第四节  生物氧化与能量代谢

生物氧化指物质在生物体内的氧化过程，主要指糖、脂肪、蛋白质在体内分解时逐步释放能量，最终生成二氧化碳和水的过程。生物氧化又称组织呼吸或细胞呼吸。生物氧化包括细胞呼吸作用中的一系列氧化还原反应。生物氧化特点：①生物氧化是在机体中pH近中性、37℃、温和的水溶液环境中，由酶催化而逐步进行的过程。②体内CO₂来自有机酸脱羧反应，而底物脱下的氢原子经电子传递过程最后与氧结合生成H₂O。③氧化时能量逐步释放，有利于捕获大部分能量用于ATP生成。ATP是机体生命活动最重要提供能量的分子。线粒体是细胞的“能量工厂”，营养物质的共同终末氧化途径在线粒体内进行，而线粒体能将营养物质氧化所释放的大部分自由能捕获，使ADP磷酸化生成ATP，其余能量以热能形式释放。线粒体内生物氧化对机体能量供应十分重要，

生物氧化的方式：加氧反应、脱氢反应和失电子反应。氧化和还原反应总是偶联进行的。被氧化的物质失去电子或氢原子，必有物质得到电子或氢原子而被还原。被氧化的物质是还原剂，是电子或氢的供体，被还原的物质则是氧化剂，是电子或氢的受体。在生物氧化中，既能接受氢（或电子），又能供给氢（或电子）的物质，起传递氢（或电子）的作用，称为传递氢载体（或电子载体，）。

一、 线粒体氧化体系

(一)呼吸链

在真核细胞的线粒体内膜或原核细胞的质膜上，代谢物在酶的作用下所脱的氢，经过一系列氧化还原酶和辅酶逐步传递，最终与氧结合生成水的过程称为呼吸链或称电子传递链。它们的辅酶或辅基起到传递氢或电子的作用。传递氢的辅酶或辅基称为递氢体，。传递电子的辅酶或辅基称为递电子体。

1.电子传递链的组成及其功能 呼吸链组成成分主要有5种。

（1）烟酰胺脱氢酶类及其辅酶   烟酰胺脱氢酶类以NAD⁺和NADP⁺为辅酶。代谢物脱下的一对氢原子时，就由氧化型NAD⁺或NADP⁺变为还原型NADH＋H⁺或NADPH＋H⁺，NAD⁺的主要功能是作为递氢体接受代谢物脱下的2H，然后传给邻近的黄素蛋白。在糖代谢中，许多底物脱氢是由以NAD⁺或NADP⁺为辅酶的脱氢酶催化的，如异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、3-磷酸甘油醛脱氢酶等。

（2）黄素蛋白酶类及其辅基 黄素蛋白酶类是以FMN或FAD作为辅基。在电子传递链中，FMN是NADH脱氢酶的辅基，它催化的反应是将NADH上的氢原子直接传递给FMN形成FMNH₂。FAD是琥珀酸脱氢酶、酰基-CoA脱氢酶和二氢硫辛酸脱氢酶等的辅基。

（3）铁硫蛋白   铁硫蛋白（Fe-S）含等量铁原子和硫原子（如Fe₂S₂,Fe₄S₄）故称为铁硫中心。每次传递1个电子，所以为单电子传递体。铁硫蛋白与黄素蛋白辅基及细胞色素b形成复合物传递电子。

（4）泛醌（ubiquinone, UQ或Q）是一种脂溶性醌类化合物。它有较长的多个异戊间二烯构成的侧链，因侧链的疏水作用，它能在线粒体内膜中迅速扩散，能可逆结合2个质子和2个电子还原成二氢泛醌（还原型）。

（5）细胞色素类   细胞色素是一类以铁卟啉衍生物为辅基的结合蛋白质，因有颜色，所以称为细胞色素（Cyt）。细胞色素的种类较多，参与线粒体电子传递链中的细胞色素有b、c₁、c、a和a₃。其中细胞色素c为线粒体内膜外侧的外周蛋白，其余的均为内膜的整合蛋白。细胞色素c容易从线粒体内膜上溶解出来（图5－11）。不同种类的细胞色素的辅基结构与蛋白质的连接方式是不同的。在线粒体呼吸链中，细胞色素的排列顺序依次是：b→c₁→c→aa₃→O₂，其中仅a₃可激活氧原子，但现在还不能把a和a₃分开，故把a和a₃合称为细胞色素氧化酶，由于它是有氧条件下电子传递链中最末端的载体，故又称末端氧化酶（terminal oxidase）。在aa₃分子中除铁卟啉外，尚含有两个铜原子，依靠其化合价的变化，把电子从a₃传到氧，故在细胞色素体系中也呈复合体的排列，细胞色素通过辅基中Fe²⁺ ↔ Fe³⁺ +e可逆改变传递电子，为单电子传递体，所以细胞色素在电子传递中起着载体的作用，一个还原态的泛醌分子能给出两个电子而与两分子的细胞色素作用，生成的两个质子释放到介质中，最后把电子传递给氧，使氧变为氧离子（O^2－）。氧离子的活性较强，可以和介质中的2H⁺结合成水。

 

图5－11  细胞色素c的辅基与酶蛋白的联接方式

 

除aa₃外，其余的细胞色素中的铁原子均与卟啉环和蛋白质形成六个共价键或配位键，除卟啉环四个配位键外，另两个是蛋白质上的组氨酸与甲硫氨酸支链。因此不能于与CO、CN^－、H₂S等结合，唯有aa₃的铁原子形成五个配位键，还保留一个配位键，可以与O₂、CO、CN^－、N₃^－、H₂S等结合形成复合物，其正常功能是与氧结合，但当有CO、CN^－和N₃^－存在时，它们就和O₂竞争与细胞色素aa₃结合，所以这些物质是有毒的。其中CN^－与氧化型的细胞色素aa₃有高度的亲和力，因此对需氧生物的毒性极高。

2．电子传递链中传递体的排列顺序  

电子传递链（呼吸链）中氢和电子的传递有着严格的顺序和方向。这些顺序和方向，是根据各种电子传递体标准氧化还原电位（E_０′）的数值测定的，并利用某种特异的抑制剂切断其中的电子流后，再测定电子传递链中各组分的氧化还原状态，以及在体外将电子传递体重新组成呼吸链等实验而得到的结论。

电子传递链各组分在链中的位置、排列次序与其得失电子趋势的大小有关。电子总是从对电子亲和力小的低氧化还原电位流向对电子亲和力大的高氧化还原电位。氧化还原电位E_０′的数值越低，即失电子的倾向越大，越易成为还原剂，处在呼吸链的前面（标准氧化还原电位E_０在pH7.0时用E_０′表示）。因此，电子传递链中的传递体的排列顺序和方向是按各组分的E_０′由小到大依次排列的。应该说明的是，氧化还原电位值与电子传递链组分排列顺序有时不完全一致。如上所述，按E_０′数值，Cytb应在CoQ之前，但实验测定结果证明Cytb在CoQ之后。

3. 组成呼吸链的四种酶复合体

复合体Ⅰ：ＮＡＤＨ－泛醌还原酶　将电子从ＮＡＤＨ传递给泛醌。复合体中含有辅基FMN和Fe-S。

复合体Ⅱ：琥珀酸－泛醌还原酶。将电子从琥珀酸传递给泛醌。人复合体Ⅱ中含以FAD为辅基的黄素蛋白、铁硫蛋白和细胞色素b。

复合体Ⅲ：泛醌－细胞色素Ｃ还原酶。复合体Ⅲ将电子从泛醌传递给细胞色素Ｃ。复合体Ⅲ中含有Cytb，Cytb和铁硫蛋白。

复合体Ⅳ：细胞色素Ｃ氧化酶。复合体Ⅳ将电子从细胞色素Ｃ传递给氧。人复合体Ⅳ中含有Cyta和Cyta₃。由于两者结合紧密，很难分离，故称之为Cytaa₃。Cytaa₃中含有2个铁卟啉辅基和2个铜原子。2个铜原子分别与2个铁卟啉辅基相连。铜原子可通过反应Cu⁺↔Cu²⁺+e传递电子。见图5-12所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图5-12线粒体内膜中的电子传递链复合物的组成与排列顺序

4.体内重要的呼吸链 

呼吸链有两条，即NADH呼吸链和FADH₂呼吸链。这是根据接受代谢物上脱下的氢的初始受体不同区分的。

（1）NADH呼吸链   代谢物在相应脱氢酶催化下，脱下两个氢原子交给辅酶NAD⁺，使NAD⁺还原成为NADH+H⁺，NADH+H⁺脱下的2H经复合体Ⅰ（FMN、Fe-S）、泛醌，复合体ⅢCytb、Fe-S、Cytc_1）)、Cytc，复合体Ⅳ（Cytaa₃）顺序传递，最后将2e激活氧与介质中质子形成水。体内多种代谢物如苹果酸、乳酸等脱下的氢，均是通过NADH呼吸链传递给氧生成水。

（2）FADH₂呼吸链  有些代谢物如脂酰CoA脱氢酶、琥珀酸脱氢酶，脱下的2H经复合体Ⅱ（FAD、Fe-S）、泛醌、复合体ⅢCytb、Fe-S、Cytc_1）)、Cytc，复合体Ⅳ（Cytaa₃）顺序传递，最后将2e激活氧与介质中质子形成水，FADH₂呼吸链又称为琥珀酸氧化呼吸链。

5.胞液中NADH的氧化 

线粒体内三羧酸循环和β-氧化等氧化途径大量产生的还原当量NADH和FADH₂可直接经呼吸链的传递最终被氧化形成H₂O，同时产生ATP，而胞液中如糖酵解中3-磷酸甘油醛脱氢等反应可生成少量的NADH，因线粒体内膜对NADH不能自由通透，胞液中生成的NADH必须经过某种转运机制才能进入线粒体，进而由呼吸链氧化成H₂O，同时产生ATP。这种转运机制主要有α-磷酸甘油穿梭作用和苹果酸-天冬氨酸穿梭作用。

（1）α-磷酸甘油穿梭作用  胞液NADH中的一对氢原子通过胞液中磷酸甘油脱氢酶（辅酶为NAD⁺）催化，转移到α-磷酸甘油，后者经内膜外侧的磷酸甘油脱氢酶（辅酶FAD）作用，生成的磷酸二羟丙酮进入胞液继续穿梭，而FADH₂则进入FADH₂氧化呼吸链被氧化，并产生2分子的ATP。这种穿梭主要在脑、骨骼肌和肝等组织。

（2）苹果酸-天冬氨酸穿梭：在胞液和线粒体内苹果酸脱氢酶（均以NAD⁺为辅酶）的作用下，胞液中的NADH中的氢先被苹果酸携带并进入线粒体，被线粒体内的苹果酸脱氢酶催化转移给辅酶NAD⁺生成NADH，经NADH氧化呼吸链被氧化形成水，同时产生3分子ATP。而生成的草酰乙酸经天冬氨酸转氨酶作用生成天冬氨酸，通过载体运出线粒体，再转变为草酰乙酸，继续穿梭作用。心肌中存在这种穿梭机制。由于糖酵解中3-磷酸甘油醛脱氢产生的NADH+H⁺可经上述两种不同穿梭进入线粒体内经呼吸链氧化，因此1分子葡萄糖彻底氧化产生36或38分子ATP。

二、生物氧化过程中ATP的生成

糖、蛋白质、脂肪等代谢物的分子结构中蕴藏着大量的化学能，在细胞代谢中，这些物质逐渐分解，经生物氧化逐步释放能量，释出的能量一部分以热能形式散发，而很大部分能量以ATP分子的化学能形式贮存，作为机体各种生命活动的能源。在体内能量储存和利用均以ATP为中心。

生物化学中把磷酸酯键水解时，每mol释放的自由能大于30.5kJ者称为高能磷酸键,含有高能磷酸键的化合物则称为高能化合物。高能磷酸键常用"～P"符号表示。生物体还有一类高能化合物是由酰基和硫醇基构成，称为高能硫酯化合物，如乙酰CoA、脂酰CoA和琥珀酰CoA等。

（一）ATP的生成 

1.底物水平磷酸化  

代谢底物在分解代谢中经脱氢或脱水等反应，引起代谢物分子内部能量重新分布，直接使ADP（GDP）磷酸化生成ATP(GTP)，这种作用称为底物水平磷酸化。在糖分解代谢中，由糖酵解途径生成的1,3-二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸和三羧酸循环中的琥珀酸CoA经底物磷酸化生成ATP（GTP）。

2.氧化磷酸化（电子传递链磷酸化）

电子传递链磷酸化是指利用代谢物脱下的2H（NADH+H⁺或FADH₂）经过电子传递链（呼吸链）传递到分子氧形成水的过程中所释放出的能量，使ADP磷酸化生成ATP的作用。简言之，呼吸链氧化与ATP磷酸化反应的偶联 图5-13所示。

图5-13  氧化磷酸化偶联示意图

  （二）氧化磷酸化

1.P/O比值及氧化磷酸化偶联部位 

 P/O比值是指每消耗1mol氧原子所消耗的无机磷酸的mol数。1mol氧原子氧化生成1mol水的氧化磷酸化过程中，ADP磷酸化产生ATP时消耗无机磷酸，无机磷的消耗量可反映ATP的生成数。

氧化磷酸化偶联部位：偶联部位有3个：NADH→CoQ，CoQ→Cytc 及Cytaa₃→O_2。氧化磷酸化的偶联部位可通过计算自由能变化和P/O比值来确定（图5-14）。

 

图 5-14   氧化磷酸化偶联部位

   2.氧化磷酸化偶联机制－化学渗透学说  

呼吸链中复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ具有质子泵功能，将质子从线粒体内膜的基质侧泵到胞浆侧，由于内膜对质子的不通透特性，造成膜内、外质子电化学梯度，从而储存呼吸链氧化释出的能量。当质子顺梯度回流时，其所含能量驱动位于线粒体基质的ATP合酶催化ADP与Pi生成ATP。ATP合酶是线粒体内膜蛋白复合体，由嵌入内膜中疏水的F₀部分和突出于线粒体基质中亲水的F₁部分组成，因此又称为F₀F₁复合体。F₁的功能是催化ATP生成，其中的β亚基为催化亚基。F₀是嵌在线粒体内膜中的质子通道。当质子顺梯度经F₀回流时，F₁催化ADP和Pi生成ATP。此外，在F₀和F₁之间的柄部还有寡霉素敏感蛋白（oligomycinsensitivity conferring protein，OSCP），OSCP与寡霉素结合后可抑制ATP合酶活性。

3.影响氧化磷酸化的因素

（1）ADP的调节作用  ADP的调节是氧化磷酸化速率的主要因素。当机体利用ATP增多时，ADP浓度增高，转运入线粒体后，使氧化酸酸化速度加快；反之，ADP不足，氧化磷酸化速度减慢。

（2）甲状腺激素  甲状腺激素是调节机体能量代谢的重要激素,它可诱导细胞膜上Na⁺-K⁺-ATP酶的生成，使ATP加速分解为ADP和Pi，ADP数量增多，促进氧化磷酸化反应。甲亢患者因ATP合成和分解速度均增加，引起机体耗氧量和产热量增加，基础代谢率增加。

（3）抑制剂   根据其作用部位的不同，可分为三类：电子传递抑制剂、氧化磷酸化抑制剂及解偶联剂。

1）电子传递抑制剂  能够阻断电子传递链中某一部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂抑制剂有以下几种：鱼藤酮它是一种极毒的植物物质，可用作杀虫剂，其作用是阻断电子从NADH向CoQ的传递，从而抑制NADH脱氢酶，即抑制复合物I。与鱼藤酮抑制部位相同的抑制剂还有安密妥、杀粉蝶菌素A等。抗霉素A（antimycin A）是由淡灰链霉菌分离出的抗菌素，抑制电子从细胞色素b到细胞色素c₁传递的作用，即抑制复合物Ⅲ。氰化物、硫化氢、一氧化碳和叠氮化物等，抑制细胞色素氧化酶的活力，阻断电子由细胞色素aa₃向分子氧的传递。氰化物抑制氧化细胞色素氧化酶，使机体不能利用氧而窒息，临床抢救氰化物中毒时，使用亚硝酸钠和硫代硫酸钠解毒。

图5-15表示出电子传递链中被上述抑制剂所阻断的部位。

图5-15  电子传递抑制剂的作用部位

2）氧化磷酸化抑制剂  此类抑制剂可同时抑制电子传递和ADP磷酸化。如寡霉素可与ATP合酶柄部OSCP结合，阻断质子通道回流，抑制ATP生成；H⁺在线粒体内膜外积累，影响呼吸链质子泵的功能，从而抑制电子传递。

3)解偶联剂   抑制剂破坏内膜两侧的电化学梯度，而使氧化与磷酸化偶联脱离。最常见的解偶联剂是二硝基苯酚。

 

案例5-4   患者，男性，5岁，患儿误食杏仁2小时后出现恶心、呕吐、流涎、水样腹泻，伴头痛、头晕、呼吸急促，意识不清入院。   体格检查：体温38℃，脉搏摸扪不到，呼吸10次/分，呼气有苦杏仁味。血压测不到，瞪目昏迷，瞳光散大，对光散射消失。皮肤发红，口唇紫绀，牙关紧闭，心音低钝，   诊断：苦杏仁中毒   问题讨论：   1.氰化物中毒的生化原理？   2.氰化物中毒的解救原理？

(4)线粒体DNA突变

线粒体DNA因缺乏蛋白质的保护和损伤修复系统，容易受到氧化磷酸化过程中产生的氧自由基的损伤而发生突变，线粒体DNA有编码呼吸链氧化磷酸化复合体中某些多肽链的基因及其它相关的tRNA和rRNA的基因，因此线粒体DNA突变将影响氧化磷酸化的功能。

  （三）ATP的利用和储存

    在体内，ATP可通过高能磷酸基团的转移生成UTP、CTP、GTP等，它们分别在糖原合成、磷酯合成、蛋白质的生物合成中起重要作用。ATP还可将高能磷酸基团转移给肌酸生成磷酸肌酸，磷酸肌酸是肌肉及脑组织中能量的贮存形式。

三、非线粒体氧化体系

生物氧化主要在细胞的线粒体内进行，但线粒体外也有其他的氧化系统，其特点是水的生成不经过呼吸链电子传递，氧化过程也不伴有ATP的磷酸化，因此不是产生ATP的方式。这些氧化体系与过氧化氢、类固醇和儿茶酚胺类化合物及其药物和毒物等的代谢都有密切关系，是生物转化的重要方式。包括需氧脱氢酶和氧化酶、过氧化物酶体中的氧化酶类、超氧物歧化酶和微粒体中的氧化还原酶类