生物氧化2 完整版

生物氧化biologicaloxidation內(nèi)容提綱概述ATP的生成和儲存利用氧化呼吸鏈

呼吸鏈的組成及其作用

體內(nèi)重要的呼吸鏈氧化磷酸化概念、偶聯(lián)部位及機制影響因素線粒體內(nèi)膜對物質(zhì)的轉(zhuǎn)運其他氧化和抗氧化體系2第四節(jié)氧化磷酸化氧化磷酸化概念偶聯(lián)部位偶聯(lián)機制影響因素線粒體內(nèi)膜對物質(zhì)的轉(zhuǎn)運3TheOxidativePhosphorylation一、概念氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在生物氧化過程中，代謝物脫下的氫經(jīng)呼吸鏈氧化生成水的同時，所釋放的能量驅(qū)動ADP磷酸化生成ATP，這是氧化與磷酸化相偶聯(lián)的過程。又稱為電子傳遞水平磷酸化、偶聯(lián)磷酸化。氧化磷酸化是體內(nèi)生成ATP的最主要方式。4兩個過程的偶聯(lián)：即還原當(dāng)量的氧化過程和ADP磷酸化過程二、氧化磷酸化偶聯(lián)部位5

根據(jù)P/O比值和自由能變化，可以大致確定氧化磷酸化的偶聯(lián)部位，即ATP生成的部位。(一)P/O比值(P/Oratio)指物質(zhì)氧化時，每消耗1摩爾氧原子所消耗無機磷的摩爾數(shù)（或ADP摩爾數(shù)），即生成的ATP數(shù)。6ADP+PiATP2H→→→OH2O？n

＝nnn

根據(jù)上述實驗結(jié)果，推定NADH與Q之間（復(fù)合體I），Q與Cytc之間（復(fù)合體III）和復(fù)合體IV存在著偶聯(lián)部位線粒體離體實驗測得的一些底物的P/O比值7底物呼吸鏈的組成P/O比值生成ATP數(shù)β-羥丁酸NADH→復(fù)合體I→Q→復(fù)合體III→Cytc→復(fù)合體IV→O22.4~2.82.5琥珀酸復(fù)合體II→Q→復(fù)合體III→Cytc→復(fù)合體IV→O21.71.5抗壞血酸Cytc→復(fù)合體IV→O20.881細(xì)胞色素C（Fe2+)復(fù)合體IV→O20.61~0.681根據(jù)熱力學(xué)公式，pH7.0時標(biāo)準(zhǔn)自由能變化(⊿G)與還原電位變化(⊿E)之間有以下關(guān)系：⊿G=-nF⊿E8n為傳遞電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)(96.5kJ/mol·V)(二)自由能變化電子傳遞鏈自由能變化

區(qū)段電位變化(⊿E)自由能變化⊿G=-nF⊿E能否生成ATP(⊿G是否大于30.5kJ)NAD+~CoQ0.36V69.5kJ/mol能CoQ~Cytc0.19V36.7kJ/mol能Cytaa3~O20.58V112kJ/mol能ATPATPATP氧化磷酸化偶聯(lián)部位9~PNADH2FMN(Fe-S)CoQCytbCytc1CytcCytaa3?O2ADPATPFP(FAD)(Fe-S)~PADPATP~PADPATP10三、氧化磷酸化偶聯(lián)機制11３種假說：構(gòu)象偶聯(lián)假說認(rèn)為電子傳遞過程中使線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)發(fā)生構(gòu)象變化，構(gòu)象恢復(fù)時釋放能量用于合成ATP?；瘜W(xué)偶聯(lián)假說認(rèn)為電子傳遞過程中產(chǎn)生一種活潑的高能共價中間物?；瘜W(xué)滲透假說【英】PeterMitchell1961年提出，1978年獲諾貝爾化學(xué)獎。（一）化學(xué)滲透假說12基本要點是：呼吸鏈中復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ具有質(zhì)子泵功能，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)膜外側(cè)，由于內(nèi)膜對質(zhì)子的不通透特性，造成膜內(nèi)、外質(zhì)子電化學(xué)梯度，以此儲存能量。當(dāng)質(zhì)子順梯度回流時驅(qū)動ADP與Pi生成ATP。(chemiosmotichypothesis)氧化磷酸化依賴于完整封閉的線粒體內(nèi)膜；線粒體內(nèi)膜對H+、OH－、K＋、Cl－離子是不通透的；電子傳遞鏈可驅(qū)動質(zhì)子移出線粒體，形成可測定的跨內(nèi)膜電化學(xué)梯度；增加線粒體內(nèi)膜外側(cè)酸性可導(dǎo)致ATP合成，而b阻止質(zhì)子從基質(zhì)泵出，可降低內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子梯度，結(jié)果電子仍可以傳遞，但ATP生成減少?！?/p>

化學(xué)滲透假說已經(jīng)得到廣泛的實驗支持。13線粒體基質(zhì)

線粒體內(nèi)膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化學(xué)滲透假說簡單示意圖141.ATP合酶的組成和功能F1：親水部分（動物：α3β3γδε亞基復(fù)合體，OSCP、IF1等亞基），線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)顆粒狀突起，催化ATP合成。

Fo：疏水部分（ab2c9~12亞基，動物還有其他輔助亞基），鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，形成跨內(nèi)膜質(zhì)子通道（二）ATP合酶(ATPsynthase)15o：oligomycinsensitive

寡霉素敏感ATP合酶（ATPsynthase）結(jié)構(gòu)模式圖16★

ATP合酶組成可旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機樣結(jié)構(gòu)Fo的2個b亞基的一端錨定a亞基，另一端通過F1的δ和α3β3穩(wěn)固結(jié)合，使a、b2和α3β3、δ亞基組成穩(wěn)定的定子部分。部分γ和ε亞基共同形成穿過α3β3間中軸，γ還與1個β亞基疏松結(jié)合作用，下端與嵌入內(nèi)膜的c亞基環(huán)緊密結(jié)合。c亞基環(huán)、γ和ε亞基組成轉(zhuǎn)子部分。質(zhì)子順梯度向基質(zhì)回流時，轉(zhuǎn)子部分相對定子部分旋轉(zhuǎn)，使ATP合酶利用釋放的能量合成ATP。

17質(zhì)子通過ATP合酶Fo順濃度梯度回流使F1γ亞基旋轉(zhuǎn)18c環(huán)與γ、ε亞基緊密相連，當(dāng)c環(huán)旋轉(zhuǎn)時會帶動γ亞基旋轉(zhuǎn)。胞質(zhì)半通道基質(zhì)半通道H+發(fā)動機結(jié)構(gòu)：定子：a、b2、α3β3、δ

轉(zhuǎn)子：c環(huán)與γ、ε亞基當(dāng)H+順濃度遞度經(jīng)Fo中a亞基和c亞基之間回流時，γ亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個β亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。ATP合酶的工作機制L:疏松型T:緊密型O:開放型2.ATP合酶的工作機制191997年諾貝爾化學(xué)獎PaulD.BoyerⅢⅠⅡⅣFo

F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+H+胞質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè)++++++++++---------化學(xué)滲透假說詳細(xì)示意圖20三、影響氧化磷酸化的因素1.氧化磷酸化的抑制劑①電子傳遞抑制劑：阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞

②解偶聯(lián)劑：

破壞內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子電化學(xué)梯度，從而使氧化與磷酸化偶聯(lián)過程脫離

③ATP合酶抑制劑：對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用21復(fù)合體Ⅰ抑制劑：魚藤酮、粉蝶霉素A及異戊巴比妥等阻斷傳遞電子到泛醌

。復(fù)合體Ⅱ的抑制劑：萎銹靈。復(fù)合體Ⅲ抑制劑：抗霉素A阻斷CytbH傳遞電子到泛醌(QN)

；黏噻唑菌醇則作用QP位點。復(fù)合體Ⅳ抑制劑：

CN－、N3－緊密結(jié)合氧化型Cyta3，阻斷電子由Cyta到CuB-Cyta3間傳遞。CO與還原型Cyta3結(jié)合，阻斷電子傳遞給O2。①電子傳遞抑制劑22各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc1Cytaa3O2魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥×抗霉素A黏噻唑菌醇×CO、CN-、N3-及H2S××萎銹靈23Cytc常見的解偶聯(lián)劑：二硝基苯酚（DNP），解偶聯(lián)蛋白。

作用機制：

H＋膜內(nèi)外電化學(xué)梯度電子傳遞使H＋跨膜轉(zhuǎn)移H＋經(jīng)ATP合酶的Fo單元回流ATP合成H＋經(jīng)從其它途徑回流能量以熱能散失，不能合成ATP②解偶聯(lián)劑24解偶聯(lián)蛋白（UCP）作用機制（棕色脂肪組織線粒體）胞質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè)25Ⅲ

ⅠⅡFo

F1

Ⅳ

CytcQ解偶聯(lián)蛋白熱能H+H+ADP+PiATP給實驗大鼠注射DNP（二硝基苯酚）后大鼠體溫明顯升高，其機制何在？注：DNP為脂溶性物質(zhì)，可使線粒體內(nèi)膜通透性增高。?!答：DNP為解偶聯(lián)物質(zhì)，破壞內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子電化學(xué)梯度，從而使氧化與磷酸化偶聯(lián)過程脫離，能量以熱能的形式釋放。Q1生物氧化③ATP合酶抑制劑——寡霉素(oligomycin)和二環(huán)乙基碳二亞胺（DCCD）

可阻止質(zhì)子從Fo質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成27ⅢⅠⅡFo

F1ⅣCytcQ胞質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè)H+H+ADP+PiATP寡霉素化學(xué)滲透示意圖及各種抑制劑對電子傳遞鏈的影響281.氧化磷酸化的抑制劑2.ADP和ATP濃度的調(diào)節(jié)（體內(nèi)能量狀態(tài)）能量缺乏→ADP/ATP↑→氧化磷酸化↑3.甲狀腺激素Na+,K+–ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)均增加。4.線粒體DNA突變的影響可影響氧化磷酸化功能，與線粒體DNA疾病及衰老有關(guān)。29影響氧化磷酸化的因素：不同底物和抑制劑對線粒體氧耗的影響30四、線粒體內(nèi)膜對物質(zhì)的轉(zhuǎn)運31線粒體外膜通透性高，線粒體對物質(zhì)通過的選擇性主要依賴于內(nèi)膜中不同轉(zhuǎn)運蛋白(transporter)對各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運。外膜：小分子物質(zhì)、離子、氣體等均可通過，蛋白質(zhì)不能通過。內(nèi)膜：大多數(shù)小分子物質(zhì)及離子不能自由通過。O2等氣體可通過。內(nèi)膜上有：構(gòu)成呼吸鏈的四種復(fù)合體、ATP合酶、ADP-ATP轉(zhuǎn)位酶、其它轉(zhuǎn)運體?；|(zhì)：丙酮酸脫氫酶復(fù)合體、三羧酸循環(huán)的酶、脂酸β氧化的酶、氨基酸氧化的酶、其它酶、mtDNA、核糖體、ATP、ADP、Pi、Mg2+、Ca2+、K+、許多可溶性代謝中間產(chǎn)物32轉(zhuǎn)運蛋白進(jìn)入線粒體出線粒體ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶ADP3-ATP4-磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白H2PO4-+H+二羧酸轉(zhuǎn)運蛋白HPO42-蘋果酸α-酮戊二酸轉(zhuǎn)運蛋白蘋果酸α-酮戊二酸天冬氨酸-谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白谷氨酸天冬氨酸單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白丙酮酸OH-三羧酸轉(zhuǎn)運蛋白蘋果酸檸檬酸堿性氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白鳥氨酸瓜氨酸肉堿轉(zhuǎn)運蛋白脂酰肉堿肉堿線粒體內(nèi)膜的某些轉(zhuǎn)運蛋白對代謝物的轉(zhuǎn)運33（一）胞質(zhì)中NADH的氧化34胞質(zhì)中NADH需轉(zhuǎn)運進(jìn)入線粒體，才能進(jìn)行氧化磷酸化。

轉(zhuǎn)運機制主要有：

α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)

蘋果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)1.α-磷酸甘油穿梭機制主要存在于腦和骨骼肌中35

NADH+H+FADH2NAD+FAD

線粒體內(nèi)膜

線粒體外膜膜間腔

線粒體基質(zhì)α-磷酸甘油脫氫酶呼吸鏈

磷酸二羥丙酮α-磷酸甘油線粒體α-磷酸甘油脫氫酶362.蘋果酸-天冬氨酸穿梭機制主要存在于肝、腎和心肌細(xì)胞中37NADH+H+NAD+NADH+H+NAD+谷氨酸-天冬氨酸轉(zhuǎn)運體蘋果酸-α-酮戊二酸轉(zhuǎn)運體蘋果酸草酰乙酸α-酮戊二酸谷氨酸蘋果酸脫氫酶谷草轉(zhuǎn)氨酶胞質(zhì)側(cè)線粒體內(nèi)膜線粒體基質(zhì)側(cè)呼吸鏈天冬氨酸38（二）ADP和ATP的轉(zhuǎn)運39線粒體內(nèi)膜胞質(zhì)側(cè)線粒體基質(zhì)側(cè)腺苷酸轉(zhuǎn)運蛋白（腺苷轉(zhuǎn)位酶）磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白H2PO4-H2PO4-H+H+ADP3-ATP4-ATP4-ADP3-H2O40第五節(jié)其他氧化和抗氧化體系

活性氧產(chǎn)生

抗氧化酶體系超氧化物歧化酶過氧化氫酶谷胱甘肽過氧化物酶

微粒體細(xì)胞色素P450單加氧酶41TheOthersOxidativeandAntioxidantsystem

體內(nèi)生物氧化過程中可產(chǎn)生一系列氧化功能很強的氧化物，如·O2-

、H2O2、羥自由基等（?OH），統(tǒng)稱為活性氧類（reactiveoxygenspecies，ROS）。O2

·O2-

H2O2·OH

H2Oe-e-+2H+e-+H+e-+H+H2O一、活性氧產(chǎn)生42ROS主要來源43線粒體：超氧陰離子·O2-，是體內(nèi)·O2-的主要來源；·O2-在線粒體中再生成H2O2和·OH。過氧化酶體：FAD將從脂肪酸等底物獲得的電子交給O2生成H2O2和羥自由基·OH。胞質(zhì)需氧脫氫酶（如黃嘌呤氧化酶等）也可催化生成·O2-。細(xì)菌感染、組織缺氧等病理過程，環(huán)境、藥物等外源因素也可導(dǎo)致細(xì)胞產(chǎn)生活性氧類。

活性氧類化學(xué)性質(zhì)活潑，可引起蛋白質(zhì)、核酸、磷脂等的氧化損傷，造成生物膜損傷，甚至破壞細(xì)胞的正常結(jié)構(gòu)和功能，從而引起相應(yīng)疾病。機體可以通過抗氧化體系及時清除活性氧，防止其累積造成有害影響。44二、抗氧化酶體系451.超氧化物歧化酶2.過氧化氫酶3.谷胱甘肽過氧化物酶1.超氧化物歧化酶

(superoxidedismutase，SOD)462·O2ˉ+2H+SODH2O2+O2存在于所有重要的需氧組織中作用：消除超氧陰離子輔基：Cu2+,Zn2+

（胞外、胞質(zhì)）Mn2+（真核細(xì)胞線粒體和原核細(xì)胞