呼吸链 生物化学

1、第七章生物氧化1、生物氧化（biologicaloxidation）：物质在体内进行氧化称生物氧化。主要指营养物质在体内分解时逐步释放能量，最终生成C02和水的过程。生物氧化又称组织呼吸或细胞呼吸。生物氧化释放的能量：主要（40%以上）用于ADP的磷酸化生成ATP,供生命活动之需。其余以热能形式散发用于维持体温。2、生物氧化内容（1）生物体内代谢物的氧化作用、代谢物脱下的氢与氧结合成水的过程。（2）生物体内二氧化碳的生成。（3）能量的释放、储存、利用（ATP的代谢ATP的生成与利用）。3、生物氧化的方式遵循一般氧化还原规律。（1）失电子：代谢物的原子或离子在代谢中失去电子，其原子正价升高、负价

2、降低都是氧化。（2）脱氢：代谢物脱氢原子（H=H+e）的同时失去电子。（3）加氧：向底物分子直接加入氧原子或氧分子的反应使代谢物价位升高，属于氧化反应。向底物分子加水、脱氢反应的结果是向底物分子加入氧原子，也属于氧化反应。4、生物氧化的特点（1）在温和条件下进行（37C，中性pH等）；（2）在一系列酶催化下完成；（3）能量逐步释放，部分储存在ATP分子中；（4）广泛以加水脱氢方式使物质间接获得氧；（5）水的生成由脱下的氢与氧结合产生；（6）反应在有水环境进行；（7）CO2由有机酸脱羧方式产生。5、物质体外氧化（燃烧）与生物氧化的比较（1）物质体内、体外氧化的相同点：物质在体内外氧化所消耗的氧量

3、、最终产物、和释放的能量均相同。（2）物质体内、体外氧化的区别：体外氧化（燃烧）产生的二氧化碳、水由物质中的碳和氢直接与氧结合生成；能量的释放是瞬间突然释放。5、营养物氧化的共同规律糖类、脂类和蛋白质这三大营养物的氧化分解都经历三阶段：分解成各自的构件分子（组成单位）、降解为乙酰CoA、三羧酸循环。脂肪kTCAC氨基酸J甘油+脂酸乙酰Co蛊葡萄糖/HSCoAADP+Pi2H+2e22e氧化磷酸化CO,第I阶段第II阶段第III阶段第一节ATP生成的体系一、呼吸链（respiratorychain）：代谢物脱下的氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水。这一传递

4、链称呼吸链。又称电子传递链（electrontransportchain）。呼吸链由按一定顺序排列在线粒体内膜上的递氢体、递电子体组成。（一）呼吸链的组成用胆酸或脱氧胆酸处理线粒体内膜，可将呼吸链分离为：四种具有递电子功能的酶复合体：复合体I称NADH一泛醌还原酶（NADH脱氢酶）：复合体II称琥珀酸-泛醌还原酶（琥珀酸脱氢酶）：复合体III称泛醌-细胞色素C还原酶：复合体IV称细胞色素氧化酶（细胞色素aa3）：人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称多肽链数辅基复合体IiSTADH-泛觀还原聽39FMNFe-S复合体11琥5晅眨醞还原酶4FAD,FbS复合体迂酸细龜色素C还原酶刚铁口卜Fe-S复合体

5、IV细胞鱼素cfi化鬣15铁口卜嗦Cu二种游离成分：辅酶Q和细胞色素C不包含在复合体中。1、复合体I将电子从NADH传给CoQ。复合体INADHNAD+中的烟酰胺氮为5价，能接受电子成3价，而其对侧碳原子能进行加氢反应（仅1个氢原子）。（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氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之N（2）FMN的氧化与还原黄素单核苷酸（FMN）含有核黄素（维生素B2），FMN中发挥作用的是异咯嗪环。核黄

6、素与酶的辅基的形成:CHiOHH30.5kJ可合成ATP,AG。，表示pH7时的标准自由能变化，n=2个氧还对反应时传递电子的数目（2）,F是法拉第常数（96.5kJ/mol?V）,AEo,为电位变化。自由能变化的计算举例NADH（H+）的氧化反应：（E。=-032）二受电子的高电位一给电子的低电位=+0.82-（032）=1.14AGfnFAEf96.5X1.14=-220.02kJ/mol从电位差（AEo,）计算AGo，,如果AGo,足以达到合成ATP（释放的自由能30.5kJ/mol）则存在偶联部位。30.5kJ是合成1molATP所需的能量（标准状态），体内条件AG，=-51.6kJ/

7、mol（二）氧化磷酸化偶联机制一一化学渗透学说化学渗透学说要点：1、呼吸链中递氢体与递电子体交替排列，并在膜中有固定位置，催化的反应是定向的，取决于电子走向。2、电子经呼吸链传递时可将质子从线粒体内膜的基质泵到内膜外侧，产生膜内外质子电化学梯度（氢离子浓度梯度和跨膜电位差），以此储存能量。3、当质子顺浓度梯度回流时驱动ATP合酶，利用ADP和Pi合成ATPo说明：电子传递链在线粒体内膜中共构成3个回路，即形成3个氧化还原袢，每个回路均有质子泵。化学渗透假说NADH1-1I2H+nr2H+120.HI+H+NAI+J丿线粒体内膜丙膜外侧(1)(2)(3)兰色箭头示电子传递方向呼吸链模式化学渗透假

8、说详细示意图18液髓屮h+cATPATP合酶(复合体V)ATP合酶(ATPsynthase)三联体:Fi：亲水部分，位于线粒体内膜的基质侧，含有5种肽链、9个甲基（a3卩3Y為）。功能是催化ATP的生成。催化部位在卩亚基，但必须与a亚基结合才有活性。F0：疏水部分，镶嵌在线粒体内膜中的H+通道。当H+顺浓度梯度经F0回流时，片催化ADP和Pi合成并释放ATPoF0和片之间有寡霉素敏感蛋白（OSCP），OSCP使ATP合酶在寡霉素存在时无作用。线粒体结构1、ATP合酶的结构模式2、ATP的作用机制诱导契合-结合变化（卩亚基有0、R、T三种构型）ADP*PiATF合酶的工作机制三、影响氧化磷酸化的

9、因素氧化磷酸化的影响因素有：呼吸链抑制剂、解偶联剂、氧化磷酸化抑制剂；ADP的调节作用、甲状腺素的作用、线粒体DNA突变。（一）呼吸链抑制剂，阻断电子传递。此抑制剂可以停止细胞内呼吸，引起死亡。（1）鱼藤酮、粉蝶霉素A、异戊巴比妥与复合体I的铁硫蛋白结合而阻断电子传递。（2）抗霉素A、二巯基丙醇（BAL）抑制复合体III中Cytb与Cytq间的电子传递。（3）CO、CN-、N3-、H2S抑制复合体IV（细胞色素氧化酶），使电子不能传递给氧。呼吸链抑制剂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复合物IIICytb（翊勺偶联部位IATPADP+Pi偶联部位2ATPADP

10、+PI偶联部位3（二）解偶联剂（多属于能通过膜的阳离子载体），使氧化与磷酸化过程脱离。作用机制：使呼吸链电子传递过程泵出的氢离子不经过ATP合酶的F0质子通道回流，而经其他途径返回线粒体基质。破坏膜两侧的电化学梯度，电化学梯度储存的能量以热能形式散发。解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）1、解偶联蛋白质子通道（释放热能）存在于动物棕色脂肪组织;2、FFA促进质子经解偶联蛋白反流至基质。3、二硝基苯酚（DNP）结合质子在膜内移动。4、其他：游离脂肪酸、水杨酸盐、双香豆素。破坏质子梯腹解偶联剂作用琥珀酸I复合讪FAI）I呗INADHi复合物TFMN(FeS)复合物IIIiTmJ丿非Fq虞子通道

11、返回”释放热卸复合物IVJCvta-CvtJ丿（三）氧化磷酸化抑制剂对电子传递与ADP的磷酸化均抑制。如寡霉素可与ATP合酶片、F0之间柄部的寡霉素敏感蛋白（OSCP）结合，阻止质子从F0通道内流合成ATP。质子不能内流导致膜两侧电化学梯度增高，影响质子泵的功能，进而抑制电子传递。如苍术苷（酸）：特异抑制ATP/ADP载体（腺苷酸转位酶）。各种抑制剂对线粒体耗氧量的影响一一实验过程：时间用氧电极测定氧浓度观察离体线粒体的耗氧量（二）ADP的调节作用正常机体氧化磷酸化的速率主要受ADP的调节：机体利用ATPfADPfADP进入线粒体T氧化磷酸化T。反之ADP不足氧化磷酸化f。这种调节可使ATP的

12、生成适应生理需要。用极谱法氧电极系统测量游离线粒体的呼吸过程氧浓度微摩尔、毫升)时间(min)（三）甲状腺素甲状腺素的作用有两个方面：1、促进氧化磷酸化：甲状腺素诱导膜上Na+-K+-ATP酶的合成，促进ATP分解为ADP,而促进氧化磷酸化。2、甲状腺素（T3）可以增加解偶联蛋白的表达，引起耗氧合产热均增加，即基础代谢率增加。（四）线粒体DNA突变mtDNA是裸露的环状双螺旋，缺乏蛋白质的保护和损伤修复系统，容易受本身氧化磷酸化过程产生的氧自由基的损伤而发生突变。突变率是核内DNA的1020倍。mtDNA编码的基因：呼吸链中13条肽链、线粒体蛋白合成所需要的22个tRNA、蛋白合成所需要的2个

13、rRNA。mtDNA突变可以降低线粒体的功能。mtDNA病的主要问题是ATP生成减少引起的症状，耗能较多的器官先受累，且随年龄的增长而严重。四、ATP能量的储存的形式生物氧化过程释放的能量有约40%以化学能的形式储存于特殊的有机磷酸化合物中，形成磷酸酯（磷酸酐）。磷酸酯键水解放能较多大于21kJ/mol,称为“高能磷酸键”，用“P”表示。在所有高能磷酸化合物中，以ATP分子末端的y磷酸键最为重要。（一）常见的高能磷酸化合物通式举例（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）各种核苷酸之间的转变UTPCTPGTP的生成：二磷酸核首激酶催化，反应如下UDPCDPGDPATPADP二磷酸核昔激酶UTPCTPGTP2.体内ATP消耗过多、ADP积累时:ADP+ADP腺昔酸澈醍ATP+AMP（三）磷酸肌酸1、ATP可以将P转移给肌酸生成磷酸肌酸。反应可逆。过程如下:ATPADPJ匸NHPOsHjC=NHQH2COOHHQ甲COOH2、磷酸肌酸是肌肉和脑组织能量的一种储存形式。（四）ATP的生成和利用生物体能量的生成和利用都是以ATP为中心。体外pH7.0、25C条件下，1摩尔ATP水解为ADP+Pi时释放的能量为3O.5kJ,体内生理条件下为5

15、0kJ/mol。人体每日经ADP/ATP相互转变的量（ATP转换率）非常可观。静卧24小时消耗ATP40kg，运动时0.5kg/min。1、ATP的利用ATP循环（细胞能量循环）（1）末端磷酸基的分裂与转移，生成ADP和新的磷酸化物。如激酶催化的反应。此时ATP的磷酸基和部分能量同时转给新的磷酸化物。（2）ATP水解为ADP+Pi,能量供机体利用。离子转运、肌肉收缩、羧化反应。（3）利用ATP的另一个高能磷酸键。生成焦磷酸。如脂酸活化反应。2、ATP生成、储存和利用氧化磷殿化底物水平磷酸化五、通过线粒体内膜的物质转运线粒体基质与细胞液之间有线粒体内外膜相隔。线粒体外膜通透性好，允许分子量在10

16、00以内的物质自由通过（普通生物膜）。线粒体内膜对各种物质的通过有严格选择性。几乎所有的离子、不带电荷的小分子有机化合物都不能自由通过，必须依赖内膜上特殊的蛋白。此蛋白少数是酶，多数是载体（也称为转位酶）。载体对物质具有严格的选择性。内膜载体对物质的转运规律：一种离子或带电荷的化合物顺浓度梯度向内膜一侧转运时，必须伴有对应离子或带电物质逆浓度梯度反向转运。通常是“一对一交换”（A-入B-出或A-出B-入）。膜间腔线粒体内膜线粒体基质ABdL线粒体内膜的运载体（重要的线粒体转位酶）载体5功能胞液线粒体基质Q-酮戊二酸载体苹果酸a剧戊二酸酸性氨基酸载体谷氨酸天冬氨酸腺节酸载体ADPATP磷酸盐载体

17、PiPi丙酮酸载体丙酮酸OH三竣酸载体苹果酸柠檬酸碱性氨基酸载体鸟氨酸瓜氨酸肉產碱载体脂酰肉產碱肉毒碱OJ平衡离子抑制剂1*ADPATP苍桶2磷駿掘碎喪掘醋越趨0瑤对.氟汞苯甲醸乂琥珀酸、苹果酸、丙二酸Pi氯琥JS陆2一丁基丙二酸#柠檬酸、异柠檬麻顺乌头醸薯果酸2-丁基丙二酸、苯423-汛a酮戍一酸苹果酸，丙二酸丁基丙二酸、5甲氧酬O耳4一经谷氨酸、2-氨基己二!二天專氨醸谷氨醸2氨基己二战S3磷嚴甘油磷酸二轻丙圉,|f单向乳丙酮酸4氨4轻肉桂酸*苯丙酮疣四种转位酶的协同作用（外侧）_-草酰乙酸何咔蹲+苹果酸早_|1卜OHKG尊果醸天冬氨氨t上ij苹果勰PiL*-nad+S-NADH+H4潭確

18、乙醸MIH谷氨酸OH耳G苹果酸谷氨醸卜天冬氨（内侧）（一）胞液中NADH的氧化如何进入线粒体胞液脱氢产生的还原当量（H+e）必须进入线粒体氧化，但NADH不能自由透过线粒体内膜。必须借助于其他转运机制完成。有两种机制可以使NADH进入线粒体：a-磷酸甘油穿梭和苹果酸-天冬氨酸穿梭。1、a-磷酸甘油穿梭一一存在于脑和骨骼肌NADH+H+NAD+胞液侧ch2oh6=0:H2O0F二軽丙屬CH2OHHOH-CH2O-*a-P-甘油基质侧P甘油脱氢雷FAIH2FAD外膜膜间腔内膜NADH+H+O02磷釀甘油脱氢酶丙二酸磷NAD+2、苹果酸-天冬氨酸穿梭一一存在于肝脏和心肌NADt物质氧化OOOOOOO

19、ORO000800QHOOOQOOBOH0800000008工瞑E线s=cooooocoooatwooanxaxuxoooootoooooawcocooo胞液侧内膜载体苹果釀苹果酸脱氢酶NAHH十少A载体O2基质侧体A疋88笔O、苹果口爾戊二酸草裁乙血（二）腺苷酸载体又称ATP-ADP载体或ATP-ADP转位酶。2个亚基组成的二聚体，每个亚基3.0kD。ATP与ADP经此载体反向交换；同时胞液中的H2PO4-经磷酸盐载体与H+同向转运入线粒体。ATP、ADP、Pi的转运内膜h2po4h2po4*H+AI)P-ATP4ADP#ATP4”（三）线粒体蛋白质的跨膜转运线粒体蛋白90%是由核DNA编码的，在线粒体外合成。1、基质内蛋白质：蛋白质前体肽链在外膜表面由解折叠酶使其空间结构松散；并被外膜上的受体识别后转移到总插入蛋白；总插入蛋白使蛋白前体从氨基端开始进入基质；基质中的加工肽酶切除蛋白前体中的导向信息肽段;形成成熟的基质蛋白质。2、线粒体内膜或膜间隙的蛋白质：基质中加工肽酶作用后暴露新的氨基端疏水肽段；疏水肽段引导肽连重新穿过内膜；间隙中的酶切除疏水肽段生成成熟蛋白质。第二节其他氧化体系一、需氧脱氢酶和氧化酶：直接以氧为受氢体0（一）