生物氧化

细胞质中的NADH通过穿梭机制进入线粒体呼吸链、线粒体内膜选择性协调转运氧化磷酸化相关代谢物、甲状腺激素促进氧化磷酸化和产热。

生物氧化

• 概述
  • 概念
    • 生物氧化主要指糖、脂肪、蛋白质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条件温和，酶促反应逐步进行
    • ②能量逐步释放
    • ③能量转换成ATP
• 线粒体氧化体系与呼吸链
  • 概述
    • 营养物质被氧化时常发生脱氢反应，脱下来的氢以 NADH+H+（简写为NADH）、FADH2等形式存在
    • 能够传递氢和电子的物质，如金属离子、小分子有机化合物， 、某些蛋白质等称之为 递电子体或递氢体
  • 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子
    • 黄素核苷酸衍生物传递氢和电子
    • 有机化合物泛醌传递氢和电子
      • 泛醌又称辅酶Q（CoQ或Q），泛醌是内膜中可移动的电子载体，在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用 Q可进行单、双电子的传递
    • 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
      • 细胞色素（Cyt）
  • 具有传递电子能力的蛋白质复合体组成呼吸链
    • 定义
      • 指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具有电子传递功能的酶复合体，可通过连续的氧化还原将代谢物脱下的电子最终传递给氧生成水，这 一系列酶和辅酶称为 呼吸链，又称 电子传递链
    • 组成
      • 由4种具有传递电子能力的酶复合体 及2个流动的电子载体组成
        • 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
          • 复合体Ⅰ是由黄素蛋白（含FMN和Fe-S辅基）、铁硫蛋白（含Fe-S辅基）
          • 具有质子泵功能:将一对电子从NADH传递给Q的过程中，能将4个H+从线粒体的 基质侧泵到膜间隙侧
        • 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，即三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶
          • 复合体Ⅱ没有H+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
          • 复合体Ⅲ具有质子泵功能，每传递2e-向膜间隙释放4H+
          • Cyt c是呼吸链中唯一的水溶性 球状蛋白质，与线粒体内膜的外表面疏松结合，不包含在上述复合体中
        • 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
          • 复合体Ⅳ具有质子泵功能，每传递2e-将2个H+泵至膜间隙侧
          • 双核中心是复合体Ⅳ传递电子传递的功能单元
    • 电子供体
      • NADH和FADH2是呼吸链的电子供体
• 氧化磷酸化与ATP的合成
  • 概述
    • 底物水平磷酸化
      • 直接将代谢分子中的能量转移给ADP（或GDP）而生成ATP（或GTP）的过程
      • 产生少量的ATP
    • 氧化磷酸化
      • 呼吸链电子传递过程中偶联ADP生成ATP的过程
      • 是体内生成ATP的主要方式
  • 氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内
    • 将呼吸链中能够产生足够的能量使ADP磷酸化的部位称之为氧化与磷酸化的偶联部位
  • P/O比值
    • 指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2molO2所需磷酸的摩尔数，即所能合成ATP的摩尔数（或一对电子通过呼吸链传递给氧所生成ATP的分子数）
    • 一对电子经NADH呼吸链传递，P/O比值约为2.5，生成2.5分子的ATP； 一对电子经琥珀酸呼吸链传递，P/O比值约为1.5，生成1.5分子的ATP
  • 自由能变化
    • 根据自由能变化确定偶联部位
  • 偶联机制
    • 化学偶联假说
    • 构象偶联假说
    • 化学渗透假说
  • 质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成ATP
    • 跨线粒体内膜的H+梯度驱动质子顺浓度梯度回流至基质时，储存的能量被ATP合酶充分利用，催化ADP与Pi生成ATP，。线粒体内膜上的复合体Ⅴ，即为ATP合酶 ATP合酶:质子回流通道
    • 每分子NADH每传递2个电子经呼吸链传递泵出10H+，生成约2.5分子ATP 琥珀酸呼吸链每传递2个电子泵出6H+，生成1.5分子ATP
  • ATP在能量代谢中起核心作用
    • 高能磷酸键
      • 水解时释放能量大于21KJ/mol的磷酸酯键
    • 高能磷酸化合物
      • 含有高能磷酸键的化合物
• 氧化磷酸化的影响因素
  • 体内能量状态可调节氧化磷酸化速率
  • 抑制剂阻断氧化磷酸化过程
    • 呼吸链抑制剂阻断电子传递过程
    • 解偶联剂阻断ADP的磷酸化过程
      • 如棕色脂肪组织
    • 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
  • 线粒体内膜选择性协调转运氧化磷酸化相关代谢物
    • 细胞质中的NADH通过穿梭机制进入线粒体呼吸链
      • 转运机制
        • α-磷酸甘油穿梭
        • 苹果酸-天冬氨酸穿梭
• 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
  • 线粒体呼吸链也可产生活性氧
    • 反应活性氧类（ROS）
      • O2的不完全还原产物:超氧阴离子（O2-）、羟自由基（·OH）、H2O2
      • 化学性质非常活泼，氧化性强
  • 抗氧化酶体系有清除反应活性氧的功能
    • 超氧化物歧化酶
    • 过氧化氢酶
    • 谷胱甘肽过氧化物酶