生物氧化

物质在生物体内进行氧化称为生物氧化，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；是氧化磷酸化，是NADH、FADH₂上的电子通过一系列的电子传递体传递给O₂生成水，并将释放的能量使ADP磷酸化形成ATP的过程。

生物氧化

• 概述
  • 生物氧化的概念
    • 物质在生物体内进行氧化称为生物氧化，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
  • 生物氧化的一般过程
  • 生物氧化的实质
    • 是氧化磷酸化，是NADH、FADH₂上的电子通过一系列的电子传递体传递给O₂生成水，并将释放的能量使ADP磷酸化形成ATP的过程
• 具有电子传递能力的蛋白质复合体组成呼吸链
  • 氧化呼吸链的定义
    • 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，可通过连锁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
  • 线粒体氧化体系含多种传递氢和电子的组分
  • 氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成
    • 复合体Ⅰ——NADH-泛醌还原酶
      • 复合体Ⅰ将NADH+H⁺中的电子传递给泛醌
      • 功能
        • 电子传递：2个电子
        • 质子泵：每传递2个电子可将4个H⁺从内膜基质侧泵到膜间隙
    • 复合体Ⅱ——琥珀酸-泛醌还原酶(三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶)
      • 复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递到泛醌
      • 复合体Ⅱ没有H⁺泵的功能
    • 复合体Ⅲ——泛醌-细胞色素C还原酶
      • 复合体Ⅲ将电子从还原型泛醌传递给细胞色素C
      • 质子泵：复合体Ⅲ每传递2个电子可将4个H⁺从内膜基质侧泵到膜间隙
    • 复合体Ⅳ——细胞色素C氧化酶
      • 复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧
      • 质子泵：每传递2个电子可将4个H⁺从内膜基质侧泵到膜间隙
  • NADH和FADH₂是呼吸链的电子供体
    • NADH氧化呼吸链
    • 琥珀酸氧化呼吸链
• 氧化磷酸化与ATP生成
  • ATP的生成方式
    • 底物水平磷酸化
      • 与脱氢反应偶联，生成底物分子的高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程，不经电子传递
    • 氧化磷酸化
      • 在呼吸链点子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称偶联磷酸化
  • 氧化磷酸化的偶联机制
    • 化学渗透假说
      • 电子经呼吸链传递时，可将质子(H⁺)从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP
      • 电子传递过程复合体Ⅰ(4H⁺)、复合体Ⅲ(4H⁺)、复合体Ⅳ(2H⁺)有质子泵功能
    • 质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用，催化ATP合成
      • ATP合酶结构组成
        • F₁：亲水部分，线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成
        • F₀：疏水部分，镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道
      • ATP合酶组成可旋转的发动机样结构
        • F₀的2个b亚基的一端锚定F₁的α亚基，另-端通过δ和α₃β₃稳固结合，使a、b₂和α₃β₃、δ亚基组成稳定的定子部分
        • 部分γ和ε亚基共同形成穿过α₃β₃间中轴，γ还与1个β亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的c亚基环紧密结合。c亚基环、γ和ε亚基组成转子部分
        • 质子顺梯度向基质回流时，转子部分相对定子部分旋转，使ATP合酶利用释放的能量合成ATP
      • ATP合成的结合变构机制
        • 当H⁺顺浓度梯度经F₀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
  • 氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内
    • P/O比值
      • 指氧化磷酸化过程中，没消耗1/2摩尔O₂所生成ATP的摩尔数(或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数)
    • 自由能变化
      • 根据热力学公式，pH=7.0时标准自由能变化ΔG₀'与还原电位变化ΔE₀'之间的关系：ΔG₀'=-nFΔE₀'
    • 总结
      • • NADH氧化呼吸链存在3个偶联部位，每传递2个电子仅生成2.5分子ATP到线粒体外被利用
        • 琥珀酸氧化呼吸链存在2个偶联部位，每传递2个电子仅生成1.5分子ATP到线粒体外被利用
  • ATP在能量代谢中起核心作用
    • 概述
      • 生物体能量代谢特点
        • 细胞内代谢反应都是依序进行、能量逐步得失
        • 不直接利用营养物质化学能
        • ATP称之为高能磷酸化合物，是细胞可以直接利用的最主要的能源形式
      • 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
    • 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
    • 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
      • 核苷二磷酸激酶的作用
    • 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形式
• 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
    • ADP是调节机体氧化磷酸化的主要调节因素。
    • [ADP]↑，氧化磷酸化↑
  • 抑制剂可阻断氧化磷酸化过程
    • 呼吸链抑制剂
      • 阻断电子传递过程，抑制电子传递和ATP的生成
      • eg.
        • 复合体Ⅰ抑制剂
          • 鱼藤酮、粉蝶霉素A及异戊巴比妥
            • 阻断传递电子到泛醌
        • 复合体Ⅱ抑制剂
          • 萎锈灵
        • 复合体Ⅲ抑制剂
          • 抗霉素A阻断Cyt b传递电子到泛醌；粘噻唑菌醇则作用Qp位点
        • 复合体Ⅳ抑制剂
          • CN⁻，CO
    • 解偶联剂
      • 阻断ADP的磷酸化过程，抑制ATP的生成但不抑制电子传递过程
      • 解偶联剂可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制
      • eg.
        • 2，4-二硝基苯酚
        • 解偶联蛋白
    • ATP合酶抑制剂
      • 抑制电子传递和ATP生成
  • 甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热
  • 线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸化功能
  • 线粒体内膜对各种物质进行选择性转运
    • 胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链
      • α-磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中
        • 细胞质中的NADH+H⁺在磷酸甘油脱氢酶催化下，将2H传递给磷酸二经丙酮，使其还原成-磷酸甘油，后者通过线粒体外膜到达线粒体内膜的膜间隙侧。在线粒体内膜的膜间隙侧结合着磷酸甘油脱氢酶的同工酶，此酶含FAD辅基，接受α-磷酸甘油的2H生成FADH₂和磷酸二经丙酮。FADH₂直接将2H传递给泛醌进入氧化呼吸链。由于FADH₂将NADH携带的一对电子从内膜的膜间隙侧直接传递给Q进行氧化磷酸化，因此1分子的NADH经此穿梭能产生1.5分子ATP。
      • 苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中
    • ATP-ADP转位酶协调转运ADP进入和ATP移出线粒体