《交大生化笔记8.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《交大生化笔记8.doc（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八章 生物氧化物质在生物体内进行氧化称为生物氧化(biological oxidation),主要是糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成二氧化碳和水的过程。其中有相当一部分能量可使ADP磷酸化生成ATP，供生命活动之需，其余能量主要以热能形式释放，可用于维持体温。生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子,遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内外氧化时所消耗的氧量，最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。但生物氧化是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶的催化下逐步进行的，因此物质中的能量得以逐步释放，有利于机体捕获能量提高ATP生成的效率。生物氧化过程
2、中进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；生物氧化中生成的水是由脱下的氢与氧结合产生的，CO2由有机酸脱羧产生。体外氧化（燃烧）产生的CO2，H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成，能量是突然释放的。第一节 生成ATP的氧化体系一、呼吸链代谢物脱下的成对氢原子（2H）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。由于此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链（respiratory chain）。它们按一定顺序排列在线粒体内膜上。其中传递氢的酶或辅酶称之为递氢体，传递电子的酶或辅酶称之为电子传递体。不论递氢体还是电子传递体都起传递电子的作用（2H 2H+
3、2e），所以呼吸链又称电子传递链 (electron transfer chain)。 （一）呼吸链的组成用胆酸，脱氧胆酸等反复处理线粒体内膜，可将呼吸链分离得到4种仍具有传递电子功能的酶复合体（complex）（表8-1），其中复合体、和完全镶嵌在线粒体内膜中，复合体镶嵌在内膜的内侧（图8-1）。下面以复合体为基础叙述呼吸链电子传递的过程（图8-2）。1复合体 NADH-泛醌还原酶 大部分代谢物脱下的2H由氧化型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+）接受形成还原型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸。复合体将还原型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸中的2H传
4、递给泛醌（ubiquinone），泛醌又称辅酶Q（Coenzyme Q，CoQ，Q）。人复合体中含有以黄素单核苷酸（flavin mononucleotide, FMN）为辅基的黄素蛋白（flavoprotein）和以铁硫簇（iron-sulfur cluster, Fe-S）为辅基的铁硫蛋白（iron-sulfur protein）。黄素蛋白和铁硫蛋白均具有催化功能。NAD+（辅酶，coenzyme I, Co I），与NADP+（辅酶，Coenzyme Co ）是烟酰胺脱氢酶类的辅酶，其结构式如下：NAD+或NADP+分子中烟酰胺的氮为五价，能接受电子成为三价氮。其对侧的碳原子也比较活泼，
5、能进行加氢反应。上述反应是可逆的。烟酰胺在加氢反应时只能接受一个氢原子和一个电子，将另一个H+ 游离出来，因此将还原型的NAD+和NADP+分别写成NADH + H+（NADH）和NADPH+H+（NADPH）。FMN中含有核黄素（维生素B2），其发挥功能的结构是异咯嗪环。氧化型或醌型的FMN可接受1个质子和1个电子形成不稳定的半醌型FMNH,再接受1个质子和1个电子转变为还原型或氢醌型FMNH2。Fe-S含有等量的铁原子和硫原子（Fe2S2，Fe4S4），通过其中的铁原子与铁硫蛋白中蛋白质部分半胱氨酸残基的硫相连接（图8-3）。 铁硫蛋白中的铁原子可进行Fe2+ Fe3+e反应而传递电子，在
6、复合体中，其功能是将FMN的电子传递给泛醌。泛醌是一种脂溶性醌类化合物。它有多个异戊二烯（2-甲基丁烯）单位互相连接构成较长的侧链。因侧链的疏水作用，故它能在线粒体内膜中迅速扩散。又因它极易从线粒体内膜中分离出来，故不包含在上述复合体中。人的CoQ侧链由10个异戊二烯单位组成，用CoQ10（Q10）表示。泛醌接受1个电子和1个质子还原成半醌，再接受1个电子和1个质子还原成二氢泛醌，后者也可脱去2个电子和2个质子被氧化为泛醌。 2复合体 琥珀酸-泛醌还原酶 复合体将电子从琥珀酸传递给泛醌。人复合体中含有以黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide, FAD）为辅基
7、的黄素蛋白，铁硫蛋白和细胞色素（cytochrome, Cyt）b560。细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，均有特殊的吸收光谱而呈现颜色。根据它们吸收光谱不同，将细胞色素分为细胞色素a、b、c（Cyt a, Cyt b, Cyt c）3类，每一类中又因其最大吸收峰的微小差别再分为几种亚类。各种细胞色素的主要差别在于铁卟啉辅基的侧链以及铁卟啉与蛋白质部分的连接方式。细胞色素b、c的铁卟啉都是铁原卟啉，与血红素相同，但Cyt b中卟啉环上的乙烯侧链与蛋白质部分的半胱氨酸残基相连接。Cyt a中与卟啉环相连的1个甲基被甲酰基取代，1个乙烯基侧链连接一条聚异戊二烯长链。 3复合体 泛醌
8、-细胞色素C还原酶 复合体将电子从泛醌传递给细胞色素C。人复合体中含有细胞色素b (b562, b566)，细胞色素C1和铁硫蛋白。Cyt c呈水溶性，与线粒体内膜外表面结合不紧密，极易与线粒体内膜分离，故不包含在上述复合体中。4复合体 细胞色素C氧化酶 复合体将电子从细胞色素C传递给氧。人复合体包含13条多肽链，其中1条多肽链含有Cu-Cu，称之为CuA；另一条多肽链结合两个铁卟啉辅基，由于其氧化还原电位不同分别称之为Cyta和Cyta3，此外还含有一个Cu，由于其氧化还原电位与CuA不同，称之为CuB。铜原子可进行Cu+ Cu2+e反应传递电子。Cyta从CuA获得电子后依次将电子交给Cy
9、ta3和CuB。Cyta3和CuB形成活性部位，使O2还原成H2O。 （二）呼吸链组分的排列顺序呼吸链组分的排列顺序是由下列实验确定的：根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位，由低到高的顺序排列（电位低容易失去电子）(表82)； 在体外将呼吸链拆开和重组，鉴定4种复合体的组成与排列； 利用呼吸链特异的抑制剂阻断某一组分的电子传递，在阻断部位以前的组分处于还原状态，后面组分处于氧化状态，由于呼吸链每个组分的氧化和还原状态吸收光谱不相同，故可根据吸收光谱的改变进行检测(表73)；利用呼吸链各组分特有的吸收光谱，以离体线粒体无氧时处于还原状态作为对照，缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序。根据以上实验结果得
10、知，体内存在两条氧化呼吸链：1NADH氧化呼吸链 生物氧化中大多数脱氢酶如乳酸脱氢酶，苹果酸脱氢酶都是以NAD+为辅酶的。NAD+接受氢生成NADH+H+，然后通过NADH氧化呼吸链再被氧化成NAD+。NADH+H+脱下的2H经复合体I（FMN，Fe-S）传给CoQ，再经复合体（Cyt b, Fe-S，Cyt c1）传至Cyt c，然后传至复合体（Cyt a, Cyt a3）最后将2e交给O2。 2琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链） 琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下脱下的2H经复合体（FAD，Fe-S，b560）使CoQ形成CoQH2，再往下的传递与NADH氧化呼吸链相同。-磷酸甘油脱氢酶及脂
11、酰CoA脱氢酶催化代谢物脱下的氢也由FAD接受，通过此呼吸链被氧化，故归属于琥珀酸氧化呼吸链。二、氧化磷酸化在机体能量代谢中，ATP是体内主要供能的高能化合物。细胞内ATP形成的主要方式是氧化磷酸化（oxidative phosphorylation），即是在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，因此又称为偶联磷酸化。细胞内还有一种直接将代谢物分子中的能量转移至ADP（或GDP），生成ATP（或GTP），称为底物水平磷酸化，已在糖代谢中叙述。 （一）氧化磷酸化偶联部位根据下述实验方法及数据可以大致确定氧化磷酸化的偶联部位，即ATP生成的部位。1 P/O 比值 将底物、ADP、H3P
12、O4、Mg2+和分离得到的较完整的线粒体在模拟细胞内液的环境中于密闭小室内相互作用。发现在消耗氧气的同时消耗磷酸。测定氧和无机磷（或ADP）的消耗量，即可计算出P/O比值。P/O比值是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷的摩尔数（或ADP摩尔数），即生成ATP的摩尔数。已知羟丁酸的氧化是通过NADH呼吸链，测得P/O比值接近3，即该呼吸链传递2H可生成3分子ATP。琥珀酸氧化时，测得P/O比值接近2，即生成2分子ATP，因此表明在NADH与CoQ之间（复合体）存在偶联部位。此外，测得抗坏血酸氧化时P/O比值接近1，还原型Cyt c氧化时P/O比值也接近1，即两者均生成1分子ATP；此两
13、者的不同在于，抗坏血酸通过Cyt c进入呼吸链被氧化的，而还原型Cyt c则经Cyt aa3被氧化，表明在Cyt aa3到氧之间（复合体）也存在偶联部位。从-羟丁酸、琥珀酸和还原型Cyt c氧化时P/O比值的比较表明，在CoQ与Cyt c之间（复合体）存在另一偶联部位。因此NADH呼吸链存在三个偶联部位，琥珀酸呼吸链存在两个偶联部位（表8-3）。2自由能变化从NAD+到CoQ段测得的电位差约0.36V，从CoQ到Cyt c电位差为0.21V，从Cyt aa3到分子氧为0.53V。自由能变化（GO）与电位变化（EO）之间有以下关系：GO= - nFEOGO表示pH7.0时的标准自由能变化；n为传
14、递电子数；F为法拉弟常数(96.5kJ/molV)。计算结果，他们相应的GO分别约为69.5、40.5、102.3kJ/mol，而生成每摩尔 ATP需能约30.5kJ（7.3kcal）,可见以上三处均足够提供生成ATP所需的能量。 (二)氧化磷酸化偶联机理 1化学渗透假说 化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis）是20世纪60年代初由Peter Mitchell提出的，1978年获诺贝尔化学奖。其基本要点是电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧，产生膜内外质子电化学梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差），以此储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动AD
15、P与Pi生成ATP。具体说明如下：递氢体和递电子体在线粒体内膜上交替排列。电子传递链在线粒体内膜中共构成3个回路，每个回路均有质子泵的作用。首先由NADH提供1个H+和2个e，加上线粒体基质内1个H+使FMN还原成FMNH2。FMNH2向内膜胞浆侧释出2个H+，将2个e还原铁硫簇（Fe-S）。第二个回路开始时Fe-S放出2个e重新被氧化，将2个e加上基质内的2个 H+传递给泛醌，使泛醌还原成QH2。QH2移至内膜胞浆侧释出2个H+，而将2个e交给Cyt b。Cyt b是跨膜蛋白，1条多肽链上结合2个血红素辅基，根据其吸收光谱不同分别称之为b566和b562。还原型Cyt b将2个e交还给泛醌，加上基质内的2个H+又使泛醌还原成QH2。QH2将2个H+从胞浆侧释出，2个e依次通过Fe-S、C1、C、a、a3传递给氧，并与基质内的2个H+生成H2O（图8-4）。 后来的实验结果证实，复合体、均具有质子泵的作用。每传递2个电子，它们分别向线粒体内膜胞浆侧泵出4H+、2H+和4H+。2ATP合
