生物氧化

第一节 生物氧化与能量代谢：能量来源、ATP

一、生物氧化的概念

Biological Oxidation；有机物质在生物体内发生的一系列氧化还原反应。

生物氧化反应类型：脱氢、脱电子、加氧

生物氧化(biological oxidation)：有机物质在生物体内经氧化分解，最终生成CO2和H2O，并逐渐释放能量的过程。由于通常需要消耗氧，产生二氧化碳，故又称“细胞呼吸”。

• 细胞内条件温和（常温、常压、pH7）、酶催化
• 生物氧化反应的三个阶段：大到小、小到乙酰CoA、TAC
• 生物氧化的部位：线粒体，内质网，过氧化物酶体等

二、ATP是能量代谢的核心

1. ATP 是能量捕获和释放利用的重要分子
   • 高能磷酸化合物
   • 生物体可直接利用的能源物质
   • 化学能主要由ATP 捕获储存
   • 营养物质分解产生的能量大约 40% 用于产生ATP
2. ATP是生物能量转移和转换的核心
   • ATP不在细胞中储存，寿命仅数分钟，不断进行ATP/ADP的再循环
   • 各种生理活动中完成能量的穿梭转换，因此称为“能量货币”
   • 
3. 磷酸肌酸是ATP的储存形式
   • ATP不是能量的贮存者。起贮存能量作用的物质称为磷酸原，在脊椎动物中是磷酸肌酸
   • 
   • 磷酸肌酸是肌肉和脑组织中的一种能量贮存形式

小结

1. 生物氧化的概念
2. 线粒体生物氧化的特点
3. ATP 的特殊作用：能量代谢的中心
   • ATP不是能量的贮存者
   • ATP是生物体内主要的直接供能物质
   • ATP是能量的携带者和转运者：通用的能量货币
   • 脊椎动物的ATP原：磷酸肌酸是ATP的储存形式
4. ATP的生成方式：底物水平磷酸化、氧化磷酸化

第二节 线粒体氧化体系与氧化呼吸链：组分、电子传递机制

一、线粒体呼吸链 respiratory chain?

电子传递链(electron transfer chain)：由递氢体/递电子体在线粒体内膜上按一定顺序排列组成（递氢/电子体）的连锁反应体系。与细胞摄取氧的呼吸过程相关，又称呼吸链

（一）呼吸链的主要成分

1. NAD+和NADP+为辅酶的脱氢酶
   • 组分：酶蛋白、辅酶NAD+/NADP+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸/磷酸)
   • 作用：递氢体，接受2个电子，传递2H给黄素蛋白
2. 黄素酶/黄素蛋白(Flavoprotein)
   • 组分：酶蛋白、辅基FMN/FAD (黄素单核苷酸/黄素腺嘌呤二核苷酸)
   • 作用：递氢体，传递2H，接受2个电子
3. 泛醌(Q)或辅酶Q(CoQ)
   • 呼吸链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物
   • 递氢体：传递2H、电子
   • Q由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人Q10）
   • 氧化还原反应时可生成中间产物：半醌型泛醌
   • 
4. 铁硫蛋白(iron-sulfur protein,Fe-S)
   • 组分：由铁与无机硫构成簇结构，一般含等量的铁原子和硫原子；也有铁硫不等量的类型
   • 铁硫簇的铁原子与蛋白质的半胱氨酸相连
   • 作用：递电子体；将FMN或FAD的电子传递给泛醌
   • 机制：通过Fe2+←→Fe3+变化传递单个电子
   • 类型：2Fe-2S，4Fe-4S
   • 
5. 细胞色素蛋白(Cyt)
   • 递电子体：辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素样辅基
   • 机制：主要通过Fe3+=Fe2+互变传递单个电子
   • 
   • 呼吸链中主要有细胞色素aa3, b, c和c1，可通过紫外-可见吸收光谱鉴别；其辅基分别为血红素a、b和c

二、组成呼吸链的蛋白质复合体

1. 复合体Ⅰ：NADH-泛醌还原酶
   • 催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原：NADH+ H+ +Q - NAD+ + QH2
   • 跨膜蛋白复合体：最少有16个多肽亚基，呈“L”型，其长臂的一端突出于线粒体基质
   • 活性部分含有FMN和铁硫蛋白
   • 质子泵功能：将4个H+从线粒体的基质侧泵到膜间隙
   • NADH→FMN→Fe-S→Q
2. 复合体Ⅱ：琥珀酸-Q还原酶
   • 4条不同的肽链；其疏水亚基锚定于线粒体内膜上
   • 活性部分含有辅基FAD、铁硫蛋白和Cyt b560
   • 催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原
   • 琥珀酸→FAD→Fe-S→Q
3. 复合体Ⅲ ：QH2-Cyt c还原酶
   • 跨膜蛋白，由11个亚基组成；以二聚体形式镶嵌在线粒体内膜上；呈梨形
   • 催化QH2氧化和Cyt c还原
   • 含细胞色素b (b562、b566)、c1 和铁硫蛋白
   • QH2+2 Cyt c(Fe3+) Q+2 Cyt c(Fe2+) +2H+
   • QH2携带的高能电子中的一个通过铁硫蛋白传递给Cyt c；再将另一个电子传递给Cyt b、Q进而形成半醌自由基(QH·)
   • 细胞色素c（cytochrome c, Cyt c）
     • 13kD球形蛋白质，唯一能溶于水的细胞色素
     • 可在线粒体内膜外侧自由移动
     • 呼吸链中唯一的一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外侧面
     • 与细胞色素c1含有相同的血红素c辅基，通过Fe3+ - Fe2+互变传递电子
4. 复合体Ⅳ：Cyt c氧化酶
   • 位于线粒体呼吸链末端，由13个亚基组成，亚基1-3构成核心。含2个双核中心，共同发挥电子传递作用
   • 亚基2的Cys-SH结合2个Cu离子，形成双核中心--CuA中心
   • 亚基1含血红素a和a3，a3邻近处结合1个Cu离子，与a3中的Fe离子形成双核中心--血红素a3-CuB(Fe-Cu) 中心
   • 接受还原型Cyt c的电子并传递给O2 生成H2O
   • 质子泵功能：将2个H+从基质侧泵到膜间隙侧
   • 4种复合体可以两种形式存在：游离形式；相互间结合形成超复合体(supercomplex)。
   • 具有完整呼吸活性的呼吸链超复合体被称为呼吸体(respirasome)。在哺乳动物中，最为常见的呼吸体由复合体Ⅰ/Ⅲ/Ⅳ按照1:2:1比例组装而成

三、呼吸链通过NADH和FADH2释放能量

第三节 氧化磷酸化与ATP的生成：过程、位置、机制

一、ATP的生成方式

底物水平磷酸化：substrate-level phosphorylation，高能化合物放能时伴有ADP磷酸化生成ATP，与呼吸链的电子传递无关

氧化磷酸化：oxidative phosphorylation，代谢物氧化脱氢，脱下的氢经呼吸链传递给氧生成水，同时释放能量，使ADP磷酸化生成ATP, 氧化与磷酸化偶联。

二、跨线粒体内膜质子梯度的形成

• 复合体I：质子泵，将4个H+从线粒体的基质侧泵到膜间隙侧
• 复合体III：氧化还原循环，通过Q循环将4个H+从线粒体基质侧泵到膜间隙，QH2分2次将电子传递给Cyt c
• 复合体IV：质子泵，传递2e将2H+泵到膜间隙
• 复合体II：没有质子泵作用

呼吸链传递一对电子，经质子泵&氧化还原循环作用，将10个H+从线粒体基质泵到膜间隙

三、跨线粒体内膜的质子梯度形成电化学势能

（一）能量的转换：氧化磷酸化的偶联机制

化学渗透学说：当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP

1. H+不能自由通过线粒体内膜
2. 呼吸链复合体Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ具有质子泵功能，驱动H+ 由线粒体基质定向迁移到膜间隙，形成质子梯度
3. 质子梯度有电化学势能，存在质子回流的趋势
4. 质子经特定的质子通道回流线粒体基质时，可推 动ATP合酶催化合成ATP

（二）能量的转换与氢离子落差的积累

（三）P/O比值

• P/O比值：一对电子通过呼吸链传递给1个氧原子生成1分子H2O时生成的ATP个数。即氧化磷酸化过程中，每消耗1/2 mol O2所需磷酸的摩尔数，或合成ATP的摩尔数

四、ATP的氧化磷酸化合成

ATP合酶复合体（复合体V）

1. 组成结构

ATP合酶 (ATP synthase)是线粒体内膜表面规则排列着的蘑菇样颗粒是ATP合成的场所

• F0部分：疏水、镶嵌在线粒体内膜中、线粒体电子传递系统连接。由ab2c8～17亚基组成，形成质子通道
• 外周柄部：连接Fo质子通道和F1催化头部。将质子回流力转化为催化位点的构象变化
• F1部分：亲水部分，催化ATP生成。真核细胞由α3β3γδε亚基组成

2. 工作机制

在线粒体中生成1分子ATP需4个H＋回流进入线粒体基质中：3个通过ATP合酶回流至基质，另1个用于转运Pi

• NADH呼吸链每传递2个电子泵出10个H+，生成约2.5分子ATP
• 琥珀酸呼吸链每传递2个电子泵出6个H+，生成约1.5分子ATP

五、ATP/ADP/Pi的跨膜转运

• ATP-ADP转运蛋白（ATP-ADP转位酶，translocase）反向转运ATP和ADP：ADP运入线粒体基质；ATP运出线粒体内膜
• 磷酸盐转运蛋白同向转运Pi和H+进入线粒体基质

第四节 氧化磷酸化的影响因素；机制

一、ADP/ATP的调节作用

正常生理条件下，ADP是氧化磷酸化的主要调节者，ADP增加，则氧化磷酸化增加 （本质负反馈）

• ATP/ADP↑：抑制氧化磷酸化，ATP生成 ↓
• ATP/ADP↓：促进氧化磷酸化，ATP生成 ↑

糖代谢side：过程酶的变构调节，ADP/AMP变构激活；ATP变构抑制剂

二、抑制剂的影响*

（一）呼吸链抑制剂：抑制电子传递

通过抑制电子传递和质子泵的作用，抑制ADP磷酸化生成ATP的过程

• 鱼藤酮、粉蝶霉素A、异戊巴比妥：复合体I的铁硫蛋白
• 抗霉素A、二巯基丙醇：复合体II中细胞色素b向细胞色素c1的传递
• CO、CN-、N3-及H2S：复合体IV中aa3向氧的传递

（二）ATP合酶抑制剂

对电子传递和ADP的磷酸化均有抑制

eg.寡霉素，可与ATP合酶的F0结合，阻止质子从F0质子通道回流；抑制ATP生成；抑制电子传递

三、氧化磷酸化的解偶联促进产热

• 偶联磷酸化：代谢物氧化脱氢经呼吸链将电子传递给氧生成水的同时，伴有ADP磷酸化生成ATP
• 解偶联：代谢物氧化脱氢经呼吸链将电子传递给氧生成水的同时，不伴有ADP磷酸化生成ATP则为氧化磷酸化的解偶联

能够使氧化过程与磷酸化过程脱节的物质称解偶联剂，对电子传递没有抑制作用，但能破坏H+的跨膜电位，从而抑制ADP磷酸化生成ATP的过程

1. 二硝基苯酚 dinitrophenol DNP
   • 脂溶性物质，自由通过内膜，将H+带入基质，破坏了H+梯度
2. 棕色脂肪组织中的解偶联蛋白UCP1
   • 2 个 32kD 亚基组成的二聚体，线粒体内膜上形成质子通道 转运H+，释放热量，维持体温防寒

3. 甲状腺激素的作用
   • 甲状腺激素诱导Na+,K+-ATP酶的生成，促进ATP分解，ADP增加导致氧化呼吸链加强
   • 诱导解偶联蛋白基因表达增加、耗氧增加，产热增加

四、线粒体DNA突变抑制氧化磷酸化

1. 线粒体基因容易发生突变
   • 线粒体 DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，容易受到损伤而发生突变。
2. mtDNA 突变直接抑制电子传递或ADP 的磷酸化
   • 线粒体基因编码的基因包括呼吸链复合体亚基以及ATP 合酶，突变直接影响ATP 的生成，从而致能量代谢紊乱、引发疾病。

第五节 其他氧化与抗氧化体系：ROS、抗氧化酶

一、线粒体氧化呼吸链可产生反应活性氧

(reactive oxygen species, ROS)

• 活性氧：呼吸链在传递电子的过程中，将漏出的电子直接交给氧，产生部分被还原的氧，产生了反应活性氧类，如超氧阴离子(O2-)、H2O2、·OH等
• 线粒体的呼吸链是产生ROS的主要部位：复合体Ⅲ、Ⅳ
• 细胞质中的黄嘌呤氧化酶、内质网中的Cyt P450单加氧酶等催化的反应，也可产生O2.
• 细菌感染、组织缺氧
• 电离辐射、吸烟、药物等

活性氧的功能：生理活性与毒性的双重表现

• 甲状腺中的H2O2促进甲状腺素合成
• 中性粒细胞中的H2O2可杀死吞噬的细菌
• 毒性：使DNA氧化、断裂，损伤活性蛋白及细胞膜

二、抗氧化体系：抗氧化酶、还原剂

• 抗氧化酶：超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶、GSH过氧化物酶等
• 抗氧化还原物：维生素E/C、谷胱甘肽等

抗氧化酶分布：

• 肝/肾过氧化物酶体、线粒体、内质网、细胞液等ROS频率高或对氧化损伤敏感的区域

（一）抗氧化酶类

1. 过氧化氢酶：过氧化氢——水和氧
2. 过氧化物酶：H2O2 + AH2 —— 2H2O + A
3. 超氧化物歧化酶：2 O2- + 2H+ —— H2O2 + O2
4. 谷胱甘肽过氧化物酶：

（二）生物体内的抗氧化还原剂

vc、ve、类黄酮、褪黑素、尿酸、谷胱甘肽、类胡萝卜素、脂类过氧化物

三、内质网中的加单氧酶

aka混合功能氧化酶、羟化酶

作用：活性物质生成与灭活；药、毒物的生物转化

特点：特异性不强，可被诱导合成

final

本章重点
1、重要名词：electron transfer chain; respiratory chain;oxidative phosphorylation
2、呼吸链的主要成分
3、体内2条主要呼吸链的组成及排序
4、ATP在能量代谢中的作用
5、化学渗透学说的基本要点
6、ATP合酶的组成结构及结合变构机制
7、氧化磷酸化的主要抑制剂
8、胞质中NADH的氧化途径

课后思考题
1. 线粒体内两条重要呼吸链-NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链的电子传递体的排列顺序分别是什么？
2. 什么是氧化磷酸化？ATP合酶在氧化磷酸化过程中的作用是什么？
3. 什么是解偶联剂？以2,4-二硝基苯酚（DNP）为例，说明其如何影响氧化磷酸化过程，并简要分析解偶联作用为什么会使机体产热增加。
4. Peter Mitchell提出的化学渗透假说是解释氧化磷酸化偶联机制的核心理论。请简述该假说的基本要点：① 电子传递过程中，线粒体内膜两侧如何形成质子电化学梯度；② 这一质子梯度如何被ATP合酶利用以驱动ATP的合成。