[考博復習資料]生物化學與分子生物學重點：第七章 生物氧化_考博_旭晨教育

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第七章 生物氧化

一、生物氧化的概念和特點：

物質在生物體內氧化分解并釋放出能量的過程稱為生物氧化。與體外燃燒一樣，生物氧化也是一個消耗O2，生成CO2和H2O，并釋放出大量能量的過程。但與體外燃燒不同的是，生物氧化過程是在37℃，近于中性的含水環境中，由酶催化進行的；反應逐步釋放出能量，相當一部分能量以高能磷酸酯鍵的形式儲存起來。

二、線粒體氧化呼吸鏈：

在線粒體中，由若干遞氫體或遞電子體按一定順序排列組成的，與細胞呼吸過程有關的鏈式反應體系稱為呼吸鏈。這些遞氫體或遞電子體往往以復合體的形式存在于線粒體內膜上。主要的復合體有：

1． 復合體Ⅰ（NADH-泛醌還原酶）：由一分子NADH還原酶（FMN），兩分子鐵硫蛋白（Fe-S）和一分子CoQ組成，其作用是將（NADH+H+）傳遞給CoQ。

鐵硫蛋白分子中含有非血紅素鐵和對酸不穩定的硫。其分子中的鐵離子與硫原子構成一種特殊的正四面體結構，稱為鐵硫中心或鐵硫簇，鐵硫蛋白是單電子傳遞體。泛醌（CoQ）是存在于線粒體內膜上的一種脂溶性醌類化合物。分子中含對苯醌結構，可接受二個氫原子而轉變成對苯二酚結構，是一種雙遞氫體。

2． 復合體Ⅱ（琥珀酸-泛醌還原酶）：由一分子琥珀酸脫氫酶（FAD），兩分子鐵硫蛋白和兩分子Cytb560組成，其作用是將FADH2傳遞給CoQ。

細胞色素類：這是一類以鐵卟啉為輔基的蛋白質，為單電子傳遞體。細胞色素可存在于線粒體內膜，也可存在于微粒體。存在于線粒體內膜的細胞色素有Cytaa3，Cytb（b560，b562，b566），Cytc，Cytc1；而存在于微粒體的細胞色素有CytP450和Cytb5。

3． 復合體Ⅲ（泛醌-細胞色素c還原酶）：由兩分子Cytb（分別為Cytb562和Cytb566），一分子Cytc1和一分子鐵硫蛋白組成，其作用是將電子由泛醌傳遞給Cytc。

4． 復合體Ⅳ（細胞色素c氧化酶）：由一分子Cyta和一分子Cyta3組成，含兩個銅離子，可直接將電子傳遞給氧，故Cytaa3又稱為細胞色素c氧化酶，其作用是將電子由Cytc傳遞給氧。

三、呼吸鏈成分的排列順序：

由上述遞氫體或遞電子體組成了NADH氧化呼吸鏈和琥珀酸氧化呼吸鏈兩條呼吸鏈。

1．NADH氧化呼吸鏈：其遞氫體或遞電子體的排列順序為：NAD+ →[ FMN (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→ c1 → c →aa3 →1/2O2 。丙酮酸、α-酮戊二酸、異檸檬酸、蘋果酸、β-羥丁酸、β-羥脂酰CoA和谷氨酸脫氫后經此呼吸鏈遞氫。

2．琥珀酸氧化呼吸鏈：其遞氫體或遞電子體的排列順序為： [ FAD (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→ c1 → c →aa3 →1/2O2 。琥珀酸、3-磷酸甘油（線粒體）和脂酰CoA脫氫后經此呼吸鏈遞氫。

四、生物體內能量生成的方式：

1．氧化磷酸化：在線粒體中，底物分子脫下的氫原子經遞氫體系傳遞給氧，在此過程中釋放能量使ADP磷酸化生成ATP，這種能量的生成方式就稱為氧化磷酸化。

2．底物水平磷酸化：直接將底物分子中的高能鍵轉變為ATP分子中的末端高能磷酸鍵的過程稱為底物水平磷酸化。

五、氧化磷酸化的偶聯部位：

每消耗一摩爾氧原子所消耗的無機磷的摩爾數稱為P/O比值。當底物脫氫以NAD+為受氫體時，P/O比值約為3；而當底物脫氫以FAD為受氫體時，P/O比值約為2。故NADH氧化呼吸鏈有三個生成ATP的偶聯部位，而琥珀酸氧化呼吸鏈只有兩個生成ATP的偶聯部位。

六、氧化磷酸化的偶聯機制：

目前公認的機制是1961年由Mitchell提出的化學滲透學說。這一學說認為氧化呼吸鏈存在于線粒體內膜上，當氧化反應進行時，H+通過氫泵作用（氧化還原袢）被排斥到線粒體內膜外側（膜間腔），從而形成跨膜pH梯度和跨膜電位差。這種形式的能量，可以被存在于線粒體內膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基團，并與ADP結合而合成ATP。

在電鏡下，ATP合酶分為三個部分，即頭部，柄部和基底部。但如用生化技術進行分離，則只能得到F0（基底部+部分柄部）和F1（頭部+部分柄部）兩部分。ATP合酶的中心存在質子通道，當質子通過這一通道進入線粒體基質時，其能量被頭部的ATP合酶催化活性中心利用以合成ATP。

七、氧化磷酸化的影響因素：

1．ATP/ADP比值：ATP/ADP比值是調節氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；反之，當ATP/ADP比值升高時，則氧化磷酸化速度減慢。

2．甲狀腺激素：甲狀腺激素可以激活細胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。

3．藥物和毒物：

⑴呼吸鏈的抑制劑：能夠抑制呼吸鏈遞氫或遞電子過程的藥物或毒物稱為呼吸鏈的抑制劑。能夠抑制第一位點的有異戊巴比妥、粉蝶霉素A、魚藤酮等；能夠抑制第二位點的有抗霉素A和二巰基丙醇；能夠抑制第三位點的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制還原型Cytaa3-Fe2+。

⑵解偶聯劑：不抑制呼吸鏈的遞氫或遞電子過程，但能使氧化產生的能量不能用于ADP的磷酸化的試劑稱為解偶聯劑。其機理是增大了線粒體內膜對H+的通透性，使H+的跨膜梯度消除，從而使氧化過程釋放的能量不能用于ATP的合成反應。主要的解偶聯劑有2,4-二硝基酚。

⑶氧化磷酸化的抑制劑：對電子傳遞和ADP磷酸化均有抑制作用的藥物和毒物稱為氧化磷酸化的抑制劑，如寡霉素。

八、高能磷酸鍵的類型：

生物化學中常將水解時釋放的能量>20kJ/mol的磷酸鍵稱為高能磷酸鍵，主要有以下幾種類型：

1．磷酸酐鍵：包括各種多磷酸核苷類化合物，如ADP，ATP等。

2．混合酐鍵：由磷酸與羧酸脫水后形成的酐鍵，主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。

3．烯醇磷酸鍵：見于磷酸烯醇式丙酮酸中。

4．磷酸胍鍵：見于磷酸肌酸中，是肌肉和腦組織中能量的貯存形式。磷酸肌酸中的高能磷酸鍵不能被直接利用，而必須先將其高能磷酸鍵轉移給ATP，才能供生理活動之需。這一反應過程由肌酸磷酸激酶（CPK）催化完成。

九、線粒體外NADH的穿梭：

胞液中的3-磷酸甘油醛或乳酸脫氫，均可產生NADH。這些NADH可經穿梭系統而進入線粒體氧化磷酸化，產生H2O和ATP。

1．磷酸甘油穿梭系統：這一系統以3-磷酸甘油和磷酸二羥丙酮為載體，在兩種不同的α-磷酸甘油脫氫酶的催化下，將胞液中NADH的氫原子帶入線粒體中，交給FAD，再沿琥珀酸氧化呼吸鏈進行氧化磷酸化。因此，如NADH通過此穿梭系統帶一對氫原子進入線粒體，則只得到2分子ATP。

2．蘋果酸穿梭系統：此系統以蘋果酸和天冬氨酸為載體，在蘋果酸脫氫酶和谷草轉氨酶的催化下。將胞液中NADH的氫原子帶入線粒體交給NAD+，再沿NADH氧化呼吸鏈進行氧化磷酸化。因此，經此穿梭系統帶入一對氫原子可生成3分子ATP。