呼吸鏈生物化學

1、 第七章 生物氧化1、生物氧化（biological oxidation）：物質(zhì)在體內(nèi)進行氧化稱生物氧化。主要指營養(yǎng)物質(zhì)在體內(nèi)分解時逐步釋放能量，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，其原子正價升高

2、、負價降低都是氧化。（2）脫氫：代謝物脫氫原子（H=H+e）的同時失去電子。（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（1）在溫和條件下進行（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)境進行；（7）CO2由有機酸脫羧方式產(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：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、營養(yǎng)物氧化的共同規(guī)律糖類、脂類和蛋白質(zhì)這三大營養(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)膜上的遞氫

4、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-細胞色素C還原酶：復(fù)合體稱細胞色素氧化酶（細胞色素aa3）：二種游離成分：輔酶Q和細胞色素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，能接受電子成3價，而其對側(cè)碳原子能進行加氫反應(yīng)（僅1個氫原子）。（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 ）含有核黃

5、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；含有一個較長的側(cè)鏈（R），疏水性強。其側(cè)鏈由多個異戊間二烯組成，人的CoQ由10個異戊間二烯組成（Q10）。泛醌可以接受或脫去1個電子和1個質(zhì)子參與氧化還原。泛醌參與氧化還原機制：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-S

6、）、細胞色素b560。細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胞色素C。2種細胞色素b（Cyt b562、 Cyt b566）、細胞色素c1、鐵硫蛋白。細胞色素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)合體將電子從細胞色素C傳遞給氧。含如下成分：細胞色素a、a3 和2個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個銅原子分別連接2個鐵卟

7、啉輔基，銅原子可以進行氧化還原反應(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。4、以離體線粒體的還原態(tài)（無氧）對照緩慢給氧，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)的氧化型還

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

9、氣平衡，此電極電位定為0伏特，作為參比電極Eo。2）生物化學上規(guī)定：加入pH=7.0的條件，將氫電極濃度定為10-7mol/L，測得的電位是Eo。（4）電位測定裝置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、重要代謝物進入呼吸鏈的途徑二、氧化磷酸化ATP是機體主要供能物質(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機

10、磷或ADP的摩爾數(shù)。此數(shù)值代表ATP的生成數(shù)。P/O的測定方法：將底物、ADP、H3PO4、Mg2+和分離較為完整的線粒體在模擬細胞內(nèi)液的環(huán)境中相互作用；測定O2和H3PO4（或ADP）的消耗量，可以計算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時的標準自由能變化， n=2個氧還對反應(yīng)時傳遞電子的數(shù)目（2），F(xiàn)是法拉第常數(shù)（96.5kJ/mol?V），Eo為電位變化。自由能變化的計算舉例NADH（H+）的氧化反應(yīng)：從電位差（ Eo）計算Go，如果Go足以達到合成ATP（釋放的自由能30.5kJ/mol）則存在偶聯(lián)部位。30.5kJ是合成1mo

11、lATP所需的能量（標準狀態(tài)），體內(nèi)條件Go=-51.6kJ/mol（二）氧化磷酸化偶聯(lián)機制化學滲透學說化學滲透學說要點：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)子電化學梯度（氫離子濃度梯度和跨膜電位差），以此儲存能量。3、當質(zhì)子順濃度梯度回流時驅(qū)動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個回路，即形成3個氧化還原袢，每個回路均有質(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：親水部

12、分，位于線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)，含有5種肽鏈、9個甲基（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H+順濃度梯度經(jīng)F0回流時，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的作用機制誘導契合-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，阻斷電子傳遞

13、。此抑制劑可以停止細胞內(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)的電化學梯度，電化學梯度儲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）存在于動物棕色脂肪組織；2、

14、 FFA促進質(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。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)流導致膜兩側(cè)電化學梯度增高，影響質(zhì)子泵的功能，進而抑制電子傳遞。如蒼術(shù)苷（酸）：特異抑制ATP/ADP載體（腺苷酸轉(zhuǎn)位酶）。各種抑制劑對線粒體耗氧量的影響實驗過程：（二）ADP的調(diào)節(jié)作用正常機體氧化磷酸化的速率主要受ADP的調(diào)節(jié)：機體利用ATP ADP ADP進入線粒體 氧化磷酸化。反之ADP不

15、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方面：1、促進氧化磷酸化：甲狀腺素誘導膜上Na+-K+-ATP酶的合成，促進ATP分解為ADP，而促進氧化磷酸化。2、甲狀腺素（T3）可以增加解偶聯(lián)蛋白的表達，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tRNA、蛋白合成所需要的2個

16、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，且隨年齡的增長而嚴重。四、ATP能量的儲存的形式生物氧化過程釋放的能量有約40%以化學能的形式儲存于特殊的有機磷酸化合物中，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存形式。（四）ATP的生成和利用生

17、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時釋放的能量為30.5kJ，體內(nèi)生理條件下為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小時消耗ATP40kg，運動時0.5kg/min。1、ATP的利用ATP循環(huán)（細胞能量循環(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ATP的磷酸基和部分能量同時轉(zhuǎn)給新的磷酸化物。（2）ATP水解為ADP+Pi，能量供機體利用。離子轉(zhuǎn)運、肌肉收縮、羧化反應(yīng)。（3）利用ATP的另一個高能磷酸鍵。生成焦磷酸。如脂酸活化反應(yīng)。2、ATP生

18、成、儲存和利用五、通過線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運線粒體基質(zhì)與細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)膜對各種物質(zhì)的通過有嚴格選擇性。幾乎所有的離子、不帶電荷的小分子有機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）。載體對物質(zhì)具有嚴格的選擇性。內(nèi)膜載體對物質(zhì)的轉(zhuǎn)運規(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)運時，必須伴有對應(yīng)離子或帶電物質(zhì)逆濃度梯度反向轉(zhuǎn)運。通常是“一對一交換”（A-入B-出或A-出B-入）。線粒體內(nèi)膜的運載體（重要的線粒體轉(zhuǎn)位酶）四種轉(zhuǎn)位酶的協(xié)同作用（一）胞液

19、中NADH的氧化如何進入線粒體胞液脫氫產(chǎn)生的還原當量（H+e）必須進入線粒體氧化，但NADH不能自由透過線粒體內(nèi)膜。必須借助于其他轉(zhuǎn)運機制完成。有兩種機制可以使NADH進入線粒體：-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?。ǘ┫佘账彷d體又稱ATP-ADP載體或ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶。2個亞基組成的二聚體，每個亞基3.0kD。ATP與ADP經(jīng)此載體反向交換；同時胞液中的H2PO4-經(jīng)磷酸鹽載體與H+同向轉(zhuǎn)運入線粒體。ATP、ADP、Pi的轉(zhuǎn)運（三）線粒體蛋白質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運線粒體蛋白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入基質(zhì)；基質(zhì)中的加工肽酶切除蛋白前體中的導向信息肽段；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