1、第 五 章 生 物 氧 化 第一节 概 述 一.生物氧化的概念 一切生物体都要靠能量来维持其生命活动，其所需能量大都直接源于体内糖、脂、蛋白质等有机物质的氧化。生物氧化生物氧化就是指就是指有机物在生物体内有机物在生物体内被氧化分解为被氧化分解为CO2、H2O并释放出能量并释放出能量的过程。的过程。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化还原反应，故又称为细胞氧细胞氧化、细胞呼吸，有时也叫组织呼吸化、细胞呼吸，有时也叫组织呼吸。二.生物氧化的特点 生物氧化是在温度为体温、在温度为体温、pH近乎中性的水溶液这样一个细胞内近乎中性的水溶液这样一个细胞内环境中发生环境中发生的，经一系列酶、辅酶和
2、中间传递体的作用逐步进行的。在这个过程中，从代谢物上脱下的氢从代谢物上脱下的氢最终被传到氧而生成水最终被传到氧而生成水;能量逐步释放能量逐步释放，其中有相当一部份并有相当一部份并不以热能的形式散失，而是先被传送到高不以热能的形式散失，而是先被传送到高能化合物（如能化合物（如ATP）上）上，再满足生物的需要；此外还有CO2产生。从本质上讲，有机分子在体内发生的生物氧化与其在体外发生的化学过程是相同相同的的。这表现在都发生有脱氢、失去电子都发生有脱氢、失去电子，最终产物都为最终产物都为H H2 2O O和和COCO2 2以及所释放的能量在以及所释放的能量在数量上数量上是相同的。但是，体外的化学燃烧
3、常需高温，能量的释放为骤发式的，并伴随产生大量的光和热。而生物氧化则是逐步进行的，能量逐步释放，不会引起体温的骤然升高。真核细胞中，生物氧化主要在线粒体内 进行，而在不含线粒体的原核生物细胞中，生物氧化则在细胞膜上进行。第二节 生物氧化中CO2的生成 生物氧化过程中产生的CO2并非由代谢物质中的碳原子直接与氧结合而成的。它来源于由糖、脂和蛋白质等有机物转变生成的含羧基化合物有机酸，这些有机酸在酶的作用下脱羧基即可生成CO2。一.直 接 脱 羧 由特异性脱羧酶催化，直接从有机酸直接从有机酸上脱去羧基上脱去羧基而又与氧化还原作用无关又与氧化还原作用无关的过程，即直接脱羧直接脱羧。根据脱羧过程中产生
4、CO2的羧基在有机酸分子中的位置，又可将该脱羧作用分为-直接脱羧和直接脱羧和-直接脱羧直接脱羧。二.氧 化 脱 羧 在酶的作用下伴随有氧化还原反应伴随有氧化还原反应而从有机酸上脱去羧基从有机酸上脱去羧基的过程即为氧化脱羧氧化脱羧。根据脱羧过程中产生CO2的羧基在有机酸分子中的位置，又可将该脱羧作用分为-氧化脱羧和氧化脱羧和-氧化脱羧氧化脱羧。第三节 生物氧化中H2O的生成 一.呼吸链及其种类 (一)呼吸链 呼吸链是指存在于线粒体内膜上的一种生物氧化体系。由代谢物上脱下的氢通过该体系中一系列的氢载体（即传氢体）和电子载体（即电子传递体）的传递可最后传递至氧以生成H2O。它实质上也是由一系列载体组
5、成的电子传递系统，也叫电子传递链。氢载体和电子载体也统称为传递体。(二)呼吸链的种类 根据代谢物上脱下的氢的初始受体而分类根据代谢物上脱下的氢的初始受体而分类。若代谢物上脱下的氢直接由NAD+接受而生成NADH+H+，从而将质子、电子传入呼吸链，则此呼吸链为NADH 呼吸链呼吸链。同样道理，便会有FADH2 呼吸链呼吸链。一般以一般以NADH 呼吸链为最多，存在最为广泛呼吸链为最多，存在最为广泛。生物体中 呼吸链有多种形式，有的中间传递体不同，但电子传递的顺序基本一致。总的来说，生物进化越高级，则 呼吸链越完善。二.呼 吸 链 的 组 成 (一)烟酰胺脱氢酶类 这类酶以NAD+或NADP+为辅
6、酶，又称为与NAD（P）+相关的脱氢酶。其中大多以NAD+为辅酶。以以NADNAD+为辅酶的脱氢酶类为辅酶的脱氢酶类主要参与呼吸主要参与呼吸作用作用，即参与由代谢物经呼吸链到分子氧之间的电子传递作用。以以NADPNADP+为辅酶的脱氢酶类为辅酶的脱氢酶类则主要将分解代谢中间产物上的电子转运到生物合成过程中需要电子的中间产物上，即主要用于合成即主要用于合成代谢代谢。线粒体中可产生少量的NADPH。如果NADPH上的H要被用于呼吸链以生成H2O并产生能量，则它必须先进行如下反应，即 NADPH+H+NAD+=NADP+NADH+H+当NADPH上的氢经此反应转到NAD+上生成NADH后，这时，氢才
7、能进入呼吸链。此反应由吡啶核苷酸转氢酶催化 NADHNADH：还原型辅酶：还原型辅酶 它是由它是由NADNAD+接受多种代谢产物脱氢得接受多种代谢产物脱氢得到的产物。到的产物。NADH NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。链主要电子供体之一。线粒体呼吸链线粒体呼吸链 一般讲，烟酰胺脱氢酶发生作用时，NAD+或NADP+往往先和酶的活性中心结合，它与代谢物上脱下的氢结合生成NADH或NADPH，然后再脱下来。当有适当受体时，NADH或NADPH上的氢又可脱下而氧化生成NAD+或NADP+。（二）黄素蛋白类 这类酶以FMN或FAD为辅基。如琥珀酸脱氢
8、酶，以FAD为辅酶，从琥珀酸分子上接受2个氢（即2个质子和2个电子），然后可将2个氢传给CoQ进入呼吸链。NADH 呼吸链中也存在有黄酶类。例如NADH脱氢酶，该酶以FMN为辅基，可从NADH上接受一个质子和2个电子后再将该质子和电子传递给呼吸链中的另一个中间传递体。（三）铁硫蛋白类 这类蛋白含非血红素铁（即非卟啉铁）和对酸不稳定性硫，又称非血红素铁蛋白非血红素铁蛋白。当用酸处理时，会放出当用酸处理时，会放出H2S，释出铁，释出铁。由于这类蛋白常与其它传递体结合成复合物，故又被叫作铁硫中心铁硫中心。有时也叫铁铁硫复合物（硫复合物（FeS）。铁硫蛋白中的铁经价态变化而传递电子:Fe2+=Fe+e
9、 它属于单电子传递蛋白。铁硫蛋白铁硫蛋白 铁硫蛋白铁硫蛋白(简写为简写为Fe-S)Fe-S)，是一种与电子传是一种与电子传递有关的蛋白质，递有关的蛋白质，它与它与NADHNADH Q Q还还原酶的其它蛋白原酶的其它蛋白质组分结合成复质组分结合成复合物形式存在。合物形式存在。铁硫蛋白铁硫蛋白 它主要以它主要以 (2Fe-2S)(2Fe-2S)或或 (4Fe-4S)(4Fe-4S)形式形式存在。存在。(2Fe-2S)(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁原子。铁硫蛋白通过铁硫蛋白通过FeFe3+3+Fe Fe2+2+变化起传递变化起传递电子的作用。电子的作用
10、。（四）辅酶Q 它是脂溶性的醌类化合物，广泛存在于生物体内，故又名泛醌。它有一聚异戊二烯侧链。不同种属的生物其聚异戊二烯侧链的长短不同，即其中所含的异戊二烯单位数不同。例如，哺乳动物细胞内的泛醌中有10个 异戊二烯单位，故该泛醌又被叫做CoQ10。至于其它细胞，则或为6个，或为8个。CoQ能可逆地还原为氢醌，据此而传递质子和电子。CoQ在线粒体内膜上未与蛋白质结合，又具脂溶性，故可在膜脂中自由泳动。它不仅是呼吸链中的传递体，而且可以在膜的内外两侧之间同时传递质子和电子。泛醌泛醌 简写为简写为Q Q或辅酶或辅酶-Q-Q（CoQCoQ）：它是电子它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体传递链中唯一的非
11、蛋白电子载体。为一为一种脂溶性醌类化合物。种脂溶性醌类化合物。OOCH3OCH3OCH3(CH2CH C CH2)nHCH3n=6-10辅酶辅酶-Q-Q的功能的功能 Q(Q(醌型结构醌型结构)很容易接受电子和很容易接受电子和质 子，还 原 成质 子，还 原 成 Q HQ H2 2（还原型）；（还原型）；QHQH2 2也也容易给出电子和质容易给出电子和质子，重新氧化成子，重新氧化成Q Q。因此，它在线粒体因此，它在线粒体呼吸链中作为电子呼吸链中作为电子和质子的传递体。和质子的传递体。（五）细胞色素类（Cyt）1概念这是一类以血红素（含铁卟啉的衍生物）为辅基的蛋白质，呈红色或褚（呈红色或褚（chu
12、）色（似应为色（似应为赭（赭（zhe）色？）色？）。它是呼吸链中将电子由CoQ传至O2的电子传递蛋白。它可经铁的化合价之变化而传递电子:Fe2=Fe3+e 目前认为，它是单电子传递蛋白。种类 各种细胞色素之辅基结构略有差异，据此而将细胞色素分成若干种。（）在线粒体呼吸链上的有Cytb、Cytc、Cytc1、Cyta、Cyta3，其辅基的差异在于卟啉的侧链基团不同。（）除Cytc位于线粒体内膜表面且与膜结合较松外，其余的细胞色素均与线粒体内膜结合紧密，不易分离纯化。（）Cytc中的血红素辅基和酶蛋白上半胱氨酸的巯基（-SH）连接而成硫醚键。它是细胞色素中辅基和酶蛋白以共价键结合的唯一例子。细胞色
13、素细胞色素c c（Cyt.cCyt.c）它是电子传递链它是电子传递链中一个独立的蛋白质中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。周蛋白，易溶于水。它与细胞色素它与细胞色素c c1 1含有含有相同的辅基，但是蛋相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。白组成则有所不同。在电子传递过程在电子传递过程中，中，Cyt.cCyt.c通过通过FeFe3+3+Fe Fe2+2+的互变起电的互变起电子传递中间体作用。子传递中间体作用。（）Cytaa3至今未能分开，以复合物的形式存在，其分子量约为200000，含有多个大小不同的亚基。该复合体中含有2个
14、血红素A为辅基，另含有2个铜原子。在 呼吸链的电子传递过程中，它不仅需要经Fe2=Fe3+e 的化合价变化来传递电子，还需要经Cu+=Cu2+e 的化合价变化来传递电子。电子最终经Cyta3传给氧使氧变为活化氧O2-而与2H+结合形成水。Cytaa3的作用机制目前尚未彻底弄清 其可能的机制：Cyta的血红素从Cytc处获得电子，再将由电子传给Cyta3的血红素，再由该血红素经Cu+=Cu2+e的价态变化而将电子传给氧。Cytaa3又叫细胞色素氧化酶、细胞色素C氧化酶或亚铁细胞色素C-氧化还原酶。细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶 简写为简写为Cyt.c Cyt.c 氧化酶，即氧化酶，即复合物复
15、合物IVIV，它是位于线粒，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋体呼吸链末端的蛋白复合物，由白复合物，由1212个个多肽亚基组成。多肽亚基组成。活性部分主要活性部分主要包括包括Cyt.aaCyt.aa3 3。Cyt.a Cyt.a和和a a3 3组成一个复合体，除了组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。含有铁卟啉外，还含有铜原子。Cyt.a Cyt.a a a3 3可以直接以可以直接以O O2 2为电子受体。为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生可以发生CuCu+Cu Cu2+2+的互变，将的互变，将Cyt.cCyt.c所携带的电子传递给所携带的
16、电子传递给O O2 2。细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶 呼吸链中，除了除了Cytaa3外外，其余的细其余的细胞色素胞色素中的中的铁原子铁原子均均与卟啉环和蛋白质形与卟啉环和蛋白质形成成6个共价键或配位键个共价键或配位键，即除与卟啉环形成四个共价键之外除与卟啉环形成四个共价键之外，另另2个与蛋白质上的组氨酸和甲硫氨酸侧个与蛋白质上的组氨酸和甲硫氨酸侧链相连链相连，故不能再与不能再与O2、CO、CN-等结合。等结合。Cytaa3中的铁原子只形成中的铁原子只形成5个配位键个配位键，还保留1个配位键位置，能与O2、CO、CN-等结合，其正常功能为与O2结合。一般认为每次应有2分子细胞色素参与电子传
17、递反应。三NADH 呼吸链中各传递体的顺序 NADH FMN FeS CoQ Cytb FeS Cytc1 I II Cytc Cytaa3 O2 III1.位点I NADH脱氢酶，位点II CoQH2-CytC还原酶 位点III Cytc氧化酶 在每种情况下，电子传递都伴有质子的吸收和/或释放。如NADH脱氢酶完全是一种膜蛋白，其在膜中的方向性可使质子从膜的一侧摄入，而在膜的另一侧释放。NADHNADH 泛醌还原酶泛醌还原酶 简写为简写为NADHNADH Q Q还原酶还原酶,即即复合物复合物I I，它，它的作用是催化的作用是催化NADHNADH的氧化脱氢以及的氧化脱氢以及Q Q的还的还原。所
18、以它既是一种脱氢酶，也是一种原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。还原酶。NADHNADH Q Q还原酶最少含有还原酶最少含有1616个多肽亚个多肽亚基。它的活性部分含有辅基基。它的活性部分含有辅基FMNFMN和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。FMNFMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型质子，形成还原型FMNHFMNH2 2。还原型。还原型FMNHFMNH2 2可以进可以进一步将电子转移给一步将电子转移给Q Q。NADH Q还原酶还原酶 NADH +Q +H+=NAD+QH2NADHNADH 泛醌还原酶泛醌还原酶 泛醌泛醌 细胞色素细胞色素c c还原酶
19、还原酶 简写为简写为QHQH2 2-Cyt.c-Cyt.c还原酶还原酶,即即复合物复合物IIIIII,它它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型是催化还原型QHQH2 2的氧化和细胞色素的氧化和细胞色素c c（Cyt.cCyt.c）的还原。的还原。QHQH2 2-cyt.c-cyt.c 还原酶还原酶 QHQH2 2 +2 Cyt.c(Fe+2 Cyt.c(Fe3+3+)=Q +2 Cyt.c(Fe)=Q +2 Cyt.c(Fe2+2+)+2H)+2H+QH QH2 2-Cyt.c-Cyt.c还原酶由还原酶由9 9个多肽亚基组成。活性个多
20、肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素部分主要包括细胞色素b b 和和c c1 1，以及铁硫蛋白，以及铁硫蛋白（2Fe-2S2Fe-2S）。）。线粒体呼吸链线粒体呼吸链.电子传递抑制剂 能在某一部位阻断呼吸链中电子传递的物质即是电子传递抑制剂。NADH FMN FeS CoQ Cytb FeS Cytc1 I II Cytc Cytaa3 O2 III例如，位点I处的鱼藤酮、安密妥鱼藤酮、安密妥；位点II处的抗霉素抗霉素A；位点III处的氰化物、氰化物、CO等 这种抑制可使呼吸链受阻，其前段处于还原状态，其后则全为氧化状态。不仅阻断电子传递，而且阻止ATP的生成。三.FADH2 呼吸链中各传递体
21、的顺序 当FAD从代谢物上获得氢生成FADH2后，FADH2上的H+和电子可经FeS转到CoQ，从而进入 呼吸链。即 FADH2FeSCoQCytbCytc1CytcCytaa3O2琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶还原酶 琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸生的中间产物，它在琥珀酸-Q-Q还原酶还原酶（复合物（复合物IIII）催化下，将两个高能电子传递给催化下，将两个高能电子传递给Q Q，再通过，再通过QHQH2 2-Cyt.cCyt.c还原酶、还原酶、Cyt.cCyt.c和和Cyt.cCyt.c氧化酶将电子氧化酶将电子传递到传递到O
22、O2 2。琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶也是存在于线粒体还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物内膜上的蛋白复合物,它比它比NADH-QNADH-Q还原还原酶的结构简单，由酶的结构简单，由4 4个不同的多肽亚基组个不同的多肽亚基组成。成。其活性部分含有辅基其活性部分含有辅基FADFAD和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶的作用是催化琥珀还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和酸的脱氢氧化和Q Q的还原的还原。第四节氧化磷酸化作用一.生物化学中的高能化合物（一）高能化合物生物氧化过程中所产生的能量除一部份散发为热量之外，其余部份则以化学能的形式贮存于或转移至一些化合物的某种化学键中。当这种
23、化学键被水解时或形成这种化学键的有关基团发生基团转移反应时，可以放出大量的自由能（一般大于209焦耳/摩尔,或5千卡/摩尔），比一般的化学键高很多，故称之为高能键，以符号“”来表示。含有上述高能键的化合物则称之为高能化合物。生物化学中的高能键不同于物理化学中的高能键。物理化学中的高能键是指当该键要断 裂时需提供大量的能量以使键断裂。而生 物化学中的高能键，如上所述，在其断裂 （如水解或转移基团）时，是要释放大量 的自由能的。从生化角度来看，高能键水解时自由 能量大量降低，因而是较不稳定的化学 键，易分解释放能量。而物理化学中的高能键则表示稳定的键。（二）高能化合物的类型 生物体内的高能化合物有
24、多种，根据化学键类型可将之分为高能磷酸化合物和高能非磷酸化合物，后者主要为高能硫酯化合物。一般认为主要有高能磷酸化合物（含高能磷酸键）和高能硫酯化合物（主要含高能硫酯键），而又以前者为主。根据生物体内高能化合物键的特性可根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型。以把他们分成以下几种类型。1.1.磷氧键型（磷氧键型（OP)OP)COCHOCH2OHOPOO-O-POO-O-(1)酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸CH3COOPOO-O-乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔(1)(1)酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物H3N+COOPOO-O-氨甲酰磷酸R COOPOOO-A酰基腺
25、苷酸RCH COOPOOO-AN+H3氨酰基腺苷酸（2 2）焦磷酸化合物）焦磷酸化合物O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）O-POO-O POO-O-焦磷酸焦磷酸7.3千卡/摩尔（3 3）烯醇式磷酸化合物）烯醇式磷酸化合物OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔2.2.氮磷键型氮磷键型OPOONHCNHNCH3CH2COOHOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存
26、能量的作用。3.3.硫酯键型硫酯键型O SOO-OCH2OHHOHHOHHNNNH2NNO POO-3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸RCOSCoA酰基辅酶A4.4.甲硫键型甲硫键型COO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸(三)高能化合物的代表ATP ATP的含量标志着细胞内的能量水平，它对细胞内许多物质代谢都有调节作用。将细胞内三种腺苷酸的比例规定为能荷。ATP +1/2ADP 能荷-ATP+ADP+AMP 能荷高时，表明细胞的合成代谢旺盛，分解代谢受到抑制；能荷低时，表明细胞的分解代谢旺盛，合成代谢受到抑制；细胞内好多代谢途径的关键酶都受ATP的调节。ATP既可以容
27、易地从自由能水平较高的 化合物获得能量，又可以较容易地向自由 能水平较低的化合物传递能量。二.ATP的生成 (一)的生成方式 生物体内主要由与具有高能磷酸键的磷酸基结合而成。这种作用属于磷酸化作用磷酸化作用。（多）；在少数情况下，可以由与具有高能磷酸键的焦磷酸基结合而成。这种作用属于焦磷酸化作用焦磷酸化作用。（少）。1.氧化磷酸化作用 代谢物的氧化（脱氢）作用与的磷酸化作用相偶联而生成的过程即氧化磷酸化作用，也叫偶联磷酸化作用。在此过程中，代谢物氧化所放出的化学能供给与无机磷酸反应而生成。（1）呼吸链磷酸化 经典的氧化磷酸化就是它，也叫电子传递水平的磷酸化，是主要的氧化磷酸化方式。当代谢物上脱
28、下的氢直接进入呼吸链并传递到而生成水时，则在此传递过程中，随着电子传递的进行，有大量能量产生并用于使与反应生成。（2）氧化性底物水平磷酸化 有的代谢物在其氧化（脱氢）的过程中会产生高能化合物，而该高能化合物又可在一定条件下将其高能键中贮存的自由能用于使与反应生成。这种过程就是氧化性底物水平磷酸化氧化性底物水平磷酸化。例如，磷酸甘油醛PO，二磷酸甘油酸 此反应由3磷酸甘油醛脱氢酶催化,是一个氧化还原反应。，二磷酸甘油酸是一高能化合物，二磷酸甘油酸是一高能化合物。，二磷酸甘油酸 磷酸甘油酸,（此反应由磷酸甘油酸激酶催化）一般常将后一反应叫做（氧化性）底物水平磷酸化。但严格地讲，（氧化性）底物水平磷
29、酸化应包括这个反应。目前认为，之所以会发生这种反应，在于代谢物分子在其内部脱氢过程中，其分其分子内所含能量重新分布而集中以产生高能子内所含能量重新分布而集中以产生高能键键，再进一步导致产生。2.非氧化性底物水平磷酸化 有的代谢物在其非氧化过程（如脱水等）中会产生高能化合物，而该高能化合物又可在一定条件下将其高能键中贮存的自由能用于使ADP与Pi反应生成ATP。这种过程即非氧化性底物水平磷酸化非氧化性底物水平磷酸化。例如,2-磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸+H2O 此反应由烯醇化酶催化；磷酸烯醇式丙酮酸+ADP 烯醇式丙酮酸+ATP 此反应由丙酮酸激酶催化。磷酸烯醇式丙酮酸是一高能化合物磷酸烯醇式
30、丙酮酸是一高能化合物。一般将后一反应叫做（非氧化性）底物水平磷酸化。但严格地讲，（非氧化性）底物水平磷酸化应包括这2个反应。在本课件中，将底物水平磷酸化分为在本课件中，将底物水平磷酸化分为氧化性底物水平磷酸化和非氧化性底物水氧化性底物水平磷酸化和非氧化性底物水平磷酸化，平磷酸化，一般的书上并未做此划分。一般的书上并未做此划分。目前认为，之所以会发生这种反应，在于代谢物分子在其内部发生非氧化性过程（如脱水等）时，其分子内所含能量重新其分子内所含能量重新分布而集中以产生高能键分布而集中以产生高能键，再进一步导致产生ATP。(二)呼吸链中ATP的生成部位 ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP
31、ADP+Pi ATP NADH FMN FeS CoQ Cytb FeS Cytc1 Cytc Cytaa3 O2 I II III P/O比是指以某一底物（即代谢物）作为呼吸底物，每消耗1mol氧原子所消耗的无机磷酸的摩尔数（在呼吸链中表现为产生ATP的摩尔数）。P/O比可以反映出呼吸链磷酸化的效率比可以反映出呼吸链磷酸化的效率。例如，以NAD+为辅助因子的苹果酸脱氢酶，可以从1mol苹果酸中获得2 mol H而得到2mol的NADH+H+（常简写为NADH）。而当NADH+H+经呼吸链将2 mol 的H+e 传至O2时，则可得到3 mol ATP 和 1 mol H2O（即消耗了 molO
32、2，相当于消耗了1mol氧原子）。因此，此过程中P/O=3/1=3。又如，以FAD为辅助因子的琥珀酸脱氢酶，可从1 mol 琥珀酸中获得2 mol H 而得到 1 mol的 FADH2。当 FADH2将2 mol H（即2mol的H+e 经CoQ 进入呼吸链传至O2时则可得到 2 mol ATP 和1 mol H2O（即消耗了 mol O2，相当于消耗了 1 mol 氧原子）。故此过程中P/O=2/1=2。由于NADH 呼吸链大部份与FADH2 呼吸链重叠，故可推算，在NADH 呼吸链未与FADH2 呼吸链重叠的部份有一ATP的生成部位。实验证明，确实如此实验证明，确实如此。NADH FMN
33、FeS CoQ Cytb FeS Cytc1 Cytc Cytaa3 O2 FADH2 FeS CoQ Cytb FeS Cytc1 Cytc Cytaa3 O2。可见，由不同底物脱下的H经 呼吸链后所测得到的P/O比可用于帮助判断呼吸链中氧化磷酸化的部位。通过P/O比的测定可帮助确定磷酸化与电子传递相偶联的部位。磷酸化与电子传递相偶联的部位。三呼吸链磷酸化的机制经典的氧化磷酸化机制（一）化学渗透假说关于呼吸链中氧化与磷酸化这两种作用相偶联机制，目前主要有化学渗透假说，化学渗透假说，化学偶联假说、构象偶联假说化学偶联假说、构象偶联假说来予以说明，但以化学渗透假说更为大家接受。化学渗透假说由英国
34、的Peter Mitchell于1961年提出。化学渗透假说的内容（）呼吸链中的传氢体和传电子体按一定顺序交替排列，定位于线粒体内膜上，它们催化的反应是定向进行的。（）传氢体有氢泵（即质子泵）的作用，即可以从线粒体内膜内侧的代谢物上夺得氢（2H），并将其中的电子（2e）传递给其后面的电子传递体，而将其中的质子（2H+）泵到内膜的外侧。（）线粒体内膜具有选择性，线粒体内膜具有选择性，H H+不能自由不能自由通过线粒体内膜通过线粒体内膜。因而被泵到线粒体内膜外侧的H+浓度高于内膜内侧，形成跨膜H+浓度梯度（即pH梯度），内外侧pH相差1个单位左右，即pH=1。同时，这也使得原有的外正内负的跨膜电位
35、增高。在这个电位差中，即含有电子传递过程中所释放的能量，而这个能量足以使ADP+PiATP。这种跨膜的质子电化学梯度跨膜的质子电化学梯度就是推动ATP合成的原动力，即质子推动力。在膜内外势能差（在膜内外势能差（pH pH 和和）的驱动下，膜）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（外高能质子沿着一个特殊通道（ATPATP酶的组成部酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动能量，直接驱动ADPADP和磷酸合成和磷酸合成ATPATP。（）线粒体内膜上有ATP合（成）酶，可以使线粒体内膜外侧的2H+经酶上的特殊通道运至内膜内侧而返回线
36、粒体基质。此时，前面所产生的跨膜质子浓度梯度的电位差消失。随之，所释放的自由能被ATP合（成）酶用以合成ATP。ATP合（成）酶（系统）又称三联体，ATP酶复合体，FF1ATP（合成）酶。由多个亚基组成，以三个主要部份来行使其功能。（1）F1头部 它单独存在时，只可使 ATP ADP+Pi，而不能使 ADP+Pi ATP。此时，催化作用缓慢。故常将之称为F1 ATP酶。它不为寡霉素所抑制。但是，它在完整的线粒体上的正常功能是催化 ADP+Pi ATP。（）柄部（OSCP）即寡霉素敏感蛋白 为圆柱状碱性蛋白，是能量转换的通能量转换的通道道。它能控制质子的流动，从而控制能控制质子的流动，从而控制A
37、TP的的合成速度合成速度。（）FO基部位于线粒体内膜内，并横跨膜。它具质子通道作用具质子通道作用，能传送质子通过能传送质子通过膜到达膜到达F1的催化部位的催化部位。ATP ATP酶，含有酶，含有5 5种不同的亚基（按种不同的亚基（按3 3、3 3、1 1、1 1 和和1 1 的比例结的比例结合）。合）。OSCPOSCP为一个蛋为一个蛋白，是能量转换的白，是能量转换的通道。通道。F F0 0为一个疏水为一个疏水蛋白蛋白，是与线粒体，是与线粒体电子传递系统连接电子传递系统连接的部位。的部位。（二）呼吸链中电子传递与ATP生成的偶联关系及其调控在呼吸链中，电子传递与电子传递与ATP的生成必的生成必须
38、以电子传递为前提，须以电子传递为前提，也只有生成也只有生成ATP才能才能推动电子传递推动电子传递。也正因为这一点，经典的氧化磷酸化也被称为呼吸链磷酸化。完整的线粒体，只有在只有在ADPADP及及PiPi充足时电充足时电子传递速度才能达到最高水平子传递速度才能达到最高水平，缺乏ADP时则因无充足磷酸受体而不能发生磷酸化作用。因此，ATP/ADP可对电子传递速度及对还原型辅酶的积累和氧化起调节作用。这里，ADPADP作为关键物质对呼吸链磷酸作为关键物质对呼吸链磷酸化起调节作用化起调节作用，此即呼吸控制呼吸控制。（三）呼吸链磷酸化的解偶联及抑制 不同的化学因素对呼吸链磷酸化过程影响不同。解偶联使呼吸
39、链中的电子传递过程与ATP的生成过程之间的偶联关系分开，导致电子传递过程继续进行，但破坏了破坏了ATP的合成。这种现象即解偶联解偶联此时，电子传递过程中产生的自由能原电子传递过程中产生的自由能原来是用于合成来是用于合成ATP的，的，但现在却以热能的形但现在却以热能的形式释放式释放，难以被细胞利用。导致这种现象的物质即解偶联剂解偶联剂。解偶联使电子传递失去了正常控制，造成过分利用O2和燃料底物，使能量得不到储存。最经典的解偶联剂为最经典的解偶联剂为2，4二硝基苯二硝基苯酚（即酚（即DNP）。）。它由于它由于破坏了线粒体内膜内外两侧的破坏了线粒体内膜内外两侧的跨膜质子梯度的电位差跨膜质子梯度的电位
40、差，也就导致，也就导致ADP+PiATP这个反应不能进行这个反应不能进行 解偶联剂只破坏呼吸链磷酸化中的解偶联剂只破坏呼吸链磷酸化中的ATP生成，并生成，并不影响底物水平磷酸化中的不影响底物水平磷酸化中的ATP生成生成。呼吸链磷酸化的抑制 即既抑制了呼吸链中对氧的利用，又抑制了其中的ATP生成，但不直接抑制电子传递链上的载体的作用。这种作用即呼吸链磷酸化的抑制作用呼吸链磷酸化的抑制作用。引起这种作用的物质即呼吸链磷酸化的抑制呼吸链磷酸化的抑制剂剂。这种抑制作用直接这种抑制作用直接抑制抑制了了ATP的生成，从而导的生成，从而导致电子传递不能进行致电子传递不能进行。抗菌素中的寡霉素就是其典型的代表
41、 寡霉素可以抑制抑制ATP合成酶上的寡霉素合成酶上的寡霉素敏感蛋白的作用敏感蛋白的作用，也就抑制了质子由线粒体也就抑制了质子由线粒体内膜的外侧向线粒体内膜的内侧转运内膜的外侧向线粒体内膜的内侧转运，导致导致线粒体内膜内外两侧的质子跨膜梯度和电位线粒体内膜内外两侧的质子跨膜梯度和电位差中所含自由能不能被用来合成差中所含自由能不能被用来合成ATP，因而因而电子传递也就不能被推动电子传递也就不能被推动。四.生物体内的磷酸原ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体。研究证明，ATP是生物体内能量释放、贮存及利用的中心，可以满足许多生理活动之需要。例如：ATP可使UDPUTP，用于糖原合成，ATP可使CDP
42、CTP，用于磷酯合成，ATP可使GDPGTP，用于蛋白合成。但是，严格说来ATP并非生物体内能量的贮存者，而应是能量的携带者或传递者。常将称作细胞内的“能量通货”、货币。研究证明:在脊椎动物的肌肉及神经组织中的磷酸肌磷酸肌酸酸就只能贮存能量，而不能直接利用。在无脊椎动物的的肌肉中的磷酸精氨酸磷酸精氨酸也有同样的作用。一般将磷酸肌酸、磷酸精氨酸这些可因一般将磷酸肌酸、磷酸精氨酸这些可因磷酸基团的转移而提供能量的贮能物质磷酸基团的转移而提供能量的贮能物质叫做磷酸原磷酸原。五线粒体内ATP/ADP的转运真核细胞中，ATP的生成主要在线粒体内，而利用ATP的代谢反应却主要在线粒体外的胞液中。此外，线粒
43、体内ATP的生成，还要求ADP和Pi的供应得到保证。实验证明，在线粒体内膜上有一种特殊蛋白ATP/ADP交换体。它以二聚体的形式嵌入内膜，在跨膜电位（外正内负）的推动下将ADP运入线粒体基质，同时将ATP运到膜外侧。这是一种有高度选择性的蛋白。这个二聚体只有一个腺苷酸结合位点。面向膜外侧时面向膜外侧时，结合位点对ADP有高亲和力，对苍术苷（植物毒素）的抑制敏感；面向膜内侧面向膜内侧的位点对ATP有高亲和力，对米酵菌酸（抗生素）的抑制敏感。另外，在线粒体内膜上有一种磷酸载体，跨膜分布，可以将Pi运向线粒体基质，同时将等量的OH-运向线粒体外。第五节胞液中NADH的氧化NADH在胞液和线粒体中均可
44、产生，象糖酵解过程中的3磷酸甘油醛脱氢酶的辅酶为NAD+，该酶均位于线粒体外的胞液中。实验证明，胞液中的NADH不能自由通过线粒体内膜，而需经过特殊的转运系统通过线粒体内膜进入线粒体。一苹果酸穿梭系统 这个系统存在于肝脏、心肌等组织中。在胞液中，苹果酸脱氢酶草酰乙酸+NADH+H+苹果酸+NAD+。苹果酸可经内膜上的苹果酸-酮戊二酸载体进入线粒体基质。在线粒体内，苹果酸脱氢酶 苹果酸+NAD+草酰乙酸+NADH+H+，至此，线粒体外的NADH就变成了线粒体内的NADH，就可以将其上的氢经呼吸链传递给氧，生成水和ATP。生成的草酰乙酸，不能自由穿过线粒体内膜，它需进行如下反应转变为天冬氨酸。谷草
45、转氨酶 草酰乙酸+谷氨酸天冬氨酸+-酮戊二酸 天冬氨酸经内膜上的谷氨酸天冬氨酸受体运送到胞液，再在胞液中经谷草转氨酶的作用重新转变为草酰乙酸，从而可以再进行下一次转运活动。二磷酸甘油穿梭系统 这个系统存在于大脑及某些肌肉组织中。在胞液中，-磷酸甘油脱氢酶磷酸二羟丙酮+NADH+H+-磷酸甘油+NAD+-磷酸甘油扩散到线粒体的外膜与内膜之间，然后在位于内膜的-磷酸甘油脱氢酶作用下将氢传给FAD，即 -磷酸甘油脱氢酶-磷酸甘油+FAD 磷酸二羟丙酮+FADH2 这样，线粒体外NADH上的氢即被转到线粒体内膜上的FAD上而生成FADH2，将氢经呼吸链传递到氧，生成水和ATP。完（）线粒体内膜具有选择性，H+不能自由通过线粒体内膜，因而被泵到线粒体内膜外侧的H+浓度高于内膜内侧，形成跨膜H+浓度梯度（即pH梯度），内外侧pH相差1个单位左右，即pH=1。同时，这也使得原有的外正内负的跨膜电位增高。
