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1、 第十二章 生物氧化 第一節(jié) 呼吸鏈 一、定義 呼吸鏈又稱電子傳遞鏈，是由一系列電子載體構(gòu)成的，從NADH或FADH2向氧傳遞電子的系統(tǒng)。 還原型輔酶通過呼吸鏈再氧化的過程稱為電子傳遞過程。其中的氫以質(zhì)子形式脫下，電子沿呼吸鏈轉(zhuǎn)移到分子氧，形成粒子型氧，再與質(zhì)子結(jié)合生成水。放出的能量則使ADP和磷酸生成ATP。電子傳遞和ATP形成的偶聯(lián)機制稱為氧化磷酸化作用。整個過程稱為氧化呼吸鏈或呼吸代謝。 在葡萄糖的分解代謝中，一分子葡萄糖共生成10個NADH和2個FADH2，其標準生成自由能是613千卡，而在燃燒時可放出686千卡熱量，即90％貯存在還原型輔酶中。呼吸鏈使這些能量逐步

2、釋放，有利于形成ATP和維持跨膜電勢。 原核細胞的呼吸鏈位于質(zhì)膜上，真核細胞則位于線粒體內(nèi)膜上。 二、構(gòu)成 呼吸鏈包含15種以上組分，主要由4種酶復(fù)合體和2種可移動電子載體構(gòu)成。其中復(fù)合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、輔酶Q和細胞色素C的數(shù)量比為1：2：3：7：63：9。 1.復(fù)合體Ⅰ 即NADH：輔酶Q氧化還原酶復(fù)合體，由NADH脫氫酶（一種以FMN為輔基的黃素蛋白）和一系列鐵硫蛋白（鐵—硫中心）組成。它從NADH得到兩個電子，經(jīng)鐵硫蛋白傳遞給輔酶Q。鐵硫蛋白含有非血紅素鐵和酸不穩(wěn)定硫，其鐵與肽類半胱氨酸的硫原子配位結(jié)合。鐵的價態(tài)變化使電子從FMNH2轉(zhuǎn)移到輔酶Q。 2.復(fù)合體Ⅱ 由琥珀酸脫氫酶

3、（一種以FAD為輔基的黃素蛋白）和一種鐵硫蛋白組成，將從琥珀酸得到的電子傳遞給輔酶Q。 3.輔酶Q 是呼吸鏈中唯一的非蛋白氧化還原載體，可在膜中迅速移動。它在電子傳遞鏈中處于中心地位，可接受各種黃素酶類脫下的氫。 復(fù)合體Ⅲ 輔酶Q：細胞色素C氧化還原酶復(fù)合體，是細胞色素和鐵硫蛋白的復(fù)合體，把來自輔酶Q的電子，依次傳遞給結(jié)合在線粒體內(nèi)膜外表面的細胞色素C。 細胞色素類 都以血紅素為輔基，紅色或褐色。將電子從輔酶Q傳遞到氧。根據(jù)吸收光譜，可分為三類：a,b,c。呼吸鏈中至少有5種：b、c1、c、a、a3(按電子傳遞順序)。細胞色素aa3以復(fù)合物形式存在，又稱細胞色素氧化酶，是最后一個載體

4、，將電子直接傳遞給氧。從a傳遞到a3的是兩個銅原子，有價態(tài)變化。 復(fù)合體IV：細胞色素C氧化酶復(fù)合體。將電子傳遞給氧。 三、抑制劑 1.魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素：阻斷電子從NADH到輔酶Q的傳遞。魚藤酮是極毒的植物物質(zhì)，可作殺蟲劑。 2.抗霉素A：從鏈霉素分離出的抗生素，抑制從細胞色素b到c1的傳遞。 3.氰化物、疊氮化物、CO、H2S等，阻斷由細胞色素aa3到氧的傳遞。 第二節(jié) 氧化磷酸化 一、定義 與生物氧化相偶聯(lián)的磷酸化作用稱為氧化磷酸化作用。其作用是利用生物氧化放出的能量合成ATP： NADH+H++3ADP+3Pi+1/2 O 2=NAD++4H2O+3ATP

5、 其中NADH放能52.7千卡，ATP吸能21.9千卡，占42%。氧化磷酸化與底物水平磷酸化不同，前者ATP的形成與電子傳遞偶聯(lián)，后者與磷酸基團轉(zhuǎn)移偶聯(lián)，即磷酸基團直接轉(zhuǎn)移到ADP上，形成ATP。 二、P/O比 ***指一對電子通過呼吸鏈傳遞到氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。NADH的P/O比為3，ATP是在3個不連續(xù)的部位生成的：第一個部位是在NADH和輔酶Q之間（NADH脫氫酶）；第二個在輔酶Q和細胞色素C之間（細胞色素C還原酶）；第三個在細胞色素a和氧之間（細胞色素c氧化酶）。 三、偶聯(lián)的調(diào)控 （一）呼吸控制 電子傳遞與ATP形成在正常細胞內(nèi)總是相偶聯(lián)的，二者缺一不可。ATP與ADP濃

6、度之比對電子傳遞速度和還原型輔酶的積累與氧化起著重要的調(diào)節(jié)作用。ADP作為關(guān)鍵物質(zhì)對氧化磷酸化的調(diào)節(jié)作用稱為呼吸控制。呼吸控制值是有ADP時氧的利用速度與沒有時的速度之比。完整線粒體呼吸控制值在10以上，損傷或衰老線粒體可為1，即失去偶聯(lián)，沒有磷酸化。 根據(jù)線粒體用氧情況，可將呼吸功能分為5種狀態(tài)。狀態(tài)3和4的轉(zhuǎn)變也使線粒體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。缺乏ADP時線粒體基質(zhì)充滿，稱為常態(tài)；呼吸加速時，基質(zhì)壓縮50%，內(nèi)膜和嵴的折疊更加緊密曲折，稱為緊縮態(tài)。 （二）解偶聯(lián)和抑制 根據(jù)化學(xué)因素對氧化磷酸化的影響方式，可分為三類：解偶聯(lián)劑、氧化磷酸化抑制劑和離子載體抑制劑。 1.解偶聯(lián)劑：使電子傳遞和A

7、TP形成分離，只抑制后者，不抑制前者。電子傳遞失去控制，產(chǎn)生的自由能變成熱能，能量得不到儲存。解偶聯(lián)劑對底物水平磷酸化無影響。代表如2，4-二硝基苯酚（DNP），可將質(zhì)子帶入膜內(nèi)，破壞H+跨膜梯度的形成，又稱質(zhì)子載體。 2.氧化磷酸化抑制劑：直接干擾ATP的形成，因偶聯(lián)而抑制電子傳遞。如加入解偶聯(lián)劑，可解除對利用氧的抑制。代表使寡霉素。 3.離子載體抑制劑：脂溶性，可運載除質(zhì)子外的一價陽離子過膜。如纈氨霉素（K+）、短桿菌肽等。 四、偶聯(lián)機制 目前有三種假說：化學(xué)偶聯(lián)假說、結(jié)構(gòu)偶假說和化學(xué)滲透假說，都不夠理想。 1.化學(xué)偶聯(lián)假說：認為偶聯(lián)是通過一系列連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)，形成一個高能共價

8、中間物。它在電子傳遞中形成，又裂解將其能量供給ATP形成。無證據(jù)支持。 2.構(gòu)象偶聯(lián)假說：電子傳遞使線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)組分發(fā)生構(gòu)象變化而形成一種高能形式，然后將能量傳遞給FoF1ATP酶分子，酶復(fù)原時形成ATP。 3.化學(xué)滲透假說：電子傳遞使質(zhì)子從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)泵到膜外液體中，形成一個跨膜H離子梯度，其滲透能促使ATP形成。H離子再順梯度通過ATP合成酶分子中的通道進入線粒體基質(zhì)，放能合成ATP。該假說得到一些事實支持，如線粒體電子傳遞形成的電子流能從線粒體內(nèi)膜逐出H離子。 FoF1ATP酶即ATP合成酶，由Fo和F1兩部分構(gòu)成，后者是線粒體內(nèi)膜表面的球狀體，能合成ATP；前者是連接F1的

9、柄，起質(zhì)子通道作用，可調(diào)節(jié)質(zhì)子流，從而控制ATP的合成。 五、其他 電子傳遞還可用于產(chǎn)熱，如褐色脂肪組織，含大量線粒體，其內(nèi)膜由特殊H離子通道，可產(chǎn)熱。質(zhì)子梯度還可將鈣離子從細胞質(zhì)運到線粒體內(nèi)部。需氧細菌和葉綠體也有類似的電子傳遞鏈。 本 章 名 詞 解 釋 呼吸電子傳遞鏈（respiratory electron-t -ransport chain）：由一系列可作為電子載體的酶復(fù)合體和輔助因子構(gòu)成，可將來自還原型輔酶或底物的電子傳遞給有氧代謝的最終的電子受體分子氧 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）：電子從一個底物傳遞給分子氧的氧化與酶催化的由ＡＤ

10、Ｐ和Ｐi生成ＡＴＰ與磷酸化相偶聯(lián)的過程。 化學(xué)滲透理論（chemiosnotic theory）：一種學(xué)說，主要論點是底物氧化期間建立的質(zhì)子濃度梯度提供了驅(qū)動ＡＤＰ和ＡＴＰ和Ｐi形成ＡＴＰ的能量。 解偶聯(lián)劑（uncoupling agent）：一種使電子傳遞與ＡＤＰ磷酸化之間的的緊密偶聯(lián)關(guān)系解除的化合物，Ｅg2,4－二硝基苯酚。 P/O比（P/O ratio）：在氧化磷酸化中，每1/2O2被還原成ADP的摩爾數(shù)。電子從NADH 傳遞給O2時，P/O＝３，而電子從FADH2傳遞給O2時，P/O＝２。 高能化合物（high energy compound）：在標準條件下水解時，自由能大幅度減少和化合物。一般是指水解釋放的能量能驅(qū)動ADP磷酸化合成ATP的化合物。 By 湖風(fēng)微竹 80