第六章 生物氧化与氧化磷酸化 萧蓓蕾

主要内容 生物氧化概述 电子传递链 氧化磷酸化

第一节生物氧化概述 1.生物氧化（Biological Oxidation） 是指 营养物质（糖、脂肪、蛋白质等）在生物机体内氧化分解，生成二氧化碳和水，并有能量释放的过程。 这个过程在细胞中进行，宏观上表现为呼吸作用，因此也将生物氧化称为组织氧化或细胞氧化、组织呼吸或细胞呼吸。

* 生物氧化的一般过程 乙酰CoA TCA 糖原 三酯酰甘油 蛋白质 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 CO2 ADP+Pi ATP 2H H2O 呼吸链

特点 （1 ） 反应条件温和(pH中性,体温) （2 ）整个反应是分步进行的过程 （3）碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的 （4）酶、辅酶和中间传递体参与反应 （5）反应能量逐步释放 （6）生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。

恒温恒压条件下自由能变化公式为 ΔG =ΔH － T ΔS 自发过程（spontaneous process）：不依靠外力能 自动进行的过程。 恒温恒压条件下自由能变化公式为 ΔG =ΔH － T ΔS 自发过程示意图

自由能和化学反应的关系 ΔG与反应途径、反应机理无关。任何反应，当： ΔG＜0 反应可自发进行，为放能反应；

自由能的变化：ΔG＝ ΔG0 －RTln[B]/[A] 化学反应：A→B 自由能的变化：ΔG＝ ΔG0 －RTln[B]/[A] R-气体常数（8.314J/mol.K） T-热力学温度（绝对温度） 标准自由能变化ΔG0’ ： 标准状况下（ pH=7时），产物自由能与反应物自由能之差。单位：kJ/mol 当反应达到平衡时：ΔG ＝0 ΔG’＝ －RTln[B]/[A]= -2.303RT lgK ΔG0’的大小依赖于反应的平衡常数K 每一化学反应有其特定的ΔG0’

3.氧化还原电位 参与氧化还原反应的每种物质都有氧化态和还原态，称为氧还对；每一氧还对转移电子的势能（即失去或获得电子趋势的高低）叫做氧化还原电位，标准氧化还原电位以E0’表示。 E0’值越小，供出电子的倾向越强，即还原能力越强； E0’值越大，接受电子的倾向越强，即氧化能力越强。 在生物体内氧化还原过程中，电子总是从E0’值较小的物质移向E0’值较大的物质，即从还原剂（电子供体）移向氧化剂（电子受体）。所产生的电位差用Δ E0’值表示（pH＝7）。

ΔG0’ ＝－nF Δ E0’ 氧化还原电位与自由能的关系 n=转移电子数 F:法拉第常数（96.496kJ/V.mol) 对于一个氧化还原反应，通过氧化还原电位差即可计算出该反应自由能的变化。 丙酮酸＋NADH＋H﹢＝乳酸＋ NAD NADH/NAD: E0’ ＝－0.32V， 丙酮酸/乳酸: E0’ ＝－0.185V ΔG0’＝－2×96.496×〖－0.185－ (－0.32) 〗 ＝ －25.1kJ/mol

4.高能化合物 高能化合物： 在标准条件下(pH7，25℃，1mol/L)发生水解时，可释放出大量自由能(即20.92KJ/mol以上）的化合物。 高能磷酸化合物： 分子中含磷酸基团，它被水解下来时释放出大量的自由能(即20.92KJ/mol以上)，这类高能化合物叫高能磷酸化合物。 高能键： 在高能化合物分子中，被水解断裂时释放出大量自由能的活泼共价键叫高能键。 高能键常用符号“ ~ ”表示。

高能磷酸键：生化中把磷酸化合物水解时释出的能量＞20KJ/mol者所含的磷酸键称高能磷酸键，常用~P 表示，含有高能键的化合物称为高能化合物。

注意： 高能键并不是这个键集中了大量的能量，而是指水解这个键前后的分子结构存在着很大的自由能的改变。 “高能键”≠“键能高”

5.ATP ATP + H2O ADP + Pi ΔG0’=-30.5 KJ/mol ADP + H2O AMP + Pi ΔG0’=-30.5 KJ/mol AMP + H2O 腺苷+ Pi ΔG0’=-14.2 KJ/mol

ATP的另一功能是作为磷酸基团转移反应的中间载体。这也是由于它的磷酸基团转移势能在常见的含磷酸基团化合物中处于中间位置。 ATP的DG0'值介于其它高能化合物和普通化合物之间，从而使它在生物体内的能量转换过程中能够起中间载体的作用。放能反应和吸能反应往往要通过ADP和ATP的相互转变而偶联起来。 ATP的另一功能是作为磷酸基团转移反应的中间载体。这也是由于它的磷酸基团转移势能在常见的含磷酸基团化合物中处于中间位置。 

ATP的生成方式 1.氧化磷酸化：代谢物脱下的氢经电子传递链与氧结合成水的同时逐步释放出能量，使ADP磷酸化为ATP的过程。 2.底物水平磷酸化 3.光合磷酸化：由光驱动的电子传递过程与ADP的磷酸化相偶联，使电子传递过程中释放出的能量用于ATP的生成。

注意： 体内有些合成反应不直接利用ATP供能，而是由ATP将高能磷酸键转给NDP，生成NTP，作为能量的直接来源参与合成反应。如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂合成，GTP用于蛋白质合成等。 核苷二磷酸激酶的作用 ATP + UDP ADP + UTP ATP + CDP ADP + CTP ATP + GDP ADP + GTP

在总的腺苷酸系统中（即ATP,ADP和AMP浓度之和) 所负荷的的高能磷酸基数量。 6.能荷 在总的腺苷酸系统中（即ATP,ADP和AMP浓度之和) 所负荷的的高能磷酸基数量。 能荷=[ATP]+0.5[ADP]/ [ATP]+[ADP]+[AMP] 能荷的数值在0-1之间。大多数细胞维持的稳态能荷状态在0.8-0.95的范围内。   ATP生成和消耗的途径和细胞的能荷状态相呼应。 高能荷时，ATP生成过程被抑制，而ATP的利用过程被激发；低能荷时，其效应相反。 所以说，能荷对代谢起着重要的调控作用。

第一节 电子传递链

在生物细胞中，接受代谢物上脱下的氢(或电子)的载体有三种 —— NAD+、NADP+ 和 FAD。 一、电子传递链概述 在生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经过一系列的H传递体和电子传递体的传递，最终交给分子氧生成水，这一电子传递体系称为呼吸链。 细胞定位: 真核生物的这些递氢体或递电子体往往以复合体的形式存在于线粒体内膜上。原核生物的呼吸链存在于质膜上。   在生物细胞中，接受代谢物上脱下的氢(或电子)的载体有三种 —— NAD+、NADP+ 和 FAD。

其中NADPH不进入呼吸链合成ATP，而是作为生物合成的还原剂；只有NADH和FADH2进入呼吸链。所以呼吸链有两条： 由NADH开始的呼吸链 —— NADH呼吸链； 由FADH2开始的呼吸链 —— FADH2呼吸链。

二、呼吸链的组成成分 组分 作用 尼克酰胺腺嘌呤二核苷 酸 递氢体 （NAD+ ） 黄素蛋白 递氢体 （辅基为 FAD和 FMN） 组分 作用 尼克酰胺腺嘌呤二核苷 酸 递氢体 （NAD+ ） 黄素蛋白 递氢体 （辅基为 FAD和 FMN） 铁硫蛋白（Fe-S） 单电子传递体 辅酶Q （CoQ） 递氢体 细胞色素类 单电子传递体

—— b、c1、c、a、a3，其中Cyta和Cyta3组成复合物Cytaa3。Cytc在复合物Ⅲ和Ⅳ之间传递电子，它是内膜外侧的外周蛋白 根据还原型细胞色素的吸收光谱的吸收峰位置不同，将细胞色素分为a、b、c三类。每一类中又有不同的亚类。不同类型的细胞色素，其辅基结构以及辅基与蛋白质的结合方式不同。 在动物的呼吸链中，至少有5种细胞色素 —— b、c1、c、a、a3，其中Cyta和Cyta3组成复合物Cytaa3。Cytc在复合物Ⅲ和Ⅳ之间传递电子，它是内膜外侧的外周蛋白 。

呼吸链中的电子传递体共有五种： 1. NAD+ NAD+是水溶性的，与酶蛋白可逆结合而往返于线粒体基质与内膜之间（但不能透过内膜）。 在线粒体的基质中，NAD+接受代谢物上脱下的氢，生成NADH；然后与酶蛋白脱离，扩散至线粒体内膜的内表面，将氢(电子)传递给下一个电子传递体，自身又再生成 NAD+，返回线粒体基质继续参与代谢物的脱氢反应。

此类酶催化脱氢时，与代谢物脱下的氢结合而还原成NADH或NADPH，在340nm处有一吸收峰；当有氢受体时，NADH或NADPH上的氢又可被氧化成NAD+或NADP+，在260nm处有一吸收峰。根据这个特点可以判定该辅酶处于氧化态还是还原态，并用于此类脱氢酶活力的测定。

2. 黄素蛋白 (FP) 黄素蛋白是指以黄素核苷酸(FAD或FMN)为辅基的酶。所以，黄素蛋白有两种，分别以FAD及FMN作为辅基。

此类酶所表现出的催化活性与某些金属离子的存在有密切关系，如NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶等含有几个非血红素铁原子，这些铁原子能与硫原子结合形成铁硫蛋白或铁硫中心，依赖铁的价态改变(Fe2+  Fe3+)来传递电子。

3. 铁硫蛋白 铁硫蛋白类（iron-sulfur protein）又称非血红素铁蛋白(nonheme iron protein)，含非卟啉和硫，其作用是借铁的变价互变进行电子传递。 铁硫蛋白含铁原子(非血红素的铁)和硫原子(对酸不稳定的硫)，两者一般以等摩尔存在，构成2Fe-2S簇、4Fe-4S簇，称为铁硫中心，常用符号“Fe-S”表示。铁硫中心通过Fe与蛋白质的半胱氨酸残基连接。 铁硫中心只有1个Fe起氧化还原反应，在氧化型（Fe3+）和还原型（Fe2+）之间转变

Fe3+ + e- → Fe2+

 4. 辅酶Q (CoQ) 辅酶Q属于醌类，由于它广泛存在于生物系统中，所以又叫泛醌(UQ)。 辅酶Q是呼吸链中唯一的非蛋白质组分。它分子小，且呈脂溶性，可以在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散，往返于比较固定的蛋白质类的电子传递体之间进行电子传递。

由于辅酶Q含有很长的脂肪族侧链，所以容易结合到膜上或与膜脂混溶

5. 细胞色素 (Cyt) 细胞色素是以铁卟啉(血红素)为辅基的蛋白质，因为有红颜色，又广泛存在于生物细胞中，故称为细胞色素。 细胞色素通过辅基中的铁离子价的可逆变化进行电子传递。它在呼吸链中作为单电子传递体。

细胞色素 (Cyt)

根据还原型细胞色素的吸收光谱的吸收峰位置不同，将细胞色素分为a、b、c三类。每一类中又有不同的亚类。不同类型的细胞色素，其辅基结构以及辅基与蛋白质的结合方式不同。

不同细胞色素的最大吸收峰位置 细胞色素    a 598～605 439 b 556～564 532 429 c 550～555 波长(nm)    a 598～605 439 b 556～564 532 429 c 550～555 521 415

根据还原型细胞色素的吸收光谱的吸收峰位置不同，将细胞色素分为a、b、c三类。每一类中又有不同的亚类。不同类型的细胞色素，其辅基结构以及辅基与蛋白质的结合方式不同。 在动物的呼吸链中，至少有5种细胞色素 —— b、c1、c、a、a3，其中Cyta和Cyta3组成复合物Cytaa3。Cytc在复合物Ⅲ和Ⅳ之间传递电子，它是内膜外侧的外周蛋白。

三、电子载体复合体 呼吸链的各个组分除NADH外，都分布在线粒体的内膜上，而且在膜上有着特定的不对称分布。 有一些组分常结合在一起，形成复合物嵌在膜内。 从线粒体内膜上分离到四种酶复合体及辅酶Q(CoQ)和细胞色素C(Cytc)。 复合体Ⅰ：NADH- CoQ还原酶(NADH脱氢酶复合体) 复合体Ⅱ：琥珀酸- CoQ还原酶 复合体Ⅲ： CoQ -细胞色素C还原酶 复合体Ⅳ：细胞色素氧化酶 NADH呼吸链：由复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ及CoQ、Cytc组成 FADH2呼吸链：由复合体Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及CoQ、Cytc组成

在呼吸链中，有四个复合体，如下图： NADH FMN→Fe-S CoQ Cytb → Fe-S → Cytc1 FAD→Fe-S O2 Ⅰ Ⅲ NADH FMN→Fe-S CoQ Cytb → Fe-S → Cytc1 FAD→Fe-S Ⅳ Ⅱ O2 Cytaa3 Cytc

呼吸链各复合体位置示意图

NAD++H+H++e NADH+H+ 1、复合体Ⅰ （1）酶名称：NADH—泛醌还原酶(NADH脱氢酶复合体) （2）辅基：FMN，Fe-S （3）作用：将e（H）从NADH传递给CoQ （4）传递e（H）的成分： NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸） 结构：为烟酰胺化合物（含VitPP )。 作用：递氢体，传递1H和1e ,余下1H+游离在介质中。 （氧化型） （还原型） NAD++H+H++e NADH+H+ FMN（黄素单核苷酸） 结构：为异咯嗪化合物（含VitB2）

非血红素铁蛋白，也称铁硫中心，借助Fe化学价的变化（Fe++/Fe+++）传递电子。 FMN +2H -2H FMNH2 作用：递氢体： 2H/分子·次 铁硫蛋白（Fe—S） 作用： 递e体，1e/分子·次 非血红素铁蛋白，也称铁硫中心，借助Fe化学价的变化（Fe++/Fe+++）传递电子。 Fe2S2, Fe4S4

泛醌（又称辅酶Q，CoQ，人为CoQ 10 ，Q 10 ） 结构：脂溶性醌类化合物。有较长的多个异戊 间二烯构成的侧链。易扩散，易分离。排在线粒体膜的呼吸链上，可自由运动。 作用：递氢体： 2H/分子·次

2、复合体Ⅱ （还原型或氢醌型） （氧化型或醌型） （1）酶名称：琥珀酸—泛醌还原酶 （2）辅基：FAD，Fe-S （3）作用：催化e（H）从琥珀酸传递给CoQ （4）传递e（H）的成分： FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸） 结构：为异咯嗪化合物（含VitB2） 作用：递氢体： 2H/分子·次

FAD FADH2 +2H -2H (氧化型) （还原型） 铁硫蛋白（Fe—S） 细胞色素（Cyt） 结构:以铁卟啉为辅基的化合物，呈红色。 作用：递e体；1e/分子·次 （还原型） （氧化型）

3、复合体Ⅲ （1）酶名称：泛醌—细胞色素C还原酶 （2）辅基：Fe-S，铁卟啉（Cytb562，b566，C1） （3）作用：催化e由泛醌传给细胞色素C CytC呈水溶性与线粒体结合不牢，易与线粒体内膜分离 4、复合体Ⅳ （1）酶名称：细胞色素C氧化酶 (2）辅基：铁卟啉（Cyta,a3）,Cu (3）作用：将e由细胞色素C传给氧。

Cyta 和Cyta3紧密结合，难以分离，合称Cytaa3。因其位于呼吸链的末端，可以直接将e传给1/2O2 （将1/2O2激活为O2-），故又称“终末氧化酶”。

四、呼吸链的排列顺序 目前已知的呼吸链有两条 NADH呼吸链 FADH2呼吸链

电子传递链中生成ATP的部位

五、电子传递抑制剂 CO、CN-、 N3-及H2S 抗霉素A 二巯基丙醇 × × × 鱼藤酮 粉蝶霉素A 异戊巴比妥

第三节 氧化磷酸化

一、几个概念 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）：是指细胞内伴随有机物氧化，利用生物氧化过程中释放的自由能，促使ADP与无机磷酸结合生成ATP的过程。 磷氧比（P/O） 一对电子通过呼吸链时，每消耗一摩尔氧原子时，有多少摩尔原子的无机磷被酯化为有机磷酸, 即产生多少摩尔的ATP 。 NADH呼吸链＝3（2.5）＝3ATP FADH2呼吸链＝2（1.5）＝2ATP

二、氧化磷酸化的机理 关于这一问题目前至少有三种假说 比较著名的假说有三个： 化学偶联假说 构象偶联假说 化学渗透学说 目前得到公认的是“化学渗透学说”。

化学渗透学说 Chemiosmotic hypothesis 英国生物化学家Peter D Mitchell在1961年提出化学渗透假说，由于该假说提出后逐渐拥有越来越多的实验证据，因而成为目前解释氧化磷酸化偶联机理最为公认的一种假说，并且Peter Mitchell因提出该假说而获得了1978年的诺贝尔化学奖。

化学渗透学说 Chemiosmotic hypothesis 电子传递体在线粒体内膜上有着不对称分布，传氢体和传电子体交替排列，催化是定向的；

复合物I、III、IV将H+从基质内泵向内膜的外侧，而将电子传向其后的电子传递体；

内膜对质子不具有通透性，这样在内膜两侧形成质子浓度梯度，这就是推动ATP合成的原动力；

当存在足够高的跨膜质子化学梯度时，强大的质子流通过F1-F0-ATPase进入基质时，释放的自由能推动ATP合成。

F1-F0-ATPase复合物 F1：球形头部，伸入线粒体基质，由五种亚基组成33  ,是ATP合酶的催化部分； F0: 横贯线粒体内膜，含有质子通道，由十多种亚基组成。位于F1与F0之间的柄含有寡霉素敏感性蛋白。

由上述化学渗透假说可知，该模型必需具备两个条件：一是线粒体内膜必须是质子不能透过的封闭系统，否则质子梯度将不复存在；二是要求呼吸链和ATP合酶在线粒体内膜中定向地组织在一起，并定向地传递质子、电子和进行氧化磷酸化反应。 目前这两方面都获得了一些实验证据，例如能携带质子穿过线粒体内膜的物质（如2,4-二硝基苯酚）可破坏线粒体内膜对质子的透性壁垒，使质子电化学梯度消失。 另外根据测算，膜间隙的pH较内膜低1.4个单位，并且线粒体内膜两侧原有的外正内负跨膜电位升高。

化学渗透假说要点如下： 1）呼吸链中的递氢体和递电子体都按一定顺序排列在线粒体内膜上 2）底物脱下的氢的1对电子通过NADH呼吸链传递给氧原子，期间分别有4、4、2共5对H+从线粒体的基质转移到膜的间隙中。呼吸链发挥了质子泵的作用。 3）结果内膜外侧H+浓度高于内侧，在线粒体内膜的两侧形成了质子的电化学梯度，有很大的自由能积蓄。 4）当质子顺着电化学梯度通过内膜粒子返回基质时，有自由能的释放。释放的能量在内膜粒子ATP合酶的作用下，通过ADP 的磷酸化储存在ATP分子中。

三、氧化磷酸化的解偶联和抑制 解偶联剂(质子载体)： 不抑制呼吸链的电子传递，但能阻止ATP的形成，使氧化产生的能量变为热能。主要的解偶联剂有2,4-二硝基酚。 DNP的解偶联原理: 破坏跨膜H+梯度在正常生理条件下DNP是解离形式,因它是脂不溶性所以不能透过线粒体内膜,在酸性环境下DNP接受质子成为脂溶性物质,透过内膜,同时将质子H+带入内膜,破坏了跨膜H+梯度而引起解偶联现象。氧化磷酸化的解偶联效应也被生物所利用。例如冬眠动物和适应寒冷的哺乳动物中,它是一种能够产生热以维持体温的方法.

氧化磷酸化的抑制剂： 对电子传递和ADP磷酸化均有抑制作用的药物和毒物，如寡霉素。 离子载体抑制剂： 是一类脂溶性物质，除H＋以外的其他一价阳离子载体，如缬氨霉素、短杆菌肽。

四、胞液中NADH的氧化 （一）苹果酸穿梭作用

（二）磷酸甘油穿梭作用(某些肌肉组织和大脑) 注意：通过该穿梭作用，胞液中的NADH转入到线粒体后 转变为FADH，进入琥珀酸呼吸链氧化。