第6章　生物氧化

6.1　复习笔记

一、生物氧化

生物氧化是指物质在生物体内氧化，主要是糖、脂肪、蛋白质等供能物质在体内分解时逐步释放能量，并最终生成CO₂和H₂O的过程。

二、生成ATP的氧化磷酸化体系

1氧化呼吸链

氧化呼吸链是一系列有电子传递功能的氧化还原组分，又称电子传递链。由4种具有传递电子能力的复合体（复合体Ⅰ，复合体Ⅱ，复合体Ⅲ，复合体Ⅳ）组成。

图6-1　电子传递链各复合体位置示意图

图6-2　电子传递的顺序及复合体的位置

（1）复合体Ⅰ

①部位

线粒体内膜。

②结构

a．黄素蛋白，含黄素单核苷酸辅基及2个铁硫中心，突出线粒体基质。

b．铁硫蛋白，含3个铁硫中心辅基，突出线粒体基质。

c．疏水蛋白部分，含1个Fe-S，嵌于线粒体内膜。

③作用

将NADH＋H^＋中的电子传递给泛醌，故又称为NADH-泛醌还原酶。

④电子传递过程

a．由基质接受还原型NADH中的2H和2电子传递给FMN。

b．FMN再经一系列铁硫中心，将电子传递到泛醌（又称辅酶Q）。

c．泛醌将电子通过疏水蛋白中Fe-S再传递给内膜的泛醌。

（2）复合体Ⅱ

①部位

线粒体基质。

②结构

a．2个铁硫蛋白，含3个铁硫中心（Fe₄S₄、Fe₄S₃和Fe₂S₂）。

b．2个小疏水亚基，将复合体锚定于内膜。

③作用

将电子从琥珀酸传递到泛醌，又称琥珀酸-泛醌还原酶。

④电子传递过程。

a．FADH₂传递电子到铁硫中心。

b．电子再传递给泛醌，进入氧化呼吸链。

（3）复合体Ⅲ

①部位

线粒体内膜。

②结构

a．细胞色素b（b₅₆₂，b₅₆₆）。

b．细胞色素c₁。

c．移动的铁硫蛋白。

③作用

接受泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子，将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c。又称泛醌一细胞色素c还原酶。

④电子传递过程

电子从泛醌经铁硫蛋白传递给细胞色素c。

（4）复合体Ⅳ

①部位

线粒体内膜。

②结构

a．包含13个亚基。

b．亚基Ⅰ～Ⅲ由线粒体基因编码，含所有必需的Fe、Cu离子位点，其他10亚基起调节作用。

c．亚基含2个血红素辅基，分别称为Cyt a和Cyt a₃。

d．亚基Ⅱ可稳定结合Cu离子，称Cu_A。此外，另有一个Cu离子结合位点，称Cu_B。

③作用

将电子从细胞色素c传递给氧。

④电子传递过程

a．Cyt c供出的电子经Cu_A传递到Cyt a，再到Cu_B-Cyt a₃双核中心。

b．依次传递4个电子，并从线粒体基质获得4个H^＋，最终将1个O₂分子还原成2分子H₂O。

（5）重要辅酶与辅基

①NAD^＋（辅酶Ⅰ）

a．是烟酰胺脱氢酶类的辅酶，烟酰胺的氮为五价，还原时成为三价。

b．烟酰胺对侧的碳原子可进行加氢反应，氧化时反应逆行。

c．NAD^＋是双电子传递体。

②FMN

a．复合体Ⅰ的辅基。

b．氧化型FMN可接受1个质子和1个电子形成不稳定的FMNH·，再接受1个质子和1个电子转变为还原型FMN（FMNH₂），氧化时反应逐步逆行。

③Fe-S辅基

a．铁原子与无机硫或铁硫蛋白中蛋白部分的半胱氨酸残基的硫相连接。

b．铁硫蛋白为单电子传递体，其中的铁原子将FMNH₂的电子传递给泛醌。

④泛醌

a．泛醌是一种小分子、脂溶性醌类化合物。

b．泛醌和FMN类似，能进行可逆的氧化还原反应传递电子。

c．泛醌分子有3种氧化还原状态。

第一，接受1个电子和1个质子还原成半醌型泛醌。

第二，再接受1个电子和1个质子还原成二氢泛醌。

第三，二氢泛醌可逆向反应再被逐步氧化为泛醌。

d．泛醌是内膜中可移动电子载体，在各复合体间传递还原当量和电子。

e．泛醌可以同时传递氢和电子，在电子传递和质子移动中起核心作用。

⑤血红素样辅基

a．血红素中的铁原子可进行Fe^2＋和Fe^3＋可逆转换来传递电子。

b．血红素为单电子传递体。

（6）氧化呼吸链的组分

表6-1　氧化呼吸链的组分

2氧化呼吸链组分顺序的排列

（1）根据标准氧化还原电位，由低到高排列。

（2）底物存在时，利用呼吸链特异的抑制剂判断。

（3）利用吸收光谱，缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序。

（4）在体外将呼吸链拆开和重组，鉴定四种复合体的组成与排列。

3氧化呼吸链的途径。

（1）NADH氧化呼吸链，电子传递顺序模式：

NADH→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ→Cyt c→复合体Ⅳ→O₂

（2）FADH₂氧化呼吸链，电子传递顺序模式：

琥珀酸→复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ→Cyt c→复合体Ⅳ→O₂

（3）结果

①NADH氧化呼吸链每传递2H泵出10H^＋（复合体Ⅰ、Ⅲ分别泵出4个H^＋，复合体Ⅳ泵出2个H^＋），生成约2.5（10/4）分子ATP。

②琥珀酸氧化呼吸链每传递2H泵出6H^＋（复合体Ⅲ泵出4个H^＋，复合体Ⅳ泵出2个H^＋），生成1.5（6/4）分子ATP。

三、ATP偶联

1ADP磷酸化生成ATP的方式

（1）底物水平磷酸化。

（2）氧化磷酸化。

氧化磷酸化是指电子从NADH或FADH₂经电子传递链传递到O₂生成水时，同时偶联ADP磷酸化生成ATP的过程，是需氧生物ATP生成的主要方式。

2氧化磷酸化偶联部位

氧化磷酸化的偶联部位是指呼吸链中偶联生成ATP的部位，在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内。

3化学渗透理论

（1）假说要点

①电子经呼吸链传递时，驱动质子从线粒体内膜的基质侧转移到内膜胞质侧，形成跨线粒体内膜的质子电化学梯度（H^＋浓度梯度和跨膜电位差），以此储存电子传递释放的能量。

②当质子顺浓度梯度回流基质时驱动ADP与Pi生成ATP。

（2）意义

化学渗透理论阐明了氧化磷酸化偶联机制。

4ATP合酶

（1）ATP合酶的组成

①F₁（亲水部分）由α₃β₃γδε亚基复合体和OSCP、IF₁等亚基组成，催化ATP合成。

②F₀（疏水部分）是跨线粒体内膜蛋白，由a、b₂、c_9-12亚基组成离子通道，用于质子的回流。

（2）F₀-F₁复合体

①F₁的α₃、β₃和δ亚基以及F₀的a、b₂亚基共同组成定子部分。

②F₀的γ、ε亚基及F₁的c亚基环组成转子部分。

③F₁与F₀组成可旋转的发动机样结构。

（3）ATP合酶的工作机制

①β亚基有无活性的开放型（O）、无活性的疏松型（L）和有活性的紧密型（T）三种。

②ATP合酶的3组αβ单元各自在γ亚基转动时构象循环变化。

③ADP和Pi底物结合于L型β亚基，质子流能量驱动该β亚基变构为T型，则合成ATP，再到O型，则该β亚基释放出ATP。

④3个β亚基依次经同样循环生成、释出ATP。

⑤约需3个质子穿线粒体内膜回流进基质能生成1分子ATP，转子循环一周生成3分子ATP。

四、影响氧化磷酸化的因素

1抑制剂可阻断氧化磷酸化过程

表6-2　呼吸链抑制剂阻断电子传递过程

2解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度

解偶联作用是指使氧化（电子传递）和磷酸化（形成ATP）两个偶联的过程脱节，只抑制ATP的形成过程，而不抑制电子传递过程。解偶联剂有2,4-二硝基苯酚（DNP）、棕色脂肪组织中的解偶联蛋白。

3ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的磷酸化

直接作用于ATP合酶而抑制ATP的合成，间接抑制电子传递和分子氧的消耗。如寡霉素、二环己基碳二亚胺（DCCP）。

五、线粒体外NADH的氧化磷酸化

在细胞的胞质溶胶中也可产生NADH，但不能直接通过线粒体内膜，需要通过穿梭系统。典型的穿梭系统有甘油磷酸的穿梭和苹果酸的穿梭。

（1）α-磷酸甘油穿梭

①磷酸甘油脱氢酶催化线粒体外的NADH＋H^＋生成α-磷酸甘油，通过线粒体外膜。

②磷酸甘油脱氢酶催化α-磷酸甘油生成磷酸二羟丙酮和FADH₂。FADH₂将2H传递给泛醌进入氧化呼吸链。

③α-磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中。

图6-3　α-磷酸甘油穿梭机制

（2）苹果酸-天冬氨酸穿梭

场所——肝、肾、心肌。

①胞质中的NADH＋H^＋脱氢，草酰乙酸还原成苹果酸。

②苹果酸进入线粒体后重新生成草酰乙酸和NADH＋H^＋，进入氧化呼吸链。

图6-4　苹果酸-天冬氨酸穿梭

六、抗氧化体系

1抗氧化酶体系清除反应活性氧类

（1）谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）

H₂O₂＋2GSH→2H₂O＋GS-SG

2GSH＋ROOH→GS-SG＋H₂O＋ROH

（2）超氧物歧化酶（SOD）

（3）维生素C、维生素E、β-胡萝卜素、泛醌等

（4）过氧化氢酶

2H₂O₂→2H₂O＋O₂

2微粒体细胞色素P₄₅₀单加氧酶催化底物分子羟基化

RH＋NADPH＋H^＋＋O₂→ROH＋NADP^＋＋H₂O