生物氧化

大学课程动物生物化学第五章代谢调控，包含生物氧化概述：生物氧化概念、生物氧化的基本特征、参与生物氧化的酶；二氧化碳和水的生成等。

生物氧化

• ATP的生成
  • 高能化合物
    • 概念
      • 高能化合物指体内氧化分解中，一些化合物通过能量转移得到了部分能量，把这类储存了较高能量的化合物，如三磷酸腺苷（ATP)，称为高能化合物·它们是生物释放，储存和利用能量的媒介，是生物界直接的供能物质
    • 实例
      • 磷酸烯醇式丙酮酸，胺甲酰磷酸，乙酰辅酶A，1,3-二磷酸甘油酸，磷酸肌酸，乙酰磷酸，焦磷酸（PPi——2Pi），磷酸精氨酸，ATP，ADP等
  • 底物水平磷酸化
    • 概念
      • 物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成，这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化
    • 特点
      • 生成的ATP不需要经过呼吸链的传递
      • 不需要消耗氧气
      • 不利用·线粒体ATP合酶
      • 生成ATP速度快，但生成量少
  • 氧化磷酸化
    • 概念
      • 一个生物化学过程，发生在真核细胞的线粒体内膜或原核生物的细胞质中，是物质在体内氧化时释放的能量通过呼吸链供给ADP与无机磷酸合成ATP的偶联反应
    • 发生部位
      • 根据实验测定氧的消耗量与ATP的生成数之间的关系以及计算氧化还原反应中ΔGO'和电极电位差ΔE的关系可以证明
      • 磷氧比
        • P/O比值是指代谢物氧化时每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷原子的摩尔数，即合成ATP的摩尔数。实验表明，NADH在呼吸链被氧化为水时的P/O值约等于2.5，即生成2.5分子ATP；FADH2氧化的P/O值约等于1.5，即生成1.5分子ATP
    • 胞液氧化
      • α-磷酸甘油穿梭作用
        • 这种作用主要存在于脑、骨骼肌中，载体是α-磷酸甘油
      • 苹果酸-天冬氨酸穿梭作用
        • 主要存在肝和心肌中。1摩尔G→32摩尔ATP
    • 偶联机制
      • 化学渗透假说
        • NADH的氧化，其电子沿呼吸链的传递，造成H+ 被3个H+ 泵，即NADH脱氢酶、细胞色素bc1复合体和细胞色素氧化酶从线粒体基质跨过内膜泵入膜间隙
        • .H+ 泵出，在膜间隙产生一高的H+ 浓度，这不仅使膜外侧的pH较内侧低（形成pH梯度），而且使原有的外正内负的跨膜电位增高，由此形成的电化学质子梯度成为质子动力，是H+ 的化学梯度和膜电势的总和
        • H+ 通过ATP合酶流回到线粒体基质，质子动力驱动ATP合酶合成ATP
      • ATP合酶
        • ATP合酶由两部分组成（Fo-F1），球状的头部F1突向基质液，水溶性。亚单位Fo埋在内膜的底部，是疏水性蛋白，构成H+ 通道。在生理条件下，H+ 只能从膜外侧流向基质，通道的开关受柄部某种蛋白质的调节
• 二氧化碳和水的生成
  • 二氧化碳的生成
    • 直接脱羧
    • 氧化脱羧
  • 水的生成
    • 底物直接脱水
    • 呼吸链生成水
• 呼吸链
  • 呼吸链的组成（复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、辅酶Q和细胞色素C的数量比为1：2：3：7：63：9）
    • 复合体Ⅰ
      • NADH，辅酶Q氧化还原酶复合体，由NADH脱氢酶（一种以FMN为辅基的黄素蛋白）和一系列铁硫蛋白（铁—硫中心）组成。它从NADH得到两个电子，经铁硫蛋白传递给辅酶Q。铁硫蛋白含有非血红素铁和酸不稳定硫，其铁与肽类半胱氨酸的硫原子配位结合。铁的价态变化使电子从FMNH2转移到辅酶Q。
    • 复合体Ⅱ
      • 由琥珀酸脱氢酶（一种以FAD为辅基的黄素蛋白）和一种铁硫蛋白组成，将从琥珀酸得到的电子传递给辅酶Q
    • 辅酶Q
      • 呼吸链中唯一的非蛋白氧化还原载体，可在膜中迅速移动。它在电子传递链中处于中心地位，可接受各种黄素酶类脱下的氢。复合体Ⅲ 辅酶Q：细胞色素C氧化还原酶复合体，是细胞色素和铁硫蛋白的复合体，把来自辅酶Q的电子，依次传递给结合在线粒体内膜外表面的细胞色素C
    • 细胞色素类
      • 都以血红素为辅基，红色或褐色。将电子从辅酶Q传递到氧。根据吸收光谱，可分为三类：a,b,c。呼吸链中至少有5种：b、c1、c、a、a3（按电子传递顺序）。细胞色素aa3以复合物形式存在，又称细胞色素氧化酶，是最后一个载体，将电子直接传递给氧。从a传递到a3的是两个铜原子，有价态变化
    • • 复合体Ⅳ
        • • 细胞色素C氧化酶复合体。将电子传递给氧
  • 组分排列顺序
    • 呼吸链是一个氧化还原体系
    • 呼吸链中氢和电子的传递有严格的顺序和方向
    • 真核细胞线粒体内膜上构成呼吸链的各个组分必须按照一定的顺序排列
  • 抑制作用
    • .鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：阻断电子从NADH到辅酶Q的传递
    • .抗霉素A：从链霉素分离出的抗生素，抑制从细胞色素b到c1的传递
    • 氰化物、叠氮化物、CO、H2S等，阻断由细胞色素aa3到氧的传递
  • 递电子体
    • 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）或称辅酶I（CoⅠ），为体内很多脱氢酶的辅酶，是连接作用物与呼吸链的重要环节
    • 黄素蛋白（flavoproteins）种类很多，其辅基有两种，一种为黄素单核苷酸（FMN），另一种为黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），两者均含核黄素（维生素B2），此外FMN尚含一分子磷酸，而FAD则比FMN多含一分子腺苷酸（AMP）
    • 铁硫蛋白（iron-sulfur proteins,Fe-S），又称铁硫中心，其特点是含铁原子。铁是与无机硫原子或是蛋白质肽链上半胱氨酸残基的硫相结合
    • 泛醌（ubiquinone,UQ或Q），亦称辅酶Q（coenzyme Q），为一脂溶性苯醌，带有一很长的侧链，是由多个异戊二烯（isoprene）单位构成的
• 生物氧化概述
  • 生物氧化概念
    • 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,生成CO2和水的过程。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。
  • 生物氧化的基本特征
    • 是在细胞内进行酶催化的氧化过程，反应条件温和（水溶液中PH约为7和常温）
    • 在生物氧化的过程中，同时伴随生物还原反应的产生
    • 水是许多生物氧化反应的供氧体，通过加水脱氢作用直接参与了氧化反应
    • 在生物氧化中，碳的氧化和氢化是非同步进行。氧化过程中脱下来的质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递给氧并最终生成水
    • 生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都有特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步反应的模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能源利用率
    • 生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP
  • 参与生物氧化的酶
    • 氧化酶类
      • 氧化酶直接作用于底物，以氧作为受氢体或受电子体，生成产物是水
    • 需氧脱氢酶类
      • 以FAD或FMN为辅基，以氧为直接受氢体，产物为H2O2或超氧离子（O2）
    • 不需氧脱氢酶类
      • 人体内主要的脱氢酶类，其直接受氢体不是O2，而只能是某些辅酶（NAD+、NADP+）或辅基（FAD、FMN），辅酶或辅基还原后又将氢原子传递至线粒体氧化呼吸链，最后将电子传给氧生成水