线粒体氧化体系与呼吸链

概述

  • 物质在生物体内进行的氧化分解称生物氧化(biological oxidation)
  • 生物氧化发生的部位：细胞胞质、线粒体、微粒体等
  • 线粒体氧化体系：通过酶促反应将营养物质氧化分解为CO2 和 H2O，并释放能量，产生ATP
  • 微粒体氧化体系：利用氧化酶类对底物进行加氧修饰，不产生ATP

    与体外氧化的比较

    | 生物氧化 | 体外氧化 | | :—-: | :—-: | |
    - 是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放，有利于有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。
    - 加氧是通过+H2O，-2H方式；脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。
    |
    - 能量是突然释放的。
    - 产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。
    |

线粒体氧化体系

  • 主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内氧化分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程
  • 特点：反应温和，需要酶的催化，氧化反应逐步进行，能量逐步释放

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线粒体氧化体系递氢体和递电子体

NADH/NAD+、NADPH/NADP+

  • 水溶性辅酶或辅基：NAD+ /NADH, NADP+/NADPH
  • 为双电子传递体

  • 功能基团：芳环中五价氮和三价氮间的变化

    FAD/FADH2、FMN/FMNH2

  • 水溶性辅酶或辅基：FAD/FADH2

  • FMN/FMNH2 为单双电子传递体

  • 结构中含核黄素，异咯嗪环为功能基团

    泛醌（ubiquinone，CoQ，Q）

  • 脂溶性有机化合物：泛醌（ubiquinone，CoQ，Q）

  • 人体：CoQ10，含10个异戊二烯单位
  • 可在线粒体内膜中自由扩散

  • 传递质子和电子

    铁硫蛋白

  • 铁硫蛋白 (iron-sulfur protein )

  • 辅基：铁硫中心(Fe-S)含铁离子和硫原子
  • 通过 Fe2+Fe3++e- 反应传递电子

  • 单电子传递体

    细胞色素蛋白（cytochrome , Cyt）

  • 含血红素样辅基的蛋白质

  • 分Cyt a、b、c 及不同的亚类
  • 通过血红素辅基 Fe2+Fe3++e-

  • 反应传递电子 单电子传递体

    具有传递电子能力的蛋白复合体组成线粒体呼吸链

  • 线粒体呼吸链：生物体将NADH+H+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，因此称为线粒体呼吸链（mitochodrial respiratory chain）。也称电子传递链(electron transfer chain)

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复合体Ⅰ将NADH+H+中的电子传递给泛醌

  • 复合体Ⅰ：NADH-泛醌还原酶、NADH脱氢酶
  • 接受来自NADH+H+的电子并转移给泛醌

  • 复合体Ⅰ可催化两个同时进行的过程：

    • 电子传递：NADH→FMN→Fe-S→ Q
    • 质子的泵出：复合体Ⅰ有质子泵功能，每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧

      复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递到泛醌

  • 复合体Ⅱ：琥珀酸-泛醌还原酶，即三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶

  • 电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S →Q

  • 复合体Ⅱ：无H+泵的功能

    复合体Ⅲ将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c

  • 复合体Ⅲ：泛醌-细胞色素C还原酶

  • 人复合体Ⅲ含有 Cyt b(b562, b566)、Cyt c1和一种可移动的铁硫蛋白
  • 泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集氢并穿梭传递到复合体Ⅲ
  • 电子传递：QH2→(Cyt bL→Cyt bH) →Fe-S →Cytc1→Cytc
  • 复合体Ⅲ的电子传递通过“Q循环”实现
  • 复合体Ⅲ每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体Ⅲ有质子泵作用
  • Cyt c是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中

  • Cyt c将获得的电子传递到复合体IV

    复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧

  • 复合体Ⅳ：细胞色素C氧化酶

  • 电子传递：Cyt c→CuA→Cyt a→Cyt a3–CuB→O2

  • CuA和Cyt a3–CuB形成双核中心，将电子传递给O2 质子泵功能：每传递2个电子使2个H+跨内膜向膜间隙侧转移

    NADH和FADH2是线粒体呼吸链的电子供体，形成两条呼吸链

  • NADH氧化呼吸链

    • NADH →复合体Ⅰ→CoQ →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2

  • 琥珀酸氧化呼吸链

    • 琥珀酸 →复合体Ⅱ →CoQ →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2

      氧化磷酸化和ATP的生成

      概述

  • 底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation): 与底物分子的高能键水解相偶联，使ADP磷酸化生成ATP

  • 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)：NADH和FADH2通过线粒体呼吸链被氧化生成水的过程伴随着能量的释放，驱动ADP磷酸化生成ATP。即NADH和FADH2的氧化过程与ADP磷酸化过程相偶联，释放的能量用于生成ATP

    氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内

  • 根据P/O比值 自由能变化: ⊿Gº’=-nF⊿Eº’

  • 氧化与磷酸化的偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ

    P/O 比值

  • 指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）

    自由能变化

  • 根据自由能变化确定偶联部位

  • ⊿Gº’= -nF ⊿Eº’ n：传递电子数；F：法拉第常数

  • 合成1摩尔ATP 需能量约30.5kJ

    呼吸链产生的能量完全满足合成ATP所需

  • 2e经NADH氧化呼吸链氧化，偶联生成2.5分子的ATP

  • 2e经琥珀酸呼吸链氧化，偶联产生1.5分子ATP

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化学渗透假说 (chemiosmotic hypothesis)

  • 电子经呼吸链传递时释放的能量，通过复合体的质子泵功能，转运H+从线粒体基质到内膜的胞质侧
  • 质子不能自由穿过线粒体内膜返回基质，从而形成跨线粒体内膜的质子电化学梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差），储存电子传递释放的能量
  • 质子的电化学梯度转变为质子驱动力，促使质子从膜间隙侧顺浓度梯度回流至基质、释放储存的势能，用于驱动ADP与Pi结合生成ATP
  • 电子传递过程复合体Ⅰ (4H+) 、Ⅲ (4 H+)和Ⅳ (2H+)有质子泵功能。

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质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成 ATP

  • ATP合酶：跨线粒体内膜的通道蛋白 功能：回流质子至基质时，结合ADP与Pi合成ATP
    • F1（亲水部分）
      • 亚基：αβγδε
      • 功能：催化 ATP 合成
    • Fo（疏水部分）
      • 亚基：a1b2c9-12
      • 功能：质子回流至基质的通道
  • 质子顺浓度梯度经Fo部分回流时，驱动γ亚基转动，使3个β亚基构象周期性改变
  • 依次结合底物、生成、释出产物ATP
  • 生成1个ATP，需4个H＋回流入线粒体基质
  • ATP合酶的作用：线粒体内膜存在ATP合酶，电子传递产生的质子驱动力通过ATP合酶的离子通道促使质子回流、释放的能量用于产生ATP

  • ATP：高能磷酸化合物

    ATP是高能磷酸物

    ATP是体内能量捕获和释放利用的重要分子

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    ATP是体内能量转移和磷酸核苷化合物互相转变的核心

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    ATP通过转移自身基团提供能量

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    磷酸肌酸是高能键能量的储存形式

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    氧化磷酸化的影响因素

  • ADP可调节氧化磷酸化速率

    • ADP浓度高，氧化速率加快，呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR)
  • 抑制剂的影响
  • 甲状腺激素： Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。引起耗氧和产热。
  • 线粒体DNA突变：能量代谢障碍。

  • 核基因突变：线粒体所需蛋白缺陷，能量代谢受阻。

    体内能量状态可调节氧化磷酸化速率

  • 氧化磷酸化是机体合成ATP的最主要的途径

  • 机体根据能量需求调节氧化磷酸化速率，从而调节ATP的生成量
  • 细胞内ADP的浓度以及ATP/ADP的比值感应机体能量状态的变化
  • 耗能代谢反应活跃时，ATP分解为ADP和Pi的速率增加，使ATP/ADP的比值降低、ADP的浓度增加，氧化磷酸化速率加快

  • ATP和ADP也调节糖酵解、柠檬酸循环途径，调节NADH和FADH2的生成

    抑制剂可阻断氧化磷酸化过程

    呼吸链抑制剂阻断电子传递过程

  • 复合体Ⅰ抑制剂：鱼藤酮、粉蝶霉素A、异戊巴比妥等

  • 复合体Ⅱ的抑制剂：萎锈灵
  • 复合体Ⅲ抑制剂：抗霉素A，阻断Cyt b传递电子到泛醌(QN)
  • 复合体Ⅳ 抑制剂：CN－、N3－紧密结合中氧化型Cyt a3，阻断电子由Cyt a到CuB- Cyt a3间传递； CO与还原型Cyt a3结合，阻断电子传递给O2

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解偶联剂uncoupler 阻断ADP的磷酸化过程

  • 氧化过程与磷酸化过程分离
  • 二硝基苯酚：结合H＋，破坏质子梯度
  • 内源性解偶联蛋白UCP1：棕色脂肪（BAT）含线粒体多，使组织产热

  • UCP1与减肥； cold challenge老鼠 UCP1表达升高

    ATP合酶抑制剂

  • 抑制电子传递、ATP合成

  • 寡霉素（Oligomycin）: 与Fo结合，阻滞质子回流，抑制ATP合成，抑制质子泵作用

    胞浆NADH的跨膜转运

  • 胞浆NADH需转运至线粒体基质进行氧化

  • 转运机制

    • α-磷酸甘油穿梭
    • 苹果酸-天冬氨酸穿梭

      α-磷酸甘油穿梭

  • 存在部位：脑、骨骼肌

  • 胞液中的NADH通过穿梭将2H交给FAD，进入琥珀酸氧化呼吸链产生1.5分子ATP

    苹果酸-天冬氨酸穿梭

  • 存在部位：肝、心肌

  • 胞液NADH通过穿梭进入NADH氧化呼吸链产生2.5分子ATP