第七章 生物氧化 1、生物氧化：物質(zhì)在體內(nèi)進行氧化稱生物氧化。 主要指營養(yǎng)物質(zhì)在體內(nèi)分解時逐步釋放能量，最終生成 CO2和水的過程。 生物氧化又稱組織呼吸或細胞呼吸。 生物氧化釋放的能量：主要用于 ADP 的磷酸化生成 ATP ，供生命活動之需。 其余以熱能形式散發(fā)用于維持體溫。 2、生物氧化內(nèi)容 生物體內(nèi)代謝物的氧化作用、代謝物脫下的氫與氧結(jié)合成水的過程。 生物體內(nèi)二氧化碳的生成。 能量的釋放、儲存、利用 。 3、生物氧化的方式 —— 遵循一般氧化還原規(guī)律。 失電子：代謝物的原子或離子在代謝中失去電子，其原子正價升高、負價降低都是氧化。 脫氫：代謝物脫氫原子的同時失去電子。 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 在溫和條件下進行； 在一系列酶催化下完成； 能量逐步釋放，部分儲存在 A TP 分子中； 廣泛以加水脫氫方式使物質(zhì)間接獲得氧； 水的生成由脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生； 反應(yīng)在有水環(huán)境進行； CO2 由有機酸脫羧方式產(chǎn)生。 5、物質(zhì)體外氧化與生物氧化的比較 物質(zhì)體內(nèi)、體外氧化的相同點： 物質(zhì)在體內(nèi)外氧化所消耗的氧量、最終產(chǎn)物、和釋放的能量均相同。 物質(zhì)體內(nèi)、體外氧化的區(qū)別： 體外氧化產(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、營養(yǎng)物氧化的共同規(guī)律 糖類、脂類和蛋白質(zhì)這三大營養(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 、降解為乙酰 CoA 、三羧酸循環(huán)。 第一節(jié) ATP 生成的體系 一、呼吸鏈： 代謝物脫下的氫原子通過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 一傳遞鏈稱呼吸鏈。又稱電子傳遞鏈。 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。 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： 復(fù)合體Ⅱ —— 稱琥珀酸 - 泛醌還原酶 ： 復(fù)合體Ⅲ —— 稱泛醌 -細胞色素 C 還原酶： 復(fù)合體Ⅳ —— 稱細胞色素氧化酶： 二種游離成分： 輔酶 Q 和細胞色素 C 不包含在復(fù)合體中。 1、復(fù)合體Ⅰ —— 將電子從 NADH 傳給 CoQ 。 NAD + 中的煙酰胺氮為 5價，能接受電子成 3價，而其對側(cè)碳原子能進行加氫反應(yīng)。 NAD + 和 NADP + FMN 的氧化與還原 黃素單核苷酸含有核黃素， FMN 中發(fā)揮作用的是異咯嗪環(huán)。 核黃素與酶的輔基的形成： 核黃素氧化還原機制： 鐵硫蛋白與鐵硫中心 Fe-S 含有等量的鐵原子與硫原子；通過鐵原子與鐵硫蛋白中的半胱氨酸殘基的硫相連。 其鐵原子可以進行氧化還原反應(yīng)傳遞電子。 復(fù)合體Ⅰ的功能 泛醌 輔酶 Q 是一種脂溶性醌類化合物；含有一個較長的側(cè)鏈，疏水性強。 其側(cè)鏈由多個異戊間二烯組成，人的 CoQ 由10個異戊間二烯組成。 泛醌可以接受或脫去 1個電子和 1個質(zhì)子參與氧化還原。 泛醌參與氧化還原機制： 2、復(fù)合體Ⅱ —— 將電子從琥珀酸傳遞給 CoQ 。含如下成分： 含黃素蛋白、鐵硫蛋白、細胞色素 b560。 細胞色素是一類催化電子傳遞的酶，以鐵卟啉為輔基，均有特殊的吸收光譜而呈顏色。 根據(jù)吸收光譜的不同，參與呼吸鏈的 Cyt 有 3類： Cyt a 、Cyt b 、Cyt c ；根據(jù)最大吸收峰的差別分為若干 3、復(fù)合體Ⅲ —— 將電子從泛醌傳遞給細胞色素 C 。 、 Cyt b ）、細胞色素 c 、鐵硫蛋白。 2種細胞色素 b 呼吸鏈成分的排列順序 —— 確定呼吸鏈排列順序的方法： 1、根據(jù)各組分的 EO′從低到高排列 —— 電位低容易失去電子 。 2、在體外將呼吸鏈拆開重組 —— 鑒定 4種復(fù)合體的組成與排列順序。 3、利用呼吸鏈特異阻斷劑阻斷電子傳遞 —— 阻斷部位以前的處于還原狀態(tài)， 后面的組分處于氧化狀態(tài)， 根據(jù)吸收光譜的改變檢測。 4、以離體線粒體的還原態(tài)對照 —— 緩慢給氧，通過光譜觀察各組分的氧化順序。 氧化 - 還原對 —— 參加氧化還原反應(yīng)的每種物質(zhì)都有氧化型和還原型兩種形式： 如： AH 2十 B←→A 十 BH 2；式中 AH 2/或 BH 2是還原型 ，A 和 B 是氧化型 。 一物質(zhì)的氧化型／還原型構(gòu)成氧化還原對，氧化還原對是 2 2 共扼的。氧 -還對供出電子趨勢的大小，可用標準氧化還原電位 Eo′表示。 標準氧化還原電位—— 成對的氧化型 /還原型物質(zhì)的濃度為 1摩爾，在 PH7.0 ，25℃時組成 半電池，以規(guī)定的標準氫電極做參比測得的電位。 o 相比，某氧 - 還對氧化還原能力的大?。?E ′值表示的是同 H+/H 2 1）Eo ′是負值，表示此氧 -還對易供出電子而被氧化，是還原劑； 2 ）E ′是正值，表示此氧 -還對易獲得電子而被還原，是氧化劑。 標準氫電極與生物化學(xué)規(guī)定的標準氫電極 1）標準氫電極：白金電極放入氫離子濃度為 1摩爾 /升的溶液，與 1大氣壓的氫氣平衡，此電極電位定為 0伏特，作為參比電極 E 。 2 ）生物化學(xué)上規(guī)定：加入 pH=7.0 的條件，將氫電極濃度定為 10-7mol/L ，測得的電位是 Eo ′。 電位測定裝置 2、兩條氧化呼吸鏈及其排列順序 3、呼吸鏈電子傳遞過程 4、重要代謝物進入呼吸鏈的途徑 二、氧化磷酸化 ATP 是機體主要供能物質(zhì)。 ATP 形成的主要方式是氧化磷酸化：呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián) ADP 磷酸化生成 ATP 。 ATP 的另外形成方式是底物水平磷酸化：直接將代謝物分子中的能量轉(zhuǎn)移到 ADP 生成 ATP 。 氧化磷酸化的偶聯(lián)部位 —— ATP 生成的部位 偶聯(lián)部位的確定方法如下： 1、P/O 比值：物質(zhì)氧化過程中每消耗 1摩爾氧原子所消耗的無機磷或 ADP 的摩爾數(shù)。 此數(shù)值代表 ATP 的生成數(shù)。 P/O 的測定方法： 將底物、 ADP 、 H 、Mg 2+ 和分離較為完整的線粒體在模擬細胞內(nèi)液的環(huán)境中相互作用；測定 O 和 3 PO4 2 H PO 的消耗量，可以計算 P/O，確定偶聯(lián)部位。 3 4 2、自由能變化 o o o ΔG ′=- nF ΔE ′＞30.5kJ 可合成 ATP ， ΔG ′表示 pH7 時的標準自由能變化， n=2個氧還對反應(yīng)時傳遞電子 的數(shù)目，F(xiàn) 是法拉第常數(shù)， ΔE ′為電位變化。 自由能變化的計算舉例 —— NADH 的氧化反應(yīng)： o o o 從電位差計算 ΔG ′，如果 ΔG ′足以達到合成 ATP 則存在偶聯(lián) 部位。 30.5kJ 是合成 1molATP 所需的能量 ，體內(nèi)條件 ΔGo ′=-51.6kJ/mol 氧化磷酸化偶聯(lián)機制 —— 化學(xué)滲透學(xué)說 化學(xué)滲透學(xué)說要點： 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 2、電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時可將質(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 ，以此儲存能量。 3、當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時驅(qū)動 A TP 合酶，利用 ADP 和 Pi 合成 ATP 。 電子傳遞鏈在線粒體內(nèi)膜中共構(gòu)成 3個回路，即形成 3個氧化還原袢，每個回路均有質(zhì)子泵。 呼吸鏈模式 ATP 合酶 ATP 合酶—— 三聯(lián)體： ：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個甲基。 F1 3 3 功能是催化 ATP 的生成。催化部位在 β亞基，但必須與 α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， F 催化 ADP 和 Pi 合成并釋放 ATP 。 F 和 F 之間有寡霉素敏感蛋白，OSCP 使 ATP 合酶在寡霉素存在時無作用。 0 1 線粒體結(jié)構(gòu) 1、ATP 合酶的結(jié)構(gòu)模式 2、ATP 的作用機制 —— 誘導(dǎo)契合 -結(jié)合變化 三、影響氧化磷酸化的因素 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。 呼吸鏈抑制劑，阻斷電子傳遞。此抑制劑可以停止細胞內(nèi)呼吸，引起死亡。 魚藤酮、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。 抗霉素 A 、二巰基丙醇—— 抑制復(fù)合體Ⅲ中 Cytb 與 Cytc 間的電子傳遞。 CO 、CN- 、 N - 、H S—— 抑制復(fù)合體Ⅳ ，使電子不能傳遞給氧。 3 2 呼吸鏈抑制劑及部位 解偶聯(lián)劑，使氧化與磷酸化過程脫離。 作用機制：使呼吸鏈電子傳遞過程泵出的氫離子不經(jīng)過 ATP 合酶的 F 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)梯度儲存的能量以熱能形式散發(fā)。 1、 解偶聯(lián)蛋白質(zhì)子通道存在于動物棕色脂肪組織； 2、 FFA 促進質(zhì)子經(jīng)解偶聯(lián)蛋白反流至基質(zhì)。 3、 二硝基苯酚結(jié)合質(zhì)子在膜內(nèi)移動。 4、 其他：游離脂肪酸、水楊酸鹽、雙香豆素。 氧化磷酸化抑制劑 —— 對電子傳遞與 ADP 的磷酸化均抑制。 如寡霉素可與 ATP 合酶 F 、 F 之間柄部的寡霉素敏感蛋白結(jié)合，阻止質(zhì)子從 F0通道內(nèi)流合 1 0 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，進而抑制電子傳遞。 如蒼術(shù)苷 ：特異抑制 ATP/ADP 載體 。 各種抑制劑對線粒體耗氧量的影響 —— 實驗過程： ADP 的調(diào)節(jié)作用 正常機體氧化磷酸化的速率主要受 ADP 的調(diào)節(jié)： 機體利用 ATP ↑ →ADP ↑ →ADP進入線粒體 ↑ →氧化磷酸化 ↑。 反之 ADP 不足 → 氧化磷酸化 ↑。 這種調(diào)節(jié)可使 ATP 的生成適應(yīng)生理需要。 用極譜法氧電極系統(tǒng)測量游離線粒體的呼吸過程 甲狀腺素 甲狀腺素的作用有兩個方面： + + 1、促進氧化磷酸化：甲狀腺素誘導(dǎo)膜上 Na -K -ATP 酶的合成，促進 ATP 分解為 ADP ，而促進氧化磷 2、甲狀腺素可以增加解偶聯(lián)蛋白的表達，引起耗氧合產(chǎn)熱均增加，即基礎(chǔ)代謝率增加。 線粒體 DNA 突變 mtDNA 是裸露的環(huán)狀雙螺旋，缺乏蛋白質(zhì)的保護和損傷修復(fù)系統(tǒng)，容易受本身氧化磷酸化過程產(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10~20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 tRNA 、蛋白合成所需要的 2個 rRNA 。 mtDNA 突變可以降低線粒體的功能。 mtDNA 病的主要問題是 ATP 生成減少引起的癥狀，耗能較多的 器官先受累，且隨年齡的增長而嚴重。 四、ATP—— 能量的儲存的形式 生物氧化過程釋放的能量有約 40% 以化學(xué)能的形式儲存于特殊的有機磷酸化合物中， 形成磷酸酯。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 γ磷酸鍵最為重要。 常見的高能磷酸化合物 各種核苷酸之間的轉(zhuǎn)變 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。過程如下： 2、磷酸肌酸是肌肉和腦組織能量的一種儲存形式。 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 、25 ℃條件下，1摩爾 ATP 水解為 ADP+Pi 時釋放的能量為 30.5kJ ，體內(nèi)生理條件下為 50kJ/mol 。 人體每日經(jīng) ADP/A TP 相互轉(zhuǎn)變的量非?？捎^。 靜臥 24小時消耗 ATP40kg ，運動時 0.5kg/min 。 1、ATP 的利用 —— ATP 循環(huán) 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 ATP 的磷酸基和部分能量同時轉(zhuǎn)給新的磷酸化物。 ATP 水解為 ADP+Pi ，能量供機體利用。 離子轉(zhuǎn)運、肌肉收縮、羧化反應(yīng)。 利用 A TP 的另一個高能磷酸鍵。 生成焦磷酸。如脂酸活化反應(yīng)。 2、ATP 生成、儲存和利用 五、通過線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運 線粒體基質(zhì)與細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 1000以內(nèi)的物質(zhì)自由通過 。 線粒體內(nèi)膜對各種物質(zhì)的通過有嚴格選擇性。 幾乎所有的離子、不帶電荷的小分子有機化合物都不能自由通過，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 。載體對物質(zhì)具有嚴格的選擇性。 內(nèi)膜載體對物質(zhì)的轉(zhuǎn)運規(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)運時， 必須伴有對應(yīng) 離子或帶電物質(zhì)逆濃度梯度反向轉(zhuǎn)運。通常是 “一對一交換 ”。 線粒體內(nèi)膜的運載體 四種轉(zhuǎn)位酶的協(xié)同作用 胞液中 NADH 的氧化 —— 如何進入線粒體 胞液脫氫產(chǎn)生的還原當(dāng)量必須進入線粒體氧化，但 NADH 不能自由透過線粒體內(nèi)膜。必須借 助于其他轉(zhuǎn)運機制完成。有兩種機制可以使 NADH 進入線粒體： α-磷酸甘油穿梭和蘋果酸 - 天冬氨酸穿 1、 α-磷酸甘油穿梭 —— 存在于腦和骨骼肌 2、蘋果酸 -天冬氨酸穿梭 —— 存在于肝臟和心肌 腺苷酸載體 —— 又稱 ATP-ADP 載體或 A TP-ADP 轉(zhuǎn)位酶。 2 4 2個亞基組成的二聚體，每個亞基 3.0kD 。ATP 與 ADP 經(jīng)此載體反向交換；同時胞液中的 H PO -經(jīng)磷酸 鹽載體與 H 同向轉(zhuǎn)運入線粒體。 ATP、ADP 、Pi 的轉(zhuǎn)運 線粒體蛋白質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運 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始進入基質(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 。 需氧脫氫酶，產(chǎn)物是過氧化氫。 氧化酶 ，產(chǎn)物中有水。氧化過程如下： 二、過氧化物酶體中的氧化酶 過氧化氫酶 ：輔基含 4個血紅素 反應(yīng)如下： 2H2 O2 → 2H2O + O2 在粒細胞和吞噬細胞中 H2 O2可以殺死入侵的細菌； 甲狀腺細胞中 H O 可使 2I- 氧化為 I ，使酪氨酸碘化成甲狀腺素。 2 2 2 3 4 過氧化物酶：也含有血紅素輔基。 催化 H2 O2直接氧化酚類和胺類。反應(yīng)如下： R + H O → RO + H O 或者 RH + H O → R + 2H O 2 2 2 2 2 2 2 三、超氧化物歧化酶 呼吸鏈電子傳遞過程可以產(chǎn)生超氧離子；其他物質(zhì)氧化也可以產(chǎn)生超氧離子。 超氧離子可進一步生成 H2 O2和羥自由基，統(tǒng)稱為反應(yīng)氧族。 反應(yīng)氧族化學(xué)性質(zhì)活潑， 可以使磷脂中的不飽和脂肪酸氧化成過氧化脂質(zhì)， 損傷生物膜； 過氧化脂質(zhì)與 蛋白質(zhì)結(jié)合成的復(fù)合物積累成的棕褐色色素顆粒即脂褐素，與組織老化有關(guān)。 超氧化物歧化酶可以消除超氧離子： 四、微粒體中的氧化酶 加單氧酶 反應(yīng)如下： + + R+NADPH+H +O2 → ROH+NADP + H2O 反應(yīng)需要細胞色素 P450 參加。 加雙氧酶 催化 O2的2個氧原子加到帶雙鍵的兩個碳原子上。

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