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1、9第八章 生物氧化第八章生物氧化生物體內(nèi)，物質(zhì)?？赏ㄟ^加氧、脫氫、失去電子的方式被氧化。營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)檸檬酸循環(huán)或其他代謝途徑進(jìn)行脫氫反應(yīng)，產(chǎn)生的成對(duì)氫原子（2個(gè)氫質(zhì)子和2個(gè)電子）以還原當(dāng)量NADH+H+或FADH2的形式存在，是生物氧化（biological oxidation)過程中產(chǎn)生的主要還原性電子載體。機(jī)體在進(jìn)行有氧呼吸時(shí)，這些還原性電子載體通過一系列的酶催化和連續(xù)的氧化還原反應(yīng)逐步失去電子（電子傳遞），最終使氫質(zhì)子與氧結(jié)合生成水。同時(shí)釋放能量，驅(qū)動(dòng)ADP磷酸化生成ATP，供機(jī)體各種生命活動(dòng)的需要。第一節(jié)氧化呼吸鏈?zhǔn)怯删哂须娮觽鬟f功能的復(fù)合體組成生物體將NADH+H十和FADH2徹底氧化

2、生成水和ATP的過程與細(xì)胞的呼吸有關(guān)，需要消耗氧，參與氧化還原反應(yīng)的組分由含輔助因子的多種蛋白酶復(fù)合體組成，形成一個(gè)連續(xù)的傳遞鏈，因此稱為氧化呼吸鏈（oxidative respiratory chain)。真核細(xì)胞ATP的生成主要在線粒體中進(jìn)行，在氧化呼吸鏈中，參與傳遞反應(yīng)的酶復(fù)合體按一定順序排列在線粒體內(nèi)膜上，發(fā)揮傳遞電子或氫的作用。其中傳遞氫的酶蛋白或輔助因子稱之為遞氫體，傳遞電子的則稱之為電子傳遞體。由于遞氫過程也需傳遞電子（2H+2e），所以氧化呼吸鏈也稱電子傳遞鏈（electron transfer chain)。一、氧化呼吸鏈由4種具有傳遞電子能力的復(fù)合體組成氧化呼吸鏈?zhǔn)怯晌挥诰€

3、粒體內(nèi)膜上的4種蛋白酶復(fù)合體（complex)組成，分別稱之為復(fù)合體I、II、III和IV。每個(gè)復(fù)合體都由多種酶蛋白和輔助因子（金屬離子、輔酶或輔基）組成，但各復(fù)合體含有自己特定的蛋白質(zhì)和輔助因子成分（表8-1）。各復(fù)合體中的跨膜蛋白成分使其能夠鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，并按照一定的順序進(jìn)行排列（圖8-1）。其中復(fù)合體I、III和IV鑲嵌于線粒體內(nèi)膜的雙層脂質(zhì)膜，而復(fù)合體II僅鑲嵌在雙層脂質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)。復(fù)合體中的蛋白質(zhì)組分、金屬離子、輔酶或輔基共同完成電子傳遞過程，主要通過金屬離子價(jià)鍵的變化、氫原子（H+e）轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行。電子的傳遞過程本質(zhì)上是由電勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過程，電子傳遞過程所釋放的能量驅(qū)動(dòng)

4、H+從線粒體基質(zhì)移至膜間腔，形成跨線粒體內(nèi)膜的H+濃度梯度差，用于驅(qū)動(dòng)ATP的合成。下面將分別敘述氧化呼吸鏈各復(fù)合體中主要酶蛋白或輔助因子的氧化還原作用及相應(yīng)的電子傳遞過程。175176 第二篇物質(zhì)代謝及其調(diào)節(jié)（一）復(fù)合體I將NADH+H中的電子傳遞給泛醌復(fù)合體I又稱NADH一泛醌還原酶或NADH脫氫酶，接受來自NADH+H+的電子并轉(zhuǎn)移給泛醌（ubiquinone）。在檸檬酸循環(huán)和脂肪酸一氧化等過程的脫氫反應(yīng)中，大部分代謝物脫下的2H是由氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）接受，形成還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH+H

5、）。NAD+(圖8-2)是脫氫酶類的輔酶，分子中煙酰胺芳環(huán)中的氮為五價(jià)，易接受電子被還原，還原時(shí)能接受2H中的雙電子成為三價(jià)氮，同時(shí)芳環(huán)也接受一個(gè)氫質(zhì)子進(jìn)行加氫反應(yīng)，為雙電子傳遞體。煙酰胺在加氫反應(yīng)時(shí)只能接受1個(gè)氫質(zhì)子和2個(gè)電子，游離出一個(gè)H+在溶液中，因此將還原型的NAD+寫成NADH+H+（NADH）（圖8-3）。還原型NADH可失去電子被氧化而生成NAD+，其電子被復(fù)合體I接受并傳遞給泛醌。復(fù)合體I由黃素蛋白（flavoprotein )、鐵硫蛋白（iron-sulfur protein)等蛋白及其輔基組成，呈L形，一端突出于線粒體基質(zhì)中，包括黃素蛋白及黃素單核苷酸（flavin mon

6、onucleotide，F(xiàn)MN）輔基和2個(gè)鐵硫中心( iron-sulfur center, Fe-S )輔基、鐵硫蛋白及其3個(gè)Fe-S輔基；嵌于內(nèi)膜的橫臂為疏水蛋白部分，也含1個(gè)Fe-S輔基。所以，黃素蛋白和鐵硫蛋白都能通過輔基發(fā)揮傳遞電子作用。FMN分子中含核黃素（維生素B2），結(jié)構(gòu)中的異咯嗪環(huán)可接受1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子形成不穩(wěn)定第八章生物氧化177的FMNH，再接受1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原型FMNH2。反之，F(xiàn)MNH2氧化時(shí)也逐步脫去電子和質(zhì)子，屬于單、雙電子傳遞體（圖8-4）。氧化呼吸鏈含有多種鐵硫蛋白，其中的Fe離子通過與無機(jī)硫(S)原子或（和）鐵硫蛋白中的半胱氨酸殘基的S原子相連

7、，形成鐵硫中心。（Fe-S，圖85）。Fe一S可有多種形式，最簡單的鐵硫中心是1個(gè)Fe離子與4個(gè)半胱氨酸殘基的S原子相連，而復(fù)雜的鐵硫中心可以含2個(gè)、4個(gè)Fe離子并通過無機(jī)S原子及半胱氨酸殘基的S原子相連（如Fe2 S2，F(xiàn)e4 S4）鐵硫中心的鐵離子可進(jìn)行Fe 2+Fe3+e一的可逆反應(yīng)，每次傳遞一個(gè)電子，因此鐵硫蛋白為單電子傳遞體。復(fù)合體I中黃素蛋白輔基FMN從基質(zhì)中接受還原型NADH中的2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)電子生成FMNH2，經(jīng)一系列鐵硫中心，再經(jīng)位于線粒體內(nèi)膜中疏水蛋白的鐵硫中心將電子傳遞給內(nèi)膜中的泛醌。泛醌又稱輔酶Q (coenzyme Q，CoQ，Q），是一種小分子、脂溶性醌類化合物。泛

8、醌結(jié)構(gòu)中含多個(gè)異戊二烯單位形成較長的疏水側(cè)鏈。人的CoQ側(cè)鏈含10個(gè)異戊二烯單位，用CoQ10（Q10）表示。泛醌脂溶性強(qiáng)，能在線粒體內(nèi)膜中自由擴(kuò)散，不包含在上述復(fù)合體中。泛醌和FMN178 第二篇物質(zhì)代謝及其調(diào)節(jié)類似，能進(jìn)行可逆的電子傳遞，有3種氧化還原狀態(tài)，接受1個(gè)電子和1個(gè)質(zhì)子還原成半醌型泛醌（QH），再接受1個(gè)電子和1個(gè)質(zhì)子還原成二氫泛醌(QH2），后者可逆向逐步失去質(zhì)子和電子再被氧化為泛醌（圖8-6）。由于泛醌能在線粒體內(nèi)膜中自由移動(dòng)，同時(shí)傳遞氫和電子，可在各復(fù)合體間募集并穿梭傳遞還原當(dāng)量，在氧化呼吸鏈中具有重要作用，同時(shí)還在下述的電子傳遞和質(zhì)子移動(dòng)的偶聯(lián)中起著核心作用。復(fù)合體I可催

9、化兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過程：將一對(duì)電子從還原型的NADH傳遞給泛醌的過程中，可同時(shí)偶聯(lián)質(zhì)子的泵出過程，將4個(gè)H+從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)（negative side，顯負(fù)電,N側(cè)）泵到內(nèi)膜胞質(zhì)側(cè)(positive side,顯正電,P側(cè)），故復(fù)合體I有質(zhì)子泵功能，泵出質(zhì)子所需的能量來自電子傳遞過程。（二）復(fù)合體II將電子從琥珀酸傳遞到泛醌復(fù)合體II是檸檬酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶，又稱琥珀酸一泛醌還原酶，其功能是將電子從琥珀酸傳遞給泛醌。人復(fù)合體II又稱黃素蛋白2 (FP2），由4個(gè)亞基組成，其中2個(gè)小疏水亞基，將復(fù)合體錨定于內(nèi)膜；另外2個(gè)亞基位于基質(zhì)側(cè)，含底物琥珀酸的結(jié)合位點(diǎn)、3個(gè)鐵硫中心輔基和1個(gè)黃素腺嘌呤二核

10、苷酸（FAD）輔基。FAD的結(jié)構(gòu)母核與FMN相同，也是通過異咯嗪環(huán)進(jìn)行電子傳遞。琥珀酸的脫氫反應(yīng)使FAD轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原型FADH2，后者再將電子傳遞到鐵硫中心，然后傳遞給泛醌。該過程傳遞電子釋放的自由能較小，不足以將H+泵出線粒體內(nèi)膜，因此復(fù)合體II沒有H泵的功能。代謝途徑中另外一些含F(xiàn)AD的脫氫酶，如脂酰CoA脫氫酶、一磷酸甘油脫氫酶、膽堿脫氫酶，可以不同方式將相應(yīng)底物脫下的2個(gè)H和2個(gè)電子經(jīng)FAD傳遞給泛醌，進(jìn)入氧化呼吸鏈。（三）復(fù)合體III將電子從還原型泛醌傳遞至細(xì)飽色素c泛醌從復(fù)合體I或II募集還原當(dāng)量并穿梭傳遞到復(fù)合體III，后者再將電子傳遞給細(xì)胞色素c，因此復(fù)合體皿又稱泛醌一細(xì)胞色素c

11、還原酶。人復(fù)合體III含有細(xì)胞色素b（b562，b566）、細(xì)胞色素c1和一種可移動(dòng)的Rieske鐵硫蛋白（Rieske iron-sulfur protein)。細(xì)胞色素（cytochrome, Cyt）是一類含血紅素樣輔基的電子傳遞蛋白，血紅素樣輔基中的鐵離子可通過Fe2+Fe 2+e一反應(yīng)傳遞電子，為單電子傳遞體。還原型細(xì)胞色素均有特征的、三個(gè)可見吸收峰。而氧化型細(xì)胞色素吸收峰和還原型的相比有明顯改變，可作為分析細(xì)胞色素種類和狀態(tài)的重要指標(biāo)。根據(jù)它們吸收光譜和最大吸收波長不同，可將線粒體的細(xì)胞色素分為細(xì)胞色素a,b,c（Cyt a,Cyt b,Cyt c)三類，及不同亞類。各種細(xì)胞色素光

12、吸收性質(zhì)不同是由于輔基鐵卟啉環(huán)的側(cè)鏈以及血紅素所處分子環(huán)境各有不同。細(xì)胞色素b的鐵卟啉是鐵一原卟啉IX，與血紅蛋白的血紅素相同，稱為血紅素b(圖8-7)；而細(xì)胞色素a中鐵一原卟啉IX環(huán)含有甲酰基，1個(gè)乙烯基側(cè)鏈連接的聚異戊二烯長鏈，稱血紅素a(圖8-7)。細(xì)胞色素a和b中的血紅素與其蛋白質(zhì)通過非共價(jià)鍵結(jié)合，但為緊密連接。細(xì)胞色素c中，鐵一原卟啉IX的乙烯側(cè)鏈通過共價(jià)鍵與蛋白質(zhì)部分的半胱氨酸殘基的疏基相連，稱血紅素c（圖8-8）。人復(fù)合體III為二聚體，呈梨形。每個(gè)單體中有11個(gè)亞基，其功能區(qū)包括3部分：細(xì)胞色素b,細(xì)胞色素c1，和鐵硫蛋白。其中細(xì)胞色素c1和鐵硫蛋白都有球形結(jié)構(gòu)域，并以疏水區(qū)段

13、錨定在線粒體內(nèi)膜。細(xì)胞色素b亞基結(jié)合2個(gè)不同血紅素輔基，一個(gè)還原電位較低稱Cyt b L，根據(jù)吸第八章生物氧化179收波長稱Cyt b566,，另一個(gè)電位較高稱Cyt bH,，根據(jù)吸收波長稱Cyt b562，位置接近于內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)。復(fù)合體III還有2個(gè)泛酪結(jié)合位點(diǎn)，分處內(nèi)膜胞質(zhì)側(cè)和基質(zhì)側(cè)，稱為QP和QN位點(diǎn)。復(fù)合體III的電子傳遞過程通過“Q循環(huán)”（Q cycle)實(shí)現(xiàn)?！癚循環(huán)”是為了實(shí)現(xiàn)雙電子傳遞體泛釀與單電子傳遞體細(xì)胞色素之間的電子傳遞，是一個(gè)復(fù)雜的電子傳遞過程，最終將電子從泛釀經(jīng)鐵硫蛋白傳遞給Cyt c1。每2分子QH2通過Q循環(huán)，生成1分子QH2和1分子Q.將2個(gè)電子傳給2分子Cyt

14、c1，同時(shí)復(fù)合體III向膜間隙釋放4H十。Cyt C是氧化呼吸鏈唯一的水溶性球狀蛋白，與線粒體內(nèi)膜外表面疏松結(jié)合，不包含在上述復(fù)合體中。Cyt c從復(fù)合體III中的Cyt c1 獲得電子傳遞到復(fù)合體IV。（四）復(fù)合體IV將電子從細(xì)胞色索c傳遞給氧人復(fù)合體IV又稱細(xì)胞色素c氧化酶（cytochrome。oxidase），將Cyt C的電子傳遞給分子氧，使其還原為H2O。人復(fù)合體IV包含13個(gè)亞基，其中亞基IIII由線粒體基因編碼，是還原當(dāng)量傳遞的功能性亞基，其他10個(gè)亞基起調(diào)節(jié)作用。亞基I呈圓柱形，含2個(gè)血紅素輔基，分別稱為Cyt a 和Cyt a3，由a一螺旋結(jié)構(gòu)支持。另外還含1個(gè)Cu離子，稱

15、Cu B。細(xì)胞色素a3和Cu B定位接近而形成1個(gè)Fe-Cu中心。蛋白結(jié)合的Cu可發(fā)生Cu+Cu2+e一的可逆反應(yīng)，也屬單電子傳遞體。亞基II、III分別位于亞基I兩側(cè)，亞基II內(nèi)膜膜間腔側(cè)膜外域含桶狀的10股片層結(jié)構(gòu)，通過2個(gè)半胱氨酸殘基穩(wěn)定結(jié)合2個(gè)Cu離子，稱Cu A，形成類似Fe2S2鐵硫中心的結(jié)構(gòu)。而亞基III的功能主要與質(zhì)子泵出有關(guān)。復(fù)合體IV中含4個(gè)氧化還原中心，即2個(gè)血紅素中心（Cyt a, Cyt a3）,2個(gè)Cu位點(diǎn)（Cu A Cu B）。其中Cu A中心與Cyt a中血紅素的Fe定位極為接近，僅距1. 5nm,電子可由Cu A中心(2個(gè)Cu離子）傳遞到Cyt a;而Cyt

16、a3-Cu B,形成一個(gè)Fe-Cu中心，這樣就形成了2Cu A和Cyt a3-Cu B兩組電子傳遞單元，稱為雙核中心（binuclear center）功能單元。復(fù)合體IV電子傳遞過程是在雙核中心上進(jìn)行（圖8-9)。Cyt c供出的電子經(jīng)Cu A雙核中心傳遞到Cyt a，再到Cyt a3-Cu B雙核中心。需要依次傳遞4個(gè)電子，并從線粒體基質(zhì)獲得4個(gè)H+，180 第二篇物質(zhì)代謝及其調(diào)節(jié)最終將1分子O2還原成2分子H20（圖8-9）。其電子傳遞過程為：Cyt a傳遞第一個(gè)、第二個(gè)電子到氧化態(tài)的Cyta3-Cu B,雙核中心（Cu2十和Fe3+ )，經(jīng)Cu B。到Cyt a3，使雙核中心的Cu2十和Fe3+ 被還原為Cu+;Fe2+，并使雙核中心結(jié)合O2分子，形成過氧橋連接的Cu B。和Cyt a3，相當(dāng)于2個(gè)電子傳遞給結(jié)合的O2。中心再獲得2個(gè)H+和第三個(gè)電子,