呼吸鏈--生物化學(xué)

1、 第七章 生物氧化1、生物氧化（biological oxidation）：物質(zhì)在體內(nèi)進(jìn)行氧化稱生物氧化。主要指營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在體內(nèi)分解時(shí)逐步釋放能量，最終生成CO2和水的過程。生物氧化又稱組織呼吸或細(xì)胞呼吸。生物氧化釋放的能量：主要（40%以上）用于ADP的磷酸化生成ATP，供生命活動(dòng)之需。其余以熱能形式散發(fā)用于維持體溫。2、生物氧化內(nèi)容（1）生物體內(nèi)代謝物的氧化作用、代謝物脫下的氫與氧結(jié)合成水的過程。（2）生物體內(nèi)二氧化碳的生成。（3）能量的釋放、儲(chǔ)存、利用（ATP的代謝ATP的生成與利用）。3、生物氧化的方式遵循一般氧化還原規(guī)律。（1）失電子：代謝物的原子或離子在代謝中失去電子，其原子正價(jià)升高

2、、負(fù)價(jià)降低都是氧化。（2）脫氫：代謝物脫氫原子（H=H+e）的同時(shí)失去電子。（3）加氧：向底物分子直接加入氧原子或氧分子的反應(yīng)使代謝物價(jià)位升高，屬于氧化反應(yīng)。向底物分子加水、脫氫反應(yīng)的結(jié)果是向底物分子加入氧原子，也屬于氧化反應(yīng)。4、生物氧化的特點(diǎn)（1）在溫和條件下進(jìn)行（37，中性pH等）；（2）在一系列酶催化下完成；（3）能量逐步釋放，部分儲(chǔ)存在ATP分子中；（4）廣泛以加水脫氫方式使物質(zhì)間接獲得氧；（5）水的生成由脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生；（6）反應(yīng)在有水環(huán)境進(jìn)行；（7）CO2由有機(jī)酸脫羧方式產(chǎn)生。5、物質(zhì)體外氧化（燃燒）與生物氧化的比較（1）物質(zhì)體內(nèi)、體外氧化的相同點(diǎn)：物質(zhì)在體內(nèi)外氧化所消耗的

3、氧量、最終產(chǎn)物、和釋放的能量均相同。（2）物質(zhì)體內(nèi)、體外氧化的區(qū)別：體外氧化（燃燒）產(chǎn)生的二氧化碳、水由物質(zhì)中的碳和氫直接與氧結(jié)合生成；能量的釋放是瞬間突然釋放。5、營(yíng)養(yǎng)物氧化的共同規(guī)律糖類、脂類和蛋白質(zhì)這三大營(yíng)養(yǎng)物的氧化分解都經(jīng)歷三階段：分解成各自的構(gòu)件分子（組成單位）、降解為乙酰CoA、三羧酸循環(huán)。 第一節(jié) ATP生成的體系一、呼吸鏈（ respiratory chain）：代謝物脫下的氫原子（2H）通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水。這一傳遞鏈稱呼吸鏈。又稱電子傳遞鏈（electron transport chain ）。呼吸鏈由按一定順序排列在線粒體內(nèi)膜上的遞

4、氫體、遞電子體組成。（一）呼吸鏈的組成用膽酸或脫氧膽酸處理線粒體內(nèi)膜，可將呼吸鏈分離為：四種具有遞電子功能的酶復(fù)合體：復(fù)合體稱NADH一泛醌還原酶（NADH脫氫酶）：復(fù)合體稱琥珀酸-泛醌還原酶（琥珀酸脫氫酶）：復(fù)合體稱泛醌-細(xì)胞色素C還原酶：復(fù)合體稱細(xì)胞色素氧化酶（細(xì)胞色素aa3）：二種游離成分：輔酶Q和細(xì)胞色素C不包含在復(fù)合體中。1、復(fù)合體將電子從NADH傳給CoQ。NAD+中的煙酰胺氮為5價(jià)，能接受電子成3價(jià)，而其對(duì)側(cè)碳原子能進(jìn)行加氫反應(yīng)（僅1個(gè)氫原子）。（1）NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸）和NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）（2）FMN的氧化與還原黃素單核苷酸（FMN ）含有核

5、黃素（維生素B2），F(xiàn)MN中發(fā)揮作用的是異咯嗪環(huán)。核黃素與酶的輔基的形成：核黃素氧化還原機(jī)制：（3）鐵硫蛋白與鐵硫中心（Fe-S）Fe-S含有等量（各4）的鐵原子與硫原子；通過鐵原子與鐵硫蛋白中的半胱氨酸殘基的硫相連。其鐵原子可以進(jìn)行氧化還原反應(yīng)傳遞電子。（4）復(fù)合體的功能（4）泛醌（CoQ）輔酶Q是一種脂溶性醌類化合物；含有一個(gè)較長(zhǎng)的側(cè)鏈（R），疏水性強(qiáng)。其側(cè)鏈由多個(gè)異戊間二烯組成，人的CoQ由10個(gè)異戊間二烯組成（Q10）。泛醌可以接受或脫去1個(gè)電子和1個(gè)質(zhì)子參與氧化還原。泛醌參與氧化還原機(jī)制：2、復(fù)合體將電子從琥珀酸傳遞給CoQ。含如下成分：含黃素蛋白（以FAD為輔基）、鐵硫蛋白（Fe-

6、S）、細(xì)胞色素b560。細(xì)胞色素是一類催化電子傳遞的酶，以鐵卟啉為輔基，均有特殊的吸收光譜而呈顏色。根據(jù)吸收光譜的不同，參與呼吸鏈的Cyt有3類：Cyt a、Cyt b、Cyt c；根據(jù)最大吸收峰的差別分為若干亞類。3、復(fù)合體將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素C。2種細(xì)胞色素b（Cyt b562、 Cyt b566）、細(xì)胞色素c1、鐵硫蛋白。細(xì)胞色素c呈水溶性，與線粒體內(nèi)膜外表面結(jié)合不緊密而極易于分離，不屬于任何復(fù)合體成分。4、復(fù)合體將電子從細(xì)胞色素C傳遞給氧。含如下成分：細(xì)胞色素a、a3 和2個(gè)鐵卟啉輔基及與之相連的Cu。Cyta和Cyta3很難分開，合稱為Cytaa3。其中2個(gè)銅原子分別連接2個(gè)鐵

7、卟啉輔基，銅原子可以進(jìn)行氧化還原反應(yīng)傳遞電子。呼吸鏈各復(fù)合體位置示意圖（二）呼吸鏈成分的排列順序確定呼吸鏈排列順序的方法：1、根據(jù)各組分的EO從低到高排列電位低容易失去電子（見下表）。2、在體外將呼吸鏈拆開重組鑒定4種復(fù)合體的組成與排列順序。3、利用呼吸鏈特異阻斷劑阻斷電子傳遞阻斷部位以前的處于還原狀態(tài)，后面的組分處于氧化狀態(tài)，根據(jù)吸收光譜的改變檢測(cè)。4、以離體線粒體的還原態(tài)（無氧）對(duì)照緩慢給氧，通過光譜觀察各組分的氧化順序。（1）氧化-還原對(duì)參加氧化還原反應(yīng)的每種物質(zhì)都有氧化型和還原型兩種形式：如：AH2十BA十BH2；式中AH2/或BH2是還原型（劑），A和B是氧化型（劑）。一物質(zhì)的氧化型

8、還原型（如AAH2或BBH2等）構(gòu)成氧化還原對(duì)（簡(jiǎn)稱氧-還對(duì)），氧化還原對(duì)是共扼的。氧-還對(duì)供出電子趨勢(shì)的大小，可用標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位Eo表示。（2）標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位（Eo）成對(duì)的氧化型/還原型物質(zhì)的濃度為1摩爾，在PH7.0，25時(shí)組成半電池，以（生物化學(xué)）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)氫電極做參比測(cè)得的電位（伏特/摩爾）。Eo值表示的是同H+/H2相比，某氧-還對(duì)氧化還原能力的大?。?）Eo是負(fù)值，表示此氧-還對(duì)易供出電子而被氧化，是還原劑；2）Eo是正值，表示此氧-還對(duì)易獲得電子而被還原，是氧化劑。（3）標(biāo)準(zhǔn)氫電極與生物化學(xué)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)氫電極1）標(biāo)準(zhǔn)氫電極：白金電極放入氫離子濃度為1摩爾/升的溶液，與1大氣壓的

9、氫氣平衡，此電極電位定為0伏特，作為參比電極Eo。2）生物化學(xué)上規(guī)定：加入pH=7.0的條件，將氫電極濃度定為10-7mol/L，測(cè)得的電位是Eo。（4）電位測(cè)定裝置2、兩條氧化呼吸鏈及其排列順序3、呼吸鏈電子傳遞過程4、重要代謝物進(jìn)入呼吸鏈的途徑二、氧化磷酸化ATP是機(jī)體主要供能物質(zhì)。ATP形成的主要方式是氧化磷酸化：呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化生成ATP。ATP的另外形成方式是底物水平磷酸化：直接將代謝物分子中的能量轉(zhuǎn)移到ADP（GDP）生成ATP（GTP）。（一）氧化磷酸化的偶聯(lián)部位ATP生成的部位偶聯(lián)部位的確定方法如下：1、P/O比值：物質(zhì)氧化過程中每消耗1摩爾氧原子所消耗的無

10、機(jī)磷或ADP的摩爾數(shù)。此數(shù)值代表ATP的生成數(shù)。P/O的測(cè)定方法：將底物、ADP、H3PO4、Mg2+和分離較為完整的線粒體在模擬細(xì)胞內(nèi)液的環(huán)境中相互作用；測(cè)定O2和H3PO4（或ADP）的消耗量，可以計(jì)算P/O，確定偶聯(lián)部位。2、自由能變化Go=- nFEo30.5kJ可合成ATP，Go表示pH7時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化， n=2個(gè)氧還對(duì)反應(yīng)時(shí)傳遞電子的數(shù)目（2），F(xiàn)是法拉第常數(shù)（96.5kJ/mol?V），Eo為電位變化。自由能變化的計(jì)算舉例NADH（H+）的氧化反應(yīng)：從電位差（ Eo）計(jì)算Go，如果Go足以達(dá)到合成ATP（釋放的自由能30.5kJ/mol）則存在偶聯(lián)部位。30.5kJ是合成1m

11、olATP所需的能量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），體內(nèi)條件Go=-51.6kJ/mol（二）氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制化學(xué)滲透學(xué)說化學(xué)滲透學(xué)說要點(diǎn)：1、呼吸鏈中遞氫體與遞電子體交替排列，并在膜中有固定位置，催化的反應(yīng)是定向的，取決于電子走向。2、電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)可將質(zhì)子從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)泵到內(nèi)膜外側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度（氫離子濃度梯度和跨膜電位差），以此儲(chǔ)存能量。3、當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ATP合酶，利用ADP和Pi合成ATP。說明：電子傳遞鏈在線粒體內(nèi)膜中共構(gòu)成3個(gè)回路，即形成3個(gè)氧化還原袢，每個(gè)回路均有質(zhì)子泵。呼吸鏈模式（三）ATP合酶（復(fù)合體）ATP合酶（ATP synthase）三聯(lián)體：F1：親水

12、部分，位于線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)，含有5種肽鏈、9個(gè)甲基（33）。功能是催化ATP的生成。催化部位在亞基，但必須與亞基結(jié)合才有活性。F0：疏水部分，鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中的H+通道。當(dāng)H+順濃度梯度經(jīng)F0回流時(shí)，F(xiàn)1催化ADP和Pi合成并釋放ATP。F0和F1之間有寡霉素敏感蛋白（OSCP），OSCP使ATP合酶在寡霉素存在時(shí)無作用。線粒體結(jié)構(gòu)1、ATP合酶的結(jié)構(gòu)模式2、ATP的作用機(jī)制誘導(dǎo)契合-結(jié)合變化（亞基有O、R、T三種構(gòu)型）三、影響氧化磷酸化的因素氧化磷酸化的影響因素有：呼吸鏈抑制劑、解偶聯(lián)劑、氧化磷酸化抑制劑；ADP的調(diào)節(jié)作用、甲狀腺素的作用、線粒體DNA突變。（一）呼吸鏈抑制劑，阻斷電子傳

13、遞。此抑制劑可以停止細(xì)胞內(nèi)呼吸，引起死亡。（1）魚藤酮、粉蝶霉素A、異戊巴比妥與復(fù)合體的鐵硫蛋白結(jié)合而阻斷電子傳遞。（2）抗霉素A、二巰基丙醇（BAL）抑制復(fù)合體中Cytb與Cytc1間的電子傳遞。（3）CO、CN-、N3-、H2S抑制復(fù)合體（細(xì)胞色素氧化酶），使電子不能傳遞給氧。呼吸鏈抑制劑及部位（二）解偶聯(lián)劑（多屬于能通過膜的陽離子 載體），使氧化與磷酸化過程脫離。作用機(jī)制：使呼吸鏈電子傳遞過程泵出的氫離子不經(jīng)過ATP合酶的F0質(zhì)子通道回流，而經(jīng)其他途徑返回線粒體基質(zhì)。破壞膜兩側(cè)的電化學(xué)梯度，電化學(xué)梯度儲(chǔ)存的能量以熱能形式散發(fā)。1、 解偶聯(lián)蛋白質(zhì)子通道（釋放熱能）存在于動(dòng)物棕色脂肪組織；2

14、、 FFA促進(jìn)質(zhì)子經(jīng)解偶聯(lián)蛋白反流至基質(zhì)。3、 二硝基苯酚（DNP）結(jié)合質(zhì)子在膜內(nèi)移動(dòng)。4、 其他：游離脂肪酸、水楊酸鹽、雙香豆素。（三）氧化磷酸化抑制劑對(duì)電子傳遞與ADP的磷酸化均抑制。如寡霉素可與ATP合酶F1、F0之間柄部的寡霉素敏感蛋白（OSCP）結(jié)合，阻止質(zhì)子從F0通道內(nèi)流合成ATP。質(zhì)子不能內(nèi)流導(dǎo)致膜兩側(cè)電化學(xué)梯度增高，影響質(zhì)子泵的功能，進(jìn)而抑制電子傳遞。如蒼術(shù)苷（酸）：特異抑制ATP/ADP載體（腺苷酸轉(zhuǎn)位酶）。各種抑制劑對(duì)線粒體耗氧量的影響實(shí)驗(yàn)過程：（二）ADP的調(diào)節(jié)作用正常機(jī)體氧化磷酸化的速率主要受ADP的調(diào)節(jié)：機(jī)體利用ATP ADP ADP進(jìn)入線粒體 氧化磷酸化。反之ADP

15、不足氧化磷酸化。這種調(diào)節(jié)可使ATP的生成適應(yīng)生理需要。用極譜法氧電極系統(tǒng)測(cè)量游離線粒體的呼吸過程（三）甲狀腺素甲狀腺素的作用有兩個(gè)方面：1、促進(jìn)氧化磷酸化：甲狀腺素誘導(dǎo)膜上Na+-K+-ATP酶的合成，促進(jìn)ATP分解為ADP，而促進(jìn)氧化磷酸化。2、甲狀腺素（T3）可以增加解偶聯(lián)蛋白的表達(dá)，引起耗氧合產(chǎn)熱均增加，即基礎(chǔ)代謝率增加。（四）線粒體DNA突變mtDNA是裸露的環(huán)狀雙螺旋，缺乏蛋白質(zhì)的保護(hù)和損傷修復(fù)系統(tǒng)，容易受本身氧化磷酸化過程產(chǎn)生的氧自由基的損傷而發(fā)生突變。突變率是核內(nèi)DNA的1020倍。mtDNA編碼的基因：呼吸鏈中13條肽鏈、線粒體蛋白合成所需要的22個(gè)tRNA、蛋白合成所需要的2

16、個(gè)rRNA。mtDNA突變可以降低線粒體的功能。mtDNA病的主要問題是ATP 生成減少引起的癥狀，耗能較多的器官先受累，且隨年齡的增長(zhǎng)而嚴(yán)重。四、ATP能量的儲(chǔ)存的形式生物氧化過程釋放的能量有約40%以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存于特殊的有機(jī)磷酸化合物中，形成磷酸酯（磷酸酐）。磷酸酯鍵水解放能較多大于21kJ/mol，稱為“高能磷酸鍵”，用“P”表示。在所有高能磷酸化合物中，以ATP分子末端的磷酸鍵最為重要。（一）常見的高能磷酸化合物（二）各種核苷酸之間的轉(zhuǎn)變（三）磷酸肌酸1、ATP可以將P轉(zhuǎn)移給肌酸生成磷酸肌酸。反應(yīng)可逆。過程如下：2、磷酸肌酸是肌肉和腦組織能量的一種儲(chǔ)存形式。（四）ATP的生成和利用

17、生物體能量的生成和利用都是以ATP為中心。體外pH7.0、25條件下，1摩爾ATP水解為ADP+Pi時(shí)釋放的能量為30.5kJ，體內(nèi)生理?xiàng)l件下為50kJ/mol。人體每日經(jīng)ADP/ATP相互轉(zhuǎn)變的量（ATP轉(zhuǎn)換率）非?？捎^。靜臥24小時(shí)消耗ATP40kg，運(yùn)動(dòng)時(shí)0.5kg/min。1、ATP的利用ATP循環(huán)（細(xì)胞能量循環(huán)）（1）末端磷酸基的分裂與轉(zhuǎn)移，生成ADP和新的磷酸化物。如激酶催化的反應(yīng)。此時(shí)ATP的磷酸基和部分能量同時(shí)轉(zhuǎn)給新的磷酸化物。（2）ATP水解為ADP+Pi，能量供機(jī)體利用。離子轉(zhuǎn)運(yùn)、肌肉收縮、羧化反應(yīng)。（3）利用ATP的另一個(gè)高能磷酸鍵。生成焦磷酸。如脂酸活化反應(yīng)。2、ATP

18、生成、儲(chǔ)存和利用五、通過線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體基質(zhì)與細(xì)胞液之間有線粒體內(nèi)外膜相隔。線粒體外膜通透性好，允許分子量在1000以內(nèi)的物質(zhì)自由通過（普通生物膜）。線粒體內(nèi)膜對(duì)各種物質(zhì)的通過有嚴(yán)格選擇性。幾乎所有的離子、不帶電荷的小分子有機(jī)化合物都不能自由通過，必須依賴內(nèi)膜上特殊的蛋白。此蛋白少數(shù)是酶，多數(shù)是載體（也稱為轉(zhuǎn)位酶）。載體對(duì)物質(zhì)具有嚴(yán)格的選擇性。內(nèi)膜載體對(duì)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律：一種離子或帶電荷的化合物順濃度梯度向內(nèi)膜一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，必須伴有對(duì)應(yīng)離子或帶電物質(zhì)逆濃度梯度反向轉(zhuǎn)運(yùn)。通常是“一對(duì)一交換”（A-入B-出或A-出B-入）。線粒體內(nèi)膜的運(yùn)載體（重要的線粒體轉(zhuǎn)位酶）四種轉(zhuǎn)位酶的協(xié)同作用（一）胞

19、液中NADH的氧化如何進(jìn)入線粒體胞液脫氫產(chǎn)生的還原當(dāng)量（H+e）必須進(jìn)入線粒體氧化，但NADH不能自由透過線粒體內(nèi)膜。必須借助于其他轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制完成。有兩種機(jī)制可以使NADH進(jìn)入線粒體：-磷酸甘油穿梭和蘋果酸-天冬氨酸穿梭。1、-磷酸甘油穿梭存在于腦和骨骼肌2、蘋果酸-天冬氨酸穿梭存在于肝臟和心肌（二）腺苷酸載體又稱ATP-ADP載體或ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶。2個(gè)亞基組成的二聚體，每個(gè)亞基3.0kD。ATP與ADP經(jīng)此載體反向交換；同時(shí)胞液中的H2PO4-經(jīng)磷酸鹽載體與H+同向轉(zhuǎn)運(yùn)入線粒體。ATP、ADP、Pi的轉(zhuǎn)運(yùn)（三）線粒體蛋白質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體蛋白90%是由核DNA編碼的，在線粒體外合成。1、基質(zhì)內(nèi)蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)前體肽鏈在外膜表面由解折疊酶使其空間結(jié)構(gòu)松散；并被外膜上的受體識(shí)別后轉(zhuǎn)移到總插入蛋白；總插入蛋白使蛋白前體從氨基端開始進(jìn)入基質(zhì)；基質(zhì)中的加工肽酶切除蛋白前體中的導(dǎo)向信息肽段；形成成熟的基質(zhì)蛋白質(zhì)。2、線粒體內(nèi)膜或膜間隙的蛋白質(zhì)：基質(zhì)中加工肽酶作用后暴露新的氨基端疏水肽段；疏水肽段引導(dǎo)肽連重新穿