生物化学思维导图——24.生物氧化（电子传递和氧化磷酸作用）

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生物氧化电子传递和氧化磷酸化作用

• 生物氧化
  • 有机分子在细胞内氧化分解成二氧化碳和水并释放ATP的过程
• 电子传递和氧化呼吸链
  • 电子传递过程
    • 需氧细胞内糖、脂肪、氨基酸等通过各自的分解途径，所形成的还原型辅酶，包括NADH和FADH2通过电子传递途径被重新氧化；
    • 还原型辅酶以质子形式脱下，其电子沿着一系列电子载体转移，最后转移到分子氧，形成的离子型氧和和质子结合生成水；
    • 电子传递伴有H+的结合与释放，使H+定向转移，通过H+懂定向转移维持质子的跨膜电势，从而推动ATP的合成
  • 亚细胞定位
    • 原核细胞
      • 质膜
    • 真核细胞
      • 线粒体内膜
  • 电子传递链P121 图24-3
    • 整条途径
      • NADH——FMN——Fe-S FADH2——FMN——Fe-S
        • CoQ——Cytb——2Fe-2S——Cytc1——Cytc——Cytaa3——O
    • NADH-Q还原酶（复合体I）
      • 辅基：FMN、Fe-S
      • 辅酶：CoQ
      • 传递顺序：NADH——FMN——Fe-S——CoQ
      • 铁硫聚簇类型
        • Fe-S
          • Fe与半胱氨酸4个-SH配对
        • 2Fe-2S
          • 每个Fe与2个-SH与2个无机S原子配对
        • 4Fe-4S
          • 每个Fe与1个-SH和4个中的3个无机S原子配对
    • 琥珀酸-Q还原酶（复合体II）
      • 辅基：FAD、铁硫聚簇
      • 辅酶：CoQ
      • 传递顺序：FAD——铁硫聚簇——CoQ
    • 辅酶Q/泛醌/CoQ
      • 疏水的醌化物，脂溶性辅酶；具结合态（结合到膜上）和游离态（能在线粒体内膜内部扩散迅速）
      • 结构
        • 具有以异戊二烯为单位构成的长碳氢链，哺乳动物中常见Q10，非哺乳动物中Q6～8；其作用为使CoQ成为非极性化合物，能够在线粒体中自由扩散
      • 形态
        • 氧化型CoQ/醌型、半醌中间型（Q·-）、还原型CoQ
      • 作用
        • 将电子从复合体I和复合体II转移到复合体III
    • 细胞色素还原酶（复合体III）
      • 又称细胞色素bc1复合体，或简称bc1
      • 辅基：Cytb562（bH/bk）、Cytb566（bL/bT）、Cytc1、2Fe-2S
        • Cytb游离存在，Cytc与蛋白质共价结合
      • 传递顺序：Cytb——2Fe-2S——Cytc1——Cytc
      • Q循环（见下文细胞色素c）
    • 细胞色素
      • 是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白的总称，因含有血红素而呈现红色或褐色；几乎存在于所有生物体中，只有极少数的专性厌氧微生物没有这类蛋白质
      • 还原型细胞色素具有明显的可见光谱吸收现象，具有 α、β、γ3条吸收峰氧化型细胞色素无吸收峰
        • α峰的吸收波长随着细胞色素种类的不同各有特异变化，这是区别细胞色素种类的重要指标
      • 根据吸收光谱分类
        • a、b、c三类
          • b类细胞色素的血红素是铁-原卟琳IX；c类细胞色素血红素与b的区别为以硫咪键蛋白质的cys的-SH相连
      • 细胞色素c
        • 唯一能溶于水的细胞色素
        • 成熟细胞色素c的形成
          • 无血红素的细胞色素c从线粒体外膜通道进入线粒体内膜的间隙后，在细胞色素合成酶的作用下，将血红素与细胞色素c蛋白分子结合使其发生构象变化，不能穿过线粒体外膜
        • 作用
          • 在复合体III和复合体IV之间传递电子
        • Q循环（细胞色素c对复合体III传递的电子的接收方式）
          • 第一阶段
            • QH2一个电子传递给2Fe-2S——Cytc1——Cytc，另一个电子转变为Q·-，传递给CytbL——CytbH——Q——Q·-
          • 第二阶段
            • 另一分子QH2经过上述相同途径传递一个电子给Cytc，另一电子形成Q·-；该Q·-与第一阶段形成的Q·-结合形成新的QH2
          • 总结
            • 2个QH2参与电子传递，使2个Cytc还原，经过全过程有产生1个QH2，这有利于电子的有效利用
    • 细胞色素氧化酶（复合体IV）
      • 子主题 2
      • 辅基：Cyta、Cyta3、CuA、CuB
      • 传递顺序：CuA——Cyta——CuB——Cyta3——O
      • 中途形成了过氧中间物，高铁中间物p127
  • 电子传递抑制剂
    • 鱼藤酮、安密妥
      • NADH——CoQ
    • 抗霉素A
      • QH2——Cytc1
    • 氰化物（CN-）、叠氮化物（N3-）、一氧化碳
      • Cytaa3——O2
• 氧化磷酸化作用
  • 电子传递和形成ATP的偶联机制称为氧化磷酸化作用
  • 氧化磷酸化作用机制
    • ATP合成3部位
      • 复合体I，III，IV
    • 能量偶联假说
      • 化学偶联假说
        • 认为电子传递过程中产生活泼的高能共价化合物，它随后的裂解驱动氧化磷酸化作用
      • 构象偶联假说
        • 电子传递使得线粒体内膜蛋白组分发生构象变化，形成一种高能形式，可通过ATP的合成恢复它原来的构象
      • 化学渗透假说*
        • 认为电子传递释放的自由能和ATP的合成是与跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的
        • 实验证据p131
  • 质子转移的机制
    • 氧化-还原回路机制
    • 质子泵机制
  • ATP合成机制
    • FoF1-ATP合酶（复合体V，但要与电子传递的4个复合体区分）
    • 亚线粒体结构实验
      • 线粒体中ATP合酶本朝向嵴的内侧，内膜也朝向嵴的内侧（p134 图24-22），亚线粒体泡内膜朝向外侧并且ATP合酶也朝向外侧
      • 尿素和胰蛋白酶处理亚线粒体泡，F1脱落，Fo犹在，还具有电子传递功能，但失去合成ATP功能；将F1加回到只有Fo的囊泡中，氧化磷酸化作用恢复
    • 结构p134 图24-21
      • Fo单元
        • 作用：质子通道
        • 跨线粒体内膜上疏水蛋白质，由4条肽链组成
      • F1单元
        • 作用：催化ATP合成
        • 5种不同的多肽链合成，α3ß3γδε ；催化部位在ß亚基，δ亚基连接F1和Fo
      • 柄
        • 包含两种蛋白质
          • 寡霉素敏感性付与蛋白
          • 偶合因子6（F6）
    • 释放与ATP合酶紧密结合的ATP的机制
      • 3个ß亚基具有3个状态
        • “O”状态（开放状态）“L”状态（结合松弛，无催化能力）“T”状态（结合紧密，有催化活性）
        • 每个亚基通过三个状态之间的转变释放合成的ATP
    • ATP合酶抑制剂（氧化磷酸化抑制剂）
      • 寡霉素
      • DCCD（二环己基碳二亚胺）
      • 抑制质子通过Fo
  • 氧化磷酸化与电子传递的解偶联和抑制
    • 特殊试剂的解偶联作用
      • 解偶联剂（质子载体试剂）
        • 2，4-二硝基苯酚DNP
        • FCCP（二氟甲氧基苯腙碳基氰化物）
        • 将质子运回线粒体基质
      • 氧化磷酸化抑制剂
        • 寡霉素
          • 直接干扰ATP上生成过程
      • 离子载体抑制剂
        • 氨霉素（结合K+）
        • 短杆菌肽（结合K+、Na+等）
        • 将其它阳离子运送到线粒体基质
    • 激素控制褐色脂肪线粒体氧化磷酸化解偶联机制使产生热量
  • 细胞溶胶中的NADH（糖酵解产生的2NADH）的再氧化
    • 生物合成途径细胞溶胶中NADH在丙酮酸转化为乙醇/乳酸过程中被氧化；
    • 产能途径p139-140
      • 甘油-3-磷酸穿梭途径（30ATP）
        • 图24-28
      • 苹果酸-天冬氨酸途径（32ATP）
        • 图24-29