《生物氧化和生物能》PPT课件.ppt

第六章第六章 生物氧化和生物能生物氧化和生物能w维持生命活动的能量，主要有维持生命活动的能量，主要有两个来源两个来源：w光光能能（太太阳阳能能）：植植物物和和某某些些藻藻类类，通通过过光光合合作用将光能转变成生物能。作用将光能转变成生物能。w化化学学能能：动动物物和和大大多多数数的的微微生生物物，通通过过生生物物氧氧化化作作用用将将有有机机物物（主主要要是是各各种种光光合合作作用用产产物物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。存储的化学能释放出来，并转变成生物能。能量是生命赖以存在的基础能量是生命赖以存在的基础生物氧化主要讨论的问题生物氧化主要讨论的问题w细胞如何利用细胞如何利用O2将代谢产物分子中的将代谢产物分子中的H氧氧化成水。化成水。w代谢产物中的代谢产物中的C如何在酶的催化作用下生如何在酶的催化作用下生成成CO2w有机物被氧化时产生的自由能如何被收集、有机物被氧化时产生的自由能如何被收集、转换或存储转换或存储一、一、生物氧化生物氧化概念概念w有机物在生物体内的氧化作用，称为有机物在生物体内的氧化作用，称为生物氧化生物氧化。w生物氧化通常需要消耗氧并释放出生物氧化通常需要消耗氧并释放出COCO2 2，所以又，所以又称为称为呼吸作用呼吸作用。w主要指糖、脂肪、蛋白质在体内分解时逐步释主要指糖、脂肪、蛋白质在体内分解时逐步释放能量，最终生成二氧化碳和水的过程。放能量，最终生成二氧化碳和水的过程。w有机物在生物体内的氧化包括物质有机物在生物体内的氧化包括物质分解分解和和产能产能二、生物氧化的方式二、生物氧化的方式w生生物物氧氧化化是是在在一一系系列列氧氧化化-还还原原酶酶催催化化下下分分步步进进行行的的。每每一一步步反反应应，都都由由特特定定的的酶酶催催化化。在在生生物物氧氧化化过过程程中中，主主要要包包括括如如下下三种氧化方式。三种氧化方式。1 1脱氢氧化反应脱氢氧化反应w（1 1）直接脱氢）直接脱氢(最主要最主要)w在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。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。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。脂肪酸脱氢脂肪酸脱氢w琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢酶醛酮脱氢醛酮脱氢w乳酸脱氢乳酸脱氢（2 2）加水脱氢）加水脱氢w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加氧的氧化反应加氧的氧化反应w（1 1）加氧酶加氧酶催化的加氧反应催化的加氧反应w加加氧氧酶酶能能够够催催化化氧氧分分子子直直接接加加入入到到有有机机分子中。例如，分子中。例如，w 甲烷单加氧酶甲烷单加氧酶 CHCH4 4+NADH+O+NADH+O2 2 CH CH3 3-OH+NAD-OH+NAD+H+H2 2O O2 2加氧的氧化反应加氧的氧化反应w（2 2）氧化酶氧化酶催化的生成水的反应催化的生成水的反应w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电子子，最最后后都都是是以以这这种种形式进行氧化的。形式进行氧化的。w2细胞色素c（Fe2+）+2H+1/2O2细胞色素c氧化酶2细胞色素c（Fe3+）+H2O3 3失电子的氧化反应失电子的氧化反应w例如：例如：Fe Fe 2+2+Fe3+4 4、COCO生成的方式生成的方式w基本方式基本方式：有机酸脱有机酸脱羧w分分类 -脱脱羧 -脱脱羧（羧基位置基位置）直接脱直接脱羧（不伴氧化不伴氧化）氧化脱氧化脱羧（伴氧化伴氧化）w（1 1）直接脱羧作用）直接脱羧作用w氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化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。例如丙酮酸下，直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。的脱羧。-直接脱直接脱羧COOHC=OCH2COOH-直接脱直接脱羧COOHC=O+CO2CH3OCH3CCOOHOCH3CH+CO2草酰乙酸丙酮酸草酰乙酸脱羧酶-酮酸脱羧酶w（2 2）氧化脱羧作用）氧化脱羧作用w氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）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，在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧氧化脱羧氧化脱氧化脱羧COOHC=O+CO2+NADH+H+CH3COOHCHOH+NAD+CH2COOH苹果酸丙酮酸5 5、H H2 2O O生成方式生成方式w代代谢产物被各种脱物被各种脱氢酶催化作用下脱催化作用下脱氢，脱下的脱下的氢经过一系列一系列传递体的体的传递，最后，最后与氧与氧结合生成水。合生成水。三、生物氧化的特点三、生物氧化的特点w1.1.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，反应条件温和反应条件温和（水溶液，（水溶液，pHpH 7 7和常温）。和常温）。w2.2.生生物物氧氧化化过过程程中中，必必然然伴伴随随生生物物还还原原反反应应的的发生。发生。w3.3.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。通通过过加加水水脱氢作用直接参与了氧化反应。脱氢作用直接参与了氧化反应。三、生物氧化的特点三、生物氧化的特点w4.4.在在生生物物氧氧化化中中含含碳碳化化合合物物的的氧氧化化过过程程通通过过脱脱氢氢来来实实现现（氢氢质质子子和和电电子子），脱脱下下来来的的H H通通常常由由各各种种载载体体接接受受，如如NADNAD+等等，进进而而把把氢氢传传递递到到氧氧并并生生成成水水（氢氢的的氧氧化化）。碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。w5.5.生物氧化是一个生物氧化是一个分步分步进行的过程。每进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的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。这种逐步进行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放能反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。量，提高能量利用率。w6.6.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合成合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能生物能ATPATP。生物氧化的特点生物氧化的特点 反应条件反应条件 温温 和和 剧剧 烈烈 (体温、体温、pHpH近中性近中性)()(高温、高压高温、高压)反应过程反应过程 逐步进行的酶促反应逐步进行的酶促反应 一步完成一步完成能量释放能量释放 逐步进行逐步进行 瞬间释放瞬间释放 （化学能、热能）（化学能、热能）（热能）（热能）COCO2 2生成方式生成方式 有机酸脱羧有机酸脱羧 碳和氧结合碳和氧结合H H2 2O O 需需 要要 不需要不需要速率速率 受体内多种因素调节受体内多种因素调节生物氧化生物氧化体外燃体外燃烧1.1.本质本质 生物氧化的本质是电子的得失，失生物氧化的本质是电子的得失，失电子者为还原剂，是电子供体，得电子者为氧电子者为还原剂，是电子供体，得电子者为氧化剂，是电子受体化剂，是电子受体.在生物体内，它有三种方在生物体内，它有三种方式：式：w加氧氧化w电子转移 四、生物氧化的本质及过程四、生物氧化的本质及过程O2苯丙氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸 酪氨酸酪氨酸酪氨酸酪氨酸乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶n 脱氢氧化脱氢氧化w 在无氧条件下，兼性生物或厌氧生物能利用细在无氧条件下，兼性生物或厌氧生物能利用细胞中的胞中的氧化型物质作为电子受体，将燃料分子作为电子受体，将燃料分子氧化分解，这称为氧化分解，这称为无氧氧化无氧氧化。这些生物有的以。这些生物有的以有机物分子作为最终的氢受体有机物分子作为最终的氢受体(如厌氧发酵如厌氧发酵)，有的则以无机物分子作为氢受体有的则以无机物分子作为氢受体(如微生物中的如微生物中的化能自养菌对化能自养菌对NONO3 3-、SOSO4 42-2-的利用的利用)。2.2.无氧氧化无氧氧化 3.3.有氧氧化有氧氧化 生物氧化在有氧和无氧条件下都能进行。在生物氧化在有氧和无氧条件下都能进行。在有氧条件下，好氧生物或兼性生物吸收空气有氧条件下，好氧生物或兼性生物吸收空气中的氧作为中的氧作为电子受体电子受体，可将燃料分子完全氧，可将燃料分子完全氧化分解，这称为化分解，这称为有氧氧化有氧氧化。因为有氧氧化燃。因为有氧氧化燃烧完全，产能多，所以，只要有氧气存在，烧完全，产能多，所以，只要有氧气存在，细胞都优先进行有氧氧化。细胞都优先进行有氧氧化。第二节第二节 生物能及其存在形式生物能及其存在形式w一、生物能和一、生物能和ATPATPw1.ATP1.ATP是生物能存在的主要形式是生物能存在的主要形式wATPATP是能够被生物细胞直接利用的特殊能量形式。是能够被生物细胞直接利用的特殊能量形式。wATP ATP 是生物体内最重要的能量转换中间体。是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP ATP 水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。的生化反应。w光能光能ATP ATP 化学能化学能ATPATP光合作用生物氧化2.ATP的结构的结构ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）腺嘌呤核糖核苷三磷酸腺嘌呤核糖核苷三磷酸生物能的化学本质：存储生物能的化学本质：存储于于ATP分子焦磷酸碱的化分子焦磷酸碱的化学能学能焦磷酸键焦磷酸键为什么ATP可以提供能量？释放能量G=-31KJ/mol释放能量G=-31KJ/molADP+PiATP水解或磷酸化AMP+PPiATP水解ATPADP+Pi光能（光合作用）化学能（生物氧化）储存能量ATP与与ADP之间的相互转变是生物利用光能或化学能的之间的相互转变是生物利用光能或化学能的基本分子机制，是连接光能和化学能的纽带基本分子机制，是连接光能和化学能的纽带的特点的特点（1 1）ATPATP是一种瞬时的自由能供体。它一经生成，是一种瞬时的自由能供体。它一经生成，即通过水解或磷酰化反应向各种需能活动提供即通过水解或磷酰化反应向各种需能活动提供能量，而本身则变成能量，而本身则变成ADPADP（或（或AMPAMP）。因此，）。因此，ATPATP不是能量的长效贮存者。不是能量的长效贮存者。（2 2）ATPATP、ADPADP和和 PiPi在细胞内始终动态平衡状态，在细胞内始终动态平衡状态，以适应细胞对能量的需求。如在细菌中，以适应细胞对能量的需求。如在细菌中，ATPATP、ADPADP和和Pi Pi 的摩尔比约为的摩尔比约为8 8：1 1：8 8。的特点的特点（3 3）ATPATP是是生命活动中能量的主要直接供体，因生命活动中能量的主要直接供体，因此此ATPATP不断产生又不断消耗，不断产生又不断消耗，ATPATP和和ADPADP的转换的转换率非常高。率非常高。例如：一个静卧的人例如：一个静卧的人2424小时内生成小时内生成和消耗约和消耗约4040公斤公斤ATPATP。二、二、生物化学反应的自由能变化生物化学反应的自由能变化w生物化学反应与普通的化学反应一样生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从热也服从热力学的规律。力学的规律。w自由能的公式：自由能的公式：G G =H H -T -T S S v自由能自由能(G G）:指在一个体系的总能量中，在恒温恒指在一个体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量压条件下能够做功的那一部分能量。v自由能自由能对于生物有特别重要的意义。因为我们不对于生物有特别重要的意义。因为我们不仅可以用它判断生物化学反应是否可以自发进行，仅可以用它判断生物化学反应是否可以自发进行，而且生物所利用的也正是生物化学反应所释放出而且生物所利用的也正是生物化学反应所释放出的自由能。的自由能。利用自由能判断反应的进行方向v自由能变化（自由能变化（G G）:A B A B G=GG=GB B-G GA AG G是衡量反应是衡量反应自发性自发性的标准。的标准。G=0G=0，平衡状态；，平衡状态；G 0G0G 0，吸能，非自发进行，吸能，非自发进行，要想使过程进行，要想使过程进行，必需向系必需向系统提供足够多的能量统提供足够多的能量。在生物系统中，为了使某一个在生物系统中，为了使某一个 G 0G 0的反应顺利进的反应顺利进行，往往需要和另一个可以释放能量的反应行，往往需要和另一个可以释放能量的反应偶联：偶联：AB+CXY酶G=+20 kJ/molG=-33.47 kJ/mol则：G=-13.47 kJ/mol可见，虽然上一个反应的G为正，反应不能自发进行，但由于它和另一个反应偶联，其总的G为负数，所以，总反应是可以自发进行的。总反应是可以自发进行的。自由能变化的可加性及其自由能变化的可加性及其 在生物化学中的意义在生物化学中的意义vATPATP在生命活动中起极其重要的作用，几乎所在生命活动中起极其重要的作用，几乎所有的生物需能反应都由有的生物需能反应都由ATPATP释放能量来驱动。释放能量来驱动。vATPATP末端磷酸基团水解时，其标准自由能变化末端磷酸基团水解时，其标准自由能变化为为30.530.5千焦千焦/摩尔，它通过酶和其它生物化摩尔，它通过酶和其它生物化学反应相偶联，即可以使多数不能自发进行的学反应相偶联，即可以使多数不能自发进行的反应得以顺利进行。反应得以顺利进行。ATPADP+PiA+BC+D酶G0 G0G0ATPATP与需能生化反应相偶联与需能生化反应相偶联二、高能化合物二、高能化合物w磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起者重磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起者重要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放出自由能。释放出自由能。w一般将水解时能够释放一般将水解时能够释放21 kJ/mol21 kJ/mol以上自由能以上自由能（G G -21 kJ/mol-21 kJ/mol）的化合物称为高能化合物。）的化合物称为高能化合物。wATPATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。w根据生物体内高能化合物根据生物体内高能化合物键的特性键的特性可以把他们分成可以把他们分成以下几种类型。以下几种类型。1.磷氧键型（OP)酰基磷酸化合物1,3二磷酸甘油酸乙酰磷酸42.2kJ/molkJ/mol49kJ/molkJ/mol2.焦磷酸化合物焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）焦磷酸焦磷酸31kJ/molkJ/mol3.3.烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸62kJ/molkJ/mol4.4.氮磷键型氮磷键型磷酸肌酸磷酸肌酸43kJ/molkJ/mol这种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。5.5.硫酯键型硫酯键型3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸酰基辅酶A6.6.甲硫键型甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸第三节第三节 线粒体呼吸链和线粒体呼吸链和ATPATP合成合成w生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢，生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢，经生物氧化作用和吸入的氧结合而成的。经生物氧化作用和吸入的氧结合而成的。生物体主要以生物体主要以脱氢酶、传递体及氧化酶脱氢酶、传递体及氧化酶组组成生物氧化体系，以促进水的生成。成生物氧化体系，以促进水的生成。H2OMH2M递氢体递氢体H2NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ还原型氧化型Cyt递电子体递电子体b,c1,c,aa32H+2eO2O2-脱氢酶脱氢酶氧化酶氧化酶一、线粒体膜的结构特点一、线粒体膜的结构特点w原核细胞不含线粒体，大多数动植物真原核细胞不含线粒体，大多数动植物真核细胞都含有线粒体。核细胞都含有线粒体。w线粒体为棒状小粒，由内外膜和基质组线粒体为棒状小粒，由内外膜和基质组成。成。w外膜：平滑，有弹性。脂质多，酶蛋白外膜：平滑，有弹性。脂质多，酶蛋白量少。通透性较大，分子量小于一万的量少。通透性较大，分子量小于一万的分子都可以通过。分子都可以通过。w内膜：内膜部分曲折伸入基质使内外膜内膜：内膜部分曲折伸入基质使内外膜之间形成孔穴。向内折叠的突起为嵴，之间形成孔穴。向内折叠的突起为嵴，酶蛋白较多。半透膜，只有部分小分子酶蛋白较多。半透膜，只有部分小分子物质可以通过。物质可以通过。w基质：富含酶和蛋白质，还含有基质：富含酶和蛋白质，还含有DNA、RNA等。等。嵴放大示意图内膜内膜外膜外膜内、外膜内、外膜间隔隔嵴ATPATP合合酶ATPATP生成的结构基础生成的结构基础w线粒体含有多种酶系。线粒体含有多种酶系。w内膜：主要是内膜：主要是呼吸链电呼吸链电子传递酶系（脱氢酶和子传递酶系（脱氢酶和氧化还原酶）、氧化磷氧化还原酶）、氧化磷酸化酶系酸化酶系w脂质体内：糖类分解氧脂质体内：糖类分解氧化酶系、脂酸的氧化酶化酶系、脂酸的氧化酶系、核酸合成酶系和蛋系、核酸合成酶系和蛋白质合成酶系白质合成酶系w线粒体是进行生物代谢线粒体是进行生物代谢和能量转换最重要的场和能量转换最重要的场所。所。w真核细胞：线粒体真核细胞：线粒体w原核细胞：质膜原核细胞：质膜w氧化还原酶，按一定顺序排列。氧化还原酶，按一定顺序排列。w构成它们的辅酶或辅基起到传递氢或电子构成它们的辅酶或辅基起到传递氢或电子的作用，称为：的作用，称为：传递体传递体w递氢体：递氢体：传递氢的辅酶或辅基传递氢的辅酶或辅基w递电子体：传递电子的辅酶或辅基。递电子体：传递电子的辅酶或辅基。二、呼吸链二、呼吸链定义定义:由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶系由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶系构成的氧化还原体系，与细胞利用氧的呼吸构成的氧化还原体系，与细胞利用氧的呼吸过程有关，通常称为过程有关，通常称为呼吸链，生物氧化还原呼吸链，生物氧化还原链或电子传递链。链或电子传递链。呼吸作用中的电子传递链，分布于线粒体内呼吸作用中的电子传递链，分布于线粒体内膜。膜。1.1.典型的呼吸链有两种，即典型的呼吸链有两种，即NADHNADH氧化呼吸链氧化呼吸链和和琥琥珀酸氧化呼吸链珀酸氧化呼吸链。线粒体呼吸链的分类和组成线粒体呼吸链的分类和组成呼吸链的种类呼吸链的种类返回NADHNADH氧化呼吸链氧化呼吸链w电子从电子从NADHNADH传递到传递到O O2是线粒体呼吸链电子是线粒体呼吸链电子传递的一条主要途径。包括电子载体和蛋传递的一条主要途径。包括电子载体和蛋白质复合物。白质复合物。w电子载体：电子载体：NADHNADH，泛醌，泛醌Q Q或辅酶或辅酶Q Q，细胞色，细胞色素素c cw蛋白质复合物：蛋白质复合物：NADH-NADH-泛醌还原酶（复合物泛醌还原酶（复合物I I），泛醌），泛醌-细胞色素细胞色素c c还原酶（复合物还原酶（复合物IIIIII），细胞色素），细胞色素c c氧化酶（复合物氧化酶（复合物IVIV）wNADHNADH：还原型辅酶。它是：还原型辅酶。它是NADNAD+的还原产物，的还原产物，由由NADNAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADHNADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。要电子供体之一。w泛醌（泛醌（Q Q）或辅酶）或辅酶-Q-Q（CoQCoQ）：是电子传递）：是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。链中唯一的非蛋白电子载体。w细胞色素细胞色素c c：电子传递链中一个独立的蛋：电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体。白质电子载体。电子载体电子载体NADH中的功能结构：NADH中的功能部分NAD+（烟酰胺环）NAD+接受电子和质子，还原成NADH，NADH也容易给出电子和质子，氧化成NAD+。因此可以作为电子和质子的传递体。电子载体电子载体（烟酰胺环）NAD+和和NADP+的的结构构NAD+：R=HNADP+：R=PO32-尼克酰胺核苷酸类尼克酰胺核苷酸类泛醌（Q）或辅酶-Q（CoQ）Q容易接受电子和质子，还原成QH2（还原性），QH2也容易给出电子和质子，重新氧化成Q。因此可以作为电子和质子的传递体。QQH2电子载体电子载体辅酶辅酶-Q-Q的功能的功能wQ Q(醌醌型型结结构构)很很容容易易接接受受电电子子和和质质子子，还还原原成成QHQH2 2（还还原原型型）；QHQH2 2也也容容易易给给出出电电子子和和质质子子，重重新新氧氧化化成成Q Q。因因此此，它它在在线线粒粒体体呼呼吸吸链链中中作作为为电电子子和质子的传递体。和质子的传递体。细胞色素细胞色素w（简简写写为为cytcyt）是是含含铁铁的的电电子子传传递递体体，辅辅基基为为铁铁卟卟啉啉的的衍衍生生物物，铁铁原原子子处处于于卟卟啉啉环环的的中中心心，构构成成血血红红素素。各各种种细细胞胞色色素素的的辅辅基基结结构构略略有有不不同同。线线粒粒体体呼呼吸吸链链中中主主要要含含有有细细胞胞色色素素a,a,b,b,c c 和和c c1 1等等，组组成成它它们们的的辅辅基基分分别别为为血血红红素素A A、B B和和C C。细细胞胞色色素素a,a,b,b,c c可可以以通通过过它它们们的的紫紫外外-可可见见吸吸收收光光谱来鉴别。谱来鉴别。w 细胞色素细胞色素c c（cyt.ccyt.c）它它是是电电子子传传递递链链中中一一个个独独立立的的蛋蛋白白质质电电子子载载体体，位位于于线线粒粒体体内内膜膜外外表表，属属于于膜膜周周蛋蛋白白，易易溶溶于于水水。它它与与细细胞胞色色素素c c1 1含含有有相相同同的的辅辅基基，但但是是蛋蛋白白组组成成则则有有所所不不同同。在在电电子子传传递递过过程程中中，cyt.cyt.c c通通过过FeFe3+3+FeFe2+2+的的互互变变起起电电子子传传递递中中间体作用。间体作用。电子载体电子载体功能：单电子传递体功能：单电子传递体w细胞色素主要是通过细胞色素主要是通过Fe3+Fe2+的互的互变起传递电子的作用的。变起传递电子的作用的。NADHNADH 泛醌还原酶泛醌还原酶w简写为简写为NADHNADH Q Q还原酶还原酶,即复合物即复合物I I，它，它的作用是催化的作用是催化NADHNADH的氧化脱氢以及的氧化脱氢以及Q Q的还的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。还原酶。NADHNADH Q Q还原酶最少含有还原酶最少含有1616个多个多肽亚基。肽亚基。wNADH Q还原酶还原酶wNADH+Q+H+=NAD+QH2蛋白质复合物蛋白质复合物wFMNFMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型质子，形成还原型FMNHFMNH2 2。还原型。还原型FMNHFMNH2 2可可以进一步将电子转移给以进一步将电子转移给Q Q。(将电子从将电子从NADH传递给传递给CoQ)蛋白质复合物蛋白质复合物NADH 泛醌还原酶泛醌还原酶辅基：辅基：FMN，铁硫蛋白，铁硫蛋白FMN（黄素核苷酸）（黄素核苷酸）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸）功能结构：异咯嗪环异咯嗪环黄素核苷酸的作用原理黄素核苷酸的作用原理核黄素核黄素(黄色黄色)FAD/FMN FADH2/FMNH2+2H+2H-2H-2H+2H-2H还原型还原型 核黄素核黄素(无色无色)铁硫蛋白铁硫蛋白w铁硫蛋白铁硫蛋白(简写为简写为Fe-S)Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白是一种与电子传递有关的蛋白质，它与质，它与NADHNADH Q Q还原酶的其它蛋白质组分结合成复合还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。它主要以物形式存在。它主要以 (2Fe-2S)(2Fe-2S)或或 (4Fe-4S)(4Fe-4S)形式形式存在。存在。(2Fe-2S)(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过铁硫蛋白通过FeFe3+3+Fe Fe2+2+变化起传递电子的作用变化起传递电子的作用Fe2+Fe3+-e+e铁硫蛋白的作用原理铁硫蛋白的作用原理FMN（Fe-S）FAD(Fe-S)b在复合物在复合物I的电子和质子的传递中，的电子和质子的传递中，Q一次接受来自铁硫蛋白的一次接受来自铁硫蛋白的1个电子，经过半个电子，经过半醌自由基中间体，最终还原成还原型的醌自由基中间体，最终还原成还原型的QH2。NADH 泛醌还原酶泛醌还原酶wFMN接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型还原型FMNH2将电子转移给铁硫蛋白，铁硫蛋白再将电子和将电子转移给铁硫蛋白，铁硫蛋白再将电子和电子传递给辅酶电子传递给辅酶Q。w(总过程是将电子和质子从总过程是将电子和质子从NADH传递给传递给CoQ)泛醌泛醌 细胞色素细胞色素c c还原酶还原酶w简简写写为为QHQH2 2-cytc-cytc还还原原酶酶,即即复复合合物物IIIIII,它它是是线线粒粒体体内内膜膜上上的的一一种种跨跨膜膜蛋蛋白白复复合合物物，其其作作用用是是催催化化还还原原型型QHQH2 2的的氧氧化化和和细细胞胞色色素素c c（cyt.cyt.c c）的的还原。还原。w QHQH2 2-cyt.c-cyt.c 还原酶还原酶wQHQH2 2 +2 cyt.c(Fe+2 cyt.c(Fe3+3+)=Q +2 cyt.c(Fe)=Q +2 cyt.c(Fe2+2+)+2H)+2H+w QHQH2 2-cyt.-cyt.c c还还原原酶酶由由9 9个个多多肽肽亚亚基基组组成成。活活性性部部分分主主要要包包括括细细胞胞色色素素b b 和和c c1 1，以以及及铁铁硫硫蛋蛋白白（2Fe-2S2Fe-2S）。）。蛋白质复合物蛋白质复合物泛醌泛醌 细胞色素细胞色素c还原酶还原酶还原型的辅酶Q，脱去H+，并将电子给了Cytb,Cytb将电子传递给氧化型的铁硫蛋白，还原型铁硫蛋白将电子给了Cytc1，还原型Cytc1又将电子给了Cytc。总过程：还原型辅酶Q中的电子传递给了Cytcw由于由于QHQH2 2是一个双电子载体是一个双电子载体，而参与上述反应过程的其它，而参与上述反应过程的其它组分组分(如如cyt.c)cyt.c)都是单电子传递体，所以，实际反应情都是单电子传递体，所以，实际反应情况比较复杂。况比较复杂。QHQH2 2所携带的一个高能电子通过铁硫蛋白，所携带的一个高能电子通过铁硫蛋白，传递给，本身形成半醌自由基（传递给，本身形成半醌自由基（QHQH）；另一个电子则传）；另一个电子则传递给。还原型可以将递给。还原型可以将QHQH 还原成还原成QHQH2 2。其结果是通过一个。其结果是通过一个循环，循环，QHQH2 2将其中的一个电子传递给将其中的一个电子传递给cyt.ccyt.c。w简写为简写为cyt.c cyt.c 氧化氧化酶，即复合物酶，即复合物IVIV，它是位于线粒体呼它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复吸链末端的蛋白复合物，由合物，由1212个多肽个多肽亚基组成。活性部亚基组成。活性部分主要包括分主要包括cyt.acyt.a和和a a3 3。蛋白质复合物蛋白质复合物细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶功能：将电子从功能：将电子从Cytc最终传递到最终传递到O2wcyt.acyt.a和和a a3 3组成一个复合体，除了含有铁组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有卟啉外，还含有铜原子铜原子。cyt.a acyt.a a3 3可以可以直接以直接以O O2 2为电子受体。为电子受体。w在电子传递过程中，分子中的铜离子可以在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生发生CuCu+Cu Cu2+2+的互变，将所携带的电子的互变，将所携带的电子传递给传递给O O2 2。wNADHNADH呼吸链呼吸链wNADH NADH 呼吸链应用最广，糖、蛋白质、脂肪呼吸链应用最广，糖、蛋白质、脂肪三大燃料分子分解代谢中的脱氢氧化反应，三大燃料分子分解代谢中的脱氢氧化反应，绝大部分是通过绝大部分是通过NADH NADH 呼吸链完成。呼吸链完成。电子传递的另一条途径是从琥珀酸传递到电子传递的另一条途径是从琥珀酸传递到O O2 2，在这条呼吸链中，代谢中间物的氢原，在这条呼吸链中，代谢中间物的氢原子是由以子是由以FAD FAD 为辅基的脱氢酶脱氢，即底为辅基的脱氢酶脱氢，即底物脱下氢的初始受体是物脱下氢的初始受体是FADFAD。所以琥珀酸。所以琥珀酸氧化呼吸链又称为氧化呼吸链又称为FADHFADH2 2 呼吸链。呼吸链。琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链w功能：将电子从琥珀酸传递给功能：将电子从琥珀酸传递给CoQw辅基：辅基：FAD、Fe-S琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶还原酶w琥琥珀珀酸酸是是生生物物代代谢谢过过程程（三三羧羧酸酸循循环环）中中产产生生的的中中间间产产物物，它它在在琥琥珀珀酸酸-Q-Q还还原原酶酶（复复合合物物IIII）催催化化下下，将将两两个个高高能能电电子子传传递递给给Q Q。再再通通过过QHQH2 2-cyt,-cyt,c c还还原原酶酶、cyt.cyt.c c和和cyt.cyt.c c氧氧化化酶酶将将电电子传递到子传递到O O2 2。琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链w琥琥珀珀酸酸-Q-Q还还原原酶酶也也是是存存在在于于线线粒粒体体内内膜膜上上的的蛋蛋白白复复合合物物,它它比比NADH-QNADH-Q还还原原酶酶的的结结构构简简单单，由由4 4个个不不同同的的多多肽肽亚亚基基组组成成。其其活活性性部部分分含含有有辅辅基基FADFAD和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。w琥琥珀珀酸酸-Q-Q还还原原酶酶的的作作用用是是催催化化琥琥珀珀酸酸的的脱脱氢氢氧氧化和化和Q Q的还原的还原。琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-S复合物复合物IV复合物复合物I复合物复合物IIINADH-Q NADH-Q 还原酶还原酶还原酶还原酶细胞色素还原酶细胞色素还原酶细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶FADH2Fe-S琥珀酸等琥珀酸等复合物复合物II琥珀酸琥珀酸-Q还原酶还原酶两条呼吸链w呼吸链中，在呼吸链中，在CoQ CoQ 之前是传递氢的，在之前是传递氢的，在CoQ CoQ 之后是传递电子，而氢以之后是传递电子，而氢以H H+质子形式质子形式进入介质中。进入介质中。氧化还原反应氧化还原反应指反应过程中凡是有电子从一指反应过程中凡是有电子从一物质（还原剂）转移到另一物质（氧化剂）的物质（还原剂）转移到另一物质（氧化剂）的化学反应都属于氧化还原反应。化学反应都属于氧化还原反应。氧化剂氧化剂A3+A2+B2+还原剂还原剂B3+A3+/A2+氧化氧化-还原电对还原电对B3+/B2+得失电子能力不同得失电子能力不同e二、氧化二、氧化-还原电势与自由能的变化还原电势与自由能的变化1 1、氧化还原电势：氧化还原电势：指氧化还原反应中，反应物得指氧化还原反应中，反应物得失电子的能力。用失电子的能力。用E E表示。表示。通常所说某一物质的氧化还原电势都是和标准氢通常所说某一物质的氧化还原电势都是和标准氢电极比较得到的。电极比较得到的。标准状态下测得的为标准氧化还原电势标准状态下测得的为标准氧化还原电势E E0 0；而生；而生化反应是在化反应是在条件下进行的，故此时测得的氧化还条件下进行的，故此时测得的氧化还原电位为原电位为生化氧化还原电势生化氧化还原电势 E E0 0。生物体内一些氧化还原体系的生物体内一些氧化还原体系的生化氧化还原电势生化氧化还原电势 E E0 0。一般一般E E0 0 值越小，表示该氧还对的还原态失值越小，表示该氧还对的还原态失电子能力越大，即还原能力越强，是强还电子能力越大，即还原能力越强，是强还原剂。原剂。E E0 0值越大，表示该氧还对的氧化态得电子值越大，表示该氧还对的氧化态得电子能力越大，即氧化能力越强，是强氧化剂。能力越大，即氧化能力越强，是强氧化剂。在氧化还原反应中，电子总是从在氧化还原反应中，电子总是从E E0 0值较小的物值较小的物质转移到值较大的物质，即从还原剂流向氧化质转移到值较大的物质，即从还原剂流向氧化剂。剂。氧化剂氧化剂A3+A2+B2+还原剂还原剂B3+A3+/A2+氧化氧化-还原电对还原电对B3+/B2+得失电子能力不同得失电子能力不同e呼吸链中电子传递方向是从呼吸链中电子传递方向是从E E0 0值小向大的方向传值小向大的方向传递递 E E0 0越小，越易失去电子，处于呼吸链的前面，越小，越易失去电子，处于呼吸链的前面，反之，反之，E E0 0越大，越易得到电子，处于呼吸链的后越大，越易得到电子，处于呼吸链的后面。面。当电子从当电子从E E0 0 值小的物质传到值小的物质传到E E0 0值大的物质值大的物质时，伴随着自由能的降低，即有热量放出时，伴随着自由能的降低，即有热量放出:GG0 0=nFnFEE0 0 =nFnF （E E0 0受体受体 E E0 0 供体供体）其中：其中：n n 是转移的电子数，是转移的电子数，F F 是法拉第常数。是法拉第常数。w在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物(氧化剂）接受电子。氧化剂）接受电子。在线粒体呼吸链中，推动电子从在线粒体呼吸链中，推动电子从NADHNADH传递到传递到O O2 2的力，是由于的力，是由于NADNAD+/NADH+H/NADH+H+和和1/2 O1/2 O2 2 /H/H2 2O O两个半反应之间存在很大的电势差。两个半反应之间存在很大的电势差。w(a)(a)O O2 2+2 H+2 H+2 e+2 e-H H2 2O EO E0 0=+0.82 V=+0.82 Vw(b)NAD(b)NAD+H+H+2 e+2 e-NADH E NADH E0 0=-0.322 V =-0.322 V w将将 (a)(a)减去减去 (b)(b)，即得，即得 (c)(c)式：式：w(c)(c)O O2 2 +NADH+2H+NADH+2H+H H2 2O+NADO+NAD+E E0 0=+1.14 V=+1.14 Vw G G =-nF=-nF E E0 0=-2 =-2 96500 96500 1.14=-220 kJ/mol 1.14=-220 kJ/mol三、电子传递和三、电子传递和ATP的合成的合成wNADHNADH或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到体呼吸链传递到O O2 2的过程中，释放出大量的过程中，释放出大量的能量。这种高能电子传递过程的释能反的能量。这种高能电子传递过程的释能反应与应与ADPADP和磷酸合成和磷酸合成ATPATP的需能反应相偶联，的需能反应相偶联，是是ATPATP形成的基本机制。形成的基本机制。酶复合体酶复合体w 线线粒粒体体内内膜膜的的表表面面有有一一层层规规则则地地间间格格排排列列着着的的球球状状颗颗粒粒，称称为为ATPATP酶酶复复合合体体，是是ATPATP合成的场所。合成的场所。w线粒体呼吸链的电子传递过程是在其内膜线粒体呼吸链的电子传递过程是在其内膜上进行的。上进行的。wATPATP酶，含有酶，含有5 5种不种不同的亚基（按同的亚基（按3 3、3 3、1 1、1 1 和和1 1 的比例结合）。的比例结合）。F F0 0为一个疏水蛋白，为一个疏水蛋白，是与线粒体电子传是与线粒体电子传递系统连接的部位。递系统连接的部位。ATPATP酶复合体酶复合体合成反应合成反应-氧化磷酸化氧化磷酸化 电子从电子从NADHNADH经电子传递链转移到分子经电子传递链转移到分子氧时，同时伴随有大量的自由能释放。氧时，同时伴随有大量的自由能释放。电子传递链中释放出的自由能大于部电子传递链中释放出的自由能大于部位可能就是氧化磷酸化的偶联部位。位可能就是氧化磷酸化的偶联部位。电子传递体系的氧化磷酸化电子传递体系的氧化磷酸化(也称