呼吸鏈生物化學

1、 第七章 生物氧化1、生物氧化（biological oxidation）：物質在體內進行氧化稱生物氧化。主要指營養(yǎng)物質在體內分解時逐步釋放能量，最終生成CO2和水的過程。生物氧化又稱組織呼吸或細胞呼吸。生物氧化釋放的能量：主要（40%以上）用于ADP的磷酸化生成ATP，供生命活動之需。其余以熱能形式散發(fā)用于維持體溫。2、生物氧化內容（1）生物體內代謝物的氧化作用、代謝物脫下的氫與氧結合成水的過程。（2）生物體內二氧化碳的生成。（3）能量的釋放、儲存、利用（ATP的代謝ATP的生成與利用）。3、生物氧化的方式遵循一般氧化還原規(guī)律。（1）失電子：代謝物的原子或離子在代謝中失去電子，其原子正價升高

2、、負價降低都是氧化。（2）脫氫：代謝物脫氫原子（H=H+e）的同時失去電子。（3）加氧：向底物分子直接加入氧原子或氧分子的反應使代謝物價位升高，屬于氧化反應。向底物分子加水、脫氫反應的結果是向底物分子加入氧原子，也屬于氧化反應。4、生物氧化的特點（1）在溫和條件下進行（37，中性pH等）；（2）在一系列酶催化下完成；（3）能量逐步釋放，部分儲存在ATP分子中；（4）廣泛以加水脫氫方式使物質間接獲得氧；（5）水的生成由脫下的氫與氧結合產生；（6）反應在有水環(huán)境進行；（7）CO2由有機酸脫羧方式產生。5、物質體外氧化（燃燒）與生物氧化的比較（1）物質體內、體外氧化的相同點：物質在體內外氧化所消耗的

3、氧量、最終產物、和釋放的能量均相同。（2）物質體內、體外氧化的區(qū)別：體外氧化（燃燒）產生的二氧化碳、水由物質中的碳和氫直接與氧結合生成；能量的釋放是瞬間突然釋放。5、營養(yǎng)物氧化的共同規(guī)律糖類、脂類和蛋白質這三大營養(yǎng)物的氧化分解都經歷三階段：分解成各自的構件分子（組成單位）、降解為乙酰CoA、三羧酸循環(huán)。第一節(jié) ATP生成的體系一、呼吸鏈（ respiratory chain）：代謝物脫下的氫原子（2H）通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應逐步傳遞，最終與氧結合生成水。這一傳遞鏈稱呼吸鏈。又稱電子傳遞鏈（electron transport chain ）。呼吸鏈由按一定順序排列在線粒體內膜上的遞氫

4、體、遞電子體組成。（一）呼吸鏈的組成用膽酸或脫氧膽酸處理線粒體內膜，可將呼吸鏈分離為：四種具有遞電子功能的酶復合體：復合體稱NADH一泛醌還原酶（NADH脫氫酶）：復合體稱琥珀酸-泛醌還原酶（琥珀酸脫氫酶）：復合體稱泛醌-細胞色素C還原酶：復合體稱細胞色素氧化酶（細胞色素aa3）：二種游離成分：輔酶Q和細胞色素C不包含在復合體中。1、復合體將電子從NADH傳給CoQ。NAD+中的煙酰胺氮為5價，能接受電子成3價，而其對側碳原子能進行加氫反應（僅1個氫原子）。（1）NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸）和NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）（2）FMN的氧化與還原黃素單核苷酸（FMN ）含有核黃

5、素（維生素B2），FMN中發(fā)揮作用的是異咯嗪環(huán)。核黃素與酶的輔基的形成：核黃素氧化還原機制：（3）鐵硫蛋白與鐵硫中心（Fe-S）Fe-S含有等量（各4）的鐵原子與硫原子；通過鐵原子與鐵硫蛋白中的半胱氨酸殘基的硫相連。其鐵原子可以進行氧化還原反應傳遞電子。（4）復合體的功能（4）泛醌（CoQ）輔酶Q是一種脂溶性醌類化合物；含有一個較長的側鏈（R），疏水性強。其側鏈由多個異戊間二烯組成，人的CoQ由10個異戊間二烯組成（Q10）。泛醌可以接受或脫去1個電子和1個質子參與氧化還原。泛醌參與氧化還原機制：2、復合體將電子從琥珀酸傳遞給CoQ。含如下成分：含黃素蛋白（以FAD為輔基）、鐵硫蛋白（Fe-S

6、）、細胞色素b560。細胞色素是一類催化電子傳遞的酶，以鐵卟啉為輔基，均有特殊的吸收光譜而呈顏色。根據吸收光譜的不同，參與呼吸鏈的Cyt有3類：Cyt a、Cyt b、Cyt c；根據最大吸收峰的差別分為若干亞類。3、復合體將電子從泛醌傳遞給細胞色素C。2種細胞色素b（Cyt b562、 Cyt b566）、細胞色素c1、鐵硫蛋白。細胞色素c呈水溶性，與線粒體內膜外表面結合不緊密而極易于分離，不屬于任何復合體成分。4、復合體將電子從細胞色素C傳遞給氧。含如下成分：細胞色素a、a3 和2個鐵卟啉輔基及與之相連的Cu。Cyta和Cyta3很難分開，合稱為Cytaa3。其中2個銅原子分別連接2個鐵卟

7、啉輔基，銅原子可以進行氧化還原反應傳遞電子。呼吸鏈各復合體位置示意圖（二）呼吸鏈成分的排列順序確定呼吸鏈排列順序的方法：1、根據各組分的EO從低到高排列電位低容易失去電子（見下表）。2、在體外將呼吸鏈拆開重組鑒定4種復合體的組成與排列順序。3、利用呼吸鏈特異阻斷劑阻斷電子傳遞阻斷部位以前的處于還原狀態(tài)，后面的組分處于氧化狀態(tài)，根據吸收光譜的改變檢測。4、以離體線粒體的還原態(tài)（無氧）對照緩慢給氧，通過光譜觀察各組分的氧化順序。（1）氧化-還原對參加氧化還原反應的每種物質都有氧化型和還原型兩種形式：如：AH2十BA十BH2；式中AH2/或BH2是還原型（劑），A和B是氧化型（劑）。一物質的氧化型還

8、原型（如AAH2或BBH2等）構成氧化還原對（簡稱氧-還對），氧化還原對是共扼的。氧-還對供出電子趨勢的大小，可用標準氧化還原電位Eo表示。（2）標準氧化還原電位（Eo）成對的氧化型/還原型物質的濃度為1摩爾，在PH7.0，25時組成半電池，以（生物化學）規(guī)定的標準氫電極做參比測得的電位（伏特/摩爾）。Eo值表示的是同H+/H2相比，某氧-還對氧化還原能力的大?。?）Eo是負值，表示此氧-還對易供出電子而被氧化，是還原劑；2）Eo是正值，表示此氧-還對易獲得電子而被還原，是氧化劑。（3）標準氫電極與生物化學規(guī)定的標準氫電極1）標準氫電極：白金電極放入氫離子濃度為1摩爾/升的溶液，與1大氣壓的氫

9、氣平衡，此電極電位定為0伏特，作為參比電極Eo。2）生物化學上規(guī)定：加入pH=7.0的條件，將氫電極濃度定為10-7mol/L，測得的電位是Eo。（4）電位測定裝置2、兩條氧化呼吸鏈及其排列順序3、呼吸鏈電子傳遞過程4、重要代謝物進入呼吸鏈的途徑二、氧化磷酸化ATP是機體主要供能物質。ATP形成的主要方式是氧化磷酸化：呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化生成ATP。ATP的另外形成方式是底物水平磷酸化：直接將代謝物分子中的能量轉移到ADP（GDP）生成ATP（GTP）。（一）氧化磷酸化的偶聯(lián)部位ATP生成的部位偶聯(lián)部位的確定方法如下：1、P/O比值：物質氧化過程中每消耗1摩爾氧原子所消耗的無機

10、磷或ADP的摩爾數。此數值代表ATP的生成數。P/O的測定方法：將底物、ADP、H3PO4、Mg2+和分離較為完整的線粒體在模擬細胞內液的環(huán)境中相互作用；測定O2和H3PO4（或ADP）的消耗量，可以計算P/O，確定偶聯(lián)部位。2、自由能變化Go=- nFEo30.5kJ可合成ATP，Go表示pH7時的標準自由能變化， n=2個氧還對反應時傳遞電子的數目（2），F是法拉第常數（96.5kJ/mol?V），Eo為電位變化。自由能變化的計算舉例NADH（H+）的氧化反應：從電位差（ Eo）計算Go，如果Go足以達到合成ATP（釋放的自由能30.5kJ/mol）則存在偶聯(lián)部位。30.5kJ是合成1mo

11、lATP所需的能量（標準狀態(tài)），體內條件Go=-51.6kJ/mol（二）氧化磷酸化偶聯(lián)機制化學滲透學說化學滲透學說要點：1、呼吸鏈中遞氫體與遞電子體交替排列，并在膜中有固定位置，催化的反應是定向的，取決于電子走向。2、電子經呼吸鏈傳遞時可將質子從線粒體內膜的基質泵到內膜外側，產生膜內外質子電化學梯度（氫離子濃度梯度和跨膜電位差），以此儲存能量。3、當質子順濃度梯度回流時驅動ATP合酶，利用ADP和Pi合成ATP。說明：電子傳遞鏈在線粒體內膜中共構成3個回路，即形成3個氧化還原袢，每個回路均有質子泵。呼吸鏈模式（三）ATP合酶（復合體）ATP合酶（ATP synthase）三聯(lián)體：F1：親水部

12、分，位于線粒體內膜的基質側，含有5種肽鏈、9個甲基（33）。功能是催化ATP的生成。催化部位在亞基，但必須與亞基結合才有活性。F0：疏水部分，鑲嵌在線粒體內膜中的H+通道。當H+順濃度梯度經F0回流時，F1催化ADP和Pi合成并釋放ATP。F0和F1之間有寡霉素敏感蛋白（OSCP），OSCP使ATP合酶在寡霉素存在時無作用。線粒體結構1、ATP合酶的結構模式2、ATP的作用機制誘導契合-結合變化（亞基有O、R、T三種構型）三、影響氧化磷酸化的因素氧化磷酸化的影響因素有：呼吸鏈抑制劑、解偶聯(lián)劑、氧化磷酸化抑制劑；ADP的調節(jié)作用、甲狀腺素的作用、線粒體DNA突變。（一）呼吸鏈抑制劑，阻斷電子傳遞

13、。此抑制劑可以停止細胞內呼吸，引起死亡。（1）魚藤酮、粉蝶霉素A、異戊巴比妥與復合體的鐵硫蛋白結合而阻斷電子傳遞。（2）抗霉素A、二巰基丙醇（BAL）抑制復合體中Cytb與Cytc1間的電子傳遞。（3）CO、CN-、N3-、H2S抑制復合體（細胞色素氧化酶），使電子不能傳遞給氧。呼吸鏈抑制劑及部位（二）解偶聯(lián)劑（多屬于能通過膜的陽離子 載體），使氧化與磷酸化過程脫離。作用機制：使呼吸鏈電子傳遞過程泵出的氫離子不經過ATP合酶的F0質子通道回流，而經其他途徑返回線粒體基質。破壞膜兩側的電化學梯度，電化學梯度儲存的能量以熱能形式散發(fā)。1、 解偶聯(lián)蛋白質子通道（釋放熱能）存在于動物棕色脂肪組織；2、

14、 FFA促進質子經解偶聯(lián)蛋白反流至基質。3、 二硝基苯酚（DNP）結合質子在膜內移動。4、 其他：游離脂肪酸、水楊酸鹽、雙香豆素。（三）氧化磷酸化抑制劑對電子傳遞與ADP的磷酸化均抑制。如寡霉素可與ATP合酶F1、F0之間柄部的寡霉素敏感蛋白（OSCP）結合，阻止質子從F0通道內流合成ATP。質子不能內流導致膜兩側電化學梯度增高，影響質子泵的功能，進而抑制電子傳遞。如蒼術苷（酸）：特異抑制ATP/ADP載體（腺苷酸轉位酶）。各種抑制劑對線粒體耗氧量的影響實驗過程：（二）ADP的調節(jié)作用正常機體氧化磷酸化的速率主要受ADP的調節(jié)：機體利用ATP ADP ADP進入線粒體 氧化磷酸化。反之ADP不

15、足氧化磷酸化。這種調節(jié)可使ATP的生成適應生理需要。用極譜法氧電極系統(tǒng)測量游離線粒體的呼吸過程（三）甲狀腺素甲狀腺素的作用有兩個方面：1、促進氧化磷酸化：甲狀腺素誘導膜上Na+-K+-ATP酶的合成，促進ATP分解為ADP，而促進氧化磷酸化。2、甲狀腺素（T3）可以增加解偶聯(lián)蛋白的表達，引起耗氧合產熱均增加，即基礎代謝率增加。（四）線粒體DNA突變mtDNA是裸露的環(huán)狀雙螺旋，缺乏蛋白質的保護和損傷修復系統(tǒng)，容易受本身氧化磷酸化過程產生的氧自由基的損傷而發(fā)生突變。突變率是核內DNA的1020倍。mtDNA編碼的基因：呼吸鏈中13條肽鏈、線粒體蛋白合成所需要的22個tRNA、蛋白合成所需要的2個

16、rRNA。mtDNA突變可以降低線粒體的功能。mtDNA病的主要問題是ATP 生成減少引起的癥狀，耗能較多的器官先受累，且隨年齡的增長而嚴重。四、ATP能量的儲存的形式生物氧化過程釋放的能量有約40%以化學能的形式儲存于特殊的有機磷酸化合物中，形成磷酸酯（磷酸酐）。磷酸酯鍵水解放能較多大于21kJ/mol，稱為“高能磷酸鍵”，用“P”表示。在所有高能磷酸化合物中，以ATP分子末端的磷酸鍵最為重要。（一）常見的高能磷酸化合物（二）各種核苷酸之間的轉變（三）磷酸肌酸1、ATP可以將P轉移給肌酸生成磷酸肌酸。反應可逆。過程如下：2、磷酸肌酸是肌肉和腦組織能量的一種儲存形式。（四）ATP的生成和利用生

17、物體能量的生成和利用都是以ATP為中心。體外pH7.0、25條件下，1摩爾ATP水解為ADP+Pi時釋放的能量為30.5kJ，體內生理條件下為50kJ/mol。人體每日經ADP/ATP相互轉變的量（ATP轉換率）非?？捎^。靜臥24小時消耗ATP40kg，運動時0.5kg/min。1、ATP的利用ATP循環(huán)（細胞能量循環(huán)）（1）末端磷酸基的分裂與轉移，生成ADP和新的磷酸化物。如激酶催化的反應。此時ATP的磷酸基和部分能量同時轉給新的磷酸化物。（2）ATP水解為ADP+Pi，能量供機體利用。離子轉運、肌肉收縮、羧化反應。（3）利用ATP的另一個高能磷酸鍵。生成焦磷酸。如脂酸活化反應。2、ATP生

18、成、儲存和利用五、通過線粒體內膜的物質轉運線粒體基質與細胞液之間有線粒體內外膜相隔。線粒體外膜通透性好，允許分子量在1000以內的物質自由通過（普通生物膜）。線粒體內膜對各種物質的通過有嚴格選擇性。幾乎所有的離子、不帶電荷的小分子有機化合物都不能自由通過，必須依賴內膜上特殊的蛋白。此蛋白少數是酶，多數是載體（也稱為轉位酶）。載體對物質具有嚴格的選擇性。內膜載體對物質的轉運規(guī)律：一種離子或帶電荷的化合物順濃度梯度向內膜一側轉運時，必須伴有對應離子或帶電物質逆濃度梯度反向轉運。通常是“一對一交換”（A-入B-出或A-出B-入）。線粒體內膜的運載體（重要的線粒體轉位酶）四種轉位酶的協(xié)同作用（一）胞液

19、中NADH的氧化如何進入線粒體胞液脫氫產生的還原當量（H+e）必須進入線粒體氧化，但NADH不能自由透過線粒體內膜。必須借助于其他轉運機制完成。有兩種機制可以使NADH進入線粒體：-磷酸甘油穿梭和蘋果酸-天冬氨酸穿梭。1、-磷酸甘油穿梭存在于腦和骨骼肌2、蘋果酸-天冬氨酸穿梭存在于肝臟和心肌（二）腺苷酸載體又稱ATP-ADP載體或ATP-ADP轉位酶。2個亞基組成的二聚體，每個亞基3.0kD。ATP與ADP經此載體反向交換；同時胞液中的H2PO4-經磷酸鹽載體與H+同向轉運入線粒體。ATP、ADP、Pi的轉運（三）線粒體蛋白質的跨膜轉運線粒體蛋白90%是由核DNA編碼的，在線粒體外合成。1、基質內蛋白質：蛋白質前體肽鏈在外膜表面由解折疊酶使其空間結構松散；并被外膜上的受體識別后轉移到總插入蛋白；總插入蛋白使蛋白前體從氨基端開始進入基質；基質中的加工肽酶切除蛋白前體中的導向信息肽段；形成成熟的基質蛋白質。2、線粒體內膜或膜間隙的蛋白質：基質中加工肽酶作用后暴