第六章 生物氧化

• 生物氧化（ biological oxidation ）： 生物氧化是指物质在生物体内氧化的

过程。（细胞呼吸）

糖、脂肪、蛋白质

CO2 、 H2OO2

释放能量，部分合成 ATP

• 生物氧化与体外氧化的异同： 终末产物、释放总能量相同； 氧化方式与条件、能量释放方式不同。• 生物氧化的方式： 加氧、脱氢、脱电子。• CO2 的生成——有机酸脱羧；• H2O 的生成——代谢物氧化脱下的氢和

电子经呼吸链传递给氧结合生成。• 线粒体氧化伴有 ATP 生成。

糖原 三酯酰甘油 蛋白质

葡萄糖 脂酸 + 甘油 氨基酸

乙酰 CoA

TAC TAC

2H 2H 呼吸链 HH22O O

ADP+Pi ATP COCO2 2

* 生物氧化的一般过程

第一节 生成 ATP 的氧化体系

一、呼吸链（ respiratory chain ）：各种递氢体和递电子体按照一定的顺序排列在线粒体内膜，通过一系列连锁进行的氧化还原反应将代谢物氧化脱下的氢和电子传递给氧生成水的过程。

• 递氢体和递电子体一般是线粒体内膜的一些传递氢和电子的酶或辅酶。

SH2 S

2H++2e

呼 吸 链

½ O2

O2--

2e

2H+

H2O能 量

ADP

PiATP

（一）呼吸链的组成：• 四个线粒体内膜电子传递的酶复合体：

人线粒体呼吸链复合体复合体 酶 名 称 多肽数 组 成

Ⅰ NADH- 泛醌 39 黄素蛋白（ FMN ） 还原酶 铁硫蛋白（ Fe-S ）Ⅱ 琥珀酸—泛醌 4 黄素蛋白（ FAD ） 还原酶 铁硫蛋白（ Fe-S ） Cyt b560 （铁卟啉）Ⅲ 泛醌— Cyt C 10 Cyt b562 、 b566 、 c1

还原酶 （铁卟啉） 铁硫蛋白（ Fe-S ）

Ⅳ CytC 氧化酶 13 Cytaa3 （铁卟啉、 Cu ）

ⅢⅠ Ⅱ Ⅳ

Cytc

Q

NADH+H+

NAD+

延胡索酸

琥珀酸 1/2O2+2H+

H2O

胞液侧

基质侧

线粒体内膜 e-

e-

e-

e-

e-

☆ 复合体Ⅰ （ NADH- 泛醌还原酶） ：• 组成：黄素蛋白（辅基 FMN ）和铁硫蛋

白• 活性：

NADH+H+

NAD+

FMN

FMNH2

还原型 Fe-S

氧化型 Fe-S

Q

QH2

1 、辅酶Ⅰ（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 NAD+ ）和辅酶Ⅱ （烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 NADP+ ）。

• 脱氢酶辅酶。 NAD+ （ NADP+ ）

氧化型

NADH+H+ （ NADPH+H+ ）还原型

SH2

S

磷酸化为 NADP+

H

H+

H

2 、黄素蛋白辅基 FMN （黄素单核苷酸）：• 脱氢酶辅基。

FMN( 氧化型 )

SH2

FMNH2

( 还原型 )

S

H

H

异咯嗪

1

2

3 、铁硫蛋白：• 辅基铁硫簇（ iron-sulfur cluster ， Fe-

S ） 含等量的 Fe 和 S ，

SFe

S S

SFe

S

S

Fe2S2

CH2-S— Fe

S Fe

S

Fe

S Fe

SCH2-S—

—S-CH2

—S-CH2

铁硫族（ Fe4S4)

• Fe-S 的作用：传递电子 Fe2+ Fe3++e

• 在呼吸链中铁硫蛋白与黄素蛋白或细胞色素 b 形成复合体存在。

4 、泛醌（ ubiquinone ， UQ ， Q ）• 又称辅酶 Q ，为脂溶性醌类化合物，侧

链由多个异戊间二烯组成，人类为 Q10 ，可在线粒体内膜移动。

• 作用：递氢体。

☆ 复合体Ⅱ （琥珀酸 - 泛醌还原酶）• 组成：黄素蛋白（辅基 FAD ）、铁硫蛋

白、细胞色素 b560 ，• 活性： 琥珀酸 Q

延胡索酸 QH2

FAD 、

Fe-S 、 Cyt 、 b560

FANH2

5 、 FAD （黄素腺嘌呤二核苷酸）：

FAD（氧化型）

SH2

FADH2

（还原型）

S

H

H

FADH2

6 、细胞色素（ cytochrome Cyt ）• 细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化

电子传递的酶类。• 细胞色素的作用：单电子传递体。

Cyt-Fe3+ + e Cyt-Fe2+

• 根据吸收光谱的不同进行分类：

☆ Cyt a ： a 、 a3 ，二者结合紧密，难以分开，称作 Cyt aa3 ，是唯一能将电子传递给氧的细胞色素，含两个铁卟啉和两个 Cu ， Cu 也参与电子传递。

Cu+ Cu2++e

☆ Cyt b ：呼吸链 Cyt b 包括 b562 、 b566

和 b560 。

☆ Cyt c ：包括 Cyt c 和 Cyt c1 。 Cyt c1

存在于复合体Ⅲ。 Cyt c 分子量小，与线粒体内膜结合疏松，易于分离，不包括在复合体中。

• Cyt 的辅基铁卟啉： 不同细胞色素的差别主要是铁卟啉的

侧链和铁卟啉与蛋白质的连接方式不同

乙烯基被多聚异戊烯取代

甲基被甲酰基

取代

非共价键结合蛋白半胱氨酸 -SH

硫醚键与蛋白质相连

☆ 复合体Ⅲ（泛醌 -Cyt c 还原酶）构成： Cytb562 、 b566 、 Cyt c1 、铁硫蛋白作用：

QH2 2Cyt c-Fe3+

Q 2Cyt c-Fe2+

2H+

2e

Cytb562 、 b566 、

Fe-S 、 Cyt c1

☆ 复合体Ⅳ（细胞色素 c 氧化酶） 组成： Cyta 、 a3 ， Cu 作用：

CytC-Fe2+ O2-

CytC-Fe3+ 1/2O2

CuACyta

Cyta3 CuB

（二）呼吸链成分的排列顺序• 两条氧化呼吸链： 琥珀酸、 3- 磷酸甘油、脂酰 CoA

FAD

Fe-S ， b560

NADH→FMN→Fe-S→Q→b562 、 b 566 、 Fe-S 、 C1 →C →aa3 →O2

苹果酸、异柠檬酸、 β- 羟丁酸等

琥珀酸氧化呼吸链NADH 氧化呼吸链

Cu

• 呼吸链成分排列顺序的依据：⑴ 根据递氢体、递电子体的标准氧化还原

电位（ E0‘ ）的大小。 E0' 越小，给出电子的倾向越大，在呼吸链中的位置越是远离氧， E0' 越大，接受电子的倾向越大，在呼吸链中越接近氧。

氧化还原对 Eº' (V)

NAD+/NADH+H+ -0.32

FMN/ FMNH2 -0.30

FAD/ FADH2 -0.06

Cyt b Fe3+/Fe2+ 0.04（或0.10）Q10/Q10H2 0.07

Cyt c1 Fe3+/ Fe2+ 0.22

Cyt c Fe3+/Fe2+ 0.25

Cyt a Fe3+ / Fe2+ 0.29

Cyt a3 Fe3+ / Fe2+ 0.55

1/2 O2/ H2O 0.82

呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位

⑵ 体外将呼吸链拆开和重组可鉴定呼吸链 四种复合体的组成和排列顺序。 ⑶ 利用呼吸链特异抑制剂部分阻断电子传递。

鱼藤酮、异戊巴比妥 抗霉素 A CO 、 CN- 、 N3

- 、 H2S

NADH→FMN→Fe-S→Q→b562→b 566→Fe-S→C1 →C →aa3 →O2

★ 阻断的上游递氢（ e ）体为还原型；下游为氧化型。

⑷利用呼吸链各组分特有的吸收光谱：离体线粒体，无氧而有过量底物（还原状态），缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序。

呼吸链各组分特有的吸收光谱 NAD+ 260nm NADH 340nm

氧化型 FP 370 和 450nm 还原型 370nm

氧化型 cyt 消失 还原型 cyt 各有特殊

吸收光谱

二、氧化磷酸化（ oxidative phosphrylation ）

• 体内 ATP 的生成有两种方式：★底物水平磷酸化：代谢物分子的能量直接转移给 ADP （ GDP ）使之磷酸化为 ATP（ GTP ）的过程。★氧化磷酸化：呼吸链传递电子的过程（氧

化）中释放的能量使 ADP 磷酸化为 ATP的过程。偶联磷酸化。

（一）氧化磷酸化偶联部位：•确定偶联部位的方法：1、 P/O 比值： ★ P/O 比值是指物质氧化时每消耗 1mol 氧原子所消耗的无机磷的 mol 数。

★ P/O 比值也就是 ATP 生成的 mol 数。 2H+1/2 O2（ O）→ H2O ADP+H3PO4 →ATP

线粒体离体实验测得的一些底物的 P/O比值 底物 呼吸链的组成 P/O ATP

比值 生成数β- 羟丁酸 NAD→FMN→Q→cyt→O2 2.4～ 2.8 3

琥珀酸 FAD→Q→cyt→ O2 1.7 2

抗坏血酸 cyt c →cytaa3→ O2 0.88 1

CytC-Fe2+ cytaa3 → O2 0.61～ 0.68 1

2 、计算标准自由能变化（⊿ G0' ）： ★⊿G0'= -nF E⊿ 0'

n ：传递电子数； F ：法拉第常数（ 96.5kJ/mol.V ）； ⊿E0' ：半反应的标准电位变化 ★ADP+Pi→ATP G⊿ 0'= 30.5kJ/mol

呼吸链传递电子，⊿ G0‘ 30.5kJ/mol﹥ 的部位有氧化磷酸化的偶联，其余部位释放的能量以热形式散失。

电子传递链自由能变化

区段 电位变化(⊿ Eº′ )

自由能变化⊿ Gº′ =-nF⊿ Eº′

能否生成ATP(⊿ Gº′ 是否大于30.5KJ)

Cyt aa3~O2 0.53V 102.3KJ/mol 能

NAD+~CoQ 0.36V 69.5KJ/mol 能CoQ~Cyt c 0.21V 40.5KJ/mol 能

• 氧化磷酸化的偶联部位：

⊿G0'=69.5 ⊿G0'=40.5

⊿G0'=102.3

Ⅱ

Ⅲ

（二）氧化磷酸化的机制：1 、化学渗透假说（ chemiosmotic hypothesi

s ）：★呼吸链兼有 H+泵作用（由内向外）；★线粒体内膜跨膜【 H+】梯度（内低外高）和跨膜电位差（内负外正）形成并储存了能量；★ H+ 经 ATP 合酶的 H+ 通道顺浓度梯度回流驱动 ATP 的合成。

复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ有质子泵作用

FMNH2

2H+

Fe-SFe-S

QH2

b566 b562

QH2

2e

2H+2H+

2e

2H+

Fe-S

C1

Ca Cu a3

2H+

2e

½ O2+2H+

H2O

NAD+

NADH+H+

胞液

线粒体基质

ⅢⅠ Ⅱ Ⅳ F0

F1

Cyt c

Q

NADH+H+

NAD+

延胡索酸

琥珀酸

H+

1/2O2+2H+ H2O

ADP+Pi ATP

H+

H+

H+ 胞液侧

基质侧

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - -

化学渗透假说详细示意图

2 、 ATP 合酶（ ATP synthase ）复合体Ⅴ ☆F1 （亲水部分）： 亚基组成 -α3 β3 γδε 。 β 催化 ATP 合成。 ☆F0 （疏水部分）： a1b2c 9～ 12亚基组成，跨膜 H+ 通道。

☆F1 、 F0之间的柄部存在寡霉素敏感蛋白（ OSCP ），结合寡霉素后抑制 ATP 合酶活性。

δ

εγ

a c

b

F1

F0

☆当 H+ 顺浓度递度经 F0 中 a亚基和c亚基之间回流时， γ亚基发生旋转，3 个 β亚基的构象发生改变。

三、影响氧化磷酸化的因素：（一）抑制剂： 呼吸链抑制剂：阻断呼吸链中某些部位电

子传递的化合物。不同呼吸链抑制剂作用于呼吸链不同部位。

• 鱼藤酮、异戊巴比妥、粉蝶霉素 A ： 复合体Ⅰ的 Fe-S ；

• 抗霉素 A 、二巯基丙醇： 复合体Ⅲ Cytb→CytC1之间；

• CO 、 CN- 、 N3- 、 H2S ： Cytaa3

鱼藤酮粉蝶霉素 A异戊巴比妥

××

抗霉素 A二巯基丙醇

××

CO 、 CN-

、N3

-及 H2S××

各种呼吸链抑制剂的阻断位点

•解偶联剂： ☆使氧化与磷酸化的偶联过程脱离。基本机制是破坏线粒体内膜两侧的电化学梯度。

☆解偶联剂二硝基苯酚（ DNP）。 ☆棕色脂肪组织（及肌肉等组织）线粒体内膜中存在的解偶联蛋白可在线粒体内膜形成 H+通道；

☆FFA 促进 H+经解偶联蛋白通道向线粒体基质返流。

解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）

Ⅲ ⅢⅠ Ⅰ Ⅱ Ⅱ

FF0 0

FF1 1

Ⅳ Ⅳ

Cyt c

Q

胞液侧

基质侧

解偶联 蛋白

热能 HH+ +

HH+ + ADP+Pi ATP

• 氧化磷酸化抑制剂：对电子传递和 ATP合酶均有抑制。如寡霉素。

寡霉素寡霉素寡霉素寡霉素

鱼藤酮 抗霉素 A CO 、 CN- 、 异戊巴比妥 N3

- 、 H2S

NADH→FMN→Fe-S→Q→b562→b 566→Fe-S→C1 →C →aa3 →O2

Cu2

H+m H+m H+mH+c H+c H+c

跨膜电化学梯度

琥珀酸

FADFe-S ， b560

F1F0OSCP

H+cH+m

寡霉素

ADP+Pi ATP阻止 H+回流

解偶联剂：使 H+c→H+m

缺乏 ADP 时耗氧量低

加入底物：耗氧量变化

不明显；加入 ADP耗氧量↑↑

耗氧↓？ 继续加入ADP ，耗氧↑

耗氧↓？

（二） ADP 的调节作用：使 ATP 的生成速度适应生理需要。

• 呼吸控制率（ RCR ）：加入 ADP后的耗氧速率与仅有底物时的耗氧速率之比。作为观察氧化磷酸化程度的敏感指标。

（三）甲状腺素的作用• 诱导 Na+ ， K+--ATP 酶的合成，促进 A

TP→ADP+Pi ， ADP↑促进氧化磷酸化。• T3促进解偶联蛋白基因表达，引起耗氧

和产热均增加。（四）线粒体 DNA （ mtDNA ）突变：• 线粒体 DNA编码 13 条呼吸链复合体多

肽链、 22tRNA 基因、 2rRNA 基因。• mtDNA 的突变可影响氧化磷酸化， ATP

生成减少而致病。

四、 ATP和高能化合物（一）高能化合物：水解时释放能量较多（大于 2

1KJ/mol ）的化合物。习惯上认为高能化合物含有高能键（高能磷酸键、高能硫酯键）。

• ATP 是最重要的高能化合物

- O--O-O-O-

核苷二磷酸激酶的作用

ATP + UDP ADP + UTP

ATP + CDP ADP + CTP

ATP + GDP ADP + GTP

腺苷酸激酶的作用

ADP + ADP ATP + AMP

（二） ATP的生成和利用

ATP

ADP

肌酸

磷酸肌酸

氧化磷酸化 底物水平磷酸化

~P ~P

~P ~P

机械能 ( 肌肉收缩 )渗透能 (物质主动转运 ) 化学能 (合成代谢 )电能 (生物电 )热能 ( 维持体温 )

生物体内能量的储存和利用都以 ATP 为中心。

• ATP 通过氧化磷酸化和底物水平磷酸化生成。

• ATP 的利用：☆ATP+H2O→ADP+Pi

☆ATP+S→S-P+ADP

☆ATP+RCOOH+CoA→

RCO～ SCoA+AMP+PPi

☆ ATP+ →ADP+UDPGDPCDP

UTP （糖原合成）GTP （蛋白合成）CTP （磷脂合成）

• 磷酸肌酸——肌肉和脑组织能量储存形式。

NH2 HN～ P

C=NH C=NH

ATP+ H3C-N H3C-N +ADP

CH2 CH2

COOH COOH

肌酸 磷酸肌酸

肌酸激酶

• ADP 的利用： ATP消耗过多时

腺苷酸激酶 ADP+ADP AMP+ATP

五、通过线粒体内膜的物质转运•线粒体外膜通透性较高，允许分子量 1000 以内的物质通过。

•线粒体内膜具有选择性通透性，主要依赖内膜中不同的转运载体转运物质。

线粒体内膜的主要转运蛋白

胞 浆 线粒体基质

磷酸盐转运蛋白 H2PO4— H+ H2PO4

— H+

酸性氨基酸转运蛋白 谷氨酸 天冬氨酸

α-酮戊二酸转运蛋白 苹果酸 α-酮戊二酸

腺苷酸转运蛋白 ADP ATP

丙酮酸转运蛋白 丙酮酸 OH-

三羧酸转运蛋白 苹果酸 柠檬酸

碱性氨基酸转运蛋白 鸟氨酸 瓜氨酸

肉碱转运蛋白 脂酰肉碱 肉 碱

胞 浆 线粒体基质

磷酸盐转运蛋白 H2PO4— H+ H2PO4

— H+磷酸盐转运蛋白 H2PO4— H+ H2PO4

— H+

酸性氨基酸转运蛋白 谷氨酸 天冬氨酸酸性氨基酸转运蛋白 谷氨酸 天冬氨酸

α-酮戊二酸转运蛋白 苹果酸 α-酮戊二酸α-酮戊二酸转运蛋白 苹果酸 α-酮戊二酸

腺苷酸转运蛋白 ADP ATP 腺苷酸转运蛋白 ADP ATP

丙酮酸转运蛋白 丙酮酸 OH-丙酮酸转运蛋白 丙酮酸 OH-

三羧酸转运蛋白 苹果酸 柠檬酸三羧酸转运蛋白 苹果酸 柠檬酸

碱性氨基酸转运蛋白 鸟氨酸 瓜氨酸碱性氨基酸转运蛋白 鸟氨酸 瓜氨酸

肉碱转运蛋白 脂酰肉碱 肉 碱肉碱转运蛋白 脂酰肉碱 肉 碱

转运蛋白 功 能

（一）胞液中 NADH 的氧化：• 胞液中 3- 磷酸甘油等脱氢生成的 NADH

+H+ 在细胞有氧情况下进入线粒体氧化并产生 ATP 。

• NADH +H+需经 2 种转运机制进入线粒体，再通过呼吸链进行氧化磷酸化。

1 、 α- 磷酸甘油穿梭：主要存在于脑和骨骼肌。经此途径每 1 NADH +H+ 氧化产生 2ATP 。

NADH+H+

FADH2

NAD+

FAD

线粒体 内膜

线粒体 外膜

膜间隙 线粒体 基质

α- 磷酸甘油 脱氢酶

呼吸链 磷酸二羟丙酮

α- 磷酸甘油 α- 磷酸

甘油

磷酸二羟丙酮

2 、苹果酸 -天冬氨酸穿梭：主要存在于肝和心肌。经此途径每 1 NADH +H+ 氧化产生 3ATP 。

NADH +H+

NAD+

NADH +H+

NAD+

谷氨酸 -天冬氨酸 转运体

苹果酸 -α-酮 戊二酸转运体

α- 酮戊二酸

谷氨酸

苹果酸 脱氢酶

谷草转 氨酶

胞液

线粒体内膜

基质

呼吸链 天冬氨酸

苹果酸

草酰乙酸

天冬氨酸

苹果酸

草酰乙酸

α- 酮戊二酸

α- 酮戊二酸

天冬氨酸

谷氨酸 -谷氨酸

（二） 腺苷酸转运蛋白

腺苷酸转运蛋白 (adenine nucleotide transporter)

参与 ADP 与 ATP 反向转运。

ATP4-

F0

F1

胞液侧

基质侧 腺苷酸转运蛋白

磷酸转运蛋白

ADP3- H2PO4- ATP4- H+

H+

H+

H+

H2PO4-

H2PO4-

ADP3-

ADP3-

（三）线粒体蛋白质的跨膜转运• 90% 以上的线粒体蛋白质由核 DNA 编码，

线粒体外合成。• 线粒体基质蛋白质的转运。• 定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白经加

工肽酶作用后暴露新的氨基端疏水肽段，引导多肽链重新穿过内膜，此疏水肽段被膜间隙的酶切除，才能形成成熟的蛋白质。

解折叠酶使前体蛋白结构松散受体

接触位点总插入蛋白

NH2加工肽酶去除前导序列

成熟的基质蛋白质

胞液

线粒体基质

前体蛋白

第二节 其他氧化体系

一、需氧脱氢酶和氧化酶：

受氢体 辅酶（辅基） 产物

不需氧脱氢酶 辅酶

需氧脱氢酶 O2 FMN或FAD H2O2

氧化酶 O2 含Cu H2O

受氢体 辅酶（辅基） 产物

不需氧脱氢酶 辅酶

需氧脱氢酶 O2 FMN或FAD H2O2

氧化酶 O2 含Cu H2O

二、过氧化物酶体中的酶类

（一）过氧化氢酶 (catalase)

又称触酶，其辅基含 4 个血红素

2H2O2 2H2O + O2

过氧化氢酶

（二）过氧化物酶 (perioxidase)

以血红素为辅基，催化 H2O2直接氧化

酚类或胺类化合物

R + H2O2 RO + H2O

RH2+ H2O2 R + 2H2O

过氧化物酶

过氧化物酶

谷胱甘肽过氧化物酶

H2O2

(ROOH)

H2O(ROH+H2O)

2G –SH

G –S – S – G

NADP+

NADPH+H+

* 此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤

谷胱甘肽还原酶

含硒的谷胱甘肽过氧化物酶

反应氧族：超氧离子 (O2﹣) 、 H2O2 、羟

自由基 (•OH) 的统称。

三、超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase SOD ）

2O2﹣+ 2H+

SOD H2O2 + O2

H2O + O2

过氧化氢酶

四、微粒体氧化酶：• 加单氧酶（混合功能氧化酶、羟化酶）： ☆ 利用氧分子在代谢物中加入一个氧原子； 需 NADPH 提供电子，黄素蛋白（辅基 F

AD ）、铁氧还蛋白（辅基 Fe-S ） Cyt-P4

50 传递电子。 ☆ 参与类固醇激素、胆汁酸及胆色素的生成

和生物转化作用。RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O

RH.P450.Fe2+

RH.P450.Fe3+

RH

P450.Fe3+

R-OH

O2

RH.P450.Fe2+.O2

RH.P450.Fe3+.O2-

RH.P450.Fe2+.O2-

NADPH+H+

NADP+

FAD

FAD.2H

2 （ Fe2S2 ） 2+

2 （ Fe2S2 ） 3+

2e

2H+H2O

①

② ③

④

⑤⑥

（二）加双氧酶：利用氧分子在代谢物中加入2 个氧原子。

O

NH2NH

NH

O

COOH

NH2

CHO

例 如：

(O2)

色氨酸吡咯酶

复习思考题1 、物质在体内和体外氧化有何异同？2 、何谓呼吸链？试述其组成和排列顺序。3 、试述 ATP 的生成方式、过程以及 ATP

的利用方式。4 、何谓穿梭系统？体内有哪些穿梭系统？

各有何作用？5 、过氧化氢酶、过氧化物酶、 SOD 、加

单氧酶有何作用？辅助因子各有哪些？

6 、呼吸链抑制剂、解偶联剂、氧化磷酸化抑制剂有何不同？代表性化合物各有哪些？

7 、有哪些方法可证明氧化磷酸化的偶联部位？

8 、解释名词： 生物氧化、呼吸链、氧化磷酸化、 P/O

比值、呼吸控制率、底物水平磷酸化。9 、维生素在生物氧化中有哪些作用？