《生物化学》‘’生物氧化‘’章节

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。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

• 营养物质氧化分解阶段
  • 第一阶段：营养物质经过分解代谢转变为乙酰辅酶A
  • 第二阶段：乙酰辅酶A进入三羧酸循环，脱氢生成NADH＋H＋和FADH2，脱羧生成CO2
  • 第三阶段：NADH＋H＋和FADH2将2H经过呼吸链传递给氧生成水并逐步释放能量
• 概念
  • 生物氧化是指糖类、脂肪、蛋白质等营养物质在体内氧化分解逐步释放能量，最终生成二氧化碳和水的过程。又称细胞呼吸或组织呼吸。
• 特点
  • 1、在细胞内发生，37℃左右，PH近中性，要多种酶催化
  • 2、二氧化碳的生成是有机酸的脱羧反应
    • 根据是否伴随氧化反应可分为氧化脱羧和单纯脱羧
    • 根据脱去的羧基的位置不同可分为α-脱羧和β-脱羧
  • 3、能量是逐步释放的，且主要以化学能的形式贮存在ATP中
  • 4、生物体内代谢物的氧化方式包括脱氢、加氧和失电子
    • 脱氢最常见
• 细胞质中NADH的氧化
  • 细胞质中代谢物也能够脱氢生成NADH＋H＋，但是他不能自由透过线粒体内膜，因此要经过载体转运进入线粒体，然后通过呼吸链传递给氧生成水
  • 上述转运是通过两种穿梭机制实现的
    • 甘油-3-磷酸穿梭
      • 脑和骨骼肌等组织细胞质中、推动合成1.5分子ATP
    • 苹果酸-天冬氨酸穿梭
      • 肝、心肌、肾等组织细胞的胞质中、推动合成2.5分子ATP
• 高能化合物
  • 定义
    • 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。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。如三磷酸腺(ATP),磷酸肌酸,称为高能化合物。
    • 在生物化学上一般把水解时自由能够释放超过21kJ/mol的键称为高能键,其特点是连接疏松,容易断开,高能键水解断开或基团转移时能够释放大量的能量。如ATP含有3个磷酸基团,2个高能磷酸键。
  • ATP的生成
    • 底物水平磷酸化
      • 是指在分解代谢过程中，底物在发生脱氢或脱水反应时，其分子内部的能量重新分布后生成高能化合物，然后将其分子上的高能基团转移给ADP/GDP生成ATP/GTP的过程
      • X~P＋ADP→ATP＋X（与氧的存在与否无关）
    • 氧化磷酸化（最主要的）
      • 体内90％以上的ATP是经由该方式生成，是维持生命活动的主要来源
      • 氧化磷酸化是指生物氧化过程中，营养物质氧化分解所释放的能量推动ADP与磷酸缩合进一步生成ATP的过程
      • 化学渗透学说：呼吸链中的电子传递和ATP的合成是通过跨线粒体内膜的质子梯度偶联的。依赖于完全封闭的线粒体内膜，线粒体内膜对氢离子、氢氧根离子、钾离子、氯离子是不可透过的
      • ATP合酶的催化机制:每旋转一次形成三个ATP，9个氢离子回流推动
        • 一般条件下在线粒体中由ATP合酶合成1分子的ATP并运出线粒体，要有4个质子在这一过程中回流。
  • P/O值的测定：磷氧值是指在氧化磷酸化过程中，每消耗一摩尔氧原子（1/2O2)的同时消耗的无机磷摩尔数，该数值等于能生成ATP的摩尔数。【标准条件下的NADH和琥珀酸的1对电子可分别促使约2.5个和1.5个ATP合成，因此，P/O值约为2.5：1和1.5:1】
  • 影响氧化磷酸化的因素
    • 1、ADP的含量对氧化磷酸化的调节成为呼吸控制【主要影响因素】
    • 2、甲状腺激素:①诱导细胞膜上钠钾泵的生成，消耗ATP，使之分解为ADP进入线粒体引起氧化磷酸化进程加速②可促进解偶联蛋白的基因表达，增加机体的耗氧量与产热量
    • 3、呼吸链抑制剂：在特异部位阻断电子传递，进而阻断氧化磷酸化，抑制ATP的生成4、解偶联剂：解除呼吸链电子传递与ATP合酶合成ATP两个过程的偶联，消除电化学梯度 5、ATP合酶抑制剂：抑制磷酸化也抑制氧化
      • 解偶联蛋白又称产热蛋白
    • 6、ADP-ATP载体抑制剂7、线粒体DNA突变
• 呼吸链电子传递顺序的确定方法
  • 1、测定呼吸链各组分的氧化还原电位值，由低到高排序（电子的流动趋向是从低还原电位到高还原电位)
  • 2、与离体的线粒体无氧而有底物时处于的还原状态做对照，后缓慢给氧，分析各组分吸收光谱的变化顺序判断被氧化的顺序以至传递体的排列顺序（得失电子特征光谱会变化）
  • 3、在底物存在时加入不同的特异性呼吸链抑制剂阻断某一组分的电子传递，被阻断前处于还原状态，后处于氧化状态（氧化和还原状态的吸收光谱不同)
  • 4、拆开和分离呼吸链中的四个复合体并进行体外重组，经分析明确电子传递顺序
• 呼吸链的五种组分
  • 1、烟酰胺脱氢酶类的辅酶
    • 辅酶Ⅰ:NAD＋(即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)
      • 双电子传递体，水溶性的，可与酶蛋白可逆结合往返于线粒体基质与内膜间，不能透过内膜
    • 辅酶Ⅱ：NADP＋(即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)
      • NADPH＋H＋一般不直接参与呼吸链传递，而是作为递氢体参与脂肪酸等物质的还原性合成
  • 2、黄素蛋白
    • 是以FAD或FMN为辅基的一类脱氢酶
    • 在黄素蛋白催化的脱氢反应中，FAD或FMN分子中异咯嗪环含有的N1和N10能够分别接受1个氢原子，生成FADH2或FMNH2，并进一步把氢原子传递给泛醌
  • 3、铁硫蛋白
    • 属于单电子传递体，辅基为等量的非血红素铁和无机硫构成的铁硫中心或铁硫簇
    • 铁硫中心内主要有两种形式:Fe2S2和Fe4S4,他们通过分子中的铁离子与蛋白质中半胱氨酸残基的硫构成铁硫蛋白
  • 4、泛醌
    • 是递电子体也是递氢体
    • 脂溶性醌类化合物，被称为辅酶Q、CoQ
    • 泛醌的侧链具有疏水作用，故泛醌可在线粒体内膜中自由移动和迅速扩散，且易从线粒体内膜中被分离出来
  • 5、细胞色素
    • 是递电子体
    • 是呼吸链中一类以血红素（铁卟啉)为辅基的蛋白质，是电子传递体
    • Cyt b类
      • Cyt b560存在复合体Ⅱ中，不参与电子传递
      • Cyt562、Cyt566存在于复合体Ⅲ中，参与从泛醌到Cytc1的电子传递
    • Cyt c类
      • Cytc1存在于复合体Ⅲ中，参与从Cyt b到Cyt c的电子传递
      • Cytc是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，是一种周边蛋白，可在线粒体内膜外表面自由移动，参与从Cytc1向复合体Ⅳ的电子传递
    • Cyt a类
      • 包含Cyta和Cyta3，均存在于复合体Ⅳ中并紧密结合，用Cyt aa3表示(Cyt aa3又称细胞色素c氧化酶，将电子直接传递给1/2的O2）
      • 电子传递顺序：Cyt562、Cyt566→Cytc1→Cytc→Cyt aa3
• 呼吸链的四大复合体
  • 复合体Ⅰ又称NADH-泛醌还原酶，含黄素蛋白(FMN为辅基）、铁硫蛋白
  • 复合体Ⅱ又称琥珀酸-泛醌还原酶，含黄素蛋白(FAD为辅基）、铁硫蛋白、细胞色素b
  • 把氢和电子传递给泛醌
  • 复合体Ⅲ又称泛醌-细胞色素c还原酶，含细胞色素b、细胞色素c1、铁硫蛋白
    • 把电子传递给细胞色素c
  • 复合物Ⅳ又称细胞色素c氧化酶，含CuA、CuB、细胞色素a和细胞色素a3
    • 把电子传递给氧
• 呼吸链
  • 呼吸链是指存在于真核生物线粒体内膜或原核生物细胞膜上，按一定顺序排列的递氢体和递电子体的链状氧化还原体系，也称电子传递链
  • 呼吸链中的递氢体和递电子体主要是以四大复合体的形式存在于线粒体内膜上
• 新名词
  • 递电子体:营养物质在线粒体内氧化分解释放能量的过程中传递电子的酶和辅酶或辅基
  • 递氢体：营养物质在线粒体内氧化分解释放能量的过程中传递氢原子的酶和辅酶或辅基
  • 递氢体必是递电子体，反之不成立
• 两条重要的呼吸链
  • NADH氧化呼吸链(主要)
    • 每传递一对电子生成2.5分子ATP
  • FADH2氧化呼吸链（次要)
    • 每传递一对电子生成1.5分子ATP