生物化学 生物氧化

这是一篇关于生物化学 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。

生物氧化

• 呼吸链/电子传递链
  • 递氢体和递电子体
    • NAD+/NADP+
      • 递氢体，双电子传递体
      • 水溶性，功能基团：芳环中五价氮和三价氮间的变化
    • FAD/FMN
      • 递氢体，双电子传递体
      • 水溶性
    • 泛醌（CoQ）
      • 递氢体，双电子传递体（泛醌Q--->半醌QH·--->二氢泛醌QH2）
      • 脂溶性，疏水，可在线粒体内膜中自由扩散
    • 铁硫蛋白
      • 单电子传递体
      • 铁硫中心(Fe-S)含铁离子和硫原子 通过Fe2+<--->Fe3+ + e-传递电子
    • 细胞色素
      • 单电子传递体
      • 含血红素样辅基，通过Fe2+<--->Fe3+ + e-传递电子
      • 水溶性，与线粒体内膜结合不紧密，容易分离
      • 分Cyt a、b、c 及不同的亚类
  • 呼吸链组成
    • 复合体I
      • 名称
        • NADH-CoQ还原酶/NADH脱氢酶
      • 辅基
        • FMN，Fe-S
      • 结合位点
        • NADH（基质侧），CoQ（脂质核心）
      • 功能
        • NADH→FMN→Fe-S→ Q
        • 质子泵，每传递2个电子可将4个H+从N侧泵到P侧
    • 复合体II
      • 名称
        • 琥珀酸-CoQ还原酶/琥珀酸脱氢酶
      • 辅基
        • FAD，Fe-S
      • 结合位点
        • 琥珀酸（基质侧），CoQ（脂质核心）
      • 功能
        • 琥珀酸→FAD→几种Fe-S →Q
        • 无质子泵的功能
    • 复合体III
      • 名称
        • 泛醌-细胞色素c还原酶
      • 辅基
        • 血红素，Fe-S
      • 结合位点
        • Cyt c（膜间隙侧）
      • 功能
        • QH2→Cyt b→Fe-S→Cyt c1→Cyt c
          • • Q循环：2QH2--->Q+QH2+2H P125
        • 质子泵，每传递2个电子可将4个H+从N侧泵到P侧C
    • 细胞色素c
      • 辅基
        • 血红素c（铁卟啉）
      • 结合位点
        • Cyt c1， Cyt a
      • 功能
        • 将获得的电子传递到复合体IV
      • 特点
        • Cyt c是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中
    • 复合体IV
      • 名称
        • 细胞色素c氧化酶
      • 辅基
        • 血红素，CuA，CuB
      • 结合位点
        • Cyt c（膜间隙侧）
      • 功能
        • • Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2
          • 双核中心：CuA中心+血红素a3-CuB（Fe-Cu）中心
        • 质子泵，每传递2个电子可将2个H+从N侧泵到P侧
• 氧化磷酸化
  • 概念
    • 氧化磷酸化
      • 在呼吸链电子传递过程中、能量逐步释放并偶联ADP磷酸化生成ATP，因此又称为偶联磷酸化
    • 底物水平磷酸化
      • 因脱氢、脱水等作用使能量在分子内部重新分布而形成高能化合物，然后将能量转移给ADP形成ATP的过程
  • 偶联部位（复合体I、III、IV）的确定方法有两种
    • 测定P/O比值
      • P/O比值
        • 氧化磷酸化中，每消耗1/2molO2所需的磷酸摩尔数 即 所生成ATP摩尔数
      • 一对电子经NADH氧化呼吸链氧化，偶联生成2.5分子的ATP
      • 一对电子经琥珀酸呼吸链氧化，偶联产生1.5分子ATP
        • TCA循环：琥珀酸--->延胡索酸，FADH2
        • β-氧化：脂酰CoA--->烯酰CoA，FADH2
        • α磷酸甘油穿梭：3-磷酸甘油--->磷酸二羟丙酮，FADH2
        • 糖酵解：3-磷酸甘油醛--->1, 3-二磷酸甘油酸
          • 经α磷酸甘油穿梭——1.5ATP
          • 经苹果酸-天冬氨酸穿梭——2.5ATP
      • 抗坏血酸——P/O=1ATP
    • 计算自由能的变化
  • 机制
    • 化学渗透假说
      • 内容
        • 1. 复合体质子泵将H+从N侧运至P侧
        • 2. H+不能自由跨膜，膜内外H+电化学梯度，储存电子传递释放的能量
        • 3. H+电化学梯度驱动H+从膜间隙顺浓度梯度回流，释放储存的势能，驱动ADP与Pi合成ATP
      • 实验支持
        • 1. 氧化磷酸化依赖完整封闭的线粒体内膜
        • 2. 线粒体内膜对H+、OH-、K+、Cl-不通透
        • 3. 电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度
        • 4. 增加P侧酸性可增加ATP合成 阻止H+泵出线粒体基质，可降低膜两侧质子梯度，ATP生成减少
  • ATP合酶
    • 结构
      • F1结构域
        • 亲水部分
          • 六聚体α3β3γδε，含寡霉素敏感蛋白OSCP（与寡霉素结合失去活性）
          • 催化 ATP 合成
      • Fo结构域
        • 疏水部分，寡霉素敏感
          • ab2c9～12
          • 嵌于膜中，形成质子回流至基质的跨内膜质子通道
    • 功能
      • 回流质子至基质时，结合ADP与Pi合成ATP
  • 影响因素
    • 体内能量状态
      • ADP浓度高，氧化磷酸化速率加快
    • 抑制剂
      • 呼吸链抑制剂
      • 解偶联剂
        • 二硝基苯酚（DNP）
          • 脂溶性，线粒体内膜中自由移动，破坏膜两侧质子浓度梯度，使无法驱动ATP合成
        • 解偶联蛋白1（UCP1）
          • 棕色脂肪组织中，使H+经其形成的质子通道进入基质，不通过ATP合酶，无法驱动ATP产生，但释放热能，可御寒 体内FFA可促进H+经UCP回到基质
            • 新生儿硬肿症
              • 缺乏棕色脂肪组织，皮下脂肪凝固
      • ATP合酶抑制剂
        • 寡霉素、二环己基碳二亚胺DCCD——结合Fo
    • 甲状腺激素
      • 促进钠泵表达，消耗ATP，ADP↑，促进氧化磷酸化--->氧化释能，耗氧量、产热↑
        • 甲状腺功能亢进——基础代谢率高
    • 线粒体DNA突变
      • mtDNA突变率高于核内基因组DNA（缺乏蛋白质保护和损伤修复系统）
      • mtDNA突变严重积累——帕金森病、阿尔茨海默病、糖尿病等 母系遗传为主
    • 线粒体内膜选择性协调转运氧化磷酸化相关代谢物
      • NADH穿梭机制
        • α-磷酸甘油穿梭
          • 脑、骨骼肌
          • • 1.5ATP
        • 苹果酸-天冬氨酸穿梭
          • 心、肝、肾
          • • 2.5ATP
      • ATP-ADP转位酶/腺苷酸转运蛋白
        • 每分子ATP4-和ADP3-反向转运时，向内膜外净转移1个负电荷 ，相当于多1个H+转入线粒体基质
          • 膜间隙高正电性有利于ATP泵出
• ATP在能量代谢中的核心作用
  • ATP是能量捕获和释放利用的重要分子
    • 直接参与各种代谢物的活化反应、合成生物大分子的反应
    • 通过ATP使分解代谢与合成代谢相互耦联
    • 为耗能的跨膜转运、骨骼肌收缩、蛋白质构象改变供能
  • ATP是能量转移和核苷酸相互转变的核心
    • 腺苷酸激酶 催化：ADP--->ATP
    • NDP激酶 催化：ATP+NDP--->ADP+NTP（N：U/C/G）（用于糖原、磷脂、蛋白质等合成反应的供能）
    • ATP需求降低：ATP转移~P至AMP--->ADP
  • ATP通过转移自身基团提供能量
    • ATP水解产生Pi、PPi、AMP基团，共价结合底物形成中间产物，使其获得更多自由能
      • 举例：ATP给GLU提供磷酸基和能量--->G-6-P--->糖酵解/其他代谢途径
  • 磷酸肌酸也是储存能量的高能化合物
    • 骨骼肌、心肌、脑组织中，ATP转移~P给肌酸--->磷酸肌酸CP，需ATP时，磷酸肌酸转移~P给ADP--->ATP
• 其他氧化与抗氧化体系
  • 微粒体、过氧化物酶体以及细胞其他部位存在其他氧化体系，参与呼吸链以外的氧化过程
    • 氧化酶体系
      • 细胞色素P450单加氧酶/羟化酶/混合功能氧化酶
        • 使O2中1个氧原子羟化底物，另1个氧原子转化成水（NADPH供氢）
        • 参与类固醇激素的生成、药物及毒物的生物转化
        • 肝、肾上腺微粒体最多，反应最复杂的酶，通过血红素中Fe2+进行单电子传递
      • 活性氧ROS
        • 主要从呼吸链中得到（QH·将单电子泄露给O2生成O2-）
        • 黄嘌呤氧化酶、Cyt P450氧化还原酶催化反应，需O2为底物，也可产生O2-
        • 少量ROS促进细胞增殖，大量ROS累积损伤细胞功能
    • 抗氧化酶体系
      • 过氧化氢酶
        • 过氧化物酶体、细胞质、微粒体中
        • 含4个血红素辅基
      • 谷胱甘肽过氧化物酶
        • 防止ROS损伤，去除H2O2和其他过氧化物类（ROOH）
      • 超氧化物歧化酶SOD
        • 催化1分子O2-氧化生成O2，催化另1分子O2-还原生成H2O2
  • 特点
    • 不伴磷酸化，不生成ATP，主要参与体内代谢物、药物、毒物的生物转化
• 概念
  • N侧
    • 线粒体基质侧
  • P侧
    • 线粒体膜间隙侧
  • 标准氧化还原电位E0
    • 反映对电子的亲和力，正比关系
  • 递氢体也是递电子体，递电子体不一定是递氢体 呼吸链组分中从前到后，E0越来越高
  • 高能化合物
    • 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
      • 含高能磷酸键的化合物
    • 常见
      • NTP、NDP
      • PEP、1, 3-二磷酸甘油酸、琥珀酰CoA（底物水平磷酸化）
      • 乙酰CoA、脂酰CoA（高能硫酯化合物）
      • 乙酰磷酸、氨基甲酰磷酸、焦磷酸、磷酸肌酸、G-1-P