第20章-生物氧化

第二章生物氧化BiologicalOxidation生物氧化概念生物氧化(biologicaloxidation)，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在生物體經(jīng)分解代謝，最終生成CO2和H2O，同時(shí)逐步釋放能量，供生命活動所需的過程。這類進(jìn)行反應(yīng)過程中細(xì)胞需攝取O2、釋放CO2，故又形象地稱之為細(xì)胞呼吸(cellularrespiration)。

糖

脂肪

蛋白質(zhì)

CO2+H2OO2ADP+PiATP能量熱能

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）丙酮酸、乙酰CoA等經(jīng)過三羧酸循環(huán)電子傳遞及磷酸化徹底氧化為CO2、H2O。釋放大量的能量大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位生物氧化途徑

第一階段：糖、脂肪、蛋白質(zhì)分解成各自的構(gòu)成單位——葡萄糖、脂肪酸和甘油、氨基酸（能量釋放少，僅為蘊(yùn)藏能量的1%，且多以熱能的形式散失，不能儲存）。

第二階段：葡萄糖、脂肪酸、甘油和多數(shù)氨基酸經(jīng)不同的反應(yīng)過程生成活性二碳化合物——乙酰輔酶A，這一階段約釋放總能量的1/3，且可以生成ATP。

第三階段：三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化，是糖、脂肪和蛋白質(zhì)分解代謝的最后共同通路。營養(yǎng)物質(zhì)中2/3的能量是在這個階段中釋放出來的，是生成ATP最多的環(huán)節(jié)。生物氧化實(shí)質(zhì)是氧化磷酸化，是NADH、FADH2上的電子通過一系列的電子傳遞體傳遞給O2生成水，并將釋放的能量使ADP磷酸化形成ATP的過程。問題

還原當(dāng)量是如何在呼吸鏈中與氧結(jié)合生成水？？？？？氧化呼吸鏈的電子傳遞是如何與ATP的生成偶聯(lián)在一起？？？？？線粒體內(nèi)膜是氧化磷酸化發(fā)生場所在線粒體中，由若干遞氫體或遞電子體按一定順序排列組成的，與細(xì)胞呼吸過程有關(guān)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)體系稱為呼吸鏈。這些遞氫體或遞電子體往往以復(fù)合體的形式存在于線粒體內(nèi)膜上。

線粒體的結(jié)構(gòu)(A)呼吸鏈(B)一、電子傳遞鏈定義

電子從NADH到O2的傳遞所經(jīng)過的途徑形象地稱為電子傳遞鏈，也稱呼吸鏈。由一系列的遞氫體(hydrogentransfer)和遞電子體(eletrontransfer)按一定的順序排列所組成的連續(xù)反應(yīng)體系，將代謝物脫下的成對氫原子交給氧生成水，同時(shí)有ATP生成。氧化還原反應(yīng)Oxidation-reductionreaction，是在反應(yīng)前后元素的化合價(jià)具有相應(yīng)的升降變化的化學(xué)反應(yīng)。

氧化還原不可分1.得氧和失氧的反應(yīng)只是氧化還原反應(yīng)中的一部分。2.化合價(jià)發(fā)生改變是所有氧化還原反應(yīng)的共同特征。3.電子得失是氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)。(一)

電子傳遞鏈組成由4種具有傳遞電子能力的復(fù)合體組成酶復(fù)合體是線粒體內(nèi)膜氧化呼吸鏈的天然存在形式，所含各組分共同完成電子傳遞過程。電子傳遞過程釋放的能量驅(qū)動H+移出線粒體內(nèi)膜，轉(zhuǎn)變?yōu)榭鐑?nèi)膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物合成。電子傳遞鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置人線粒體呼吸鏈復(fù)合體

泛醌和Cytc均不包含在上述四種復(fù)合體中復(fù)合體各組分傳遞電子的分子基礎(chǔ)是什么？氧化還原狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變氧化-還原反應(yīng)：凡是有電子從一種物質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一種物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)。氧還電對：NAD+/NADH+H+氧化-還原電勢（oxidation-reductionpotential）：氧化劑得到電子（或還原劑失去電子）的傾向?；瘜W(xué)電池電極勢（E）：電極上氧還電對的氧還電勢

En=

E0+RT/nF

·ln[電子受體]a

—能斯特方程

[電子供體]b

En——電極勢；E0——標(biāo)準(zhǔn)電極勢

R——?dú)怏w常數(shù)；T——絕對溫度；n——氧還反應(yīng)價(jià)數(shù)變化；F——法拉第常數(shù)標(biāo)準(zhǔn)電勢（standardpotential）：

氧還電對在標(biāo)準(zhǔn)條件下（PH=0、25C

、1atm、電子供受體濃度為1mol/L）的氧化還原電勢。

0或E0表示

pH=7時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)氧還電勢：

0’或E0’標(biāo)準(zhǔn)電勢越高的氧還電對越傾向于獲得電子電勢和自由能的關(guān)系:自由能的變化代表著氧還體系轉(zhuǎn)移電子的能力

G0’=-nFE0’

n——

氧化還原反應(yīng)傳遞電子數(shù)目；F——

法拉第常數(shù)（23062cal/Vmol）E0’

——

受體系統(tǒng)和供體系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電勢之差=-RTlnKeq’呼吸鏈組成復(fù)合體I:

NADH-Q還原酶功能１:將NADH+H+中的電子傳遞給泛醌功能２:具有質(zhì)子泵功能，每傳遞2個電子可將4個H+從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè)

復(fù)合體ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SNAD+和NADP+的結(jié)構(gòu)R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+（NADP+）的遞氫機(jī)制氧化還原反應(yīng)時(shí)變化發(fā)生在五價(jià)氮和三價(jià)氮之間。煙酰胺只能接受1個氫原子和1個電子，將另一個H+游離出來氧化型還原型FMN的結(jié)構(gòu)FAD的結(jié)構(gòu)FMN的結(jié)構(gòu)HFMN結(jié)構(gòu)中含核黃素，功能部位是異咯嗪環(huán)，氧化還原反應(yīng)時(shí)不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMNH.。在可逆的氧化還原反應(yīng)中顯示3種分子狀態(tài)。.鐵硫蛋白（鐵硫中心）的結(jié)構(gòu)?表示無機(jī)硫鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其中鐵原子可進(jìn)行Fe2+

Fe3++e反應(yīng)傳遞電子。屬于單電子傳遞體。鐵硫蛋白的三種結(jié)構(gòu)復(fù)合體I的功能電子傳遞順序：NADHFMNFe-SCOQFe-SCOQ蘋果酸脫氫酶異檸檬酸脫氫酶酮戊二酸脫氫酶丙酮酸脫氫酶β-羥丁酸脫氫酶β-羥脂酰COA脫氫酶4H+泛醌（COQ）的結(jié)構(gòu)不包含在上述復(fù)合體中泛醌由多個異戊烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈脂溶性,能在線粒體內(nèi)膜中自由擴(kuò)散。是內(nèi)膜中可移動電子載體，在各復(fù)合體間募集并穿梭傳遞還原當(dāng)量和電子。在電子傳遞和質(zhì)子移動的偶聯(lián)中起著核心作用。

NADH+H++CoQ（氧化型）復(fù)合體I

NAD++QH2（還原型）

E0'=0.36V，

G0'=-69.5KJ/mol

足以合成一個ATP分子。第一個質(zhì)子泵（H+由線粒體基質(zhì)

內(nèi)外膜間隙）,每傳遞兩個電子，泵出4個H+。

復(fù)合體Ⅱ:琥珀酸-泛醌還原酶功能:將電子從琥珀酸傳遞給泛醌

沒有質(zhì)子泵功能，是唯一鑲嵌于線粒體內(nèi)膜的酶蛋白

復(fù)合體Ⅱ琥珀酸→→CoQFAD

;

Fe-S;

b560脂酰COA脫氫酶磷酸甘油脫氫酶等復(fù)合體Ⅲ:泛醌-細(xì)胞色素c還原酶功能:將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素c

電子傳遞過程：“Q循環(huán)”

復(fù)合體Ⅲ每傳遞2個電子向內(nèi)膜胞漿側(cè)釋放2個H+，復(fù)合體Ⅲ也有質(zhì)子泵作用。復(fù)合體Ⅲ傳遞電子的過程通過Q循環(huán)(Qcycle)實(shí)現(xiàn)（1）第一分子QH2氧化過程（2）第二分子QH2氧化過程QH2QH2Fe2S22H+Q·ˉQQeˉc1eˉeˉeˉbLbHQ0QieˉQH2QH2Fe2S22H+Q·ˉQQeˉc1eˉeˉeˉbLbHQ0QieˉQH22H+Q·ˉQ·ˉ細(xì)胞色素C(cytc)cytc是由單一肽鏈和一分子血紅素構(gòu)成的球形分子，是唯一能溶于水的細(xì)胞色素。cytc是水溶性流動電子載體

復(fù)合體IV:細(xì)胞色素c氧化酶

功能:將電子從細(xì)胞色素c傳遞給氧

其中Cyta3-CuB形成活性雙核中心，將電子交給O2。每2個電子傳遞過程使4個H+跨內(nèi)膜向胞漿側(cè)轉(zhuǎn)移。

復(fù)合體IV也有質(zhì)子泵作用

復(fù)合體Ⅳ還原型Cytc→→O2

CuA→a→a3→CuB細(xì)胞色素氧化酶是一個由10個亞基構(gòu)成的跨膜蛋白復(fù)合體，第一、二亞基上結(jié)合著四個氧化-還原反應(yīng)中心，2個cyta+2個Cu離子。電子在細(xì)胞色素氧化酶中的傳遞：

cytc

CuA-cyta

cyta3-CuB

O2復(fù)合體IV的電子傳遞過程兩個血紅素中心兩個Cu位點(diǎn)Cu+Cu2++e呼吸鏈四個復(fù)合物的

電子和質(zhì)子流動總圖β-羥丁酸脫氫酶β-羥脂酰CoA脫氫酶(二)

呼吸鏈中電子傳遞體的排列順序的確定根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位的高低排列四種復(fù)合體的拆分和重組利用阻斷劑研究分析還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧兩條途徑氧化呼吸鏈1.NADH氧化呼吸鏈NADH復(fù)合體ⅠQ復(fù)合體ⅢCytc

復(fù)合體ⅣO2琥珀酸氧化呼吸鏈（FADH2氧化呼吸鏈）

琥珀酸

復(fù)合體ⅡQ復(fù)合體ⅢCytc復(fù)合體ⅣO2線粒體中某些重要底物氧化時(shí)的呼吸鏈二、氧化磷酸化

ATP生成方式

氧化磷酸化是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱偶聯(lián)磷酸化

底物水平磷酸化

與脫氫反應(yīng)偶聯(lián)，生成底物分子的高能鍵，使ADP（GDP）磷酸化生成ATP（GTP）的過程。不經(jīng)過電子傳遞。AH22H(2H++2e)H2O氧化A呼吸鏈1/2O2能量ADP+PiATP磷酸化偶聯(lián)（一）氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制1.化學(xué)滲透假說（Chemiosmotichypothesis）電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將質(zhì)子（H+）從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動ADP與Pi生成ATP。1961，P.Mitchell提出，1978年Nobel化學(xué)獎

線粒體基質(zhì)線粒體內(nèi)膜

++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化學(xué)滲透假說簡單示意圖線粒體外膜膜間隙氧化磷酸化偶聯(lián)氧化磷酸化線粒體基質(zhì)線粒體內(nèi)膜++++----O2H2OH+e-化學(xué)滲透假說已經(jīng)得到廣泛的實(shí)驗(yàn)支持電子傳遞鏈可驅(qū)動質(zhì)子移出線粒體內(nèi)膜；線粒體內(nèi)膜對H+，OH-，K+，Cl-離子是不通透的；線粒體基質(zhì)線粒體內(nèi)膜++++----H+ADP+PiATP增加線粒體內(nèi)膜外側(cè)酸性可導(dǎo)致ATP合成，而線粒體內(nèi)膜加入使質(zhì)子通過物質(zhì)，可減少內(nèi)膜質(zhì)子梯度，結(jié)果電子雖可以傳遞，但ATP生成減少。氧化磷酸化依賴于完整封閉的線粒體內(nèi)膜內(nèi)外膜電化學(xué)梯度對ATP合成是必需的ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+

1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+

H+胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)++++++++++---------化學(xué)滲透假說詳細(xì)示意圖（二）質(zhì)子順梯度回流釋放能量被ATP合酶利用催化ATP合成該酶主要由F0（疏水部分）和F1（親水部分）組成。F1主要由α3β3γδε亞基組成，其功能是催化生成ATP，催化部位在β亞基中，但β亞基必須與α亞基結(jié)合才有活性。F0是鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中的質(zhì)子通道。當(dāng)H+順濃度遞度經(jīng)F0回流時(shí)，F(xiàn)1催化ADP和Pi，生成并釋放ATP。此外，在F0和F1之間的柄部還有其他亞基存在，其中一個稱之為寡霉素敏感蛋白（oligomycin-sensitivity-conferringprotein，OSCP），使ATP合酶在寡霉素存在時(shí)不能生成ATP。

（三）氧化磷酸化偶聯(lián)部位質(zhì)子泵出部位氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復(fù)合體Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ根據(jù)P/O比自由能變化：1.P/O比值：是指物質(zhì)氧化時(shí)，每消耗1摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷的摩爾數(shù)，即生成ATP的摩爾數(shù)。底物呼吸鏈的組成P/O比值生成ATP數(shù)

-羥丁酸NAD+→O22.4~2.82.5琥珀酸FAD→O21.71.5抗壞血酸Cytc→O20.881細(xì)胞色素CCytaa3→O20.61~0.681線粒體離體實(shí)驗(yàn)

測得的一些底物的P/O比值三個偶聯(lián)部位：ATPATP

ATP①NADH與CoQ之間；②CoQ與Cytc之間；③Cytaa3與氧之間。

2.自由能變化(△G0′)：

△G0′＝－nF△E0′反應(yīng)ADP+PiATP+H2OATP+H2OADP+Pi30.5kJ/mol能量升高反應(yīng)能級圖呼吸鏈電子傳遞過程中，哪些區(qū)段放出的能量能實(shí)現(xiàn)ADP的磷酸化

電子傳遞鏈自由能變化ATPATP

ATP

氧化磷酸化偶聯(lián)部位三、氧化磷酸化作用受內(nèi)外源因素影響呼吸鏈抑制劑

阻斷呼吸鏈的電子傳遞過程解偶聯(lián)劑

破壞電子傳遞建立的跨內(nèi)膜質(zhì)子電化學(xué)梯度，使氧化與磷酸化的偶聯(lián)相互分離。ATP合酶抑制劑

抑制ADP磷酸化，繼而也抑制了電子傳遞

（一）有3類氧化磷酸化抑制劑1.呼吸鏈抑制劑阻斷氧化磷酸化的電子傳遞過程復(fù)合體Ⅰ抑制劑:魚藤酮、粉蝶霉素A及異戊巴比妥等阻斷電子從鐵硫中心傳遞到泛醌復(fù)合體Ⅱ的抑制劑:萎銹靈。復(fù)合體Ⅲ抑制劑:抗霉素A、二巰基丙醇。復(fù)合體Ⅳ抑制劑:CN-、N3-緊密結(jié)合中氧化型Cytaa3，阻斷電子從Cyta到CuB-Cyta3間傳遞。CO與還原型Cyta3結(jié)合，阻斷傳遞電子傳遞給O2。

魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥×抗霉素A二巰基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn)2.解偶聯(lián)劑破壞電子傳遞建立的跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度

解偶聯(lián)劑（Uncouple）可使氧化與磷酸化的偶聯(lián)相互分離，基本作用機(jī)制是破壞電子傳遞過程建立的跨內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度，使電化學(xué)梯度儲存的能量以熱能形式釋放，ATP的生成受到抑制。如:二硝基苯酚（dinitrophenol,DNP）；解偶聯(lián)蛋白（Uncouplingprotein,UCP1）解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體）Ⅲ

Ⅰ

ⅡF0F1Ⅳ

CytcQ胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)解偶聯(lián)蛋白熱能

H+

H+ADP+PiATP

3.ATP合酶抑制劑同時(shí)抑制電子傳遞和ATP的生成

這類抑制劑對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素（Oligomycin）可結(jié)合Fo單位，

二環(huán)已基碳二亞胺（dicyclohexylcarbodiimide,DCCP）共價(jià)結(jié)合Fo的c亞基谷氨酸殘基，阻斷質(zhì)子

從Fo質(zhì)子半通道回流，抑制ATP合酶活性?？勺柚官|(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成。寡霉素ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖寡霉素(oligomycin)（二）A