第三章? ? 生物氧化

第一節(jié)? 呼吸鏈（由一系列電子傳遞體構(gòu)成的鏈狀復(fù)合體，即電子傳遞系統(tǒng)，即呼吸鏈）

按照最初的電子來(lái)源，呼吸鏈可以分為NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈

一、呼吸鏈的組成

1.輔酶A（CoA）及NADH脫氫酶

輔酶A是電子的主要供體（在傳遞電子的時(shí)候，可以迅速的往返于代謝物和呼吸鏈之間），電子來(lái)自于細(xì)胞內(nèi)的各種與輔酶A偶聯(lián)的脫氫酶的底物（比如說(shuō)三羧酸循環(huán)中的異檸檬酸脫氫酶、α-酮戊二酸脫氫酶和蘋果酸脫氫酶）

NADH脫氫酶是呼吸鏈上以NADH為底物的脫氫酶

2.黃素與黃素偶聯(lián)的脫氫酶

以核黃素衍生的FDMN或FAD作為輔基，如琥珀酸脫氫酶。琥珀酸脫氫酶在細(xì)胞中有兩種作用：一是參與三羧酸循環(huán)（把琥珀酸氧化成延胡索酸），二是作為呼吸鏈中的一部分（留住琥珀酸在三羧酸循環(huán)之中氧化釋放的電子，并轉(zhuǎn)移給電子傳遞鏈下一級(jí)）。

接受電子時(shí)有兩種方法：一種是一步到位，有兩個(gè)電子同時(shí)傳遞，沒(méi)有半醌中間物；還有一種是分為兩步，每一步傳遞一個(gè)電子，中間有一個(gè)半醌中間物（這是一種反應(yīng)極強(qiáng)的自由基，與水相遇時(shí)會(huì)丟掉電子，啟動(dòng)自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在作為脫氫酶的輔因子時(shí)會(huì)以輔基的形式與酶分子緊密結(jié)合，有時(shí)甚至?xí)怨矁r(jià)的形式結(jié)合）

3.輔酶Q（CoQ）（泛醌）

是一種脂溶性的醌類化合物，結(jié)構(gòu)和質(zhì)體醌相似。主要存在于線粒體內(nèi)膜上，作為呼吸鏈的一部分；還存在于其他的細(xì)胞膜上，作為抗氧化劑，有利于機(jī)體去除自由基

氧化型的輔酶Q可以同時(shí)接受兩個(gè)電子或只接收一個(gè)電子（CoQH2），有利益單電子的電子傳遞體和雙電子傳遞體的電子傳遞（即調(diào)節(jié)電子的傳遞）

4.鐵硫蛋白（鐵硫中心）

含有非血紅素鐵和對(duì)酸不穩(wěn)定的硫，借助鐵價(jià)態(tài)的變化來(lái)傳遞電子

鐵硫蛋白除了可以做呼吸聯(lián)合光合鏈的電子傳遞體還可以做一些酶的輔因子，參與催化反應(yīng)（如一氧化碳脫氫酶、鐵氫化酶、順烏頭酸酶、固氮酶、內(nèi)切核酸酶、鐵螯合酶和延胡索酸脫水酶）

5.細(xì)胞色素

是一類含有血紅素輔基的蛋白質(zhì)，也是借助于鐵的價(jià)態(tài)的變化來(lái)傳遞電子的（但是含有的是血紅素鐵）

每一種細(xì)胞色素都有特殊的光吸收，據(jù)此將其分為三類a、b和c。在所有的細(xì)胞色素中，只有細(xì)胞色素c是可溶性的，可以充當(dāng)流動(dòng)的電子傳遞體；其余的都作為膜內(nèi)在蛋白整合在線粒體內(nèi)膜等膜系統(tǒng)上

細(xì)胞色素c由于某種原因從線粒體外膜大量泄漏，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)促進(jìn)一種凋亡蛋白酶激活因子（Apaf1），促進(jìn)凋亡小體（可招募胱天蛋白酶前體的聚合）的形成。（這是一種線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡機(jī)制）

6.氧氣

作為生物呼吸鏈的電子終末受體，接受4個(gè)電子

二、呼吸鏈組分的排列順序

1.測(cè)量各組分的氧化還原電位

呼吸鏈中的各種組分排列是由還原性高的依次向還原性低的（氧化性高的）排列

2.確定在有氧環(huán)境中氧化反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)各電子傳遞體的還原程度

還原程度依次遞減

3.使用特異性電子受體和人工電子受體

在某一個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行特異性阻斷。過(guò)一段時(shí)間后，被阻斷部位的上游，各個(gè)傳遞體應(yīng)是還原型，下游的一側(cè)應(yīng)是氧化型。

人工電子受體（如鐵氰化鉀和亞甲藍(lán)）可以插入到呼吸鏈的特定部位接受還原性比它強(qiáng)的傳遞體上的電子

4.呼吸鏈的拆分和重組

NADH呼吸鏈：復(fù)合體Ⅰ—CoQ—復(fù)合體Ⅲ—細(xì)胞色素c—復(fù)合體Ⅳ—O2

FADH2呼吸鏈：復(fù)合體Ⅱ—CoQ—復(fù)合體Ⅲ—細(xì)胞色素c—復(fù)合體Ⅳ—O2

三、復(fù)合體Ⅰ、復(fù)合體Ⅱ、復(fù)合體Ⅲ、復(fù)合體Ⅳ的結(jié)構(gòu)和功能

1.復(fù)合體I

可以催化NADH和氧化和CoQ的還原，以NADH為底物，F(xiàn)MN或鐵硫蛋白為輔基

在其體內(nèi)，電子傳遞方向?yàn)椋篘ADH—FMN—鐵硫蛋白—CoQ

2.復(fù)合體II

電子由琥珀酸進(jìn)入FADH2呼吸鏈的入口，可以催化琥珀酸的氧化和CoA的還原。最重要的成分是琥珀酸脫氫酶，除此之外，復(fù)合體II還有鐵硫蛋白和細(xì)胞色素b560

電子流經(jīng)此復(fù)合體時(shí)，無(wú)質(zhì)子離開(kāi)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)

除了琥珀酸脫氫酶可以產(chǎn)生FADH2，磷酸甘油脫氫酶和脂酰輔酶I脫氫酶也可以產(chǎn)生FADH2，并通過(guò)其他方式使電子進(jìn)入CoQ

電子傳遞：FADH2—鐵硫蛋白—細(xì)胞色素b560—CoA

3.復(fù)合體III

主要成分是細(xì)胞色素b、細(xì)胞色素c1和鐵硫蛋白，因此也稱為細(xì)胞色素bc1復(fù)合體?？梢源呋疌oQH2的氧化和細(xì)胞色素c的還原

電子傳遞：CoQH2—鐵硫蛋白—細(xì)胞色素c1—細(xì)胞色素c

4. 復(fù)合體IV

電子供體是還原性細(xì)胞色素c，在體外可以催化細(xì)胞色素c的氧化和氧氣的還原

電子傳遞：細(xì)胞色素c—CuA—血紅素a—a3--CuB雙核中心—氧氣

復(fù)合體IV在傳遞電子的中間產(chǎn)物（如超氧陰離子和過(guò)氧化集團(tuán)）不會(huì)提前釋放（以免傷害細(xì)胞），直到水分子的形成。如果不小心釋放細(xì)胞還有一層防護(hù)機(jī)制：超氧化物歧化酶（SOD）和過(guò)氧化氫酶

四、呼吸體

使用藍(lán)色非變形聚丙烯酰胺凝膠電泳（BN-PAGE）對(duì)呼吸鏈進(jìn)行分離，使用考馬斯亮藍(lán)讓蛋白質(zhì)都帶上負(fù)電荷，防止了蛋白質(zhì)的的聚集，可以進(jìn)行分離大小范圍在1*104~1*107

第二節(jié)? 氧化磷酸化

一、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制

化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)：電子在沿著呼吸鏈向下游傳遞的時(shí)候，釋放的自由能先轉(zhuǎn)變?yōu)榭缒さ馁|(zhì)子梯度，隨后質(zhì)子梯度中蘊(yùn)含的電化學(xué)勢(shì)能直接用來(lái)推動(dòng)ATP的合成。

質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力（PMF）是由兩個(gè)部分構(gòu)成的：化學(xué)勢(shì)能和電勢(shì)能

二、F1F0-ATP合酶的結(jié)構(gòu)與功能

F1呈球狀，有αβγδε五種亞基。α亞基和β亞基交替排列成一種環(huán)形結(jié)構(gòu)，直接與ATP的合成與釋放有關(guān)；γ亞基形成一個(gè)中央柄，δ亞基和ε亞基直接和F0相互作用；F0呈圓柱狀，橫跨在線粒體內(nèi)膜上（疏水），含有a亞基、b亞基和c亞基（多個(gè)c亞基聚集在一起，形成一個(gè)c單位），c單位和a亞基一起，構(gòu)成一種桶裝的通道（部分向膜間隙開(kāi)放，部分直接向基質(zhì)開(kāi)放）。寡霉素和二環(huán)己基碳二亞胺（DCCD）可以直接作用于F0抑制ATP的合成

F1F0-ATP合酶在缺少質(zhì)子濃度梯度的情況下，會(huì)消耗ATP來(lái)建立跨膜的質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力（F型質(zhì)子泵）

三、F1F0-ATP合酶的催化機(jī)制

結(jié)合變構(gòu)學(xué)說(shuō)：

（1）在活性中心合成的ATP不需要質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力，與活性中心結(jié)合的ATO/ADP處于平衡。

（2）合成好的ATP離開(kāi)活性中心是要消耗能量的。如果沒(méi)有質(zhì)子流過(guò)F0，與活性中心相結(jié)合的ATP將不會(huì)與之解離

（3）在某一時(shí)刻，一個(gè)β亞基為緊密構(gòu)象（結(jié)合ADP和Pi），一個(gè)β亞基是松散的構(gòu)象（生成ATP），一個(gè)β亞基是開(kāi)放的構(gòu)象（釋放ATP）

（4）三種狀態(tài)的β亞基可以相互轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變過(guò)程由γ亞基的轉(zhuǎn)動(dòng)所驅(qū)動(dòng)（其轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力源自質(zhì)子通過(guò)F0的流動(dòng)。每消耗3個(gè)質(zhì)子，轉(zhuǎn)動(dòng)120o，一個(gè)β亞基將會(huì)釋放一個(gè)ATP，一個(gè)β亞基將會(huì)合成一個(gè)ATP，一個(gè)β亞基將會(huì)結(jié)合一個(gè)ADP和一個(gè)Pi

質(zhì)子流動(dòng)—驅(qū)動(dòng)c單位轉(zhuǎn)動(dòng)—帶動(dòng)γ亞基轉(zhuǎn)動(dòng)—誘導(dǎo)β亞基的構(gòu)象發(fā)生變化—ATP的合成與釋放

質(zhì)子通過(guò)與各c亞基上的酸性氨基酸（天冬氨酸或谷氨酸）殘基可逆結(jié)合與解離來(lái)通過(guò)F0

通道由兩個(gè)半通道組成，一個(gè)面向膜間隙，充當(dāng)質(zhì)子的進(jìn)口，另一個(gè)面向基質(zhì)，充當(dāng)質(zhì)子的出口。質(zhì)子先從面向膜間隙的這一側(cè)的半通道與c亞基上的一個(gè)高度保守的酸性氨基酸殘基（可被DCCD共價(jià)修飾，所以失去活性）的側(cè)鏈上的去質(zhì)子化羧基結(jié)合，進(jìn)入疏水的脂相之后另一個(gè)c亞基上的質(zhì)子化的羧基從脂相之中釋放出來(lái)，最后將其上面的質(zhì)子釋放到基質(zhì)中去

四、氧化磷酸化的抑制

五、P/O值與氧化磷酸化的調(diào)節(jié)

P/O值代表著氧化磷酸化的效率，是指在電子傳遞過(guò)程中每消耗掉1mol的氧原子所消耗掉的無(wú)機(jī)磷酸的物質(zhì)的量