第06章：生物氧化

生物化学与分子生物学第九版，人民卫生出版社。

生物氧化

• 物质在生物体内通过加氧、脱氢、失去电子的方式被氧化，称为生物氧化（biological oxidation），它主要是指糖、脂肪及蛋白质等在体内氧化分解最终生成二氧化碳和水，并释放出能量的过程。
  • 酶
  • 分阶段
  • 逐步完成
  • 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，产生ATP
  • 微粒体氧化体系：利用氧化酶类对底物进行加氧修饰，不产生ATP
• 第一节：线粒体氧化体系与呼吸链
  • 一、线粒体氧化体系含多种传递氢和电子的组分
    • 能传递氢和电子的物质为递电子体或递氢体
      • NAD（NADP）→NADH（NADPH）
      • FMN、FAD→FMNH2（FADH2）
      • 泛醌Q→半醌→二氢泛醌
      • 铁硫蛋白
    • 细胞色素——含血红素样辅基的蛋白质、一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。
      • cyt a
        • 血红素a
      • cyt b
        • 血红素b
      • cytc
        • 血红素c
  • 二、具有传递电子能力的蛋白质复合体组成呼吸链
    • NADH、FADH2在线粒体中逐步、连续的酶促反应被氧化，逐步释放的能量主要由ADP捕获变ATP
    • 电子传递链=呼吸链——催化此反应的酶是由多个含辅因子的蛋白质复合体组成，按一定的排列顺序在线粒体内膜中，形成一个连续传递电子或氢的反应链，氧分子最终接受电子和氢生成水
      • 复合体1
        • NADH-泛醌还原酶
          • L型
          • NADH→FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 →CoQ
          • 质子泵
      • 复合体2
        • 琥铂酸-泛醌还原酶
          • 琥铂酸→FAD→Fe-S→Q
          • 无质子泵
      • 复合体3
        • 泛醌-细胞色素C还原酶
          • QH2→Cyt b→Fe-S→Cytc1→Cytc
          • 质子泵
          • 呼吸链中唯一水溶性球状蛋白质
      • 复合体4
        • 细胞色素C氧化酶
          • 电子传递的出口，功能是接受还原性cyt c电子并传递给o2场生成H2O
          • 质子泵
          • Cytc→CuA→Cyt a→Cyta3-CuB→O2
  • 三、NADH和FADH2是呼吸链的电子供体
    • 1. NADH氧化呼吸链
      • NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2
    • 2. FADH2氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）
      • 琥珀酸 →复合体Ⅱ →Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2
• 第二节：氧化磷酸化与ATP的生成
  • ADP变ATP
    • 底物水平磷酸化
    • 氧化磷酸化（90%）
      • 电子传递
      • 电子传递过程中释放的能量用于产生ATP
  • 一、氧化磷酸化偶联部位在复合体1、3、4
    • 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=ATP产生的部位
      • 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被储存供机体使用
    • （1）P/O
      • P/O比值是指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2mol O2所需磷酸的摩尔数，即所能合成ATP的摩尔数（或一对电子通过呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）
      • NADPH有3个ATP生成部位
      • 琥铂酸有2个ATP生成部位
    • （2）自由能变化
  • 二、氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度
  • 三、质子顺浓度梯度回流释放能力用于合成ATP
  • 四、ATP在能量代谢中起核心作用
    • （一）ATP是能量捕获和释放利用的重要分子
      • ATP是体内重要的高能磷酸化合物，是细胞可以直接利用的能量形式
      • ATP的 重要意义是通过其水解释放大量自由能，当与需要供能的反应偶联时，能促进这些反应在生理条件下完成
    • （二）ATP是能量转移和核苷酸互相转变的核心
      • 细胞内腺苷酸激酶可催化ATP、ADP、AMP互变
      • 核苷二磷酸激酶的作用（能量转移)
        • ATP + UDP ADP + UTP
        • ATP + CDP ADP + CTP
        • ATP + GDP ADP + GTP
      • 能量的生成、转移和利用是以ATP为中心
        • ATP稳定，但是寿命短，不在细胞储存，
        • 而是不断的进行ATP/ADP的再循环
        • 能量货币
    • （三）ATP通过转移自身基团提供能量
    • （四）磷酸肌酸也是储存能量的高能化合物
• 第三节:氧化磷酸化的影响因素
  • 一、体内能量状态调节氧化磷酸化速率
    • 电子的氧化和ADP的磷酸化是氧化磷酸化的根本，线粒体的氧气的消耗量被严格把控，消耗量取决于ADP的含量
      • ADP是调节机体氧化磷酸化速率的主要因素=ADP和Pi充足时电子传递的速率和耗氧量才会提高
    • ADP和ATP的相对浓度也同时调节糖酵解、三羧酸循环途径，满足氧化磷酸化对NADH、FADH2的需求
    • ATP浓度升高，氧化磷酸化的速率降低
  • 二、抑制剂阻断氧化磷酸化过程
    • （一）呼吸链抑制剂阻断电子传递过程
      • 在特意部位阻断线粒体呼吸链中的电子传递、降低线粒体的耗氧量，阻断ATP的产生
    • （二）解偶联剂阻断ADP的磷酸化过程
      • 可以使氧化与磷酸化的偶联分离，电子沿着呼吸链正常传递，但是建立的质子电化学梯度被破坏，不能驱动ATP合酶来合成ATP
      • 机体内存在内源性解偶联剂，使得氢离子不通过ATP合酶、而是通过其他途径回流至线粒体基质，因而ATP的生成受到抑制
    • （三）ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成
  • 三、甲状腺激素促进氧化磷酸化和产热
    • 促进钠钾ATP酶的表达，加速ATP分解，ADP浓度增加促进氧化磷酸化
    • 诱导解偶联蛋白基因表达，使得氧化释放能量和产热比率均增加，ATP合成减少，导致基团耗氧量和产热同时增加
    • 甲状腺功能亢进症患者代谢高
  • 四、线粒体DNA突变影响氧化磷酸化
    • 自由主题
    • 子主题 2
    • 子主题 3
    • 子主题 4
  • 五、线粒体内膜选择性协调转运氧化磷酸化相关代谢物
    • （一）细胞质中的NADH通过穿梭机制进入线粒体呼吸链；线粒体外NADPH的氧化磷酸化
      • 1.α-磷酸甘油穿梭
      • 2.苹果酸-天冬氨酸穿梭
    • （二）ATP-ADP转位酶协调转运ATP和ADP出入线粒体
• 第四节：其他氧化与抗氧化体系
  • 一、微粒体细胞色素P450单加氧酶催化底物分子羟基化
    • 催化氧气的一个氧加到底物分子上（羟基化），一个被NADPH2还原成水，故称为混合功能氧化酶/羟化酶
  • 二、线粒体呼吸链也可产生活性氧
    • 反应活性氧类(reactive oxygen species，ROS) 主要指O2的单电子还原产物，是一类强氧化剂，包括超氧阴离子（O2-·）、羟自由基（·OH）和过氧化氢（H2O2）及其衍生的HO2·和单线态氧（1O2 ）等。
    • ROS主要来源
      • 线粒体：细胞内95％的ROS来自线粒体，超氧阴离子O·-2以及后续H2O2和·OH
        • －ROS主要由复合体I和复合体III中的“Q循环”中产生
        • - 半醌型泛醌（QH·)，可直接将单个电子泄漏给O2而生 成·O2-
      • 过氧化酶体：FAD将从脂肪酸等底物获得的电子交给O2生成H2O2和羟自由基·OH
      • 胞浆需氧脱氢酶：如黄嘌呤氧化酶也可催化生成O·-2
      • 细菌感染、组织缺氧等病理过程；环境、药物等外源因素
    • ROS主要作用
      • 氧化杀死入侵细菌
        • H2O2可使2I-氧化为I2，使酪氨酸碘化生成甲状腺素
        • 强氧化性，可诱发氧化应激，引起细胞膜脂质、蛋白质、DNA等氧化损伤
        • 破坏细胞的正常结构和功能，与机体的衰老、疾病的发生密切相关
  • 三、抗氧化酶体系有清除反应活性氧的功能