CoQ~Cyt c 0.21V
Cyt aa3~O2 0.53V
自由能变化
能否生成ATP
⊿Gº′=-nF⊿Eº′ (⊿Gº′是否大于30.5KJ)
69.5KJ/mol
能
40.5KJ/mol
能
102.3KJ/mol
能
氧化磷酸化偶联部位
琥珀酸
NADH
FAD (Fe-S)
FMN CoQ Cyt b→Cyt c→Cyt c (Fe-S)
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。例如苹果酸的氧化脱羧 生成丙酮酸。
生物氧化的特点
1、生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条 件温和（水溶液，pH7和常温）。氧化-还原反应偶联
2、CO2是有机酸脱羧，H2O是由代谢物脱下的氢与O2结合 生成，氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各 种载体，如NADH等传递到氧并生成水。
1、NADH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氧化呼吸链
琥珀酸
FADH2氧化呼吸链
NADH
FAD (Fe-S)
FMN CoQ Cyt b→Cyt c→Cyt c (Fe-S)
第八章
生物氧化与能量代谢
Biological Oxidation and energy metabolism
沈青
第一节
生物氧化 Biological oxidation
维持生命活动的能量主要有两个来源
光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合 作用将光能转变成生物能。
化学能：动物和大多数的微生物，通过生物氧 化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物） 存储的化学能释放出来，并转变成生物能。
3、生物氧化是一系列酶催化下逐步进行的酶促反应，有利 于能量逐步释放，提高能量利用率。释放的能量通过 与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生 物能ATP
生物氧化的一般过程
糖原
甘油三酯
蛋白质
葡萄糖
脂酸+甘油
氨基酸
乙酰CoA
ADP+Pi ATP
TAC
呼吸链
H2O
CO2
还原性电子载体： 2H NADH+H+或FADH2
Ⅰ
基质侧
QH2 Q
NADH+H+
NAD+
4H+
4H+ Cytc ox
4H+
Cytc ox
Cytc red
Cytc red
Ⅲ
线粒体内膜 Ⅳ
4H+
1/2O2+2H+
H2O
4H+
1、复合体Ⅰ作用是将NADH+H+中(尼克酰胺腺 嘌呤二核苷酸)的电子传递给泛醌(ubiquinone)
➢ 复合体Ⅰ又称NADH-泛醌还原酶。 ➢ 复合体Ⅰ电子传递：NADH→FMN(黄素单核
Cyt aa3 O2
差异：在FADH2氧化呼吸链，脱下的2H不经过 NAD+传递,其余过程与NADH呼吸链相同
ATP生成方式
在机体能量代谢中，ATP作为能量载体分子，是体内主要供 能的高能化合物 ➢ 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼吸链电
子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联 磷酸化。 ➢ 底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)与脱氢 反应偶联，生成底物分子的高能键，使ADP(GDP)磷酸 化生成ATP(GTP)的过程。不经电子传递。
复合体Ⅳ 细胞色素C氧 162 13 血红素a，a3，
化酶
CuA, CuB
➢ 泛醌不包含在上述四种复合体中。
含结合位点
NADH（基质侧） CoQ（脂质核心） 琥珀酸（基质侧） CoQ（脂质核心） Cyt c（膜间隙侧）
Cyt c（膜间隙侧）
（二）氧化呼吸链主要由5种递氢/电子体 组成
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+） 黄素蛋白：黄素单核苷酸（FMN）和黄素
氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反 应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产生的 氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化 的。
3．生成二氧化碳的氧化反应
（1）直接脱羧作用 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。例如丙酮酸的脱羧。 （2）氧化脱羧作用 氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在
一、氧化呼吸链是由具有电子 传递功能的复合体组成
The Oxidative respiratory chain is composed of compomers capable
of electron transport
（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力 的复合体组成
4H+
Ⅱ
琥珀酸
胞液侧
延胡索酸
1．脱氢氧化反应
（1）脱氢 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。催化脱 氢反应的是各种类型的脱氢酶。
烷基脂肪酸脱氢
琥珀酸脱氢
COOH CH2 CH2 COOH
COOH
CH
+
CH
COOH
2H+ + 2e-
醛酮脱氢
乳酸脱氢酶
OH
CH3CHCOOH NAD+
O CH3CCOOH NADH
线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值
底物
呼吸链的组成
P/O比值 可能生成的 ATP数
β-羟丁酸 NAD+ →复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ 2.5
2.5
→Cyt c→复合体Ⅳ→O 2
琥珀酸 复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ
1.5
1.5
→Cyt c→复合体Ⅳ→O 2
抗坏血酸 Cyt c→复合体Ⅳ→O 2
细胞色素c (Fe2+) 复合体Ⅳ→O 2
➢ 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。
➢ 电子传递过程：CoQH2→(Cyt bL→Cyt bH) →Fe-S →Cytc1→Cytc
➢ 复合体Ⅲ的电子传递通 过“Q循环”实现。
➢ 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。
➢ Cyt c是呼吸链唯一水 溶性球状蛋白，不包含 在复合体中。将获得的 电子传递到复合体Ⅳ。
➢ 电子传递：琥珀酸→FAD(黄素腺嘌呤二核苷 酸)→几种Fe-S →CoQ
➢ 复合体Ⅱ没有H+泵的功能。
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。
➢ 复合体Ⅲ又叫泛醌-细胞色素C还原酶，细胞色 素b-c1复合体，含有细胞色素b(b562, b566)、 细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白(Rieske protein)。
腺嘌呤二核苷酸（FAD） 铁硫蛋白（Fe-S） 辅酶Q（又称泛醌） 细胞色素体系（Cyt）
1、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）是 递氢体
是体内许多脱氢酶的辅酶 在呼吸链中，接受代谢物脱下的2H，传递
给黄素蛋白
氧化型
还原型
NADH—还原型尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸
它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的 产物。NADH所携带的高能电子是线粒体 呼吸链主要电子供体之一。
Cyt aa3 O2
ATP
复合体Ⅰ
ATP
复合体Ⅲ
ATP
复合体Ⅳ
(二)氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内 膜的质子梯度
1、化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)
电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线 粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜 内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓 度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。
复 合 体
Ⅳ 的 电 子 传 递 过 程
人线粒体呼吸链复合体
复合体
酶名称
质量 多肽 (kD) 链数
功能辅基
复合体Ⅰ NADH-泛醌 850 39 还原酶
FMN，Fe-S
复合体Ⅱ 琥珀酸-泛醌 140 4 还原酶
FAD，Fe-S
复合体Ⅲ 泛醌-细胞色 250 素C还原酶
11 血红素bL, bH, c1, Fe-S
量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进 行Fe2+ Fe3++e 反应传递电子。属于 单电子传递体。
铁硫中心主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在 Ⓢ 表示无机硫； S-cys表示铁硫蛋白半胱氨酸硫个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人 CoQ10），为一种脂溶性醌类化合物，能在内 膜中迅速扩散（可移动电子载体），在各复合 体间募集并穿梭传递质子和电子。
0.88
1
0.61-0.68
1
2、自由能变化
根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化 (△G0′)与还原电位变化(△E0′)之间有以下关系：
△G0′ = -nF△E0′ n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/mol·V)
电子传递链自由能变化
区段
电位变化 (⊿Eº′)
NAD+~CoQ 0.36V
苷酸)→Fe-S(铁硫蛋白)→ CoQ(泛醌) ➢ 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+H+ NAD+
FMN FMNH2
还原型Fe-S 氧化型Fe-S
Q QH2
复合体Ⅰ的功能
2、复合体Ⅱ功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。