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第六章生物氧化第一节概述一、生物氧化的意义生物机体在生命过程中需要能量，如生物合成、物质转运、运动、思维和信息传递等都需要消耗能量，这些能量从哪里来呢？能量的来源，主要依靠生物体内糖、脂肪、蛋白质等有机化合物在体内的氧化。有机物质在生物细胞内氧化分解，最终彻底氧化成二氧化碳和水，并释放能量的过程，称为生物氧化。生物氧化是在细胞中进行的，所以生物氧化又称为细胞呼吸。生物氧化为机体生命活动所需要的能量。真核生物细胞的生物氧化在线粒体中进行，原核生物细胞，生物氧化在细胞质膜上进行。二、生物氧化的特点生物氧化与体外物质氧化或燃烧的化学本质是相同的，最终产物是二氧化碳和水，所释放的能量也相等。但生物氧化与非生物氧化所进行的方式不同，其特点为：1、生物氧化在细胞内进行，是在体温和接近中性PH和有水的环境进行的，是在一系列酶、辅酶和传递体的作用下逐步进行的，每一步反应都放出一部分能量，逐步释放的能量的总和与同一氧化反应在体内进行是相同。这样不会因氧化过程中能量骤然释放，体温突然上升而损害机体，而且释放的能量也能有效地利用。2、生物氧化过程所释放的能量通常先贮存在一些高能化合物如ATP中，ATP相当于生物体内的能量转运站。3、有机化合物在体内外是碳在氧中燃烧，产生二氧化碳，而生物氧化是通过羧酸脱羧作用产生二氧化碳。第二节线粒体氧化体系生物体内存在多种氧化体系，其中最重要的是存在与线粒体中线粒体氧化体系。此外还有微粒体氧化体系、过氧化体氧化体系、细菌的生物氧化体系等。一、呼吸链的概念在生物氧化过程中，代谢物的氢由脱氢酶激活，脱下来的氢经过几种传递体的传递，将电子传递到细胞色素体系，最后将电子传递给氧，活化的氢（H+）和活化的氧（O2-）结合成水，在这个过程中构成的传递链称为电子传递链，或呼吸链。二、呼吸链的组成构成呼吸链的成分有20多种。大致可将它们分成五类。即以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶类；以FAD或FMN为辅基的黄素蛋白酶类；铁硫蛋白类；泛醌和细胞色素类。依具体功能又可分为递氢体和递电子体。（一）递氢体在呼吸链中即可接受氢又可把所接受的氢传递给另一种物质的成分叫递氢体，包括：1、NAD+和NADP+NAD+和NADP+是不需氧脱氢酶的辅酶。它们分别可与不同的酶蛋白组成多种功能各异的不需氧脱氢酶。辅酶分子能可逆地加氢和脱氢。2、FAD和FMNFAD和FMN是黄素蛋白（又称黄素酶）类的辅基。它们能可逆地加氢和脱氢。3、泛醌泛醌（Q），因广泛分布与生物界并具有醌的结构而得名。它以1，4-苯醌作为传递H+和e的反应核心，氧化还原过程是先接受一个H+和e变成半醌，在接受一个H+和e变成氢醌。氧化还原总反应为：（二）递电子体既能接受电子又能将电子传递出去的物质叫做递电子体。呼吸链中的递电子体包括两类。1、铁硫蛋白类铁硫蛋白（Fe-S）是存在于线粒体内膜上的一类与电子传递有关的蛋白质。现已发现的铁硫蛋白有九种，各种铁硫蛋白中均含有铁和对硫不稳定的硫，用硫酸处理可释放出H2S。Fe-S代表铁硫蛋白电子传递的反应中心，即称铁硫中心。Fe-S中的Fe均与蛋白质分子中半胱氨酸残基上的-SH中的S结合。铁硫中心的Fe原子能可逆地获得和丢失电子，在呼吸链中起到传递电子的作用：2、细胞色素类细胞色素（Cyt）是广泛分布于需氧生物线粒体内膜上的一类传递电子的色素蛋白，其辅基为含铁卟啉的衍生物。参与线粒体生物氧化体系的有Cyta、a3、b、c和c3。Cyta、b和c的辅基分别是血红素A、B和C。细胞色素电子传递作用就是依靠分子中铁离子化合价的可逆变化而实现的。目前尚不能将Cyta和a3分开，故将它们合称为细胞色素氧化酶。它们靠分子中所含的铜的氧化还原变化（）来实现电子传递作用。三、呼吸链中传递体的排列顺序呼吸链中氢和电子的传递有严格的顺序和方向，这些顺序和方向是根据各种递氢体和递电子体的标准氧化还原电位数值的测定，并利用某些特异的抑制剂切断其中的电子流后，再测定电子传递链中各组分的氧化还原态，以及在体外将电子传递体重新组成呼吸链等实验而得到结论。用去垢剂温和处理线粒体内膜，可以得到四种电子传递复合体，每一种复合体代表完整呼吸链的一部分，具有各自独特的功能。复合体Ⅰ：指呼吸链从NAD+到泛醌之间的组分，整个复和物嵌在线粒体内膜上。NADH脱下的氢经复合体Ⅰ中FMN、铁硫蛋白等传递给Q，与此同时拌有质子从线粒体基质转移到线粒体外（膜间隙）。复合体Ⅱ：介于琥珀酸到泛醌之间，能将2H从琥珀酸传给FAD，然后经铁硫蛋白传递至Q。Q可以接受复合体Ⅰ和Ⅱ传递的氢，将质子释放到线粒体基质中，将电子传递给复合体Ⅲ。复合体Ⅲ：从Q到细胞色素C之间的呼吸链组分，包含Cytb、c1、铁硫蛋白以及其他多种蛋白质。。复合体Ⅲ在Q和细胞色素之间传递电子，与此同时拌有质子从线粒体基质中转移到线粒体外。复合体Ⅳ：又称细胞色素氧化酶，包括细胞色素Cytaa3，电子从细胞色素C通过复合体Ⅳ传递给氧，同时引起质子从线粒体基质向外流动。因此，代谢物氧化脱下的氢及电子在四个复合体中的传递顺序是：代谢物脱下的氢及电子经复合体Ⅰ或Ⅱ传递给Q，Q将氢释放在线粒体基质中，将电子传递给复合体Ⅲ，复合体Ⅲ再将电子转移给复合体Ⅳ，最后将电子传递给氧。这样活化的氧可与基质中的氢结合成水。整个呼吸链电子传递的同时，伴有质子从线粒体基质流向线粒体外，从而产生质子跨膜梯度，形成膜电位，导致ATP的生成。四、呼吸链的类型呼吸链按其组成成分、排列顺序和功能上的差异分为两种。1、NADH呼吸链该呼吸链由还原型辅酶I作为起始而得名。是人和动物细胞内的主要呼吸。这是因为有机物质在氧化过程中的大多数脱氢酶都是以NAD+作用辅酶的缘故。NADH呼吸链的组分和排列顺序如图：2、FAD呼吸链该呼吸链以FADH2起始而得名。体内尚有许多代谢物以FAD为辅基的酶参与脱氢氧化作用。FAD呼吸链个组分和排列顺序如图：五、呼吸链的作用无论是NADH呼吸链还是FAD呼吸链，都可将代谢物上脱下的氢与氧结合生成水，同时为机体生命活动提供能量。]（一）代谢水的生成根据两种呼吸链显示，呼吸摄入的氧与氢反应生成水。也就是说代谢物脱下的氢（2H++e），通过递氢体和递电子体最终使氧激活（1/2O2+2e→O2-），活化的氧与基质中的2个氢化合成水，完成呼吸链的一次全程传递。这种方式生成的水称代谢水。若无氧的存在，呼吸链也就无法进行。需氧生物不能生存的主要原因就是呼吸链对氧的绝对需求，呼吸链的正常传递为机体提供了足够的能量。（二）能量的生成体内ATP形成有两种方式，与呼吸链有关的是氧化磷酸化方式。1、氧化磷酸化：供机体生命活动的能量主要来自氧化磷酸化作用。1）定义：代谢物脱下的氢在呼吸链一系列氢转移和电子传递的氧化过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP的过程。2）氧化磷酸化的偶联部位：实验证明，代谢物脱下的氢经NADH呼吸链氧化生成水的P/O比值为3（P/O即为无机磷酸消耗的摩尔数与氧原子消耗的摩尔数之比），即消耗1摩尔氧可生成3摩尔ATP，经FAD呼吸链氧化生成水的P/O，即消耗1摩尔氧原子可生成2摩尔ATP。这样，在NAD呼吸链中存在着两个磷酸化偶联部位。3）氧化磷酸化机制目前被普遍接受的是化学渗透学说。该学说主要论点是呼吸链存在与于线粒体内膜上，当进行氧化时，呼吸链中的复合体起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜的外侧，形成质子浓度的内低外高的浓度梯度，这样造成了膜内外两侧跨膜的化学电位差，其中蕴藏着电化学能量，此能量能使ADP磷酸化生成ATP。4）氧化磷酸化的影响因素影响呼吸链的任何因素都影响氧化磷酸化的正常进行，可将这些因素可分为三种类型：A：呼吸链抑制剂这些物质以专一的结合部位抑制呼吸链的正常传递，影响氧化磷酸化作用，从而妨碍或破坏能量的供给，如：阿米妥（麻醉药）、鱼藤酮（杀虫剂）、大黄酸等抑制NADH→Q之间的氢传递，抗霉素A抑制Q→Cytc之间的电子传递，氰化物、叠氮化物、CO和H2S则抑制细胞Cytaa3与氧之间的电子传递。B：解偶联剂这些物质并不影响呼吸链中的电子传递，而解除氧化磷酸化的偶联作用。如：2，4-二硝基苯酚（DNP），使ADP不能磷酸化形成ATP。又如：感冒或患某种传染性疾病时，体温升高就是细菌或病毒产生某种解偶联剂，影响氧化磷酸化的正常进行，导致较多的能量转变成热能。C：离子载体抑制剂这些物质可与K+、Na+形成脂溶性复和物，将线粒体内的K+、Na+转移到胞液，在转移过程中消耗了能量，从而抑制了ADP磷酸化生成ATP的作用。这些抑制剂主要有短杆菌肽、缬霉素等。2、底物磷酸化底物分子内部能量重新分布形成高能磷酸酯键拌有ADP磷酸化生成ATP的作用，称为底物磷酸化。底物磷酸化与呼吸链的电子传递无关。例如：六、能量的贮存与利用生物体内能量的生成、贮存和利用总是围绕ADP磷酸化的吸能反应和ATP水解放能反应进行的。1、能量贮存机体能量供大于求时，ATP在磷酸肌酸那的作用下，将其所含的能量转移给肌酸C，以磷酸肌酸（C～P）形式贮存。因此，磷酸肌酸是生物体能量的贮存形式。2、能量的利用机体能量供不应求时，在酶的作用下，磷酸肌酸可将贮存的能量交给ADP磷酸化生成ATP以供能量所需。ATP是能量的直接供应者。第三节非线粒体氧化体系线粒体以外的氧化体系被称为为非线粒体氧化体系，包括微粒体氧化体系，过氧化体氧化体系等。该体系与能量生成无关，但具有特定的生理功能。一、微粒体氧化体系微粒体氧化体系存在于细胞的光滑内质网上。其组成成分复杂，目前尚不完全，根据催化底物氧化反应情况不同，可将它们分为两种类型。1、加单氧酶系加单氧酶是由NADP-细胞色素P450还原酶、细胞色素P450、FAD等组成的一种复杂酶系。其催化作用使氧分子中的一个氧原子被加到底物分子上，而另一氧原子与NADPH++H+上的两个质子化合成水。因催化作用具有双重功能又称为混合功能氧化酶，又因催化底物发生羟化反应，也称为羟化酶。RH+NADPH+H++O2→ROH+NADP+H2O加单氧酶的主要功能是：①参与体内正常的物质代谢。如肾上腺皮质类固醇的羟化、类固醇激素的合成、维生素D3的羟化以及胆汁酸、胆色素的形成等反应都与其有关；②参与某些毒物（如苯胺）和药物（如吗啡等）解毒转化和代谢清除反应。2、加双氧酶系加双氧酶又称转化酶。催化两个氧原子直接加到底物分子特定的双键上，使该底物分子分解成两部分。其催化的反应通式可表示为：二、过氧化体氧化体系1、过氧化氢的生成过氧化体中含较多的需氧脱氢酶，它们可分别催化L-氨基酸、D-氨基酸、黄嘌呤等物质脱氢酶氧化，产生过氧化氢。由于多种需氧脱氢酶的催化作用使机体产生了大量的过氧化氢，造成对机体的影响。2、过氧化氢对机体的影响过氧化氢对机体的作用有两重性。有利的方面表现在：①在粒细胞和巨噬细胞中可杀死吞噬进来的有害细菌。②在甲状腺中参与酪氨酸的碘化反应有利于甲状腺素的合成等。然而，过氧化氢具有毒性，产生过多对机体会造成危害：①氧化含巯基的酶或蛋白，导致它们丧失活性。②氧化生物膜中的不饱和脂肪酸形成过氧化脂质，损伤膜功能。过氧化脂质与蛋白质结合后进入溶酶体，难以分解排除，积累成脂褐色素颗粒。3、机体对过氧化氢的处理和利用在过氧化体中存在着能分解过氧化氢的酶类。它们可将过氧化氢转化为机体无害的物质重新利用起来。1）过氧化氢酶过氧化氢酶又称触酶，是含铁卟啉的结合酶，能催化过氧化氢分解成水和氧：2）过氧化物酶过氧化物酶也是含铁卟啉的结合酶。它可催化酚类或胺类物质脱氢，并使脱下的氢与H2O2反应生成水。反应如下：3）谷胱甘肽过氧化物酶在许多组织细胞中（尤其是红细胞中）存在着含硒的谷光甘肽过氧化物酶。可催化还原型谷胱甘肽（G-SH）与过氧化氢反应，使过氧化氢分解，从而保护膜脂和红细胞免受氧化，维持它们的正常功能。三、自由基与超氧化物歧化酶1、自由基的概念大多数化学键由双电子组成。这些键在断裂时有两种方式：一种是异裂后使两电子全部分配给裂解后的产物之一而形成离子（A：B→A++：B-）；另一种是均裂后将两电子平均分配给裂解后的两部分，生成在水溶液中呈均一态的具有未配对