呼吸链生物化学

第七章生物氧化

1、生物氧化（biological oxidation）：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CO2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（37℃，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、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。

第一节 ATP生成的体系

一、呼吸链（ respiratory chain）：

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。这一传递链称呼吸链。又称电子传递链（electron transport chain ）。

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）：

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。

NAD+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+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸）和NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）

（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。

核黄素与酶的辅基的形成：

核黄素氧化还原机制：

（3）铁硫蛋白与铁硫中心（Fe-S）

Fe-S含有等量（各4）的铁原子与硫原子；通过铁原子与铁硫蛋白中的半胱氨酸残基的硫相连。

其铁原子可以进行氧化还原反应传递电子。

（4）复合体Ⅰ的功能

（4）泛醌（CoQ）

辅酶Q是一种脂溶性醌类化合物；含有一个较长的侧链（R），疏水性强。

其侧链由多个异戊间二烯组成，人的CoQ由10个异戊间二烯组成（Q10）。

泛醌可以接受或脱去1个电子和1个质子参与氧化还原。

泛醌参与氧化还原机制：

2、复合体Ⅱ——将电子从琥珀酸传递给CoQ。含如下成分：

含黄素蛋白（以FAD为辅基）、铁硫蛋白（Fe-S）、细胞色素b560。

细胞色素是一类催化电子传递的酶，以铁卟啉为辅基，均有特殊的吸收光谱而呈颜色。

根据吸收光谱的不同，参与呼吸链的Cyt有3类：Cyt a、Cyt b、Cyt c；根据最大吸收峰的差别分为若干亚类。

3、复合体Ⅲ——将电子从泛醌传递给细胞色素C。

2种细胞色素b（Cyt b562、 Cyt b566）、细胞色素c1、铁硫蛋白。

细胞色素c呈水溶性，与线粒体内膜外表面结合不紧密而极易于分离，不属于任何复合体成分。

4、复合体Ⅳ——将电子从细胞色素C传递给氧。

含如下成分：细胞色素a、a3和2个铁卟啉辅基及与之相连的Cu。Cyta和Cyta3很难分开，合称为Cytaa3。其中2个铜原子分别连接2个铁卟啉辅基，铜原子可以进行氧化还原反应传递电子。

呼吸链各复合体位置示意图

（二）呼吸链成分的排列顺序——确定呼吸链排列顺序的方法：

1、根据各组分的EO′从低到高排列——电位低容易失去电子（见下表）。

2、在体外将呼吸链拆开重组——鉴定4种复合体的组成与排列顺序。

3、利用呼吸链特异阻断剂阻断电子传递——阻断部位以前的处于还原状态，后面的组分处于氧化状态，根据吸收光谱的改变检测。

4、以离体线粒体的还原态（无氧）对照——缓慢给氧，通过光谱观察各组分的氧化顺序。（1）氧化-还原对——参加氧化还原反应的每种物质都有氧化型和还原型两种形式：

如：AH2十B←→A十BH2；式中AH2/或BH2是还原型（剂），A和B是氧化型（剂）。

一物质的氧化型／还原型（如A／AH2或B／BH2等）构成氧化还原对（简称氧-还对），氧化还原对是共扼的。氧-还对供出电子趋势的大小，可用标准氧化还原电位Eo′表示。

（2）标准氧化还原电位（E o′）——成对的氧化型/还原型物质的浓度为1摩尔，在，25℃时组成半电池，以（生物化学）规定的标准氢电极做参比测得的电位（伏特/摩尔）。

E o′值表示的是同H+/H2相比，某氧-还对氧化还原能力的大小：

1）E o′是负值，表示此氧-还对易供出电子而被氧化，是还原剂；

2）E o′是正值，表示此氧-还对易获得电子而被还原，是氧化剂。

（3）标准氢电极与生物化学规定的标准氢电极

1）标准氢电极：白金电极放入氢离子浓度为1摩尔/升的溶液，与1大气压的氢气平衡，此电极电位定为0伏特，作为参比电极E o。