生物化学与分子生物学：生物氧化

这是一篇关于生物氧化的思维导图。生物氧化是在生物体内，从代谢物脱下的氢及电子﹐通过一系列酶促反应与氧化合成水﹐并释放能量的过程。也指物质在生物体内的一系列氧化过程。主要为机体提供可利用的能量。在真核生物细胞内，生物氧化都是在线粒体内进行，原核生物则在细胞膜上进行。

生物氧化

• 生物氧化概述
  • 物质在生物体内进行的氧化分解称为生物氧化
  • 部位：细胞胞质，线粒体，微粒体等
  • 氧化体系
    • 线粒体氧化体系：通过酶促反应将营养物质氧化分解为二氧化碳和水，并释放能量，产生ATP
    • 微粒体氧化体系：利用氧化酶类对底物进行加氧修饰，不产生ATP
  • 生物氧化的基本化学过程：底物脱氢或失去电子
• 生物氧化的一般过程
  • 子主题
• 线粒体氧化体系与呼吸链
  • 线粒体氧化体系
    • 通过酶促反应将营养物质（主要指糖，脂肪，蛋白质等）氧化分解为二氧化碳和水，并释放能量
    • 特点：反应温和，需要酶的催化，氧化反应逐步进行，能量逐步释放
    • 需要递氢体和递电子体
      • 电子直接传递
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      • 以氢原子的形式传递电子
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  • 呼吸链
    • 定义
      • 代谢物脱下的成对的氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链又称为电子传递链
    • 组成
      • 主要由线粒体内膜上的四种蛋白质复合体组成
      • 递氢体和电子传递体
      • 电子传递过程伴随氢离子移至线粒体内膜的胞质侧，形成跨内膜氢离子浓度，释放能量用于生成ATP
      • 人线粒体呼吸链复合体
        • 复合体Ⅰ NADH-泛醌还原酶
        • 复合体Ⅱ 琥珀酸-泛醌还原酶
        • 复合体Ⅲ 泛醌-细胞色素C还原酶
        • 复合体Ⅳ 细胞色素c氧化酶
  • NADH和FADH2是线粒体呼吸链的电子供体，形成两条呼吸链
  • 呼吸链（2）
    • 烟酰胺核苷酸
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      • 递氢机制
        • 水溶性辅酶或辅基
        • 双电子传递体
        • 功能集团基团
          • 芳环中五价氮和三价氮间的变化
        • 递氢部位
          • 烟酰胺部位，为Vit PP
    • 黄素辅基
    • 泛醌
      • 辅酶Q，属于脂溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链
      • 因其为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜中分离出来，不包含在四种复合体中
      • 分子中的苯醌结构能可逆地结合2个H，为递氢体
      • 为单双电子传递体
    • 铁硫蛋白
      • 辅基：铁硫中心（Fe-S）或铁硫簇
      • 含有等量铁原子和硫原子
      • 铁原子可进行二价铁变三价铁的反应传递电子，只能传递电子，为单电子传递体
    • 细胞色素蛋白
• 氧化磷酸化与ATP的生成
  • ATP
    • ATP是人体内能量的直接供给者
    • 高能磷酸键
    • 高能磷酸化合物
  • 磷酸肌酸是肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式
  • 体内ATP生成的方式
    • 底物水平磷酸化
      • 底物分子内部能量重新分布（与脱氢反应偶联），生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP。不经电子传递
    • 氧化磷酸化
      • 呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。机体产能的主要机制
      • 氧化磷酸化的部位
        • ATP生成的部位，在复合体Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ内
        • P/O比值
          • 是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子去所消耗的无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数（或一对电子通过呼吸链传递给氧所生成的ATP分子数）
        • 自由能变化
          • ΔG=-nFΔE （n：传递电子数。F：法拉第常数）
        • 合成1摩尔ATP需能量30.5KJ
      • 氧化磷酸化的偶联机制
        • 化学渗透假说
          • 电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP
          • 形成跨内膜的浓度和电位差（电化学梯度）
          • 复合体Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ均有质子泵的作用
        • 质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成ATP
        • ATP合酶
          • 即复合酶Ⅴ。位于线粒体内膜的基质侧
          • 跨线粒体内膜的通道蛋白
          • 功能
            • 回流质子至基质时，结合ADP与Pi合成ATP
          • 结构组成
            • F1（亲水部分）
              • 亚基αβγδε
              • 功能
                • 催化ATP合成
            • Fo（疏水部分）
              • 亚基a1b2c9-12
              • 功能
                • 质子回流至基质的通道
          • 实验计算表明：生成1个ATP，共需4个氢离子，其中三个氢离子回流入线粒体基质，一个氢离子用于运转
    • 小结
      • 在线粒体完成氧化与磷酸化的过程
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• 氧化磷酸化的影响因素
  • 抑制剂
    • 呼吸链抑制剂
      • 阻断呼吸链中某些部位电子传递
    • 解偶联剂
      • 阻断ADP的磷酸化过程，使氧化与磷酸化偶联过程脱离
    • 氧化磷酸化抑制剂
      • 对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用
      • 寡霉素
  • ADP的调节作用
    • 体内能量状态调节氧化磷酸化速率，是主要调节因素
  • 甲状腺激素
  • 线粒体DNA突变，核基因突变
  • 线粒体内膜选择性转运氧化磷酸化相关代谢产物
    • 线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同的转运蛋白对各种物质的转运
  • 胞浆NADH的跨膜转运
    • 胞浆NADH必须转运到线粒体基质进行氧化
    • 转运机制
      • α-磷酸甘油穿梭
        • 存在部位：脑，骨骼肌
        • 胞液中的NADH通过穿梭将2H交给FDA，进入琥珀酸氧化呼吸链产生1.2分子ATP
      • 苹果酸-天冬氨酸穿梭
        • 存在部位：肝，心脏
        • 胞液NADH通过穿梭进入NADH氧化呼吸链产生2.5分子ATP
    • 腺苷酸转运蛋白（移位酶或转位酶）反向转运ATP和ADP出入线粒体内膜
• 其他氧化与抗氧化体系
  • 微粒体中的加氧酶类
    • 微粒体细胞色素P450加单氧酶
      • 功能
        • 使底物烃化
        • 参与类固醇激素，胆汁酸及胆色素的形成
        • 药物，毒物的生物转化
      • 机制
        • 催化氧分子中的一个氧原子加入底物，另一个氧原子被还原为水
  • 线粒体呼吸链也可产生活性氧
    • 反应活性氧类
      • 氧分子的不完全还原产物：超氧阴离子，烃基自由基，过氧化氢
      • 化学性质非常活泼，氧化性强
  • ROS主要来源
    • 线粒体：细胞内95％的ROS来自线粒体
    • 过氧化酶体：FAD将从脂肪酸等底物获得的电子交给氧气分子生成过氧化氢和羟自由基
  • ROS的作用
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  • 抗氧化体系清除ROS
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  • 谷胱甘肽过氧化物酶
    • 存在部位：胞浆，线粒体，过氧化酶体
    • 含硒代半胱氨酸，活性必需基团
    • 消除过氧化氢和其他氧化物类
    • 保护生物膜及血红蛋白