呼吸链 呼吸链生物化学

第七章 生物氧化 1、生物氧化：物质在体内进行氧化称生物氧化。 主要指营养物质在体内分解时逐步释放能量，最终生成 CO2和水的过程。 生物氧化又称组织呼吸或细胞呼吸。 生物氧化释放的能量：主要用于 ADP 的磷酸化生成 ATP ，供生命活动之需。 其余以热能形式散发用于维持体温。 2、生物氧化内容 生物体内代谢物的氧化作用、代谢物脱下的氢与氧结合成水的过程。 生物体内二氧化碳的生成。 能量的释放、储存、利用 。 3、生物氧化的方式 —— 遵循一般氧化还原规律。 失电子：代谢物的原子或离子在代谢中失去电子，其原子正价升高、负价降低都是氧化。 脱氢：代谢物脱氢原子的同时失去电子。 加氧：向底物分子直接加入氧原子或氧分子的反应使代谢物价位升高，属于氧化反应。 向底物分子加水、脱氢反应的结果是向底物分子加入氧原子，也属于氧化反应。 4、生物氧化的特点 在温和条件下进行； 在一系列酶催化下完成； 能量逐步释放，部分储存在 A TP 分子中； 广泛以加水脱氢方式使物质间接获得氧； 水的生成由脱下的氢与氧结合产生； 反应在有水环境进行； CO2 由有机酸脱羧方式产生。 5、物质体外氧化与生物氧化的比较 物质体内、体外氧化的相同点： 物质在体内外氧化所消耗的氧量、最终产物、和释放的能量均相同。 物质体内、体外氧化的区别： 体外氧化产生的二氧化碳、水由物质中的碳和氢直接与氧结合生成； 能量的释放是瞬间突然释放。 5、营养物氧化的共同规律 糖类、脂类和蛋白质这三大营养物的氧化分解都经历三阶段： 分解成各自的构件分子 、降解为乙酰 CoA 、三羧酸循环。 第一节 ATP 生成的体系 一、呼吸链： 代谢物脱下的氢原子通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水。这 一传递链称呼吸链。又称电子传递链。 呼吸链由按一定顺序排列在线粒体内膜上的递氢体、递电子体组成。 呼吸链的组成 用胆酸或脱氧胆酸处理线粒体内膜，可将呼吸链分离为： 四种具有递电子功能的酶复合体： 复合体Ⅰ —— 称 NADH 一泛醌还原酶： 复合体Ⅱ —— 称琥珀酸 - 泛醌还原酶 ： 复合体Ⅲ —— 称泛醌 -细胞色素 C 还原酶： 复合体Ⅳ —— 称细胞色素氧化酶： 二种游离成分： 辅酶 Q 和细胞色素 C 不包含在复合体中。 1、复合体Ⅰ —— 将电子从 NADH 传给 CoQ 。 NAD + 中的烟酰胺氮为 5价，能接受电子成 3价，而其对侧碳原子能进行加氢反应。 NAD + 和 NADP + FMN 的氧化与还原 黄素单核苷酸含有核黄素， FMN 中发挥作用的是异咯嗪环。 核黄素与酶的辅基的形成： 核黄素氧化还原机制： 铁硫蛋白与铁硫中心 Fe-S 含有等量的铁原子与硫原子；通过铁原子与铁硫蛋白中的半胱氨酸残基的硫相连。 其铁原子可以进行氧化还原反应传递电子。 复合体Ⅰ的功能 泛醌 辅酶 Q 是一种脂溶性醌类化合物；含有一个较长的侧链，疏水性强。 其侧链由多个异戊间二烯组成，人的 CoQ 由10个异戊间二烯组成。 泛醌可以接受或脱去 1个电子和 1个质子参与氧化还原。 泛醌参与氧化还原机制： 2、复合体Ⅱ —— 将电子从琥珀酸传递给 CoQ 。含如下成分： 含黄素蛋白、铁硫蛋白、细胞色素 b560。 细胞色素是一类催化电子传递的酶，以铁卟啉为辅基，均有特殊的吸收光谱而呈颜色。 根据吸收光谱的不同，参与呼吸链的 Cyt 有 3类： Cyt a 、Cyt b 、Cyt c ；根据最大吸收峰的差别分为若干 3、复合体Ⅲ —— 将电子从泛醌传递给细胞色素 C 。 、 Cyt b ）、细胞色素 c 、铁硫蛋白。 2种细胞色素 b 呼吸链成分的排列顺序 —— 确定呼吸链排列顺序的方法： 1、根据各组分的 EO′从低到高排列 —— 电位低容易失去电子 。 2、在体外将呼吸链拆开重组 —— 鉴定 4种复合体的组成与排列顺序。 3、利用呼吸链特异阻断剂阻断电子传递 —— 阻断部位以前的处于还原状态， 后面的组分处于氧化状态， 根据吸收光谱的改变检测。 4、以离体线粒体的还原态对照 —— 缓慢给氧，通过光谱观察各组分的氧化顺序。 氧化 - 还原对 —— 参加氧化还原反应的每种物质都有氧化型和还原型两种形式： 如： AH 2十 B←→A 十 BH 2；式中 AH 2/或 BH 2是还原型 ，A 和 B 是氧化型 。 一物质的氧化型／还原型构成氧化还原对，氧化还原对是 2 2 共扼的。氧 -还对供出电子趋势的大小，可用标准氧化还原电位 Eo′表示。 标准氧化还原电位—— 成对的氧化型 /还原型物质的浓度为 1摩尔，在 PH7.0 ，25℃时组成 半电池，以规定的标准氢电极做参比测得的电位。 o 相比，某氧 - 还对氧化还原能力的大小： E ′值表示的是同 H+/H 2 1）Eo ′是负值，表示此氧 -还对易供出电子而被氧化，是还原剂； 2 ）E ′是正值，表示此氧 -还对易获得电子而被还原，是氧化剂。 标准氢电极与生物化学规定的标准氢电极 1）标准氢电极：白金电极放入氢离子浓度为 1摩尔 /升的溶液，与 1大气压的氢气平衡，此电极电位定为 0伏特，作为参比电极 E 。 2 ）生物化学上规定：加入 pH=7.0 的条件，将氢电极浓度定为 10-7mol/L ，测得的电位是 Eo ′。 电位测定装置 2、两条氧化呼吸链及其排列顺序 3、呼吸链电子传递过程 4、重要代谢物进入呼吸链的途径 二、氧化磷酸化 ATP 是机体主要供能物质。 ATP 形成的主要方式是氧化磷酸化：呼吸链电子传递过程中偶联 ADP 磷酸化生成 ATP 。 ATP 的另外形成方式是底物水平磷酸化：直接将代谢物分子中的能量转移到 ADP 生成 ATP 。 氧化磷酸化的偶联部位 —— ATP 生成的部位 偶联部位的确定方法如下： 1、P/O 比值：物质氧化过程中每消耗 1摩尔氧原子所消耗的无机磷或 ADP 的摩尔数。 此数值代表 ATP 的生成数。 P/O 的测定方法： 将底物、 ADP 、 H 、Mg 2+ 和分离较为完整的线粒体在模拟细胞内液的环境中相互作用；测定 O 和 3 PO4 2 H PO 的消耗量，可以计算 P/O，确定偶联部位。 3 4 2、自由能变化 o o o ΔG ′=- nF ΔE ′＞30.5kJ 可合成 ATP ， ΔG ′表示 pH7 时的标准自由能变化， n=2个氧还对反应时传递电子 的数目，F 是法拉第常数， ΔE ′为电位变化。 自由能变化的计算举例 —— NADH 的氧化反应： o o o 从电位差计算 ΔG ′，如果 ΔG ′足以达到合成 ATP 则存在偶联 部位。 30.5kJ 是合成 1molATP 所需的能量 ，体内条件 ΔGo ′=-51.6kJ/mol 氧化磷酸化偶联机制 —— 化学渗透学说 化学渗透学说要点： 1、呼吸链中递氢体与递电子体交替排列，并在膜中有固定位置，催化的反应是定向的，取决于电子走 2、电子经呼吸链传递时可将质子从线粒体内膜的基质泵到内膜外侧，产生膜内外质子电化学梯度 ，以此储存能量。 3、当质子顺浓度梯度回流时驱动 A TP 合酶，利用 ADP 和 Pi 合成 ATP 。 电子传递链在线粒体内膜中共构成 3个回路，即形成 3个氧化还原袢，每个回路均有质子泵。 呼吸链模式 ATP 合酶 ATP 合酶—— 三联体： ：亲水部分，位于线粒体内膜的基质侧，含有 5种肽链、 9个甲基。 F1 3 3 功能是催化 ATP 的生成。催化部位在 β亚基，但必须与 α亚基结合才有活性。 F0：疏水部分，镶嵌在线粒体内膜中的 H 通道。 当 H+顺浓度梯度经 F0回流时， F 催化 ADP 和 Pi 合成并释放 ATP 。 F 和 F 之间有寡霉素敏感蛋白，OSCP 使 ATP 合酶在寡霉素存在时无作用。 0 1 线粒体结构 1、ATP 合酶的结构模式 2、ATP 的作用机制 —— 诱导契合 -结合变化 三、影响氧化磷酸化的因素 氧化磷酸化的影响因素有： 呼吸链抑制剂、 解偶联剂、 氧化磷酸化抑制剂； ADP 的调节作用、 甲状腺素的作用、 线粒体 DNA 突变。 呼吸链抑制剂，阻断电子传递。此抑制剂可以停止细胞内呼吸，引起死亡。 鱼藤酮、粉蝶霉素 A 、异戊巴比妥 —— 与复合体Ⅰ的铁硫蛋白结合而阻断电子传递。 抗霉素 A 、二巯基丙醇—— 抑制复合体Ⅲ中 Cytb 与 Cytc 间的电子传递。 CO 、CN- 、 N - 、H S—— 抑制复合体Ⅳ ，使电子不能传递给氧。 3 2 呼吸链抑制剂及部位 解偶联剂，使氧化与磷酸化过程脱离。 作用机制：使呼吸链电子传递过程泵出的氢离子不经过 ATP 合酶的 F 质子通道回流，而经其他途径返 回线粒体基质。破坏膜两侧的电化学梯度，电化学梯度储存的能量以热能形式散发。 1、 解偶联蛋白质子通道存在于动物棕色脂肪组织； 2、 FFA 促进质子经解偶联蛋白反流至基质。 3、 二硝基苯酚结合质子在膜内移动。 4、 其他：游离脂肪酸、水杨酸盐、双香豆素。 氧化磷酸化抑制剂 —— 对电子传递与 ADP 的磷酸化均抑制。 如寡霉素可与 ATP 合酶 F 、 F 之间柄部的寡霉素敏感蛋白结合，阻止质子从 F0通道内流合 1 0 成 ATP 。质子不能内流导致膜两侧电化学梯度增高，影响质子泵的功能，进而抑制电子传递。 如苍术苷 ：特异抑制 ATP/ADP 载体 。 各种抑制剂对线粒体耗氧量的影响 —— 实验过程： ADP 的调节作用 正常机体氧化磷酸化的速率主要受 ADP 的调节： 机体利用 ATP ↑ →ADP ↑ →ADP进入线粒体 ↑ →氧化磷酸化 ↑。 反之 ADP 不足 → 氧化磷酸化 ↑。 这种调节可使 ATP 的生成适应生理需要。 用极谱法氧电极系统测量游离线粒体的呼吸过程 甲状腺素 甲状腺素的作用有两个方面： + + 1、促进氧化磷酸化：甲状腺素诱导膜上 Na -K -ATP 酶的合成，促进 ATP 分解为 ADP ，而促进氧化磷 2、甲状腺素可以增加解偶联蛋白的表达，引起耗氧合产热均增加，即基础代谢率增加。 线粒体 DNA 突变 mtDNA 是裸露的环状双螺旋，缺乏蛋白质的保护和损伤修复系统，容易受本身氧化磷酸化过程产生的 氧自由基的损伤而发生突变。突变率是核内 DNA 的10~20倍。 mtDNA 编码的基因：呼吸链中 13条肽链、线粒体蛋白合成所需要的 22个 tRNA 、蛋白合成所需要的 2个 rRNA 。 mtDNA 突变可以降低线粒体的功能。 mtDNA 病的主要问题是 ATP 生成减少引起的症状，耗能较多的 器官先受累，且随年龄的增长而严重。 四、ATP—— 能量的储存的形式 生物氧化过程释放的能量有约 40% 以化学能的形式储存于特殊的有机磷酸化合物中， 形成磷酸酯。磷酸酯键水解放能较多大于 21kJ/mol ，称为 “高能磷酸键 ”，用 “~P”表示。 在所有高能磷酸化合物中，以 ATP 分子末端的 γ磷酸键最为重要。 常见的高能磷酸化合物 各种核苷酸之间的转变 磷酸肌酸 1、ATP 可以将 ~P 转移给肌酸生成磷酸肌酸。反应可逆。过程如下： 2、磷酸肌酸是肌肉和脑组织能量的一种储存形式。 ATP 的生成和利用 —— 生物体能量的生成和利用都是以 ATP 为中心。 体外 pH7.0 、25 ℃条件下，1摩尔 ATP 水解为 ADP+Pi 时释放的能量为 30.5kJ ，体内生理条件下为 50kJ/mol 。 人体每日经 ADP/A TP 相互转变的量非常可观。 静卧 24小时消耗 ATP40kg ，运动时 0.5kg/min 。 1、ATP 的利用 —— ATP 循环 末端磷酸基的分裂与转移，生成 ADP 和新的磷酸化物。 如激酶催化的反应。此时 ATP 的磷酸基和部分能量同时转给新的磷酸化物。 ATP 水解为 ADP+Pi ，能量供机体利用。 离子转运、肌肉收缩、羧化反应。 利用 A TP 的另一个高能磷酸键。 生成焦磷酸。如脂酸活化反应。 2、ATP 生成、储存和利用 五、通过线粒体内膜的物质转运 线粒体基质与细胞液之间有线粒体内外膜相隔。 线粒体外膜通透性好，允许分子量在 1000以内的物质自由通过 。 线粒体内膜对各种物质的通过有严格选择性。 几乎所有的离子、不带电荷的小分子有机化合物都不能自由通过，必须依赖内膜上特殊的蛋白。 此蛋白少数是酶，多数是载体 。载体对物质具有严格的选择性。 内膜载体对物质的转运规律： 一种离子或带电荷的化合物顺浓度梯度向内膜一侧转运时， 必须伴有对应 离子或带电物质逆浓度梯度反向转运。通常是 “一对一交换 ”。 线粒体内膜的运载体 四种转位酶的协同作用 胞液中 NADH 的氧化 —— 如何进入线粒体 胞液脱氢产生的还原当量必须进入线粒体氧化，但 NADH 不能自由透过线粒体内膜。必须借 助于其他转运机制完成。有两种机制可以使 NADH 进入线粒体： α-磷酸甘油穿梭和苹果酸 - 天冬氨酸穿 1、 α-磷酸甘油穿梭 —— 存在于脑和骨骼肌 2、苹果酸 -天冬氨酸穿梭 —— 存在于肝脏和心肌 腺苷酸载体 —— 又称 ATP-ADP 载体或 A TP-ADP 转位酶。 2 4 2个亚基组成的二聚体，每个亚基 3.0kD 。ATP 与 ADP 经此载体反向交换；同时胞液中的 H PO -经磷酸 盐载体与 H 同向转运入线粒体。 ATP、ADP 、Pi 的转运 线粒体蛋白质的跨膜转运 线粒体蛋白 90%是由核 DNA 编码的，在线粒体外合成。 1、基质内蛋白质： 蛋白质前体肽链在外膜表面由解折叠酶使其空间结构松散；并被外膜上的受体识别后转移到总插入蛋 白；总插入蛋白使蛋白前体从氨基端开始进入基质； 基质中的加工肽酶切除蛋白前体中的导向信息肽段； 形成成熟的基质蛋白质。 2、线粒体内膜或膜间隙的蛋白质： 基质中加工肽酶作用后暴露新的氨基端疏水肽段； 疏水肽段引导肽连重新穿过内膜； 间隙中的酶切除疏 水肽段生成成熟蛋白质。 第二节 其他氧化体系 一、需氧脱氢酶和氧化酶：直接以氧为受氢体 。 需氧脱氢酶，产物是过氧化氢。 氧化酶 ，产物中有水。氧化过程如下： 二、过氧化物酶体中的氧化酶 过氧化氢酶 ：辅基含 4个血红素 反应如下： 2H2 O2 → 2H2O + O2 在粒细胞和吞噬细胞中 H2 O2可以杀死入侵的细菌； 甲状腺细胞中 H O 可使 2I- 氧化为 I ，使酪氨酸碘化成甲状腺素。 2 2 2 3 4 过氧化物酶：也含有血红素辅基。 催化 H2 O2直接氧化酚类和胺类。反应如下： R + H O → RO + H O 或者 RH + H O → R + 2H O 2 2 2 2 2 2 2 三、超氧化物歧化酶 呼吸链电子传递过程可以产生超氧离子；其他物质氧化也可以产生超氧离子。 超氧离子可进一步生成 H2 O2和羟自由基，统称为反应氧族。 反应氧族化学性质活泼， 可以使磷脂中的不饱和脂肪酸氧化成过氧化脂质， 损伤生物膜； 过氧化脂质与 蛋白质结合成的复合物积累成的棕褐色色素颗粒即脂褐素，与组织老化有关。 超氧化物歧化酶可以消除超氧离子： 四、微粒体中的氧化酶 加单氧酶 反应如下： + + R+NADPH+H +O2 → ROH+NADP + H2O 反应需要细胞色素 P450 参加。 加双氧酶 催化 O2的2个氧原子加到带双键的两个碳原子上。

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