生物氧化

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

• 概述
  • 定义
    • 物质在生物体内进行的氧化分解称生物氧化
  • 发生的部位
    • 细胞胞质、线粒体、微粒体、内质网等
  • 线粒体氧化体系
    • 通过酶促反应将营养物质氧化分解为CO2 和 H2O，并释放能量，主要用于生成ATP
  • 微粒体、内质网氧化体系
    • 利用氧化酶类对底物进行加氧修饰，不产生ATP
• 线粒体氧化体系与呼吸链
  • 线粒体氧化体系
    • 主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内氧化分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程
    • 特点：反应温和，需要酶的催化，氧化反应逐步进行，能量逐步释放
  • 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（NAD+）传递氢和电子
      • NAD＋：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，又叫辅酶Ⅰ（CoⅠ），主要作为呼吸链的一个组分，起递氢体作用
      • NADP+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，又叫辅酶Ⅱ（CoⅡ），主要在还原性生物合成中作为供氢体
      • 二者的递氢部位是烟酰胺部分，来源于Vit PP/ Vit B3
      • 氧化还原反应时变化发生在烟酰胺五价氮和三价氮之间
      • 为递氢体，同时也是双电子传递体
        • 递氢体都是递电子体
    • 黄素核苷酸衍生物传递氢和电子
      • 黄素单核苷酸：FMN
        • 黄素腺嘌呤二核苷酸：FAD
          • FMN和FAD是辅基
      • NAD+、FMN和FAD均为B族维生素的衍生物，因此均是水溶性的
      • FMN和FAD中异咯嗪环上1、10位氮之间的共轭双键可加氢、脱氢，起递氢体作用
      • 异咯嗪及核醇部分来源于Vit B2（核黄素）
      • FMN和FAD中异咯嗪环为功能基团
      • 为递氢体，也是双电子传递体
    • 有机化合物泛醌（辅酶Q）传递氢和电子
      • 泛醌，又称辅酶 Q ，是一种脂溶性醌类化合物。可在线粒体内膜中自由扩散
      • 分子中的苯醌结构能可逆地结合2个H，为递氢体
      • 异戊二烯的数目因物种而异，人体内的n为10
    • 铁硫蛋白和细胞色素蛋白传递电子
      • 铁硫蛋白含有铁硫中心（Fe-S）
        • 铁硫中心是铁离子与无机硫原子及铁硫蛋白中的Cys残基的SH连接而成
        • 各种铁硫中心含Fe-S的数目不同，有Fe2-S2和Fe4-S4
        • Fe-S通过一个Fe的氧化还原而传递电子，为单电子传递体。 Fe2+ Fe3++e
      • 细胞色素（Cyt)
        • 细胞色素蛋白通过辅基血红素中的铁离子发挥单电子传递体的作用
          • 属单电子传递体
        • 由于血红素中卟啉环的侧链基团、血红素在蛋白质中所处环境不同，引起Cyt的吸收光谱不同；呼吸链中的细胞色素可分为Cyt a、 Cyt b、 Cyt c三类，其所含的血红素辅基分别成为血红素a、b、c
        • Cyt c是呼吸链中唯一的水溶性蛋白质，与线粒体内膜外表面疏松结合，极易与线粒体内膜分离
  • 具有传递电子能力的蛋白质复合体组成呼吸链
    • 呼吸链/电子传递链：由于此体系需要消耗氧，与需氧细胞的呼吸过程有关
      • 呼吸链：由于此体系需要消耗氧，与需氧细胞的呼吸过程有关
    • 复合体Ⅰ将NADH中的电子传递给泛醌
      • 复合体Ⅰ又称NADH-泛醌还原酶或NADH脱氢酶，由黄素蛋白、铁硫蛋白等组成的跨膜蛋白质，是呼吸链的主要入口
      • 复合体Ⅰ传递电子的过程
        • NADH→FMN→Fe-S→CoQ
      • 复合体Ⅰ还具有质子泵的功能
        • 每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧
    • 复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递给泛醌
      • 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没有氢离子泵的功能
      • 复合体Ⅱ传递电子的过程
        • 琥珀酸-FAD-Fe-S--Q
    • 复合体Ⅲ将电子从还原性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传递电子的过程，有Q循环
        • QH2-Cytb-Fe-s--Cytc1-Cytc
      • 泵出质子：复合体Ⅲ有质子泵功能，每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧
      • Cyt c 是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中，将获得的电子传递到复合体IV
    • 复合体Ⅳ将电子从细胞色素c传递给氧并生成水
      • 复合体Ⅳ又称细胞色素c氧化酶，也有质子泵的功能，每传递2个电子使2个H+跨内膜向胞浆侧转移
      • 复合体Ⅳ传递电子的过程
        • Cytc-Cua-Cyta-Cyta3-CuB-O2
  • NADH和FADH2是呼吸链的电子供体
    • NADH呼吸链（是体内主要的呼吸链）
      • NADH-复合体Ⅰ-Q-复合体Ⅲ-Cytc-复合体Ⅳ-O2
    • FADH2呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链，是体内次要的呼吸链）
      • 琥珀酸-复合体Ⅱ-Q-复合体Ⅲ-Cytc-复合体Ⅳ-O2
• 氧化磷酸化
  • 概念
    • 驱动ADP磷酸化生成ATP，所以NADH和FADH2的氧化过程与ADP的磷酸化过程相偶联
  • 偶联部位
    • 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，也就是能生成ATP的部位
      • P/O比值：氧化磷酸化过程中，每消耗0.5molO2所需磷酸的摩尔数，即所能合成ATP的摩尔数（P/O比值约为2.5，则生成2.5分子的ATP）
      • NADH呼吸链存在3个偶联部位， P/O比值约为2.5，即产生2.5 mol ATP
      • 琥珀酸氧化呼吸链存在2个偶联部位， P/O比值约为1.5 ，即产生1.5 mol ATP
      • 自由能变化：标准自由能变化=-nF.还原电位变化
    • 氧化磷酸化在线粒体中进行，包含两个关键过程
      • 电子传递
      • 将电子传递过程中释放的能量用于产生ATP，使能量通过ATP被储存起来供机体使用
  • 偶联机制
    • 化学渗透假说，已得到广泛的实验支持
    • 电子经呼吸链传递时释放的能量，通过复合体的质子泵功能，转运H+从线粒体基质到内膜的胞质侧
    • 质子不能自由穿过线粒体内膜返回基质，从而形成跨线粒体内膜的质子电化学梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差），储存电子传递释放的能量
    • 质子的电化学梯度转为质子驱动力，促使质子从膜间隙侧顺浓度梯度回流至基质、释放储存的势能，用于驱动ADP和Pi结合生成ATP
      • ATP合酶发挥作用
    • 氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜
    • 线粒体内膜对H+、OH－、K＋、Cl－离子是不通透的
    • 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
      • 复合体I，III，IV都具有质子泵功能
      • 呼吸链每传递2个电子使10个H+跨内膜向胞浆侧转移
      • 形成跨内膜的浓度和电位差（电化学梯度）
  • 质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成ATP
    • ATP合酶：跨线粒体内膜的通道蛋白，也称为复合体V
    • 功能：质子回流至基质时，ADP与Pi合成ATP
    • ATP合酶结构
      • F1（亲水部分）
        • 功能为催化ATP的合成
      • F。（疏水部分）
        • 镶嵌在线粒体内膜中，它能组成离子通道，用于质子的回流
  • 腺苷酸转运蛋白
    • 又称ATP-ADP转位酶，介导ATP和ADP的反向转运，出入线粒体内膜，同时消耗线粒体基质侧的1个H＋
    • 每分子ATP在线粒体中生成并转运到胞质需4个H＋回流进入线粒体基质中
    • 米酵菌酸(BA)
      • ATP-ADP 转位酶特异性抑制剂
  • ATP的作用
    • ATP被称为能量货币
    • ATP是能量捕获和释放利用的重要分子
      • ATP是细胞可直接利用的能量形式
      • ATP可以连续提供2个高能磷酸键
    • ATP是能量转移和核苷酸相互转变的核心
    • ATP通过转移自身集团提供能量
    • 磷酸肌酸也是储存能量的高能化合物
      • 磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式
  • 影响因素
    • 体内能量状态调节氧化磷酸化速率
      • ADP是调节机体氧化磷酸化的主要因素
        • ADP高，氧化磷酸化速率快
    • 抑制剂阻断氧化磷酸化的过程
      • 呼吸链抑制剂阻断电子传递过程
        • 可通过抑制复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ
      • 解偶联剂阻断ADP的磷酸化过程
        • 解偶可使氧化与磷酸化的偶联分离，电子可沿呼吸链正常传递，但建立的质子电化学梯度被破坏，不能驱动ATP合酶来合成ATP
        • 如：二硝基苯酚DNP；解偶联蛋白UCP1
        • 解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）
      • ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的合成
        • 例如寡霉素，二环己基碳二亚胺均可结合Fo单位，阻断质子从Fo质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递
    • 甲状腺激素促进氧化磷酸化和产热
      • 甲状腺激素诱导Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达增加
    • 线粒体DNA突变影响氧化磷酸化功能
      • 线粒体DNA的突变可影响氧化磷酸化的功能，引起线粒体病
  • 线粒体内膜的跨膜运输
    • NADH的跨膜转运
      • a-磷酸甘油穿梭
        • 部位：脑和骨骼肌
          • 胞液中的NADH通过穿梭将2H交给FAD，进入琥珀酸氧化呼吸链产生1.5分子ATP
      • 苹果酸-天冬氨酸穿梭
        • 部位：肝、肾、心脏
          • 胞液中的NADH通过穿梭进入NADH氧化呼吸链产生2.5分子ATP
    • ATP-ADP的跨膜转运
      • 腺苷酸转运蛋白，也称ATP-ADP转位酶