呼吸链生物化学

第七章生物氧化1、生物氧化（biological oxidation）：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（40%以上）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（1）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。

（2）生物体内二氧化碳的生成。

（3）能量的释放、储存、利用（ATP的代谢——ATP的生成与利用）。

3、生物氧化的方式——遵循一般氧化还原规律。

（1）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。

（2）脱氢：代谢物脱氢原子（H=H++e）的同时失去电子。

（3）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（1）在温和条件下进行（37℃，中性pH等）；（2）在一系列酶催化下完成；（3）能量逐步释放，部分储存在ATP分子中；（4）广泛以加水脱氢方式使物质间接获得氧；（5）水的生成由脱下的氢与氧结合产生；（6）反应在有水环境进行；（7）CO2由有机酸脱羧方式产生。

5、物质体外氧化（燃烧）与生物氧化的比较（1）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。

（2）物质体内、体外氧化的区别：体外氧化（燃烧）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（组成单位）、降解为乙酰CoA、三羧酸循环。

第一节 ATP生成的体系一、呼吸链（ respiratory chain）：代谢物脱下的氢原子（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。

这一传递链称呼吸链。

又称电子传递链（electron transport chain ）。

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。

（一）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（NADH脱氢酶）：复合体Ⅱ——称琥珀酸-泛醌还原酶（琥珀酸脱氢酶）：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（细胞色素aa3）：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（仅1个氢原子）。

（1）NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸）和NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）（2）FMN的氧化与还原黄素单核苷酸（FMN ）含有核黄素（维生素B2），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：（3）铁硫蛋白与铁硫中心（Fe-S）Fe-S含有等量（各4）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。

（4）复合体Ⅰ的功能（4）泛醌（CoQ）辅酶Q是一种脂溶性醌类化合物；含有一个较长的侧链（R），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（Q10）。

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（以FAD为辅基）、铁硫蛋白（Fe-S）、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亚类。

3、复合体Ⅲ——将电子从泛醌传递给细胞色素C。

2种细胞色素b（Cyt b562、 Cyt b566）、细胞色素c1、铁硫蛋白。

细胞色素c呈水溶性，与线粒体内膜外表面结合不紧密而极易于分离，不属于任何复合体成分。

4、复合体Ⅳ——将电子从细胞色素C传递给氧。

含如下成分：细胞色素a、a3和2个铁卟啉辅基及与之相连的Cu。

Cyta和Cyta3很难分开，合称为Cytaa3。

其中2个铜原子分别连接2个铁卟啉辅基，铜原子可以进行氧化还原反应传递电子。

呼吸链各复合体位置示意图（二）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（见下表）。

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（无氧）对照——缓慢给氧，通过光谱观察各组分的氧化顺序。

（1）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：AH2十B←→A十BH2；式中AH2/或BH2是还原型（剂），A和B是氧化型（剂）。

一物质的氧化型／还原型（如A／AH2或B／BH2等）构成氧化还原对（简称氧-还对），氧化还原对是共扼的。

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。

（2）标准氧化还原电位（E o′）——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（生物化学）规定的标准氢电极做参比测得的电位（伏特/摩尔）。

E o′值表示的是同H+/H2相比，某氧-还对氧化还原能力的大小：1）E o′是负值，表示此氧-还对易供出电子而被氧化，是还原剂；2）E o′是正值，表示此氧-还对易获得电子而被还原，是氧化剂。

（3）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 o。

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E o′。

（4）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（GDP）生成ATP（GTP）。

（一）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、H3PO4、Mg2+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O2和H3PO4（或ADP）的消耗量，可以计算P/O，确定偶联部位。

2、自由能变化ΔG o′=- nFΔE o′＞30.5kJ可合成ATP，ΔG o′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（2），F是法拉第常数（96.5kJ/mol?V），ΔE o′为电位变化。

自由能变化的计算举例——NADH（H+）的氧化反应：从电位差（ΔE o′）计算ΔG o′，如果ΔG o′足以达到合成ATP（释放的自由能＞30.5kJ/mol）则存在偶联部位。

30.5kJ是合成1molATP所需的能量（标准状态），体内条件ΔG o′=-51.6kJ/mol（二）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，取决于电子走向。

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（氢离子浓度梯度和跨膜电位差），以此储存能量。

3、当质子顺浓度梯度回流时驱动ATP合酶，利用ADP和Pi合成ATP。

说明：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（三）ATP合酶（复合体Ⅴ）ATP合酶（ATP synthase）——三联体：F1：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（α3β3γδε）。

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，F1催化ADP和Pi合成并释放ATP。

F0和F1之间有寡霉素敏感蛋白（OSCP），OSCP使ATP合酶在寡霉素存在时无作用。

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（β亚基有O、R、T三种构型）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。

（一）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。

（1）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。

（2）抗霉素A、二巯基丙醇（BAL）——抑制复合体Ⅲ中Cytb与Cytc1间的电子传递。

（3）CO、CN-、N3-、H2S——抑制复合体Ⅳ（细胞色素氧化酶），使电子不能传递给氧。

呼吸链抑制剂及部位（二）解偶联剂（多属于能通过膜的阳离子载体），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F0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（释放热能）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（DNP）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。

（三）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F1、F0之间柄部的寡霉素敏感蛋白（OSCP）结合，阻止质子从F0通道内流合成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（酸）：特异抑制ATP/ADP载体（腺苷酸转位酶）。

各种抑制剂对线粒体耗氧量的影响——实验过程：（二）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（三）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，而促进氧化磷酸化。