生物化学005生物氧化

生物化学与分子生物学， 重点掌握： ①氧化磷酸化：氧化磷酸化的概念，两条呼吸链的组成，ATP合酶，氧化磷酸化的调节及影响因素。 ②ATP与其他高能化合物：ATP循环与高能磷酸键，ATP的利用，其他高能磷酸化合物。

生物化学005生物氧化

• 重点掌握
  • ①氧化磷酸化：氧化磷酸化的概念，两条呼吸链的组成，ATP合酶，氧化磷酸化的调节及影响因素。
  • ②ATP与其他高能化合物：ATP循环与高能磷酸键，ATP的利用，其他高能磷酸化合物。
• 一、氧化磷酸化
  • 1．氧化磷酸化的概念
    • 呼吸链电子传递的氧化过程与ADP磷酸化、生成ATP相偶联的过程，称为氧化磷酸化。
  • 2．两条呼吸链的组成
    • （1）氧化呼吸链的概念
      • 在氧化呼吸链中，参与氧化还原作用的酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜上，起传递氢和电子的作用，分别称递氢体和递电子体。
      • 这一包含多种氧化还原组分的传递链称为氧化呼吸链。
      • 无论递氢体还是递电子体，都起传递电子的作用，因此氧化呼吸链也称电子传递链。
    • （2）组成呼吸链的4种酶复合体
      • 线粒体呼吸链由4种酶复合体（复合体I～IV）组成。因泛醌（CoQ）和Cytc与线粒体内膜结合不紧密，极易分离，故不包含在4种复合体中，参阅下图。
    • （3）两条呼吸链的组成及排列顺序
      • 氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列为：
      • ①NADH呼吸链
        • NADH→FMN→Fe-S→Q→Cyt b→Fe-S→Cyt c1→Cyt c→CuA→Cyt a→Cyt a3-CuB→O2
      • ②FAADH2呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）
        • 琥珀酸→FAD→Fe-S→Q→Cyt b→Fe-S→Cyt c1→Cyt c→CuA→Cyt a→Cyt a3-CuB→O2o
      • 两条氧化呼吸链的组成及氧化磷酸化的偶联部位
      • 记忆：
        • ①CoQ（Q）是线粒体中不同底物氧化呼吸链的交会点。
        • ②G-6-P是糖代谢不同途径的交会点。
        • ③乙酰CoA是糖、脂肪、蛋白质三大物质代谢的交会点。
  • 3．呼吸链氧化磷酸化的偶联部位（大纲不作要求，但常考）
    • （1）NADH氧化呼吸链的P／O比值
      • NADH呼吸链共有3个氧化磷酸化偶联部位，也就是3个产生ATP的部位（图中标示为abc）。
      • 一对电子经NADH氧化呼吸链传递，P／0比值约为2.5，即生成2.5ATP。
    • （2）琥珀酸氧化呼吸链的P／O比值
      • 琥珀酸氧化脱下的1对氢，经过FAD进人呼吸链，有2个氧化磷酸化偶联部位（图中标示为bc）。
      • 一对电子经琥珀酸氧化呼吸链传递，P／O比值约为1.5，即生成1.5ATP。
  • 4．ATP合酶
    • ATP合酶是由多个亚基组成的复合体，是生物体能量代谢的关键酶。
    • ATP合酶又称复合体V，由F1（亲水部分）和F0（疏水部分）组成，存在于线粒体内膜上，可催化ADP磷酸化生成ATP。
    • （1）F1
      • 为线粒体内膜基质侧的蘑菇头状突起，由α3β3γδε亚基复合体和寡霉素敏感蛋白（OSCP，易与寡霉素结合而失去活性）组成，其功能是催化ATP合成
      • 3个α、β亚基间隔排列，形成αβ功能单位，像橘子瓣样围绕γ亚基形成六聚体。
    • （2）F0
      • 嵌于线粒体内膜中，由疏水的 a、b2、C9-12亚基组成，形成跨内膜质子通道，用于质子的回流。
      • ATP合酶由F1和Fo0组装成可旋转的发动机样结构，完成质子回流并驱动ATP合成。
      • ATP合酶转子循环一周生成3分子ATP。
      • 实验表明，合成1分子ATP需要4个质子，其中3个质子通过ATP合酶穿线粒体内膜回流入基质，另1个质子用于转运ADP、Pi和ATP。
      • 每分子NADH经呼吸链传递泵出10H＋，生成约2.5分子ATP，而琥珀酸氧化呼吸链每传递2个电子泵出6H＋，生成1.5分子ATP。
  • 5．氧化磷酸化的调节及其影响因素
    • （1）氧化磷酸化抑制剂
      • 可阻断电子传递链的任何环节，或抑制ADP的磷酸化过程，导致ATP合成减少。
      • 氧化磷酸化抑制剂分为以下三类：
        • ①呼吸链抑制剂
          • 可在特异部位阻断线粒体呼吸链中的电子传递，阻断ATP的产生。
          • 如鱼藤酮、粉蝶霉素A、异戊巴比妥等可阻断复合体I，从而阻断电子从铁硫中心到泛醌的传递。
          • 萎锈灵是复合体II的抑制剂。
          • 抗霉素A、黏噻唑菌醇为复合体II的抑制剂。
          • CN-、N3-为复合体IV的抑制剂。
          • CO与还原型Cyt a3结合，阻断电子传递给O2。
          • 如下图所示，标注为“↓”。
          • 氧化磷酸化抑制剂的作用机制
        • 氧化磷酸化抑制剂的作用机制
        • ②解偶联剂
          • 可使氧化与磷酸化的偶联脱离，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。
          • 其作用部位下图标示为“＝”，如二硝基苯酚（DI、新生儿棕色脂肪组织中的解偶联蛋白1（UCP1）。
        • ③ATP合酶抑制剂
          • 可同时抑制电子传递及ADP磷酸化。
          • 如寡霉素、二环己基碳二亚胺（DCCD）均可结合F0，阻断H＋从F0质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。
        • 注意：
          • ①CO、CN、N3抑制的是细胞色素C氧化酶，而不是细胞色素C。细胞色素C氧化酶即复合体IV，由CuA→Cyta→Cyt a3-CuB组成，可见细胞色素C氧化酶含有的是Cyta、a3，而不是Cyt c。
          • ②复合体I被异戊巴比妥、鱼藤酮、粉蝶霉素A抑制-记忆为“一碗鱼粉”。
          • ③复合体II被黏噻唑菌醇、抗霉素A抑制-记忆为“三联抗菌”。
          • ④解偶联剂为二硝基苯酚-记忆为“解偶联，当然为一分为二”。
    • （2）ADP的调节作用
      • 机体根据能量需求调节氧化磷酸化速率，从而调节ATP的生成量。
      • 电子的氧化和ADP的磷酸化是氧化磷酸化的根本，通常线粒体中氧的消耗量是被严格调控的，其消耗量取决于ADP的含量，因此，ADP是调节机体氧化磷酸化速率的主要因素。
      • 当机体ATP浓度降低，ADP浓度增高时，氧化磷酸化速度加快。
    • （3）甲状腺激素的调节作用
      • 甲状腺激素可促进细胞膜上Na+,K+-ATP酶的表达，使ATP加速分解为ADP和Pi，ADP浓度增高而促进氧化磷酸化。
      • 另外，甲状腺激素（T3）可诱导解偶联蛋白基因表达，使氧化释能和产热比率均增加，ATP合成减少，导致机体耗氧量和产热同时增加，因此甲状腺功能亢进症病人基础代谢率增高。
    • （4）线粒体DNA（mtDNA）突变
      • mtDNA呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，容易受到损伤而发生突变，其突变率远高于核内的基因组DNA。
      • mtDNA突变可使ATP生成减少。
• 二、ATP与其他高能化合物
  • 1．ATP循环与高能磷酸键
    • （1）高能磷酸键和高能磷酸化合物
      • 高能磷酸化合物是指水解时能释放较大自由能的含有磷酸基的化合物。
      • 通常其释放的标准自由能ΔG＞25kJ／mol，并将水解时释放能量较多的磷酸酯键，称为高能磷酸键。
      • 三磷酸腺苷（ATP）是体内最重要的高能磷酸化合物。
    • （2）ATP循环
      • ATP含有两个高能磷酸键，末端磷酸在水解过程中释放能量用于代谢反应，ATP同时转变为ADP。
      • ADP磷酸化又可转变为ATP。
      • 这种ATP与ADP的互变过程，称为ATP循环。
      • ATP循环反映了体内能量的释放和储存的关系。
      • 电子传递过程中释放的能量使ADP磷酸化是ATP生成的主要方式。
  • 2．ATP的利用
    • ATP是最重要的高能磷酸化合物，是细胞可以直接利用的最主要能量形式。
    • ATP水解生成ADP和Pi，并释放出能量供机体利用。
    • ATP在体内能量捕获、转移、储存和利用过程中处于中心位置，生物体内能量的生成和利用都以ATP为中心。
    • ATP也可将其高能磷酸键转移给UDP、CDP、GDP，生成相应的UTP、CTP、CTP。
    • UTP可用于糖原合成，CTP可用于磷脂合成，CTP可用于蛋白质合成。
  • 3．其他高能化合物
    • 一些重要高能化合物包括三磷酸核苷（ATP、GTP、UTP、CTP、TTP）、二磷酸核苷（ADP、GDP、UDP、CDP、TDP）、磷酸肌酸、磷酸烯醇式丙酮酸、乙酰磷酸、乙酰CoA、氨基甲酰磷酸、焦磷酸、1,3-二磷酸甘油酸、葡糖-1-磷酸等。
    • ATP是通用高能磷酸化合物。
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