第九章生物氧化物質(zhì)與能量代謝、合成與分解代謝的關(guān)系

生物氧化的特點(diǎn)：1.生物氧化是在體溫條件下，通過酶的催化作用

逐步氧化，脫下的H和電子通過呼吸鏈傳遞；2.氧化過程中產(chǎn)生的能量通常儲存在特殊的高能化合物（主要是ATP）中,氧化過程還產(chǎn)生NADPH等還原性物質(zhì)，用于滿足合成反應(yīng)的需要;

3.氧化作用和合成作用是同時進(jìn)行的。aA+bB

cC+dDKeq=

[C]c[D]d

[A]a[B]b

二、生物氧化的物理化學(xué)基礎(chǔ)ΔG=ΔG°'+RTln[C][D]/[A][B]生物體內(nèi)的物質(zhì)有很多屬于氧化還原物質(zhì)，物質(zhì)被分解代謝的過程就是不斷地被脫氫、加氧的過程。失去電子的物質(zhì)叫還原劑，得到電子的物質(zhì)叫氧化劑。

三ATP的作用及其他的高能化合物ATP的結(jié)構(gòu)特性高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸的水解放能磷酸肌酸的水解放能高能化合物乙酰輔酶A的水解水解時釋放5000卡（20.92千焦）以上自由能的化合物稱為高能化合物。高能化合物的類型：1.磷氧鍵型(-O～P)：如ATP2.氮磷鍵型(-N～P)：如磷酸肌酸3.硫酯鍵型(-S～C或-S～O)：如乙酰輔酶A4.甲硫鍵型(-S～CH3)：如SAMATP斷裂形成AMP和焦磷酸的作用螢火蟲的發(fā)光物質(zhì)的形成生物氧化的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)

目前呼吸鏈中各組分的排序來自多種方法：

1.各組分的氧化-還原電勢：電勢越低，越朝前排列；

氧化-還原電勢(V)：-0.32-0.060.00+0.26+0.28+0.8

NAD+FP1COQbcaa3O2

2.分離重排：用分離出的電子傳遞體進(jìn)行重組實(shí)驗(yàn)；

3.用分光光度法直接測定吸收光譜的變化來測定各物質(zhì)的氧化-還原狀態(tài)：游離的完整的線粒體在有氧狀態(tài)下傳遞電子時，會表現(xiàn)出不同的吸收光譜的變化。氧化狀態(tài)和還原狀態(tài)的NAD有不同的吸收光譜theflowofelectronsandprotonsthroughthefourcomplexesoftherespiratorychain

二.與呼吸鏈有關(guān)的酶和電子載體及其作用機(jī)制

⑴吡啶核苷酸類脫氫酶

這是一類以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶,NAD+或NADP+是電子受體.。催化的反應(yīng)是：

還原形底物（AH2）+NAD+→氧化形底物（A）+NADH+H+還原形底物（AH2）+NADP+→氧化形底物（A）+NADPH+H+

FMN+2H→FMNH2還原型NADH脫氫酶將2個H分解成2個質(zhì)子(2H+)和2個電子(2e)，2個質(zhì)子和經(jīng)鐵-硫蛋白傳遞的2個電子最后都傳給輔酶Q。

⑶輔酶Q(Ubiquinone)又稱為泛醌，分子中有一個長的異戊二烯側(cè)鏈，具有高度的疏水性。

泛醌是線粒體中唯一不與蛋白質(zhì)結(jié)合的電子載體，其克分子數(shù)比其他組分多得多，且因?yàn)橛泻荛L的脂溶性碳?xì)滏湥稍谀?nèi)流動，所以泛醌在呼吸鏈中處于中心地位，可以接受從NADH脫氫酶脫下的氫，也可以接受從別的黃酶脫下的氫。QH2將電子傳給氧化型細(xì)胞色素，使之成為還原型細(xì)胞色素，質(zhì)子留在溶液中。⑷細(xì)胞色素類(cytochromes,Cyt)

細(xì)胞色素是一類傳遞電子的色蛋白，以血紅素(含鐵的卟啉)為輔基。細(xì)胞色素由在還原狀態(tài)時吸收峰的不同而分為a、b、c三類，再因其最大吸收峰的微小差別而分成幾個亞類，現(xiàn)已知的至少有a、a3、b、c和c15種。細(xì)胞色素b、c、c1依靠鐵卟啉中的鐵原子價態(tài)的變化來傳遞電子；細(xì)胞色素a、a3中還含有銅離子，且銅離子連著血紅素輔基，鐵離子和銅離子共同參與電子的傳遞。

不同的細(xì)胞色素分子內(nèi)卟啉環(huán)的取代基不同QH2將電子傳給氧化型細(xì)胞色素b，使之成為還原型細(xì)胞色素b，質(zhì)子留在溶液中。還原型Cytb將電子傳給一個鐵-硫中心,再傳給Cytc和Cytaa3，Cytaa3將電子傳給分子氧使之活化?；罨难跖c活化的氫結(jié)合生成水。

鐵-硫蛋白(ironsulfurproteins)是相對分子量較小的蛋白質(zhì)，通常簡寫為Fe-S或FeS，一般含有等量的鐵原子和硫原子，它們在線粒體內(nèi)膜上常常與黃酶、細(xì)胞色素結(jié)合成復(fù)合物，是通過鐵價數(shù)的改變進(jìn)行電子的傳遞。Fe3++e→Fe2+

三、線粒體電子傳遞鏈復(fù)合物1、復(fù)合物Ⅰ(NADH脫氫酶復(fù)合物)包括DADH到輔酶Q，分子量85KD，亞基數(shù)目超過25，有FMN輔基和多個Fe-S中心。該復(fù)合物催化的總反應(yīng)式是：NADH+H++UQNAD++UQH22.復(fù)合物Ⅱ(琥珀酸脫氫酶)從琥珀酸到輔酶Q，分子量為140KD，有4個亞基，F(xiàn)AD輔基和多個Fe-S中心。還有一些線粒體脫氫酶的底物也可以在輔酶Q的水平上將電子送入呼吸鏈，但并不通過復(fù)合物Ⅱ，如催化脂肪酸氧化的脂酰輔酶A脫氫酶，及催化3-磷酸甘油脫氫的3-磷酸甘油醛脫氫酶等。3.復(fù)合物Ⅲ(細(xì)胞色素氧化酶復(fù)合物)包括從輔酶Q到細(xì)胞色素c，分子量為250KD，包括細(xì)胞色素b562，b566，一個Fe-S蛋白和至少6種蛋白質(zhì)亞基。

攜帶兩個電子的輔酶Q與傳遞一個電子的細(xì)胞色素之間的電子轉(zhuǎn)移是通過稱為“Qcycle”的一系列反應(yīng)來完成的。反應(yīng)的凈結(jié)果是還原型輔酶Q被氧化，細(xì)胞色素c被還原。復(fù)合物Ⅲ同時也是質(zhì)子泵，在還原型輔酶Q被氧化過程中，質(zhì)子由線粒體基質(zhì)被排到膜間隙，從而在內(nèi)膜兩側(cè)產(chǎn)生了質(zhì)子梯度，這是ATP合成的重要的作用力。

4.復(fù)合物Ⅳ(細(xì)胞色素氧化酶復(fù)合物）分子量為160KD，包括細(xì)胞色素a和a3，含有6－13個蛋白質(zhì)亞基及兩個Cu離子。這是呼吸鏈中唯一能直接將電子傳遞給O2的物質(zhì)。復(fù)合物Ⅳ也有質(zhì)子泵的作用，參與了質(zhì)子梯度的形成。電子傳遞到O2的過程是高度放能的：NADH+H++?O2H2O+NAD+E0：NAD+/NADH-0.320VO2/H2O0.816VΔE'0＝0.816-(-0.320)＝+1.14VΔG°'=-nFΔE'0

=(-2)(96.5kJ/V.mol)(1.14V)=-220kJ/molSummaryoftheflowofelectronsandprotonsthroughthefourcomplexesoftherespiratorychain

四、電子傳遞的抑制劑

能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子傳遞的物質(zhì)稱為電子傳遞抑制劑。呼吸鏈中有3個部位可被抑制劑阻斷，如下圖所示：第二節(jié)氧化磷酸化作用

(Oxidativephosphorylation)

一.氧化磷酸化作用的概念

與生物氧化相伴而生的磷酸化作用稱為氧化磷酸化，即代謝物被氧化釋放的電子通過呼吸鏈傳到O2的過程伴隨著將ADP磷酸化產(chǎn)生ATP。這是需氧生物取得ATP的主要方式。

底物

呼吸鏈

H20+CO2氧化

能量

ADP+H3PO4ATP磷酸化ATP的生成與電子傳遞是緊密相連的。氧化磷酸化作用與底物水平磷酸化作用有原則的差別，后者是指ATP的形成直接與代謝中間物上的磷酸基團(tuán)的轉(zhuǎn)移相偶聯(lián)，即能量直接由高能化合物釋放出來，用于ADP磷酸化成ATP。

二、P/O比與ATP形成的部位

將完整的線粒體與代謝物溫育，測定其消耗的氧與合入ATP的32P標(biāo)記的無機(jī)磷酸鹽的量，發(fā)現(xiàn)凡是代謝物脫氫時以NAD+作為氫受體時，每消耗1/2molO2，有3mol無機(jī)磷酸鹽合入ATP中，即合成了3molATP。如果合入ATP的磷酸鹽以P原子表示，消耗的氧原子以O(shè)表示，則該代謝物氧化時的P/O值為3。通過實(shí)驗(yàn)測定P/O值可以了解物質(zhì)氧化時生成ATP的數(shù)目。如果脫氫酶是以FAD作為氫受體，其P/O值接近2，即只生成2個ATP。

化學(xué)滲透學(xué)說

該學(xué)說是1961年由PeterMitchell提出的，認(rèn)為電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€質(zhì)子泵，以NADH呼吸鏈為例，每2個電子經(jīng)該呼吸鏈傳遞到氧，就有6個質(zhì)子從基質(zhì)被排到內(nèi)膜外溶液中，于是在內(nèi)膜內(nèi)外產(chǎn)生了內(nèi)負(fù)外正的質(zhì)子梯度。膜外的質(zhì)子為質(zhì)子梯度所驅(qū)使，通過鑲嵌在內(nèi)膜上的F0F1ATP酶分子上的特殊通道又流回線粒體基質(zhì)。每2個質(zhì)子通過F0F1ATP酶分子上的特殊通道流回線粒體基質(zhì)的過程釋放出的自由能可用于1個ADP磷酸化成ATP。三、氧化磷酸化作用機(jī)制的解釋化學(xué)滲透學(xué)說與化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說的區(qū)別：⑴在電子傳遞和ATP形成之間不存在中間傳遞體；⑵將電子傳遞與ATP形成聯(lián)系在一起的是電子傳遞本身所產(chǎn)生的電化學(xué)電勢，而不是高能中間物。

支持化學(xué)滲透學(xué)說的證據(jù)有以下方面：1.實(shí)驗(yàn)觀察到有呼吸作用的線粒體確實(shí)排出質(zhì)子。當(dāng)02通到線粒體的懸浮緩沖液中時，電極測出pH值降低。典型的跨內(nèi)膜的pH值大約為0.05pH單位。2.當(dāng)線粒體內(nèi)膜被破壞，ATP的合成就終止。3.一些抑制ATP合成的物質(zhì)的作用原理是特異性地消除膜內(nèi)外的質(zhì)子梯度。如解偶聯(lián)劑二硝基酚(DNP)和短桿菌肽A，它們通過將內(nèi)膜外的質(zhì)子帶回基質(zhì)而消除質(zhì)子梯度，電子傳遞所產(chǎn)生的自由能得不到儲存而是轉(zhuǎn)變成熱能。

a:DNP(2,4-二硝基酚)b:短桿菌肽A

4.初生的哺乳類和冬眠動物利用褐色脂肪的氧化提供能量以維持體溫。褐色脂肪細(xì)胞的線粒體內(nèi)膜上有特殊的質(zhì)子通道，可以使電子傳遞泵出的質(zhì)子不通過F0F1ATP合成酶而流回線粒體，結(jié)果電子傳遞釋放的自由能轉(zhuǎn)化形成熱能。褐色脂肪細(xì)胞的作用示意圖

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