Chapter5
Biological Oxidation
Zhang Hai-feng Department of biochemistry,
Basic medical school of ZhengZhou University
Why should we eat food everyday?
Where does the food go finally?
Glucose:
C6H12 O6 6CO2+6H2O+36(38)ATP
How does the food provide energy for
our body?
Through biological oxidation
Cycle mode
Tricarboxylic
Acid Cycle
logical oxidation ： It refers to the
ocess in which chemical substances
e completely Oxidized into H20 、 ATP
d CO2 。
ⅠThe formation of H20 —Electron transfer
chain (respiratary chain) .
Ⅱ The formation of ATP — Oxidative
phosphorylation.
Ⅲ The formation of CO2 —Decarboxylation
Some terms
• H carrier ： Substance that can accept hydrogens .
eg: NAD+,FAD
• e carrier ： Substance that can accept electrons .
eg: Fe3+
• H donor : Substance that can give hydrogens .
eg: NADH+H+,FADH2
• e donor ： Substance that can give electrons.
eg: Fe2+
The general process of biological
oxidation
Carbohydrate TG Protein
Glucose FA+Glycerol aa
Acetyl-CoA ½ O2 +2e →O2-
2H++ O2- → H2O
TAC CO2 ADP+Pi ATP
2H
2H ETC ½ O2 H2O
H++e
ⅠThe formation of H20 —
Electron transfer chain
(respiratary chain) .
Electron transfer chain: It refers to a
chain of proteins and coenzymes in the inner
menbrance of mitochondria in which 2H are
sequentially transferred to O2 to generate H2O.
(respiratory chain) 。
2H 2H + + 2e
mitochondrion
the mitochondrion contained the enzymes
responsible for electron transport and oxidative
phosphorylation
In inner
membrane
knobs
Impermeable to
ions and most
other compounds
1.The components of electron
transfer chain
• The respiratory chain consists of four large
multi-protein complexes (I, II, III, and IV;
three being proton pumps) and two mobile
electron carriers, ubiquinone (Q or coenzyme
Q) and cytochrome c.
• Prosthetic groups acting in the proteins of
respiratory chain include flavins (FMN, FAD),
hemes , iron-sulfur (Fe-S), and copper.
I
II
Four multi-protein III
Complexes (I, II,
III, and IV)
Two mobile
Electron carriers IV
The functions of prosthetic groups
in electron transfer chain
+2H
NAD+ NAD +
NADH+H+
-2H
+2H
FMN 、 FAD/FMN FADH2/FMNH
-2H
FAD
-e
Fe—S Fe2+ Fe 3+
+e
The functions of prosthetic groups
in electron transfer chain
+2H
(CoQ) CoQ CoQH2
-2H
+e
Heme groups Fe3+ Fe 2+
Of cytochromes -e
+e
Cu2+ Cu2+ Cu +
-e
Cyt ： b 、 c1 、 c 、 a 、 a3
(1). Complex I —NADH dehydrogenase
• Also named as NADH:ubiquinone oxidoreductase or
NADH-Q reductase.
• A “L” shaped 850 kD multimeric protein complex of 42
different subunits .
• FMN, Fe-S centers act as prosthetic groups.
• Exergonic electron transferring is coupled to endergonic
proton pumping ( with 4 H+ pumped from the matrix
side to intermembrane space per electron pair
transferred), with mechanism unknown.
• Final electron acceptor is ubiquinone (coQ).
NADH Dehydrogenase
(complex I)
NADH→ FMN; Fe-S →CoQ
(2). CoQ
•Fat soluble ; a mobile
electron/proton carrier
•can accept electrons,
forming QH2
• QH2 diffuses electrons
to the next complex (III);
•the only electron carrier
not bound to a protein.
(3). Complex II —succinate dehydrogenase
• Transfers their electrons collected on FADH2 to Q to
form QH2.
• The energy released from these electron transferring is
not high enough to promote proton pumping.
FAD
（ Fe-S ）
Succinate FAD; Fe-S →CoQ
（ 4 ） Complex III—cytochrome bc1
• Also called cytochrome c reductase or cytochrome bc1
complex.
• A 250 kD multiprotein complex of 11 subunits.
• Complete 3-D structure was determined in 1997!
• The functional core consists of three subunits:
cytochrome b; an Fe-S protein; and cytochrome c1
• Accept electron from QH2 and passes electron to
cytochrome c.
2Cyt b + Cyt c1 +(Fe-S)
Cytb 、 c1
（ Fe-S ）
QH2→ b; Fe-S; c1 →Cyt c
（ 5 ） Cytochrome c
• Cytochrome c, a soluble protein located in the
intermembrane space, will move to complex IV.
（ 6 ） Complex IV — cytochrome aa3
• Also called cytochrome oxidase
• A 204 kD 13-subunit protein complex, with structure
determined in 1996.
• Three subunits are probably critical to the function.
• Three copper ions , two heme A groups (a and a3) act as
electron carriers in complex IV.
• Two electrons need to be transferred to reduce ½ O2
molecule at the “Fe-CuB center” of complex IV to form 1
H2O.
2CuA
CuB
Heme a
Heme a3 CuA
CuA
The three critical subunits of
cytochrome oxidase (complex IV)
The electron
path in
complex IV
Cyt c→CuA→a→a3→CuB →O2
The ranging sequence of respiratory chain
Cytc
e- cytoso
l
Ⅰ
e-
Q e- e- 线粒体内膜
Ⅱ
e -
Ⅳ
Ⅲ
Fumarate Matrix
NADH+H +
H2O
1/2O2+2H+
NAD+ Succinate
2.The classification of respiratory chain
(1) NADH respiratory chain
SH2 NAD + FMN H2 CoQ 2Cyt Fe2+ ½ o2
（ Fe-S) b 、 c1 、 c 、 a 、 a3
FMN CoQH2
S NADH+H + 2Cyt Fe3+ O2-
（ Fe-S)
2H+
H2O
FMN Cytb 、 c1
NADH+H +
CoQ Cytc Cytaa3 O2
（ Fe-S ） （ Fe-S ）
(2) Succinate respiratory chain
H2O
2H+
SH2 FAD CoQH2 2Cyt Fe3+ O2-
（ Fe-S)
b 、 c1 、 c 、 a 、 a3
S FADH2 CoQ 2Cyt Fe2+ ½ o2
（ Fe-S)
FAD Cytb 、 c1
Succinate CoQ Cytc Cytaa3 O2
（ Fe-S ） （ Fe-S ）
3.Two shuttles
• (1) Glycerol phosphate shuttle
• (2) Malate shuttle
(1).Glycerol phosphate shuttle Brain Muscle
NADH + H+ NAD+
Cytosol
①
Dihydroxyactone α-Glycerol phosphate
phosphate
Dihydroxyactone α-Glycerol phosphate
phosphate ②
Mitochondria
FADH2 FAD
CoQ b c1 c aa3 O2
① α-Glycerol phosphate dehydrogenase(NAD+)
②α-Glycerol phosphate dehydrogenase(FAD)
2. 苹果酸 - 天冬氨酸穿梭
胞液 内膜 线粒体
NAD+ NAD+
① ①
NADH 草酰 草酰 NADH
+H+ 乙酸 Ⅱ 乙酸 +H+
② ②
天冬 α- 酮 Ⅲ α- 酮 天冬 呼吸链
氨酸 戊二酸 戊二酸 氨酸
① 苹果酸脱氢酶 ② 天冬氨酸氨基转移酶
存在部位：肝脏、心肌组织
Mitochondrial Complexes
NAD+
FMN
I NADH Dehydrogenase
FeS
FAD FeS ubiquinone
II
Cyt b
Succinate
dehydrogenase ubiquinone Cytochrome Oxidase
FeS Cyt c1 Cyt c Cyt a Cyt a3
III IV
1/2 O2
CoQ-cyt c Reductase
Problem :
Acidity During Electron Transport
What cellular compartment becomes acidic (high
concentration of hydrogen ions) during
mitochondrial electron transport?
A. Mitochondrial stroma
B. Cytoplasm
C. Endoplasmic reticulum
D. Space between inner and outer mitochondrial
membranes
E. Thylakoid membranes
Problem: Dinitrophenol[ 二硝基酚 ]
Dinitrophenol is an uncoupler, or has the ability to separate the
flow of electrons and the pumping of H+ ions for ATP
synthesis. This means that the energy from electron transfer
cannot be used for ATP synthesis. 50 yrs ago, DNP was
given as a drug to help patients lose weight. Why does this
work? Why would this be dangerous?
A. Uncoupling the electron transport chain would inhibit
fermentation and decrease ATP production, a potentially
dangerous situation.
B. If electron transport doesn't produce ATP, then much more
sugar must be metabolized for energy needs. Very low
production of ATP would be lethal.
Problem :
Effect of pH on Mitochondria
If you isolate mitochondria and place them in buffer with a low pH they
begin to manufacture ATP. Why?
A. Low pH increases the concentration of base causing mitochondria to
pump out H+ to the inter membrane space leading to ATP production.
B. The high external acid concentration causes an increase in H+ in the
inter membrane space leading to increased ATP production by ATP
synthetase.
C. Low pH increases the acid concentration in the mitochondrial matrix,
a condition that normally causes ATP production.
D. Low pH increases the OH- concentration in the matrix resulting in
ATP production by ATP synthetase.
Answer
• B. The high external acid concentration causes an
increase in H+ in the inter membrane space leading to
increased ATP production by ATP synthetase.
• Mitochondrial production of ATP requires a concentration
gradient of H+, with a high concentration at the inter
membrane space and a low concentration in the matrix. The
inner membrane is impermeable to H+, but the outer
membrane of the mitochondria will allow H+ to pass
through. Thus, placing mitochondria in a low pH buffer
produces a H+ gradient that can generate ATP through
ATP synthetase.
O
CH3 C ~ SCoA
acetyl CoA CoASH CH2 COOH H2O
C COOH CH2 COOH
O HO C COOH
C COOH
CH2 COOH citrate synthase CH2 COOH aconitase CH COOH
oxaloacetate H2O citrate
NADH+H+ cis-aconitate
+
malate dehydrogenase H2O
NAD
HO CH COOH The first reaction in TCAC is the aconitase
CH2 COOH condensation of acetyl-CoA and
malate oxaloacetate to form citrate. The CH2 COOH
fumarase TCAC is also named citrate cycle. HC COOH
H2O
HC COOH Tricarboxylic HO CH COOH
isocitrate
HOOC CH
fumarate Acid Cycle NAD
+
FADH2 isocitrate dehydrogenase
succinate dehydrogenase NADH+H+
FAD succinyl CoA NADH+H+ NAD
+ CO2
CH2 COOH syntetase CH2 COOH CH2 COOH
CH2 COOH CH2 CH2
succinate O C ~ SCoA CO2 O C COOH
CoASH
GTP GDP+Pi succinyl CoA CoASH α -ketoglutarate
alpha-ketoglutarate
end dehydrogenase complex
ADP ATP
两条电子传递链的比较
丙酮酸
α - 酮戊二酸
异柠檬酸 α - 磷酸甘
苹果酸 油
脂肪酰 CoA
谷氨酸
β - 羟丁酸
β - 羟脂酰 CoA
二、氧化磷酸化 — ATP 的产生
ATP 的 底物水平磷酸化
生成方式
氧化磷酸化 ( 最主
要)
底物水平磷酸化
定义
直接将代谢物分子中的 能量转能量
移至 ADP （或 GDP ），生成
ATP （或 GTP ）的过程。
糖酵解过程
O O
OOPO C OH
2-
C -
3
ADP ATP
HC OH HC OH
HO HO
H2C O P O H2C O P O
OH OH
1,3- 二磷酸甘油 3- 磷酸甘油酸
酸 这是糖酵解
(1,3-DPG) 中第一次
底物水平
磷酸化反应
糖
酵
解
过
程 O
C OH OH
C O-
+
P O
ADP ATP O
C OH
CH2 OH
C OH
丙酮酸激酶
磷酸烯醇式 (Mg2+ , K+ ) CH2
丙酮酸 烯醇式丙酮酸
糖酵解中第二次底物
水平磷酸化反应
TCA 循环
H2C COOH HSCoA H2C COOH
CH2
H2C COOH
O C SCoA GDP+Pi GTP
琥珀酸
琥珀酰 CoA
ATP ADP
琥珀酰 CoA 合成
酶
琥珀酰 CoA + GDP + Pi 琥珀酸 + GTP +
CoA-SH
氧化磷酸化
定义
代谢物脱下的 H ，经呼吸链传递的过程中
，逐渐产生能量，使 ADP 磷酸化生成 ATP
的过程，称为氧化磷酸化。
呼吸链 1
SH2 2H(2H
+ O2 H2 氧化
2
+2e) S O 偶
联
ADP+Pi ATP 磷酸化
1. 氧化磷酸化偶联部位
(1) 测 P/O 值
P/O 值是指物质氧化时 , 每消耗 1mol 氧原子需消
耗的无机磷的 mol 数 l 数。
ADP+H3PO4 ATP
消耗 Pmol 数 消耗 ADPmol 数
P/O 值 = =
消耗 Omol 数 消耗 Omol 数
生成 ATPmol 数
=
消耗 Omol 数
质：每消耗 1mol 氧原子所产生的 ATP 的 mol 数
7-3 线粒体离体实验测得的一些底物的 P/O 比
底物 呼吸链的组成 P/O 值 生成 ATP 数
β-1.羟丁酸 NAD+→FMN→CoQ→Cyt→O2 2.4 ～ 2.8
2.
琥珀酸 FAD→CoQ→Cyt→O2 1.7 2
3.
抗坏血酸 Cytc→Cytaa3→O2 0.88 1
4.
Cytc(Fe2+ ) Cytaa3→O2 0.61 ～ 0.68 1
比较 1 、 2 ，第一个偶联部位 NADH →
CoQ
比较 2之间
、 3 ，第二个偶联部位 CoQ → Cytc
比较 3 、 4 ，第三个偶联部位 Cytaa3 →
之间
O 之间
(2) 计算自由能变化
△G0′ <0 放能
△G0′ >0 吸能
△G0′ =0 无能变化
△G0′ = - n F△E0′
ADP+Pi ATP △G0′ = 30.5
kJ/mol
呼吸链电子传递时 △ G0′ 的变化
部位 △ E0′ （ V ） △ G0′ (kJ/mol)
NAD+ - CoQ 0.36 -69.5
CoQ - Cyt c 0.21 -40.5
Cyt aa3 - O2 0.53 -102.3
（三）氧化磷酸化的偶联机制
：
1. 化学渗透假说：
• 目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是
1961 年由 Peter Mitchell 提出的化学渗
透学说 (chemiosmotic hypothesis) 。
化学渗透假说
H+ 外侧
内膜
H+ 内侧
e O ADP ATP
+Pi
• 电子传递给氧释出的能量推动质子泵
•将 H+ 泵至內膜外侧，形成化学梯度（势
能）
•当 H+ 顺梯度回到基质面时，释出的能量使 ADP
磷酸化为 ATP
质子梯度的形成机制：
• 质子的转移主要通过氧化呼吸链在递氢或递电
子过程中所形成的氧化还原袢来完成。
• 每传递两个氢原子，就可向膜间腔释放 10 个质
子。
Ⅰ
在线粒体内膜上存在 5 种参与氧化磷酸化的复合
物
其中 复合物 Ⅰ到复合物 Ⅳ组成呼吸链， 复合物 Ⅴ参与
ATP 的合成。
FMN
FMN
Q
FMN
Q
复合体 Ⅰ的氧化还原袢
复合体 Ⅲ的氧化还原袢
复合体 Ⅳ的氧化还原袢
质子梯度的形成
nH+
++++++
线粒体内 膜电位形
膜（双脂 成的质子
层） 电动势
-------
基质
nH+
H+
H+ H+ +
H+ + H nH+
H H+
质子浓度
线粒体内 梯度形成
膜（双脂 的电动势
层）
H+ H+
nH+
ATP 的合成：
• 当质子从膜间腔返
回基质中时，这种
“势能 ”可被位于线
粒体内膜上的 ATP
合酶利用以合成
ATP 。
2. ATP 合酶：
• 嵌于线粒体内膜上
，其头部呈颗粒状
，突出于线粒体内
膜的基质侧。
ATP 合酶的分子结构
由亲水部分 F1 疏水
部分 F0 组成。
•F0 ： H+ 通道
•F1 ： 催化 ATP 合成
三、影响氧化磷酸化的因素
1. 抑制剂
① 呼吸链抑制剂
作用：阻断电子传递
丙二酸
FAD
NAD+ FMN
(Fe-S) CoQ b c1 c aa3 O2
抗霉素 A H2S
鱼藤酮
CO
阿米妥
CN
② 解偶联剂 : 能够使氧化过程与磷酸化过
程脱节的物质称解偶联剂，它对电子传递
没有抑制作用，但能抑制 ADP 磷酸化生成
ATP 的过程 。
作用：使氧化过程与磷酸化过程脱节
举例： 2 ， 4- 二硝基苯酚
③ 氧化磷酸化抑制剂
作用：抑制氧化磷酸化过程
举例：寡霉素
2. ADP 的调节作用
1 氧化磷酸化
NADH + H
+
O2 H2O + NAD+
+ 2
ADP+Pi ATP
ADP/ATP↓ ： 抑制氧化磷酸化， ATP 生成 ↓
ADP/ATP↑ ： 促进氧化磷酸化， ATP 生成 ↑
3. 甲状腺激素
促进 ATP 生成和分解
甲状腺素
Na+-K+ ATP 酶
ATP ADP ADP/ATP 氧化磷酸化
4. 线粒体 DNA 突变
四、 ATP
高能磷酸化合物
磷酸化合物水解时放出的能量＞ 21
KJ/mol 者 , 称高能磷酸化合物。其所含键
称高能磷酸键。
高能磷酸键 :～ P 或 ～ P
常见的高能化合物
1. 高能磷酸化合物
• 磷酸酐： ATP 、 CTP 、 UTP 、 GTP
• 混合酐： 1,3- 二磷酸甘油酸
• 烯醇磷酸：磷酸烯醇式丙酮酸
• 磷酸胍类：磷酸肌酸
2. 高能硫脂化合物
• 乙酰 CoA 、琥珀酰 CoA 、脂酰 CoA
• 能量的储存
CK
C + ATP C ～ P +ADP
肌酸 磷酸肌酸
ATP 循环
生物体内能量
的储存和利用
CO2 ATP 都以 ATP 为中
H2O 心
营养物质 磷酸
肌酸
~P
机械能 ( 肌肉收缩 )
氧化磷酸化 ADP 渗透能 ( 物质主动转运 )
~P
底物水平磷酸化 化学能 ( 合成代谢 )
电能 ( 生物电 )
热能 ( 维持体温 )
五、通过线粒体内膜的物质转运
（一）、胞液中 NADH 的氧化
1.α- 磷酸甘油穿梭
2. 苹果酸 - 天冬氨酸穿梭
1.α- 磷酸甘油穿梭 脑、骨骼肌
NADH + H+ NAD+
胞液
①
磷酸二羟丙酮 α- 磷酸甘油
磷酸二羟丙酮 α- 磷酸甘油
线粒体 ②
内膜
FADH2 FAD
CoQ b c1 c aa3 O2
① 胞液中 α- 磷酸甘油脱氢酶 ( 辅酶为
NAD +
② 线粒体内) α- 磷酸甘油脱氢酶 ( 辅基为
2. 苹果酸 - 天冬氨酸穿梭
胞液 内膜 线粒体
NAD+ NAD+
① ①
NADH 草酰 草酰 NADH
+H+ 乙酸 Ⅱ 乙酸 +H+
② ②
天冬 α- 酮 Ⅲ α- 酮 天冬 呼吸链
氨酸 戊二酸 戊二酸 氨酸
① 苹果酸脱氢酶 ② 天冬氨酸氨基转移酶
存在部位：肝脏、心肌组织
两种穿梭系统的比较
α- 磷酸甘油穿梭 苹果酸 - 天冬氨酸穿梭
α- 磷酸甘油 苹果酸、 谷氨酸
磷酸二羟丙酮 天冬 aa 、 α- 酮戊二酸
进入线粒
体后转变 FADH2 NADH+
成的物质 H+
进入 琥珀酸 NADH
呼吸链 氧化呼吸链 氧化呼吸链
生成 ATP 数 2 3
存在组织 肝脏和心肌组织
相同点 将胞液中 NADH 的还原当量转送到线
（二）、腺苷酸载体
（三）、线粒体蛋白质
的跨膜转运
第二节
其他氧化体系
一、需氧脱氢酶和氧化酶
1. 氧化酶类
特点：催化底物脱氢后，以 O2 为直接受氢体，
生成 H2O 。
组成：结合酶
辅基：含 Fe 、 Cu
举例：细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶等
2H+
2e
RH2 2Cu2+ O2 － H2O
1
R 2Cu+ 2e 2O2
2. 需氧脱氢酶
特点：催化底物脱氢后，以 O2 为直接受氢体，
生成 H2O2 。
组成：结合酶 辅基： FMN 、 FAD
2H
RH2 FMN /FAD H2O2
R FMNH2/FADH2 O2
2H
3. 不需氧脱氢酶
特点：催化底物脱氢后，不能以 O2 为直接
受氢体
组成：结合酶 辅酶： NAD+ 、 NADP+
辅助因
子 辅基： FMN 、 FAD
2H
3- 磷酸甘油醛 NAD+ 乳
酸
1,3- 二磷酸甘油酸 2H+
NADH+H 丙
酮酸
2H 2H
1
RH2 NAD (NADP )
+ +
XH2 O2
2
R NADH+H + X H2O
(NADPH+H+) 2H
2H 2H 1
RH2 FMN /FAD XH2 2O2
R FMNH2/FADH2 X H2O
2H
二、过氧化物酶体中的氧化酶类
作用：清除自由基 O2-. H2O2 . OH
1 、过氧化氢酶
过氧化氢酶
H2O2 + H2O2 2 H2O+ O2
2 、过氧化物酶
过氧化物酶
RH2 + H2O2 R + 2H2O
三、超氧物歧化酶
（ SOD ）
作用：清除自由基 O2-.
在真核细胞胞液中，以 Cu2+ ， Zn2+ 为
辅基线粒体中以 Mn2+ 为辅基
SOD
2O2· + 2H+ H2O2+O2
四、微粒体中的氧化酶类
1 . 加单氧酶（混合功能氧化酶、羟化酶）
单加氧酶
RH + NADPH + H + O2
+
ROH + NADP+ + H2O
•参与类固醇激素、胆汁酸及胆色素的生成
•参与药物和毒物的转化
•此酶特异性差
2 . 加双氧酶
CH2 CH COOH 色氨酸加双氧酶
NH2
NH
O2
色氨酸 O
C
CH2 CH COOH
C H NH2
NH O
甲酰犬尿氨酸
二硝基苯酚
RCOOH E
CO2+RH
代谢物 氧化产
AH2 A 物
2H α- 磷酸甘
油穿梭 呼吸链 1
2H + O2 H2O
苹果酸穿梭
2 氧
化
能量 磷
酸
ADP+H3PO4 ATP+ H2O 化
线粒体
胞液
