9第八章 生物氧化

第八章生物氧化生物体内，物质常可通过加氧、脱氢、失去电子的方式被氧化。营养物质经柠檬酸循环或其他代谢途径进行脱氢反应，产生的成对氢原子（2个氢质子和2个电子）以还原当量NADH+H+或FADH2的形式存在，是生物氧化（biologicaloxidation)过程中产生的主要还原性电子载体。机体在进行有氧呼吸时，这些还原性电子载体通过一系列的酶催化和连续的氧化还原反应逐步失去电子（电子传递），最终使氢质子与氧结合生成水。同时释放能量，驱动ADP磷酸化生成ATP，供机体各种生命活动的需要。第一节氧化呼吸链是由具有电子传递功能的复合体组成生物体将NADH+H十和FADH2彻底氧化生成水和ATP的过程与细胞的呼吸有关，需要消耗氧，参与氧化还原反应的组分由含辅助因子的多种蛋白酶复合体组成，形成一个连续的传递链，因此称为氧化呼吸链（oxidativerespiratorychain)。真核细胞ATP的生成主要在线粒体中进行，在氧化呼吸链中，参与传递反应的酶复合体按一定顺序排列在线粒体内膜上，发挥传递电子或氢的作用。其中传递氢的酶蛋白或辅助因子称之为递氢体，传递电子的则称之为电子传递体。由于递氢过程也需传递电子（2H++2e—），所以氧化呼吸链也称电子传递链（electrontransferchain)。一、氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成氧化呼吸链是由位于线粒体内膜上的4种蛋白酶复合体（complex)组成，分别称之为复合体I、II、III和IV。每个复合体都由多种酶蛋白和辅助因子（金属离子、辅酶或辅基）组成，但各复合体含有自己特定的蛋白质和辅助因子成分（表8-1）。各复合体中的跨膜蛋白成分使其能够镶嵌在线粒体内膜中，并按照一定的顺序进行排列（图8-1）。其中复合体I、III和IV镶嵌于线粒体内膜的双层脂质膜，而复合体II仅镶嵌在双层脂质膜的内侧。复合体中的蛋白质组分、金属离子、辅酶或辅基共同完成电子传递过程，主要通过金属离子价键的变化、氢原子（H++e—）转移的方式进行。电子的传递过程本质上是由电势能转变为化学能的过程，电子传递过程所释放的能量驱动H+从线粒体基质移至膜间腔，形成跨线粒体内膜的H+浓度梯度差，用于驱动ATP的合成。下面将分别叙述氧化呼吸链各复合体中主要酶蛋白或辅助因子的氧化还原作用及相应的电子传递过程。175176第二篇物质代谢及其调节（一）复合体I将NADH+H＋中的电子传递给泛醌复合体I又称NADH一泛醌还原酶或NADH脱氢酶，接受来自NADH+H+的电子并转移给泛醌（ubiquinone）。在柠檬酸循环和脂肪酸β一氧化等过程的脱氢反应中，大部分代谢物脱下的2H是由氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadeninedinucleotide，NAD+）接受，形成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH+H＋）。NAD+(图8-2)是脱氢酶类的辅酶，分子中烟酰胺芳环中的氮为五价，易接受电子被还原，还原时能接受2H中的双电子成为三价氮，同时芳环也接受一个氢质子进行加氢反应，为双电子传递体。烟酰胺在加氢反应时只能接受1个氢质子和2个电子，游离出一个H+在溶液中，因此将还原型的NAD+写成NADH+H+（NADH）（图8-3）。还原型NADH可失去电子被氧化而生成NAD+，其电子被复合体I接受并传递给泛醌。复合体I由黄素蛋白（flavoprotein)、铁硫蛋白（iron-sulfurprotein)等蛋白及其辅基组成，呈L形，一端突出于线粒体基质中，包括黄素蛋白及黄素单核苷酸（flavinmononucleotide，FMN）辅基和2个铁硫中心(iron-sulfurcenter,Fe-S)辅基、铁硫蛋白及其3个Fe-S辅基；嵌于内膜的横臂为疏水蛋白部分，也含1个Fe-S辅基。所以，黄素蛋白和铁硫蛋白都能通过辅基发挥传递电子作用。FMN分子中含核黄素（维生素B2），结构中的异咯嗪环可接受1个质子和1个电子形成不稳定第八章生物氧化177的FMNH·，再接受1个质子和1个电子转变为还原型FMNH2。反之，FMNH2氧化时也逐步脱去电子和质子，属于单、双电子传递体（图8-4）。氧化呼吸链含有多种铁硫蛋白，其中的Fe离子通过与无机硫(S)原子或（和）铁硫蛋白中的半胱氨酸残基的S原子相连，形成铁硫中心。（Fe-S，图85）。Fe一S可有多种形式，最简单的铁硫中心是1个Fe离子与4个半胱氨酸残基的S原子相连，而复杂的铁硫中心可以含2个、4个Fe离子并通过无机S原子及半胱氨酸残基的S原子相连（如Fe2S2，Fe4S4）·铁硫中心的铁离子可进行Fe2+→Fe3++e一的可逆反应，每次传递一个电子，因此铁硫蛋白为单电子传递体。复合体I中黄素蛋白辅基FMN从基质中接受还原型NADH中的2个质子和2个电子生成FMNH2，经一系列铁硫中心，再经位于线粒体内膜中疏水蛋白的铁硫中心将电子传递给内膜中的泛醌。泛醌又称辅酶Q(coenzymeQ，CoQ，Q），是一种小分子、脂溶性醌类化合物。泛醌结构中含多个异戊二烯单位形成较长的疏水侧链。人的CoQ侧链含10个异戊二烯单位，用CoQ10（Q10）表示。泛醌脂溶性强，能在线粒体内膜中自由扩散，不包含在上述复合体中。泛醌和FMN178第二篇物质代谢及其调节类似，能进行可逆的电子传递，有3种氧化还原状态，接受1个电子和1个质子还原成半醌型泛醌（QH·），再接受1个电子和1个质子还原成二氢泛醌(QH2），后者可逆向逐步失去质子和电子再被氧化为泛醌（图8-6）。由于泛醌能在线粒体内膜中自由移动，同时传递氢和电子，可在各复合体间募集并穿梭传递还原当量，在氧化呼吸链中具有重要作用，同时还在下述的电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。复合体I可催化两个同时进行的过程：将一对电子从还原型的NADH传递给泛醌的过程中，可同时偶联质子的泵出过程，将4个H+从内膜基质侧（negativeside，显负电,N侧）泵到内膜胞质侧(positiveside,显正电,P侧），故复合体I有质子泵功能，泵出质子所需的能量来自电子传递过程。（二）复合体II将电子从琥珀酸传递到泛醌复合体II是柠檬酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸一泛醌还原酶，其功能是将电子从琥珀酸传递给泛醌。人复合体II又称黄素蛋白2(FP2），由4个亚基组成，其中2个小疏水亚基，将复合体锚定于内膜；另外2个亚基位于基质侧，含底物琥珀酸的结合位点、3个铁硫中心辅基和1个黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）辅基。FAD的结构母核与FMN相同，也是通过异咯嗪环进行电子传递。琥珀酸的脱氢反应使FAD转变为还原型FADH2，后者再将电子传递到铁硫中心，然后传递给泛醌。该过程传递电子释放的自由能较小，不足以将H+泵出线粒体内膜，因此复合体II没有H＋泵的功能。代谢途径中另外一些含FAD的脱氢酶，如脂酰CoA脱氢酶、α一磷酸甘油脱氢酶、胆碱脱氢酶，可以不同方式将相应底物脱下的2个H`和2个电子经FAD传递给泛醌，进入氧化呼吸链。（三）复合体III将电子从还原型泛醌传递至细饱色素c泛醌从复合体I或II募集还原当量并穿梭传递到复合体III，后者再将电子传递给细胞色素c，因此复合体皿又称泛醌一细胞色素c还原酶。人复合体III含有细胞色素b（b562，b566）、细胞色素c1和一种可移动的Rieske铁硫蛋白（Rieskeiron-sulfurprotein)。细胞色素（cytochrome,Cyt）是一类含血红素样辅基的电子传递蛋白，血红素样辅基中的铁离子可通过Fe2+→Fe2++e一反应传递电子，为单电子传递体。还原型细胞色素均有特征的α、β、γ三个可见吸收峰。而氧化型细胞色素吸收峰和还原型的相比有明显改变，可作为分析细胞色素种类和状态的重要指标。根据它们吸收光谱和最大吸收波长不同，可将线粒体的细胞色素分为细胞色素a,b,c（Cyta,Cytb,Cytc)三类，及不同亚类。各种细胞色素光吸收性质不同是由于辅基铁卟啉环的侧链以及血红素所处分子环境各有不同。细胞色素b的铁卟啉是铁一原卟啉IX，与血红蛋白的血红素相同，称为血红素b(图8-7)；而细胞色素a中铁一原卟啉IX环含有甲酰基，1个乙烯基侧链连接的聚异戊二烯长链，称血红素a(图8-7)。细胞色素a和b中的血红素与其蛋白质通过非共价键结合，但为紧密连接。细胞色素c中，铁一原卟啉IX的乙烯侧链通过共价键与蛋白质部分的半胱氨酸残基的疏基相连，称血红素c（图8-8）。人复合体III为二聚体，呈梨形。每个单体中有11个亚基，其功能区包括3部分：细胞色素b,细胞色素c1，和铁硫蛋白。其中细胞色素c1和铁硫蛋白都有球形结构域，并以疏水区段锚定在线粒体内膜。细胞色素b亚基结合2个不同血红素辅基，一个还原电位较低称CytbL，根据吸第八章生物氧化179收波长称Cytb566,,，另一个电位较高称CytbH,，根据吸收波长称Cytb562，位置接近于内膜基质侧。复合体III还有2个泛酪结合位点，分处内膜胞质侧和基质侧，称为QP和QN位点。复合体III的电子传递过程通过“Q循环”（Qcycle)实现。“Q循环”是为了实现双电子传递体泛酿与单电子传递体细胞色素之间的电子传递，是一个复杂的电子传递过程，最终将电子从泛酿经铁硫蛋白传递给Cytc1。每2分子QH2通过Q循环，生成1分子QH2和1分子Q.将2个电子传给2分子Cytc1，同时复合体III向膜间隙释放4H十。CytC是氧化呼吸链唯一的水溶性球状蛋白，与线粒体内膜外表面疏松结合，不包含在上述复合体中。Cytc从复合体III中的Cytc1获得电子传递到复合体IV。（四）复合体IV将电子从细胞色索c传递给氧人复合体IV又称细胞色素c氧化酶（cytochrome。oxidase），将CytC的电子传递给分子氧，使其还原为H2O。人复合体IV包含13个亚基，其中亚基I~III由线粒体基因编码，是还原当量传递的功能性亚基，其他10个亚基起调节作用。亚基I呈圆柱形，含2个血红素辅基，分别称为Cyta和Cyta3，由a一螺旋结构支持。另外还含1个Cu离子，称CuB。细胞色素a3和CuB定位接近而形成1个Fe-Cu中心。蛋白结合的Cu可发生Cu+→Cu2++e一的可逆反应，也属单电子传递体。亚基II、III分别位于亚基I两侧，亚基II内膜膜间腔侧膜外域含桶状的10股β片层结构，通过2个半胱氨酸残基稳定结合2个Cu离子，称CuA，形成类似Fe2S2铁硫中心的结构。而亚基III的功能主要与质子泵出有关。复合体IV中含4个氧化还原中心，即2个血红素中心（Cyta,Cyta3）,2个Cu位点（CuACuB）。其中CuA中心与Cyta中血红素的Fe定位极为接近，仅距1.5nm,电子可由CuA中心(2个Cu离子）传递到Cyta;而Cyta3-CuB,形成一个Fe-Cu中心，这样就形成了2CuA和Cyta3-CuB两组电子传递单元，称为双核中心（binuclearcenter）功能单元。复合体IV电子传递过程是在双核中心上进行（图8-9)。Cytc供出的电子经CuA双核中心传递到Cyta，再到Cyta3-CuB双核中心。需要依次传递4个电子，并从线粒体基质获得4个H+，180第二篇物质代谢及其调节最终将1分子O2还原成2分子H20（图8-9）。其电子传递过程为：Cyta传递第一个、第二个电子到氧化态的Cyta3-CuB,双核中心（Cu2十和Fe3+)，经CuB。到Cyta3，使双核中心的Cu2十和Fe3+被还原为Cu+;Fe2+，并使双核中心结合O2分子，形成过氧桥连接的CuB。和Cyta3，相当于2个电子传递给结合的O2。中心再获得2个H+和第三个电子,O2分子键断开，Cyta3出现Fe4+中间态。再接受第四个电子Fe4+还原为Fe3+并形成CuB2+和Cyta3的Fe3+各结合1个OH基团的中间态。最后再获得2个H+，双核中心解离出2个分子H20后恢复初始氧化状态（图8-10）。生成的H20通过亚基I、III间亲水通道排人膜间腔侧。复合体Ⅳ也有质子泵功能，相当于每传递2个电子使2个H+跨内膜向膜间腔侧转