生物氧化第八章Biologicaloxidation陳舌

研究員shechen@楓林校區西7號樓336室（54237223）一般將?Go大于ATP（包括ATP），或?Go大于21kJ/mol的磷酸化合物稱為高能磷酸化合物。用符號~P表示高能磷酸鍵。高能磷酸化合物的磷酰基水解時釋放出大量自由能高能磷酸化合物:一些生物學重要的有機磷酸化合物水解時釋放的標準自由能化合物?GokJ/mol（kcal/mol）磷酸烯醇式丙酮酸-61.9(-14.8)氨基甲酰磷酸-51.4(-12.3)1,3-二磷酸甘油酸-49.3(-11.8)磷酸肌酸-43.1(-10.3)ATP→ADP+Pi-30.5(-7.3)ADP→AMP+Pi-27.6(-6.6)焦磷酸-27.6(-6.6)1-磷酸葡萄糖-20.9(-5.0)6-磷酸果糖-15.9(-3.8)AMP-14.2(-3.4)6-磷酸葡萄糖-13.8(-3.3)3-磷酸甘油醛-9.2(-2.2)ATP是最重要的高能磷酸化合物體內許多代謝物的“活化”反應（吸能）大多直接或間接地與ATP酸酐鍵的水解放能反應相偶聯，使“活化”反應能順利進行。OCH2HOHOHOHHOHHOHHH葡萄糖ATPADPMg2+己糖激酶(hexokinase)OHOHOHHOHHOHHOCH2H6-磷酸葡萄糖PPATP是生物能轉換、儲存和利用的核心

ATP+AMP2ADP腺苷激酶ATP+UDP→ADP+UTP

ATP+CDP→ADP+CTP

ATP+GDP→ADP+GTP核苷二磷酸激酶催化UTP、CTP、GTP生成磷酸肌酸作為肌和腦中能量的一種儲存形式氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯ADP磷酸化，生成ATP，又稱為偶聯磷酸化。

底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)是底物分子內部能量重新分布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成ATP的過程。ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P機械能(肌肉收縮)滲透能(物質主動轉運)化學能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)生物體內能量的儲存和利用都以ATP為中心細胞線粒體如何評價線粒體氧化還原功能（一）線粒體呼吸功能（二）內膜電位水平（三）ATP合酶亞基的表達在一定條件下，加入線粒體后，依次定量加入反應底物(蘋果酸鈉/L谷氨酸鈉)、ADP，用Clark氧電極法等記錄氧耗曲線，觀察線粒體呼吸態的變化。3態呼吸（ST3）：ADP加入后相應氧耗速率。4態呼吸（ST4）：ADP耗盡后相應氧耗速率。呼吸控制率(respiratorycontrolrate,RCR)：線粒體呼吸活性以單位線粒體蛋白耗氧表示(nmol/min·mg)，其3、4態耗氧之比(ST3/ST4)表示RCR。線粒體呼吸功能測定1.ST3：顯示有呼吸底物時ADP對氧化磷酸化刺激效應，與電子傳遞鏈、ATP合酶活性相關。2.ST4：四態呼吸時，無ATP的合成，顯示質子漏狀況。3.RCR反映氧化和磷酸化偶聯程度。*ST3、ST4和RCR的意義

測定方法及原理：正常的親脂性的陽離子化合物能結合到線粒體內膜。

1.羅丹明123(Rhodamine123)：可被活細胞線粒體特異攝取，且攝取率與膜電位成正比。

2.染色劑JC-1：內膜電位依賴性熒光染料特性，當內膜電位小于100mV時，JC-1以單體存在，490nm激發光下形成綠色熒光；內膜電位升高時，JC-1在內膜聚集形成橙色熒光。內膜電位水平與線粒體正常功能跨內膜電位（質子電化學梯度）是反映線粒體呼吸鏈及合成ATP功能的重要指標，被廣泛應用。蛋白復合物活性反映呼吸鏈電子傳遞功能基本方法：反應體系中含有待測復合體相應底物、電子受體和下游復合體抑制劑，加定量線粒體蛋白溫育。加底物啟動反應后，在線性范圍內以特定波長，檢測底物/產物的氧化/還原水平改變。（一）呼吸鏈蛋白復合體活性檢測顯示電子傳遞速率（二）蛋白印漬技術測定呼吸鏈復合體蛋白表達氧化磷酸化ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液側

基質側++++++++++---------線粒體基質

線粒體膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化學滲透假說化學滲透示意圖及各種抑制劑對電子傳遞鏈的影響泛指在生物體內發生的任何氧化還原反應，也包括營養物和生物分子在生物體（細胞）內進行的氧化還原作用。營養物和生物分子經歷氧化還原反應被徹底分解，產生H2O、CO2，并伴有ATP的生成，或轉化為其它分子,此過程需耗氧、排出CO2，又在活細胞內進行，故又稱細胞呼吸(cellularrespiration)。

*生物氧化（biologicaloxidation）

糖脂肪蛋白質CO2和H2OO2能量ADP+PiATP熱能*生物氧化的一般過程*生物氧化特點：生物分子在體內的反應條件溫和，逐步反應，逐步釋能，常伴有分解釋能反應與需能反應偶聯，或能量形式的轉換。

氧化還原酶類促進的氧化反應，包括失電子、脫氫和加氧不同反應方式，參與產生能量或催化物質代謝變化。加水脫氫是重要的脫氫反應，酶催化向底物加入水分子同時脫去一對氫，相當于底物加入一個氧原子。*生物體內的氧化還原反應類型生物氧化特點BiologicalOxidationburningtemperature37℃highconditionneutraldrycatalystenzymenoVelocityofenergyreleaseslowfastFormofenergyreleaseATPheatheatWayproducingCO2andH2OorganicaciddecarboxylationproduceCO2wideadditionofwateranddehydrogenationthehydrogencombinewithoxygenatanindirectway.Oxygendirectlycombinewithcarbon(hydrogen),produceCO2(H2O).AminoacidsFattyacidsGlucose

Acetyl-CoAGlycolysisPyruvatePyruvatedehydogenasecomplexCO2CO2CO2

NADHFADH2(reducede-

carriers)e-e-e-e-e-e-e-e-

Citricacidcycle

RespiratorychainADP+PiATP2H++1/2O2H2Oe-Stage1Acetyl-CoAproductionStage2Acetyl-CoAoxidationStage3Electrontransferandoxidativephosphorylation生物氧化的過程氧化

失電子

脫氫

加氧還原

得電子

加氫

脫氧[O][R]+e+H-H-e+O氧化還原+Oe.g.NADH-NAD+,andFADH2-FADe.g.NAD++2H++2e-NADH+H+舉例：電子從化合物A流到化合物B第一節氧化呼吸鏈（oxidativerespiratorychain）是由具有電子傳遞功能的復合體組成電子傳遞呼吸鏈的定義在線粒體內膜中，由一系列具有氫和/或電子傳遞功能的酶復合體按一定順序排列，組成的氧化還原體系稱為呼吸鏈（respiratorychain）。因為傳遞氫相當于傳遞質子和電子（2H2H++2e-），所以呼吸鏈又稱電子傳遞鏈(electrontransportchain)。

組成電子傳遞體

電子傳遞體：就是組成呼吸鏈的幾種酶復合體的輔酶或輔基，有的直接傳遞氫，有的傳遞電子。由于輔酶/輔基分子不同，受不同蛋白質內部環境影響不同，電子傳遞體具有不同的氧化還原電位（redoxpotential），決定了它們在呼吸鏈中的排列次序。某些電子傳遞體直接傳遞氫包括NAD+、FMN、FAD和泛醌。2.鐵硫蛋白和細胞色素傳遞電子Fe2+Fe3++e-NAD+和

NADP+R=H:NAD+，;R=H2PO3:NADP+

NADNADHFAD/FADH2FADFADH2FMN泛醌泛醌（CoenzymeQ

,CoQ,Q）由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側鏈（人CoQ10），氧化還原反應時可生成中間產物半醌型泛醌。泛醌的加氫和脫氫反應

鐵硫蛋白(iron-sulfurprotein

)SS無機硫半胱氨酸硫鐵硫蛋白中輔基鐵硫中心(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其中一個鐵原子可進行Fe2+Fe3++e-

反應傳遞電子。屬于單電子傳遞體。

?表示無機硫細胞色素（Cytochrome，Cyt）

細胞色素是一類以血紅素（heme）為輔基的電子傳遞蛋白，根據它們吸收光譜不同而分類。各種還原型細胞色素的主要光吸收峰細胞色素波長（nm）αβγa600439b562532429c550521415c1554524418血紅素中的鐵原子可進行Fe2+Fe3++e-反應傳遞電子,屬單電子傳遞體。人線粒體呼吸鏈酶復合體酶復合體酶名稱質量(kD)多肽鏈數功能輔基含結合位點復合體ⅠNADH-泛醌氧化還原酶85043FMN、Fe-SNADH(基質側)CoQ(脂質核心）復合體Ⅱ琥珀酸-泛醌還原酶1404FAD、Fe-S琥珀酸(基質側)CoQ(脂質核心)復合體Ⅲ泛醌-細胞色素c氧化還原酶25011血紅素bL、bH、c1、Fe-SCytc(膜間隙側)Qo(膜間隙側)Qi(基質側)復合體Ⅳ細胞色素c氧化酶16013血紅素a、a3、CuA、CuBCytc(膜間隙側)[注]細胞色素c不參與酶復合體組成，而是作為可溶性蛋白在復合體Ⅲ和Ⅳ之間自由移動。ⅣCytcoxNADH+H+NAD+1/2O2+2H+H2OIntermembranespace(Pside)MatrixN-sideInnermembraneⅠQH2Q

ⅡfumaratesuccinateQH2Q

ⅢCytcoxCytcredCytcred氧化呼吸鏈ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+1/2O2+2H+H2O++++++++++---------Intermembranespace(Pside)MatrixN-sidefumaratesuccinatesecondentrypointFirstentrypoint電子傳遞1.NADH氧化呼吸鏈NADH→復合體Ⅰ→Q→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O22.琥珀酸氧化呼吸鏈

琥珀酸→復合體Ⅱ→Q→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O2氧化呼吸鏈可分為兩條途徑:NADH氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈

呼吸鏈組分的順序是根據呼吸鏈各組分的標準氧化還原電位（E0′）、由低到高排列的，即電子總是從低電位組分向高電位組分傳遞。標準氧化還原電位拆開和重組特異抑制劑阻斷還原狀態呼吸鏈緩慢給氧

由以下實驗確定呼吸鏈中各種氧化還原對的標準氧化還原電位氧化還原對E0′

(V)氧化還原對E0′

(V)NAD+/NADN+H+－0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2－0.219CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2－0.219CytaFe3+/Fe2+0.29CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyta3Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.816電子傳遞鏈各復合體在線粒體內膜中的位置ⅣCytcoxNADH+H+NAD+1/2O2+2H+H2OIntermembranespace(Pside)MatrixN-sideInnermembraneⅠQH2Q

ⅡfumaratesuccinateQH2Q

ⅢCytcoxCytcredCytcredⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液側

基質側++++++++++---------電子傳遞過程復合體Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有質子泵功能

復合體I4H+1.復合體Ⅰ將NADH+H+中的兩個質子/電子傳遞給泛醌（ubiquinone）

復合體Ⅰ又稱NADH-泛醌還原酶復合體Ⅰ電子傳遞：NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQ每傳遞2個電子可將4個H+從內膜基質側泵到胞漿側，復合體Ⅰ有質子泵功能NADH→FMN→N1a

→（N3,N1b,N4）→N2→

QP-N→Q

（Fe2S2）（Fe4S4）（Fe2S2）（Fe4S4）（Fe4S4）目前推測復合體Ⅰ中電子傳遞順序如下：復合體Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+

FMNFMNH2還原型Fe-S

氧化型Fe-S

QQH2復合體II復合體Ⅱ是三羧酸循環中的琥珀酸脫氫酶，又稱琥珀酸-泛醌還原酶,4個亞基組成，以FAD、Fe-S和血紅素b（hemeb566）為輔基電子傳遞：琥珀酸→FAD→幾種Fe-S→CoQ復合體Ⅱ沒有H+泵的功能2.復合體Ⅱ將質子/電子從琥珀酸傳遞到泛醌。復合體III3.復合體Ⅲ將電子從泛醌傳遞給細胞色素c泛醌-細胞色素C還原酶同二聚體結構復合體Ⅲ又叫泛醌-細胞色素C還原酶，細胞色素b-c1復合體，含有細胞色素b(b562,b566)、細胞色素c1和一種可移動的鐵硫蛋白(Rieskeprotein)泛醌從復合體Ⅰ、Ⅱ募集還原當量和電子并穿梭傳遞到復合體Ⅲ電子傳遞過程：CoQH2→(CytbL→CytbH)→Fe-S→Cytc1→Cytc

復合體ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1復合體Ⅲ的電子傳遞通過“Q循環”實現。復合體Ⅲ每傳遞2個電子向內膜胞漿側釋放4個H+，復合體Ⅲ也有質子泵作用。Cytc是呼吸鏈唯一水溶性球狀蛋白，不包含在復合體中。將獲得的電子傳遞到復合體Ⅳ。復合體IV4.復合體Ⅳ將電子從細胞色素c傳遞給氧復合體Ⅳ又稱細胞色素c氧化酶(cytochromecoxidase)電子傳遞：Cytc→CuA→Cyta→Cyta3–CuB→O2Cyta3–CuB形成活性雙核中心，將電子傳遞給O2。每2個電子傳遞過程使2個H+跨內膜向胞漿側轉移細胞色素C氧化酶CuA中心細胞色素氧化酶a3-CuB中心復合體Ⅳ的電子傳遞過程細胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2還原成水的過程，有強氧化性中間物始終和雙核中心緊密結合，不會引起細胞損傷。ⅣCytcoxNADH+H+NAD+1/2O2+2H+H2OIntermembranespace(Pside)MatrixN-sideInnermembraneⅠQH2Q

ⅡfumaratesuccinateQH2Q

4H+Ⅲ4H+CytcoxCytcredCytcred2H+第二節

氧化磷酸化

oxidativephosphorylation真核細胞ATP的生成主要發生在線粒體中。營養物質經脫氫酶催化脫下的成對氫原子（NADH+H+，FADH2），再通過位于線粒體內膜上多種酶和輔酶催化的氧化還原連鎖反應逐步傳遞，最終與氧結合生成水。氧化反應逐步釋放的能量可同時驅動質子跨膜轉移到內膜外側，形成跨線粒體內膜的質子梯度，該梯度勢能再促進ATP的生成。營養物氧化、電子傳遞、質子泵流和ATP合成等過程結合偶聯成一個整體,高效完成線粒體的呼吸作用。ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+++++++++++---------Intermembranespace(Pside)MatrixN-sidefumaratesuccinate氧化磷酸化復合體Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ在電子傳遞中有質子泵作用

采用膽酸、脫氧膽酸處理線粒體內膜，經硫酸銨分級分離，可純化出呼吸鏈成分，得到4種酶復合體（complex）。

復合體Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ完全鑲嵌在線粒體內膜中，在參與電子傳遞過程，同時驅動產生跨線粒體內膜的質子梯度。復合體Ⅱ鑲嵌在內膜的內側，只參與電子傳遞。（一）復合體Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ是氧化磷酸化偶聯部位1.根據P/O比值推測氧化磷酸化偶聯部位底物呼吸鏈的組成P/O比值可能生成的ATP數β-羥丁酸NAD+→復合體Ⅰ→CoQ→復合體Ⅲ2.52.5→Cytc→復合體Ⅳ→O2琥珀酸復合體Ⅱ→CoQ→復合體Ⅲ1.51.5→Cytc→復合體Ⅳ→O2抗壞血酸Cytc→復合體Ⅳ→O20.881細胞色素c(Fe2+)復合體Ⅳ→O20.61～0.6812.根據電子傳遞時自由能變化確定偶聯部位⊿Go'=-nF⊿Eo'電子傳遞鏈自由能變化

ATPATPATP氧化磷酸化偶聯部位（二）氧化磷酸化偶聯的機制是跨線粒體內膜質子梯偶聯ATP生成化學滲透假說(chemiosmotichypothesis)

電子經呼吸鏈傳遞時，驅動質子（H+）從線粒體內膜的基質側泵到內膜胞漿側，從而產生膜內外質子電化學梯度儲存能量,當質子順濃度梯度回流時驅動ADP與Pi生成ATP。1.呼吸鏈氧化驅動產生跨線粒體內膜的質子梯度

"forhiscontributiontotheunderstandingofbiologicalenergytransferthroughtheformulationofthechemiosmotictheory"TheNobelPrizeinChemistry1978線粒體基質

線粒體膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化學滲透假說簡單示意圖氧化磷酸化依賴于完整封閉的線粒體內膜；線粒體內膜對H+、OH－、K＋、Cl－離子是不通透的；電子傳遞鏈可驅動質子移出線粒體，形成可測定的跨內膜電化學梯度；增加線粒體內膜外側酸性可導致ATP合成，而線粒體內膜加入使質子通過物質可減少內膜質子梯度，結果電子雖可以傳遞，但ATP生成減少。化學滲透假說已經得到廣泛的實驗支持化學滲透示意圖及各種抑制劑對電子傳遞鏈的影響cisternae

matrixmatrixF1：親水部分（動物：α3β3γδε亞基復合體，OSCP、IF1

亞基），線粒體內膜的基質側顆粒狀突起，催化ATP合成。F0：疏水部分（ab2c9~12亞基，動物還有其他輔助亞基），鑲嵌在線粒體內膜中，形成跨內膜質子通道。ATP合酶結構組成ATP合酶利用質子順梯度回流釋能合成ATPF1

：α3β3γδεF0

：ab2c9-12CatalyticsitesProtonchannelH+CytosolichalfchannelMatrixhalfchannelSubunitaSubunitCAsparticacid質子通過ATP合酶Fo順濃度梯度回流使F1γ亞基旋轉通過C環的旋轉，質子從內膜胞漿側進入胞漿半通道，通過基質半通道釋放進入線粒體基質。c環與γδ亞基緊密相連，當c環旋轉時會帶動γ亞基旋轉。CytosolichalfchannelMatrixhalfchannel當H+順濃度遞度經Fo中a亞基和c亞基之間回流時，γ亞基發生旋轉，3個β亞基的構象發生改變。ATP合酶的工作機制γ亞基旋轉使β亞基構象改變導致ATP合成和釋放loosestate(L)tightstate(T)openstate(O)

ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+++++++++++---------Intermembranespace(Pside)MatrixN-sidefumaratesuccinateMitochondrialMatrixMitochondrialInnerMembraneIntermembranespacematrixInner-membrane++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATPOuter-membraneInter-membranespaceOxidationphosphorylationProtongradientcoupledOxidativephosphorylationTheP/ORatioTheP/OratioreferstothenumberofmoleculesofATPformedinoxidativephosphorylationforeverytwoelectronsflowingthroughadefinedsegmentoftheelectrontransportchain.Isolatedmitochondriaareincubatedinanoxygraphapparatus(oxygenelectrode)inanmediumcontainingsubstrateandphosphate,thenadditionofADPcausesasuddenburstofoxygenuptakeastheADPisconvertedintoATP.TheoxygenatomsconsumedcanbecalculatedandTheadditionOfinjectedADPisknown.P:O=[ATPformed]:[oxygenconsumed],injectedADP=ATPformedTheoxidationofNADH2.5(3)ATP

FADH21.5(2)ATPOnesuchestimateisasfollows:10H+aretransportedoutofthematrixforeverytwoelectronsthatpassfromNADHtoO24H+aretransportedintothematrixforeveryATPsynthesizedP/O=(1ATP/4H+)*(10H+/NADH)*(1NADH/2e')=2.5ATP/2e'線粒體內膜選擇性地轉運代謝物線粒體基質與胞漿之間有線粒體內、外膜相隔，外膜對物質通透的選擇性不強，內膜依賴各種跨膜轉運蛋白(transporter)對各種物質的轉運。線粒體內膜中的一些轉運蛋白對代謝物轉運胞質中NADH通過兩個穿梭機制進入線粒體轉運機制主要有兩條:α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)蘋果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)α-磷酸甘油穿梭主要存在于骨骼肌和腦中蘋果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于心肌和肝中ATP-ADP轉位酶促進ADP進入和ATP移出的偶聯ATP-ADP轉位酶（ATP-ADPtranslocase）又稱腺苷酸移位酶（adeninenucleotidetranslocase）

第三節呼吸鏈功能調節FunctionalRegulationofRespiratoryChain呼吸鏈電子傳遞和ATP生成的偶聯關系是相互依賴的。一、ADP/ATP相互轉換是調節氧化磷酸化速率的主要因素二、甲狀腺素刺激機體耗氧量和產熱同時增加甲狀腺激素誘導Na+,K+–ATP酶和解偶聯蛋白基因表達增加。（一）呼吸鏈抑制劑阻斷呼吸鏈的電子傳遞

如：魚藤酮（rotenone）

（二）解偶聯劑破壞電子傳遞建立的跨膜質子電化學梯度如：解偶聯蛋白（uncouplingprotein,UCP）

（三）ATP合酶抑制劑同時抑制電子傳遞和ATP的生成

如：寡霉素（oligomycin）

三、氧化磷酸化抑制劑InhibitorofcomplexINADHFMN(Fe-S)CoQ×RotenonebarbituratessuccinateFAD(Fe-S)CoQ×carboxinInhibitorofcomplexⅡCoQ×InhibitorofcomplexⅢCytcantimycinACoQCytb→Cytc1→CytcCytaa3O2N3-

、CN-CO

H2S×InhibitorofcomplexⅣ魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥×抗霉素A二巰基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點不同底物和抑制劑對線粒體氧耗的影響

解偶聯劑Pentachlorophenol解偶聯蛋白作用機制（棕色脂肪組織線粒體）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液側基質側解偶聯蛋白熱能H+H+ADP+PiATP寡霉素(oligomycin)可阻止質子從F0質子通道回流，抑制ATP生成。寡霉素ATP合酶結構模式圖電子傳遞鏈及氧化磷酸化系統概貌：ΔμH+跨膜質子電化學梯度H+m內膜基質側H+H+c

內膜胞液側H+線粒體功能蛋白質由核基因組/線粒體基因組編碼

線粒體DNA（mitochondrialDNA，mtDNA）：約17kb,編碼13種重要的呼吸鏈復合體亞單位、22種tRNA和2種rRNA。線粒體基因突變可導致線粒體病線粒體DNA缺陷能導致氧化磷酸化功能損傷和能量代謝障礙，引起細胞結構、功能的病理改變，發生線粒體病（mitochondrialdiseases）。

ProfessorRolfLuft,1914–2007*mtDNA高突變致病原因：1）其基因不含內含子且常有部分區域重疊,各種點突變都可能累及重要功能域；2）mtDNA缺乏組蛋白的保護；3）DNA合成始終活躍，但DNA聚合酶γ不具校讀功能，及缺乏有效的損傷修復系統；4）線粒體內膜是活性氧產生主要部位,mtDNA更容易受氧自由基攻擊而發生突變,使其突變頻率約為核基因的10~20倍。*線粒體疾病有以下特點：mtDNA只來源于卵子,原發性mtDNA突變導致的線粒體疾病呈現典型的母系遺傳特征,也是線粒體疾病診斷的重要依據；體細胞mtDNA突變數量會隨著年齡增長而積累。只有當mtDNA突變超過一定閾值,野生型mtDNA的數量不足維持呼吸鏈的正常功能時,組織或器官異常才可表現臨床表型；能量需求高的組織如骨骼肌、腦、心、腎等更易受突變影響。*mtDNA突變類型包括點突變、重排、缺失和重復。如Leber遺傳性視神經病變（Leber’shereditaryopticneuropathy，LHON）：存在mtDNA基因組的復合體Ⅰ亞基4（ND4）編碼區G11778A突變與復合體Ⅲ組分細胞色素b基因的單堿基突變。如MERRF病（myoclonicepilepsyandragged-redfiberdisease）：mtDNA編碼賴氨酸tRNA基因的點突變。核基因突變也能造成線粒體功能障礙核基因編碼900多種線粒體功能必需的酶和蛋白質，除部分呼吸鏈復合體蛋白，還包括聚合酶、裝配因子、轉運蛋白、代謝酶等,需在胞質合成后轉運到線粒體內。目前已鑒定出導致線粒體疾病的致病核基因突變約40種。如線粒體基因和核基因突變引起復合體缺陷，都可引起Leigh氏綜合征。第四節

細胞抗氧化體系和非線粒體氧化-還原反應體系

CellularAntioxidativeSystemandNon-MitochondrialRedoxReactionSystem

氧化酶類是一大類酶的統稱，泛指催化涉及氧分子（O2）的反應。分為4組：

氧化酶（oxidases）需氧脫氫酶(aerobicdehydrogenases)

加氧酶(oxygenases)

氫過氧化物酶（hydroperoxidases）特點：分別存在于不同亞細胞結構中，多數催化物質轉化，與ATP的生成無關。（一）某些氧化酶輔基含銅或鐵卟啉催化的反應可以O2為直接受氫體，產物為H2O。其輔基主要成分是Cu2+或鐵卟啉，主要存在于線粒體。如細胞色素C氧化酶、抗壞血酸氧化酶。（二）需氧脫氫酶直接還原氧生成過氧化氫屬于黃素酶(flavoenzyme)，輔基成分為FAD或FMN，如醛脫氫酶、黃嘌呤氧化酶、L-氨基酸氧化酶等。它們催化的反應以O2為直接受氫體，產物為H2O2。黃嘌呤氧化酶(xanthineoxidase)輔基還含有鉬（Mo）和鐵-硫蛋白。

各種加氧酶以及氫過氧化物酶[包括過氧化氫酶(catalase)、過氧化物酶(peroxidase)]主要存在于微粒體，參與某些代謝物、藥物、毒物的轉化或清除。（三）直接涉及氧反應的酶還有加氧酶和過氧化酶不需氧脫氫酶不能直接以氧為受氫體不需氧脫氫酶（anaerobicdehydrogenases）：指能催化底物脫氫而又不以氧為直接受氫體的酶。此類酶不是將氫（H++e-）直接傳遞給O2，而是使H活化并由輔酶或輔基接受，產生還原型輔酶或輔基。主要功能：（1）作為呼吸鏈/電子傳遞鏈中氫或電子載體，間接將氫或電子傳遞給O2，生成H2O，與產生ATP相關。（2）催化不涉及呼吸鏈/電子傳遞鏈偶聯的氧化還原反應，促進代謝物之間氫的交換。（3）通過催化可逆的反應促進還原當量在細胞內的自由運轉或穿梭。NAD+和NADP+的結構R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

（一）很多不需氧脫氫酶以尼克酰胺腺嘌呤核苷酸為受氫體NAD+（NADP+）的加氫和脫氫反應

氧化還原反應的變化發生在五價氮和三價氮之間。（二）某些不需氧脫氫酶以黃素核苷酸為受氫體琥珀酸脫氫酶、脂酰CoA脫氫酶、NADH-Q氧化還原酶和琥珀酸-Q還原酶等分別以黃素單核苷酸（flavinmononucleotide，FMN）、黃素腺嘌呤二核苷酸（flavinadeninedinucleotide，FAD為輔酶。

FMN的加氫和脫氫反應

FMN結構中含核黃素，功能部位是異咯嗪環，氧化還原反應時不穩定中間產物是FMN?。FAD

（三）某些氧化還原酶以血紅素為電子載體Q-細胞色素c氧化還原酶以血紅素bH、bL及c1為輔基，傳遞電子。血紅素b血紅素C線粒體呼吸鏈是體內ROS的最主要來源線粒體是ROS產生的主要部位，又是自由基的主要攻擊靶點。線粒體內產生：（1）O2-·主要在呼吸鏈酶復合體Ⅰ（20％）和復合體Ⅲ（80％）中生成。（2）O2-·和H+可能通過反應生成HO2·。（3）線粒體膜間隙的氧還蛋白p66，外膜中的Cytb5還原酶、單胺氧化酶、二氫乳清酸脫氫酶等也可產生ROS。*線粒體外產生（1）微粒體加單氧酶系中CytP450還原酶可產生O2-·；（2）細胞過氧化酶體中，FADH2將電子交給O2生成H2O2和羥自由基·OH；（3）質