第七章 生物氧化?

一、生物氧化的概念和特點(diǎn)：?

物質(zhì)在生物體內(nèi)氧化分解并釋放出能量的過(guò)程稱(chēng)為生物氧化。與體外燃燒一樣，生物氧化也是一個(gè)消耗O2，生成CO2和H2O，并釋放出大量能量的過(guò)程。但與體外燃燒不同的是，生物氧化過(guò)程是在37℃，近于中性的含水環(huán)境中，由酶催化進(jìn)行的；反應(yīng)逐步釋放出能量，相當(dāng)一部分能量以高能磷酸酯鍵的形式儲(chǔ)存起來(lái)。?

二、線粒體氧化呼吸鏈：?

在線粒體中，由若干遞氫體或遞電子體按一定順序排列組成的，與細(xì)胞呼吸過(guò)程有關(guān)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)體系稱(chēng)為呼吸鏈。這些遞氫體或遞電子體往往以復(fù)合體的形式存在于線粒體內(nèi)膜上。主要的復(fù)合體有：?

1． 復(fù)合體Ⅰ（NADH-泛醌還原酶）：由一分子NADH還原酶（FMN），兩分子鐵硫蛋白（Fe-S）和一分子CoQ組成，其作用是將（NADH+H+）傳遞給CoQ。?

鐵硫蛋白分子中含有非血紅素鐵和對(duì)酸不穩(wěn)定的硫。其分子中的鐵離子與硫原子構(gòu)成一種特殊的正四面體

結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為鐵硫中心或鐵硫簇，鐵硫蛋白是單電子傳遞體。泛醌（CoQ）是存在于線粒體內(nèi)膜上的一種脂溶性醌類(lèi)化合物。分子中含對(duì)苯醌結(jié)構(gòu)，可接受二個(gè)氫原子而轉(zhuǎn)變成對(duì)苯二酚結(jié)構(gòu)，是一種雙遞氫體。?

2． 復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸-泛醌還原酶）：由一分子琥珀酸脫氫酶（FAD），兩分子鐵硫蛋白和兩分子Cytb560組成，其作用是將FADH2傳遞給CoQ。?

細(xì)胞色素類(lèi)：這是一類(lèi)以鐵卟啉為輔基的蛋白質(zhì)，為單電子傳遞體。細(xì)胞色素可存在于線粒體內(nèi)膜，也可存在于微粒體。存在于線粒體內(nèi)膜的細(xì)胞色素有Cytaa3，Cytb（b560，b562，b566），Cytc，Cytc1；而存在于微粒體的細(xì)胞色素有CytP450和Cytb5。?

3． 復(fù)合體Ⅲ（泛醌-細(xì)胞色素c還原酶）：由兩分子Cytb（分別為Cytb562和Cytb566），一分子Cytc1和一分子鐵硫蛋白組成，其作用是將電子由泛醌傳遞給Cytc。?

4． 復(fù)合體Ⅳ（細(xì)胞色素c氧化酶）：由一分子Cyta和一分子Cyta3組成，含兩個(gè)銅離子，可直接將電子傳遞給氧，故Cytaa3又稱(chēng)為細(xì)胞色素c氧化酶，其作用是將電子由Cytc傳遞給氧。?

三、呼吸鏈成分的排列順序：?

由上述遞氫體或遞電子體組成了NADH氧化呼吸鏈和琥珀酸氧化呼吸鏈兩條呼吸鏈。?

1．NADH氧化呼吸鏈：其遞氫體或遞電子體的排列順序?yàn)椋篘AD+ →[ FMN (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→ c1 → c →aa3 →1/2O2 。丙酮酸、α-酮戊二酸、異檸檬酸、蘋(píng)果酸、β-羥丁酸、β-羥脂酰CoA和谷氨酸脫氫后經(jīng)此呼吸鏈遞氫。?

2．琥珀酸氧化呼吸鏈：其遞氫體或遞電子體的排列順序?yàn)椋?[ FAD (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→ c1 → c →aa3 →1/2O2 。琥珀酸、3-磷酸甘油（線粒體）和脂酰CoA脫氫后經(jīng)此呼吸鏈遞氫。?

四、生物體內(nèi)能量生成的方式：?

1．氧化磷酸化：在線粒體中，底物分子脫下的氫原子經(jīng)遞氫體系傳遞給氧，在此過(guò)程中釋放能量使ADP磷酸化生成ATP，這種能量的生成方式就稱(chēng)為氧化磷酸化。?

2．底物水平磷酸化：直接將底物分子中的高能鍵轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP分子中的末端高能磷酸鍵的過(guò)程稱(chēng)為底物水平磷酸化。?

五、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位：?

每消耗一摩爾氧原子所消耗的無(wú)機(jī)磷的摩爾數(shù)稱(chēng)為P/O比值。當(dāng)?shù)孜锩摎湟訬AD+為受氫體時(shí)，P/O比值約為3；而當(dāng)?shù)孜锩摎湟訤AD為受氫體時(shí)，P/O比值約為2。故NADH氧化呼吸鏈有三個(gè)生成ATP的偶聯(lián)部位，而琥珀酸氧化呼吸鏈只有兩個(gè)生成ATP的偶聯(lián)部位。?

六、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制：?

目前公認(rèn)的機(jī)制是1961年由Mitchell提出的化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)。這一學(xué)說(shuō)認(rèn)為氧化呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上，當(dāng)氧化反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，H+通過(guò)氫泵作用（氧化還原袢）被排斥到線粒體內(nèi)膜外側(cè)（膜間腔），從而形成跨膜pH梯度和跨膜電位差。這種形式的能量，可以被存在于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基團(tuán)，并與ADP結(jié)合而合成ATP。?

在電鏡下，ATP合酶分為三個(gè)部分，即頭部，柄部和基底部。但如用生化技術(shù)進(jìn)行分離，則只能得到F0（基底部+部分柄部）和F1（頭部+部分柄部）兩部分。ATP合酶的中心存在質(zhì)子通道，當(dāng)質(zhì)子通過(guò)這一通道進(jìn)入線粒體基質(zhì)時(shí)，其能量被頭部的ATP合酶催化活性中心利用以合成ATP。?

七、氧化磷酸化的影響因素：?

1．ATP/ADP比值：ATP/ADP比值是調(diào)節(jié)氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；反之，當(dāng)ATP/ADP比值升高時(shí)，則氧化磷酸化速度減慢。?

2．甲狀腺激素：甲狀腺激素可以激活細(xì)胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。?

3．藥物和毒物：?

⑴呼吸鏈的抑制劑：能夠抑制呼吸鏈遞氫或遞電子過(guò)程的藥物或毒物稱(chēng)為呼吸鏈的抑制劑。能夠抑制第一位點(diǎn)的有異戊巴比妥、粉蝶霉素A、魚(yú)藤酮等；能夠抑制第二位點(diǎn)的有抗霉素A和二巰基丙醇；能夠抑制第三位點(diǎn)的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制還原型Cytaa3-Fe2+。?

⑵解偶聯(lián)劑：不抑制呼吸鏈的遞氫或遞電子過(guò)程，但能使氧化產(chǎn)生的能量不能用于ADP的磷酸化的試劑稱(chēng)為解偶聯(lián)劑。其機(jī)理是增大了線粒體內(nèi)膜對(duì)H+的通透性，使H+的跨膜梯度消除，從而使氧化過(guò)程釋放的能量不能用于ATP的合成反應(yīng)。主要的解偶聯(lián)劑有2,4-二硝基酚。?

⑶氧化磷酸化的抑制劑：對(duì)電子傳遞和ADP磷酸化均有抑制作用的藥物和毒物稱(chēng)為氧化磷酸化的抑制劑，如寡霉素。?

八、高能磷酸鍵的類(lèi)型：?

生物化學(xué)中常將水解時(shí)釋放的能量>20kJ/mol的磷酸鍵稱(chēng)為高能磷酸鍵，主要有以下幾種類(lèi)型：?

1．磷酸酐鍵：包括各種多磷酸核苷類(lèi)化合物，如ADP，ATP等。?

2．混合酐鍵：由磷酸與羧酸脫水后形成的酐鍵，主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。?

3．烯醇磷酸鍵：見(jiàn)于磷酸烯醇式丙酮酸中。?

4．磷酸胍鍵：見(jiàn)于磷酸肌酸中，是肌肉和腦組織中能量的貯存形式。磷酸肌酸中的高能磷酸鍵不能被直接利用，而必須先將其高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ATP，才能供生理活動(dòng)之需。這一反應(yīng)過(guò)程由肌酸磷酸激酶（CPK）催化完成。?

九、線粒體外NADH的穿梭：?

胞液中的3-磷酸甘油醛或乳酸脫氫，均可產(chǎn)生NADH。這些NADH可經(jīng)穿梭系統(tǒng)而進(jìn)入線粒體氧化磷酸化，產(chǎn)生H2O和ATP。?

1．磷酸甘油穿梭系統(tǒng)：這一系統(tǒng)以3-磷酸甘油和磷酸二羥丙酮為載體，在兩種不同的α-磷酸甘油脫氫酶的催化下，將胞液中NADH的氫原子帶入線粒體中，交給FAD，再沿琥珀酸氧化呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。因此，如NADH通過(guò)此穿梭系統(tǒng)帶一對(duì)氫原子進(jìn)入線粒體，則只得到2分子ATP。?

2．蘋(píng)果酸穿梭系統(tǒng)：此系統(tǒng)以蘋(píng)果酸和天冬氨酸為載體，在蘋(píng)果酸脫氫酶和谷草轉(zhuǎn)氨酶的催化下。將胞液中NADH的氫原子帶入線粒體交給NAD+，再沿NADH氧化呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。因此，經(jīng)此穿梭系統(tǒng)帶入一對(duì)氫原子可生成3分子ATP。