生物化学笔记 第十二章 生物氧化

第十二章生物氧化
第一节呼吸链
一、定义
呼吸链又称电子传递链，是由一系列电子载体构成的，从NADH或FADH2向氧传递电子的系统。

还原型辅酶通过呼吸链再氧化的过程称为电子传递过程。

其中的氢以质子形式脱下，电子沿呼吸链转移到分子氧，形成粒子型氧，再与质子结合生成水。

放出的能量则使ADP和磷酸生成ATP。

电子传递和ATP形成的偶联机制称为氧化磷酸化作用。

整个过程称为氧化呼吸链或呼吸代谢。

在葡萄糖的分解代谢中，一分子葡萄糖共生成10个NADH和2个FADH2，其标准生成自由能是613千卡，而在燃烧时可放出686千卡热量，即90％贮存在还原型辅酶中。

呼吸链使这些能量逐步释放，有利于形成ATP 和维持跨膜电势。

原核细胞的呼吸链位于质膜上，真核细胞则位于线粒体内膜上。

二、构成
呼吸链包含15种以上组分，主要由4种酶复合体和2种可移动电子载体构成。

其中复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、辅酶Q和细胞色素C的数量比为1：2：3：7：63：9。

1.复合体Ⅰ即NADH：辅酶Q 氧化还原酶复合体，由NADH 脱氢酶（一种以FMN为辅基的黄素蛋白）和一系列铁硫蛋白（铁—硫中心）组成。

它从NADH得到两个电子，经铁硫蛋白传递给辅酶Q。

铁硫
蛋白含有非血红素铁和酸不稳定硫，其铁与肽类半胱氨酸的硫原子配位结合。

铁的价态变化使电子从FMNH2转移到辅酶Q。

2.复合体Ⅱ由琥珀酸脱氢酶（一种以FAD为辅基的黄素蛋白）和一种铁硫蛋白组成，将从琥珀酸得到的电子传递给辅酶Q。

3.辅酶Q 是呼吸链中唯一的非蛋白氧化还原载体，可在膜中迅速移动。

它在电子传递链中处于中心地位，可接受各种黄素酶类脱下的氢。

复合体Ⅲ辅酶Q：细胞色素C氧化还原酶复合体，是细胞色素和铁硫蛋白的复合体，把来自辅酶Q的电子，依次传递给结合在线粒体内膜外表面的细胞色素C。

细胞色素类都以血红素为辅基，红色或褐色。

将电子从辅酶Q传递到氧。

根据吸收光谱，可分为三类：a,b,c。

呼吸链中至少有5种：b、c1、c、a、a3(按电子传递顺序)。

细胞色素aa3以复合物形式存在，又称细胞色素氧化酶，是最后一个载体，将电子直接传递给氧。

从a传递到a3的是两个铜原子，有价态变化。

复合体IV：细胞色素C氧化酶复合体。

将电子传递给氧。

三、抑制剂
菌素：阻断电子从NADH到辅酶Q的传递。

鱼藤酮是极毒的植物物质，可作杀虫剂。

A：从链霉素分离出的抗生素，抑制从细胞色素b到c1的传递。

CO、H2S等，阻断由细胞色素aa3到氧的传递。

第二节氧化磷酸化
一、定义
与生物氧化相偶联的磷酸化作用称为氧化磷酸化作用。

其作用是利用生物氧化放出的能量合成
ATP：
其中NADH放能52.7千卡，ATP吸能21.9千卡，占42%。

氧化磷酸化与底物水平磷酸化不同，前者ATP的形成与电子传递偶联，后者与磷酸基团转移偶联，即磷酸基团直接转移到ADP上，形成ATP。

二、P/O比
***指一对电子通过呼吸链传递到氧所产生的ATP分子数。

NADH的P/O比为3，ATP 是在3个不连续的部位生成的：第一个部位是在NADH和辅酶Q之间（NADH脱氢酶）；第二个在辅酶Q和细胞色素C之间（细胞色素C还原酶）；第三个在细胞色素a和氧之间（细胞色素c氧化酶）。

三、偶联的调控
（一）呼吸控制
电子传递与ATP形成在正常细胞内总是相偶联的，二者缺一不可。

ATP与ADP浓度之比对电子传递速度和还原型辅酶的积累与氧化起着重要的调节作用。

ADP作为关键物质对氧化磷酸化的调节作用称为呼吸控制。

呼吸控制值是有ADP时氧的利用速度与没有时的速度之比。

完整线粒体呼吸控制值在10以上，损伤或衰老线粒体可为1，即
失去偶联，没有磷酸化。

根据线粒体用氧情况，可将呼吸功能分为5种状态。

状态3和4的转变也使线粒体的结构发生变化。

缺乏ADP 时线粒体基质充满，称为常态；呼吸加速时，基质压缩50%，内膜和嵴的折叠更加紧密曲折，称为紧缩态。

（二）解偶联和抑制
根据化学因素对氧化磷酸化的影响方式，可分为三类：解偶联剂、氧化磷酸化抑制剂和离子载体抑制剂。

1.解偶联剂：使电子传递和ATP形成分离，只抑制后者，不抑制前者。

电子传递失去控制，产生的自由能变成热能，能量得不到储存。

解偶联剂对底物水平磷酸化无影响。

代表如2，4-二硝基苯酚（DNP），可将质子带入膜内，破坏H+跨膜梯度的形成，又称质子载体。

2.氧化磷酸化抑制剂：直接干扰ATP的形成，因偶联而抑制电子传递。

如加入解偶联剂，可解除对利用氧的抑制。

代表使寡霉素。

3.离子载体抑制剂：脂溶性，可运载除质子外的一价阳离子过膜。

如缬氨霉素（K+）、短杆菌肽等。

四、偶联机制
目前有三种假说：化学偶联假说、结构偶假说和化学渗透假说，都不够理想。

1.化学偶联假说：认为偶联是通过一系列连续的化学反应，形成一个高能共价中间物。

它在电子传递中形成，又裂解将其能量供给ATP形成。

无证据支持。

2.构象偶联假说：电子传递
使线粒体内膜蛋白质组分发生构象变化而形成一种高能形式，然后将能量传递给FoF1ATP酶分子，酶复原时形成ATP。

3.化学渗透假说：电子传递使质子从线粒体内膜基质泵到膜外液体中，形成一个跨膜H离子梯度，其渗透能促使ATP形成。

H离子再顺梯度通过ATP合成酶分子中的通道进入线粒体基质，放能合成ATP。

该假说得到一些事实支持，如线粒体电子传递形成的电子流能从线粒体内膜逐出H离子。

FoF1ATP酶即ATP合成酶，由Fo和F1两部分构成，后者是线粒体内膜表面的球状体，能合成ATP；前者是连接F1的柄，起质子通道作用，可调节质子流，从而控制ATP 的合成。

五、其他
电子传递还可用于产热，如褐色脂肪组织，含大量线粒体，其内膜由特殊H 离子通道，可产热。

质子梯度还可将钙离子从细胞质运到线粒体内部。

需氧细菌和叶绿体也有类似的电子传递链。

本章名词解释
呼吸电子传递链（respiratory electron-t -ransport chain）：由一系列可作为电子载体的酶复合体和辅助因子构成，可将来自还原型辅酶或底物的电子传递给有氧代谢的最终的电子受体分子氧
氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）：电子从一个底物传递给分子氧的氧
化与酶催化的由ＡＤＰ和Ｐi生成ＡＴＰ与磷酸化相偶联的过程。

化学渗透理论（chemiosnotic theory）：一种学说，主要论点是底物氧化期间建立的质子浓度梯度提供了驱动ＡＤＰ和ＡＴＰ和Ｐi形成ＡＴＰ的能量。

解偶联剂（uncoupling agent）：一种使电子传递与ＡＤＰ磷酸化之间的的紧密偶联关系解除的化合物，Ｅg2,4－二硝基苯酚。

P/O比（P/O ratio）：在氧化磷酸化中，每1/2O2被还原成ADP的摩尔数。

电子从NADH
传递给O2时，P/O＝３，而电子从FADH2传递给O2时，P/O＝２。

高能化合物（high energy compound）：在标准条件下水解时，自由能大幅度减少和化合物。

一般是指水解释放的能量能驱动ADP磷酸化合成ATP的化合物。