学　习　目　标

◆熟记生物氧化、呼吸链、氧化磷酸化、底物磷酸化的概念。

◆说出呼吸链的组成成分及作用，两条重要的呼吸链，影响氧化磷酸化的因素。

◆理解ATP的生成、利用及储存。

◆了解CO₂的生成、非线粒体氧化体系的反应类型及生理意义。

议一议：

人没有能量的供应，能否维持正常的生命活动？

物质在生物体内的氧化分解称为生物氧化（biological oxida－tion），它主要是指糖、脂肪及蛋白质等在体内氧化分解最终生成二氧化碳和水，并释放出能量的过程。生物氧化在细胞的线粒体内及线粒体外均可进行，但过程不同。线粒体内的生物氧化产能并伴有ATP生成，这一过程表现为细胞消耗O₂释放CO₂，故又称细胞呼吸或组织呼吸。线粒体外如内质网、微粒体、过氧化物酶体对物质的氧化不伴有ATP生成，主要与药物、毒物或代谢物的生物转化有关。

                                                                       第一节　概　述

一、生物氧化的方式

在化学反应中，加氧、脱氢、失电子都是氧化反应，而失氧、加氢、得电子都是还原反应。这种变化规律也适用于生物氧化过程。

1.加氧反应　向底物分子中直接加入氧原子或氧分子，如：

2.脱氢反应　从底物分子上脱下一对氢原子，如：

乳酸　　　　　　　　　丙酮酸

3.脱电子反应　从底物分子上脱下一个电子，如：

二、生物氧化的特点

糖、脂肪、蛋白质在体内、外所消耗的氧量、终产物（CO₂、H₂O）及释放的能量相同，但二者所进行的方式却大不一样。与物质在体外氧化过程相比，体内的氧化反应有以下特点：

（1）生物氧化过程是在细胞内温和的环境中（在体温及近于中性pH值条件下），由酶催化逐步进行的过程。

（2）H₂O是由底物脱氢经一系列的递氢体和递电子体传递最后与氧结合而生成的。

（3）生物氧化时能量逐步释放，且放出的能量一部分是以化学能的方式储存在高能磷酸化合物中。

（4）CO₂的产生方式为有机酸脱羧作用生成的。

三、生物氧化过程中CO₂的生成

生物氧化的重要产物之一是CO₂，人体内CO₂的生成并不是代谢物的碳原子与氧的直接结合，而是来源于有机酸的脱羧反应。糖类、脂类、蛋白质在体内代谢过程中可产生许多不同的有机酸，有机酸在酶的催化下，经过脱羧作用产生CO₂。根据脱去的羧基在有机酸分子中的位置不同，分为α－脱羧和β－脱羧两种；又根据脱羧是否伴有氧化，可分为单纯脱羧和氧化脱羧两种类型。

（一）α－单纯脱羧

（二）α－氧化脱羧

（三）β－单纯脱羧

草酰乙酸　　　　　　　　　　　　丙酮酸

（四）β－氧化脱羧

                                                                第二节　呼吸链与水的生成

一、呼吸链的概念

在线粒体中，由若干个递氢体和递电子体及其酶和辅酶，按一定顺序排列组成的，与细胞呼吸过程有关的链式反应体系，称为呼吸链（respiratory 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之为递氢体，传递电子的酶或辅酶称之为电子传递体。不论递氢体还是递电子体都起到传递电子的作用（2H─→2H⁺＋2e），所以呼吸链又称电子传递链。

二、呼吸链的组成及排列顺序

（一）以NAD⁺或NADP⁺为辅酶的不需氧脱氢酶类

尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD⁺），又称辅酶I（Co I）；尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP⁺），又称辅酶Ⅱ（CoⅡ）。NAD＋和NADP⁺作为辅酶，可分别与不同的酶蛋白组成功能各异的脱氢酶。

NAD⁺或NADP⁺分子中尼克酰胺（维生素PP）的氮为五价，能接受电子成为三价氮。其对侧的碳原子也比较活泼，能进行可逆加氢与脱氢反应，因此该类酶在呼吸链中主要起递氢作用。尼克酰胺在加氢反应时只能接受一个氢原子和一个电子，将一个H⁺游离于基质中。这类脱氢酶是连接代谢物与呼吸链的环节，并将质子传递给黄素蛋白。

（二）黄素蛋白

黄素蛋白（flavin protein，FP）也是一类氧化还原酶，其辅基中含有核黄素（维生素B₂）而呈黄色，故又称黄素酶。黄素蛋白的辅基有两种：黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。

FMN或FAD发挥功能的部位是核黄素结构中的异咯嗪环，在该环N₁和N₁₀上能进行可逆的加氢或脱氢反应。所以黄素蛋白在呼吸链中起递氢作用。

（三）铁硫蛋白

铁硫蛋白（iron－sulfur protein）是存在于线粒体内膜上的一类与传递电子有关的蛋白质，该蛋白以铁硫簇（Fe－S）为辅基，Fe－S含有等量的铁原子和硫原子（Fe₂S₂，Fe₄S₄），通过其中的铁原子与铁硫蛋白中半胱氨酸残基的巯基硫相连（图6－1）。

图5－1　铁硫蛋白含铁硫部分的结构及其传递电子的反应

铁硫蛋白的铁原子能进行可逆地得失电子反应，在呼吸链中的作用是传递电子（属单电子传递体），它不能单独存在，多与黄素蛋白的辅基和细胞色素b结合存在。

（四）泛醌

泛醌（ubiquinone，Q），是一种黄色脂溶性醌类化合物，曾称之为辅酶Q（coenzyme Q，CoQ），以后发现它是以游离的形式而不是与蛋白质结合形式存在，故称泛醌更恰当。

泛醌中的苯醌结构能进行可逆的加氢和脱氢反应，接受2H后由氧化型转变成还原型。泛醌可将2个质子释放入线粒体基质内，将电子传递给细胞色素，是呼吸链中的递氢体。

（五）细胞色素

细胞色素（cytochromes，Cyt）是细胞内一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，具有颜色，故名细胞色素（图6－2）。细胞色素具有特殊的吸收光谱，根据它们吸收光谱不同，可将其分多种。参与呼吸链组成的细胞色素有细胞色素a、b、c（Cyt a、Cyt b、Cyt c）三类，每一类中又因其最大吸收峰的微小差别再分为几种亚类。各种细胞色素的主要差别是铁卟啉辅基的侧链以及铁卟啉与蛋白质部分的连接方式不同。其传递电子顺序是Cyt b→Cyt c₁→Cyt c→Cytaa₃→O₂。由于Cyt a和Cyt a₃结合紧密，很难分开，故将Cyt a和Cyta₃合称为Cytaa₃（也称细胞色素氧化酶）。细胞色素中只有aa₃能直接将电子传递给氧分子（O₂），使其激活变成氧离子（O^2-），并催化基质中的2H＋与氧离子结合成水。Cytaa₃中除有2个铁卟啉辅基外，还有2个铜原子。铜原子可进行反应传递电子。

图5－2　细胞色素C结构示意图

议一议：

代谢物脱氢经呼吸链传递是如何生成水的？

在上述呼吸链的主要组成成分中，在线粒体内膜除泛醌与细胞色素c以游离形式存在外，其余的成分均以复合体的形式存在。复合形式有：①复合体Ⅰ（又称NADH－泛醌还原酶），该复合体将电子从NADH经FMN及铁硫蛋白传给泛醌；②复合体Ⅱ（又称琥珀酸－泛醌还原酶），该复合体将电子从琥珀酸经FAD及铁硫蛋白传递给泛醌；③复合体Ⅲ（又称泛醌－细胞色素c还原酶），该复合体将电子从泛醌经Cytb、Cytc₁传给Cyt c；④复合体Ⅳ（又称细胞色素c氧化酶），该复合体将电子从Cytc经Cytaa₃传递给氧。作用方式见图6－3。

图5－3　线粒体呼吸链中各组分排列顺序

三、体内重要的呼吸链

（一）NADH氧化呼吸链

生物氧化中大多数脱氢酶如乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶都是以NAD⁺为辅酶，多种代谢物（SH₂）在相应的脱氢酶催化下脱氢，脱下来的氢由NAD⁺接受而生成NADH＋H⁺。NADH＋H⁺经NADH氧化呼吸链将氢最终传递给氧而生成水。NADH＋H⁺脱下的2H经复合体Ⅰ（FMN，Fe－S）传给CoQ，再经复合体Ⅲ（Cyt b，Fe－S，Cyt c₁）传给Cyt c，然后传至复合体Ⅳ（Cytaa₃），最后将2e交给氧（O₂），使氧活化，活化的氧（O^2-）和基质中的2H＋结合生成水，同时释放出大量能量。这是体内最主要的一条呼吸链，也是体内物质氧化生成水的主要途径。

在线粒体中，大多数代谢物是通过NADH氧化呼吸链氧化，如糖代谢的中间产物（异柠檬酸、α－酮戊二酸、苹果酸等）、谷氨酸、β－羟丁酸等都是经过NADH呼吸链被氧化分解。该呼吸链氢的传递顺序如图6－4所示。

图5－4　NADH氧化呼吸链

（二）琥珀酸氧化呼吸链（FADH₂氧化呼吸链）

议一议：

CoQ在两条呼吸链中所处的位置，在呼吸链中有何重要性？

有些代谢物，如琥珀酸、α－磷酸甘油、脂酰辅酶A等通过FADH₂氧化呼吸链而被氧化。代谢物由脱氢酶催化脱下的2H经复合体Ⅱ（FAD，Fe－S）传递给CoQ形成CoQH₂，CoQH₂再将2e传至复合体Ⅲ（Cyt b，Cyt c₁），然后经复合体Ⅳ（Cyt aa₃）传给氧（O₂），使氧活化，活化的氧（O^2-）和基质的2H⁺结合生成水。该呼吸链氢的传递顺序如图6－5所示。

图5－5　FADH₂氧化呼吸链

线粒体内，物质氧化的主要方式是脱氢反应。通过脱氢酶催化的脱氢反应产生NADH＋H⁺和FADH₂，两者再通过呼吸链彻底氧化成水。线粒体内一些重要代谢氧化分解时氢的传递顺序如图6－6所示。

图5－6　几种重要代谢物氧化时的电子传递链

四、胞液中NADH的氧化

物质代谢过程中，胞液中也有NADH生成。由于NADH不能透过线粒体内膜，所以不能直接运至线粒体内经NADH氧化呼吸链氧化，需要经穿梭作用将氢原子带入线粒体才能氧化。

（一）苹果酸－天冬氨酸穿梭

苹果酸－天冬氨酸穿梭作用是肝、心肌细胞线粒体转运胞液NADH＋H⁺中的氢原子进入线粒体氧化的方式。由图6－7可以看出，胞液中NADH＋H⁺中的两个氢原子可交给草酰乙酸，以苹果酸的形式带入线粒体。在线粒体内苹果酸脱氢酶的作用下，苹果酸又生成草酰乙酸，将携带的氢原子交给NAD⁺生成NADH＋H⁺，经NADH氧化呼吸链产生2.5个ATP。草酰乙酸不能透过线粒体内膜，而以天冬氨酸形式出线粒体。谷氨酸和α－酮戊二酸分别进出线粒体协助完成这一穿梭过程。

图5－7　苹果酸穿梭

①苹果酸脱氢酶　②谷草转氨酶　Ⅰ～Ⅳ示线粒体内膜上的不同转位酶

（二）α－磷酸甘油穿梭

这一穿梭作用存在于肌肉和脑组织。糖代谢的中间产物磷酸二羟丙酮可接受胞液

NADH＋H⁺中的氢原子，由α－磷酸甘油脱氢酶催化还原生成α－磷酸甘油。α－磷酸甘油透过线粒体外膜，在线粒体内膜表面的α－磷酸甘油脱氢酶（辅基为FAD）作用下脱氢生成磷酸二羟丙酮，回到胞液中。FAD接受氢原子后生成FADH₂，经FADH₂氧化呼吸链产生1.5个ATP。

图5－8　α－磷酸甘油穿梭

①胞液α－磷酸甘油脱氢酶　②线粒体α－磷酸甘油脱氢酶