生物氧化（物质在生物体内发生氧化的过程）

基本概况

1.概念：有机物质在生物体细胞内氧化分解产生二氧化碳、水，并释放出大量能量的过程称为生物氧化（biological oxidation）。又称细胞呼吸或组织呼吸。

2.特点：生物氧化和有机物质体外燃烧在化学本质上是相同的，遵循氧化还原反应的一般规律，所耗的氧量、最终产物和释放的能量均相同。

（1）是在细胞内进行酶催化的氧化过程，反应条件温和（水溶液中PH约为7和常温）。

（2）在生物氧化的过程中，同时伴随生物还原反应的产生。

（3）水是许多生物氧化反应的供氧体，通过加水脱氢作用直接参与了氧化反应。

（4）在生物氧化中，碳的氧化和氢化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递给氧并最终生成水。

（5）生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都有特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步反应的模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能源利用率。

（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。

3.部位：在真核生物细胞内，生物氧化都是在线粒体内进行，原核生物则在细胞膜上进行。

氧化生成

生物氧化

中水的生成

（一）呼吸链的概念和类型

代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后与激活的氧结合生成水的全部体系，此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链（respiratory chain）或电子传递链（electron transfer chain）。

在呼吸链中，酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜上。其中传递氢的酶或辅酶称为递氢体，传递电子的酶或辅酶称为电子传递体。递氢体和电子传递体都起着传递电子的作用（2H→2H++2e）。

生物体内的呼吸链有多种型式。人体细胞线粒体内最重要的有两条，即NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链。它们的初始受氢体、生成ATP的数量及应用有差别。NADH氧化呼吸链应用最广，糖、脂、蛋白质三大物质分解代谢中的脱氢氧化反应，绝大多数是通过该呼吸链来完成的。琥珀酸氧化呼吸链在Q处与上述NADH氧化呼吸链途径交汇。其脱氢黄酶只能催化某些代谢物脱氢，不能催化NADH或NADPH脱氢。

（二）呼吸链的组成

组成呼吸链的成分已发现20余种，分为5大类。

1．辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ

辅酶Ⅰ（NAD+或CoⅠ）为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。辅酶Ⅱ（NADP+或CoⅡ）为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。它们是不需氧脱氢酶的辅酶，分子中的烟酰胺部分，即维生素PP能可逆地加氢还原或脱氢氧化，是递氢体。以NAD+作为辅酶的脱氢酶占多数。

2．黄素酶

黄素酶的种类很多，辅基有2种，即FMN和FAD。FMN是NADH脱氢酶的辅基，FAD是琥珀酸脱氢酶的辅基，都是以核黄素为中心构成的，其异咯嗪环上的第1位及第5位两个氮原子能可逆地进行加氢和脱氢反应，为递氢体。

3.铁硫蛋白

分子中含有非血红素铁和对酸不稳定的硫，因而常简写为FeS形式。在线粒体内膜上，常与其他递氢体或递电子体构成复合物，复合物中的铁硫蛋白是传递电子的反应中心，亦称铁硫中心，与蛋白质的结合是通过Fe与4个半胱氨酸的S相连接。

4.泛醌（又名辅酶Q）

一类广泛分布于生物界的脂溶性醌类化合物。分子中的苯醌为接受和传递氢的核心，其C-6上带有异戊二烯为单位构成的侧链，在哺乳动物，这个长链为10个单位，故常以Q10表示。

5.细胞色素类

细胞色素（cytochrome, Cyt）是一类以铁卟啉为辅基的结合蛋白质，存在于生物细胞内，因有颜色而得名。已发现的有30多种，按吸收光谱分a、b、c三类，每类又有好多种。

Cyta和a3 结合紧，迄今尚未分开，故写成aa3，位于呼吸链的终末部位，其辅基为血红素A，传递电子的机制是以辅基中铁价的变化Fe3+ →Fe2+，a3还含有铜离子，把电子直接交给分子氧Cu+ →Cu2+，所以a3又称细胞色素氧化酶。a3中的铁原子可以与氧结合，也可以与氰化物离子（CN—）、CO等结合，这种结合一旦发生，a3便失去使氧还原的能力，电子传递中止，呼吸链阻断，导致机体不能利用氧而窒息死亡。

（三）呼吸链中传递体的顺序

呼吸链中氢和电子的传递有着严格的顺序和方向。根据氧化还原原理，氧化-还原电势E是物质对电子亲和力的量度，电极电位的高低反映电子得失的倾向，E O＇值愈低的氧还对（A/AH2）释放电子的倾向愈大，愈容易成为还原剂而排在呼吸链的前面。所以NADH还原能力最强，氧分子的氧化能力最强。电子的自发流向是从电极电位低的物质（还原态）到电位高的氧化态，目前一致认可的是按标准氧还电位递增值依次排列。

电子由NADH的传递到氧分子通过3个大的蛋白质复合体，即 NADH脱氢酶、细胞色素bc1复合体和细胞色素氧化酶到氧（又称复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ）。电子从FADH2的传递是通过琥珀酸-辅酶Q还原酶（复合体Ⅱ）经Q、复合体Ⅲ、Ⅳ到氧（琥珀酸-辅酶Q还原酶催化的反应的自由能变化太小）。

氧化磷酸化

1.概念：氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）是指在生物氧化中伴随着ATP生成的作用。有代谢物连接的磷酸化和呼吸链连接的磷酸化两种类型。即ATP生成方式有两种。一种是代谢物脱氢后，分子内部能量重新分布，使无机磷酸酯化先形成一个高能中间代谢物，促使ADP变成ATP。这称为底物水平磷酸化。如3-磷酸甘油醛氧化生成1，3-二磷酸甘油酸，再降解为3-磷酸甘油酸。另一种是在呼吸链电子传递过程中偶联ATP的生成。生物体内95%的ATP来自这种方式。

2.偶联部位：根据实验测定氧的消耗量与ATP的生成数之间的关系以及计算氧化还原反应中ΔGO'和电极电位差ΔE的关系可以证明。

P/O比值是指代谢物氧化时每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷原子的摩尔数，即合成ATP的摩尔数。实验表明， NADH在呼吸链被氧化为水时的P/O值约等于3，即生成3分子ATP？（1~6版生物化学此数据为3，7版为2.5）；FADH2氧化的P/O值约等于2，即生成2分子ATP（1~6版生物化学此数据为2，7版为1.5）。

氧-还电势沿呼吸链的变化是每一步自由能变化的量度。根据ΔGO'= - nFΔE O'(n是电子传递数,F是法拉第常数)，从NADH到Q段电位差约0.36V，从Q到Cytc为0.21V，从aa3到分子氧为0.53V，计算出相应的ΔGO'分别为69.5、40.5、102.3kJ/mol。于是普遍认为下述3个部位就是电子传递链中产生ATP的部位。

NADH→NADH脱氢酶→‖Q → 细胞色素bc1复合体→‖Cytc →aa3→‖O2

氧化作用

糖代谢中的三羧酸循环和脂肪酸β-氧化是在线粒体内生成NADH（还原当量），可立即通过电子传递链进行氧化磷酸化。在细胞的胞浆中产生的NADH ，如糖酵解生成的NADH则要通过穿梭系统（shuttle system）使NADH的氢进入线粒体内膜氧化。

（一）α-磷酸甘油穿梭作用

这种作用主要存在于脑、骨骼肌中，载体是α-磷酸甘油。

胞液中的NADH在α-磷酸甘油脱氢酶的催化下，使磷酸二羟丙酮还原为α-磷酸甘油，后者通过线粒体内膜，并被内膜上的α-磷酸甘油脱氢酶（以FAD为辅基）催化重新生成磷酸二羟丙酮和FADH2，后者进入琥珀酸氧化呼吸链，生成1.5分子ATP。葡萄糖在这些组织中彻底氧化生成的ATP比其他组织要少，1摩尔G→30摩尔ATP。

（二）苹果酸-天冬氨酸穿梭作用

主要存在肝和心肌中。1摩尔G→32摩尔ATP

胞液中的NADH在苹果酸脱氢酶催化下，使草酰乙酸还原成苹果酸，后者借助内膜上的α-酮戊二酸载体进入线粒体，又在线粒体内苹果酸脱氢酶的催化下重新生成草酰乙酸和NADH。NADH进入NADH氧化呼吸链，生成2.5分子ATP。草酰乙酸经谷草转氨酶催化生成天冬氨酸，后者再经酸性氨基酸载体转运出线粒体转变成草酰乙酸。

偶联机制

（一）化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis）

1961年，英国学者Peter Mitchell提出化学渗透假说（1978年获诺贝尔化学奖），说明了电子传递释出的能量用于形成一种跨线粒体内膜的质子梯度（H+梯度），这种梯度驱动ATP的合成。这一过程概括如下：

1.NADH的氧化，其电子沿呼吸链的传递，造成H+ 被3个H+ 泵，即NADH脱氢酶、细胞色素bc1复合体和细胞色素氧化酶从线粒体基质跨过内膜泵入膜间隙。

2.H+ 泵出，在膜间隙产生一高的H+ 浓度，这不仅使膜外侧的pH较内侧低（形成pH梯度），而且使原有的外正内负的跨膜电位增高，由此形成的电化学质子梯度成为质子动力，是H+ 的化学梯度和膜电势的总和。

3.H+ 通过ATP合酶流回到线粒体基质，质子动力驱动ATP合酶合成ATP。

（二）ATP合酶

ATP合酶由两部分组成（Fo-F1），球状的头部F1突向基质液，水溶性。亚单位Fo埋在内膜的底部，是疏水性蛋白，构成H+ 通道。在生理条件下，H+ 只能从膜外侧流向基质，通道的开关受柄部某种蛋白质的调节。

相关因素

（一）抑制剂

能阻断呼吸链某一部位电子传递的物质称为呼吸链抑制剂。

鱼藤酮、安密妥在NADH脱氢酶处抑制电子传递，阻断NADH的氧化，但FADH2的氧化仍然能进行。

抗霉素A抑制电子在细胞色素bc1复合体处的传递。

氰化物、CO、叠氮化物（N3-）抑制细胞色素氧化酶。

对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用的物质称氧化磷酸化抑制剂，如寡霉素。

（二）解偶联剂

2，4-二硝基苯酚（DNP）和颉氨霉素可解除氧化和磷酸化的偶联过程，使电子传递照常进行而不生成ATP。DNP的作用机制是作为H+的载体将其运回线粒体内部，破坏质子梯度的形成。由电子传递产生的能量以热被释出。

（三）ADP的调节作用

正常机体氧化磷酸化的速率主要受ADP水平的调节，只有ADP被磷酸化形成ATP，电子才通过呼吸链流向氧。如果提供ADP，随着ADP的浓度下降，电子传递进行，ATP在合成，但电子传递随ADP浓度的下降而减缓。此过程称为呼吸控制，这保证电子流只在需要ATP合成时发生。