纯，其结构已比较容易分离提纯，其结构已清楚。哺乳动物的清楚。哺乳动物的Cyt c由由104个氨基酸残基个氨基酸残基组成，并从进化的角度作了许多研究。组成，并从进化的角度作了许多研究。Cyt c的辅基血红素的辅基血红素(亚铁原卟啉亚铁原卟啉)通过共价键通过共价键(硫硫醚键醚键)与酶蛋白相连，其余各种细胞色素中辅与酶蛋白相连，其余各种细胞色素中辅基与酶蛋白均通过非共价键结合。基与酶蛋白均通过非共价键结合。第五十五页，讲稿共一百三十四页哦细胞色素细胞色素a和和a3不易分开，统称为细胞色素不易分开，统称为细胞色素aa3。和细胞色素。和细胞色素P450、b、c1、c不同，细胞色不同，细胞色素素aa3的辅基不是血红素，而是血红素的辅基不是血红素，而是血红素A。细。细胞色素胞色素aa3可将电子直接传递给氧，因此又称可将电子直接传递给氧，因此又称为细胞色素氧化酶。为细胞色素氧化酶。第五十六页，讲稿共一百三十四页哦铁卟啉辅基所含铁卟啉辅基所含Fe2+可有可有Fe2+=Fe3+e的互变，的互变，因此起到传递电子的作用。因此起到传递电子的作用。铁原子可以和酶蛋白及卟啉环形成铁原子可以和酶蛋白及卟啉环形成6个配位键。个配位键。细胞色素细胞色素aa3和和P450辅基中的铁原子只形成辅基中的铁原子只形成5个配个配位键，还能与氧再形成一个配位键，将电子位键，还能与氧再形成一个配位键，将电子直接传递给氧，也可与直接传递给氧，也可与CO、氰化物、氰化物、H2S或或叠氮化合物形成一个配位键。叠氮化合物形成一个配位键。细胞色素细胞色素aa3与氰化物结合就阻断了整个呼吸链与氰化物结合就阻断了整个呼吸链的电子传递，引起氰化物中毒。的电子传递，引起氰化物中毒。第五十七页，讲稿共一百三十四页哦电电子子传传递递链链组组分分除除泛泛醌醌和和细细胞胞色色素素c外外，其其余余组组分分实实际际上上形形成成嵌嵌入入内内膜膜的的结结构构化化超超分分子子复复合合物物。用用毛毛地地黄黄皂皂苷苷、胆胆酸酸盐盐等等去去垢垢剂剂处处理理分分离离的的线线粒粒体体时时，可可溶溶解解外外膜膜，并并将将内内膜膜分分裂成四种仍保存部分电子传递活性的复合物。裂成四种仍保存部分电子传递活性的复合物。复合物复合物I(NADH脱氢酶脱氢酶)相相对对分分子子质质量量约约70万万90万万，含含有有25种种不不同同的的蛋蛋白白质质，包包括括以以FMN为为辅辅基基的的黄黄素素蛋蛋白白和和多多种铁硫蛋白，催化电子从种铁硫蛋白，催化电子从NADH转移到泛醌。转移到泛醌。第五十八页，讲稿共一百三十四页哦复合物复合物(琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶)相相对对分分子子质质量量约约14万万，含含有有45种种不不同同的的蛋蛋白白质质，包包括括以以FAD为为辅辅基基的的黄黄素素蛋蛋白白、铁铁硫硫蛋蛋白白和和细细胞胞色色素素b560，催催化化电电子子从从琥琥珀珀酸酸传传递递到泛醌。到泛醌。复合物复合物(细胞色素细胞色素b、cl，复合体，复合体)相相对对分分子子质质量量约约25万万，含含有有910种种不不同同的的蛋蛋白白质质，包包括括细细胞胞色色素素b、cl和和铁铁硫硫蛋蛋白白，催催化化电电子从还原型泛醌转移到细胞色素子从还原型泛醌转移到细胞色素c。第五十九页，讲稿共一百三十四页哦复合物复合物(细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶)相相对对分分子子质质量量约约16万万17万万，哺哺乳乳动动物物线线粒粒体体细细胞胞色色素素氧氧化化酶酶至至少少含含有有13种种不不同同的的蛋蛋白白质质，包包括括细细胞胞色色素素aa3和和含含铜铜蛋蛋白白，催催化化电电子子从从还还原型细胞色素原型细胞色素c传递给分子氧。传递给分子氧。第六十页，讲稿共一百三十四页哦6.2.2.2 呼吸链中各种传递体的排列顺序呼吸链中各种传递体的排列顺序根据各种组分的标准氧化还原电位来确定。根据各种组分的标准氧化还原电位来确定。标准氧化还原电位越小，其还原性越强，容易标准氧化还原电位越小，其还原性越强，容易被氧化；标准氧化还原电位越大，其氧化性被氧化；标准氧化还原电位越大，其氧化性越强，容易被还原。越强，容易被还原。呼吸链中各种组分的排列顺序是由低电位依次呼吸链中各种组分的排列顺序是由低电位依次向高电位排列。向高电位排列。第六十一页，讲稿共一百三十四页哦第六十二页，讲稿共一百三十四页哦根据在有氧条件下氧化反应达到平衡时各种根据在有氧条件下氧化反应达到平衡时各种传递体的还原程度来确定。传递体的还原程度来确定。Chance和和Williams使用分光光度法测定离体的使用分光光度法测定离体的线粒体在有氧条件下线粒体在有氧条件下TCA反应达到平衡时，反应达到平衡时，呼吸链中各种传递体的还原程度。反应达到呼吸链中各种传递体的还原程度。反应达到平衡时从底物到氧的各种传递体的还原程度平衡时从底物到氧的各种传递体的还原程度是递减的，底物的最高，氧最低。是递减的，底物的最高，氧最低。第六十三页，讲稿共一百三十四页哦好象物理学上的联通管，好象物理学上的联通管，若进水量等于出水量，若进水量等于出水量，即流量达到平衡时，即流量达到平衡时，离进水口最近的水管离进水口最近的水管中水位最高，离出水中水位最高，离出水管最近的水管中水位管最近的水管中水位最低，从进水管到出最低，从进水管到出水管水位逐渐减低，水管水位逐渐减低，若把水流视为电子流，若把水流视为电子流，就是此情况。就是此情况。第六十四页，讲稿共一百三十四页哦使用特异的抑使用特异的抑制剂制剂特异的抑制剂能特异的抑制剂能阻断呼吸链中阻断呼吸链中的特定环节，的特定环节，阻断部位的底阻断部位的底物一侧的各种物一侧的各种传递体应为还传递体应为还原型，阻断部原型，阻断部位的氧一侧的位的氧一侧的各种传递体应各种传递体应为氧化型。为氧化型。第六十五页，讲稿共一百三十四页哦表表中中可可见见FP、Cyt b位位于于抗抗霉霉素素A阻阻断断部部位位之之前前，Cyt c、cl、aa3位位于于阻阻断断部部位位之之后后。用用不不同同的的抑抑制制剂剂作作此此实实验验，就就可可以以确确定定呼呼吸吸链链中中各各种种传递体的排列顺序。传递体的排列顺序。使用抗霉素使用抗霉素A前后递电子体的还原型百分数前后递电子体的还原型百分数第六十六页，讲稿共一百三十四页哦在体外实验中，将线粒体分成各种复合物，在体外实验中，将线粒体分成各种复合物，检测其各自催化的反应，再将其重组，检测检测其各自催化的反应，再将其重组，检测其催化能力。其催化能力。美国格林美国格林(Green)等实验室成功地将呼吸链分离等实验室成功地将呼吸链分离成具有催化活性的四种复合物以及成具有催化活性的四种复合物以及CoQ和和Cytc。将。将、和和这四种复合物这四种复合物1：1：1：1的比例混合，加上的比例混合，加上CoQ和和Cyt c重组，基重组，基本上恢复了线粒体原有的催化能力。本上恢复了线粒体原有的催化能力。第六十七页，讲稿共一百三十四页哦借助上述实验方法，呼吸链各组分的排列顺序借助上述实验方法，呼吸链各组分的排列顺序已基本明确，但仍有些不一致的看法，其中已基本明确，但仍有些不一致的看法，其中以以CoQ至细胞色素至细胞色素C以及以及Fe-S和和CoQ的定位的定位和数量也有争议。和数量也有争议。第六十八页，讲稿共一百三十四页哦6.2.2.3 呼吸链呼吸链在脱氢酶催化下底物在脱氢酶催化下底物AH2脱下的氢交给脱下的氢交给NAD生生成成NADH，在，在NADH脱氢酶作用下，脱氢酶作用下，NADH将两个氢原子传递给将两个氢原子传递给FMN生成生成FMNH2，再，再将氢传递至将氢传递至CoQ生成生成CoQH2，此时，此时2个氢原个氢原子解离成子解离成2H+2e，2H+游离于介质中，游离于介质中，2e经经Cyt b、c1、c、aa3传递，最后将传递，最后将2e传递给传递给1/2O2，生成，生成O2-，O2-与介质中游离的与介质中游离的2H+结结合生成水。合生成水。第六十九页，讲稿共一百三十四页哦 琥珀酸在脱氢生成的琥珀酸在脱氢生成的FADH2，将氢传递给，将氢传递给CoQ，生成，生成CoQH2，此，此后的传递和后的传递和NADH氧化氧化呼吸链相同。呼吸链相同。第七十页，讲稿共一百三十四页哦 线粒体中物质代谢会生成大量的线粒体中物质代谢会生成大量的NADH和和FADH2，它们可来自丙酮酸氧化脱羧、，它们可来自丙酮酸氧化脱羧、TCA、脂肪酸的、脂肪酸的-氧化和氧化和L-谷氨酸的氧化脱谷氨酸的氧化脱氨等反应。氨等反应。第七十一页，讲稿共一百三十四页哦第七十二页，讲稿共一百三十四页哦6.2.3 电子传递抑制剂电子传递抑制剂电电子子传传递递抑抑制制剂剂能能够够在在呼呼吸吸链链某某一一特特定定部部位位阻阻断电子传递。断电子传递。第七十三页，讲稿共一百三十四页哦鱼藤酮鱼藤酮(rotenone)鱼鱼藤藤酮酮是是一一种种极极毒毒的的植植物物毒毒素素，用用作作杀杀虫虫剂剂，它它抑抑制制复复合合物物，阻阻断断电电子子由由NADHCoQ的的传递，但不影响传递，但不影响FADH2CoQ的氢传递。的氢传递。安安密密妥妥(amytal)、杀杀粉粉蝶蝶菌菌素素A(piericidin A)等等与鱼藤酮作用位点相同。与鱼藤酮作用位点相同。第七十四页，讲稿共一百三十四页哦抗霉素抗霉素A(antimycin A)抗抗霉霉素素A是是从从灰灰色色链链球球菌菌分分离离出出的的一一种种抗抗菌菌素素，抑制复合物抑制复合物的电子传递作用。的电子传递作用。氰化物、叠