第八章生物氧化 物质在生物体内进行氧化称为生物氧化( biological oxidation),主要是糖、脂肪、蛋白质等在 体内分解时逐步释放能量,最终生成二氧化碳和水的过程。其中有相当一部分能量可使ADP磷酸化生 成ATP,供生命活动之需,其余能量主要以热能形式释放,可用于维持体温。 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子,遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内 外氧化时所消耗的氧量,最终产物(C2,H20)和释放能量均相同。但生物氧化是在细胞内温和的环境 中(体温,pH接近中性),在一系列酶的催化下逐步进行的,因此物质中的能量得以逐步释放,有利于 机体捕获能量提高AˆP生成的效率。生物氧化过程中进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧, 并增加脱氢的机会:生物氧化中生成的水是由脱下的氢与氧结合产生的,CO2由有机酸脱羧产生。体外 氧化(燃烧)产生的CO,HO由物质中的碳和氢直接与氧结合生成,能量是突然释放的 第一节生成ATP的氧化体系 呼吸链 代谢物脱下的成对氢原子(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。由于此过程与细胞呼吸有关,所以将此传递链称为呼吸链( respiratory chain)。它们按一定顺序 排列在线粒体内膜上。其中传递氢的酶或辅酶称之为递氢体,传递电子的酶或辅酶称之为电子传递体 不论递氢体还是电子传递体都起传递电子的作用(2H2H+2e),所以呼吸链又称电子传递链 (electron transfer chain (一)呼吸链的组成 用胆酸,脱氧胆酸等反复处理线粒体内膜,可将呼吸链分离得到4种仍具有传递电子功能的酶复 合体( complex)(表8-1),其中复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ完全镶嵌在线粒体内膜中,复合体Ⅱ镶嵌在内膜的 内侧(图8-1)。下面以复合体为基础叙述呼吸链电子传递的过程(图8-2)。 1.复合体Ⅰ一NAD泛醌还原酶大部分代谢物脱下的2H由氧化型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸 ( nicotinamide adenine dinucleotide,NADˆ)接受形成还原型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸。复合体Ⅰ将 还原型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸中的2H传递给泛醌( ubiquinone),泛醌又称辅酶Q( Coenzyme Q,CoQ Q)。人复合体Ⅰ中含有以黄素单核苷酸( flavin mononucleotide,FMN)为辅基的黄素蛋白 ( flavoprotein)和以铁硫簇(iron- sulfur cluster,Fe-S)为辅基的铁硫蛋白(iron- sulfur protein) 黄素蛋白和铁硫蛋白均具有催化功能。 NAD(辅酶I, coenzyme I,CoI),与NADP'(辅酶Ⅱ, Coenzyme I CoⅡ)是烟酰胺脱氢酶 类的辅酶,其结构式如下: NAD或NADP分子中烟酰胺的氮为五价,能接受电子成为三价氮。其对侧的碳原子也比较活泼,能 进行加氢反应。上述反应是可逆的。烟酰胺在加氢反应时只能接受一个氢原子和一个电子,将另一个 H游离出来,因此将还原型的NAD和NADP分别写成NADH+H(NADH)和 NADPH+H( NADPH)。 FMN中含有核黄素(维生素B2),其发挥功能的结构是异咯嗪环。氧化型或醌型的FMN可接受 1个质子和1个电子形成不稳定的半醌型FMNH·,再接受1个质子和1个电子转变为还原型或氢醌型 FMNH2
1 第八章 生物氧化 物质在生物体内进行氧化称为生物氧化(biological oxidation),主要是糖、脂肪、蛋白质等在 体内分解时逐步释放能量，最终生成二氧化碳和水的过程。其中有相当一部分能量可使 ADP 磷酸化生 成 ATP，供生命活动之需，其余能量主要以热能形式释放，可用于维持体温。 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子,遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内 外氧化时所消耗的氧量，最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。但生物氧化是在细胞内温和的环境 中（体温，pH 接近中性），在一系列酶的催化下逐步进行的，因此物质中的能量得以逐步释放，有利于 机体捕获能量提高 ATP 生成的效率。生物氧化过程中进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧， 并增加脱氢的机会；生物氧化中生成的水是由脱下的氢与氧结合产生的，CO2 由有机酸脱羧产生。体外 氧化（燃烧）产生的 CO2，H2O 由物质中的碳和氢直接与氧结合生成，能量是突然释放的。 第一节 生成 ATP 的氧化体系 一、呼吸链 代谢物脱下的成对氢原子（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。由于此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链（respiratory chain）。它们按一定顺序 排列在线粒体内膜上。其中传递氢的酶或辅酶称之为递氢体，传递电子的酶或辅酶称之为电子传递体。 不论递氢体还是电子传递体都起传递电子的作用（2H 2H++2e），所以呼吸链又称电子传递链 (electron transfer chain)。 （一）呼吸链的组成 用胆酸，脱氧胆酸等反复处理线粒体内膜，可将呼吸链分离得到 4 种仍具有传递电子功能的酶复 合体（complex）（表 8-1），其中复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ完全镶嵌在线粒体内膜中，复合体Ⅱ镶嵌在内膜的 内侧（图 8-1）。下面以复合体为基础叙述呼吸链电子传递的过程（图 8-2）。 1．复合体Ⅰ — NADH-泛醌还原酶 大部分代谢物脱下的 2H 由氧化型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸 （nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+）接受形成还原型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸。复合体Ⅰ将 还原型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸中的 2H 传递给泛醌（ubiquinone），泛醌又称辅酶 Q（Coenzyme Q，CoQ， Q）。人复合体Ⅰ中含有以黄素单核苷酸（flavin mononucleotide, FMN）为辅基的黄素蛋白 （flavoprotein）和以铁硫簇（iron-sulfur cluster, Fe-S）为辅基的铁硫蛋白（iron-sulfur protein）。 黄素蛋白和铁硫蛋白均具有催化功能。 NAD+（辅酶Ⅰ，coenzyme I, Co I），与 NADP+（辅酶Ⅱ，Coenzyme Ⅱ Co Ⅱ）是烟酰胺脱氢酶 类的辅酶，其结构式如下： NAD+或 NADP+分子中烟酰胺的氮为五价，能接受电子成为三价氮。其对侧的碳原子也比较活泼，能 进行加氢反应。上述反应是可逆的。烟酰胺在加氢反应时只能接受一个氢原子和一个电子，将另一个 H+游离出来，因此将还原型的 NAD+和 NADP+分别写成 NADH + H（+ NADH）和 NADPH+H（+ NADPH）。 FMN 中含有核黄素（维生素 B2），其发挥功能的结构是异咯嗪环。氧化型或醌型的 FMN 可接受 1 个质子和 1 个电子形成不稳定的半醌型 FMNH·,再接受 1 个质子和 1 个电子转变为还原型或氢醌型 FMNH2
Fe-S含有等量的铁原子和硫原子(Fe2S2,Fe4S4),通过其中的铁原子与铁硫蛋白中蛋白质部分 半胱氨酸残基的硫相连接(图8-3)。 铁硫蛋白中的铁原子可进行Fe2+ Fe3+e反应而传递电子,在复合体I中,其功能是将FMN 的电子传递给泛醌 泛醌是一种脂溶性醌类化合物。它有多个异戊二烯(2-甲基丁烯)单位互相连接构成较长的侧链 因侧链的疏水作用,故它能在线粒体内膜中迅速扩散。又因它极易从线粒体内膜中分离出来,故不包 含在上述复合体中。人的CoQ侧链由10个异戊二烯单位组成,用CoQ10(Q10)表示。 泛醌接受1个电子和1个质子还原成半醌,再接受1个电子和1个质子还原成二氢泛醌,后者也 可脱去2个电子和2个质子被氧化为泛醌 2.复合体Ⅱ一琥珀酸-泛醌还原酶复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递给泛醌。人复合体Ⅱ中含有 以黄素腺嘌呤二核苷酸( flavin adenine dinucleotide,FAD)为辅基的黄素蛋白,铁硫蛋白和细胞色素 (cytochrome, Cyt bs60 o 细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类,均有特殊的吸收光谱而呈现颜色。根据 它们吸收光谱不同,将细胞色素分为细胞色素a、b、c(Cyta,Cytb,Cytc)3类,每一类中又因其最 大吸收峰的微小差别再分为几种亚类。各种细胞色素的主要差别在于铁卟啉辅基的侧链以及铁卟啉与 蛋白质部分的连接方式。细胞色素b、c的铁卟啉都是铁原卟啉Ⅸ,与血红素相同,但Cytb中卟啉环 上的乙烯侧链与蛋白质部分的半胱氨酸残基相连接。Cyta中与卟啉环相连的1个甲基被甲酰基取代 1个乙烯基侧链连接一条聚异戊二烯长链。 3.复合体Ⅲ一泛醌-细胞色素C还原酶复合体Ⅲ将电子从泛醌传递给细胞色素C。人复合体 Ⅲ中含有细胞色素b(bs62,bs60,细胞色素C和铁硫蛋白。 Cytc呈水溶性,与线粒体内膜外表面结合不紧密,极易与线粒体内膜分离,故不包含在上述复 合体中 4.复合体Ⅳ一细胞色素C氧化酶复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧。人复合体Ⅳ包含 13条多肽链,其中1条多肽链含有Cu-Cu,称之为CuA另一条多肽链结合两个铁卟啉辅基,由于其氧 化还原电位不同分别称之为Cyta和Cyta3,此外还含有一个Cu,由于其氧化还原电位与CuA不同,称 之为CuB铜原子可进行cu—tr2e反应传递电子。Cyta从Cu获得电子后依次将电子交给Cyta 和Cua.Cyta3和CuB形成活性部位,使O2还原成H2O (二)呼吸链组分的排列顺序 呼吸链组分的排列顺序是由下列实验确定的:①根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位,由低到 高的顺序排列(电位低容易失去电子)(表8-2);②在体外将呼吸链拆开 和重组,鉴定4种复合体的组成与排列:③利用呼吸链特异的抑制剂阻断某一组分的电子传递,在阻 断部位以前的组分处于还原状态,后面组分处于氧化状态,由于呼吸链每个组分的氧化和还原状态吸 收光谱不相同,故可根据吸收光谱的改变进行检测(表7—3):④利用呼吸链各组分特有的吸收光谱, 以离体线粒体无氧时处于还原状态作为对照,缓慢给氧,观察各组分被氧化的顺序 根据以上实验结果得知,体内存在两条氧化呼吸链 1.NADH氧化呼吸链生物氧化中大多数脱氢酶如乳酸脱氢酶,苹果酸脱氢酶都是以NAD为辅
2 Fe-S 含有等量的铁原子和硫原子（Fe2S2，Fe4S4），通过其中的铁原子与铁硫蛋白中蛋白质部分 半胱氨酸残基的硫相连接（图 8-3）。 铁硫蛋白中的铁原子可进行Fe2+ Fe3++e反应而传递电子，在复合体Ⅰ中，其功能是将FMN 的电子传递给泛醌。 泛醌是一种脂溶性醌类化合物。它有多个异戊二烯（2-甲基丁烯）单位互相连接构成较长的侧链。 因侧链的疏水作用，故它能在线粒体内膜中迅速扩散。又因它极易从线粒体内膜中分离出来，故不包 含在上述复合体中。人的 CoQ 侧链由 10 个异戊二烯单位组成，用 CoQ10（Q10）表示。 泛醌接受 1 个电子和 1 个质子还原成半醌，再接受 1 个电子和 1 个质子还原成二氢泛醌，后者也 可脱去 2 个电子和 2 个质子被氧化为泛醌。 2．复合体Ⅱ — 琥珀酸-泛醌还原酶 复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递给泛醌。人复合体Ⅱ中含有 以黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide, FAD）为辅基的黄素蛋白，铁硫蛋白和细胞色素 （cytochrome, Cyt）b560。 细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，均有特殊的吸收光谱而呈现颜色。根据 它们吸收光谱不同，将细胞色素分为细胞色素 a、b、c（Cyt a, Cyt b, Cyt c）3 类，每一类中又因其最 大吸收峰的微小差别再分为几种亚类。各种细胞色素的主要差别在于铁卟啉辅基的侧链以及铁卟啉与 蛋白质部分的连接方式。细胞色素 b、c 的铁卟啉都是铁原卟啉Ⅸ，与血红素相同，但 Cyt b 中卟啉环 上的乙烯侧链与蛋白质部分的半胱氨酸残基相连接。Cyt a 中与卟啉环相连的 1 个甲基被甲酰基取代， 1 个乙烯基侧链连接一条聚异戊二烯长链。 3．复合体Ⅲ — 泛醌-细胞色素 C 还原酶 复合体Ⅲ将电子从泛醌传递给细胞色素 C。人复合体 Ⅲ中含有细胞色素 b (b562, b566)，细胞色素 C1和铁硫蛋白。 Cyt c 呈水溶性，与线粒体内膜外表面结合不紧密，极易与线粒体内膜分离，故不包含在上述复 合体中。 4．复合体Ⅳ — 细胞色素 C 氧化酶 复合体Ⅳ将电子从细胞色素 C 传递给氧。人复合体Ⅳ包含 13 条多肽链，其中 1 条多肽链含有 Cu-Cu，称之为 CuA；另一条多肽链结合两个铁卟啉辅基，由于其氧 化还原电位不同分别称之为 Cyta 和 Cyta3，此外还含有一个 Cu，由于其氧化还原电位与 CuA 不同，称 之为 CuB。铜原子可进行 Cu + Cu 2++e 反应传递电子。Cyta 从 CuA 获得电子后依次将电子交给 Cyta3 和 CuB。Cyta3 和 CuB形成活性部位，使 O2 还原成 H2O。 （二）呼吸链组分的排列顺序 呼吸链组分的排列顺序是由下列实验确定的：①根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位，由低到 高的顺序排列（电位低容易失去电子）(表 8—2)；② 在体外将呼吸链拆开 和重组，鉴定 4 种复合体的组成与排列；③ 利用呼吸链特异的抑制剂阻断某一组分的电子传递，在阻 断部位以前的组分处于还原状态，后面组分处于氧化状态，由于呼吸链每个组分的氧化和还原状态吸 收光谱不相同，故可根据吸收光谱的改变进行检测(表 7—3)；④利用呼吸链各组分特有的吸收光谱， 以离体线粒体无氧时处于还原状态作为对照，缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序。 根据以上实验结果得知，体内存在两条氧化呼吸链： 1．NADH 氧化呼吸链 生物氧化中大多数脱氢酶如乳酸脱氢酶，苹果酸脱氢酶都是以 NAD+为辅
酶的。NAD接受氢生成 NADH+H,然后通过NADH氧化呼吸链再被氧化成NAD。 NADH+H脱下的2H经复合体I(FMN,Fe-S)传给CoQ,再经复合体Ⅲ(Cytb,Fe-S, Cyt cr) 传至Cytc,然后传至复合体Ⅳ(cyta,Cyta3)最后将2e交给O2 2.琥珀酸氧化呼吸链(FADH2氧化呼吸链)琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下脱下的2H经复合 体Ⅱ(FAD,Fe-S,b56)使CoQ形成CoQH2,再往下的传递与NA氧化呼吸链相同。α-磷酸甘油 脱氢酶及脂酰CoA脱氢酶催化代谢物脱下的氢也由FAD接受,通过此呼吸链被氧化,故归属于琥珀酸 氧化呼吸链。 、氧化磷酸化 在机体能量代谢中,ATP是体内主要供能的高能化合物。细胞内ATP形成的主要方式是氧化磷酸 化( oxidative phosphorylation),即是在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化,生成ATP,因此又称为 偶联磷酸化。 细胞内还有一种直接将代谢物分子中的能量转移至ADP(或GDP),生成ATP(或GTP),称为 底物水平磷酸化,已在糖代谢中叙述 (一)氧化磷酸化偶联部位 根据下述实验方法及数据可以大致确定氧化磷酸化的偶联部位,即ATP生成的部位 P/O比值将底物、ADP、H3PO4、Mg2+和分离得到的较完整的线粒体在模拟细胞内液的环 境中于密闭小室内相互作用。发现在消耗氧气的同时消耗磷酸。测定氧和无机磷(或ADP) 的消耗量,即可计算出PO比值。PO比值是指物质氧化时,每消耗1摩尔氧原子所消耗无 机磷的摩尔数(或ADP摩尔数),即生成ATP的摩尔数。已知β一羟丁酸的氧化是通过NADH 呼吸链,测得P/O比值接近3,即该呼吸链传递2H可生成3分子ATP。琥珀酸氧化时,测得 PO比值接近2,即生成2分子ATP,因此表明在NADH与CoQ之间(复合体I)存在偶联 部位。此外,测得抗坏血酸氧化时PO比值接近1,还原型Cytc氧化时PO比值也接近1, 即两者均生成1分子AP;此两者的不同在于,抗坏血酸通过Cytc进入呼吸链被氧化的 而还原型Cytc则经Cyta3被氧化,表明在Cyta到氧之间(复合体Ⅳ)也存在偶联部位 从β-羟丁酸、琥珀酸和还原型Cytc氧化时PAO比值的比较表明,在CoQ与Cytc之间(复 合体Ⅲ)存在另一偶联部位。因此NADH呼吸链存在三个偶联部位,琥珀酸呼吸链存在两个 偶联部位(表8-3) 2.自由能变化 从NAD到CoQ段测得的电位差约0.36V,从CoQ到Cytc电位差为02V,从Cyta3到分子氧 为0.53V。自由能变化(△G°)与电位变化(△EO)之间有以下关系: △G=-nF△EO △G表示pH70时的标准自由能变化;n为传递电子数;F为法拉弟常数(96.5k/mol·V)。计算 结果,他们相应的△G分别约为695、40.5、1023 kJ/mol,而生成每摩尔ATP需能约30.5kJ(73kcal) 可见以上三处均足够提供生成ATP所需的能量。 (二)氧化磷酸化偶联机理 1.化学渗透假说化学渗透假说( chemiosmotic hypothesis)是20世纪60年代初由 Peter Mitchell
3 酶的。NAD+接受氢生成 NADH+H+，然后通过 NADH 氧化呼吸链再被氧化成 NAD+。 NADH+H+脱下的 2H 经复合体 I（FMN，Fe-S）传给 CoQ，再经复合体Ⅲ（Cyt b, Fe-S，Cyt c1） 传至 Cyt c，然后传至复合体Ⅳ（Cyt a, Cyt a3）最后将 2e 交给 O2。 2．琥珀酸氧化呼吸链（FADH2 氧化呼吸链） 琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下脱下的 2H 经复合 体Ⅱ（FAD，Fe-S，b560）使 CoQ 形成 CoQH2，再往下的传递与 NADH 氧化呼吸链相同。α-磷酸甘油 脱氢酶及脂酰 CoA 脱氢酶催化代谢物脱下的氢也由 FAD 接受，通过此呼吸链被氧化，故归属于琥珀酸 氧化呼吸链。 二、氧化磷酸化 在机体能量代谢中，ATP 是体内主要供能的高能化合物。细胞内 ATP 形成的主要方式是氧化磷酸 化（oxidative phosphorylation），即是在呼吸链电子传递过程中偶联 ADP 磷酸化，生成 ATP，因此又称为 偶联磷酸化。 细胞内还有一种直接将代谢物分子中的能量转移至 ADP（或 GDP），生成 ATP（或 GTP），称为 底物水平磷酸化，已在糖代谢中叙述。 （一）氧化磷酸化偶联部位 根据下述实验方法及数据可以大致确定氧化磷酸化的偶联部位，即 ATP 生成的部位。 1． P/O 比值 将底物、ADP、H3PO4、Mg 2+和分离得到的较完整的线粒体在模拟细胞内液的环 境中于密闭小室内相互作用。发现在消耗氧气的同时消耗磷酸。测定氧和无机磷（或 ADP） 的消耗量，即可计算出 P/O 比值。P/O 比值是指物质氧化时，每消耗 1 摩尔氧原子所消耗无 机磷的摩尔数（或 ADP 摩尔数），即生成 ATP 的摩尔数。已知β—羟丁酸的氧化是通过 NADH 呼吸链，测得 P/O 比值接近 3，即该呼吸链传递 2H 可生成 3 分子 ATP。琥珀酸氧化时，测得 P/O 比值接近 2，即生成 2 分子 ATP，因此表明在 NADH 与 CoQ 之间（复合体Ⅰ）存在偶联 部位。此外，测得抗坏血酸氧化时 P/O 比值接近 1，还原型 Cyt c 氧化时 P/O 比值也接近 1， 即两者均生成 1 分子 ATP；此两者的不同在于，抗坏血酸通过 Cyt c 进入呼吸链被氧化的， 而还原型 Cyt c 则经 Cyt aa3 被氧化，表明在 Cyt aa3 到氧之间（复合体Ⅳ）也存在偶联部位。 从β-羟丁酸、琥珀酸和还原型 Cyt c 氧化时 P/O 比值的比较表明，在 CoQ 与 Cyt c 之间（复 合体Ⅲ）存在另一偶联部位。因此 NADH 呼吸链存在三个偶联部位，琥珀酸呼吸链存在两个 偶联部位（表 8-3）。 2．自由能变化 从 NAD+到 CoQ 段测得的电位差约 0.36V，从 CoQ 到 Cyt c 电位差为 0.21V，从 Cyt aa3 到分子氧 为 0.53V。自由能变化（△GO’）与电位变化（△E O’）之间有以下关系： △GO’= - nF△E O’ △GO’表示 pH7.0 时的标准自由能变化；n 为传递电子数；F 为法拉弟常数(96.5kJ/mol·V)。计算 结果，他们相应的△GO’分别约为 69.5、40.5、102.3kJ/mol，而生成每摩尔 ATP 需能约 30.5kJ（7.3kcal）, 可见以上三处均足够提供生成 ATP 所需的能量。 (二)氧化磷酸化偶联机理 1．化学渗透假说 化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis）是 20 世纪 60 年代初由 Peter Mitchell
提出的,1978年获诺贝尔化学奖。其基本要点是电子经呼吸链传递时,可将质子(H)从线粒体内膜 的基质侧泵到内膜外侧,产生膜内外质子电化学梯度(H浓度梯度和跨膜电位差),以此储存能量。当 质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成AIP。具体说明如下: 递氢体和递电子体在线粒体内膜上交替排列。电子传递链在线粒体内膜中共构成3个回路,每个 回路均有质子泵的作用。首先由NAD提供1个H和2个e,加上线粒体基质内1个H使FMN还原成FMNH2 FNH2向内膜胞浆侧释出2个H,将2个e还原铁硫簇(Fe-S)。第二个回路开始时Fe-S放出2个e重 新被氧化,将2个e加上基质内的2个H传递给泛醌,使泛醌还原成QH2。QH2移至内膜胞浆侧释出 2个H,而将2个e交给Cytb。Cytb是跨膜蛋白,1条多肽链上结合2个血红素辅基,根据其吸收 光谱不同分别称之为b56和b。还原型Cytb将2个e交还给泛醌,加上基质内的2个H又使泛醌 还原成QH2。ⅧH2将2个H从胞浆侧释出,2个e依次通过Fe-S、C1、C、a、a3传递给氧,并与基质内 的2个H生成H2O(图8-4) 后来的实验结果证实,复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ均具有质子泵的作用。每传递2个电子,它们分别向线 粒体内膜胞浆侧泵出4H、2H和4H'。 2.ATP合酶在分离得到四种呼吸链复合体的同时还可得到复合体V( Complex V),即ATP合 酶( ATP synthase)。它位于线粒体内膜的基质侧,形成许多颗粒状突起。该酶主要由Fo(疏水部分) 和F1(亲水部分)组成。F1主要由a3B3Y8e亚基组成,其功能是催化生成ATP,催化部位在β亚基 中,但β亚基必须与a亚基结合才有活性。F0由a1b2c91亚基组成。镶嵌在线粒体内膜中的c亚基形成 环状结构,a亚基位于环外侧。Fo与F1之间,其中心部位由e亚基相连,外侧由b2和δ亚基相连。F1 中的α3β3亚基间隔排列形成六聚体,部分γ亚基插入六聚体中央。由于3个β亚基与γ亚基插入部分 的不同部位相互作用,使每个β亚基形成不同的构象(图8-5)。当H顺浓度递度经F中a亚基和c 亚基之间回流时,y亚基发生旋转,3个B亚基的构象发生改变。紧密结合型(T)B亚基变成开放型 O),释放AIP;ADP和P与疏松型(L)β亚基相结合:;与紧密型β亚基结合的ADP和Pi生成AP 因此,ATP在紧密结合型β亚基中生成,在开放型中被释放(图8-6) 、影响氧化磷酸化的因素 (一)抑制剂 1.呼吸链抑制剂此类抑制剂能阻断呼吸链中某些部位电子传递。例如鱼藤酮( rotenone)、粉蝶 霉素A( piericidin A)及异戊巴比妥( amobarbital)等与复合体I中的铁硫蛋白结合,从而阻断电子传 递。抗霉素A( antimycin A)、二巯基丙醇( dimercaptopropanol,BAL)抑制复合体Ⅲ中Cytb与Cytc 间的电子传递。C0、CN、N3及HS抑制细胞色素C氧化酶,使电子不能传给氧。目前发生的城市火灾 事故中,由于装饰材料中的N和C经高温可形成HCN,因此伤员除因燃烧不完全造成CO中毒外,还 存在CN中毒。此类抑制剂可使细胞内呼吸停止,与此相关的细胞生命活动停止,引起机体迅速死亡。 2.解偶联剂解偶联剂( uncoupler)使氧化与磷酸化偶联过程脱离。其基本作用机制是使呼吸 链传递电子过程中泵出的H不经ATP合酶的Fo质子通道回流,而通过线粒体内膜中其他途径返回线粒 体基质,从而破坏了内膜两侧的电化学梯度,使ATP的生成受到抑制,以电化学梯度储存的能量以热 能形式释放。二硝基苯酚( dinitrophenol,DNP)为脂溶性物质,在线粒体内膜中可自由移动,进入基
4 提出的，1978 年获诺贝尔化学奖。其基本要点是电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜 的基质侧泵到内膜外侧，产生膜内外质子电化学梯度（H +浓度梯度和跨膜电位差），以此储存能量。当 质子顺浓度梯度回流时驱动 ADP 与 Pi 生成 ATP。具体说明如下： 递氢体和递电子体在线粒体内膜上交替排列。电子传递链在线粒体内膜中共构成 3 个回路，每个 回路均有质子泵的作用。首先由NADH提供1 个H +和2 个e，加上线粒体基质内 1个H +使FMN还原成FMNH2。 FMNH2 向内膜胞浆侧释出 2 个 H +，将 2 个 e 还原铁硫簇（Fe-S）。第二个回路开始时 Fe-S 放出 2 个 e 重 新被氧化，将 2 个 e 加上基质内的 2 个 H+传递给泛醌，使泛醌还原成 QH2。QH2 移至内膜胞浆侧释出 2 个 H+，而将 2 个 e 交给 Cyt b。Cyt b 是跨膜蛋白，1 条多肽链上结合 2 个血红素辅基，根据其吸收 光谱不同分别称之为 b566 和 b562。还原型 Cyt b 将 2 个 e 交还给泛醌，加上基质内的 2 个 H+又使泛醌 还原成 QH2。QH2 将 2 个 H +从胞浆侧释出，2 个 e 依次通过 Fe-S、C1、C、a、a3 传递给氧，并与基质内 的 2 个 H+生成 H2O（图 8-4）。 后来的实验结果证实，复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ均具有质子泵的作用。每传递 2 个电子，它们分别向线 粒体内膜胞浆侧泵出 4H+、2H+和 4H+。 2．ATP 合酶 在分离得到四种呼吸链复合体的同时还可得到复合体Ⅴ（Complex V）,即 ATP 合 酶（ATP synthase）。它位于线粒体内膜的基质侧，形成许多颗粒状突起。该酶主要由 F0（疏水部分） 和 F1（亲水部分）组成。F1 主要由α3β3γδε亚基组成，其功能是催化生成 ATP，催化部位在β亚基 中，但β亚基必须与α亚基结合才有活性。F0 由 a1b2c9-12 亚基组成。镶嵌在线粒体内膜中的 c 亚基形成 环状结构，a 亚基位于环外侧。F0 与 F1 之间，其中心部位由 γε 亚基相连，外侧由 b2和 δ 亚基相连。F1 中的α3β3 亚基间隔排列形成六聚体，部分 γ 亚基插入六聚体中央。由于 3 个β亚基与 γ 亚基插入部分 的不同部位相互作用，使每个β亚基形成不同的构象（图 8—5）。当 H+顺浓度递度经 F0 中 a 亚基和 c 亚基之间回流时，γ 亚基发生旋转，3 个β亚基的构象发生改变。紧密结合型（T）β亚基变成开放型 （O），释放 ATP；ADP 和 Pi 与疏松型（L）β亚基相结合；与紧密型β亚基结合的 ADP 和 Pi 生成 ATP。 因此，ATP 在紧密结合型β亚基中生成，在开放型中被释放（图 8—6）。 三、影响氧化磷酸化的因素 （一）抑制剂 1．呼吸链抑制剂 此类抑制剂能阻断呼吸链中某些部位电子传递。例如鱼藤酮（rotenone）、粉蝶 霉素 A（piericidin A）及异戊巴比妥（amobarbital）等与复合体Ⅰ中的铁硫蛋白结合，从而阻断电子传 递。抗霉素 A (antimycin A)、二巯基丙醇（dimercaptopropanol, BAL）抑制复合体Ⅲ中 Cyt b 与 Cytc1 间的电子传递。CO、CN¯ 、N3 ¯及 H2S 抑制细胞色素 C 氧化酶，使电子不能传给氧。目前发生的城市火灾 事故中，由于装饰材料中的 N 和 C 经高温可形成 HCN，因此伤员除因燃烧不完全造成 CO 中毒外，还 存在 CN¯中毒。此类抑制剂可使细胞内呼吸停止，与此相关的细胞生命活动停止，引起机体迅速死亡。 2．解偶联剂 解偶联剂（uncoupler）使氧化与磷酸化偶联过程脱离。其基本作用机制是使呼吸 链传递电子过程中泵出的 H +不经 ATP 合酶的 Fo 质子通道回流，而通过线粒体内膜中其他途径返回线粒 体基质，从而破坏了内膜两侧的电化学梯度，使 ATP 的生成受到抑制，以电化学梯度储存的能量以热 能形式释放。二硝基苯酚（dinitrophenol,DNP）为脂溶性物质，在线粒体内膜中可自由移动，进入基
质侧释出H,返回胞液侧结合H,从而破坏了电化学梯度。人(尤其是新生儿)、哺乳类等动物中存 在含有大量线粒体的棕色脂肪组织,该组织线粒体内膜中存在解偶联蛋白( uncoupling protein),它是 由2个32kDa亚基组成的二聚体,在内膜上形成质子通道,H可经此通道返回线粒体基质中,同时释 放热能,因此棕色脂肪组织是产热御寒组织。新生儿硬肿症是因为缺乏棕色脂肪组织,不能维持正常 体温而使皮下脂肪凝固所致。游离脂肪酸可促进质子经解偶联蛋白返流至线粒体基质中。近年来发现 在其它组织的线粒体内膜中也存在解偶联蛋白,可能对机体的代谢速率起调节作用。 3.氧化磷酸化抑制剂这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如,寡霉素 ( oligomycin)可阻止质子从F质子通道回流,抑制ATP生成。此时由于线粒体内膜两侧电化学梯度 增高影响呼吸链质子泵的功能,继而抑制电子传递。 各种抑制剂对线粒体耗氧的影响见图8-7 (二)ADP的调节作用 正常机体氧化磷酸化的速率主要受ADP的调节。当机体利用ATP增多,ADP浓度增高,转运入线 粒体后使氧化磷酸化速度加快:反之ADP不足,使氧化磷酸化速度减慢。这种调节作用可使ATP的生 成速度适应生理需要。 (三)甲状腺激素 甲状腺激素诱导细胞膜上Na',K-ATP酶的生成,使ATP加速分解为ADP和Pi,ADP增多促进氧 化磷酸化,甲状腺激素(T3)还可使解偶联蛋白基因表达增加,因而引起耗氧和产热均增加。所以甲状 腺功能亢进症患者基础代谢率增高 (四)线粒体DNA突变 线粒体DNA( mitochondrial dna, mtDNA)呈裸露的环状双螺旋结构,缺乏蛋白质保护和损伤修 复系统,容易受到本身氧化磷酸化过程中产生氧自由基的损伤而发生突变,其突变率是核DNA突变率 的10~20倍。线粒体DNA含呼吸链氧化磷酸化复合体中13条多肽链的基因,线粒体蛋白质合成时所 需的22个 trnA的基因以及2个rRNA的基因。因此线粒体DNA突变可影响氧化磷酸化的功能,使ATP 生成减少而致病。线粒体DNA病出现的症状决定于线粒体DN突变的严重程度和各器官对ATP的需求 耗能较多的组织器官首先出现功能障碍,常见的有盲、聋、痴呆、肌无力、糖尿病等。因每个卵细胞 中有几十万个线粒体DNA分子,每个精子中只有几百个线粒体DNA分子,受精时,卵细胞对子代线粒 体DNA贡献较大,因此该病以母系遗传居多。随着年龄的增长,线粒体DNA突变日趋严重,因此大多 数线粒体DNA病的症状到老年时才出现。老年人心脏和骨骼肌中常可发现线粒体DNA4977个核苷酸缺 失 四、ATP 生物氧化过程中释放的能量大约有40%以化学能的形式储存于一些特殊的有机磷酸化合物中,形 成磷酸酯(磷酸酐)。这些磷酸酯键水解时释放能量较多(大于2lkJ/moⅠ),一般称之为髙能磷酸键,常 用“~P”符号表示。含有高能磷酸键的化合物称之为髙能磷酸化合物。实际上髙能磷酸键水解时释 放的能量是整个高能磷酸化合物分子释放的能量,并不存在键能特别髙的化学键。因此,“高能磷酸键” 的名称不够确切。但为了叙述方便,目前仍被采用。在体内所有髙能磷酸化合物中,以ATP末端的磷 酸键最为重要。此外体内还存在其他高能化合物(表8-4
5 质侧释出 H+，返回胞液侧结合 H+，从而破坏了电化学梯度。人（尤其是新生儿）、哺乳类等动物中存 在含有大量线粒体的棕色脂肪组织，该组织线粒体内膜中存在解偶联蛋白（uncoupling protein），它是 由 2 个 32 kDa 亚基组成的二聚体，在内膜上形成质子通道，H+可经此通道返回线粒体基质中，同时释 放热能，因此棕色脂肪组织是产热御寒组织。新生儿硬肿症是因为缺乏棕色脂肪组织，不能维持正常 体温而使皮下脂肪凝固所致。游离脂肪酸可促进质子经解偶联蛋白返流至线粒体基质中。近年来发现 在其它组织的线粒体内膜中也存在解偶联蛋白，可能对机体的代谢速率起调节作用。 3．氧化磷酸化抑制剂 这类抑制剂对电子传递及 ADP 磷酸化均有抑制作用。例如，寡霉素 （oligomycin）可阻止质子从 F0 质子通道回流，抑制 ATP 生成。此时由于线粒体内膜两侧电化学梯度 增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。 各种抑制剂对线粒体耗氧的影响见图 8-7。 （二）ADP 的调节作用 正常机体氧化磷酸化的速率主要受 ADP 的调节。当机体利用 ATP 增多，ADP 浓度增高，转运入线 粒体后使氧化磷酸化速度加快；反之 ADP 不足，使氧化磷酸化速度减慢。这种调节作用可使 ATP 的生 成速度适应生理需要。 （三）甲状腺激素 甲状腺激素诱导细胞膜上 Na +，K +–ATP 酶的生成，使 ATP 加速分解为 ADP 和 Pi，ADP 增多促进氧 化磷酸化，甲状腺激素（T3）还可使解偶联蛋白基因表达增加，因而引起耗氧和产热均增加。所以甲状 腺功能亢进症患者基础代谢率增高。 （四）线粒体 DNA 突变 线粒体 DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修 复系统，容易受到本身氧化磷酸化过程中产生氧自由基的损伤而发生突变，其突变率是核 DNA 突变率 的 10～20 倍。线粒体 DNA 含呼吸链氧化磷酸化复合体中 13 条多肽链的基因，线粒体蛋白质合成时所 需的 22 个 tRNA 的基因以及 2 个 rRNA 的基因。因此线粒体 DNA 突变可影响氧化磷酸化的功能，使 ATP 生成减少而致病。线粒体 DNA 病出现的症状决定于线粒体 DNA 突变的严重程度和各器官对 ATP 的需求， 耗能较多的组织器官首先出现功能障碍，常见的有盲、聋、痴呆、肌无力、糖尿病等。因每个卵细胞 中有几十万个线粒体 DNA 分子，每个精子中只有几百个线粒体 DNA 分子，受精时，卵细胞对子代线粒 体 DNA 贡献较大，因此该病以母系遗传居多。随着年龄的增长，线粒体 DNA 突变日趋严重，因此大多 数线粒体 DNA 病的症状到老年时才出现。老年人心脏和骨骼肌中常可发现线粒体 DNA 4977 个核苷酸缺 失。 四、ATP 生物氧化过程中释放的能量大约有 40%以化学能的形式储存于一些特殊的有机磷酸化合物中，形 成磷酸酯(磷酸酐)。这些磷酸酯键水解时释放能量较多(大于 21kJ/mol)，一般称之为高能磷酸键，常 用“～ P ”符号表示。含有高能磷酸键的化合物称之为高能磷酸化合物。实际上高能磷酸键水解时释 放的能量是整个高能磷酸化合物分子释放的能量，并不存在键能特别高的化学键。因此，“高能磷酸键” 的名称不够确切。但为了叙述方便，目前仍被采用。在体内所有高能磷酸化合物中，以 ATP 末端的磷 酸键最为重要。此外体内还存在其他高能化合物(表 8-4)