生化第六章生物氧化

生物化学与分子生物学第六章生物氧化知识点概述，包括线粒体氧化体系与呼吸链、氧化磷酸化与ATP生成、氧化磷酸化的影响因素等内容。

生化第六章生物氧化

• 概述
  • 概念：化学物质在生物体内的氧化分解过程
    • 主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解 时逐步释放能量，最终生成CO2和 H2O的过程
  • 特点
    • 1、反应条件温和
    • 2、CO2来自于有机物脱羧
    • 3、H2O来自底物脱氢经呼吸链传递给O2
    • 4、能量逐步释放部分以ATP（高能化合物）储存
  • 三类物质
    • 糖类：乙酰辅酶A➡️TCA➡️CO2+FADH2/NADH➡️呼吸链➡️H2O+ATP
    • 脂类：脂类+O2➡️CO2+H2O+能量
    • 蛋白质
  • 脱羧类型
    • a-单纯脱羧
    • a-氧化脱羧
    • B-单纯脱羧
    • B-氧化脱羧
• 第一节 线粒体氧化体系与呼吸链
  • 一、线粒体氧化体系含多种传递氢和电子的组分
    • （一）烟酰胺腺嘌呤核苷酸传递氢和电子
      • NAD+/NADP+➡️ 接受2个电子和1个H+➡️ NADH/NADPH+H+
    • （二）黄素核苷酸衍生物传递氢和电子
      • 黄素腺嘌呤二核苷酸
        • 接受2个电子和2个H+
        • FMN/FAD+2H+2e-↔️FMNH2/FADH2
    • （三）泛醌（ubiquinone）传递氢和电子
      • 接受2个电子和2个H+，也可以只接受1个电子
      • Q+（H+e-）↔️QH+H↔️QH2
    • （四）铁硫蛋白和细胞色素蛋白传递电子
      • 铁硫蛋白是单电子传递体
        • Fe3+ + e↔️Fe2+
      • 细胞色素（Cytochrome）是单电子传递体
        • Fe3+ + e↔️Fe2+
    • 小结
      • 传递H+和电子
        • NAD+
        • FMN
        • FAD
        • CoQ（泛醌）
      • 传递单电子
        • 铁硫蛋白
        • 细胞色素
  • 二、具有电子传递功能的蛋白质复合体组成呼吸链
    • 线粒体是生物氧化的主要场所
    • 概念
      • 由递氢体或递电子体在线粒体内膜上按一定顺序 排列组成的连锁反应体系称为电子传递链(electrontransfer chain)。
      • 它与细胞摄取氧的呼吸过程相关， 故又称呼吸链(respiratory chain)。
    • 一、人线粒体呼吸链复合体
      • （一）复合体Ⅰ将NADH+H+中的电子传递给泛醌
        • 复合体Ⅰ又称NADH-泛醌还原酶或NADH脱氢 酶，接受来自NADH+H+的电子并转移给泛醌 （ubiquinone）。
        • 包含黄素蛋白（含FMN和Fe-S辅基）、铁硫蛋白 （含Fe-S辅基）
        • 功能
          • 电子传递： NADH→FMN→Fe-S→ CoQ
          • 质子的泵出：复合体Ⅰ有质子泵功能，每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧。
      • （二）复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递到泛醌
        • 复合体Ⅱ是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又 称琥珀酸-泛醌还原酶。由4个不同的多肽亚基 组成。
        • 其活性部分含有辅基FAD、Cyt b562和 铁硫蛋白。
        • 功能
          • 电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S →CoQ
          • 复合体Ⅱ没有H+泵的功能。
      • （三）复合体Ⅲ将电子从还原型泛醌传递给细胞 色素c
        • 复合体Ⅲ又叫泛醌-细胞色素C还原酶。由9个 多肽亚基组成。
          • 泛醌-细胞色素C还原酶。由9个多肽亚基组成同二聚体。
        • 活性部分主要包括细胞色素b （b562、b566）和c1，以及铁硫蛋白。
        • 过程
          • 泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子并穿梭传 递到复合体Ⅲ。
          • 电子传递过程：CoQH2→(Cyt b562→Cyt b566) →Fe-S→Cytc1→Cytc
        • 功能
          • CoQH2→(Cyt b562→Cyt b566) →Fe-S →Cytc1→Cytc
            • 电子传递和质子泵出
      • （四）复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧
        • 复合体Ⅳ又称细胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase)。有13个亚基。
        • 过程
          • 电子传递：Cyt c→CuA→Cyt a→Cyt a3-CuB→O2生成H2O
          • Cyt a3–CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。 复合体Ⅳ也有质子泵功能，每传递2个电子使2个H+跨内膜向胞浆侧转移
        • 功能
          • Cyt c→CuA→Cyt a→Cyt a3–CuB→O2
            • 电子传递和2个质子泵出
    • 二、NADH和FADH2是氧化呼吸链的电子供体
      • 途径
        • 1、NADH氧化呼吸链
          • NADH →复合体Ⅰ→CoQ →复合体Ⅲ→Cyt c→复合体Ⅳ→O2
        • 2、琥珀酸氧化呼吸链
          • 琥珀酸 →复合体Ⅱ →CoQ →复合体Ⅲ→Cyt c→复合体Ⅳ→O2
        • 图示
      • 呼吸链中电子传递体排列顺序的确定
        • 电子传递体的标准氧化还原电位电子由还原电位低处向高处传递
        • 分光光度法测吸收光谱 得失电子，吸收光谱改变
        • 分离呼吸链组分，体外重建呼吸链 正确的顺序方可传递电子
        • 特异性阻断剂 阻断部位前：还原状态，后：氧化状态
      • 概念
        • 电子传递链(electron transfer chain)/呼吸链(respiratory chain)：由递氢体或递电子体在线粒体内膜上按一定顺序 排列组成的连锁反应体系。
      • NADH氧化呼吸链每传递2个电子仅生成2.5分子ATP到线粒体外被利用。 FADH2氧化呼吸链每传递2个电子仅生成 1.5分子ATP到线粒体外被利用。
• 第二节 氧化磷酸化与ATP生成
  • 相关概念
    • ATP
      • 特点
        • 高能化合物
        • 生物体可直接利用的能源物质
      • ATP的生成方式
        • 底物水平磷酸化substrate-level phosphorylation
          • 磷酸烯醇式丙酮酸 + ADP ➡️丙酮酸激酶 ➡️丙酮酸 +ATP P 1，3-二磷酸甘油酸 + ADP↔️ 磷酸甘油酸激酶 ↔️3-磷酸甘油酸 + A
          • 与高能键水解反应偶联，生成底物分子的高能键，使 ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的过程。与 呼吸链的 电子传递无关。
        • 氧化磷酸化oxidative phosphorylation（主要）
          • 代谢物氧化脱氢，脱下的氢经呼吸链传递给氧生成水，同时释放能量，使ADP磷酸化生成ATP, 氧化与磷酸化偶联。
    • 高能磷酸键
      • 水解时释放的能量大于25KJ/mol的磷酸酯键，常表示为～P。
    • 高能磷酸化合物
      • 含有高能磷酸键的化合物
  • 一、氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内
    • 氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ
      • NADH呼吸链： 2.5ATP FADH2呼吸链：1.5ATP
      • 根据P/O比值
        • P/O比值：一对电子通过呼吸链时生成ATP的个数
          • 示例
      • 自由能变化: ⊿Gº'=-nF⊿Eº'
      • 氧化磷酸化偶联部位
        • 1 NADH与CoQ之间
        • 2 CoQ与Cytc之间
        • 3 Cytaa3 与氧之间
      • 判断依据
  • 二、氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒 体内膜的质子梯度
    • 化学渗透假说 chemiosmotic hypothesis
      • 线粒体内膜的电子传递链具有质子泵功能，可将质子从 基质侧排到内膜外（复合体I、III、IV）
      • 线粒体内膜不允许质子回流，膜内外产生电化学梯度（跨膜质子梯度pH和电位梯度 ）
      • 膜内外电化学梯度驱动质子从特殊通道回到内膜基质， 跨膜过程释放能量，驱动ATP合成（ATP合酶）
      • 示意图
  • 三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成 ATP
    • ATP合酶结构组成
      • ATP合酶组成可旋转的发动机样结构
      • F1：亲水部分 （动物：α3β3γδε亚基复合体）线粒体内膜 的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。
      • Fo：疏水部分（ab2c9~12亚基，动物还有其他辅助亚基）， 镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道
    • ATP合酶的工作机制
      • 结合变构机制（binding change mechanism）：当H+顺浓度递度经Fo中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。
      • 每分子ATP在线粒体中生成并转运到胞浆需 4个H＋回流进入线粒体基质中
  • 四、ATP在能量代谢中起核心作用
    • 生物体能量代谢有其明显的特点。
      • 细胞内代谢反应都是依序进行、能量逐步得失
      • ATP称之为高能磷酸化合物，可直接为细胞的各种生理活动提供能量，同时也有利于细胞对能量代谢进行 严格调控。
    • （一）ATP是体内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在生物能学上最重要的意义在于，通过其 水解反应释放大量自由能和需要供能的反应偶 联，使这些反应在生理条件下完成
    • （二）ATP是体内能量转移和磷酸核苷化合物相互转变的核心
      • 腺苷酸激酶的作用
        • ADP + ADP↔️ATP + AMP
      • 核苷二磷酸激酶的作用
        • ATP + UDP↔️ ADP + UTP
        • ATP + CDP↔️ ADP + CTP
        • ATP + GDP↔️ ADP + GTP
    • （三）ATP通过转移自身基团提供能量
    • （四）磷酸肌酸是高能键能量的储存形式
      • 磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存式。
• 第三节 氧化磷酸化的影响因素
  • 一、体内能量状态可调节氧化磷酸化速率
    • 氧化磷酸化速度主要受细胞对能量需求的调节
      • ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的主要因素
        • ATP/ADP↑ 氧化磷酸化↓ ATP/ADP↓ 氧化磷酸化↑
        • ADP作为关键物质对氧化磷酸化的调节作用称为呼吸控制（respiratory control）。
  • 二、抑制剂可阻断氧化磷酸化过程
    • （一）呼吸链抑制剂阻断电子传递过程
      • 呼吸链的某部位阻断电子传递，从而使氧化过程受阻
    • （二）解偶联剂阻断ADP的磷酸化过程
      • 解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶 联相互分离，只抑制ATP合成，不抑制电子传递。
        • 2，4-二硝基苯酚（DNP）
          • DNP可以自由穿梭线粒体的内膜，在内外膜间隙 结合质子，进入基质后释放质子
          • 棕色脂肪组织（富含解偶联蛋白）：新生儿
        • 解偶联蛋白（UCP1）作用机制（棕色脂肪组织线粒体）
          • 游离脂肪酸促进H+经UCP1回流，减少ATP生成
    • （三）ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成
      • 抑制ATP合成（磷酸化），并影响电子在呼吸链的传递（氧化）
        • • 寡霉素（oligomycin） • 二环己基碳二亚胺（DCCD）
  • 三、甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热
    • 甲状腺激素可激活多种组织细胞膜上的Na+-K+-ATP酶， ATP/ADP↓，氧化磷酸化↑
    • 解偶联蛋白表达↑， 耗氧量和产热量 ↑ ，基础代谢率↑甲亢病人基础代谢率偏高
    • BMR（basal metabolic rate) : 人体在安静休息和空腹状况下，测得的单位时间内 人体能量消耗的水平，通常以氧消耗率为指标。
  • 四、线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸化 功能。
    • 线粒体DNA（mtDNA）呈裸露的环状双螺 旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，容易 受到损伤而发生突变，影响电子传递或者ATP合 成。
  • 五、线粒体的内膜选择性协调转运氧化磷酸化相关代谢物
    • 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转运蛋白 (transporter)对各种物质的转运。
    • （一）细胞质中NADH通过穿梭机制进入线粒体 氧化呼吸链
      • 胞浆中NADH必须经一定转运机制进入 线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。
        • α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphate shuttle) （骨骼肌、脑）
        • 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle) （心、肝、肾）
    • （二）ATP-ADP转位酶协调转运ADP进入和 ATP移出线粒体
• 第四节 其他氧化与抗氧化体系