第八章　生物氧化

8.1　复习笔记

生物氧化是指有机体在生物细胞内进行氧化分解生成CO₂和H₂O，并且释放能量形成ATP的过程。

一、氧化呼吸链由具有电子传递功能的复合体组成（图8-1）

1氧化呼吸链的定义

氧化呼吸链是指存在于线粒体内膜上的一系列能接受氢或电子的中间传递体组成的链式反应体系，又称电子传递链。

2氧化呼吸链的组分（表8-1）

表8-1　氧化呼吸链的组分

图8-1　电子传递链各复合体位置示意图

3电子传递中的复合体

蛋白酶复合体：电子传递的组分以复合体的形式位于线粒体内膜上，进行电子和质子的传递与跨膜转移。包括四类复合体：复合体Ⅰ，复合体Ⅱ，复合体Ⅲ，复合体Ⅳ。

（1）复合体Ⅰ

复合体Ⅰ又称NADH脱氢酶或NADH-泛醌还原酶，催化NADH脱氢氧化，将2个电子传给辅酶Q，辅酶Q同时从基质吸取2个H^＋形成还原型辅酶Q（CoQH₂）。。

（2）复合体Ⅱ

复合物Ⅱ，又称琥珀酸-Q还原酶复合物。琥珀酸脱氢酶以FAD为辅酶，并含有铁-硫中心，催化琥珀酸氧化成延胡索酸，同时使FAD还原成FADH₂，由FADH₂的氢放出的电子通过铁-硫中心传递给泛醌（又称辅酶Q）。

（3）复合体Ⅲ

复合体Ⅲ又称泛醌-细胞色素c还原酶，以二聚体形式存在，每个单体包含两个Cyt b、一个Cyt c₁和一个铁硫蛋白。其功能催化电子从还原型泛醌转移到Cyt c，以及质子跨膜转移。

（4）复合体Ⅳ

复合体Ⅳ的组成为Cyt a＋Cyt a₃＋含铜蛋白，又称细胞色素c氧化酶，其功能是催化电子从还原型Cyt c传递给分子氧。

图8-2　电子传递的顺序及复合体的位置

4氧化呼吸链各组分的排序方式

（1）根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位

①标准氧化还原电位：即在特定条件下，参与氧化还原反应的组分对电子的亲和力大小。

②呼吸链中电子传递顺序：从电位低的组分（易给出电子）向电位高的组分（易接受电子）进行传递。

（2）根据各组分的氧化和还原状态

前面的组分处于还原状态，后面的组分处于氧化状态。

（3）根据缓慢给氧时各组分被氧化的顺序

二、氧化呼吸链的两条途径

1NADH氧化呼吸链（以NADH为电子供体）

复合体Ⅰ即为 NADH脱氢酶，可使线粒体NADH所携带的还原当量通过氧化呼吸链彻底氧化并释能。其电子传递顺序为：

NADH→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ→Cyt c→复合体Ⅳ→O₂

2FADH₂氧化呼吸链（以FADH₂为电子供体）

复合体Ⅱ是柠檬酸循环中的琥珀酸脱氢酶，通过结合底物琥珀酸，并将其还原当量传递给氧化呼吸链复合体中的FAD，生成的FADH₂直接进入呼吸链进行氧化释能。FADH₂氧化呼吸链也称琥珀酸氧化呼吸链，其电子传递顺序为：

琥珀酸→复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ→Cyt c→复合体Ⅳ→O₂

三、氧化磷酸化

氧化磷酸化是指电子从NADH或FADH₂经电子传递链传递到O₂生成水时，同时偶联ADP磷酸化生成ATP的过程，是需氧生物ATP生成的主要方式。

1氧化磷酸化的偶联部位

（1）P/O比值

①定义

P/O比值是指氧化磷酸化过程中，每消耗一个氧原子（或每对电子通过氧化呼吸链传递给氧），所产生的ATP分子数。

②测定

a．NADH氧化呼吸链

P/O比值接近2.5（即生成2.5分子的ATP），因此NADH氧化呼吸链可能存在3个ATP生成部位。

b．琥珀酸氧化呼吸链

P/O比值接近1.5（即生成1.5分子的ATP），说明琥珀酸氧化呼吸链可能存在2个ATP生成部位。

（2）ATP的生成部位（氧化磷酸化的偶联部位）

①第1个部位是由复合体Ⅰ将NADH上的电子传递给CoQ的过程；

②第2个部位是由复合体Ⅲ将分子由CoQ传递给细胞色素c的过程；

③第3个部位是由复合体Ⅳ将电子从细胞色素c传递给氧的过程。

2氧化磷酸化的偶联机制——化学渗透压假说

（1）化学渗透假说的实验证据

①氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在；

②内膜对H^＋、OH^－、K^＋和Cl^－等离子不通透；

③电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度；

④增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而阻止质子从线粒体基质泵出，可降低内膜两侧的质子梯度，虽然电子仍可以传递，但ATP生成却减少。

（2）化学渗透假说的要点

①递氢体和递电子体交替排列，催化反应是定向的；

②复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ中的递氢体利用电子传递反应能量将H^＋泵出内膜；

③完整的线粒体内膜具有选择透性，对H^＋不通透，造成跨膜H^＋梯度（质子浓度梯度和电位梯度合称为质子动力势，这是ATP合成的动力）；

④H^＋通过ATP合酶顺浓度梯度回流回流时，释放能量，生成ATP。

3ATP合酶

跨线粒体内膜的H^＋浓度梯度和电位差，储存着电子传递释放的能量。当质子顺浓度梯度回流至基质时，储存的能量被ATP合酶充分利用，催化ADP与Pi生成ATP。

（1）ATP合酶结构

为线粒体内膜上的复合体Ⅴ，又称为F_oF₁-ATP酶，含F₁（亲水部分）和F₀（疏水部分）两个功能结构域。

①F₁：球形头部，伸入到线粒体基质中，包含五种9个亚基（3α＋3β＋γ＋δ＋ε），主要功能是催化ATP合成。

②F₀：是跨线粒体内膜蛋白，组成离子通道，用于质子的回流。

（2）F₀-F₁复合体组成可旋转的发动机样结构

①F₁的α₃、β₃和δ亚基以及F₀的a、b₂亚基共同组成定子部分。

②F₀的γ、ε亚基及F₁的c亚基环组成转子部分。

③F₁与F₀组成可旋转的发动机样结构。

（3）ATP合酶的工作机制

①质子回流驱动转子部分围绕定子部分旋转；

②转子转动过程中，β亚基活性中心构象经过三种构象状态：无活性的开放型（O态）、无活性的疏松型（L态）和有活性的紧密型（T态）。

a．ADP和Pi结合到L态的结合部位；

b．质子流能量推动构象改变，将L部位转变成T部位，导致ATP的合成；

c．T部位构象变化，变为O态，ATP解离。质子流提供的自由能主要用于促进新合成的ATP从酶分子上释放出来。

③3个β亚基依次经同样循环合成、释出ATP。

四、氧化磷酸化的影响因素

1体内能量状态可调节氧化磷酸化速率

（1）ADP（ADP/ATP）是调节机体氧化磷酸化速率的主要因素

只有底物ADP和Pi充足时电子传递速率和耗氧量才会提高。

（2）ADP（ADP/ATP）也同时调节柠檬酸循环、糖酵解代谢途径

可满足氧化磷酸化对还原当量的需求。

2抑制剂可阻断氧化磷酸化过程

根据作用机制的不同可分为抑制剂和解偶联剂。抑制剂可阻断电子传递，不生成ATP；解偶联剂不阻断电子传递，但也不生成ATP。

（1）呼吸链抑制剂阻断电子传递过程（表8-2）

表8-2　呼吸链抑制剂阻断电子传递过程

（2）解偶联剂阻断ADP的磷酸化过程

解偶联作用是指使氧化（电子传递）和磷酸化（形成ATP）两个偶联的过程脱节，只抑制ATP的形成过程，而不抑制电子传递过程，使电子传递所产生的自由能以热能表达。如2,4-二硝基苯酚（DNP）、棕色脂肪组织中的解偶联蛋白。

（3）ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的磷酸化

直接作用于ATP合酶而抑制ATP的合成，间接抑制电子传递和分子氧的消耗。如寡霉素、二环己基碳二亚胺（DCCP）。

3甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热

（1）诱导细胞膜上Na^＋，K^＋-ATP酶的生成，使ATP加速分解为ADP和Pi，从而促进氧化磷酸化。

（2）诱导解偶联蛋白基因表达，使物质氧化释能和产热比率均增加。

此外，线粒体DNA突变可影响氧化磷酸化功能。

五、线粒体外NADH的氧化磷酸化

在细胞的胞质溶胶中也可产生NADH，但不能直接通过线粒体内膜，需要通过穿梭系统。典型的穿梭系统有甘油磷酸的穿梭和苹果酸的穿梭。

1甘油-3-磷酸穿梭途径

（1）场所——脑、骨骼肌

（2）过程（图8-3）

图8-3　α-磷酸甘油穿梭机制

（3）能量

起电子载体作用的是甘油-3-磷酸，将NADH电子转移进入电子传递链进行氧化磷酸化所利用的电子传递中介体是FAD而不是NAD^＋，最后产生1.5分子ATP。

2苹果酸-天冬氨酸穿梭

（1）场所——肝、肾、心肌

（2）过程（如图8-4）

细胞溶胶中NADH的电子由细胞溶胶的苹果酸脱氢酶传递给草酰乙酸使草酰乙酸转变为苹果酸，苹果酸进入线粒体后重新生成草酰乙酸和NADH＋H^＋，进入氧化呼吸链。

图8-4　苹果酸-天冬氨酸穿梭

（3）能量

NADH＋H^＋通过NADH氧化呼吸链进行氧化，产生2.5分子ATP。

六、其他氧化与抗氧化体系

1线粒体氧化呼吸链也可产生活性氧

活性氧如超氧阴离子（^·O₂^－）、过氧化氢（H₂O₂）、羟自由基（^·OH），其氧化性远大于O₂，合称为反应活性氧类（ROS）。活性氧化学性质非常活泼，氧化性强（其中羟自由基最强），可损伤自身及细胞。

2抗氧化酶体系有清除反应活性氧的功能

（1）超氧化物歧化酶（SOD）

（2）过氧化氢酶

2H₂O₂→2H₂O＋O₂

（3）谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）

H₂O₂＋2GSH→2H₂O＋GS-SG

2GSH＋ROOH→GS-SG＋H₂O＋ROH

（4）体内其他小分子自由基清除剂

维生素C、维生素E、β-胡萝卜素、泛醌等。

3微粒体细胞色素P₄₅₀单加氧酶催化底物分子羟基化

RH＋NADPH＋H^＋＋O₂→ROH＋NADP^＋＋H₂O