9第八章 生物氧化
第八章生物氧化
生物体内，物质常可通过加氧、脱氢、失去电子的方式被氧化。营养物质经柠檬酸循环或其他代谢途径进行脱氢反应，产生的成对氢原子（2个氢质子和2个电子）以还原当量NADH+H+或FADH2的形式存在，是生物氧化（biological oxidation)过程中产生的主要还原性电子载体。机体在进行有氧呼吸时，这些还原性电子载体通过一系列的酶催化和连续的氧化还原反应逐步失去电子（电子传递），最终使氢质子与氧结合生成水。同时释放能量，驱动ADP磷酸化生成ATP，供机体各种生命活动的需要。
第一节氧化呼吸链是由具有电子传递功能的
复合体组成
生物体将NADH+H十和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，因此称为氧化呼吸链（oxidative respiratory chain)。真核细胞ATP的生成主要在线粒体中进行，在氧化呼吸链中，参与传递反应的酶复合体按一定顺序排列在线粒体内膜上，发挥传递电子或氢的作用。其中传递氢的酶蛋白或辅助因子称之为递氢体，传递电子的则称之为电子传递体。由于递氢过程也需传递电子（2H++2e—），所以氧化呼吸链也称电子传递链（electron transfer chain)。
一、氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成
氧化呼吸链是由位于线粒体内膜上的4种蛋白酶复合体（complex)组成，分别称之为复合体I、II、III和IV。每个复合体都由多种酶蛋白和辅助因子（金属离子、辅酶或辅基）组成，但各复合体含有自己特定的蛋白质和辅助因子成分（表8-1）。各复合体中的跨膜蛋白成分使其能够镶嵌在线粒体内膜中，并按照一定的顺序进行排列（图8-1）。其中复合体I、III和IV镶嵌于线粒体内膜的双层脂质膜，而复合体II仅镶嵌在双层脂质膜的内侧。复合体中的蛋白质组分、金属离子、辅酶或辅基共同完成电子传递过程，主要通过金属离子价键的变化、氢原子（H++e—）转移的方式进行。电子的传递过程本质上是由电势能转变为化学能的过程，电子传递过程所释放的能量驱动H+从线粒体基质移至膜间腔，形成跨线粒体内膜的H+浓度梯度差，用于驱动ATP的合成。下面将分别叙述氧化呼吸链各复合体中主要酶蛋白或辅助因子的氧化还原作用及相应的电子传递过程。
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176 第二篇物质代谢及其调节
（一）复合体I将NADH+H＋中的电子传递给泛醌
复合体I又称NADH一泛醌还原酶或NADH脱氢酶，接受来自NADH+H+的电子并转移给泛醌（ubiquinone）。在柠檬酸循环和脂肪酸β一氧化等过程的脱氢反应中，大部分代谢物脱下的2H是由氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）接受，形成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH+H＋）。NAD+(图8-2)是脱氢酶类的辅酶，分子中烟酰胺芳环中的氮为五价，易接受电子被还原，还原时能接受2H中的双电子成为三价氮，同时芳环也接受一个氢质子进行加氢反应，为双电子传递体。烟酰胺在加氢反应时只能接受1个氢质子和2个电子，游离出一个H+在溶液中，因此将还原型的NAD+写成NADH+H+（NADH）（图8-3）。还原型NADH可失去电子被氧化而生成NAD+，其电子被复合体I接受并传递给泛醌。复合体I由黄素蛋白（flavoprotein )、铁硫蛋白（iron-sulfur protein)等蛋白及其辅基组成，呈L形，一端突出于线粒体基质中，包括黄素蛋白及黄素单核苷酸（flavin mononucleotide，FMN）辅基和2个铁硫中心( iron-sulfur center, Fe-S )辅基、铁硫蛋白及其3个Fe-S辅基；嵌于内膜的横臂为疏水蛋白部分，也含1个Fe-S辅基。所以，黄素蛋白和铁硫蛋白都能通过辅基发挥传递电子作用。
FMN分子中含核黄素（维生素B2），结构中的异咯嗪环可接受1个质子和1个电子形成不稳定
第八章生物氧化177
的FMNH·，再接受1个质子和1个电子转变为还原型FMNH2。反之，FMNH2氧化时也逐步脱去电子和质子，属于单、双电子传递体（图8-4）。
氧化呼吸链含有多种铁硫蛋白，其中的Fe离子通过与无机硫(S)原子或（和）铁硫蛋白中的半胱氨酸残基的S原子相连，形成铁硫中心。（Fe-S，图85）。Fe一S可有多种形式，最简单的铁硫中心是1个Fe离子与4个半胱氨酸残基的S原子相连，而复杂的铁硫中心可以含2个、4个Fe离子并通过无机S原子及半胱氨酸残基的S原子相连（如Fe2 S2，Fe4 S4）·铁硫中心的铁离子可进行Fe 2+→Fe3++e一的可逆反应，每次传递一个电子，因此铁硫蛋白为单电子传递体。
复合体I中黄素蛋白辅基FMN从基质中接受还原型NADH中的2个质子和2个电子生成FMNH2，经一系列铁硫中心，再经位于线粒体内膜中疏水蛋白的铁硫中心将电子传递给内膜中的泛醌。泛醌又称辅酶Q (coenzyme Q，CoQ，Q），是一种小分子、脂溶性醌类化合物。泛醌结构中含多个异戊二烯单位形成较长的疏水侧链。人的CoQ侧链含10个异戊二烯单位，用CoQ10（Q10）表示。泛醌脂溶性强，能在线粒体内膜中自由扩散，不包含在上述复合体中。泛醌和FMN
178 第二篇物质代谢及其调节
类似，能进行可逆的电子传递，有3种氧化还原状态，接受1个电子和1个质子还原成半醌型泛醌（QH·），再接受1个电子和1个质子还原成二氢泛醌(QH2），后者可逆向逐步失去质子和电子再被氧化为泛醌（图8-6）。由于泛醌能在线粒体内膜中自由移动，同时传递氢和电子，可在各复合体间募集并穿梭传递还原当量，在氧化呼吸链中具有重要作用，同时还在下述的电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。
复合体I可催化两个同时进行的过程：将一对电子从还原型的NADH传递给泛醌的过程中，可同时偶联质子的泵出过程，将4个H+从内膜基质侧（negative side，显负电,N侧）泵到内膜胞质侧(positive side,显正电,P侧），故复合体I有质子泵功能，泵出质子所需的能量来自电子传递过程。
（二）复合体II将电子从琥珀酸传递到泛醌
复合体II是柠檬酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸一泛醌还原酶，其功能是将电子从琥珀酸传递给泛醌。人复合体II又称黄素蛋白2 (FP2），由4个亚基组成，其中2个小疏水亚基，将复合体锚定于内膜；另外2个亚基位于基质侧，含底物琥珀酸的结合位点、3个铁硫中心辅基和1个黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）辅基。FAD的结构母核与FMN相同，也是通过异咯嗪环进行电子传递。琥珀酸的脱氢反应使FAD转变为还原型FADH2，后者再将电子传递到铁硫中心，然后传递给泛醌。该过程传递电子释放的自由能较小，不足以将H+泵出线粒体内膜，因此复合体II没有H＋泵的功能。代谢途径中另外一些含FAD的脱氢酶，如脂酰CoA脱氢酶、α一磷酸甘油脱氢酶、胆碱脱氢酶，可以不同方式将相应底物脱下的2个H`和2个电子经FAD传递给泛醌，进入氧化呼吸链。
（三）复合体III将电子从还原型泛醌传递至细饱色素c
泛醌从复合体I或II募集还原当量并穿梭传递到复合体III，后者再将电子传递给细胞色素c，因此复合体皿又称泛醌一细胞色素c还原酶。人复合体III含有细胞色素b（b562，b566）、细胞色素c1和一种可移动的Rieske铁硫蛋白（Rieske iron-sulfur protein)。
细胞色素（cytochrome, Cyt）是一类含血红素样辅基的电子传递蛋白，血红素样辅基中的铁离子可通过Fe2+→Fe 2++e一反应传递电子，为单电子传递体。还原型细胞色素均有特征的α、β、γ三个可见吸收峰。而氧化型细胞色素吸收峰和还原型的相比有明显改变，可作为分析细胞色素种类和状态的重要指标。根据它们吸收光谱和最大吸收波长不同，可将线粒体的细胞色素分为细胞色素a,b,c（Cyt a,Cyt b,Cyt c)三类，及不同亚类。各种细胞色素光吸收性质不同是由于辅基铁卟啉环的侧链以及血红素所处分子环境各有不同。细胞色素b的铁卟啉是铁一原卟啉IX，与血红蛋白的血红素相同，称为血红素b(图8-7)；而细胞色素a中铁一原卟啉IX环含有甲酰基，1个乙烯基侧链连接的聚异戊二烯长链，称血红素a(图8-7)。细胞色素a和b中的血红素与其蛋白质通过非共价键结合，但为紧密连接。细胞色素c中，铁一原卟啉IX的乙烯侧链通过共价键与蛋白质部分的半胱氨酸残基的疏基相连，称血红素c（图8-8）。
人复合体III为二聚体，呈梨形。每个单体中有11个亚基，其功能区包括3部分：细胞色素b,细胞色素c1，和铁硫蛋白。其中细胞色素c1和铁硫蛋白都有球形结构域，并以疏水区段锚定在线粒体内膜。细胞色素b亚基结合2个不同血红素辅基，一个还原电位较低称Cyt b L，根据吸
第八章生物氧化179
收波长称Cyt b566,,，另一个电位较高称Cyt bH,，根据
吸收波长称Cyt b562，位置接近于内膜基质侧。复合体
III还有2个泛酪结合位点，分处内膜胞质侧和基质侧，
称为QP和QN位点。
复合体III的电子传递过程通过“Q循环”（Q cycle)
实现。“Q循环”是为了实现双电子传递体泛酿与单电
子传递体细胞色素之间的电子传递，是一个复杂的电子
传递过程，最终将电子从泛酿经铁硫蛋白传递给Cyt c1。
每2分子QH2通过Q循环，生成1分子QH2和1分子Q.将2个
电子传给2分子Cyt c1，同时复合体III向膜间隙释放4H十。
Cyt C是氧化呼吸链唯一的水溶性球状蛋白，与线粒
体内膜外表面疏松结合，不包含在上述复合体中。Cyt c
从复合体III中的Cyt c1 获得电子传递到复合体IV。
（四）复合体IV将电子从细胞色索c传递给氧
人复合体IV又称细胞色素c氧化酶（cytochrome。oxidase），将Cyt C的电子传递给分子氧，使其还原为H2O。
人复合体IV包含13个亚基，其中亚基I~III由线粒体基因编码，是还原当量传递的功能性亚基，其他10个亚基起调节作用。亚基I呈圆柱形，含2个血红素辅基，分别称为Cyt a 和Cyt a3，由a一螺旋结构支持。另外还含1个Cu离子，称Cu B。细胞色素a3和Cu B定位接近而形成1个Fe-Cu中心。蛋白结合的Cu可发生Cu+→Cu2++e一的可逆反应，也属单电子传递体。亚基II、III分别位于亚基I两侧，亚基II内膜膜间腔侧膜外域含桶状的10股β片层结构，通过2个半胱氨酸残基稳定结合2个Cu离子，称Cu A，形成类似Fe2S2铁硫中心的结构。而亚基III的功能主要与质子泵出有关。复合体IV中含4个氧化还原中心，即2个血红素中心（Cyt a, Cyt a3）,2个Cu位点（Cu A Cu B）。其中Cu A中心与Cyt a中血红素的Fe定位极为接近，仅距1. 5nm,电子可由Cu A中心(2个Cu离子）传递到Cyt a;而Cyt a3-Cu B,形成一个Fe-Cu中心，这样就形成了2Cu A和Cyt a3-Cu B两组电子传递单元，称为双核中心（binuclear center）功能单元。
复合体IV电子传递过程是在双核中心上进行（图8-9)。Cyt c供出的电子经Cu A双核中心传递到Cyt a，再到Cyt a3-Cu B双核中心。需要依次传递4个电子，并从线粒体基质获得4个H+，
180 第二篇物质代谢及其调节
最终将1分子O2还原成2分子H20（图8-9）。其电子传递过程为：Cyt a传递第一个、第二个电子到氧化态的Cyta3-Cu B,双核中心（Cu2十和Fe3+ )，经Cu B。到Cyt a3，使双核中心的Cu2十和Fe3+ 被还原为Cu+;Fe2+，并使双核中心结合O2分子，形成过氧桥连接的Cu B。和Cyt a3，相当于2个电子传递给结合的O2。中心再获得2个H+和第三个电子,O2分子键断开，Cyt a3出现Fe4+中间态。再接受第四个电子Fe4+还原为Fe3+并形成Cu B2+和Cyt a3的Fe3+各结合1个OH基团的中间态。最后再获得2个H+，双核中心解离出2个分子H20后恢复初始氧化状态（图8-10）。生成的H20通过亚基I、III间亲水通道排人膜间腔侧。复合体Ⅳ也有质子泵功能，相当于每传递2个电子使2个H+跨内膜向膜间腔侧转移。
由于上述O2获得电子过程产生的具有强氧化性的.O2-和O2-2中间物始终和双核中心紧密结合，不会引起对细胞组分的损伤。
二、NADH和FADH2是氧化呼吸链的电子供体
营养物质的分解代谢中，大部分脱氢酶以NAD+，NADP+，FMN或者FAD为辅酶，用来接受从底物上脱下来的成对氢，生成还原态的NADH+H+，NADPH+H+，FMNH2和FADH2图8-3和8-4）。还原态的NADH和NADPH都是水溶性的电子载体，由于氧化呼吸链的复合体I 即为NADH脱氢酶，可使线粒体NADH所携带的还原当量通过氧化呼吸链彻底氧化并释能，而NADPH的还原当量主要用于合成代谢反应。FMN或FAD是氧化呼吸链复合体中黄素蛋白的辅基，能通过氧化还原态的变化进行电子传递。由于复合体II是柠檬酸循环中的琥珀酸脱氢酶，通过结合底物琥珀酸并将其还原当量传递给FAD，生成的FADH2直接进人呼吸链进行氧化释能。因此NADH和FADH2是氧化呼吸链的电子供体。根据电子供体及其传递过程，目前认
第八章生物氧化181
为，氧化呼吸链有两条途径：一条称为NADH氧化呼吸链，该途径以NADH为电子供体，从NADH+H+开始经复合体I到O2而生成H2O。电子传递顺序是：
NADH→复合体I→C O Q→复合体Ⅲ→Cyt c-→复合体Ⅳ→O2另一条称为FADHZ氧化呼吸链，也称境拍酸氧化呼吸链，以FADH2为电子供体，经复合体B到OZ而生成Hz0o电子传递顺序是：
JIM酸。复合体]I -+COQ-+复合体In -+Cyt c--复合体W-.OZ 呼吸链各组分的排列顺序是由下列实验确定的：①根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位进行排序。简单来讲，标准氧化还原电位E0（单位：电压V olts）是指在特定条件下，参与氧化还原反应的组分对电子的亲和力大小。电位高的组分对电子的亲和力强，易接受电子。相反，电位低的组分倾向于给出电子。因此，呼吸链中电子应从电位低的组分向电位高的组分进行传递（表8-2）。②底物存在时，利用呼吸链特异的抑制剂阻断某一组分的电子传递，在阻断部位以前的组分处于还原状态，后面的组分处于氧化状态。根据各组分的氧化和还原状态吸收光谱的改变分析其排列次序。③利用呼吸链各组分特有的吸收光谱，以离体线粒体无氧时处于还原状态作为对照，缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序。
④在体外将呼吸链拆开和重组，鉴定四种复合体的组成与排列。
182 第二篇物质代谢及其调节
第二节氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP
磷酸化偶联生成A TP
在机体能量代谢中，A TP作为能量载体分子，是体内主要供能的高能化合物。细胞内由ADP磷酸化生成A TP的方式有两种，一种是与脱氢反应偶联，直接将高能代谢物分子中的能量转移至ADP或GDP)，生成ATP（或GTP）的过程，称为底物水平磷酸化，已在糖代谢中叙述。而ATP形成的主要方式是氧化磷酸化(oxidative phosphorylation )，即由代谢物脱下的氢，经线粒体氧化呼吸链电子传递释放能量，此释能过程与驱动ADP磷酸化生成A TP 相偶联，即还原当量的氧化过程与ADP的磷酸化过程相偶联，产生能量A TP。因此又称为偶联磷酸化。
一、氧化磷酸化偶联部位在复合体I、Ⅲ、Ⅳ内
成对电子经氧化呼吸链传递所能合成ATP的分子数可反映该过程的效率。理论推测的氧化呼吸链中偶联生成ATP的部位称为氧化磷酸化的偶联部位，可根据下述实验方法及数据大致确定。
（一）P/O比值
一对电子通过氧化呼吸链传递给1个氧原子生成1分子H2O，其释放的能量使ADP磷酸化合成ATP,此过程需要消耗氧和磷酸。P/O比值是指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所需磷酸的摩尔数，即所能合成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成A TP分子数）。
研究发现丙酮酸等底物脱氢反应产生NADH+H+，通过NADH氧化呼吸链传递，P/O比值接近2.5，说明传递一对电子需消耗1个氧原子且需消耗约2.5分子的磷酸，因此NADH氧化呼吸链可能存在3个A TP生成部位。而琥珀酸脱氢时，P/O比值接近1.5，说明琥珀酸氧化呼吸链可能存在2个A TP生成部位。根据NADH、琥珀酸氧化呼吸链P/O比值的差异，提示在NADH和泛醌之间存在1个A TP生成部位。而抗坏血酸底物直接通过Cyt c传递电子进行氧化，其P/O比值接近1，推测Cyt c和O2之间存在1个ATP生成部位。而另1个ATP生成部位应在泛醌和Cyt。之间。经实验证实，一对电子经NADH氧化呼吸链传递，P/O比值约为2.5，生成2.5分子的ATP；一对电子经琥珀酸氧化呼吸链传递，P/O比值约为1.5，可产生1.5分子的ATP.
（二）自由能变化
根据热力学公式，pH 7. 0时标准自由能变化（△G)与还原电位变化(△E,标准还原电位表示物质对电子的亲和力，还原电位高更易于接受电子）之间有以下关系：
△G＝-nF△E
n为传递电子数;F为法拉第常数（96.5kJ/mol·V）。
从NAD＋到C O Q段测得的还原电位差约0. 36V，从C O Q到Cyt c电位差为0. 19V，从Cyt a,a3到分子氧为0. 58V，分别对应复合体I、Ⅱ、Ⅳ的电子传递。计算结果，它们相应释放的△G分别约为69.5 、36.7、112kJ/mol，而生成每摩尔ATP需能约30. 5 kJ（7. 3 kcal），可见复合体I、Ⅱ、Ⅳ传递一对电子释放的能量足够用于生成ATP所需的能量。说明以上三部位各存在1个ATP的偶联部位。这里讲的偶联部位并非意味着这三个复合体是直接生成A TP的部位，而是指经由这三个复合体的电子传递所释放的能量具有合成ATP的能力。由于不同复合体的电势能不同，我们可以将它们形象的比喻为由不同的蛋白质复合体组成的一个“生物电场”。电子的传递过程就是由低电势向高电势泳动的过程。而电子传递所释放的电势能就转变为跨线粒体内膜的质子浓度梯度，驱动ATP合成。
二、氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度
1961年英国科学家P. Mitchell提出的化学渗透假说(chenmiosmotic hypothesis）阐明了氧化磷
第八章生物氧化183 酸化偶联机制。其基本要点是电子经氧化呼吸链传递时释放的能量，通过复合体的质子泵功能，驱动H十从线粒体基质侧泵出至内膜的膜间腔侧。由于质子不能自由穿过线粒体内膜返回基质，这种质子的泵出引起内膜两侧的质子浓度和电位的差别（膜间腔侧质子的浓度和正电性高于线粒体基质），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。当质子顺浓度梯度回流至基质时驱动ADP与Pi生成ATP。如一对电子自NADH传递至氧可释放约-220kJ/mol的能量，同时将10个H+从基质转移至内膜膜间腔侧，形成的H＋梯度储存约-200kJ/mol，当质子顺浓度梯度回流时用于驱动A TP 合成。
框8一1化学渗透理论阐明了氧化磷酸化偶联机制
英国学者P. Mitchell获得1978年诺贝尔化学奖，表彰他创建的化学渗透理论阐明了氧化磷酸化的偶联机制。他提出电于传递能量驭动质子从线粒体基质转移到内膜外，形成跨内膜质子梯度，储存能量，泵出的质子再通过ATP合酶内流释能催化ATP合成。该理论解释了氧化磷酸化中电子传递链蛋白、A TP合酶在基质内膜分布的意义及其如何利用质子作为能源。这一理论是解决生物能学难题的重大突破，并更新了人们对涉及生命现象的生物能储存、生物合成、代谢物转运、膜结构功能等多种问题的认识。
化学渗透假说已经得到广泛的实验支持：①氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；
②线粒体内膜对H十、OH-、K+、C1-离子是不通透的；③电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度；④增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而阻止质子从线粒体基质泵出，可降低内膜两侧的质子梯度，虽然电子仍可以传递，但ATP生成却减少。
氧化呼吸链电子传递过程驱动质子从线粒体基质侧转移到膜间腔侧的机制虽已有叙述，但还不完全清楚。实验证实电子传递过程复合体I、Ⅲ和Ⅳ有质子泵功能，一对电子经这些复合体传递分别向内膜膜间腔侧泵出4H+,4H+和2H+。图8-11归纳了氧化呼吸链电子传递和氧化磷酸化的过程。
184 第二篇物质代谢及其调节
三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成ATP
由呼吸链中复合体质子泵作用形成的跨线粒体内膜的H十浓度梯度和电位差，储存电子传递释放的能量。当质子顺浓度梯度回流至基质时，储存的能量被ATP合酶（ATP synthase )充分利用，催化ADP与Pi生成A TP。在线粒体内膜上的复合体V (complex V），即为A TP合酶。ATP合酶是多蛋白组成的蘑菇样结构，含F1（亲水部分F1表示第一个被鉴定的与氧化磷酸化相关的因子）和F0（疏水部分，F0表示寡霉素敏感）两个功能结构域。F1为线粒体基质侧的蘑菇头状突起，催化ATP合成；而F0的大部分结构嵌人线粒体内膜中，组成离子通道，用于质子的回流。
动物细胞中，F1部分由α3β3γδε亚基复合体和OSCP,IF1等亚基组成，OSCP为寡霉素敏感蛋白（oligomycin sensitive conferring protein，OSCP，易与寡霉素结合而失去活性），F1可调节ATP合成。α3β3亚基间隔排列，像橘子瓣样围绕γ亚基形成六聚体，每个β亚基有1个催化中心，用于A TP的合成，但β亚基必须与α亚基结合才有活性，因此αβ亚基配对结合，形成αβ功能单元。F0镶嵌在线粒体内膜中，它由疏水的a、b2、c9-12亚基组成，形成跨内膜质子通道。动物细胞F0还有其他辅助亚基。c亚基由短环连接的2个反向跨膜α一螺旋组成,9一12个c亚基围成环状结构;a亚基紧靠c亚基环外侧，由5个跨膜α一螺旋形成2个半穿透线粒体内膜的、不连通的亲水质子半通道，两个开口分别位于线粒体的基质侧和内膜的膜间腔侧，两个半通道分别与1个c亚基相对应（图8-12）。
目前认为,ATP合酶由F0和F1组装成可旋转的发动机样结构，完成质子回流并驱动ATP 合成。F0的2个b亚基通过长亲水头部域锚定于F1的α亚基，并通过δ亚基和α3β3稳固结合，而b亚基的疏水端锚定F0中的a亚基，使a、b2和F1中的α3β3、δ亚基组成稳定的定子部分。F1部分γ和ε亚基共同形成中心轴，上端穿过α3β3的六聚体，γ可与β亚基疏松结合，下端伸人嵌
第八章生物氧化185 于内膜的c亚基环装结构中并与之紧密结合，使c亚基环、，γ和ε亚基组成转子部分。
当质子顺梯度穿内膜向基质回流时，转子部分围绕定子部分进行旋转，使F1，中的αβ功能单元利用释放的能量结合ADP和Pi并合成A TP。质子梯度强大势能驱动质子从a亚基胞质侧进人半通道，使对应的1个c亚基中的必需天冬氨酸残基Asp 61所带负电荷被H+中和后,c亚基能与疏水内膜相互接触而发生转动，当其转到接触出口半通道相应c亚基位置时Asp 61原结合的H＋从半通道出口顺梯度释放进人线粒体基质（图8-12）。同理，各c亚基可依次进行上述循环，导致c环和γ、ε亚基相对α3β3转动。在转动过程中，γ亚基依次和各β亚基接触，其相互作用发生周期性变化，并使每个β亚基活性中心构象循环改变。
P. Boyer提出了A TP合成的结合变构机制（binding change mechanism），p亚基有3种构象：开放型（O）无活性，与A TP亲和力低；疏松型（L)无活性，可与ADP和Pi底物疏松结合；紧密型（T)有ATP合成活性，可紧密结合ATP。γ亚基转动时，会依次接触3组αβ单元中的β亚基，导致β亚基的构象进行协调性的、循环变化，ADP和Pi底物结合于L型β亚基，质子流能量驱动合酶的转子部分进行转动，使该β亚基变构为T型，用于合成ATP；再次转动使T型β亚基变构为O型，则该构象的β亚基释放出A TP（图8-13）。3个β亚基依次经同样循环合成、释出ATP，质子流能量主要用于驱动β亚基构象按顺序改变，分别结合ADP 和Pi，合成的ATP可从活性中心释放。
目前的实验数据表明，合成1分子ATP需要4个质子，其中3个质子通过ATP合酶穿线粒体内膜回流进基质，另1个质子用于转运ADP、Pi和ATP。每分子NADH经氧化呼吸链传递泵出10H+，生成约2．5（10/4）分子ATP，而琥珀酸氧化呼吸链每传递2个电子泵出6H+，生成1.5（6/4）分子A TP。
框8-2 Boyer破解ATP合成的可逆“结合变构”机制
美国科学家P. D. Boyer获得1997年诺贝尔化学奖，他的卓越成就是破解了ATP合酶催化的分子机制。膜结合的ATP合酶存在于各种生物中，高度保守。Boyer等研究者应用化学衍生、构象探针、18O交换磷酸、定位突变等创新性实验技术，证明ATP合成是可逆的“结合变构”机制（the binding change mechanism）：质子流能量主要促进酶紧密结合的ATP释放，酶内小亚基旋转驱动强制外周3个β催化亚基依次结合变构。有趣的是A TP合酶是催化伴随亚基旋转的分子水平小机械，荧光蛋白标记A TP合酶的旋转已被实验直接显示证明。
186 第二篇物质代谢及其调节
四、ATP在能量代谢中起核心作用
生物体能量代谢有其明显的特点。其一，细胞内生物大分子体系多通过弱键能的非共价键维系，不能承受能量的大增或大量释放的化学过程，故代谢反应都是依序进行、能量逐步得失。其二，生物体不直接利用营养物质的化学能，需要使之转变为细胞可以利用的能量形式，如ATP的化学能。ATP称之为高能磷酸化合物，可直接为细胞的各种生理活动提供能量，同时也有利于细胞对能量代谢进行严格调控。
所谓高能磷酸化合物是指那些水解时能释放较大自由能的含有磷酸基的化合物，通常其释放的标准自由能△‘大于25 kJ/mol，并将水解时释放能量较多的磷酸醋键，称之为高能磷酸键，用“一P'，符号表示。如水解ATP末端的磷酸酷键，ΔG为一30. 5 kJ/mol（-7. 3 kcal/mol），是高能化合物；水解葡糖一6一磷酸的磷酸醋键，其△‘为一13. 8kJ/mol（-3. 3kca1/mol），即为普通磷酸化合物。事实上，并不存在键能特别高的化学键，相反，共价键的断裂是需要提供能量的，而高能磷酸键水解时释放的能量是高能化合物底物转变为产物时，产物比底物具有更低的自由能，因而释放的能量较多。为了简便起见，仍然称之为高能磷酸键或高能磷酸化合物。此外，生物体内还包括其他的高能磷酸化合物和含有高能硫醋键的CoA等（表8-3）。
（一）ATP是体内能，捕获和释放利用的重要分子
ATP是体内最重要的高能磷酸化合物，是细胞可直接利用的能量形式。因此营养物分解产生的能量大约40%用于产生ATP。ATP的高能磷酸键及相应自由能可被分解或转移，生成ADP，或AMP和PPi。在标准状态下，ATP水解释放的自由能为30. 5kJ/mol (7. 3kcal/mol）。但在活细胞中,ATP,ADP和无机磷浓度比标准状态低得多，而pH比标准状态的pH 7. 0高,ATP和ADP的全部磷酸基都处于解离状态，显示携带4个或3个负电荷的阴离子形式，并与细胞内Mg2+形成复合物，考虑到浓度等各种影响因素，细胞内ATP水解释放自由能可能达到52. 3kJ/mol（12. 5 kcal/mol），可用于驱动与之偶联反应的进行。因此，ATP 在生物能学上最重要的意义在于，通过其水解反应释放大量自由能和需要供能的反应偶联，使这些反应在生理条件下完成。如营养物质分解代谢产生的ATP直接用于各种代谢物的活化反应、合成生物大分子的反应等，通过ATP使分解代谢与合成代谢紧密相连。另外，ATP 还可直接通过水解反应为耗能的跨膜转运、骨骼肌收缩、蛋白构象的改变等重要的生命过程提供能量。
（二）ATP是体内能量转移和磷酸核普化合物相互转变的核心
ATP末端的高能磷酸键直接水解而释能，以驱动那些需要供能的反应，同时也能从释能更多的化合物中获得能量由ADP生成ATP
第八章生物氧化187 细胞中存在的腺昔酸激酶（adenylate kinase）可催化ATP,ADP,AMP间互变。
ATP+AMP一一2ADP
当体内ATP消耗过多（例如骨骼肌剧烈收缩）时，ADP累积，在腺苷酸激酶催化下由ADP转变成ATP被利用。当ATP需要量降低时，AMP从ATP中获得一P生成ADP.
UTP,CTP,GTP可为糖原、磷脂、蛋白质等合成提供能量，但它们一般不能从物质氧化过程中直接生成，只能在核普二磷酸激酶的催化下，从ATP中获得一P产生。反应如下：
ATP+UDP -ADP+UTP
ATP+CDP --ADP+CTP
ATP+GDP -ADP+GTP
生物体内能量的生成、转移和利用都以ATP为中心。ATP分子性质稳定，但寿命仅数分钟，不在细胞中储存，而是不断进行ATP/ADP的再循环，其相互转变的量十分可观，转变过程中伴随自由能的释放和获得，完成不同生命过程间能量的穿梭转换，因此称为“能量货币”。
（三）ATP通过转移自身基团提供能量
因为ATP分子中的高能磷酸键水解释放能量多，易释放Pi , PPi基团，很多酶促反应由ATP通过共价键与底物或酶分子相连，将
ATP分子中的Pi, PPi或者AMP基团转移到
底物或酶蛋白上而形成中间产物，经过化
学转变后再将这些基团水解而形成终产
物。
因此，ATP通过共价键参与酶促反应
并提供能量，而不仅仅是单纯的水解反应。
另
外，ATP也能通过这种基团转移的方式，
将能量有效地转移给底物分子，使其获得
更多的自由能，有利于进行后续的反应。
例如，ATP给葡萄糖提供磷酸基和能量，合成的葡糖一6磷酸容易进入糖酵解或其他代谢
途径
（四）磷酸肌酸是高能键能量的储存形式
ATP充足时，通过转移末端一P给肌酸，生成磷酸肌酸（creative phosphate, CP），储存于需能较多的骨骼肌、心肌和脑组织中。当迅速消耗ATP时，磷酸肌酸可将一P转移给ADP，生成ATP,补充ATP的不足（图8-14)。另外，磷酸烯醇式丙酮酸,1,3一二磷酸甘油酸等高能化合物中的磷酸基也易转移给ADP，迅速合成ATP。所以，ATP在体内能量捕获、转移、储存和利用过程中处于中心位置（图8-15）。
188 第二篇物质代谢及其调节
第三节氧化磷酸化的影响因素
一、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能量载体ATP的最主要的途径，因此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。电子的氧化和ADP的磷酸化是氧化磷酸化的根本，通常线粒体中氧的消耗量是被严格调控的，其消耗量取决于ADP的含量，因此，ADP是调节机体氧化磷酸化速率的主要因素，只有底物ADP和Pi充足时电子传递的速率和耗氧量才会提高。
细胞内ADP的浓度以及ATP/ADP的比值能够迅速感应机体能量状态的变化。当机体蛋白质合成等耗能代谢途径活跃时，对能量的需求大为增加，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，ADP进人线粒体后迅速用于磷酸化，氧化磷酸化随之加速，合成的ATP用于满足需求，直到ATP/ADP的比值回升至正常水平后，氧化磷酸化速率也随之放缓。通过这种方式使ATP的合成速率适应机体的生理需要。另外，ATP和ADP的相对浓度也同时调节柠檬酸循环、糖醉解代谢途径，满足氧化磷酸化对还原当量的需求。ADP的浓度较低时，氧化磷酸化速率降低，也同时通过别构调节的方式抑制糖酵解、降低柠檬酸循环的速率，协调调节产能的相关途径。
二、抑制剂可阻断氧化磷酸化过程
（一）呼吸链抑制剂阻断电子传递过程
此类抑制剂能在特异部位阻断氧化呼吸链中的电子传递。例如，鱼藤酮( rotenone )、粉蝶霉素A (piericidin A )及异戊巴比妥(amobarbital )等可阻断复合体I中从铁硫中心到泛醌的电子传递。萎锈灵（carboxin)是复合体Ⅱ的抑制剂。抗霉素A（antimycin A）阻断Cyt b H到泛醌（QN）间电子传递，黏噻唑菌醇则作用于QP位点，都是复合体Ⅲ的抑制剂。
CN-,N3一可紧密结合复合体Ⅳ中氧化型Cyt a3，阻断电子由Cyt a到Cu B-Cyt a3间传递。CO与还原型Cyt a3结合，阻断电子传递给O2 。目前发生的城市火灾事故中，由于装饰材料中的N和C经高温可形成HCN，因此伤员除因燃烧不完全造成CO中毒外，还存在CN 一中毒。此类抑制剂可使细胞内呼吸停止，与此相关的细胞生命活动停止，迅速引起死亡（图8-11）。
（二）解偶联剂阻断ADP的磷酸化过程
解偶联剂（uncoupler）可使氧化与磷酸化的偶联脱离，电子可沿呼吸链正常传递并建立跨内膜的质子电化学梯度储存能量，但不能使ADP磷酸化合成ATP。作用的基本机制是使质子不经过ATP合酶回流至基质来驱动ATP的合成，而是经过其他途径进入基质，因而ATP的生成受到抑制。如二硝基苯酚（dinitrophenol, DNP )为脂溶性物质，在线粒体内膜中可自由移动，进人基质时释出H+，返回膜间腔侧时结合H+，从而破坏了质子的电化学梯度。
机体也存在内源性的解偶联剂能使组织产热，如人（尤其是新生儿）、哺乳类动物中存在棕色脂肪组织，该组织中含有大量的线粒体，因而细胞色素蛋白明显增多，大量血红素的强吸光能力而使其带有颜色。棕色脂肪组织的线粒体内膜中存在一种特别的蛋白，称解偶联蛋白（un-coupling protein, UCPl），含量丰富。它是由2个32kDa亚基组成的二聚体，在线粒体内膜上形成质子通道，内膜膜间腔侧的H＋可经此通道返回线粒体基质，使氧化磷酸化解偶联不生成ATP，质子梯度储存的能量以热能形式释放，因此棕色脂肪组织是产热御寒组织。新生儿硬肿症是因为缺乏棕色脂肪组织，不能维持正常体温而使皮下脂肪凝固所致。现已发现在骨骼肌等组织的线粒体中存在UCPl的同源蛋白UCP2,UCP3，但无解偶联作用，它们在禁食条件下表达增加，可能有其他的功能。体内游离脂肪酸也可促进质子经解偶联蛋白回流至线粒体基质中。
第八章生物氧化189 （三）ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成
这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素（oligomycin）可结合F o单位，二环己基碳二亚胺（dicyclohexyl carlodiimide.;DCCP)共价结合F o的c亚基谷氨酸残基，二者均阻断质子从F0质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。各种抑制剂对离体线粒体耗氧的影响见图8-16。
三、甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热
机体的甲状腺激素诱导细胞膜上Na'，K+-ATP酶的生成，使ATP加速分解为ADP和Pi，ADP增多促进氧化磷酸化。而且甲状腺激素（T3）可诱导解偶联蛋白基因表达，引起物质氧化释能和产热比率均增加，ATP合成减少，导致机体耗氧量和产热同时增加，所以甲状腺功能亢进症患者基础代谢率增高。
四、线粒体DNA突变可影响氧化磷酸化功能
线粒体DNA(mtDNA）呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，容易受到损伤而发生突变，其突变率远高于核内的基因组DNA,,
线粒体DNA包含37个基因，用于表达呼吸链复合体中13个亚基以及线粒体内22个tRNA和2个rRNA。复合体I中的7个亚基、复合体Ⅲ中的1个亚基、复合体Ⅳ中的3个亚基以及ATP合酶的2个亚基均由mtDNA表达产生。因此mtDNA突变可直接影响电子的传递过程或ADP的磷酸化，使ATP生成减少而致能量代谢紊乱，进而引起疾病。mtDNA突变部位、突变的程度和各器官对ATP的需求不同，会产生不同的疾病，但功能障碍首先出现在耗能较多的组织，如脑组织。随着年龄的增长，如果mtDNA突变严重累积，可导致帕金森病、老年性痴呆症等退行性疾病的发生。
遗传性mtDNA疾病以母系遗传居多，因每个卵细胞中有几十万个mtDNA分子，每个精子中只有几百个mtDNA分子，受精卵mtDNA主要来自卵细胞，因此，卵细胞mtDNA突变对疾病的发生影响较大。
190 第二篇物质代谢及其调节
五、线粒体的内膜选择性协调转运氧化磷酸化相关代谢物
线粒体基质与胞质之间有线粒体内、外膜相隔，外膜对物质的通透性高、选择性低，线粒体内膜含有与代谢物转运相关的转运蛋白体系，对各种物质进行选择性转运，维持组分间的平衡，以保证生物氧化和基质内旺盛的物质代谢过程能够顺利进行（表8-4）。
（一）饱质中的NADH通过穿梭机制进入线粒体的氧化呼吸链
生物氧化的脱氢反应可发生在细胞的胞质或线粒体基质中，在线粒体内生成的NADH 可直接进人氧化呼吸链进行电子传递。但NADH不能自由穿过线粒体内膜，在胞质中经糖酵解等生成的NADH需通过穿梭机制进人线粒体的呼吸链才能进行氧化。
1. a-磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中如图8-17所示，胞质中的NADH+H＋在磷酸甘油脱氢酶催化下，将2H传递给磷酸二经丙酮，使其还原成a一磷酸甘油，后者通过线粒体外膜，到达线粒体内膜的膜间腔侧。在线粒体内膜的膜间腔侧结合着磷酸甘油脱氢酶的同工酶，此酶含FAD辅基，接受α一磷酸甘油的还原当量生成FADH2和磷酸二经丙酮。FADH2直接将2H传递给泛醌进人氧化呼吸链（图8-17）。需要指出的是，此机制是FADH2将NADH携带的一对电子从内膜的膜间腔侧直接传递给泛酿进行氧化磷酸化，因此，1分子的NADH经此穿梭能产生1．5分子ATP.
第八章生物氧化191
2.苹果酸一天冬氮酸穿梭主要存在于肝和心肌中该穿梭在肝、肾及心肌细胞中极为活跃，涉及2种内膜转运蛋白和2种酶协同参与。胞质中的NADH+H+使草酞乙酸还原生成苹果酸，苹果酸经过线粒体内膜上的苹果酸一α一酮戊二酸转运蛋白进人线粒体基质后重新生成草酞乙酸和NADH+H＋。基质中的草酞乙酸转变为天冬氨酸后经线粒体内膜上的天冬氨酸－谷氨酸转运蛋白重新回到胞质，进人基质的NADH+H＋则通过NADH氧化呼吸链进行氧化，并产生2.5分子ATP（图8-18）。两种穿梭进人呼吸链方式不同，使胞质中NADH+H 十生成不同量的ATP分子。
（二）ATP-ADP转位酶协调转运ADP进入和ATP移出线粒体
电子传递产生的跨膜质子梯度主要用于驱动ATP的合成，同时也驱动内膜上的转运蛋白用于转运氧化磷酸化的相关组分，包括腺苷酸转运蛋白、磷酸盐转运蛋白。
腺苷酸转运蛋白即为ATP-ADP转位酶（ATP-ADP translocase )，又称腺苷酸移位酶，富含于线粒体内膜，可占内膜蛋白总量的14%。它是由2个30kDa的亚基组成的二聚体，形成跨膜蛋白通道，将膜间腔的ADP3-（在细胞pH中,ADP呈解离状态）转运至线粒体基质中，同时从基质转运出ATP4-，使经内膜的ADP3-进人和ATP4-移出紧密偶联，维持线粒体内外腺昔酸水平基本平衡。每分子ATP4-和ADP3-反向转运时，实际向膜间腔净转移1个负电荷，而膜间腔的高正电性有利于ATP的泵出。此时，跨膜质子梯度的能量也驱动膜间腔的H+和H2PO42-经磷酸盐转运蛋白同向转运到线粒体基质中（图8-19）。因此每分子ATP在线粒体基质中生成并转运到胞质共需4个H+回流进人线粒体基质中。
心肌和骨骼肌等耗能多的组织中线粒体膜间腔中存在一种肌酸激酶同工酶，它催化经ATP-ADP转位酶运到膜间腔中的ATP与肌酸之间一P转移，生成的磷酸肌酸经线粒体外膜中的孔蛋白进人胞质中，在细胞需能部位由相应的肌酸激酶同工酶催化，将一P转移给ADP 生成ATP，供细胞利用。因此，线粒体内膜的选择性协调转运，对于氧化磷酸化的正常运转至关重要。
192 第二篇物质代谢及其调节
第四节其他氧化与抗氧化体系
一、线粒体氧化呼吸链也可产生活性氧
O2得到单个电子产生超氧阴离子（’O2-），超氧阴离子部分再接受单个电子还原生成过氧化氢H2O2，H2O2可再接受单个电子还原生成经自由基(-OH).这些未被完全还原的氧分子，其氧化性远大于O2，合称为反应活性氧类（reactive oxygen species，ROS)。
线粒体的呼吸链是机体产生ROS的主要部位，呼吸链的各复合体在传递电子的过程，由于将漏出的电子直接交给氧，产生部分被还原的氧，所以得到R璐这样的“副产物”，特别是’飞的产生主要源自呼吸链。复合体uI中通过Q循环传递电子，接受单电子的半酪型泛醒QH’在内膜中自由移动，通过非酶促反应直接将单个电子泄漏给02而生成’认。呼吸链末端的细胞色素氧化酶从金属离子每次转移1个电子、通过4步单电子转移将氧彻底还原生成水，也会有少量氧接受单电子或双电子被部分还原而生成’O2-和H202 。而且产生的‘伏在线粒体中可再接受电子转变为H2O2和'OH。
除呼吸链外，胞质中的黄嚓吟氧化酶、微粒体中的细胞色素P450氧化还原酶等催化的反应，需要氧为底物，也可产生’O三。细胞过氧化酶体中，FAD将从脂肪酸等底物获得的电子交给认可生成H2 02和经自由基’OH.但这些酶产生的ROS远低于线粒体呼吸链。另外，细菌感染、组织缺氧等病理过程，电离辐射、吸烟、药物等外源因素也可导致细胞产生大量的活性氧类。’呼吸链产生的‘仇等活性氧分子可通过不同方式释放到线粒体基质、内膜外的胞质侧以及细胞胞质中，对细胞的功能产生广泛的影响。
活性氧类化学性质非常活泼，氧化性强，其中经自由基的氧化活性最强。’O2-可迅速氧化一氧化氮（NO）产生过氧亚硝酸盐（ONO-，也属于ROS），后者能使脂质氧化、蛋白质硝基化而损伤
第八章生物氧化193 细胞膜和膜蛋白。经自由基等可直接引起蛋白质、核酸等各种生物分子的氧化损伤而丧
失功能，进而破坏细胞的正常结构和功能。线粒体是细胞产生ROS的主要部位，因此线
粒体DNA,基质中代谢途径的酶等最容易受其攻击而损伤或突变，对能量代谢旺盛的组织
如脑、心肌、肝、肾等影响极大，导致疾病、衰老。如线粒体基质中的顺乌头酸酶，其
铁硫中心易被’0三氧化而丧失功能，直接影响柠檬酸循环的功能。线粒体一方面通过
消耗氧用于合成ATP供能，另一方面也会产生活性氧类而损伤自身及细胞等。生物进化
已使机体发展了有效的抗氧化体系及时清除活性氧，防止其累积造成有害影响。
二、抗氧化酶体系有清除反应活性氧的功能
正常机体存在的各种抗氧化酶、小分子抗氧化剂等，形成了重要的防御体系以对抗
活性氧的损害。
广泛分布的超氧化物歧化酶（superoxide disrnutase，SOD)，可催化1分子O2—氧化生
成Oz，另一分子O2—还原生成H202，2个相同的底物歧化产生了2个不同的产物：
2 '0三+2H+-u-oH202+02
哺乳动物细胞有3种SOD同工酶，在细胞外、胞质中的SOD，其活性中心含Cu/Zn离子，称Cu/Zn-SOD；线粒体中的SOD活性中心含Mn 2+，称Mn-SOD。SOD是人体防御内、外环境中超氧离子损伤的重要酶。Cu/Zn-SOD基因缺陷使’优不能及时清除而损伤神经元，可引起肌萎缩性侧索硬化症。
生成的H202可被过氧化氢酶（catalase）分解为H20和OZ。过氧化氢酶主要存在于过氧化酶体、胞质及微粒体中，含有4个血红素辅基，催化活性极强，每秒种可催化超过40000底物分子转变为产物。其催化反应如下：
2H2O2一一-2H2O+O2
H201也有一定的生理作用，如在粒细胞和吞噬细胞中,H202可氧化杀死人侵的细菌；甲状腺细胞中产生的HZ OZ可使21一氧化为IZ，进而使酪氨酸碘化生成甲状腺激素。
谷脱甘肤过氧化物酶（glutathione peroxidase, GPx）也是体内防止活性氧损伤的主
要酶，可去除H202和其他过氧化物类（ROOH) o .'6ft甘肤过氧化物酶含硒（Se）代半胧
氨酸残基（由Se原子取代半胧氨酸中的S原子），是活性必需基团。在细胞胞质、线粒体
以及过氧化酶体中，谷脱甘肤过氧化物酶通过还原型的谷肮甘肤将H202还原为H20，将ROOH类转变醇，同时产生氧化型的谷脱甘肤。它催化的反应如下：
H202+2GSH -2H20+GS-SG
2GSH+ROOH --)GS-SG+H2O+ROH
氧化型GS-SG经谷脱甘肤还原酶催化，由NADPH+H+提供2H，再转变成还原型谷脱
甘肤GSH。还原型的GSH也可发挥抗氧化作用，抵抗活性氧对蛋白质中琉基一SH的氧化。
体内其他小分子自由基清除剂有维生素C、维生素E、p一胡萝卜素、泛醒等，它们
与体内的抗氧化酶共同组成人体抗氧化体系。
三、微粒体细胞色素P450单加氧酶催化底物分子羟基化
人微粒体细胞色素P4.单加氧酶（cytochrome P仰monooxygenase）催化氧分子中的一
个氧原子加到底物分子上（经化），另一个氧原子被氮（来自底物NADPH+H'）还原成水，故又称混合功能氧化酶（mixed function oxidase) Ag化酶（hydroxylase）。参与类固醉激素、胆汁酸及胆色素等的生成以及药物、毒物的生物转化过程（见第十一章），其反应
式如下：
194 第二篇物质代谢及其调节
RH+NADPH+H＋+O2→ROH+NADP＋+H2O
此酶是含量最丰富、反应最复杂的单加氧酶类，含细胞色素P450（cytochrome Pa,，Cyt Pm）。CYt Paso属于Cyt b类，通过辅酶血红素中Fe离子价键变化进行单电子传递。还原型Cyt踢与CO结合后在波长450nm处出现最大吸收峰。细胞色素瑞在生物中广泛分布，哺乳类动物Cyt代，分属10个基因家族。人细胞色素P450有几百种同工酶，对被经化的底物各有其特异性。此酶在肝和肾上腺的微粒体中含量最多，某些组织的线粒体内膜上也存在单加氧酶。
单加氧酶催化反应过程如下：NADPH首先将电子交给黄素蛋白；黄素蛋白再将电子递给以Fe-S为辅基的铁氧还蛋白；与底物结合的氧化型Cyt P,M接受铁氧还蛋白的1个e一后，转变成还原型Cyt P.，与O2结合形成RH·Pa50 " Fe2+·O2；CYt P,O铁叶琳中Fe2+将电子交给O2形成RH·P.·Fe''·O2-；再接受铁氧还蛋白的第2个e，使氧活化（O2-）。此时1个氧原子使底物(RH）经化（ROH），另1个氧原子与来自NADPH的质子结合生成H20（图8-20）。
小结
糖、脂肪、蛋白质等营养物在体内经氛化分解生成CO2和H20的过程中释放能量，其中相当一部分能t用于驱动ADP磷酸化生成A TP。ATP是能被体内各种代谢过程直接利用的主要能量形式，是机体能量代谢的核心。其余的能量主要以热能形式释放，用于维持体温等。营养物质等在生物体内进行的氧化即生物氧化。
生物氧化的方式有加氧、脱氮、失电子等。氧化过程需在一系列醉催化下逐步进行，氧化时产生的能量逐步释放，有利于机体捕获能t。
生物氧化中常见的脱氢反应是经过醉促反应将氢传递给中间代谢物（如NAD十FAD），产生的NADH+H十和FADHZ将氮传递给氛而被筑化。NADH和FADH：作为还原性的电子载体，所携带的氢在线粒体内膜被氧化，其过程是电子经一系列筑化还原组分逐步传递给氧、氢质子再与氧结合生成水，此过程伴随着能t的释放，用于驱动ADP磷欲化生成ATP,
第八章 生物氧化
第5单元生物氧化 （一）名词解释 1.呼吸链； 2.氧化磷酸化作用； 3.磷氧比值（P／O）； 4. 底物水平磷酸化； 5. 解偶联剂； 6. 化学渗透学说 （二）填空 1.生物分子的E0＇值小，则电负性，供出电子的倾向。 2.P／O值是指，NADH的P／O值是＿＿，还原性维生素C的P／O值是，在DNP(2,4-二硝基苯酚)存在的情况下，氧化分解琥珀酸的P／O值是＿＿。 3.在呼吸链中，氢或电子从氧还电势的载体依次向氧还电势的载体传递。 4.化学渗透学说认为：呼吸链组分定位于内膜上，其递氢体有泵作用，因而造成内膜两侧的差，同时被膜上合成酶所利用，促使ADP + Pi → ATP。（三）选择题（在备选答案中选出1个或多个正确答案） 1.生物氧化的反应类型不包括下列哪种反应？ A.脱氢反应 B.失电子反应 C.羟化反应 D.脱羧反应 E.加水脱氢反应 2.如果质子不经过F1/F0-ATP合成酶回到线粒体基质，则会发生 A.氧化 B.还原 C.解偶联 D.紧密偶联 E.主动运输 3.有关呼吸链的正确叙述是 A.两类呼吸链都由四种酶的复合体组成 B. 电子传递体同时兼有传氢体的功能 C.传氢体同时兼有传递电子的功能 D.抑制细胞色素aa3，则呼吸链各组分都呈氧化态 E.呼吸链组分通常按E0大到小的顺序排列 4.下述哪种物质专一性地抑制F0因子： A.鱼藤酮 B.抗霉素A C.2,4-二硝基酚 D.缬氨霉素 E.寡霉素 5.下列关于化学渗透学说的叙述哪一条是不对的 A.各递氢体和递电子体都有质子泵的作用 B.呼吸链各组分按特定的位置排列在线粒体内膜上 C.H+返回膜内时可以推动ATP酶合成ATP D.线粒体内膜外侧H+不能自由返回膜内 E.ATP酶可以使膜外侧H+返回膜内侧 6.呼吸链的各细胞色素在电子传递中的排列顺序是（福建师范大学1999年考研题） A.c1→b→c→aa3→O2 B.c→c1→b→aa3→O2； C.c1→c→b→aa3→O2； D.b→c1→c→aa3→O2； E.b→c→c1→aa3→O2 （四）是非题 1.生物氧化只有在氧气存在的条件下才能进行。 2.NADH脱氢酶是以NAD+为辅酶的脱氢酶的总称。 3.代谢物脱下的2摩尔氢原子经呼吸链氧化成水时，所释放的能量都储存于高能化合物中。 4.寡霉素专一地抑制线粒体F1F0-ATPase的F0，从而抑制ATP的合成。 （五）分析与计算题 1.什么叫呼吸链？它由哪些组分组成？有哪些方法可用来确定电子传递顺序？ 2.为什么在通气条件下生产等量的酵母菌体所消耗的葡萄糖量明显低于静置培养？ 参考答案
生物化学重点_第八章 生物氧化和能量转换教学提纲
第八章生物氧化和能量转换 一、生物氧化的概念和特点： 生物氧化（biological oxidation）是指细胞内的糖、蛋白质和脂肪进行氧化分解而生成CO2和H2O，并释放能量的过程。生物氧化在细胞内进行的；在常温、常压、近于中性及有水环境中进行的；反应逐步释放出能量，相当一部分能量以高能磷酸酯键的形式储存起来。 二、线粒体氧化呼吸链： 生物氧化过程中，从代谢物上脱下的氢由一系列传递体依次传递，最后与氧形成水的整个体系称为呼吸链。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。主要的复合体有： 1．复合体Ⅰ（NADH-泛醌还原酶）：其作用是将（NADH+H+）传递给CoQ。2．复合体Ⅱ（琥珀酸-泛醌还原酶）：其作用是将FADH2传递给CoQ。 3．复合体Ⅲ（泛醌-细胞色素c还原酶）：其作用是将电子由泛醌传递给Cytc。4．复合体Ⅳ（细胞色素c氧化酶）：其作用是将电子由Cytc传递给氧。 三、呼吸链成分的排列顺序： 由上述递氢体或递电子体组成了NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链两条呼吸链。 1．NADH氧化呼吸链：其递氢体或递电子体的排列顺序为：NA DH→ FMN→CoQ→b→ c1 → c →aa3 →1/2O2 。丙酮酸、α-酮戊二酸、异柠檬酸、苹果酸、β-羟丁酸、β-羟脂酰CoA脱氢后经此呼吸链递氢。 2．琥珀酸氧化呼吸链：其递氢体或递电子体的排列顺序为：FAD→CoQ→b→ c1 → c →aa3 →1/2O2 。琥珀酸和脂酰CoA脱氢后经此呼吸链递氢。 四、生物体内能量生成的方式： 1．氧化磷酸化：在线粒体中，底物分子脱下的氢原子经递氢体系传递给氧，在此过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP，这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化。
第八章 生物氧化 课外练习题
第八章生物氧化课外练习题 一、名词解释 1、生物氧化：指发生在线粒体内的一系列传递氢和电子的氧化还原反应，有机物质被氧化，生成二氧化碳和水，并逐步放出能量的过程。 2、呼吸链：呼吸代谢中间产物的电子和质子，沿着一系列有顺序的排列在线粒体内膜上的电子传递体组成的电子传递途径，传递到分子氧的总过程。 3、氧化磷酸化：代谢物氧化脱氢经呼吸链传递给氧生成水的同时，释放的能 量使ADP磷酸化生成ATP，由于是代谢物的氧化反应与ADP的磷酸化反应偶 联发生，因此称为氧化磷酸化。 二、符号辨识 1、Fe-S：铁硫蛋白； 2、CoQ：辅酶Q； 3、Cyt：细胞色素体系 三、填空 1、生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为（呼吸）作用。有两种类型的氧化体系，即（线粒体）氧化体系和（非线粒体）氧化体系。 2、生物氧化的方式有（脱氢）氧化、（加氧）氧化和（脱羧）氧化三种。 3、呼吸链的组成成分包括脱氢酶的辅酶（NAD+）和（NADP+）、黄素蛋白 的辅基（FMN）和（FAD）以及（Fe-S）蛋白、（泛醌）和（细胞色素）体系。 4、呼吸链的氢传递体既传递质子也传递电子，其类型有（NAD+）、 （NADP+）、（FMN）、（FAD）和（UQ）。 5、呼吸链的电子传递体只传递电子，包括（细胞色素）体系、某些（黄素）蛋白和（铁硫）蛋白。 6、泛醌又称为（辅酶Q），广泛存在于动物和细菌的线粒体中。它是电子传递链中唯一的（非蛋白）电子载体，是一种（脂）溶性醌类化合物。 7、主要的两条呼吸链途径为（NADH）氧化呼吸链和（FADH2）氧化呼吸链，与氧化磷酸化偶联可分别产生（3）分子和（2）分子ATP。 8、ATP酶，由两个主要单元构成，（F0）起质子通道作用，（F1）起催化合 成ATP的作用。 9、氧化磷酸化的机制可用Mitchell的（化学渗透）假说予以解释。 10、氧化磷酸化的抑制包括（电子传递）抑制、（解偶联剂）抑制、（ATP酶）的失活以及（离子载体）的影响。 11、细胞的（微粒）体和（过氧化物酶）体中也发现有氧分子直接参与的生物 氧化体系。它们的共同点是（耗氧）量少，没有（ATP）的生成，但与体内许 多重要的生理活性物质，如类固醇激素、维生素D、胆汁酸等的生物合成以及 药物和毒物在体内的生物转化有关。
实验六 生物氧化与电子传递
实验六生物氧化与电子传递（3学时） 一实验目的与要求 1. 掌握电子在电子传递链中的传递过程； 2. 了解体外实验中研究电子传递链的方法。 二实验原理 生物氧化过程中代谢物脱下的氢由NAD+ 或FAD接受生成还原型NADH或FADH2，再经一系列电子传递体传递，最后与氧结合生成水。这些存在于线粒体内膜上的氧化还原酶及其辅酶依次排列，顺序地起传递电子或电子和质子的作用，称为电子传递链或呼吸链。 在体内，代谢中间产物琥珀酸在线粒体琥珀酸脱氢酶（辅酶FAD）的作用下脱氢氧化生成延胡索酸，脱下的氢使FAD还原成FADH2，再经电子传递链传递，即FADH2→Q→细胞色素（b→c1→c→aa3），最后与氧结合生成水。 在体外实验中，组织细胞生物氧化生成琥珀酸的量可采用在琥珀酸脱氢时伴有颜色变化的化合物作氢受体来研究。 本实验以2，6-二氯酚锭酚（DPI）为氢受体，蓝色的DPI从还原型黄素蛋白（FADH2）接受电子，生成无色的还原型DPI·2H，蓝色消失，其反应过程如下： 琥珀酸+FAD→延胡索酸+ FADH2 DPI（蓝色）+ FADH2→DPI·2H（无色）+FAD 根据褪色时间可测定生物氧化过程中各代谢物与琥珀酸之间在代谢途径中的距离。三、试剂及材料 磷酸钾缓冲溶液（PBS，50mmol/L，pH7.4）：0.2mol/L磷酸二氢钾溶液500ml和0.2mol/L 氢氧化钠溶液395ml混合加水至2000ml。 猪心，2，6-二氯酚锭酚（1.5mmol/LPBS），葡萄糖溶液（90mmol/LPBS），琥珀酸溶液（90mmol/LPBS），乳酸溶液（90mmol/LPBS），NAD+（5mmol/L磷酸盐缓冲溶液）。 四、仪器设备 绞肉机，纱布，细砂，研钵，冰浴，恒温水浴。 五、操作方法 1. 心肌提取液的制备 称取绞碎的心肌糜3g，置250ml烧杯中，加冰冷的去离子水200ml，搅拌1min，静置1min，小心倾去水层，同法洗涤3次后，以细纱布过滤并轻轻挤压除去过多液体。将肉糜转移至冰冷的研钵中，加等量细砂和PBS5ml，在冰浴中研磨至糊状，再加PBS15ml，抽提（至少5min），双层纱布过滤，滤液收集于试管，置冰浴中备用。 2. 底物的氧化 取6支试管编号，按下表依次加入各试剂（单位ml） 管号 1 2 3 4 5 6 DPI 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 葡萄糖溶液0.5 0.5 ———— 琥珀酸溶液——0.5 0.5 —— 乳酸溶液————0.5 0.5 NAD+0.5 —0.5 —0.5 — 将试管摇匀后于37℃中保温5min，加已经37℃水浴预保温5分钟的心肌提取液各1ml，混匀并继续保温。 3. 观察 观察各管颜色变化，记录各管褪色时间，30min不褪色者记为不褪色。分析实验结果所
第八章 生物氧化
第八章生物氧化 一、内容提要 生物氧化是指糖、脂肪、蛋白质等供能物质在生物细胞中彻底氧化分解为CO2和H2O 并逐步释放能量的过程。 CO2的生成方式为有机酸脱羧。脱羧反应根据其发生在α碳原子及β碳原子，分为α脱羧和β脱羧。有的脱羧反应涉及氧化，因此脱羧反应又可分为不伴氧化的单纯脱羧和伴氧化的氧化脱羧。 线粒体内膜存在多种具有氧化还原功能的酶和辅酶，排列组成呼吸链。细胞的线粒体中，代谢物脱下的2H以质子和电子形式通过呼吸链逐步传递给O2生成H2O。从细胞内膜分离得到四种功能的呼吸链复合体：NADH-泛醌还原酶（复合体Ⅰ）、琥珀酸-泛醌还原酶（复合体Ⅱ）、泛醌-细胞色素C还原酶（复合体Ⅲ）和细胞色素C氧化酶（复合体Ⅳ）。CoQ、Cytc不包含在这些复合体中。体内存在两条呼吸链，即NADH氧化呼吸链及琥珀酸氧化呼吸链。 ATP的生成方式有两种：底物水平磷酸化和氧化磷酸化，以氧化磷酸化为主。氧化磷酸化是呼吸链电子传递过程中产生的能量，使ADP磷酸化生产ATP的过程。实验结果表明，每2H经NADH氧化呼吸链传递可产生约2．5个ATP，经琥珀酸氧化呼吸链传递可产生约1．5个ATP。氧化磷酸化受到甲状腺素和ADP/ATP比值的调节，同时易受呼吸链抑制剂、解偶联剂和ATP合酶抑制剂等抑制。底物水平磷酸化是代谢物分子中能量直接转移给ADP生成ATP的过程。 除ATP外还存在其它高能化合物，但生物体内能量的生成、转化、储存和利用都是以ATP为中心。在肌肉和脑组织中，磷酸肌酸可作为ATP的能量储存形式。 胞质中物质代谢生成的NADH不能直接进入线粒体，必须通过α-磷酸甘油和苹果酸-天冬氨酸两种穿梭机制进入线粒体进行氧化。 生物氧化过程中有时会生成反应活性氧类，他们具有强氧化性，对细胞有损伤作用。微粒体中的氧化酶类可以将某些底物分子羟基化，增强其极性，便于从体内排出；过氧化物酶体中的氧化酶类和超氧化物歧化酶对反应活性氧类具有一定的清除作用。 二、学习要求 （一）概述 掌握生物氧化的概念、方式及特点；熟悉生物氧化过程中CO2的生成方式，脱羧反
第八章生物氧化
问题1 10 分保存 体内CO2来自： A. 有机酸的脱羧 B. 真脂分解 C. 呼吸链的氧化还原过程 D. 糖原的分解 E. 碳原子被氧原子氧化 问题2 10 分保存 线粒体氧化磷酸化解偶联是意味着： A. 线粒体三羧酸循环停止 B. 线粒体氧化作用停止 C. 线粒体能利用氧，但不能生成ATP D. 线粒体膜的钝化变性 E. 线粒体膜ATP酶被抑制 问题3 10 分保存 劳动或运动时ATP因消耗而大量减少，此时： A. ADP大量磷酸化以维持A TP/ADP不变 B. ADP大量减少，ATP/ADP增高，呼吸随之加快 C. 以上都不对 D. ADP相应增加，A TP/ADP下降，呼吸随之加快 E. ADP相应减少，以维持ATP/ADP恢复正常 问题4 10 分保存 人体活动主要的直接供能物质是： A. ATP B. 脂肪酸 C. GTP D. 磷酸肌酸 E. 葡萄糖 问题5 10 分保存 氰化物中毒时，被抑制的是： A. Cyt b B. Cyt C C. Cyt a D. Cyt aa3 E. Cyt C1 问题6 10 分保存 肝细胞胞液中的NADH进入线粒体的机制是： A. 柠檬酸-丙酮酸循环 B. 肉碱穿梭
C. 苹果酸-天冬氨酸穿梭 D. α-磷酸甘油穿梭 E. 丙氨酸-葡萄糖循环 问题7 10 分保存 在胞质中进行的与生成能量有关的代谢途径是 A. 糖酵解 B. 氧化磷酸化 C. 三羧酸循环 D. 脂肪酸氧化 E. 电子传递 问题8 10 分保存 体内ATP生成的主要方式是 A. 肌酸磷酸化 B. 底物水平磷酸化 C. 糖原磷酸化 D. 有机磷酸化 E. 氧化磷酸化 问题9 10 分保存 下列哪个物质不是琥珀酸呼吸链的组分 A. Cytaa3 B. CoQ C. NAD+ D. Cyt b E. FAD 问题10 10 分保存 脂溶性的递氢体是 A. NAD+ B. Fe-S C. FAD D. CoQ E. FMN 问题11 10 分保存 下列能显著促进氧化磷酸化的物质是 A. ATP B. ADP C. 维生素C D. CoASH E. 琥珀酸
第八章 生物氧化
第八章生物氧化 一、名词解释 1、生物氧化 2、呼吸链 3、氧化磷酸化 4、磷氧比P/O 5、底物水平磷酸化 6、化学渗透学说 二、填空题 1、生物氧化是在细胞中彻底氧化分解生成，同时产生_________的过程。 2、生物体内A TP生成的方式包括和两种，其中以为主。 3、生物氧化中产生的CO2的生成不是碳与氧的直接结合，而是由有机物氧化成，经脱羧而产生的。生物体中的脱羧方式有两种：和。 4、真核细胞生物氧化的主要场所是，呼吸链和氧化磷酸化偶联因子都定位于。原核生物的呼吸链位于。 5、典型的呼吸链包括和两种，这是根据接受代谢物脱下的氢的不同而区别的。 6、反应的自由能变化用________表示，标准自由能变化用_________表示，生物化学中pH 7.0时的标准自由能变化则表示为_________。 7、NADH呼吸链中氧化磷酸化的偶联部位是、和。 8、在呼吸链中，氢或电子从氧化还原电位的载体依次向化还原电位的载体传递。 9、以NADH为辅酶的脱H酶类主要参与的作用，即参与从到电子传递；以NADPH为辅酶的脱H酶类，主要是将分解代谢中间产物上的转移到反应中需要电子的中间产物上。 10、P/O值是指。NADH的P/O值是，FADH2的P/O值是。 11、在无氧条件下，呼吸链各传递体都处于_________状态。 12、呼吸链中唯一的一个小分子的物质是_________，又称为。它在呼吸链中的作用是。 13、细胞色素是一类以为辅基的蛋白质，在呼吸链中的功能是：。在典型的线粒体呼吸链中的细胞色素有几种，其顺序是：。 14、线粒体呼吸链中电位跨度最大的一步是在_________。 15、鱼藤酮，抗霉素A，CNˉ、N3ˉ、CO，的抑制作用分别是_________，_________，和_________。 16、线粒体内膜外侧的α-磷酸甘油脱氢酶的辅酶是_________；而线粒体内膜内侧的α-磷酸甘油脱氢酶的辅酶是_________。 17、在肝脏和心肌等组织中，胞液中的NADH在酶的催化下使草酰乙酸还原成，NADH变为NAD+，进入线粒体，并受线粒体中的酶作用使NAD+还原成NADH，然后进入呼吸链，生成的草酰乙酸需转化成才能逸出线粒体。 18、解释氧化磷酸化作用机制被公认的学说是，它是英国生物化学家_________于1961年首先提出的。此学说认为：呼吸链组分定位于内膜上，其递氢体有泵作用，因而造成内膜两侧的差，同时被膜上的酶所利用，促使ADP磷酸化生成A TP。 19、ATP合成酶位于内膜上，主要由和组成。前者是向内膜间质一侧形成的球状突起，功能是。后者镶嵌在内膜中，形成。 20、细胞色素aa3辅基中的铁原子有_________结合配位键，它还保留_________游离配
第八章生物氧化
第八章生物氧化 一、填空题： 1．电子传递链在原核细胞中存在于上，在真核细胞中存在于上。 2．鱼藤酮能阻断电子由向的传递，利用这种毒性作用，可作为重要的。 3．在动物体中形成ATP 的方式有和，但在绿色植物中还能进行。 4．电子传递链上的电子传递是一种反应，而ATP的合成过程则是一种反应。 5．电子传递链上电子传递与氧化磷酸化之间的偶联部位是之间，之间，______________之间。 6．解释氧化磷酸化作用机制被公认的学说是，是英国生物化学家于1961年首先提出的。 7．典型的呼吸链包括和两种，这是根据接受代谢物脱下的氢的不同而区分的。 8．动物体内高能磷酸化合物的生成方式有和两种。 9．NADH呼吸链中氧化磷酸化发生的部位是在之间；之间；之间。 10．磷酸甘油与苹果酸经穿梭后进入呼吸链氧化，其P/O比分别为和。11．线粒体内膜外侧的α-磷酸甘油脱氢酶的辅酶是；而线粒体内膜内侧的α-磷酸甘油脱氢酶的辅酶是。
12．用特殊的抑制剂可将呼吸链分成许多单个反应，这是一种研究氧化磷酸化中间步骤的有效方法，常用的抑制剂及作用如下： ①鱼藤酮抑制电子由向的传递。 ②抗霉素A抑制电子由向的传递。 ③氰化物、CO抑制电子由向的传递。 13、在生物氧化过程中，四种常用的氢载体为：_________、 _________、、。 二、选择题(只有一个最佳答案)： 2．下列化合物中不是电子传递链成员的是( ) ①CoQ ②Cytb ③CoA ④NAD+ 4．不属于电子传递抑制剂的是( ) ①一氧化碳②抗霉素③2，4-二硝基苯酚④氰化物 5．属于解偶联剂的是( ) ①2,4-二硝基苯酚②硫化氢③叠氮化合物④抗霉素A 8．电子传递链上的未端氧化酶是( ) ①NADH脱氢酶②琥珀酸脱氢酶③细胞色素b ④细胞色素a3 10．关于电子传递链的下列叙述中哪个是不正确的？（） ①线粒体内有NADH+H+呼吸链和FADH2呼吸链。 ②电子从NADH传递到氧的过程中有3个ATP生成。 ③呼吸链上的递氢体和递电子体完全按其标准氧化还原电位从低到高排列。 ④线粒体呼吸链是生物体唯一的电子传递体系。 11．一氧化碳中毒是由于抑制了哪种细胞色素？（） ①Cytc ②Cytb ③Cytc ④Cyt aa3 12．各种细胞色素在呼吸链中的排列顺序是：（）
第八章 生物氧化
授课时间：2008.3-2008.7,每周4学时,共18周 授课方式：理论讲授 第八章生物氧化（4学时） 【说明】本章系营养物质分解氧化产生能量的共同途径，也是其它物质代谢的预备知识。 重点掌握：生物氧化的特点、生物氧化的概念；生物氧化中水的生成方式、呼吸链的组成、排列顺序、呼吸链的抑制作用、线粒体的穿梭机制；高能化合物及高能键、ATP的生成方式、底物磷酸化与氧化磷酸化、P/O 比值、偶联部位与解偶联作用、化学渗透学说。 一般了解：递氢体和电子传递体的结构、化学偶联学说、生物氧化CO2中的生成。 本章难点：氧化磷酸化偶联机制：化学渗透学说，用图解解和细胞膜的选择透过性来解释，并结合质子通道和任何反应包括ATP的合成必须由酶来催化解释偶联。 第一节概述 营养物质（糖、脂肪和蛋白质）在体内分解，消耗氧气，生成CO2和H2O同时产生能量的过程叫做生物氧化（biological oxidation），或组织氧化、细胞氧化。 一、生物氧化的特点 （1 环境； （ 2pH值近中性； （3 ）并且可以转变成为可以利用的化学能，如ATP， 而体外的氧化反应，特别是体外的燃烧过程中，能量的释放是骤然间释放的，并且所释放的能量都以光和热的形式散发掉，很少可以直接转变成化学能。 （ 4 和化学键的断裂等方式进行。 虽然生物氧化的前期反应是营养物质经各种不同的途径所进行的脱氢、脱羧等反应，而后期的递氢和传递电子的过程、与氧反应生成H2O的过程和大多数A TP的生成过程都是共同的。 二、生物氧化的场所 对于真核生物来说，生物氧化是在线粒体（mitochondria）中进行的，而原核生物则是在细胞膜上。 第二节氧化还原酶类 营养物质进行氧化分解是在各种氧化酶（oxidase）的催化下进行的。按照其催化反应的特点，氧化酶类包括需氧脱氢酶（aerobicdehydrogenase）、不需氧脱氢酶（anaerobicdehydrogenase）和氧化酶几种。 一、需氧脱氢酶
生化第八章生物氧化
第八章生物氧化 本章要点 △生物氧化：物质在生物体内的氧化。糖、脂肪、蛋白质等营养物质在体内氧化分解，最终生成CO2、H20，逐步释放能量供生命活动需要的过程。 一、氧化呼吸链是由具有电子传递功能的复合体组成 △氧化呼吸链：：生物体将NADH+H+和FADH2（还原当量）彻底氧化成H20和ATP的过程与细胞呼吸有关，需要消耗氧，参与氧化还原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，即氧化呼吸链。（一）、氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成 注 ①铁硫蛋白：其中的Fe离子与S原子（无机硫、半胱氨酸硫）结合形成铁硫中心。进行Fe2+?Fe3++e-，是单电子递体。 ②细胞色素Cyt：是一类含有血红素样辅基的电子传递蛋白，血红素中的Fe离子通过Fe2+?Fe3++e-传递电子，是单电子递体。可以分为a、b、c三个大类。 ③色素的电子链为： 复合体 复合体 （结合疏松，游离）（直接结合） （二）、NADH和FADH2是氧化呼吸链的电子供体 1. NADH氧化呼吸链：P/O= 2.5 ；NADH为电子供体 NADH→复合体I→泛醌（Co Q）→复合体III→细胞色素c（Cyt c）→复合体IV→O2 2.FADH2氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）：P/O=1.5 ；FADH2为电子供体 琥珀酸→复合体I→泛醌（Co Q）→复合体III→细胞色素c（Cyt c）→复合体IV→O2 二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化偶联生成ATP （一）、氧化磷酸化欧联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内 1.P/O比值：氧化磷酸化过程中，每消耗1/2molO2所需磷酸的摩尔数，即所能合成ATP的摩尔数（或一对电子通
9第八章 生物氧化
第八章生物氧化 生物体内，物质常可通过加氧、脱氢、失去电子的方式被氧化。营养物质经柠檬酸循环或其他代谢途径进行脱氢反应，产生的成对氢原子（2个氢质子和2个电子）以还原当量NADH+H+或FADH2的形式存在，是生物氧化（biological oxidation)过程中产生的主要还原性电子载体。机体在进行有氧呼吸时，这些还原性电子载体通过一系列的酶催化和连续的氧化还原反应逐步失去电子（电子传递），最终使氢质子与氧结合生成水。同时释放能量，驱动ADP磷酸化生成ATP，供机体各种生命活动的需要。 第一节氧化呼吸链是由具有电子传递功能的 复合体组成 生物体将NADH+H十和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，因此称为氧化呼吸链（oxidative respiratory chain)。真核细胞ATP的生成主要在线粒体中进行，在氧化呼吸链中，参与传递反应的酶复合体按一定顺序排列在线粒体内膜上，发挥传递电子或氢的作用。其中传递氢的酶蛋白或辅助因子称之为递氢体，传递电子的则称之为电子传递体。由于递氢过程也需传递电子（2H++2e—），所以氧化呼吸链也称电子传递链（electron transfer chain)。 一、氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成 氧化呼吸链是由位于线粒体内膜上的4种蛋白酶复合体（complex)组成，分别称之为复合体I、II、III和IV。每个复合体都由多种酶蛋白和辅助因子（金属离子、辅酶或辅基）组成，但各复合体含有自己特定的蛋白质和辅助因子成分（表8-1）。各复合体中的跨膜蛋白成分使其能够镶嵌在线粒体内膜中，并按照一定的顺序进行排列（图8-1）。其中复合体I、III和IV镶嵌于线粒体内膜的双层脂质膜，而复合体II仅镶嵌在双层脂质膜的内侧。复合体中的蛋白质组分、金属离子、辅酶或辅基共同完成电子传递过程，主要通过金属离子价键的变化、氢原子（H++e—）转移的方式进行。电子的传递过程本质上是由电势能转变为化学能的过程，电子传递过程所释放的能量驱动H+从线粒体基质移至膜间腔，形成跨线粒体内膜的H+浓度梯度差，用于驱动ATP的合成。下面将分别叙述氧化呼吸链各复合体中主要酶蛋白或辅助因子的氧化还原作用及相应的电子传递过程。 175
第八章 生物氧化 练习题参考解答
第八章生物氧化练习题参考解答 一、名词解释 1．生物氧化：糖、脂肪、蛋白质等有机物在细胞内氧化分解生成二氧化碳和水，同时产生大量的能量的过程称为生物氧化。 1．呼吸链：有机物在生物体内氧化过程中所脱下的氢原子，经过一系列有严格排列顺序的传递体组成的传递体系进行传递，最终与氧结合生成水，这样的电子或氢原子的传递体系称为呼吸链或电子传递链。 2．氧化磷酸化：在底物脱氢被氧化时，电子或氢原子在呼吸链上的传递过程中伴随ADP 磷酸化生成A TP的作用，称为氧化磷酸化。 3．磷氧比P/O（P/O）：电子经过呼吸链的传递作用最终与氧结合生成水，在此过程中所释放的能量用于ADP磷酸化生成A TP。经此过程消耗一个原子的氧所要消耗的无机磷酸的分子数（也是生成ATP的分子数）称为磷氧比值（P／O）。 5．底物水平磷酸化：在底物被氧化的过程中，底物分子内部能量重新分布产生高能磷酸键（或高能硫酯键），由此高能键提供能量使ADP（或GDP）磷酸化生成ATP（或GTP）的过程称为底物水平磷酸化。 二、填空题 1．脱氢；脱电子；加氧 2．酶；辅酶；电子传递体 3．细胞质膜上 4．放能；自发进行 5．△G0＇＝-2.303RTlgK＇eq；0 6．小；大 7．焦磷酸化合物；酰基磷酸化合物；烯醇磷酸化合物；胍基磷酸化合物；硫酯化合物； 甲硫键化合物 8．血红素A；非共价 9．还原 10．NAD+→CoQ：Cytb→Cytc：Cytaa3→O2 11．2；3 12．底物水平的磷酸化：氧化磷酸化：氧化磷酸化 13．CoQ：传递H 14．丙酮酸脱氢酶（丙酮酸+NAD++CoASH→乙酰CoA+NADH+H++CO2）；异柠檬酸脱氢酶（异柠檬酸+ NAD+→α-酮戊二酸+ NADH+H++CO2）； 15．有机物分子：氧化分解：释放能量 16．ΔG；ΔG°；ΔG°＇ 17．释放的自由能大于20.92kJ／mol；A TP；偶联剂 18．线粒体；线粒体内膜上 19．生物氧化；底物；氧；电子；生物合成 20．低氧还电势；高氧还电势 21．电子传递链的酶系；F1-F0复合体 22．NADH→CoQ：Cytb→Cytc1：Cytaa3→O2 23．细胞色素aa3；O2；细胞色素C氧化酶 24．Fe2+/ Fe3+；一个 25．细胞色素aa3→O2