復(fù)旦大學(xué)生化課件生物氧化2

生物氧化

BiologicalOxidation生物氧化

（BiologicalOxidation）一.生物氧化的概念及意義二.生物氧化的特點(diǎn)三.生物氧化的方式四.生物氧化體系—呼吸鏈五.能量的釋放、轉(zhuǎn)移、儲(chǔ)存及利用六.非線粒體氧化體系生物氧化[BiologicalOxidation]生物氧化是指糖類、脂類和蛋白質(zhì)等在生物活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的一系列的氧化分解作用，最終生成H2O和CO2，同時(shí)釋放能量的過(guò)程，又稱細(xì)胞呼吸或組織呼吸。相當(dāng)于分解（異化）作用。線粒體是生物氧化的場(chǎng)所

1948年，EugeneKennedy和AlbertLehninger發(fā)現(xiàn)線粒體是真核生物生物氧化及氧化磷酸化的場(chǎng)所，開始了生物能研究的新世代。線粒體有兩層膜，外膜對(duì)小分子（Mr5000）和離子為自由透過(guò)。內(nèi)膜對(duì)大多數(shù)小分子及離子不透過(guò)（包括H+），只有內(nèi)膜上存在特異運(yùn)輸體的物質(zhì)可以透過(guò)。內(nèi)膜上含有呼吸鏈和ATP合成酶。線粒體基質(zhì)含有丙酮酸脫氫酶復(fù)合物和檸檬酸循環(huán)途徑、脂肪酸-氧化途徑、氨基酸氧化途徑及酵解以外所有能量物質(zhì)氧化途徑。AlbertLehninger

1917-1986EugeneKennedy1919-線粒體的生物化學(xué)Theoutermembraneisarelativelysimplephospholipidbilayer,containingproteinstructurescalledporins[孔(道)蛋白]

whichrenderitpermeabletomoleculesofabout10kilodaltonsorless(thesizeofthesmallestproteins).Ions,nutrientmolecules,ATP,ADP,etc.canpassthroughtheoutermembranewithease.Theinnermembraneisfreelypermeableonlytooxygen,carbondioxide,andwater.Itsstructureishighlycomplex,includingallofthecomplexesoftheelectrontransportsystem,theATPsynthetasecomplex,andtransportproteins.Thewrinkles,orfolds,areorganizedintolamillae(layers),calledthecristae(脊，嵴).Thecristaegreatlyincreasethetotalsurfaceareaoftheinnermembrane.Thelargersurfaceareamakesroomformanymoreoftheabove-namedstructuresthaniftheinnermembranewereshapedliketheoutermembrane.Themembranescreatetwocompartments.Theintermembranespace,asimplied,istheregionbetweentheinnerandoutermembranes.Ithasanimportantroleintheprimaryfunctionofmitochondria,whichisoxidativephosphorylation.Thematrixcontainstheenzymesthatareresponsibleforthecitricacidcycle,-oxidation,AAoxidationand

etc.ThematrixalsocontainsdissolvedO2,H2O,CO2,therecyclableintermediatesthatserveasenergyshuttles,andmuchmore.Becauseofthefoldsofthecristae,nopartofthematrixisfarfromtheinnermembrane.Thereforematrixcomponentscanquicklyreachinnermembranecomplexesandtransportproteins.生物氧化的特點(diǎn)

與無(wú)機(jī)氧化（燃燒）相比，生物氧化與無(wú)機(jī)氧化從氧化的物質(zhì)、釋放出的總能量及終產(chǎn)物都相同。但兩者的表現(xiàn)形式和條件不同。具體表現(xiàn)在：體外燃燒

：(CH)+O2H2O+CO2+熱能。H2O的生成為氫和氧的直接化合CO2的生成為碳和氧的直接化合能量為驟然釋放，以光和熱的形式生物氧化的特點(diǎn)[cont.]

生物氧化

(CH)+O2H2O+CO2+熱能

H2O的生成在酶的作用下脫氫，H經(jīng)一系列的遞氫和遞電子反應(yīng)，最終與O2接合生成H2O。

CO2為有機(jī)物在酶的作用下脫羧形成。生物氧化要求條件溫和，為逐步氧化。能量的釋放是一步一步緩慢釋放，釋放的能量以高能磷酸鍵的形式貯存，不會(huì)使周圍溫度升高而傷害有機(jī)體。反應(yīng)條件

溫和劇烈反應(yīng)過(guò)程逐步進(jìn)行的酶促反應(yīng)一步完成能量釋放逐步進(jìn)行瞬間釋放CO2生成方式

有機(jī)酸脫羧碳和氧結(jié)合H2O需要不需要

生物氧化體外燃燒生物氧化和體外燃燒的比較脫羧

[Decarboxylation]CO2的生成方式：有機(jī)物在酶的作用下脫羧(decarboxylation)生成。根據(jù)脫羧的部位分為： -decarboxylation

-decarboxylation

根據(jù)脫羧的性質(zhì)分為：簡(jiǎn)單脫羧（simpledecarboxylation）氧化脫羧（oxidativedecarboxylation）直接脫羧基作用

(Directdecarboxylation)氧化脫羧基作用

(Oxidativedecarboxylation)丙酮酸脫氫酶復(fù)合物+幾個(gè)重要的CO2生成反應(yīng)

生物氧化中的CO2是由糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的化合物后脫羧產(chǎn)生的。1、丙酮酸直接脫羧(乙醇發(fā)酵）2、丙酮酸氧化脫羧（生成乙酰CoA）3、TCA循環(huán)中-酮戊二酸的生成(異檸檬酸氧化脫羧）4、TCA循環(huán)中琥珀酰~CoA的生成（-酮戊二酸氧化脫羧）5、草酰乙酸脫羧生成丙酮酸(直接脫羧）6、蘋果酸脫羧生成丙酮酸（氧化脫羧）氧化（Oxidation)（1）加氧（氧化）（oxidation）

RCHO+?O2RCOOH（2）脫氫（dehydrogenation）

RCH2OH–2HRCHOCH3CHO+H2OCH3CH(OH)(OH)

CH3COOH+2H（3）脫電子（deelectronation）

Fe2+-eFe3+脫氫酶(Dehydrogenase)

使代謝物的氫活化、脫離，并將之傳遞給其他受氫體或傳遞體。氧化酶(Oxidase)

生物氧化中，以氧直接為受氫體的氧化還原酶類稱為氧化酶。加氧酶(Oxygenase)

催化加氧反應(yīng)的酶。傳遞體(Carrier)

生物氧化過(guò)程中，起著中間傳遞氫或電子作用的物質(zhì)，它們既不能使代謝物脫氫，也不能使氫活化。參與生物氧化的酶類脫氫酶（Dehydrogenase)

催化：DH+RD+RH絕大多數(shù)脫氫酶需要CoI或CoII作為輔酶。

3-磷酸甘油醛+NAD++磷酸

1,3-二磷酸甘油酸+NADH+H+

丙酮酸+NADH+H+乳酸+NAD+也有以黃素核苷酸（FMN或FAD）作為輔酶的。

琥珀酸+FAD延胡索酸+FADH2

NADH+H++FMNNAD++FMNH2以煙酰胺核苷酸為輔基的脫氫酶以黃素核苷酸為輔基的脫氫酶氧化酶(Oxidase)（1）催化：RH+O2R+H2O2

產(chǎn)物是H2O2；需要黃素核苷酸作為輔基。

葡萄糖+O2+H2O葡萄糖酸內(nèi)酯+H2O2（2）催化：RH+O2R+H2O

作用產(chǎn)物之一是H2O，不是H2O2；包括兩種類型：金屬蛋白，如抗壞血酸氧化酶，含銅

L-抗壞血酸+O2脫氫抗壞血酸+H2O

另一類是細(xì)胞色素氧化酶，催化：

4Cytc-Fe2++O24Cytc-Fe3++H2O過(guò)氧化物酶（Peroxidase)

催化H2O2等作為氧化劑的氧化還原反應(yīng)，存在于過(guò)氧化物酶體，負(fù)責(zé)H2O2和過(guò)氧化物的分解與轉(zhuǎn)化。如：以血紅素為輔基的過(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫酶；以FAD為輔基的NAD(P)過(guò)氧化物酶；谷胱甘肽過(guò)氧化物酶，有的含硒，有的則不含，但都以H2O2以外的過(guò)氧化物（如脂質(zhì)過(guò)氧化物）為氧化劑。分別催化的反應(yīng)包括：

2H2O22H2O+O2(過(guò)氧化氫酶）

RH+H2O22H2O+R(過(guò)氧化物酶）

2GSH+ROOH(H2O2)ROH+GSSG超氧化物歧化酶

（Superoxidedismutase,SOD)

一種與阻斷過(guò)氧化物生成有關(guān)的特殊氧化酶。生物體的自由基清除劑。分為CuZn-SOD、Mn-SOD和Fe-SOD三種。

2O=+2H+

H2O2+O2

作用是清除超氧負(fù)離子自由基。超氧自由基是帶有不配對(duì)電子的氧分子，十分活躍，可與多種生物分子反應(yīng)，引發(fā)脂質(zhì)過(guò)氧化，造成膜損傷；使DNA斷裂，導(dǎo)致基因突變；與炎癥、衰老、腫瘤等密切相關(guān)。自由基（FreeRadical)

自由基是一類非常活躍的化學(xué)物質(zhì)，是個(gè)有不成對(duì)（奇數(shù)）電子的原子、原子團(tuán)、分子和離子。其中最重要的是氧自由基，它可聚集體表、心臟、血管、肝臟和腦細(xì)胞中。使血管發(fā)生纖維性病變，導(dǎo)致動(dòng)脈管硬化，高血壓，心肌梗塞；引起老年人神經(jīng)官能不全，導(dǎo)致記憶、智力障礙以及抑郁癥，甚至老年性癡呆等，是造成人類衰老和疾病的元兇。

(1)無(wú)機(jī)氧自由基：超氧自由基、羥基自由基

(2)有機(jī)氧自由基：過(guò)氧自由基、烷氧自由基、多元不飽和脂肪酸自由基RUFA、半醌自由基。

氧合酶（Oxygenase)

與氧化酶不同，氧合酶催化氧原子直接參入有機(jī)分子。（1）作用于一種氫供體，包括:(A)催化兩個(gè)氧原子參入[dioxygenase]，需要鐵離子或NADP作為輔助因子，往往伴隨開環(huán)。兒茶酚+O2順，順-己二烯二酸

(B)催化一個(gè)氧原子參入(monooxygenase)L-乳酸+O2

乙酸+CO2+H2O

這類酶有的是黃素蛋白，反應(yīng)過(guò)程包含脫羧。氧合酶（cont.）（2）作用于兩種氫供體，包括：（A）催化兩個(gè)氧原子參入，如鄰氨基苯甲酸1,2-雙氧合酶鄰氨基苯甲酸+NADPH+O2+2H2O兒茶酚+CO2+NADP++NH3。這類酶有的是黃素蛋白，反應(yīng)可能伴隨羥化、脫氨、脫羧或開環(huán)。（B）催化一個(gè)氧原子參入，如膽固醇7-單氧合酶膽固醇+NADPH+O27-膽固醇+NADP++H2O

由于這類酶反應(yīng)中伴隨羥基的形成，又稱羥化酶；因多含P-450，又稱P-450羥化體系。(中間)電子傳遞體

（ElectronTransfer）

它們通過(guò)自身的還原和氧化，將脫氫酶和氧化酶連接起來(lái)組成呼吸鏈，在生物氧化和氧化磷酸化過(guò)程中發(fā)揮重要作用，主要包括黃素蛋白、鐵硫蛋白、CoQ和細(xì)胞色素復(fù)合物。生物氧化體系—呼吸鏈(RespiratoryChain)

生物氧化體系解決的是有機(jī)物脫氫及氫的去路問(wèn)題，即解決有機(jī)物是如何通過(guò)一系列特異性的酶催化的反應(yīng)脫氫、遞氫和遞電子，把氫交給氧生成水，并產(chǎn)生ATP的問(wèn)題。整個(gè)氫的傳遞和電子的傳遞過(guò)程以及參與這一系列催化反應(yīng)的酶與輔酶及其他中間遞體一個(gè)接一個(gè)，組成鏈狀反應(yīng)體系，如同接力棒一樣，這種形式的反應(yīng)——呼吸鏈。遞氫體:呼吸鏈中參與傳遞H的輔酶或輔基。遞電子體:呼吸鏈中參與傳遞電子的輔酶或輔基。人體最普遍最重要的呼吸鏈以:

NAD+(CoI)或NADP+(CoII)為輔酶的脫氫酶、黃素蛋白（黃酶yellowenzyme,flavoprotein,FP）、輔酶Q(CoQ,泛醌，ubiquinone)及

細(xì)胞色素復(fù)合物(cytochromecomplex)組成兩條呼吸鏈：

S.NAD+FP1CoQbc1c(a+a3)1/2O2

FP2

S.SH2SNAD+NADH+H+FMNH2[Fe-S]FMN[Fe-S]CoQCoQH22Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+1/2O2OH2ONADH氧化呼吸鏈2H2H2H2e2H+2e電子傳遞鏈的類型FAD呼吸鏈FADH2→CoQ→Ctyb→c1→c→aa3→O2電子傳遞鏈的類型呼吸鏈的組成及作用機(jī)理1、煙酰胺脫氫酶類[nicotinamidedehydrogenases]

[或稱吡啶脫氫酶類，pyridinedehydrogenases]，以NAD+及NADP+為輔酶。2、黃素酶類[flavoprotein,flavin-linkeddehydrogenase,NADHdehydrogenase]黃素單核苷酸(FMN)黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)3、輔酶Q

(coenzymeQ,CoQ)

(泛醌，ubiquinone)4、

細(xì)胞色素類[cytochromes]Cytb,Cytc1,Cytc,Cyta1a3兩條重要的氧化呼吸鏈(I)(II)電子載體以多酶復(fù)合物起作用

呼吸鏈上的電子載體被組裝為膜包埋的超分子復(fù)合物，可以被分離開來(lái)，線粒體內(nèi)膜用去污劑溫和處理，分離后可以得到四個(gè)獨(dú)立的電子載體復(fù)合物，每個(gè)部分可以催化電子通過(guò)呼吸鏈的一部分轉(zhuǎn)移。 復(fù)合物I和II催化電子由不同的供體（NADH-復(fù)合物I、琥珀酸-復(fù)合物II）轉(zhuǎn)移到泛醌；復(fù)合物III把電子由泛醌傳遞給CytC；復(fù)合物IV完成電子由CytC到O2的傳遞過(guò)程。呼吸鏈功能

復(fù)合物的分離線粒體電子傳遞鏈蛋白質(zhì)組成煙酰胺[吡啶]脫氫酶類

許多代謝（中間）物的脫氫都通過(guò)脫氫酶的作用，是催化底物脫氫的一類酶，輔酶大多相同，有兩種：NAD+（CoI）（nicotinamideadeninedinucleotide）、

NADP+

(CoII):(nicotinamideadeninedinucleotidephosphate)。

還原型代謝物+NAD+氧化型代謝物+NADH+H+

還原型代謝物+NADP+氧化型代謝物+NADPH+H+

這些脫氫酶有些分布在胞質(zhì)中，有些分布在線粒體中，有些則胞質(zhì)和線粒體中兼有。NAD(P)相關(guān)的脫氫酶

煙酰胺可通過(guò)反復(fù)的還原和氧化，起到接受氫和提供氫的作用而傳遞氫。底物分子上脫下的兩個(gè)氫原子，一個(gè)以氫陰離子(:H-)的形式轉(zhuǎn)移到NAD(P)+上形成NAD(P)H，另一個(gè)則以H+形式游離到溶液中。每一個(gè):H-攜帶兩個(gè)電子，其中1e使氫以原子形式結(jié)合到吡啶環(huán)的C-4上，另1e與吡啶環(huán)上的N結(jié)合，N由+5價(jià)變?yōu)?3價(jià)。

NADPH上的氫可借助吡啶核苷酸轉(zhuǎn)氫酶（pyridinenucleotidetranshydrogenase)的作用轉(zhuǎn)移到NAD+上形成NADH。NAD(P)+受氫還原MH2M+2HdHE還原的CoI有340nm光吸收NADH+H+與NADPH+H+NADH和NADPH參與不同的代謝途徑還原生物合成產(chǎn)物氧化前體生物合成反應(yīng)分解代謝氧化磷酸化還原燃料氧化產(chǎn)物NAD（P）H相連的脫氫酶

催化的一些重要反應(yīng)黃素酶類[NADH脫氫酶]

這類酶是與黃素相關(guān)的脫氫酶或稱為黃素蛋白，輔基中因含核黃素得名，線粒體中可能與一種鐵硫蛋白（Iron-sulfurprotein，F(xiàn)e-S）組成復(fù)合體。

種類多，酶蛋白不同，但輔基只有兩種：

黃素單核苷酸[FMN]是NADH脫氫酶（FP1）的輔基。NADH+H++E-FMNNAD++E-FMNH2

黃素腺嘌呤二核苷酸[FAD]是琥珀酸脫氫酶（FP2）的輔基，此類酶催化由NADH、琥珀酸、脂酰CoA或3-磷酸甘油分子上脫氫，生成FMNH2或FADH2。FMN(FAD)的氧化還原鐵-硫中心[Iron-sulfurCenter]

最早由HelmutBeinert發(fā)現(xiàn)，鐵與無(wú)機(jī)硫原子和/或蛋白質(zhì)Cys殘基的硫原子相連。鐵硫中心（Fe-S）最簡(jiǎn)單的是單個(gè)鐵原子與4個(gè)Cys的-SH相連，更復(fù)雜的是有2個(gè)或4個(gè)鐵原子。Rieske鐵硫蛋白則為1個(gè)鐵原子與兩個(gè)His殘基相連。所有的鐵硫蛋白參與一個(gè)電子的轉(zhuǎn)移，其中的鐵原子或被氧化、或被還原，線粒體中至少有8個(gè)鐵硫蛋白參與電子傳遞。鐵-硫中心

[Iron-sulfurCenters]輔酶Q（CoenzymeQ，CoQ）

又稱泛醌(Ubiquinone)，脂溶性醌類化合物，有一個(gè)長(zhǎng)的異戊二烯側(cè)鏈，因廣泛存在得名。呼吸鏈中是參入到線粒體內(nèi)膜的電子載體。

CoQ在呼吸鏈中接受黃素酶的H，本身被還原為氫醌，再把電子傳遞給Cyt體系被氧化，接受1e變?yōu)樽杂苫膈?，接?e變?yōu)闅漉≦H2）。

CoQ不僅接受NADH脫氫酶的H，還接受線粒體其他脫氫酶的H，如琥珀酸脫氫酶，脂酰CoA脫氫酶及其他黃素脫氫酶脫下的H，在電子傳遞鏈中處于中心地位。輔酶Q的氧化還原氧化型泛醌自由基半醌氫（質(zhì)）醌底物到輔酶Q

的電子流動(dòng)ETF:electron-transferringflavoproteinComplexI：NADH到CoQ

也稱NADH：泛醌氧化還原酶，是一個(gè)大的酶復(fù)合物，由42條不同的多肽鏈組成，包括含F(xiàn)MN黃素蛋白和至少6個(gè)鐵硫中心。高分辨率電子顯微鏡顯示復(fù)合物I為L(zhǎng)形，L的一個(gè)臂在膜內(nèi)，另一臂伸展到基質(zhì)中。 復(fù)合物I催化兩個(gè)同時(shí)發(fā)生的偶聯(lián)過(guò)程： （1）NADH+H++QNAD++QH2

（2）4個(gè)質(zhì)子由基質(zhì)轉(zhuǎn)到內(nèi)膜外

因此，復(fù)合物I是由電子轉(zhuǎn)移能所驅(qū)動(dòng)的質(zhì)子泵，結(jié)果內(nèi)膜基質(zhì)面變負(fù)，內(nèi)膜外側(cè)變正。復(fù)合物

I(ComplexI):NADH+H+NAD+FMNFMNH2Fe2+-SFe3+-SCoQCoQH2NADPH+NAD+NADP++NADH其Fe-S復(fù)合物有三種形式：FeS,Fe2S2,Fe4S4NADPH可將電子傳遞給NAD+電子傳遞的方向?yàn)椋篘ADH→FMN→Fe-S→QNADH：CoQ氧化還原酶總的反應(yīng)結(jié)果為：NADH+5H+（M）+Q→NAD++QH2+4H+（C）ComplexII：琥珀酸到泛醌

也稱琥珀酸脫氫酶，是TCA循環(huán)中唯一的一個(gè)線粒體內(nèi)膜結(jié)合的酶，雖比復(fù)合物I小而簡(jiǎn)單，但含有兩類輔基和至少4種不同的蛋白質(zhì)，1個(gè)蛋白質(zhì)與FAD及有4個(gè)鐵原子的Fe-S中心共價(jià)結(jié)合。電子由琥珀酸流向FAD，然后通過(guò)Fe-S中心到泛醌。

呼吸鏈上還有其他底物的電子流經(jīng)Q，但不經(jīng)過(guò)復(fù)合物II，如脂酰CoA脫氫酶、3-磷酸甘油脫氫酶等。ComplexIISuccinateFumarateFADFADH2Fe2+-SFe3+-SCoQCoQH2電子傳遞的方向?yàn)椋虹晁帷鶩AD→Fe-S→Q反應(yīng)結(jié)果為：琥珀酸+Q→延胡索酸+QH2

琥珀酸脫氫酶[琥珀酸到泛醌：復(fù)合物II]ETF:Electron-transferringFlavoproteinComplexIII：CoQtoCytc

又稱Cytbc1復(fù)合物或泛醌：細(xì)胞色素c氧化還原酶。偶聯(lián)催化電子由氫醌到Cytc的轉(zhuǎn)移和質(zhì)子由膜內(nèi)基質(zhì)向膜外空間的運(yùn)輸。 復(fù)合物III和IV結(jié)構(gòu)的確定（1995-1998，X-射線晶體學(xué)）是線粒體電子轉(zhuǎn)移研究的里程碑。復(fù)合物III是一個(gè)由相同單體組成的二聚體，每個(gè)單體含有11個(gè)不同的亞基。ComplexIII:UbiquinonetoCytc

復(fù)合物III的功能核心有三部分：Cytb（有兩個(gè)血紅素bH和bL

）、含2Fe-2S的鐵硫蛋白和帶血紅素的Cytc1。

有功能的二聚體單位中，Cytc1和鐵硫蛋白突出P面，與膜間空間的Cytc作用，復(fù)合物有兩個(gè)泛醌結(jié)合位點(diǎn)QN和QP（兩個(gè)阻止氧化磷酸化作用的藥物作用位點(diǎn)-可阻止QN面電子由bH流向Q以及QP的電子由QH2流向鐵硫蛋白）。單體間的界面形成兩個(gè)口袋，每個(gè)口袋含來(lái)自1個(gè)單體的QP和另一個(gè)單體的QN。泛醌在這些掩蔽的袋中移動(dòng)。ComplexIII：泛醌到CytC

（Cytbc1Complex或泛醌：CytC氧化還原酶）單體二聚體功能單位AntimycinA粘色唑MyxothizolQ循環(huán)（TheQCycle)

根據(jù)復(fù)合物III的結(jié)構(gòu)和氧化還原反應(yīng)詳細(xì)的生物化學(xué)研究，有人提出了電子經(jīng)復(fù)合物的流動(dòng)模型--Q循環(huán)的反應(yīng)為：

QH2+2cytc1（氧化型）+2HN+Q+2cytc1(還原型）+4Hp+

膜的N側(cè)，2QH2被氧化為2Q，釋放4H+到內(nèi)膜外空間，每個(gè)QH2提供1e到cytc1（通過(guò)Fe-S中心），另1e到Q分子（通過(guò)cytb），兩步還原成QH2，還原反應(yīng)還從基質(zhì)中利用掉2H+。轉(zhuǎn)移的凈效應(yīng)：QH2被氧化成Q，2cytc被還原。Q循環(huán)電子：Qbc1c細(xì)胞色素類(Cytochromes)

細(xì)胞色素是含鐵的電子傳遞體，鐵原子處于卟啉結(jié)構(gòu)中心，構(gòu)成血紅素(heme)。細(xì)胞色素類都以血紅素作為輔基，使這類蛋白質(zhì)呈現(xiàn)紅色或褐色。細(xì)胞色素類在呼吸鏈中將電子從輔酶Q傳遞到O2。

D.Kailin根據(jù)吸收光譜將它們分成a、b、c三類。線粒體的電子傳遞鏈至少含有5種不同的細(xì)胞色素：b、c1、c、a1、a3。細(xì)胞色素

細(xì)胞色素b、c、aComplexIV：Cyt

c

toO2

又稱細(xì)胞色素氧化酶，呼吸鏈的最后一步，把Cytc的電子轉(zhuǎn)移給O2，生成H2O。一個(gè)大的酶復(fù)合物[線粒體內(nèi)膜上,13個(gè)亞基，Mr204000]，作用是電子傳遞和質(zhì)子泵。三個(gè)亞基對(duì)于功能至關(guān)重要。亞基II有2個(gè)Cu離子[CuA]（與Cys的-SH相連)、2個(gè)血紅素基團(tuán)（分別為a1、a3）和另一個(gè)Cu離子（CuB）。電子傳遞為：cytc-CuA-a-a3-CuB-O2，每4e通過(guò)復(fù)合物時(shí)，酶從基質(zhì)中消耗4個(gè)“底物”H+，生成2H2O，每通過(guò)1e，利用氧化還原反應(yīng)的能量泵出1H+到內(nèi)膜外空間。

4cytc(reduced)+8H+N+O24cytc(oxidized)+4H+P+2H2O復(fù)合物IV的電子流向電子和質(zhì)子通過(guò)呼吸鏈

四個(gè)復(fù)合物流動(dòng)的總結(jié)

電子從復(fù)合物I或II到達(dá)輔酶Q，承擔(dān)了電子和質(zhì)子的流動(dòng)載體。再將電子傳遞給復(fù)合物III，后者將它們傳遞給流動(dòng)的連接器—細(xì)胞色素c。然后復(fù)合物IV由還原的細(xì)胞色素c將電子傳遞給O2。電子流經(jīng)復(fù)合物I、III和IV的過(guò)程伴隨質(zhì)子從基質(zhì)流向膜外空間。脂肪酸-氧化產(chǎn)生的電子也可以通過(guò)輔酶Q進(jìn)入呼吸鏈。呼吸鏈四個(gè)復(fù)合物的

電子和質(zhì)子流動(dòng)電子傳遞順序的證據(jù)1、從NADH到O2，每一電子傳遞體的氧化還原電勢(shì)逐步增加。

-0.32-0.060.00+0.26+0.28+0.82NAD+FP1CoQbc1caa3O2

數(shù)值愈低（負(fù)值愈大、正值愈小），失去電子的傾向愈大，愈易成為還原劑而處于呼吸鏈的前面。電子按氧化還原電位從低向高傳遞，能量逐級(jí)釋放，呼吸鏈中的復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ都是質(zhì)子泵，可將質(zhì)子有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)移到膜間隙。電子傳遞順序的證據(jù)2、用分離的電子傳遞體重組，NADH可使NADH脫氫酶還原，但不能直接使cytb、c或aa3還原。還原型NADH脫氫酶不能直接與cytc起作用，必須經(jīng)過(guò)輔酶Q和cytb和c1后才能再與cytc起作用。3、分離到的線粒體傳遞體復(fù)合物，在傳遞功能上都是有順序地聯(lián)在一起的。如cytb、c1和一個(gè)鐵-硫蛋白等。4、用分光光度法通過(guò)吸收光譜的變化測(cè)定完整線粒體中呼吸鏈的各個(gè)電子傳遞體的氧化-還原狀態(tài)。電子傳遞的抑制劑

能阻斷呼吸鏈某一部位電子傳遞的物質(zhì)為電子傳遞抑制劑。利用專一性電子傳遞抑制劑選擇性地阻斷某個(gè)傳遞過(guò)程，再測(cè)定鏈中各組分的氧化-還原態(tài)情況，是研究電子傳遞順序的有效的重要方法。1、魚藤酮(rotenone)、安密妥(amytal)、殺粉蝶菌素(piericidin)，阻斷電子由NADH向CoQ的傳遞。2、抗霉素A(antimycinA)，抑制b到c1的電子傳遞。3、氰化物、硫化氫、疊氮化物、CO等，阻斷電子由cytaa3到氧的傳遞。決定電子載體順序的方法電子傳遞、質(zhì)子梯度及ATP合成呼吸鏈中ATP的產(chǎn)生高能磷酸鍵的形成

生物氧化所釋放的能量并不是完全以熱量的形式散發(fā)，除一部分以熱能形式用于維持體溫外，其余部分則以高能磷酸鍵的形式轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)存，一旦需要，則由ATP再水解釋放能力供機(jī)體需要，以免浪費(fèi)。 異養(yǎng)生物體高能磷酸鍵的形成方式有兩種：底物水平（底物）磷酸化、電子傳遞水平（氧化）磷酸化。底物水平磷酸化

（SubstrateLevelPhosphorylation)

代謝物質(zhì)分解過(guò)程中，底物分子因脫氫、脫水等作用，能量在分子內(nèi)部重排（重新分布）形成高能磷酸酯鍵，并轉(zhuǎn)移給ADP形成ATP。

高能磷酸鍵的形成及轉(zhuǎn)移底物水平磷酸化ATPADP+Pi氧化磷酸化

（OxidativePhosphorylation)

生物氧化過(guò)程中，代謝物脫下的氫經(jīng)呼吸鏈氧化為水時(shí)所釋放的能量轉(zhuǎn)移給ADP形成ATP的過(guò)程。實(shí)際上是氧化作用與氧化作用過(guò)程釋放的能量用于形成ATP過(guò)程（磷酸化作用）兩種作用的偶聯(lián)反應(yīng)。高能磷酸鍵的形成及轉(zhuǎn)移

氧化磷酸化（Coupledoxidativephosphorylation)氧化磷酸化偶聯(lián)的部位磷氧比（P/O）1940，S.Ochoa提出，代謝物脫下的氫經(jīng)呼吸鏈氧化生成水，一對(duì)電子（2H）經(jīng)呼吸鏈傳遞到O2生成水所產(chǎn)生的ATP分子的數(shù)目（即消耗1個(gè)原子氧所產(chǎn)生ATP的數(shù)目）稱為磷氧比(P/O)。代謝物脫下的2H經(jīng)NADH氧化呼吸鏈被氧化為水時(shí)，生成3ATP（P/O3），而經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈氧化為水時(shí)，生成2ATP（P/O2）。

現(xiàn)在普遍認(rèn)為，2H經(jīng)NADH氧化呼吸鏈被氧化為水時(shí)，生成2.5ATP；而經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈氧化為水時(shí)，生成1.5ATP

。影響氧化磷酸化作用的因素（1）ADP-Pi、ATP的調(diào)節(jié)作用ADP/ATP小，減緩、表現(xiàn)為抑制作用；ADP/ATP

大，加快、表現(xiàn)為促進(jìn)作用.（2）激素的調(diào)節(jié)作用Thyroxine(+)Na+、K+-ATPase,加快ATPADP+Pi,ADP進(jìn)入線粒體的數(shù)量增加，氧化磷酸化加快，耗氧及產(chǎn)熱增多—甲狀腺機(jī)能亢進(jìn)(hyperthyroidism)，患者BMR(basalmetabolicrate)增高。影響氧化磷酸化作用的因素（續(xù)）（3）抑制劑（inhibitors)的作用A.解偶聯(lián)劑[uncoupler]的作用[2,4-dinitrophenol,DNP]，解除偶聯(lián)作用。B.寡霉素[oligomycin]，抑制氧的利用和ATP的形成。C.CO的作用，與還原型Cyt氧化酶結(jié)合。D.CN-的作用，與氧化型Cyt氧化酶結(jié)合，生成高鐵Cyt氧化酶,酶失活，電子不能傳給O2，呼吸中斷。E.

異巴比妥和魚藤酮的作用，抑制FP1CoQ的傳遞。F.Antimycin(antitoxin)A的作用，抑制Cyt

bc的傳遞。G.離子載體抑制劑（ionophores)解偶聯(lián)劑的作用機(jī)理pH為7時(shí)，DNP以解離形式存在，脂不溶性，不能過(guò)膜。接受質(zhì)子成為非解離形式，脂溶性，可過(guò)膜。質(zhì)子被帶入膜內(nèi)，打破跨膜的質(zhì)子梯度。質(zhì)子梯度不用于ATP形成，P/O下降。2，4-二硝基苯酚的作用機(jī)理解偶聯(lián)蛋白

（Uncouplingproteins,UCPs)

解偶聯(lián)蛋白是線粒體內(nèi)膜上參與機(jī)體產(chǎn)熱的重要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)。UCPs被激活時(shí)，形成質(zhì)子通道，可引起線粒體內(nèi)膜上的質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)速度加快，使ATP合成依賴的線粒體內(nèi)膜上的電化學(xué)梯度改變，氧化磷酸化被解偶聯(lián)，不能合成ATP，產(chǎn)能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)熱。UCPs被認(rèn)為是參與能量代謝的重要靶蛋白。 機(jī)體產(chǎn)熱與能量平衡、代謝、體重調(diào)節(jié)有著密不可分的關(guān)系，推測(cè)UCPs可能與肥胖、胰島素抵抗及糖尿病的發(fā)生發(fā)展相關(guān)。但對(duì)于UCPs生理功能的組織特異性及其主要的體內(nèi)的調(diào)控因素仍不十分清楚。 目前作為肥胖藥物研究的靶蛋白非常熱門。UncouplingProtein

An

uncouplingprotein

(thermogenin，產(chǎn)熱素)

isproducedinbrownadiposetissueofnewbornmammalsandhibernating[冬眠]mammals.ThisproteinoftheinnermitochondrialmembranefunctionsasaH+carrier.Theuncouplingprotein

blocksdevelopmentofaH+electrochemicalgradient,therebystimulatingrespiration.DGofrespirationis

dissipatedasheat.This"non-shiveringthermogenesis“（非戰(zhàn)慄產(chǎn)熱）

iscostlyintermsofrespiratoryenergyunavailableforATPsynthesis,but

providesvaluablewarmingoftheorganism.蒼術(shù)苷影響氧化磷酸化和光合磷酸化作用的化合物阿米妥敵草隆二環(huán)己基碳二亞胺羰基-氰-對(duì)-三氟甲氧基苯肼氧化磷酸化作用的機(jī)理I

(1)

化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)（chemicalcouplinghypothesis），認(rèn)為電子傳遞和ATP生成的偶聯(lián)是通過(guò)一系列連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)形成一個(gè)高能的共價(jià)中間物，被用于ATP的形成。

(2)構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō)（conformationalcouplinghypothesis），認(rèn)為電子沿呼吸鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜蛋白組分發(fā)生了構(gòu)象變化而形成一種高能形式，進(jìn)一步使F0F1-ATP酶高能化，用于ATP的生成。氧化磷酸化作用的機(jī)理II

(3)

化學(xué)滲透假說(shuō)（chemiosmotichypothesis），認(rèn)為電子傳遞的結(jié)果把H+從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)泵到膜外空間形成一個(gè)跨內(nèi)膜的H+梯度，這種H+梯度滲透能（質(zhì)子推動(dòng)力，質(zhì)力）用于驅(qū)動(dòng)ATP的生成。由英國(guó)科學(xué)家P.Michell(1961)提出，獲1978年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。ChemiosmoticHypothesis

電子傳遞的結(jié)果把H+從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)泵到膜外空間，形成一個(gè)跨線粒體內(nèi)膜的H+梯度，其中所含的化學(xué)滲透能正是促進(jìn)ATP合成所需能量，這種能量被稱為質(zhì)子推動(dòng)力或質(zhì)力(Proton-motiveforce)。 有三個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)支持這一假說(shuō)的科學(xué)性：底物被氧化（琥珀酸生成延胡索酸）、O2被消耗、有ATP合成（依賴于可氧化底物和ADP和Pi）?；瘜W(xué)滲透假說(shuō)模式圖（Chemiosmotichypothesis）

化學(xué)滲透假說(shuō)示意圖化學(xué)滲透模型（ChemiosmoticModel)線粒體中電子傳與ATP的合成偶聯(lián)阻斷細(xì)胞色素氧化酶到O2的電子傳遞，抑制呼吸和ATP合成殺黑星菌素或寡霉素抑制ATP合成酶，阻斷ATP合成和呼吸作用ATP合成酶[ATPsynthase]

位于線粒體內(nèi)膜的內(nèi)表面，又稱F1/F0-ATP合成酶。F1由5種亞基組成，為酶復(fù)合物的球狀頭部，也是活性中心，位于內(nèi)膜基質(zhì)表面。F0橫貫內(nèi)膜，含有質(zhì)子通道，由4種亞基組成。莖部有寡霉素敏感蛋白（OSCP），有調(diào)節(jié)F0、F1的功能。ATP合成酶ATP合成酶及ATP合成

線粒體ATP合成酶復(fù)合物F1復(fù)合物F1結(jié)晶ATP結(jié)合位點(diǎn)ADP結(jié)合位點(diǎn)側(cè)視俯視線粒體ATP合成酶復(fù)合物（續(xù)）F0F1結(jié)構(gòu)酵母F0F1結(jié)構(gòu)F0F1復(fù)合物結(jié)構(gòu)能量的轉(zhuǎn)移、貯存和利用

代謝物氧化最終都將能量轉(zhuǎn)移給ADP形成ATP才能被生命活動(dòng)所利用。

ATP水解釋放的能量除供機(jī)體活動(dòng)外，有一部分能量可通過(guò)高能鍵的形式轉(zhuǎn)移給肌酸生成磷酸肌酸(phosphocreatine),是肌肉及腦組織中的能量貯存形式。 生物體內(nèi)有諸多合成反應(yīng)所需能量分子并非直接為ATP，如糖元合成所需能量物質(zhì)為UTP，磷脂合成則需CTP，而