9第八章 生物氧化

1、 # 第八章生物氧化生物體內(nèi)，物質(zhì)?？赏ㄟ^加氧、脫氫、失去電子的方式被氧化。營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)檸檬酸循環(huán)或其他代謝途徑進(jìn)行脫氫反應(yīng)，產(chǎn)生的成對氫原子（2個(gè)氫質(zhì)子和2個(gè)電子）以還原當(dāng)量NADH+H+或FADH2的形式存在，是生物氧化（biologicaloxidation）過程中產(chǎn)生的主要還原性電子載體。機(jī)體在進(jìn)行有氧呼吸時(shí)，這些還原性電子載體通過一系列的酶催化和連續(xù)的氧化還原反應(yīng)逐步失去電子（電子傳遞），最終使氫質(zhì)子與氧結(jié)合生成水。同時(shí)釋放能量，驅(qū)動ADP磷酸化生成ATP,供機(jī)體各種生命活動的需要。第一節(jié)氧化呼吸鏈?zhǔn)怯删哂须娮觽鬟f功能的復(fù)合體組成生物體將NADH+H十和FADH2徹底氧化生成水和ATP

2、的過程與細(xì)胞的呼吸有關(guān)，需要消耗氧，參與氧化還原反應(yīng)的組分由含輔助因子的多種蛋白酶復(fù)合體組成，形成一個(gè)連續(xù)的傳遞鏈，因此稱為氧化呼吸鏈（oxidativerespiratorychain）。真核細(xì)胞ATP的生成主要在線粒體中進(jìn)行，在氧化呼吸鏈中，參與傳遞反應(yīng)的酶復(fù)合體按一定順序排列在線粒體內(nèi)膜上，發(fā)揮傳遞電子或氫的作用。其中傳遞氫的酶蛋白或輔助因子稱之為遞氫體，傳遞電子的則稱之為電子傳遞體。由于遞氫過程也需傳遞電子（2H+2e-）,所以氧化呼吸鏈也稱電子傳遞鏈（electrontransferchain）。一、氧化呼吸鏈由4種具有傳遞電子能力的復(fù)合體組成氧化呼吸鏈?zhǔn)怯晌挥诰€粒體內(nèi)膜上的4種蛋白

3、酶復(fù)合體（complex）組成，分別稱之為復(fù)合體I、II、III和IV。每個(gè)復(fù)合體都由多種酶蛋白和輔助因子（金屬離子、輔酶或輔基）組成，但各復(fù)合體含有自己特定的蛋白質(zhì)和輔助因子成分（表8-1）。各復(fù)合體中的跨膜蛋白成分使其能夠鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，并按照一定的順序進(jìn)行排列（圖8-1）。其中復(fù)合體I、III和IV鑲嵌于線粒體內(nèi)膜的雙層脂質(zhì)膜，而復(fù)合體II僅鑲嵌在雙層脂質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)。復(fù)合體中的蛋白質(zhì)組分、金屬離子、輔酶或輔基共同完成電子傳遞過程，主要通過金屬離子價(jià)鍵的變化、氫原子（H+e）轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行。電子的傳遞過程本質(zhì)上是由電勢能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過程，電子傳遞過程所釋放的能量驅(qū)動H+從線粒體基質(zhì)移至

4、膜間腔，形成跨線粒體內(nèi)膜的H+濃度梯度差，用于驅(qū)動ATP的合成。下面將分別敘述氧化呼吸鏈各復(fù)合體中主要酶蛋白或輔助因子的氧化還原作用及相應(yīng)的電子傳遞過程。v、lFFZKTH應(yīng)mJ電寸憐運(yùn)過程_1人線粒體呼吸鏈復(fù)合體復(fù)合體酶名稱.討質(zhì)(kD)爹肽鏈數(shù)含結(jié)合愎點(diǎn).:4:-NADH（基質(zhì)側(cè)）CoQ（脂質(zhì)核心復(fù)合體1、5H-泛配還原酸85042nUFMN.Fe-S復(fù)合體u琥珀酸-泛釀還冊酣1404FADtFe-S琥珀酸（基貫拠M叫（脂質(zhì)核心復(fù)合體m泛醍-細(xì)胞色素e250n血紅素b|,bir,Cj,Cytc（膜間腔側(cè)）還原酶Fe-S復(fù)合體IV細(xì)胞色素c氧化酶16213血紅素叭血紅素a3,&,Cl2甘Cy

5、t理膜間脫廁） 第二篇物質(zhì)代謝及其調(diào)節(jié)第八章生物氧化 割81電子傳遞鏈各復(fù)合體位T、議踐泛制和細(xì)!胞色烹址町移動的電哉休(一)復(fù)合體I將NADH+H+中的電子傳遞給泛醌復(fù)合體I又稱NADH一泛醌還原酶或NADH脫氫酶，接受來自NADH+H+的電子并轉(zhuǎn)移給泛醌(ubiquinone)。在檸檬酸循環(huán)和脂肪酸0氧化等過程的脫氫反應(yīng)中，大部分代謝物脫下的2H是由氧化型煙酰胺腺嘌吟二核苷酸(nicotinamideadeninedinucleotide，NAD+)接受,形成還原型煙酰胺腺嘌吟二核苷酸(NADH+H+)。NAD+(圖8-2)是脫氫酶類的輔酶，分子中煙酰胺芳環(huán)中的氮為五價(jià)，易接受電子被還原，

6、還原時(shí)能接受2H中的雙電子成為三價(jià)氮，同時(shí)芳環(huán)也接受一個(gè)氫質(zhì)子進(jìn)行加氫反應(yīng)，為雙電子傳遞體。煙酰胺在加氫反應(yīng)時(shí)只能接受1個(gè)氫質(zhì)子和2個(gè)電子，游離出一個(gè)H+在溶液中，因此將還原型的NAD+寫成NADH+H+(NADH)(圖8-3)。還原型NADH可失去電子被氧化而生成NAD+，其電子被復(fù)合體I接受并傳遞給泛醌。復(fù)合體I由黃素蛋白(flavoprotein)、鐵硫蛋白(iron-sulfurprotein)等蛋白及其輔基組成，呈L形，一端突出于線粒體基質(zhì)中，包括黃素蛋白及黃素單核苷酸(flavinmononucleotide，F(xiàn)MN)輔基和2個(gè)鐵硫中心(iron-sulfurcenter,Fe-S

7、)輔基、鐵硫蛋白及其3個(gè)Fe-S輔基；嵌于內(nèi)膜的橫臂為疏水蛋白部分，也含1個(gè)Fe-S輔基。所以，黃素蛋白和鐵硫蛋白都能通過輔基發(fā)揮傳遞電子作用。FMN分子中含核黃素(維生素B2)，結(jié)構(gòu)中的異咯嗪環(huán)可接受1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子形成不穩(wěn)定nh2NADIR=H,NADP+：R=OH圖8-2NAD(P)*的結(jié)構(gòu)式ImilHKiWAIT或NADp*mH錄NADFH的FMNH，再接受1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原型FMNH2。反之，F(xiàn)MNH2氧化時(shí)也逐步脫去電子和質(zhì)子，屬于單、雙電子傳遞體（圖8-4）。IInc卜H*J11,C氧化呼吸鏈含有多種鐵硫蛋白，其中的Fe離子通過與無機(jī)硫（S）原子或（和）鐵硫蛋白中的半

8、胱氨酸殘基的S原子相連，形成鐵硫中心（Fe-S,圖85）。Fe一S可有多種形式，最簡單的鐵硫中心是1個(gè)Fe離子與4個(gè)半胱氨酸殘基的S原子相連，而復(fù)雜的鐵硫中心可以含2個(gè)、4個(gè)Fe離子并通過無機(jī)S原子及半胱氨酸殘基的S原子相連（如Fe2S2,Fe4S4）-鐵硫中心的鐵離子可進(jìn)行Fe2+-Fe3+e-的可逆反應(yīng)，每次傳遞一個(gè)電子，因此鐵硫蛋白為單電子傳遞體。復(fù)合體I中黃素蛋白輔基FMN從基質(zhì)中接受還原型NADH中的2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)電子生成FMNH2，經(jīng)一系列鐵硫中心，再經(jīng)位于線粒體內(nèi)膜中疏水蛋白的鐵硫中心將電子傳遞給內(nèi)膜中的泛醌。泛醌又稱輔酶Q（coenzymeQ，CoQ，Q），是一種小分子、脂溶性

9、醌類化合物。泛醌結(jié)構(gòu)中含多個(gè)異戊二烯單位形成較長的疏水側(cè)鏈。人的CoQ側(cè)鏈含10個(gè)異戊二烯單位，用CoQ10（Q10）表示。泛醌脂溶性強(qiáng)，能在線粒體內(nèi)膜中自由擴(kuò)散，不包含在上述復(fù)合體中。泛醌和FMN0HjCOL0HLCH3CH,H.COH*+eIII腎CH=CCH2）Ho泛AU（釀型或楓化型）OH一爲(wèi)泛醍科復(fù)合體I可催化兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的的過程：將一對電子從還原型的NADH傳遞給泛醌的過程中，可同時(shí)偶聯(lián)質(zhì)子的泵出過程，將4個(gè)H+從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)（negativeside，顯負(fù)電,N側(cè)）泵到HXOH.COh3coOH泛醍H*伴醞劈）類似，能進(jìn)行可逆的電子傳遞，有3種氧化還原狀態(tài)，接受1個(gè)電子和1個(gè)質(zhì)子還

10、原成半醌型泛醌（QH），再接受1個(gè)電子和1個(gè)質(zhì)子還原成二氫泛醌（QH2）,后者可逆向逐步失去質(zhì)子和電子再被氧化為泛醌（圖8-6）。由于泛醌能在線粒體內(nèi)膜中自由移動，同時(shí)傳遞氫和電子，可在各復(fù)合體間募集并穿梭傳遞還原當(dāng)量，在氧化呼吸鏈中具有重要作用，同時(shí)還在下述的電子傳遞和質(zhì)子移動的偶聯(lián)中起著核心作用。內(nèi)膜胞質(zhì)側(cè)（positiveside，顯正電,P側(cè)），故復(fù)合體I有質(zhì)子泵功能，泵出質(zhì)子所需的能量來自電子傳遞過程。（二）復(fù)合體II將電子從琥珀酸傳遞到泛醌復(fù)合體II是檸檬酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶，又稱琥珀酸一泛醌還原酶，其功能是將電子從琥珀酸傳遞給泛醌。人復(fù)合體II又稱黃素蛋白2（FP2）,由4個(gè)亞

11、基組成，其中2個(gè)小疏水亞基，將復(fù)合體錨定于內(nèi)膜；另外2個(gè)亞基位于基質(zhì)側(cè)，含底物琥珀酸的結(jié)合位點(diǎn)、3個(gè)鐵硫中心輔基和1個(gè)黃素腺嘌吟二核苷酸（FAD）輔基。FAD的結(jié)構(gòu)母核與FMN相同，也是通過異咯嗪環(huán)進(jìn)行電子傳遞。琥珀酸的脫氫反應(yīng)使FAD轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原型FADH2,后者再將電子傳遞到鐵硫中心，然后傳遞給泛醌。該過程傳遞電子釋放的自由能較小，不足以將H+泵出線粒體內(nèi)膜，因此復(fù)合體II沒有H+泵的功能。代謝途徑中另外一些含F(xiàn)AD的脫氫酶，如脂酰CoA脫氫酶、a一磷酸甘油脫氫酶、膽堿脫氫酶，可以不同方式將相應(yīng)底物脫下的2個(gè)H和2個(gè)電子經(jīng)FAD傳遞給泛醌，進(jìn)入氧化呼吸鏈。（三）復(fù)合體III將電子從還原型泛醌

12、傳遞至細(xì)飽色素c泛醌從復(fù)合體I或II募集還原當(dāng)量并穿梭傳遞到復(fù)合體III,后者再將電子傳遞給細(xì)胞色素c,因此復(fù)合體皿又稱泛醌一細(xì)胞色素c還原酶。人復(fù)合體III含有細(xì)胞色素b（b562,b566）、細(xì)562566胞色素5和一種可移動的Rieske鐵硫蛋白（Rieskeiron-sulfurprotein）。細(xì)胞色素（cytochrome,Cyt）是一類含血紅素樣輔基的電子傳遞蛋白，血紅素樣輔基中的鐵離子可通過Fe2+fFe2+e-反應(yīng)傳遞電子，為單電子傳遞體。還原型細(xì)胞色素均有特征的a、B、Y三個(gè)可見吸收峰。而氧化型細(xì)胞色素吸收峰和還原型的相比有明顯改變，可作為分析細(xì)胞色素種類和狀態(tài)的重要指標(biāo)。

13、根據(jù)它們吸收光譜和最大吸收波長不同，可將線粒體的細(xì)胞色素分為細(xì)胞色素a,b,c（Cyta,Cytb,Cytc）三類，及不同亞類。各種細(xì)胞色素光吸收性質(zhì)不同是由于輔基鐵卟啉環(huán)的側(cè)鏈以及血紅素所處分子環(huán)境各有不同。細(xì)胞色素b的鐵卟啉是鐵一原卟啉IX,與血紅蛋白的血紅素相同，稱為血紅素b（圖8-7）；而細(xì)胞色素a中鐵一原卟啉IX環(huán)含有甲?；?，1個(gè)乙烯基側(cè)鏈連接的聚異戊二烯長鏈，稱血紅素a（圖8-7）。細(xì)胞色素a和b中的血紅素與其蛋白質(zhì)通過非共價(jià)鍵結(jié)合，但為緊密連接。細(xì)胞色素c中，鐵一原卟啉IX的乙烯側(cè)鏈通過共價(jià)鍵與蛋白質(zhì)部分的半胱氨酸殘基的疏基相連，稱血紅素c（圖8-8）。人復(fù)合體III為二聚體，呈

14、梨形。每個(gè)單體中有11個(gè)亞基，其功能區(qū)包括3部分：細(xì)胞色素b,細(xì)胞色素C，和鐵硫蛋白。其中細(xì)胞色素C和鐵硫蛋白都有球形結(jié)構(gòu)域，并以疏水區(qū)段錨定在線粒體內(nèi)膜。細(xì)胞色素b亞基結(jié)合2個(gè)不同血紅素輔基，一個(gè)還原電位較低稱CytbL，根據(jù)吸NN11物氧oxidase），將CytC的電子傳遞給分子氧，使其還原為H2O。人復(fù)合體IV包含13個(gè)亞基，其中亞基III由線粒體基因編碼，是還原當(dāng)量傳遞的功能1C1ICIIbrnn收波長稱Cytb566,另一個(gè)電位較高稱CytbH,根據(jù)吸收波長稱Cytb562，位置接近于內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)。復(fù)合體III還有2個(gè)泛酪結(jié)合位點(diǎn)，分處內(nèi)膜胞質(zhì)側(cè)和基質(zhì)側(cè)，稱為QP和QN位點(diǎn)。復(fù)合體I

15、II的電子傳遞過程通過“Q循環(huán)”（Qcycle）實(shí)現(xiàn)?！癚循環(huán)”是為了實(shí)現(xiàn)雙電子傳遞體泛釀與單電子傳遞體細(xì)胞色素之間的電子傳遞，是一個(gè)復(fù)雜的電子傳遞過程，最終將電子從泛釀經(jīng)鐵硫蛋白傳遞給Cytc1。每2分子QH2通過Q循環(huán)，生成1分子QH2和1分子Q.將2個(gè)電子傳給2分子Cytc1，同時(shí)復(fù)合體III向膜間隙釋放4H十。CytC是氧化呼吸鏈唯一的水溶性球狀蛋白，與線粒體內(nèi)膜外表面疏松結(jié)合，不包含在上述復(fù)合體中。Cytc從復(fù)合體III中的Cytc1獲得電子傳遞到復(fù)合體IV。（四）復(fù)合體IV將電子從細(xì)胞色索c傳遞給氧人復(fù)合體IV又稱細(xì)胞色素c氧化酶（cytochrome。性亞基，其他10個(gè)亞基起調(diào)節(jié)

16、作用。亞基I呈圓柱形，含2個(gè)血紅素輔基，分別稱為Cyta和Cyta3，由a螺旋結(jié)構(gòu)支持。另外還含1個(gè)Cu離子，稱Cub。細(xì)胞色素a3和Cub定位接近3B3B而形成1個(gè)Fe-Cu中心。蛋白結(jié)合的Cu可發(fā)生Cu+fCu2+e-的可逆反應(yīng),也屬單電子傳遞體。亞基II、III分別位于亞基I兩側(cè)，亞基II內(nèi)膜膜間腔側(cè)膜外域含桶狀的10股0片層結(jié)構(gòu)，通過2個(gè)半胱氨酸殘基穩(wěn)定結(jié)合2個(gè)Cu離子，稱Cua，形成類似Fe2S2鐵硫中心的結(jié)構(gòu)。而亞基III的功能主要與質(zhì)子泵出有關(guān)。復(fù)合體IV中含4個(gè)氧化還原中心，即2個(gè)血紅素中心（Cyta,Cyta3）,2個(gè)Cu位點(diǎn)（CuaCub）。其中Cua中心與Cyta中血紅素

17、的Fe定位極為接近，僅距TOC o 1-5 h z3ABA1.5nm,電子可由Cu中心（2個(gè)Cu離子）傳遞至ICyta;而CytaC%,形成一個(gè)Fe-Cu中心，這A3B樣就形成了2Cua和Cyta3-CuB兩組電子傳遞單元，稱為雙核中心（binuclearcenter）功能單A3B元。復(fù)合體IV電子傳遞過程是在雙核中心上進(jìn)行（圖8-9）。Cytc供出的電子經(jīng)Cua雙核中心傳遞到Cyta，再到Cyta3-CuB雙核中心。需要依次傳遞4個(gè)電子，并從線粒體基質(zhì)獲得43B個(gè)H+,最終將1分子O2還原成2分子H20（圖8-9）。其電子傳遞過程為：Cyta傳遞第一個(gè)、第二個(gè)電子到氧化態(tài)的Cyta3-CuB

18、,雙核中心（Cu2十和Fe3+）,經(jīng)Cub。至OCyta3,使雙核中心的Cu2十和Fe3+3BB3被還原為Cu+;Fe2+，并使雙核中心結(jié)合O2分子，形成過氧橋連接的Cub。和Cyta3，相當(dāng)于22B3個(gè)電子傳遞給結(jié)合的O2。中心再獲得2個(gè)H+和第三個(gè)電子,O2分子鍵斷開，Cyta3出現(xiàn)Fe4+中間態(tài)。再接受第四個(gè)電子Fe4+還原為Fe3+并形成Cub2+和CytaFe3+各結(jié)合1個(gè)OH基團(tuán)的中間B3態(tài)。最后再獲得2個(gè)H+，雙核中心解離出2個(gè)分子H20后恢復(fù)初始氧化狀態(tài)（圖8-10）。生成的H20通過亞基I、III間親水通道排人膜間腔側(cè)。復(fù)合體W也有質(zhì)子泵功能，相當(dāng)于每傳遞2個(gè)電子使2個(gè)H+跨

19、內(nèi)膜向膜間腔側(cè)轉(zhuǎn)移。由于上述O2獲得電子過程產(chǎn)生的具有強(qiáng)氧化性的Q2-和O2-2中間物始終和雙核中心緊密結(jié)合，不會引起對細(xì)胞組分的損傷。二、NADH和FADH2是氧化呼吸鏈的電子供體營養(yǎng)物質(zhì)的分解代謝中，大部分脫氫酶以NAD+，NADP+，F(xiàn)MN或者FAD為輔酶，用來接受從底物上脫下來的成對氫，生成還原態(tài)的NADH+H+，NADPH+H+，F(xiàn)MNH2和FADH2圖8-3和8-4）。還原態(tài)的NADH和NADPH都是水溶性的電子載體，由于氧化呼吸鏈的復(fù)合體I即為NADH脫氫酶，可使線粒體NADH所攜帶的還原當(dāng)量通過氧化呼吸鏈徹底氧化并釋能，而NADPH的還原當(dāng)量主要用于合成代謝反應(yīng)。FMN或FAD

20、是氧化呼吸鏈復(fù)合體中黃素蛋白的輔基，能通過氧化還原態(tài)的變化進(jìn)行電子傳遞。由于復(fù)合體!是檸檬酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶，通過結(jié)合底物琥珀酸并將其還原當(dāng)量傳遞給FAD,生成的FADH2直接進(jìn)人呼吸鏈進(jìn)行氧化釋能。因此NADH和FADH2是氧化呼吸鏈的電子供體。根據(jù)電子供體及其傳遞過程，目前認(rèn)as0fl2H20Feu:CuB2*/*/17、FeCu；JFeCu；Ha0：Ari2i(fBi中心俟o?還師成水的過科,為，氧化呼吸鏈有兩條途徑：一條稱為NADH氧化呼吸鏈，該途徑以NADH為電子供體，從NADH+H+開始經(jīng)復(fù)合體I到02而生成H2O。電子傳遞順序是：NADH復(fù)合體ICOQ復(fù)合體IIICytc-復(fù)

21、合體W02另一條稱為FADHZ氧化呼吸鏈，也稱境拍酸氧化呼吸鏈，以FADH2為電子供體，經(jīng)復(fù)合體B到OZ而生成HzOo電子傳遞順序是：JIM酸。復(fù)合體I-+COQ-+復(fù)合體In-+Cytc-復(fù)合體W-.OZ呼吸鏈各組分的排列順序是由下列實(shí)驗(yàn)確定的:根據(jù)呼吸鏈各組分的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位進(jìn)行排序。簡單來講，標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位E。（單位：電壓Volts）是指在特定條件下，參與氧化還原反應(yīng)的組分對電子的親和力大小。電位高的組分對電子的親和力強(qiáng)，易接受電子。相反，電位低的組分傾向于給出電子。因此，呼吸鏈中電子應(yīng)從電位低的組分向電位高的組分進(jìn)行傳遞（表8-2）。底物存在時(shí)，利用呼吸鏈特異的抑制劑阻斷某一組分的

22、電子傳遞，在阻斷部位以前的組分處于還原狀態(tài)，后面的組分處于氧化狀態(tài)。根據(jù)各組分的氧化和還原狀態(tài)吸收光譜的改變分析其排列次序。利用呼吸鏈各組分特有的吸收光譜，以離體線粒體無氧時(shí)處于還原狀態(tài)作為對照，緩慢給氧，觀察各組分被氧化的順序。在體外將呼吸鏈拆開和重組，鑒定四種復(fù)合體的組成與排列。第二節(jié)氧化磷酸化將氧化呼吸鏈釋能與ADP磷酸化偶聯(lián)生成ATP在機(jī)體能量代謝中，ATP作為能量載體分子，是體內(nèi)主要供能的高能化合物。細(xì)胞內(nèi)由ADP磷酸化生成ATP的方式有兩種，一種是與脫氫反應(yīng)偶聯(lián)，直接將高能代謝物分子中的能量轉(zhuǎn)移至ADP或GDP），生成ATP（或GTP）的過程，稱為底物水平磷酸化，已在糖代謝中敘述。

23、而ATP形成的主要方式是氧化磷酸化（oxidativephosphorylation），即由代謝物脫下的氫，經(jīng)線粒體氧化呼吸鏈電子傳遞釋放能量，此釋能過程與驅(qū)動ADP磷酸化生成ATP相偶聯(lián)，即還原當(dāng)量的氧化過程與ADP的磷酸化過程相偶聯(lián)，產(chǎn)生能量ATP。因此又稱為偶聯(lián)磷酸化。一、氧化磷酸化偶聯(lián)部位在復(fù)合體I、III、W內(nèi)成對電子經(jīng)氧化呼吸鏈傳遞所能合成ATP的分子數(shù)可反映該過程的效率。理論推測的氧化呼吸鏈中偶聯(lián)生成ATP的部位稱為氧化磷酸化的偶聯(lián)部位，可根據(jù)下述實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)大致確定。（一）P/O比值一對電子通過氧化呼吸鏈傳遞給1個(gè)氧原子生成1分子H2O,其釋放的能量使ADP磷酸化合成ATP此

24、過程需要消耗氧和磷酸。P/O比值是指氧化磷酸化過程中，每消耗1/2摩爾O2所需磷酸的摩爾數(shù)，即所能合成ATP的摩爾數(shù)（或一對電子通過氧化呼吸鏈傳遞給氧所生成ATP分子數(shù)）。研究發(fā)現(xiàn)丙酮酸等底物脫氫反應(yīng)產(chǎn)生NADH+H+，通過NADH氧化呼吸鏈傳遞，P/0比值接近2.5,說明傳遞一對電子需消耗1個(gè)氧原子且需消耗約2.5分子的磷酸，因此NADH氧化呼吸鏈可能存在3個(gè)ATP生成部位。而琥珀酸脫氫時(shí)，P/0比值接近1.5，說明琥珀酸氧化呼吸鏈可能存在2個(gè)ATP生成部位。根據(jù)NADH、琥珀酸氧化呼吸鏈P/O比值的差異，提示在NADH和泛醌之間存在1個(gè)ATP生成部位。而抗壞血酸底物直接通過Cytc傳遞電子

25、進(jìn)行氧化，其P/O比值接近1,推測Cytc和O2之間存在1個(gè)ATP生成部位。而另1個(gè)ATP生成部位應(yīng)在泛醌和Cyt。之間。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，一對電子經(jīng)NADH氧化呼吸鏈傳遞，P/0比值約為2.5，生成2.5分子的ATP；一對電子經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈傳遞，P/O比值約為1.5，可產(chǎn)生1.5分子的ATP.（二）自由能變化根據(jù)熱力學(xué)公式，pH7.0時(shí)標(biāo)準(zhǔn)自由能變化（G）與還原電位變化，標(biāo)準(zhǔn)還原電位表示物質(zhì)對電子的親和力，還原電位高更易于接受電子）之間有以下關(guān)系：G=-nFAEn為傳遞電子數(shù);F為法拉第常數(shù)（96.5kJ/molV）。從NAD仔l(wèi)COQ段測得的還原電位差約0.36V，從CQ到Cytc電位差為0

26、.19V，從Cyta,a3到分子氧為0.58V，分別對應(yīng)復(fù)合體I、II、W的電子傳遞。計(jì)算結(jié)果，它們相應(yīng)釋放的G分別約為69.5、36.7、112kJ/mol,而生成每摩爾ATP需能約30.5kJ（7.3kcal），可見復(fù)合體I、II、W傳遞一對電子釋放的能量足夠用于生成ATP所需的能量。說明以上三部位各存在1個(gè)ATP的偶聯(lián)部位。這里講的偶聯(lián)部位并非意味著這三個(gè)復(fù)合體是直接生成ATP的部位，而是指經(jīng)由這三個(gè)復(fù)合體的電子傳遞所釋放的能量具有合成ATP的能力。由于不同復(fù)合體的電勢能不同，我們可以將它們形象的比喻為由不同的蛋白質(zhì)復(fù)合體組成的一個(gè)“生物電場”。電子的傳遞過程就是由低電勢向高電勢泳動的過

27、程。而電子傳遞所釋放的電勢能就轉(zhuǎn)變?yōu)榭缇€粒體內(nèi)膜的質(zhì)子濃度梯度，驅(qū)動ATP合成。二、氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制是產(chǎn)生跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度1961年英國科學(xué)家P.Mitchel提出的化學(xué)滲透假說（chenmiosmotichypothesis）闡明了氧化磷第八章生物氧化183酸化偶聯(lián)機(jī)制。其基本要點(diǎn)是電子經(jīng)氧化呼吸鏈傳遞時(shí)釋放的能量，通過復(fù)合體的質(zhì)子泵功能，驅(qū)動H十從線粒體基質(zhì)側(cè)泵出至內(nèi)膜的膜間腔側(cè)。由于質(zhì)子不能自由穿過線粒體內(nèi)膜返回基質(zhì)，這種質(zhì)子的泵出引起內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子濃度和電位的差別（膜間腔側(cè)質(zhì)子的濃度和正電性高于線粒體基質(zhì)），從而形成跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度（H+濃度梯度和跨膜電位差），儲存

28、電子傳遞釋放的能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流至基質(zhì)時(shí)驅(qū)動ADP與Pi生成ATP。如一對電子自NADH傳遞至氧可釋放約-220kJ/mol的能量，同時(shí)將10個(gè)H+從基質(zhì)轉(zhuǎn)移至內(nèi)膜膜間腔側(cè)，形成的H+梯度儲存約-200kJ/mol,當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)用于驅(qū)動ATP合成?？?一1化學(xué)滲透理論闡明了氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制英國學(xué)者P.Mitchell獲得1978年諾貝爾化學(xué)獎，表彰他創(chuàng)建的化學(xué)滲透理論闡明了氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制。他提出電于傳遞能量馭動質(zhì)子從線粒體基質(zhì)轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜外，形成跨內(nèi)膜質(zhì)子梯度，儲存能量，泵出的質(zhì)子再通過ATP合酶內(nèi)流釋能催化ATP合成。該理論解釋了氧化磷酸化中電子傳遞鏈蛋白、ATP合酶

29、在基質(zhì)內(nèi)膜分布的意義及其如何利用質(zhì)子作為能源。這一理論是解決生物能學(xué)難題的重大突破，并更新了人們對涉及生命現(xiàn)象的生物能儲存、生物合成、代謝物轉(zhuǎn)運(yùn)、膜結(jié)構(gòu)功能等多種問題的認(rèn)識?；瘜W(xué)滲透假說已經(jīng)得到廣泛的實(shí)驗(yàn)支持:氧化磷酸化依賴于完整封閉的線粒體內(nèi)膜；線粒體內(nèi)膜對H十、OH-、K+、C1-離子是不通透的；電子傳遞鏈可驅(qū)動質(zhì)子移出線粒體，形成可測定的跨內(nèi)膜電化學(xué)梯度；增加線粒體內(nèi)膜外側(cè)酸性可導(dǎo)致ATP合成，而阻止質(zhì)子從線粒體基質(zhì)泵出，可降低內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子梯度，雖然電子仍可以傳遞，但ATP生成卻減少。氧化呼吸鏈電子傳遞過程驅(qū)動質(zhì)子從線粒體基質(zhì)側(cè)轉(zhuǎn)移到膜間腔側(cè)的機(jī)制雖已有敘述，但還不完全清楚。實(shí)驗(yàn)證實(shí)電

30、子傳遞過程復(fù)合體、111和W有質(zhì)子泵功能，一對電子經(jīng)這些復(fù)合體傳遞分別向內(nèi)膜膜間腔側(cè)泵出4H+,4H+和2H+。圖8-11歸納了氧化呼吸鏈電子傳遞和氧化磷酸化的過程。圖8-11/IV,利I*1*a4n竹休肉怖it井轉(zhuǎn)覽自對JIIj,iHHrrt単累u剋戊:f代曲內(nèi)IWfT樸曙仙（一）飽質(zhì)中的NADH通過穿梭機(jī)制進(jìn)入線粒體的氧化呼吸鏈生物氧化的脫氫反應(yīng)可發(fā)生在細(xì)胞的胞質(zhì)或線粒體基質(zhì)中，在線粒體內(nèi)生成的nADh可直接進(jìn)人氧化呼吸鏈進(jìn)行電子傳遞。但NADH不能自由穿過線粒體內(nèi)膜，在胞質(zhì)中經(jīng)糖 第二篇物質(zhì)代謝及其調(diào)節(jié) #第二篇物質(zhì)代謝及其調(diào)節(jié)第八章生物氧化 2.蘋果酸一天冬氮酸穿梭主要存在于肝和心肌中

31、該穿梭在肝、腎及心肌細(xì)胞中極為活躍，涉及2種內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和2種酶協(xié)同參與。胞質(zhì)中的NADH+H+使草酞乙酸還原生成蘋果酸，蘋果酸經(jīng)過線粒體內(nèi)膜上的蘋果酸一a酮戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)人線粒體基質(zhì)后重新生成草酞乙酸和NADH+H+?；|(zhì)中的草酞乙酸轉(zhuǎn)變?yōu)樘於彼岷蠼?jīng)線粒體內(nèi)膜上的天冬氨酸一谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白重新回到胞質(zhì)，進(jìn)人基質(zhì)的NADH+H+則通過NADH氧化呼吸鏈進(jìn)行氧化,并產(chǎn)生2.5分子ATP（圖8-18）。兩種穿梭進(jìn)人呼吸鏈方式不同，使胞質(zhì)中NADH+H十生成不同量的ATP分子。膜間腔內(nèi)膜基質(zhì)CHOHCOOH*CHOHCOOHCOCOOHCOCOOH（ch.）2cooh/d-鬧戊二綾COCOOH(C

32、H2)1COOHa-醍戊;二酸CHXOOH蘋果酸COCOOHCHiCOOH/草旣乙酸CHNHiCOOHCHNH.COOH叫;cnoHCHzCOOH（二）ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)ADP進(jìn)入和ATP移出線粒體電子傳遞產(chǎn)生的跨膜質(zhì)子梯度主要用于驅(qū)動ATP的合成，同時(shí)也驅(qū)動內(nèi)膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白用于轉(zhuǎn)運(yùn)氧化磷酸化的相關(guān)組分，包括腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白即為ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶（ATP-ADPtranslocase），又稱腺苷酸移位酶，富含于線粒體內(nèi)膜，可占內(nèi)膜蛋白總量的14%。它是由2個(gè)30kDa的亞基組成的二聚體，形成跨膜蛋白通道，將膜間腔的ADP3-（在細(xì)胞pH中,ADP呈解離

33、狀態(tài)）轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體基質(zhì)中，同時(shí)從基質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)出ATP4-，使經(jīng)內(nèi)膜的ADP3-進(jìn)人和ATP4-移出緊密偶聯(lián)，維持線粒體內(nèi)外腺昔酸水平基本平衡。每分子ATP4-和ADP3-反向轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，實(shí)際向膜間腔凈轉(zhuǎn)移1個(gè)負(fù)電荷，而膜間腔的高正電性有利于ATP的泵出。此時(shí)，跨膜質(zhì)子梯度的能量也驅(qū)動膜間腔的H+和H2PO42經(jīng)磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白同向轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體基質(zhì)中（圖8-19）。因此每分子ATP在線粒體基質(zhì)中生成并轉(zhuǎn)運(yùn)到胞質(zhì)共需4個(gè)H+回流進(jìn)人線粒體基質(zhì)中。心肌和骨骼肌等耗能多的組織中線粒體膜間腔中存在一種肌酸激酶同工酶，它催化經(jīng)ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶運(yùn)到膜間腔中的ATP與肌酸之間一P轉(zhuǎn)移，生成的磷酸肌酸經(jīng)線粒體外膜中的

34、孔蛋白進(jìn)人胞質(zhì)中，在細(xì)胞需能部位由相應(yīng)的肌酸激酶同工酶催化，將一P轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP，供細(xì)胞利用。因此，線粒體內(nèi)膜的選擇性協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)，對于氧化磷酸化的正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。線粒休膜間腔側(cè)內(nèi)膜涇質(zhì)測腺昔fi!轉(zhuǎn)運(yùn)蛋口第四節(jié)其他氧化與抗氧化體系+ATP4一、線粒體氧化呼吸鏈也可產(chǎn)生活性氧02得到單個(gè)電子產(chǎn)生超氧陰離子（02-）,超氧陰離子部分再接受單個(gè)電子還原生成過氧化氫H2O2,H2O2可再接受單個(gè)電子還原生成經(jīng)自由基（-OH）這些未被完全還原的氧分子，其氧化性遠(yuǎn)大于02，合稱為反應(yīng)活性氧類（reactiveoxygenspecies，ROS）。If()線粒體的呼吸鏈?zhǔn)菣C(jī)體產(chǎn)生ROS的主要部位，呼

35、吸鏈的各復(fù)合體在傳遞電子的過程,由于將漏出的電子直接交給氧，產(chǎn)生部分被還原的氧，所以得到R璐這樣的“副產(chǎn)物”特別是飛的產(chǎn)生主要源自呼吸鏈。復(fù)合體uI中通過Q循環(huán)傳遞電子，接受單電子的半酪型泛醒QH在內(nèi)膜中自由移動，通過非酶促反應(yīng)直接將單個(gè)電子泄漏給）2而生成認(rèn)。呼吸鏈末端的細(xì)胞色素氧化酶從金屬離子每次轉(zhuǎn)移1個(gè)電子、通過4步單電子轉(zhuǎn)移將氧徹底還原生成水，也會有少量氧接受單電子或雙電子被部分還原而生成02-和H202。而且產(chǎn)生的伏在線粒體中可再接受電子轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O2和OH。除呼吸鏈外，胞質(zhì)中的黃嚓吟氧化酶、微粒體中的細(xì)胞色素P450氧化還原酶等催化的反應(yīng)，需要氧為底物，也可產(chǎn)生O三。細(xì)胞過氧化酶體

36、中，F(xiàn)AD將從脂肪酸等底物獲得的電子交給認(rèn)可生成H202和經(jīng)自由基，OH.但這些酶產(chǎn)生的ROS遠(yuǎn)低于線粒體呼吸鏈。另外，細(xì)菌感染、組織缺氧等病理過程，電離輻射、吸煙、藥物等外源因素也可導(dǎo)致細(xì)胞產(chǎn)生大量的活性氧類。呼吸鏈產(chǎn)生的仇等活性氧分子可通過不同方式釋放到線粒體基質(zhì)、內(nèi)膜外的胞質(zhì)側(cè)以及細(xì)胞胞質(zhì)中，對細(xì)胞的功能產(chǎn)生廣泛的影響?；钚匝躅惢瘜W(xué)性質(zhì)非?；顫姡趸詮?qiáng)，其中經(jīng)自由基的氧化活性最強(qiáng)。o2-可迅速氧化一氧化氮（NO）產(chǎn)生過氧亞硝酸鹽（ONO-,也屬于ROS），后者能使脂質(zhì)氧化、蛋白質(zhì)硝基化而損傷第八章生物氧化193細(xì)胞膜和膜蛋白。經(jīng)自由基等可直接引起蛋白質(zhì)、核酸等各種生物分子的氧化損傷而喪

37、失功能，進(jìn)而破壞細(xì)胞的正常結(jié)構(gòu)和功能。線粒體是細(xì)胞產(chǎn)生ROS的主要部位，因此線粒體DNA，基質(zhì)中代謝途徑的酶等最容易受其攻擊而損傷或突變，對能量代謝旺盛的組織如腦、心肌、肝、腎等影響極大，導(dǎo)致疾病、衰老。如線粒體基質(zhì)中的順烏頭酸酶，其鐵硫中心易被0三氧化而喪失功能，直接影響檸檬酸循環(huán)的功能。線粒體一方面通過消耗氧用于合成ATP供能，另一方面也會產(chǎn)生活性氧類而損傷自身及細(xì)胞等。生物進(jìn)化已使機(jī)體發(fā)展了有效的抗氧化體系及時(shí)清除活性氧，防止其累積造成有害影響。二、抗氧化酶體系有清除反應(yīng)活性氧的功能正常機(jī)體存在的各種抗氧化酶、小分子抗氧化劑等，形成了重要的防御體系以對抗活性氧的損害。廣泛分布的超氧化物歧

38、化酶（superoxidedisrnutase,SOD），可催化1分子O2-氧化生成Oz,另一分子O2-還原生成H202,2個(gè)相同的底物歧化產(chǎn)生了2個(gè)不同的產(chǎn)物：20三+2H+-u-oH202+02哺乳動物細(xì)胞有3種SOD同工酶，在細(xì)胞外、胞質(zhì)中的SOD，其活性中心含Cu/Zn離子，稱Cu/Zn-SOD；線粒體中的SOD活性中心含Mn2+,稱Mn-SOD。SOD是人體防御內(nèi)、外環(huán)境中超氧離子損傷的重要酶。Cu/Zn-SOD基因缺陷使優(yōu)不能及時(shí)清除而損傷神經(jīng)元，可引起肌萎縮性側(cè)索硬化癥。生成的H202可被過氧化氫酶（catalase）分解為H20和OZ。過氧化氫酶主要存在于過氧化酶體、胞質(zhì)及微粒

39、體中，含有4個(gè)血紅素輔基，催化活性極強(qiáng)，每秒種可催化超過40000底物分子轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物。其催化反應(yīng)如下：2H2O2一一-2H2O+2H201也有一定的生理作用，如在粒細(xì)胞和吞噬細(xì)胞中,H202可氧化殺死人侵的細(xì)菌；甲狀腺細(xì)胞中產(chǎn)生的HZOZ可使21一氧化為IZ,進(jìn)而使酪氨酸碘化生成甲狀腺激素。谷脫甘膚過氧化物酶（glutathioneperoxidase,GPx）也是體內(nèi)防止活性氧損傷的主要酶，可去除H202和其他過氧化物類（ROOH）o.6ft甘膚過氧化物酶含硒（Se）代半朧氨酸殘基（由Se原子取代半朧氨酸中的S原子），是活性必需基團(tuán)。在細(xì)胞胞質(zhì)、線粒體以及過氧化酶體中，谷脫甘膚過氧化物酶通過

40、還原型的谷骯甘膚將H202還原為H20,將ROOH類轉(zhuǎn)變醇，同時(shí)產(chǎn)生氧化型的谷脫甘膚。它催化的反應(yīng)如下：H202+2GSH-2H20+GS-SG2GSH+ROOH-）GS-SG+H2O+ROH氧化型GS-SG經(jīng)谷脫甘膚還原酶催化，由NADPH+H+提供2H,再轉(zhuǎn)變成還原型谷脫甘膚GSH。還原型的GSH也可發(fā)揮抗氧化作用，抵抗活性氧對蛋白質(zhì)中琉基一SH的氧化。體內(nèi)其他小分子自由基清除劑有維生素C、維生素E、p胡蘿卜素、泛醒等，它們與體內(nèi)的抗氧化酶共同組成人體抗氧化體系。三、微粒體細(xì)胞色素P45o單加氧酶催化底物分子羥基化人微粒體細(xì)胞色素P4.單加氧酶（cytochromeP仰monooxygenase）催化氧分子中的一個(gè)氧原子加到底物分子上（經(jīng)化），另一個(gè)氧原子被氮（來自底物NADPH+H）還原成水，故又稱混合功能氧化酶（mixedfunctionoxidase）Ag化酶（hydroxylase）。參與類固醉激素、膽汁酸及膽色素等的生成以及藥物、毒物的生物轉(zhuǎn)化過程（見第十一章），其反應(yīng)式如下：194第二篇物質(zhì)代謝及其調(diào)節(jié)rh+nadph+h+O2-roh+nadpw此酶是含量最豐富、反應(yīng)最復(fù)雜的單加氧酶類，含細(xì)胞色素P450（cytochromePa,CytPm）。CYtPaso屬于Cytb類，通過輔酶血紅素中Fe離子價(jià)鍵變化進(jìn)行單電子傳遞。還原