生物氧化

生物氧化的思维导图，化学物质在生物体内的氧化分解过程称为生物氧化。(主要指糖，脂肪，蛋白质三大营养物质的氧化分解过程。)

生物氧化

• 线粒体氧化体系与呼吸链
  • 生物氧化:化学物质在生物体内的氧化分解过程称为生物氧化。(主要指糖，脂肪，蛋白质三大营养物质的氧化分解过程。)
    • 特点:需要有酶催化，而且是分阶段逐步完成。
    • 微粒体氧化体系:在微粒体，内质网等发生的氧化反应主要是对底物进行氧化修饰转化等，并无ATP的生成。
  • 线粒体氧化体系的主要功能是为机体提供能量，包括热能，ATP等。
    • 特点:反应温和，需酶，需要多种具有传递氢和电子的组分参与氧化还原反应。
  • 线粒体氧化体系含多种传递氢和电子的组分。
    • 烟酰胺腺嘌呤核苷酸传递氢和电。
      • 递电子体
        • 电子直接传递
        • 以氢原子的形式传递电子
      • 功能基团:芳环中五价氮和三价氮间的变化。
      • 水溶性辅酶或辅基:NAD+/NADH NADP+/NADPH
    • 黄素核苷酸衍生物传递氢和电子
      • 功能基团:异咯嗪环
      • 水溶性辅酶或辅基:FAD/FADH2 FMN/FMNH2
    • 有机化合物泛醌传递氢和电子。
      • 泛醌又称辅酶Q，是一种脂溶性醌类化合物。
        • 人体内的Q是10个异戊二烯单位连接的侧链，用Q10表示。
      • Q的疏水特性使其能在线粒体内膜中自由扩散。
      • Q可进行双单电子的传递。
    • 铁硫蛋白和细胞色素蛋白传递电子
      • 细胞色素是一类含血红素素样辅基的蛋白质。
        • 细胞色素蛋白通过辅基血红素中的铁离子发挥单电子传递体作用
  • 具有传递电子能力的蛋白质复合体组成呼吸链
    • 呼吸链
      • 定义:位于线粒体内膜上由一系列按一定顺序排列的具有电子传递功能的酶复合体所构成的，能够将代谢物脱下来的氢，或者说代谢物脱下来的电子传递给氧生成水的反应链。
      • 主要由位于线粒体内膜上的四种蛋白质复合体组成。分别为复合体I，II，III和IV
        • 每个复合体都由多种酶蛋白，金属离子，辅酶或辅基组成。
        • 呼吸链在传递电子的过程中伴随着氢离子的跨膜转运。
    • 复合体I将NADH中的电子传递给泛醌
      • 复合体I又称NADH-Q还原酶或NADH脱氢酶
        • 功能:接受来自NADH的电子并转移给Q
        • 复合体一是由黄素蛋白，铁硫蛋白等组成的跨膜蛋白质，呈"L"型。
        • 传递电子的过程:NADH→FMN→Fe-S→Q
        • 具有质子泵功能。
    • 复合体II将电子从琥珀酸传递到泛醌。
      • 复合体II是琥珀酸-泛醌还原酶。
        • 功能:是将电子城从琥珀酸传递给Q
        • 传递电子的过程:琥珀酸→FAD→Fe-S→Q
        • 没有质子泵功能
    • 复合体III将电子从还原型泛醌传递至细胞色素c
      • 复合体III又称泛醌-细胞色素c还原酶
        • 功能:接受QH2的电子并传递给CytC
        • 人复合体III由Cytb,Cytc1和铁硫蛋白。组成二聚体，呈梨形
        • 传递电子的过程:(Q循环)QH2→Cytb→Fe-S→Cytc1→Cytc
        • 具有质子泵功能
        • Cytc是呼吸链中唯一的水溶性球状蛋白质。
    • 复合体IV将电子从细胞色素c传递给氧
      • 复合体IV又称为细胞色素c氧化酶
        • 功能:接受还原型Cytc的电子并传递给氧气生成水
        • 传递电子的过程:Cytc→CuA→Cyta→Cyta3-CuB→O2
        • 具有质子泵功能
  • NADH和FADH2是呼吸链的电子供体
    • 一条称为NADH呼系链，以NADH为电子供体，从NAFH开始到还原氧气生成水:NADH→复合体I→Q→复合体III→Cytc→复合体IV→Q2
    • 另一条称为FADH2呼吸链，也称琥珀酸氧化呼吸链，以FADH2为电子供体，经复合体II到氧气而生成水:琥珀酸→复合体II→Q→复合体III→Cytc→复合体IV→O2
• 氧化磷酸化与ATP的生成
  • 生成ATP的方式有两种
    • 一种是与高能键水解反应偶联，直接将高能代谢物的能量转移至ADP生成ATP的过程称为底物水平磷酸化
    • 人体90%的ATP是由线粒体中的氧化磷酸化产生的
  • 氧化磷酸化偶联部位在复合体I，II，IV，内
    • P/O
      • 是指氧化磷酸化过程中每消耗1/2摩尔氧气所需磷酸的摩尔数及所能合成ATP的摩尔数。
    • 进行的两个关键过程，一是电子传递，二是将电子传递过程中释放的能量用于产生ATP，使能量通过ATP被储存起来供机体使用。
    • 自由能变化
      • 呼吸链蛋白质复合体的质子泵功能形成线粒体内膜两侧的质子梯度储存了电子传递过程释放的部分能量。
  • 氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度
    • 线粒体胞浆侧的质子浓度，正电荷远高于机制。
  • 质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成ATP
    • Atp和酶是多蛋白组成的蘑菇样结构，含F1(亲水部分F1表示第一个被鉴定的与氧化磷酸化相关的因子。)和F0(疏水部分，F0表示寡霉素敏感。)两个功能结构域。
    • F1主要由α3，3β，γδε亚基复合体和寡霉素敏感蛋白。
      • 功能是催化ATP合成，易寡霉素术结合而失去活性。
    • 您是于线粒体内膜中有疏水的a，b 2，c9~12亚基组成，形成跨内膜质子通道。
      • 功能是质子回流至基质的通道。
    • ATP合酶转子循环一周，生成三分子ATP。
  • ATP在能量代谢中起核心作用。
    • 特点
      • 1，细胞类生物大分子体系多通过弱键能的非共价键维系，不能承受能量的大增或大量释放的化学过程，故代谢反应都是依序进行，能量逐步得失。
      • 2，生物体不能直接利用营养物质的化学能需要使之转变为细胞可以利用的能量形式，如ATP的化学能。
      • ATP属于高能磷酸化合物，可直接为细胞的各种生理活动提供能量。所谓高能磷酸化合物是指那些水解时能释放较大自由能的含磷酸基的化合物
    • ATP是能量捕获和释放利用的重要分子
      • ATP是体内最重要的高能磷酸化合物，是细胞可直接利用的能量形式。
      • ATP最重要的意义是通过其水解释放大量自由能，当与需要供能的反应偶联时，能促进这些反应在生理条件下完成。
      • 供能方式
        • 高能磷酸键水解释放能量。
        • 基团转移
    • ATP是能量转移和核苷酸相互转变的核心。
      • 细胞中存在的腺苷酸激酶可催化ATP，ADP，AMP间互变。
    • ATP通过转移自身基团提供能量。
    • 磷酸肌酸也是储存能量的高能化合物
    • ATP合酶的作用:线粒体内膜存在ATP合酶电子传递产生的质子驱动力通过ATP合酶的离子通道促使质子回流，释放的能量用于产生ATP。
• 其他氧化与抗氧化体系
  • 细胞内也存在其他的氧化体系，主要参与物质的生物氧化。
    • 线粒体呼吸链存在单电子传递过程。
  • 微粒体细胞色素P450单加氧酶催化底物分子羟基化
    • 机制:催化氧分子中的一个氧原子加到底物分子上强化，另一个氧原子被NADPH+H+还原成水。
    • 细胞色素P450单加氧酶又称混合功能氧化酶或羟化酶。
    • 功能
      • 1参与类固醇，激素等的生成
      • 2药物，毒物的生物转化
      • 3使底物羟化
    • 单加氧酶类在肝和肾上腺的微粒体中含量最多，是反应最复杂的酶，有几百种同工酶。
  • 线粒体呼吸链也可产生活性氧
    • 反应活性氧类:未被完全还原的含氧分子，氧化性远远大于氧气
    • 线粒体的呼吸链是产生ROS的主要步位
      • ROS主要由复合体I和复合体III中的Q循环中产生QH可直接将单个电子泄露给氧气而生成·O2
      • 细菌感染，组织缺氧等病理过程，电离辐射，吸烟，药物等外原因素也可导致细胞产生大量的ROS
  • 抗氧化酶体稀系有清除反应活性氧的功能。
    • 过氧化氢酶主要存在于过氧化酶体，细胞质微粒体中含有4个血红素辅基， 催化活性强，每秒钟可催化超过4万底物分子转变为产物
    • 谷胱甘肽过氧化物酶也是体内防止ROS损伤不可缺少的酶
      • 保护生物膜及血红蛋白
    • 体内其他小分子自由基清除剂有维生素C，维生素E，β-胡萝卜素等，它们与体内的抗氧化酶共同组成人体抗氧化体系
• 氧化磷酸化的影响因素
  • ATP其生成量主要取决于氧化磷酸化的速率。
    • 机体根据自身能量需求，通过调节氧化磷酸化的速率来调节ATP的合成。
  • 体内能量状态调节氧化磷酸化速率。
    • 细胞内ATP的浓度以及ATP/ADP的比值能够迅速感应机体能量状态的变化。
    • ATP和ADP的相对浓度，也同时调节糖酵解，三羧酸循环途径，满足氧化磷酸化对NADH和FADH2的需求
  • 抑制剂阻断氧化磷酸化过程。
    • 抑制剂通过阻断电子传递链的任何环节，或者抑制ADP的磷酸化过程
    • 呼吸链抑制剂阻断电子传递过程。
      • 鱼藤酮，粉蝶霉素A以及异戊巴比妥等可抑制复合体1
      • 萎锈灵是复合体II的抑制剂
      • 抗霉素A是复合体III的抑制剂
      • CN-，N3-是复合体IV的抑制剂
    • 解偶联剂阻断ADP的磷酸化过程。
      • 解偶联剂可使氧化与磷酸化的偶联分离，电子可沿呼吸链正常传递，但建立的质子电化学梯度被破坏，不能驱动ATP合酶来合成ATP
      • 机体也存在内源性解偶联剂，使氢离子不通过ATP合酶，而是通过其他途径回流至线粒体基质，因而ATP的合成受到抑制
      • 棕色脂肪组织的线粒体内膜中富含一种特别的蛋白质，称解偶联蛋白1，是产热御寒组织。
    • ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成
  • 甲状腺激素促进氧化磷酸化和产热
  • 线粒体DNA突变影响氧化磷酸化功能。
    • 线粒体的功能蛋白质主要由细胞核的基因编码。
    • 遗传性mt DNA疾病以母性遗传居多
  • 线粒体内膜选择性协调转运氧化磷酸化相关代谢物
    • 外膜对物质的通透性高，选择性低:主要依赖于内膜中不同转运蛋白对各种物质的转运
    • 细胞质中的NADH通过穿梭机制进入线粒体呼吸链
      • α-磷酸甘油穿梭。
        • 脑和骨骼肌细胞的细胞质NADH主要通过此穿梭机制进入线粒体呼吸链进行氧化
        • 1分子NADH因此穿梭能产生1.5分子ATP
      • 苹果酸-天冬氨酸穿梭
        • 肝，肾及心肌细胞中主要采用此机制将细胞质 NADH转运至线粒体呼吸链
        • 进入机制的NADH+H+则通过呼吸链进行氧化，生成2.5分子ATP
      • NADH不能自由穿过线粒体体内膜，需通过穿梭机制进入线粒体的呼吸链才能进行氧化。
    • ATP-ADP转位酶协调转运ADP和ATP出入线粒体
      • 心肌，骨骼肌等耗能多的组织中，线粒体膜间隙存在一种肌酸激酶同工酶
      • 线粒体内膜的选择性协调转运对于氧化磷酸化的正常转运至关重要