第6章BiologicalOxidation營養(yǎng)物質(zhì)在活細(xì)胞內(nèi)徹底氧化分解生成水和二氧化碳，并釋放能量的過程，稱生物氧化(biologicaloxidation)，又稱細(xì)胞呼吸(cellularrespiration)。生物氧化的概念

生

物

氧

化

的

三

個

階

段營養(yǎng)物質(zhì)基本單位糖原葡萄糖脂肪脂肪酸蛋白質(zhì)氨基酸CO22HH2O呼吸鏈ADP+PiATP階段Ⅰ

乙酰CoA階段Ⅱ階段Ⅲ

TAC

線粒體

一、生物氧化的方式和特點◆酶促反應(yīng)：體內(nèi)、近中性、37℃、有水環(huán)境；◆CO2：脫羧產(chǎn)生；水：底物脫氫經(jīng)呼吸鏈傳遞電子、泵出質(zhì)子，與氧結(jié)合生成?！裟芰浚褐鸩结尫牛寐矢?，合成ATP及維持體溫；◆氧化速率：受生理功能需要和內(nèi)外環(huán)境變化調(diào)控二、生物氧化中CO2的生成

（一）α-脫羧

1.α-單純脫羧

RRH2N－C－COOHH2N－C－HHHCO22.α-氧化脫羧CH3C=O+HSCoA+NAD+COOHCH3COSCoA+NADH+H+CO2丙酮酸脫氫酶系氨基酸脫羧酶氨基酸胺丙酮酸乙酰輔酶A(二）β-脫羧1.β-單純脫羧2.β-氧化脫羧CβH2-COOHCαH-COOHOH+NADP+CβH3Cα-COOHO+NADPH+H+CO2蘋果酸酶CβH2-COOHCα=OCOOHCβH3Cα=OCOOH草酰乙酸脫羧酶CO2草酰乙酸丙酮酸蘋果酸丙酮酸三、生物氧化的酶類（一）氧化酶（輔基多為含鐵和銅的金屬離子）（二）需氧脫氫酶（輔基為FMN或者FAD）SH2SFMNorFADFMNH2orFADH2O2H2O2SH2S2Cu2+2Cu+1/2O2O2-2e-H2O2H+第二節(jié)

生成ATP的生物氧化體系(TheOxidationSystemofATPProducing)一、線粒體內(nèi)膜的轉(zhuǎn)運作用（一）線粒體的結(jié)構(gòu)（structureofmitochondria)內(nèi)膜外膜基質(zhì)胞漿膜間隙H+H+H+H+e-e-e-e-蘋果酸-天冬酸穿梭Ⅰ：酸性氨基酸載體；Ⅱ：α-酮戊二酸載體；①：天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶；②：蘋果酸脫氫酶α-磷酸甘油穿梭主要存在于腦和骨骼肌中

內(nèi)膜

外膜膜間隙

基質(zhì)FADH2NAD+FAD-磷酸甘油脫氫酶

琥珀酸氧化呼吸鏈磷酸二羥丙酮-磷酸甘油

NADH+H+-磷酸甘油脫氫酶磷酸二羥丙酮-磷酸甘油

二、氧化呼吸鏈(oxidativerespiratorychain)

線粒體內(nèi)膜中由一系列電子傳遞復(fù)合體按一定順序排列成的鏈鎖性氧化還原體系稱為氧化呼吸鏈,又稱電子傳遞鏈(electrotranferchain).呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置1、復(fù)合體Ⅰ(NADH-泛醌氧化還原酶)作用

----將NADH+H+中的電子傳遞給泛醌(1)結(jié)構(gòu)：“L”型NADH+H+

NAD+

FMNFMNH2還原型Fe-S

氧化型Fe-S

QQH2膜間隙輔基遞電子的機(jī)理

FMN或FAD中的異咯嗪接受1e、1個H+成半醌型FMN或FAD，再接受1個e、1個H+成還原型FMN或FAD。氧化型FMN或FAD還原型FMN或FAD半醌型FMN或FAD·

鐵硫簇主要以(Fe-S)、(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在，鐵硫簇與蛋白質(zhì)結(jié)合稱為鐵硫蛋白.Fe泛醌（輔酶Q,CoQ,Q）由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反應(yīng)時可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。內(nèi)膜中可移動電子載體，在各復(fù)合體間募集并穿梭傳遞還原當(dāng)量和電子。在電子傳遞和質(zhì)子移動的偶聯(lián)中起著核心作用。

(2)傳遞電子的機(jī)理4Fe-4S2Fe-2S

經(jīng)FMN、2Fe-2S、Q、4Fe-4S傳遞NADH+H+的兩個電子到Q，使之?dāng)z取基質(zhì)2個H+轉(zhuǎn)變?yōu)镼H2。3、復(fù)合體Ⅲ功能（泛醌-細(xì)胞色素C還原酶）

----將電子從還原型泛醌傳遞給細(xì)胞色素c復(fù)合體Ⅲ又叫泛醌-細(xì)胞色素C還原酶，細(xì)胞色素b-c1復(fù)合體，含有細(xì)胞色素b(b562,b566)、細(xì)胞色素c1和一種可移動的鐵硫蛋白(Rieskeprotein)。泛醌從復(fù)合體Ⅰ、Ⅱ募集還原當(dāng)量和電子并穿梭傳遞到復(fù)合體Ⅲ。電子傳遞過程：CoQH2→(CytbL→CytbH)→Fe-S→Cytc1→Cytc細(xì)胞色素(cytochrome,Cyt)細(xì)胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。

銅中心傳遞4個CytC的4e給4個Cyta4個Cyta再傳此4e到Cyta3-CuB2+中心，使1個O2還原為2個O2-，結(jié)合4H+生成2H2O，同時把基質(zhì)中4H+泵入膜間隙。1QH2只能傳2e，故上述過程只生成1H2O，泵出2個H+功能

復(fù)合體Ⅳ把4個Cytc傳來的4個e給O2生成2H2O，并把4H+由基質(zhì)泵出到膜間隙。過程：質(zhì)子泵（protonpump）

氧化呼吸鏈中在傳遞電子的同時能把質(zhì)子從基質(zhì)泵出到膜間隙的電子傳遞復(fù)合體，有復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ。酶復(fù)合體分子(kD)亞基

輔酶/輔基

主要功能復(fù)合體Ⅰ(NADH-泛醌氧化還原酶)1000>40FMN、Fe-S傳遞NADH+H+中2個e到Q，并由基質(zhì)向膜間隙泵出4個H+復(fù)合體Ⅱ(琥珀酸-泛醌氧化還原酶)1404FAD、Fe-S傳遞琥珀酸中2個電子、2個質(zhì)子到Q復(fù)合體Ⅲ(泛醌-細(xì)胞色素氧化還原酶)25011

血紅素bH、bL、c1Fe-S通過Q循環(huán)傳遞QH2中2個e到細(xì)胞色素C，并把4H+

由基質(zhì)泵出到膜間隙細(xì)胞色素C*131

血紅素C傳遞復(fù)合體Ⅲ中2個電子到復(fù)合體Ⅳ復(fù)合體Ⅳ(細(xì)胞色素C氧化酶)20013

血紅素a、a3CuA2+、CuB2+把4個Cytc傳來的4個e轉(zhuǎn)交給O2，在攝取基質(zhì)中4H+與O2生成2H2O的同時，把基質(zhì)中另外4H+

泵出到膜間隙哺乳動物氧化呼吸鏈的組成及功能呼吸鏈中各種氧化還原對的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位氧化還原對E0‘(V)氧化還原對E0‘(V)NAD+/NADN+H+－0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2－0.30CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2－0.06CytaFe3+/Fe2+0.29CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.04(0.10)Cyta3Fe3+/Fe2+0.55Q10/Q10H20.071/2O2/H2O0.816（二）呼吸鏈的種類（二）氧化呼吸鏈各傳遞體排列順序：由以下實驗確定:①標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位

;②拆開和重組;③特異抑制劑阻斷;④還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧NADH氧化呼吸鏈NADH→復(fù)合體Ⅰ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O22.琥珀酸氧化呼吸鏈

琥珀酸→復(fù)合體Ⅱ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2每對氫通過此呼吸鏈生成2.5molATP;又稱主要呼吸鏈;以NADH的方式進(jìn)入;每對氫通過此呼吸鏈生成1.5molATP;又稱次要呼吸鏈和FADH2氧化呼吸鏈以FADH2

的方式進(jìn)入;三、氧化磷酸化氧化磷酸化營養(yǎng)物質(zhì)脫氫生成的NADH+H+或FADH2，經(jīng)氧化呼吸鏈傳遞電子、泵出質(zhì)子形成質(zhì)子梯度而蘊藏的電化學(xué)勢能，被ADP利用、磷酸化生成ATP的過程，是體內(nèi)生成ATP的主要方式。底物水平磷酸化代謝物脫氫或脫水引起分子內(nèi)部能量聚集，高能鍵直接轉(zhuǎn)移給ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的過程。不經(jīng)電子傳遞。ATP生成方式實質(zhì)：氧化呼吸鏈氧化釋能和ADP磷酸化儲能的偶聯(lián)（一）氧化磷酸化偶聯(lián)部位線粒體離體實驗測得的一些底物的P/O比值底物呼吸鏈組成P/O

比

值生成ATP

數(shù)β-羥丁酸NAD+→復(fù)合體Ⅰ→CoQ→復(fù)合體Ⅲ2.4～2.82.5→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2琥珀酸復(fù)合體Ⅱ→CoQ→復(fù)合體Ⅲ1.71.5→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2抗壞血酸Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O20.881細(xì)胞色素復(fù)合體Ⅳ→O20.61-0.681

氧化磷酸化中每消耗1mol氧原子時，所消耗無機(jī)磷的摩爾數(shù)，表示氧化呼吸鏈產(chǎn)生ATP的效率。磷氧比值（P/O）電子傳遞鏈自由能變化ATPATPATP氧化磷酸化偶聯(lián)部位

1.ATP合酶

2.化學(xué)滲透假說（二）氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制ATP合酶結(jié)構(gòu)模式F1的功能是催化ATP生成F0的作用是構(gòu)成質(zhì)子的通道親水F1：基質(zhì)中，

9個亞基(α3β3γδε)；

α3β3為有中間孔隙的頭部；

γ在此孔隙中，可轉(zhuǎn)動；

δ與1個β，ε與γ連接；疏水F0：跨越內(nèi)膜，

12-15個亞基（ab2C9-12）；

C9-12排成對稱C環(huán)；基質(zhì)側(cè)連接ε,外側(cè)連接a;b2連接a與δ;膜間隙內(nèi)膜基質(zhì)ATP合酶a、c亞基結(jié)構(gòu)（2）化學(xué)滲透學(xué)說（chemiosmotichypothesis）

跨內(nèi)膜質(zhì)子梯度使膜間隙成正電性空間，基質(zhì)為負(fù)電性空間，而蘊藏電化學(xué)勢能。當(dāng)H+從膜間隙回流到基質(zhì)時釋出能量，驅(qū)動ATP合成。H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+pH8pH7H+濃度梯度電位梯度＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－ABADP+PiATPATP合酶β亞基經(jīng)“結(jié)合變構(gòu)”機(jī)制合成ATP（3）結(jié)合變構(gòu)機(jī)制：β未接觸γ時為L型，可結(jié)合ADP和Pi；β接觸γ后變構(gòu)為T型，催化ADP和Pi合成ATP；γ離開β變構(gòu)為O型，釋出ATP后，恢復(fù)為L型。ATP合酶的C環(huán)逆時針方向轉(zhuǎn)動

H+由膜間隙向基質(zhì)回流推動C環(huán)逆時針轉(zhuǎn)動，帶動γ在頭部中央孔隙轉(zhuǎn)動；四、氧化磷酸化的調(diào)節(jié)及影響因素（一）調(diào)節(jié)：1、ADP/ATP調(diào)節(jié)作用（最主要）:ADP/ATP比值↑氧化磷酸化增快↓呼吸控制（respiratorycontrol）：由于ATP/ADP比值變化對氧化磷酸化的調(diào)節(jié)效應(yīng)，稱呼吸控制，調(diào)控的關(guān)鍵物質(zhì)是ADP。呼吸控制氧化磷酸化減慢

2.甲狀腺激素：甲狀腺激素Na+,K+–ATP酶合成解偶聯(lián)蛋白合成需要ATP合成ATP合成↑↓氧化磷酸化增快↑↑（二）線粒體DNA突變的影響：點突變Leber遺傳性視神經(jīng)病(Leber'shereditaryopticneuropathy,LHON).大片段丟失Kerans-Sayre綜合癥（慢性進(jìn)行性眼外肌麻痹綜合癥）突變漸進(jìn)性積累帕金森氏病(Parkinson’s病)

1.呼吸鏈抑制劑：

魚藤酮、抗霉素A、氰化物等（三）某些化學(xué)試劑及藥物的影響：2.氧化磷酸化解偶聯(lián)劑：

2，4-二硝基酚(DNP)：破壞電子傳遞過程建立的跨內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度，使電化學(xué)梯度儲存的能量以熱能形式釋放，ATP的生成受到抑制3.氧化磷酸化抑制劑：

寡霉素：可共價結(jié)合F0的c亞基谷氨酸殘基，阻斷質(zhì)子從F0質(zhì)子半通道回流，抑制ATP合酶活性。NADFMN(FeS)IFAD(FeS)ⅡCytb→Cytc1(FeS)ⅢCytaa3(Cu)ⅣCoQCytcO2魚藤酮阿米妥粉喋霉素A抗霉素ACN–,N3–,CO,H2S

H+mH+cH+mH+cH+mH+c

ATP合酶F1,F0,OSCPH+mH+c寡霉素

2,4-二硝基酚雙香豆素氟羰基氰苯腙纈氨霉素藥物和試劑作用的氧化磷酸化位點

寡霉素(oligomycin)寡霉素ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成。解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)解偶聯(lián)蛋白熱能H+H+ADP+PiATP2,4-二硝基酚雙香豆素氟羰基氰苯腙纈氨霉素魚藤酮阿米妥粉喋霉素A抗霉素A

CN–,N3–,CO,H2S

寡霉素

五、ATP在能量代謝中的核心作用ATP循環(huán)ATPADP

氧化磷酸化底物水平磷酸化機(jī)械能(肌肉收縮)滲透能(物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運)化學(xué)