第三章 生物氧化
(资料图片仅供参考)
第一节 呼吸链（由一系列电子传递体构成的链状复合体，即电子传递系统，即呼吸链）
按照最初的电子来源，呼吸链可以分为NADH呼吸链和FADH2呼吸链
一、呼吸链的组成
1.辅酶A（CoA）及NADH脱氢酶
辅酶A是电子的主要供体（在传递电子的时候，可以迅速的往返于代谢物和呼吸链之间），电子来自于细胞内的各种与辅酶A偶联的脱氢酶的底物（比如说三羧酸循环中的异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶）
NADH脱氢酶是呼吸链上以NADH为底物的脱氢酶
2.黄素与黄素偶联的脱氢酶
以核黄素衍生的FDMN或FAD作为辅基，如琥珀酸脱氢酶。琥珀酸脱氢酶在细胞中有两种作用：一是参与三羧酸循环（把琥珀酸氧化成延胡索酸），二是作为呼吸链中的一部分（留住琥珀酸在三羧酸循环之中氧化释放的电子，并转移给电子传递链下一级）。
接受电子时有两种方法：一种是一步到位，有两个电子同时传递，没有半醌中间物；还有一种是分为两步，每一步传递一个电子，中间有一个半醌中间物（这是一种反应极强的自由基，与水相遇时会丢掉电子，启动自由基链式反应，在作为脱氢酶的辅因子时会以辅基的形式与酶分子紧密结合，有时甚至会以共价的形式结合）
3.辅酶Q（CoQ）（泛醌）
是一种脂溶性的醌类化合物，结构和质体醌相似。主要存在于线粒体内膜上，作为呼吸链的一部分；还存在于其他的细胞膜上，作为抗氧化剂，有利于机体去除自由基
氧化型的辅酶Q可以同时接受两个电子或只接收一个电子（CoQH2），有利益单电子的电子传递体和双电子传递体的电子传递（即调节电子的传递）
4.铁硫蛋白（铁硫中心）
含有非血红素铁和对酸不稳定的硫，借助铁价态的变化来传递电子
铁硫蛋白除了可以做呼吸联合光合链的电子传递体还可以做一些酶的辅因子，参与催化反应（如一氧化碳脱氢酶、铁氢化酶、顺乌头酸酶、固氮酶、内切核酸酶、铁螯合酶和延胡索酸脱水酶）
5.细胞色素
是一类含有血红素辅基的蛋白质，也是借助于铁的价态的变化来传递电子的（但是含有的是血红素铁）
每一种细胞色素都有特殊的光吸收，据此将其分为三类a、b和c。在所有的细胞色素中，只有细胞色素c是可溶性的，可以充当流动的电子传递体；其余的都作为膜内在蛋白整合在线粒体内膜等膜系统上
细胞色素c由于某种原因从线粒体外膜大量泄漏，会导致细胞质基质促进一种凋亡蛋白酶激活因子（Apaf1），促进凋亡小体（可招募胱天蛋白酶前体的聚合）的形成。（这是一种线粒体介导的细胞凋亡机制）
6.氧气
作为生物呼吸链的电子终末受体，接受4个电子
二、呼吸链组分的排列顺序
1.测量各组分的氧化还原电位
呼吸链中的各种组分排列是由还原性高的依次向还原性低的（氧化性高的）排列
2.确定在有氧环境中氧化反应到达平衡时各电子传递体的还原程度
还原程度依次递减
3.使用特异性电子受体和人工电子受体
在某一个位点进行特异性阻断。过一段时间后，被阻断部位的上游，各个传递体应是还原型，下游的一侧应是氧化型。
人工电子受体（如铁氰化钾和亚甲蓝）可以插入到呼吸链的特定部位接受还原性比它强的传递体上的电子
4.呼吸链的拆分和重组
NADH呼吸链：复合体Ⅰ—CoQ—复合体Ⅲ—细胞色素c—复合体Ⅳ—O2
FADH2呼吸链：复合体Ⅱ—CoQ—复合体Ⅲ—细胞色素c—复合体Ⅳ—O2
三、复合体Ⅰ、复合体Ⅱ、复合体Ⅲ、复合体Ⅳ的结构和功能
1.复合体I
可以催化NADH和氧化和CoQ的还原，以NADH为底物，FMN或铁硫蛋白为辅基
在其体内，电子传递方向为：NADH—FMN—铁硫蛋白— CoQ
2.复合体II
电子由琥珀酸进入FADH2呼吸链的入口，可以催化琥珀酸的氧化和CoA的还原。最重要的成分是琥珀酸脱氢酶，除此之外，复合体II还有铁硫蛋白和细胞色素b560
电子流经此复合体时，无质子离开细胞质基质
除了琥珀酸脱氢酶可以产生FADH2，磷酸甘油脱氢酶和脂酰辅酶I脱氢酶也可以产生FADH2，并通过其他方式使电子进入CoQ
电子传递：FADH2—铁硫蛋白—细胞色素b560—CoA
3.复合体III
主要成分是细胞色素b、细胞色素c1和铁硫蛋白，因此也称为细胞色素bc1复合体。可以催化CoQH2的氧化和细胞色素c的还原
电子传递：CoQH2—铁硫蛋白—细胞色素c1—细胞色素c
4. 复合体IV
电子供体是还原性细胞色素c，在体外可以催化细胞色素c的氧化和氧气的还原
电子传递：细胞色素c—CuA—血红素a—a3--CuB双核中心—氧气
复合体IV在传递电子的中间产物（如超氧阴离子和过氧化集团）不会提前释放（以免伤害细胞），直到水分子的形成。如果不小心释放细胞还有一层防护机制：超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶
四、呼吸体
使用蓝色非变形聚丙烯酰胺凝胶电泳（BN-PAGE）对呼吸链进行分离，使用考马斯亮蓝让蛋白质都带上负电荷，防止了蛋白质的的聚集，可以进行分离大小范围在1*104~1*107
第二节 氧化磷酸化
一、氧化磷酸化的偶联机制
化学渗透学说：电子在沿着呼吸链向下游传递的时候，释放的自由能先转变为跨膜的质子梯度，随后质子梯度中蕴含的电化学势能直接用来推动ATP的合成。
质子驱动力（PMF）是由两个部分构成的：化学势能和电势能
二、F1F0-ATP合酶的结构与功能
F1呈球状，有αβγδε五种亚基。α亚基和β亚基交替排列成一种环形结构，直接与ATP的合成与释放有关；γ亚基形成一个中央柄，δ亚基和ε亚基直接和F0相互作用；F0呈圆柱状，横跨在线粒体内膜上（疏水），含有a亚基、b亚基和c亚基（多个c亚基聚集在一起，形成一个c单位），c单位和a亚基一起，构成一种桶装的通道（部分向膜间隙开放，部分直接向基质开放）。寡霉素和二环己基碳二亚胺（DCCD）可以直接作用于F0抑制ATP的合成
F1F0-ATP合酶在缺少质子浓度梯度的情况下，会消耗ATP来建立跨膜的质子驱动力（F型质子泵）
三、F1F0-ATP合酶的催化机制
结合变构学说：
（1）在活性中心合成的ATP不需要质子驱动力，与活性中心结合的ATO/ADP处于平衡。
（2）合成好的ATP离开活性中心是要消耗能量的。如果没有质子流过F0，与活性中心相结合的ATP将不会与之解离
（3）在某一时刻，一个β亚基为紧密构象（结合ADP和Pi），一个β亚基是松散的构象（生成ATP），一个β亚基是开放的构象（释放ATP）
（4）三种状态的β亚基可以相互转变，转变过程由γ亚基的转动所驱动（其转动的动力源自质子通过F0的流动。每消耗3个质子，转动120o，一个β亚基将会释放一个ATP，一个β亚基将会合成一个ATP，一个β亚基将会结合一个ADP和一个Pi
质子流动—驱动c单位转动—带动γ亚基转动—诱导β亚基的构象发生变化—ATP的合成与释放
质子通过与各c亚基上的酸性氨基酸（天冬氨酸或谷氨酸）残基可逆结合与解离来通过F0
通道由两个半通道组成，一个面向膜间隙，充当质子的进口，另一个面向基质，充当质子的出口。质子先从面向膜间隙的这一侧的半通道与c亚基上的一个高度保守的酸性氨基酸残基（可被DCCD共价修饰，所以失去活性）的侧链上的去质子化羧基结合，进入疏水的脂相之后另一个c亚基上的质子化的羧基从脂相之中释放出来，最后将其上面的质子释放到基质中去
四、氧化磷酸化的抑制
五、P/O值与氧化磷酸化的调节
P/O值代表着氧化磷酸化的效率，是指在电子传递过程中每消耗掉1mol的氧原子所消耗掉的无机磷酸的物质的量
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