呼吸鏈 生物化學(xué)

1、第七章生物氧化1、生物氧化（biologicaloxidation）：物質(zhì)在體內(nèi)進(jìn)行氧化稱生物氧化。主要指營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在體內(nèi)分解時(shí)逐步釋放能量，最終生成C02和水的過(guò)程。生物氧化又稱組織呼吸或細(xì)胞呼吸。生物氧化釋放的能量：主要（40%以上）用于ADP的磷酸化生成ATP,供生命活動(dòng)之需。其余以熱能形式散發(fā)用于維持體溫。2、生物氧化內(nèi)容（1）生物體內(nèi)代謝物的氧化作用、代謝物脫下的氫與氧結(jié)合成水的過(guò)程。（2）生物體內(nèi)二氧化碳的生成。（3）能量的釋放、儲(chǔ)存、利用（ATP的代謝ATP的生成與利用）。3、生物氧化的方式遵循一般氧化還原規(guī)律。（1）失電子：代謝物的原子或離子在代謝中失去電子，其原子正價(jià)升高、負(fù)價(jià)

2、降低都是氧化。（2）脫氫：代謝物脫氫原子（H=H+e）的同時(shí)失去電子。（3）加氧：向底物分子直接加入氧原子或氧分子的反應(yīng)使代謝物價(jià)位升高，屬于氧化反應(yīng)。向底物分子加水、脫氫反應(yīng)的結(jié)果是向底物分子加入氧原子，也屬于氧化反應(yīng)。4、生物氧化的特點(diǎn)（1）在溫和條件下進(jìn)行（37C，中性pH等）；（2）在一系列酶催化下完成；（3）能量逐步釋放，部分儲(chǔ)存在ATP分子中；（4）廣泛以加水脫氫方式使物質(zhì)間接獲得氧；（5）水的生成由脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生；（6）反應(yīng)在有水環(huán)境進(jìn)行；（7）CO2由有機(jī)酸脫羧方式產(chǎn)生。5、物質(zhì)體外氧化（燃燒）與生物氧化的比較（1）物質(zhì)體內(nèi)、體外氧化的相同點(diǎn)：物質(zhì)在體內(nèi)外氧化所消耗的氧量

3、、最終產(chǎn)物、和釋放的能量均相同。（2）物質(zhì)體內(nèi)、體外氧化的區(qū)別：體外氧化（燃燒）產(chǎn)生的二氧化碳、水由物質(zhì)中的碳和氫直接與氧結(jié)合生成；能量的釋放是瞬間突然釋放。5、營(yíng)養(yǎng)物氧化的共同規(guī)律糖類、脂類和蛋白質(zhì)這三大營(yíng)養(yǎng)物的氧化分解都經(jīng)歷三階段：分解成各自的構(gòu)件分子（組成單位）、降解為乙酰CoA、三羧酸循環(huán)。脂肪kTCAC氨基酸J甘油+脂酸乙酰Co蠱葡萄糖/HSCoAADP+Pi2H+2e22e氧化磷酸化CO,第I階段第II階段第III階段第一節(jié)ATP生成的體系一、呼吸鏈（respiratorychain）：代謝物脫下的氫原子（2H）通過(guò)多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水。這一傳遞

4、鏈稱呼吸鏈。又稱電子傳遞鏈（electrontransportchain）。呼吸鏈由按一定順序排列在線粒體內(nèi)膜上的遞氫體、遞電子體組成。（一）呼吸鏈的組成用膽酸或脫氧膽酸處理線粒體內(nèi)膜，可將呼吸鏈分離為：四種具有遞電子功能的酶復(fù)合體：復(fù)合體I稱NADH一泛醌還原酶（NADH脫氫酶）：復(fù)合體II稱琥珀酸-泛醌還原酶（琥珀酸脫氫酶）：復(fù)合體III稱泛醌-細(xì)胞色素C還原酶：復(fù)合體IV稱細(xì)胞色素氧化酶（細(xì)胞色素aa3）：人線粒體呼吸鏈復(fù)合體復(fù)合體酶名稱多肽鏈數(shù)輔基復(fù)合體IiSTADH-泛觀還原聽(tīng)39FMNFe-S復(fù)合體11琥5晅眨醞還原酶4FAD,FbS復(fù)合體迂酸細(xì)龜色素C還原酶剛鐵口卜Fe-S復(fù)合體

5、IV細(xì)胞魚(yú)素cfi化鬣15鐵口卜嗦Cu二種游離成分：輔酶Q和細(xì)胞色素C不包含在復(fù)合體中。1、復(fù)合體I將電子從NADH傳給CoQ。復(fù)合體INADHNAD+中的煙酰胺氮為5價(jià)，能接受電子成3價(jià)，而其對(duì)側(cè)碳原子能進(jìn)行加氫反應(yīng)（僅1個(gè)氫原子）。（1）NAD+（尼克酰胺腺嘌吟二核苷酸）和NADP+（尼克酰胺腺嘌吟二核苷酸磷酸）OHO0NNAD4(NADP+)ohPECI(OqH)COOHCONH2+H+H+2HCONHNAD*或NADP*NADH或NADPH氧化還原反應(yīng)時(shí)變化發(fā)生在五價(jià)氮和三價(jià)氮之N（2）FMN的氧化與還原黃素單核苷酸（FMN）含有核黃素（維生素B2），F(xiàn)MN中發(fā)揮作用的是異咯嗪環(huán)。核黃

6、素與酶的輔基的形成:CHiOHH30.5kJ可合成ATP,AG。，表示pH7時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化，n=2個(gè)氧還對(duì)反應(yīng)時(shí)傳遞電子的數(shù)目（2）,F是法拉第常數(shù)（96.5kJ/mol?V）,AEo,為電位變化。自由能變化的計(jì)算舉例NADH（H+）的氧化反應(yīng)：（E。=-032）二受電子的高電位一給電子的低電位=+0.82-（032）=1.14AGfnFAEf96.5X1.14=-220.02kJ/mol從電位差（AEo,）計(jì)算AGo，,如果AGo,足以達(dá)到合成ATP（釋放的自由能30.5kJ/mol）則存在偶聯(lián)部位。30.5kJ是合成1molATP所需的能量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），體內(nèi)條件AG，=-51.6kJ/

7、mol（二）氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制一一化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)要點(diǎn)：1、呼吸鏈中遞氫體與遞電子體交替排列，并在膜中有固定位置，催化的反應(yīng)是定向的，取決于電子走向。2、電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)可將質(zhì)子從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)泵到內(nèi)膜外側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度（氫離子濃度梯度和跨膜電位差），以此儲(chǔ)存能量。3、當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ATP合酶，利用ADP和Pi合成ATPo說(shuō)明：電子傳遞鏈在線粒體內(nèi)膜中共構(gòu)成3個(gè)回路，即形成3個(gè)氧化還原袢，每個(gè)回路均有質(zhì)子泵。化學(xué)滲透假說(shuō)NADH1-1I2H+nr2H+120.HI+H+NAI+J丿線粒體內(nèi)膜丙膜外側(cè)(1)(2)(3)蘭色箭頭示電子傳遞方向呼吸鏈模式化學(xué)滲透假

8、說(shuō)詳細(xì)示意圖18液髓屮h+cATPATP合酶(復(fù)合體V)ATP合酶(ATPsynthase)三聯(lián)體:Fi：親水部分，位于線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)，含有5種肽鏈、9個(gè)甲基（a3卩3Y為）。功能是催化ATP的生成。催化部位在卩亞基，但必須與a亞基結(jié)合才有活性。F0：疏水部分，鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中的H+通道。當(dāng)H+順濃度梯度經(jīng)F0回流時(shí)，片催化ADP和Pi合成并釋放ATPoF0和片之間有寡霉素敏感蛋白（OSCP），OSCP使ATP合酶在寡霉素存在時(shí)無(wú)作用。線粒體結(jié)構(gòu)1、ATP合酶的結(jié)構(gòu)模式2、ATP的作用機(jī)制誘導(dǎo)契合-結(jié)合變化（卩亞基有0、R、T三種構(gòu)型）ADP*PiATF合酶的工作機(jī)制三、影響氧化磷酸化的

9、因素氧化磷酸化的影響因素有：呼吸鏈抑制劑、解偶聯(lián)劑、氧化磷酸化抑制劑；ADP的調(diào)節(jié)作用、甲狀腺素的作用、線粒體DNA突變。（一）呼吸鏈抑制劑，阻斷電子傳遞。此抑制劑可以停止細(xì)胞內(nèi)呼吸，引起死亡。（1）魚(yú)藤酮、粉蝶霉素A、異戊巴比妥與復(fù)合體I的鐵硫蛋白結(jié)合而阻斷電子傳遞。（2）抗霉素A、二巰基丙醇（BAL）抑制復(fù)合體III中Cytb與Cytq間的電子傳遞。（3）CO、CN-、N3-、H2S抑制復(fù)合體IV（細(xì)胞色素氧化酶），使電子不能傳遞給氧。呼吸鏈抑制劑及部位琥珀酸丙二酸T粉蝶痔素A陶妥霉秦二流基丙薛抗夥素AILSCOB復(fù)合物IIICytb（翊勺偶聯(lián)部位IATPADP+Pi偶聯(lián)部位2ATPADP

10、+PI偶聯(lián)部位3（二）解偶聯(lián)劑（多屬于能通過(guò)膜的陽(yáng)離子載體），使氧化與磷酸化過(guò)程脫離。作用機(jī)制：使呼吸鏈電子傳遞過(guò)程泵出的氫離子不經(jīng)過(guò)ATP合酶的F0質(zhì)子通道回流，而經(jīng)其他途徑返回線粒體基質(zhì)。破壞膜兩側(cè)的電化學(xué)梯度，電化學(xué)梯度儲(chǔ)存的能量以熱能形式散發(fā)。解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體）1、解偶聯(lián)蛋白質(zhì)子通道（釋放熱能）存在于動(dòng)物棕色脂肪組織;2、FFA促進(jìn)質(zhì)子經(jīng)解偶聯(lián)蛋白反流至基質(zhì)。3、二硝基苯酚（DNP）結(jié)合質(zhì)子在膜內(nèi)移動(dòng)。4、其他：游離脂肪酸、水楊酸鹽、雙香豆素。破壞質(zhì)子梯腹解偶聯(lián)劑作用琥珀酸I復(fù)合訕FAI）I唄INADHi復(fù)合物TFMN(FeS)復(fù)合物IIIiTmJ丿非Fq虞子通道

11、返回”釋放熱卸復(fù)合物IVJCvta-CvtJ丿（三）氧化磷酸化抑制劑對(duì)電子傳遞與ADP的磷酸化均抑制。如寡霉素可與ATP合酶片、F0之間柄部的寡霉素敏感蛋白（OSCP）結(jié)合，阻止質(zhì)子從F0通道內(nèi)流合成ATP。質(zhì)子不能內(nèi)流導(dǎo)致膜兩側(cè)電化學(xué)梯度增高，影響質(zhì)子泵的功能，進(jìn)而抑制電子傳遞。如蒼術(shù)苷（酸）：特異抑制ATP/ADP載體（腺苷酸轉(zhuǎn)位酶）。各種抑制劑對(duì)線粒體耗氧量的影響一一實(shí)驗(yàn)過(guò)程：時(shí)間用氧電極測(cè)定氧濃度觀察離體線粒體的耗氧量（二）ADP的調(diào)節(jié)作用正常機(jī)體氧化磷酸化的速率主要受ADP的調(diào)節(jié)：機(jī)體利用ATPfADPfADP進(jìn)入線粒體T氧化磷酸化T。反之ADP不足氧化磷酸化f。這種調(diào)節(jié)可使ATP的

12、生成適應(yīng)生理需要。用極譜法氧電極系統(tǒng)測(cè)量游離線粒體的呼吸過(guò)程氧濃度微摩爾、毫升)時(shí)間(min)（三）甲狀腺素甲狀腺素的作用有兩個(gè)方面：1、促進(jìn)氧化磷酸化：甲狀腺素誘導(dǎo)膜上Na+-K+-ATP酶的合成，促進(jìn)ATP分解為ADP,而促進(jìn)氧化磷酸化。2、甲狀腺素（T3）可以增加解偶聯(lián)蛋白的表達(dá)，引起耗氧合產(chǎn)熱均增加，即基礎(chǔ)代謝率增加。（四）線粒體DNA突變mtDNA是裸露的環(huán)狀雙螺旋，缺乏蛋白質(zhì)的保護(hù)和損傷修復(fù)系統(tǒng)，容易受本身氧化磷酸化過(guò)程產(chǎn)生的氧自由基的損傷而發(fā)生突變。突變率是核內(nèi)DNA的1020倍。mtDNA編碼的基因：呼吸鏈中13條肽鏈、線粒體蛋白合成所需要的22個(gè)tRNA、蛋白合成所需要的2個(gè)

13、rRNA。mtDNA突變可以降低線粒體的功能。mtDNA病的主要問(wèn)題是ATP生成減少引起的癥狀，耗能較多的器官先受累，且隨年齡的增長(zhǎng)而嚴(yán)重。四、ATP能量的儲(chǔ)存的形式生物氧化過(guò)程釋放的能量有約40%以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存于特殊的有機(jī)磷酸化合物中，形成磷酸酯（磷酸酐）。磷酸酯鍵水解放能較多大于21kJ/mol,稱為“高能磷酸鍵”，用“P”表示。在所有高能磷酸化合物中，以ATP分子末端的y磷酸鍵最為重要。（一）常見(jiàn)的高能磷酸化合物通式舉例（kJliNHIIrcnhpo.h2磷酸肌酸-43,9CHIIRC-OPO5H2磷酸肌醇式丙酮酸OIIRCOPO尹2乙酰磷酸&1丄ATP.GTPICTP-30JOHO

14、HO-31.乙酰CoA（二）各種核苷酸之間的轉(zhuǎn)變UTPCTPGTP的生成：二磷酸核首激酶催化，反應(yīng)如下UDPCDPGDPATPADP二磷酸核昔激酶UTPCTPGTP2.體內(nèi)ATP消耗過(guò)多、ADP積累時(shí):ADP+ADP腺昔酸澈醍ATP+AMP（三）磷酸肌酸1、ATP可以將P轉(zhuǎn)移給肌酸生成磷酸肌酸。反應(yīng)可逆。過(guò)程如下:ATPADPJ匸NHPOsHjC=NHQH2COOHHQ甲COOH2、磷酸肌酸是肌肉和腦組織能量的一種儲(chǔ)存形式。（四）ATP的生成和利用生物體能量的生成和利用都是以ATP為中心。體外pH7.0、25C條件下，1摩爾ATP水解為ADP+Pi時(shí)釋放的能量為3O.5kJ,體內(nèi)生理?xiàng)l件下為5

15、0kJ/mol。人體每日經(jīng)ADP/ATP相互轉(zhuǎn)變的量（ATP轉(zhuǎn)換率）非常可觀。靜臥24小時(shí)消耗ATP40kg，運(yùn)動(dòng)時(shí)0.5kg/min。1、ATP的利用ATP循環(huán)（細(xì)胞能量循環(huán)）（1）末端磷酸基的分裂與轉(zhuǎn)移，生成ADP和新的磷酸化物。如激酶催化的反應(yīng)。此時(shí)ATP的磷酸基和部分能量同時(shí)轉(zhuǎn)給新的磷酸化物。（2）ATP水解為ADP+Pi,能量供機(jī)體利用。離子轉(zhuǎn)運(yùn)、肌肉收縮、羧化反應(yīng)。（3）利用ATP的另一個(gè)高能磷酸鍵。生成焦磷酸。如脂酸活化反應(yīng)。2、ATP生成、儲(chǔ)存和利用氧化磷殿化底物水平磷酸化五、通過(guò)線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體基質(zhì)與細(xì)胞液之間有線粒體內(nèi)外膜相隔。線粒體外膜通透性好，允許分子量在10

16、00以內(nèi)的物質(zhì)自由通過(guò)（普通生物膜）。線粒體內(nèi)膜對(duì)各種物質(zhì)的通過(guò)有嚴(yán)格選擇性。幾乎所有的離子、不帶電荷的小分子有機(jī)化合物都不能自由通過(guò)，必須依賴內(nèi)膜上特殊的蛋白。此蛋白少數(shù)是酶，多數(shù)是載體（也稱為轉(zhuǎn)位酶）。載體對(duì)物質(zhì)具有嚴(yán)格的選擇性。內(nèi)膜載體對(duì)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律：一種離子或帶電荷的化合物順濃度梯度向內(nèi)膜一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，必須伴有對(duì)應(yīng)離子或帶電物質(zhì)逆濃度梯度反向轉(zhuǎn)運(yùn)。通常是“一對(duì)一交換”（A-入B-出或A-出B-入）。膜間腔線粒體內(nèi)膜線粒體基質(zhì)ABdL線粒體內(nèi)膜的運(yùn)載體（重要的線粒體轉(zhuǎn)位酶）載體5功能胞液線粒體基質(zhì)Q-酮戊二酸載體蘋(píng)果酸a劇戊二酸酸性氨基酸載體谷氨酸天冬氨酸腺節(jié)酸載體ADPATP磷酸鹽載體

17、PiPi丙酮酸載體丙酮酸OH三竣酸載體蘋(píng)果酸檸檬酸堿性氨基酸載體鳥(niǎo)氨酸瓜氨酸肉產(chǎn)堿載體脂酰肉產(chǎn)堿肉毒堿OJ平衡離子抑制劑1*ADPATP蒼桶2磷駿掘碎喪掘醋越趨0瑤對(duì).氟汞苯甲醸乂琥珀酸、蘋(píng)果酸、丙二酸Pi氯琥JS陸2一丁基丙二酸#檸檬酸、異檸檬麻順烏頭醸薯果酸2-丁基丙二酸、苯423-汛a酮戍一酸蘋(píng)果酸，丙二酸丁基丙二酸、5甲氧酬O耳4一經(jīng)谷氨酸、2-氨基己二!二天專氨醸谷氨醸2氨基己二戰(zhàn)S3磷嚴(yán)甘油磷酸二輕丙圉,|f單向乳丙酮酸4氨4輕肉桂酸*苯丙酮疣四種轉(zhuǎn)位酶的協(xié)同作用（外側(cè)）_-草酰乙酸何咔蹲+蘋(píng)果酸早_|1卜OHKG尊果醸天冬氨氨t上ij蘋(píng)果勰PiL*-nad+S-NADH+H4潭確

18、乙醸MIH谷氨酸OH耳G蘋(píng)果酸谷氨醸卜天冬氨（內(nèi)側(cè)）（一）胞液中NADH的氧化如何進(jìn)入線粒體胞液脫氫產(chǎn)生的還原當(dāng)量（H+e）必須進(jìn)入線粒體氧化，但NADH不能自由透過(guò)線粒體內(nèi)膜。必須借助于其他轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制完成。有兩種機(jī)制可以使NADH進(jìn)入線粒體：a-磷酸甘油穿梭和蘋(píng)果酸-天冬氨酸穿梭。1、a-磷酸甘油穿梭一一存在于腦和骨骼肌NADH+H+NAD+胞液側(cè)ch2oh6=0:H2O0F二軽丙屬CH2OHHOH-CH2O-*a-P-甘油基質(zhì)側(cè)P甘油脫氫雷FAIH2FAD外膜膜間腔內(nèi)膜NADH+H+O02磷釀甘油脫氫酶丙二酸磷NAD+2、蘋(píng)果酸-天冬氨酸穿梭一一存在于肝臟和心肌NADt物質(zhì)氧化OOOOOOO

19、ORO000800QHOOOQOOBOH0800000008工瞑E線s=cooooocoooatwooanxaxuxoooootoooooawcocooo胞液側(cè)內(nèi)膜載體蘋(píng)果釀蘋(píng)果酸脫氫酶NAHH十少A載體O2基質(zhì)側(cè)體A疋88筆O、蘋(píng)果口爾戊二酸草裁乙血（二）腺苷酸載體又稱ATP-ADP載體或ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶。2個(gè)亞基組成的二聚體，每個(gè)亞基3.0kD。ATP與ADP經(jīng)此載體反向交換；同時(shí)胞液中的H2PO4-經(jīng)磷酸鹽載體與H+同向轉(zhuǎn)運(yùn)入線粒體。ATP、ADP、Pi的轉(zhuǎn)運(yùn)內(nèi)膜h2po4h2po4*H+AI)P-ATP4ADP#ATP4”（三）線粒體蛋白質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體蛋白90%是由核DNA編碼的，在線粒體外合成。1、基質(zhì)內(nèi)蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)前體肽鏈在外膜表面由解折疊酶使其空間結(jié)構(gòu)松散；并被外膜上的受體識(shí)別后轉(zhuǎn)移到總插入蛋白；總插入蛋白使蛋白前體從氨基端開(kāi)始進(jìn)入基質(zhì)；基質(zhì)中的加工肽酶切除蛋白前體中的導(dǎo)向信息肽段;形成成熟的基質(zhì)蛋白質(zhì)。2、線粒體內(nèi)膜或膜間隙的蛋白質(zhì)：基質(zhì)中加工肽酶作用后暴露新的氨基端疏水肽段；疏水肽段引導(dǎo)肽連重新穿過(guò)內(nèi)膜；間隙中的酶切除疏水肽段生成成熟蛋白質(zhì)。第二節(jié)其他氧化體系一、需氧脫氫酶和氧化酶：直接以氧為受氫體0（一）