生物氧化

生物化学之生物氧化章节重点知识，包括生物氧化的概念、呼吸链的定义和组成、氧化磷酸化、ATP循环、其他的氧化和抗氧化体系等。

生物氧化

• 生物氧化定义及特点
  • 定义
    • 化学物质在生物体内的氧化分解过程
  • 特点
    • 需要有酶催化，而且是分阶段逐步进行
• 线粒体氧化体系
  • 传递氢和电子
    • 烟酰胺核苷酸（NAD⁺/NADP⁺)
      • 双电子传递体
    • 黄素核苷酸衍生物 （FMN，FAD）
      • 维生素B ₂与核苷酸形成的有机化合物
      • 异咯嗪环逐步接受氢离子和电子
        • 单、双电子传递体
    • 泛醌（辅酶Q）
      • 脂溶性醌类化合物
        • 能在线粒体内膜中自由扩散
      • Q可进行双、单电子传递
  • 传递电子
    • 铁硫蛋白
      • 单电子传递体
      • 含有铁硫中心（Fe-S center)
    • 细胞色素（Cyt）
      • 含有血红素样辅基的蛋白
      • 分为Cyt a、Cyt b、Cyt c
        • Cyt c的辅基与蛋白质通过共价键连接
      • 通过辅基血红素中Fe离子发挥单电子传递体作用
• 呼吸链
  • 定义
    • 催化此连续反应的酶是由多个含辅酶因子的蛋白质复合体组成，按一定顺序排列在线粒体内膜中，形成连续电子或氢的传递链，氧分子最终接受电子和氢离子生成水
  • 组成
    • 复合体I （NADH-泛醌还原酶）
      • 将NADH中的电子传递给泛醌
      • NADH →FMN →Fe-S →Q
      • 质子泵：将四个氢离子从线粒体的基质侧泵到膜间隙侧
    • 复合体II （琥珀酸-泛醌还原酶）
      • 没有质子泵功能，作为琥珀酸脱氢酶参与三羧酸循环
      • 将电子从琥珀酸传递到泛醌
      • 琥珀酸→FAD →Fe-S →Q
    • 复合体III （泛醌-细胞色素c还原酶）
      • 将电子从还原型泛醌传递至细胞色素c（Q循环）
        • Cyt c是呼吸链中唯一的水溶性球状蛋白，与线粒体内膜的外表面疏松结合，不包含在复合体中
      • QH ₂ →Cyt b →Fe-S →Cytc₁ →Cytc
      • 质子泵：每传递两个电子向膜间隙释放四个氢离子
    • 复合体IV （细胞色素c氧化酶）
      • 将电子从细胞色素c传递给氧
      • Cyt c →CuA →Cyt a →Cyt a₃ →CuB → O₂
      • 质子泵：每传递两个电子将两个氢离子泵至膜间隙侧
  • 电子供体
    • NADH、FADH ₂
      • FMN和FAD作为黄素蛋白的辅基参与电子传递
      • 由NADH和FADH ₂供氢，通过四个蛋白质复合体、Q，Cyt c共同完成电子传递
      • NADH呼吸链：NADH → 复合体I → CoQ → 复合体III → Cyt c→ 复合体IV → O₂
      • FADH ₂呼吸链：琥珀酸 → 复合体II → CoQ → 复合体III → Cyt c→ 复合体IV → O₂
  • 各组分排列顺序的确定
    • 1、标准氧化还原电位（电位低→电位高）
    • 2、利用特异的抑制剂阻断（前还原态，后氧化态）
    • 3、吸收光谱（缓慢给氧，对照观察各组分被氧化顺序）
    • 4、体外拆开重组
• 氧化磷酸化和ATP的合成
  • 氧化磷酸化
    • 区别：底物水平磷酸化不经电子传递
    • 定义
      • NADH和FADH ₂的氧化过程与ADP的磷酸化相偶联，驱动ADP磷酸化生成ATP，称为氧化磷酸化
    • 偶联部位
      • 在复合体I、III、IV内
        • P/O
          • 指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2mol O₂所需磷酸的摩尔数，即所能合成ATP的摩尔数
          • NADH:2.5
            • FADH₂: 1.5
        • 自由能变化
    • 偶联机制
      • 产生跨线粒体内膜的质子梯度 （化学渗透假说）
        • 1、利用电子传递时释放的能量，将氢离子通过质子泵从线粒体基质转运到内膜的胞质侧
        • 2、形成跨线粒体内膜的质子电化学梯度，储存电子传递释放的能量
        • 3、质子驱动力促使质子从膜间隙侧顺浓度梯度回流至基质，释放势能，合成ATP
    • 合成ATP
      • ATP合酶为复合体V
        • F0，F1组装成可旋转的蘑菇样的结构
          • F0:疏水 跨内膜质子通道 质子回流
          • F1:亲水 催化ATP合成
      • 跨内膜形成的电化学梯度是ATP合酶转动的驱动力
      • ATP合成的结合变构机制
        • β亚基有3种构象
          • 开放型（O）无活性，与ATP亲和力低
          • 疏松型（L）无活性，可与ADP和Pi底物疏松结合
          • 紧密型（T）有催化ATP合成的活性，可紧密结合ATP
      • ATP合酶转子循环一周生成3分子ATP
        • 合成1分子ATP需要四个氢离子
          • 转动消耗三个氢离子
          • 另一个氢离子用于转运ADP、Pi和ATP
          • NADH：泵出10氢离子，2.5ATP
          • FADH₂:泵出6氢离子，1.5ATP
  • ATP在能量代谢中起核心作用
    • 能量代谢特点
      • 1、依序进行，能力逐步得失
      • 2、生物体不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化学形式，如ATP的化学能
    • 高能磷酸化合物是指那些水解释放较大自由能的含有磷酸基的化合物
    • ATP是能量捕获和释放利用的重要分子
      • 标态
        • 30.5KJ/mol
      • 实际
        • 52.3kJ/mol
    • ATP是能量转移和核苷酸相互转变的核心
      • 能量货币
    • ATP通过转移自身基团提供能量
    • 磷酸肌酸(CP)也是储存能量的高能化合物
• 氧化磷酸化的影响因素
  • 体内能量状态 (取决ADP）
    • ADP是调节机体氧化磷酸化速率的主要因素
      • ADP速度变大， 氧化磷酸化速率变大
  • 抑制剂
    • 呼吸链抑制剂 （阻断ATP产生）
      • 鱼藤酮，粉蝶霉素，异戊巴比妥抑制复合体I
      • 萎锈灵抑制复合体II
      • 抗霉素抑制复合体III
      • 氰离子、三氮离子紧密结合复合体IV 中 氧化型Cyt a₃，阻断电子传递
      • CO与还原型Cyt a₃结合，阻断电子传递
    • 解偶联剂
      • 使氧化与磷酸化的偶联分离，电子可沿呼吸链正常传递，但质子电化学梯度被破坏，不能驱动ATP合酶来合成ATP
      • 解偶联蛋白1（UCP1） （存在于新生儿、哺乳类动物的棕色脂肪组织）
      • 二硝基苯酚（DNP）
    • ATP合酶抑制剂 （寡霉素、二环乙基碳二亚基）
      • 抑制电子传递
      • 抑制ADP磷酸化
  • 甲状腺激素
    • 使ATP加速分解为ADP和Pi
    • 诱导解偶联剂蛋白基因表达，使氧化释能和产热比率均增加，ATP合成减少，导致机体耗氧量和产能同时增加
  • 线粒体DNA突变
    • mt DNA突变可直接影响电子传递过程或ADP的磷酸化，使ATP生成减少而致代谢混乱
  • 线粒体内膜的选择性转运
    • DADH的穿梭机制
      • a-磷酸甘油穿梭
        • 存在部位：脑、骨骼肌
        • 生成ATP：进入FADH2氧化呼吸链，1.5个ATP
      • 苹果酸-天冬氨酸穿梭
        • 存在部位：肝、心和肾
        • 生成ATP：进入NADH氧化呼吸链，2.5个ATP
    • ATP- ADP转位酶
      • 维持线粒体内外腺苷酸水平基本平衡
• 其他氧化与抗氧化体系
  • 微粒体细胞色素P450单加氧酶催化底物分子羟基化
    • P450 混合功能氧化酶
  • 线粒体呼吸链也可产生活性氧
    • 反应活性氧类：超氧阴离子、过氧化氢、羟自由基
  • 抗氧化体系有清除反应活性氧的功能 （过氧化氢酶体系）
    • 超氧化物歧化酶SOD
    • 过氧化氢酶（含有四个血红素辅基）
      • 氧化碘离子，使络氨酸碘化生成甲状腺激素
      • 杀死入侵细菌
    • 谷胱甘肽过氧化物酶GPx
    • 其他小分子
      • 维生素E、维生素C、β-胡萝卜素
• 陈文昕 临床医学五年制 2011班 11 林珮筠 临床医学五年制 2011班 03