【正文】 第六章 生物氧化 — 電子傳遞 和氧化磷酸化作用 (Biological oxidation —electron transport and oxidative phosphorylation) 一、電子傳遞和氧化呼吸鏈 二、氧化磷酸化作用 Respiration and energy One of the most plicated metabolic pathways encountered in biochemistrythe mitochondrial electron transport system and its related ATP synthase. Electron transferring via a chain of membrane bound carriers, across membrane proton gradient, ATP synthesis (with O2 consumed) Cells need energy to do all their work To generate and maintain its highly ordered structure (biosynthesis of macromolecules). To generate all kinds of movement. To generate concentration and electrical gradients across cell membranes. To maintain a body temperature. To generate light in some animals. Some historical facts about our understanding on oxidative phosphorylation ? 1930s: Pyruvate was known to be pletely oxidized to CO2 via the citric acid cycle (with O2 consumed). ? 1930s: NAD+ and FAD were found to be e carriers between metabolites and the respiratory chain. ? 1930s: Role of ATP and general importance of phosphorylation in bioenergetics were realized. ? 1950s: Isolated mitochondria were found to effect the obligatory coupling of the phosphorylation of ADP and the e transfer from NADH to O2. ? 1961, the chemiosmotic hypothesis was proposed for linking the e transfer and ADP phosphorylation (based on the uncoupling phenomenon and the intactness requirement) ? 1960s, ATP synthase was identified from mitochondria. 概念 ：糖類 、 脂肪 、 蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)在細胞中進行氧化分解生成 CO2和 H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化 （ biological oxidation） ， 其實質(zhì)是需氧細胞在呼吸代謝過程中所進行的一系列氧化還原反應過程 ， 所以又稱為 細胞氧化或細胞呼吸 。 生物氧化 Concept of Biological Oxidation Oxidation of materials in the biological body Degradation of glucoses,fatty acids,proteins Release of energy Formation of CO2 and H2O Trap the energy released as ATP and Body heat 與非生物氧化相比 : 相同點 生物氧化與非生物氧化的比較 ? 化學本質(zhì)相同，都是失電子反應，如脫氫、加氧、傳出電子。失電子者為還原劑，是電子供體，得電子者為氧化劑，是電子受體。在生物體內(nèi)，生物氧化有三種方式：加氧氧化，電子轉(zhuǎn)移和脫氫氧化。 ? 同種物質(zhì)不論以何種方式氧化，所釋放的能量相同。 Electron transfer via redox reactions generates biological energy Oxidative reaction Deelectron Dehydrate Add oxygen Reductive reaction Accept electron Add hydrate Deoxygen 不同點： ? 生物氧化是酶促反應，反應條件（如溫度、 pH）溫和；而體外燃燒則是劇烈的游離基反應，要求在高溫、高壓以及干燥的條件下進行。 ? 生物氧化分階段逐步緩慢地氧化，能量也逐步釋放； 而體外燃燒能量是爆發(fā)式釋放出來的。 ? 生物氧化釋放的能量有相當多的轉(zhuǎn)換成 ATP中活躍的化學能，用于各種生命活動；體外燃燒產(chǎn)生的能量則轉(zhuǎn)換為光和熱，散失在環(huán)境中。 CO2的生成 方式 ：生物氧化過程中生成的 CO2并不是代謝物上的碳原子與吸入的氧直接化合的結(jié)果 ， 而是有機酸 脫羧 作用生成的 。 糖 、 脂 、 蛋白質(zhì)等有機物轉(zhuǎn)變成 含羧基的中間化合物 ， 然后在酶催化下脫羧而生成 CO2。 根據(jù)所脫羧基在有機酸分子中的位置 ， 可將脫羧反應分為 α －脫羧和 β －脫羧；又根據(jù)反應的同時是否伴有氧化反應 ， 分為單純脫羧和氧化脫羧 。 類型 ： α 脫羧和 β 脫羧 （ 從脫羧的位置 ） 氧化脫羧和單純脫羧 （ 脫羧方式 ） Direct Decarboxylation ? d i r e c t d e c a r b o x y l a t i o nCH 2C C O O HO丙 酮 酸 脫 羧 酶H 3 C COC O O H + C O2H O O C草 酰 乙 酸? ???????? 丙 酮 酸? d i r e c t d e c a r b o x y l a t i o n H 3 C C C O O H O ? 酮 酸 脫 羧 酶 M g 2 + T P P H 3 C C O H + C O 2 Oxidative Decarboxylation ? o x i d a t i v e d e c a r b o x y l a t i o nH 3 C C C O O HO丙 酮 酸 氧 化 脫 羧 酶 系H 3 C CO+ C o A S H + N A D+乙 酰 輔 酶~ S C o A + N A D H + H++ C O 2?? o x i d a t i v e d e c a r b o x y l a t i o nCH 2CHC O O HO H蘋 果 酸 酶H 3 C COC O O H + C O2 + N A D P H + H+H O O C蘋 果 酸? ????????丙 酮 酸+ N A D P+H2O的生成 代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應的氫載體 （ NAD+、NADP+、 FAD、 FMN等 ） 所接受 ， 再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成 H2O 。 CH3CH2OH CH3CHO NAD+ NADH+H+ 乙醇脫氫酶 1\2 O2 NAD+ 電子傳遞鏈 H2O 2e O= 2H+ 脂肪 葡萄糖、其它單糖 三羧酸循環(huán) 電子傳遞（氧化） 蛋白質(zhì) 脂肪酸、甘油 多糖 氨基酸 乙酰 CoA e 磷酸化 +Pi 小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如 丙酮酸、乙酰 CoA等） 共同中間產(chǎn)物進入三羧酸循環(huán) ,氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。 大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位 生物氧化的三個階段 ? Biological oxidations are catalyzed by intracellular enzymes. The purpose of oxidation is to obtain energy. ? Electron Transport: Electrons carried by reduced coenzymes (NADH or FADH2) are passed sequentially through a chain of proteins and coenzymes (so called electron transport chain)to O2 . ? Oxidative Phosphorylation: Coupling e Transport (Oxidation) and ATP synthesis (Phosphorylation) . ? It all happens in mitochondrion or at the inner mitochondrial membrane (eukaryotic cells) Impermeable to ions and most other pounds In inner membrane knobs the mitochondrion contained the enzymes responsible for electron transport and oxidative phosphorylation Mitochondria ? outer membrane relatively permeable ? inner membrane permeable only to those things with specific transporters – Impermeable to NADH and FADH2 – Permeable to pyruvate ? Compartmentalization – Kreb39。s and βoxidation in matrix – Glycolysis in cytosol Most energy from Redox ? electrons during metabolic reactions sent to NAD and FAD – Glycolysis ? In cytosol ? produces 2 NADH – Pyruvate dehydrogenase reaction ? In mitochondrial matrix ? 2 NADH / glucose – Krebs ? In mitochondrial matrix ? 6 NADH and 2 FADH2 / glucose 線粒體是生物氧化的發(fā)生場所 線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場所 ， 底物在這里氧化所產(chǎn)生的 NADH和 FADH2將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上 ， 經(jīng)過一系列氫載體和電子載體的傳遞 ， 最后傳遞給 O2生成 H2O。 這種由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈 （eclctron transfer chain), 因為其功能和呼吸作用直接相關 ， 亦稱為 呼吸鏈 。 檸檬酸循環(huán)在線粒體基質(zhì)中進行 ， 電子傳遞和氧化磷酸化在線粒體內(nèi)膜上進行 。 電子傳遞鏈的概念 Electron Transport and Oxidative Phosphorylation ? Electron transport and oxidative phosphorylation reoxidize NADH and FADH2 and trap the energy released as ATP. ? In eukaryotes, electron transport and oxidative phosphorylation occur in the inner membrane of mitochondria whereas in prokaryotes the process occurs in the plasma membrane. 電子傳遞鏈的組成 呼吸電子傳遞鏈主要由 蛋白質(zhì)復合體 組成 ，在線粒體內(nèi)膜上有 4種參與電子傳遞的蛋白質(zhì)