化生導論教程 第十章 生物氧化

第十章生物氧化維持生命活動的能量，主要有兩個來源：光能（太陽能）：植物和某些藻類，通過光合作用將光能轉(zhuǎn)變成生物能?；瘜W能：動物和大多數(shù)的微生物，通過生物氧化作用將有機物質(zhì)（主要是各種光合作用產(chǎn)物）存儲的化學能釋放出來，并轉(zhuǎn)變成生物能。有機物質(zhì)在生物體內(nèi)的氧化作用，稱為生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又稱為呼吸作用。在整個生物氧化過程中，有機物質(zhì)最終被氧化成CO2和水，并釋放出能量。而外源有機物（藥物、毒物等）進入機體后，在微粒體氧化酶系的作用下，將發(fā)生一系列化學變化并形成一些分解產(chǎn)物或衍生物，此種過程稱為生物轉(zhuǎn)化或代謝轉(zhuǎn)化。生物氧化的特點1，生物氧化是在生物細胞內(nèi)進行的酶促氧化過程，反應條件溫和（水溶液，pH7和常溫）。2，氧化進行過程中，必然伴隨生物還原反應的發(fā)生。3，水是許多生物氧化反應的氧供體。通過加水脫氫作用直接參予了氧化反應。4，在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進行的。氧化過程中脫下來的氫質(zhì)子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水。5，生物氧化是一個分步進行的過程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反應的產(chǎn)物都可以分離出來。這種逐步進行的反應模式有利于在溫和的條件下釋放能量，提高能量利用率。6，生物氧化釋放的能量，通過與ATP合成相偶聯(lián)，轉(zhuǎn)換成生物體能夠直接利用的生物能ATP。一般的能量形式，如光能（如太陽能）、熱能和化學能等，都不能為生物細胞直接利用。光能需要通過光合作用轉(zhuǎn)變成ATP(光合磷酸化)；化學能則需要通過生物氧化轉(zhuǎn)變成ATP（氧化磷酸化）。ATP是能夠被生物細胞直接利用的能量形式。高能化合物磷酸酯類化合物在生物體的能量轉(zhuǎn)換過程中起者重要作用。許多磷酸酯類化合物在水解過程中都能夠釋放出自由能。一般將水解時能夠釋放21kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能（G’<-21kJ/mol）的化合物稱為高能化合物。ATP是生物細胞中最重要的高能磷酸酯類化合物。根據(jù)生物體內(nèi)高能化合物鍵的特性可以把他們分成以下幾種類型。1,高能磷酸化合物結構G千焦耳/摩爾G（千卡/摩爾）

磷酸烯醇式丙酮酸

-61.9

14.8

3-磷酸甘油酸磷酸

-49.3

11.8

磷酸肌酸

-43.1

10.3

乙酰基磷酸

-42.3

10.1

三磷酸腺苷

-30.5

7.3第一節(jié)、線粒體呼吸鏈和ATP合成細胞內(nèi)的線粒體是生物氧化的主要場所，主要功能是將代謝物脫下的氫通過多種酶及輔酶所組成的傳遞體系的傳遞，最終與氧結合生成水。由供氫體、傳遞體、受氫體以及相應的酶催化系統(tǒng)組成的這種代謝途徑一般稱為生物氧化還原鏈，當受氫體是氧時，稱為呼吸鏈。一、線粒體呼吸鏈的組成線粒體的功能呼吸鏈各復合體在線粒體內(nèi)膜中的位置復合物I-NADH泛醌還原酶NADHQ還原酶最少含有16個多肽亞基。它的活性部分含有輔基FMN和鐵硫蛋白。FMN的作用是接受脫氫酶脫下來的電子和質(zhì)子，形成還原型FMNH2。還原型FMNH2可以進一步將電子轉(zhuǎn)移給Q。

簡寫為NADHQ還原酶,即復合物I，它的作用是催化NADH的氧化脫氫以及Q的還原。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。②鐵硫蛋白鐵硫蛋白(簡寫為Fe-S)是一種與電子傳遞有關的蛋白質(zhì)，它與NADHQ還原酶的其它蛋白質(zhì)組分結合成復合物形式存在。鐵硫蛋白通過Fe3+

Fe2+

變化起傳遞電子的作用。

泛醌簡寫為Q或輔酶-Q（CoQ）：它是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為一種脂溶性醌類化合物。Q(醌型結構)很容易接受電子和質(zhì)子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出電子和質(zhì)子，重新氧化成Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。

泛醌細胞色素c還原酶簡寫為QH2-cyt.c還原酶,即復合物III,它是線粒體內(nèi)膜上的一種跨膜蛋白復合物，其作用是催化還原型QH2的氧化和細胞色素c（cyt.c）的還原。QH2-cyt.c還原酶由9個多肽亞基組成。活性部分主要包括細胞色素b和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。由于QH2是一個雙電子載體，而參與上述反應過程的其它組分(如cyt.c)都是單電子傳遞體，所以，實際反應情況比較復雜。QH2所攜帶的一個高能電子通過鐵硫蛋白，傳遞給cyt.c，本身形成半醌自由基（QH）；另一個電子則傳遞給cyt.b。還原型cyt.b可以將QH

還原成QH2。其結果是通過一個循環(huán)，QH2將其中的一個電子傳遞給cyt.c。簡寫為cyt.是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環(huán)的中心，構成血紅素。各種細胞色素的輔基結構略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有細胞色素a,b,c和c1等，組成它們的輔基分別為血紅素A、B和C。細胞色素主要是通過Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用的。血紅素A血紅素B血紅素C細胞色素

細胞色素c（cyt.c）它是電子傳遞鏈中一個獨立的蛋白質(zhì)電子載體，位于線粒體內(nèi)膜外表，屬于膜周蛋白，易溶于水。它與細胞色素c1含有相同的輔基，但是蛋白組成則有所不同。在電子傳遞過程中，cyt.c通過Fe3+

Fe2+

的互變起電子傳遞中間體作用。

細胞色素c氧化酶簡寫為cyt.c氧化酶，即復合物IV，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復合物，由12個多肽亞基組成?；钚圆糠种饕╟yt.a和a3。在電子傳遞過程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+

Cu2+

的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2。⑦復合物II-琥珀酸-Q還原酶琥珀酸是生物代謝過程（三羧酸循環(huán)）中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，它在琥珀酸-Q還原酶（復合物II）催化下，將兩個高能電子傳遞給Q。再通過QH2-cyt,c還原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶將電子傳遞到O2。琥珀酸-Q還原酶也是存在于線粒體內(nèi)膜上的蛋白復合物,它比NADH-Q還原酶的結構簡單，由4個不同的多肽亞基組成。其活性部分含有輔基FAD和鐵硫蛋白。

二、氧化-還原電勢與自由能的變化在生物氧化反應中，氧化與還原總是相互偶聯(lián)的。一個化合物（還原劑）失去電子，必然伴隨另一個化合物(氧化劑）接受電子。在線粒體呼吸鏈中，推動電子從NADH傳遞到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+

和1/2O2/H2O兩個半反應之間存在很大的電勢差。(a)?O2+2H++2e-

H2OE0’=+0.82V(b)NAD++H++2e-

NADHE0’=-0.322V將(a)減去(b)，即得(c)式：(c)?O2+NADH+2H+

H2O+NAD+E0’=+1.14VG’=-nFE0’=-2965001.14=-220kJ/mol三、電子傳遞和ATP的合成NADH或琥珀酸所攜帶的高能電子通過線粒體呼吸鏈傳遞到O2的過程中，釋放出大量的能量。這種高能電子傳遞過程的釋能反應與ADP和磷酸合成ATP的需能反應相偶聯(lián)，是ATP形成的基本機制。1,ATP酶復合體線粒體內(nèi)膜的表面有一層規(guī)則地間格排列著的球狀顆粒，稱為ATP酶復合體，是ATP合成的場所。ATPATPATP氧化磷酸化偶聯(lián)部位電子傳遞鏈自由能變化

2，氧化磷酸化的偶聯(lián)機理化學滲透假說：電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時，可將質(zhì)子（H+）從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學梯度儲存能量。當質(zhì)子順濃度梯度回流時驅(qū)動ADP與Pi生成ATP。

線粒體基質(zhì)

線粒體膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP第二節(jié)氧化磷酸化作用的抑制和解偶聯(lián)

能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子流的物質(zhì)稱為電子傳遞抑制劑，已知的抑制劑有以下幾種：

阿米妥、異戊巴比妥魚藤酮、粉蝶霉素A

抗霉素A、二巰基丙醇CO、H2SCN-、N3-1,復合物I抑制劑

魚藤酮（rotenone）、安密妥（amytal）以及殺粉蝶菌素（piericidin），它們的作用是抑制NADH泛醌還原酶，從而阻斷電子由NADH向輔酶Q的傳遞。魚藤酮是一種極毒的植物物質(zhì)，常用作殺蟲劑使用，安密妥用作麻醉藥就是根據(jù)這個原理。2,復合物III抑制劑

抗霉素A（antimycinA）是從鏈霉菌（streptomycesgriseus）中分離出的抗菌素，可以抑制電子從細胞色素b到細胞色素c1傳遞的作用。

3，復合物IV抑制劑

氰化物、硫化氫、疊氮化物和一氧化碳等可以抑制細胞色素c氧化酶，從而阻斷電子由細胞色素aa3傳至氧的作用，這就是氰化物等中毒的原理。4，氧化磷酸化作用的解偶聯(lián)劑

除了上述抑制劑外，還有一類抑制劑可以阻斷氧化磷酸化作用，這類物質(zhì)稱為解偶聯(lián)劑。解偶聯(lián)劑可使正常緊密聯(lián)系著的氧化過程與磷酸化過程發(fā)生松解，甚至完全拆離，相應地使P／O比率下降或變?yōu)榱恪Ｓ捎谘趸俣仍黾佣姿峄饔孟陆?，結果產(chǎn)生過量的熱。在整體的動物過量產(chǎn)熱表現(xiàn)為發(fā)熱及導致由其他代謝紊亂而出現(xiàn)的臨床癥狀，因為ATP相對缺乏，阻滯了某些重要的細胞活動，例如離子的轉(zhuǎn)送，膜的通透性改變等。

常見的解偶聯(lián)劑有2,4—二硝基苯酚(曾用于降體重)、雙香豆素、某些水楊酸苯胺的取代物以至游離的水楊酸，即阿斯匹林的代謝物。從用量多少比較，水楊酸苯胺是目前已知的最強效解偶聯(lián)劑。天然解偶聯(lián)劑包括膽色素、膽紅素、游離脂肪酸，也許還有甲狀腺素。這些物質(zhì)必須在線粒體內(nèi)達到足夠高濃度才起解偶聯(lián)作用。某些病原微生物產(chǎn)生的可溶性毒素也有解偶聯(lián)作用，糧食生產(chǎn)以至家庭使用的某些殺蟲藥，過量時也有解偶聯(lián)作用。

5，解偶聯(lián)蛋白UCP

電子傳遞鏈產(chǎn)生H+跨線粒體內(nèi)膜的勢能。在偶聯(lián)狀態(tài)下，勢能驅(qū)使H+通過ATP合成酶而重新回到線粒體基質(zhì)中，同時將勢能轉(zhuǎn)化為ATP的化學能；而H+也可通過解偶聯(lián)蛋白UCP回到線粒體基質(zhì)，即質(zhì)子滲漏，此途徑不與任何消耗能量的過程相偶聯(lián)，能量以熱能形勢釋放，減少了ATP合成。解偶聯(lián)蛋白UCP在產(chǎn)熱?控制ROS、調(diào)控脂肪酸氧化以及肥胖和糖尿病中起重要作用。已知的UCP包括UCP1?UCP2?UCP3?UCP4?BMCP1等。自由脂肪酸可促進UCP1介導的H+運輸，而嘌呤核苷酸可抑制UCP1活性。

UCP解偶聯(lián)機制

UCP的生物學功能

UCP可產(chǎn)生熱能，減少ATP的合成，因此，UCP在嚙齒類動物中有產(chǎn)生熱量以維持體溫的重要作用。此外，UCP可控制ROS產(chǎn)生和控制脂肪酸氧化中起作用，并且與肥胖和糖尿病的產(chǎn)生有密切關系。UCP與減肥肥胖是冠心病、糖尿病、動脈粥樣硬化、脂代謝紊亂等的主要危險因素。曾有人提出肥胖將成為21世紀人類健康的重要敵人之一。因此尋找有效安全的減肥方法已成為醫(yī)學上重要的課題，而新的減肥藥物的研制和開發(fā)就成為一種必然。UCP可能參與嚙齒類動物的體溫和體重的調(diào)節(jié)，增加這種蛋白的表達或激活該蛋白的解偶聯(lián)的氧化磷酸化(即UCP活化劑）會使能量轉(zhuǎn)化成熱能。UCP活化劑第三節(jié)線粒體與抗氧化自由基與活性氧的來源

自由基廣泛地存在于自然界，種類繁多，在有機體內(nèi)存在的主要是機體內(nèi)的代謝反應產(chǎn)生的氧自由基及其他活性氧，而一些外源化學物質(zhì)在體內(nèi)也會產(chǎn)生自由基，如CCl3自由基、苯自由基等等?；钚匝?activeoxygin)是活潑的氧自由基和具有氧自由基反應性的其他含氧物質(zhì)的總稱，故又稱反應性氧類(reactiveoxygenspecies，ROS)，主要包括：超氧負離子自由基O2–、羥自由基(OH)、脂質(zhì)過氧化物自由基(LOO)等氧自由基，還包括非自由基的單線態(tài)氧(O2)和過氧化氫等活潑的氧類。細胞內(nèi)自由基的來