第 六 章第 六 章第 六 章第 六 章

生 物 氧 化Biological Oxidation

本章内容概要：

一、概述

二、生成 ATP 的氧化体系 1 、呼吸链的主要成分 2 、呼吸链中传递体的排列顺序 3 、主要的呼吸链 4 、生物氧化过程中 ATP 的生成 5 、 ATP 的利用与贮存

三、非线粒体氧化体系

指糖、脂肪、蛋白质等营养物质在体内分解时逐步释放能量，最终生成 CO2 和 H2O 的过程。

* 生物氧化的概念：

指糖、脂肪、蛋白质等营养物质在体内分解时逐步释放能量，最终生成 CO2 和 H2O 的过程。

糖

脂肪

蛋白质

CO2 和 H2O O2

能量

ADP+Pi

ATP

热能

* 生物氧化的概念：

* 生物氧化与体外氧化之相同点

生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。

物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（ CO2 ， H2O ）和释放能量均相同。

是在细胞内温和的环境中（体温， pH 接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放有利于有利于机体捕获能量，提高 ATP 生成的效率。

进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；脱下的氢与氧结合产生 H2O ，有机酸脱羧产生 CO2 。

* 生物氧化与体外氧化之不同点

生物氧化 体外氧化能量是突然释放的。

产生的 CO2 、 H2O 由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。

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（生成 ATP ）

第二节

生成 ATP 的氧化体系The Oxidation System of ATP Producing

定义位于线粒体内膜上，能把代谢物脱下的成

对氢原子（ 2H ）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链 (respiratory chain) 。又称电子传递链 (electron transfer chain) 。

组成递氢体和电子传递体（ 2H 2H+ + 2e ）

一、呼吸链

（一）呼吸链的组成

* 泛醌 和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。

人线粒体呼吸链复合体

复合体 酶名称

复合体Ⅰ

复合体Ⅱ

复合体Ⅲ

复合体Ⅳ

NADH-泛醌还原酶

琥珀酸-泛醌还原酶

泛醌-细胞色素C还原酶

细胞色素c氧化酶

辅基

FMN，Fe-S

FAD，Fe-S

铁卟啉，Fe-S

铁卟啉，Cu

多肽链数

39

4

10

13

复合体 酶名称

复合体Ⅰ

复合体Ⅱ

复合体Ⅲ

复合体Ⅳ

NADH-泛醌还原酶

琥珀酸-泛醌还原酶

泛醌-细胞色素C还原酶

细胞色素c氧化酶

辅基

FMN，Fe-S

FAD，Fe-S

铁卟啉，Fe-S

铁卟啉，Cu

多肽链数

39

4

10

13

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-

呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置

1. 复合体Ⅰ : NADH- 泛醌还原酶

功能 : 将 NADH 中的 H （电子）传递给泛醌 。

NADH CoQ FMN; Fe-S

复合体Ⅰ

NAD+ 和 NADP+ 的结构

R=H： NAD+; R=H2PO3： NADP+

NAD+ （ NADP+ ）和 NADH （ NADPH ）相互转变

氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。

FMN 结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是 FMN• 。

铁硫蛋白中辅基铁硫簇 (Fe-S) 含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行 Fe2+ Fe3++

e 反应传递电子。

Ⓢ 表示无机硫

泛醌（辅酶 Q, CoQ, Q ）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人 CoQ10 ），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。

复合体Ⅰ的功能

NADH+H+

NAD+

FMN

FMNH2

还原型 Fe-S

氧化型 Fe-S

Q

QH2

2. 复合体Ⅱ : 琥珀酸 - 泛醌还原酶

功能 :: 将琥珀酸等代谢物脱下的 H （电子） 传 递给泛醌。

琥珀酸 CoQFAD; Fe-S ； b560

复合体Ⅱ

细 胞 色 素

细胞色素（ Cyt) 是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。在呼吸链中起传递电子的作用。

参与电子传递链组成的 Cyt 有 Cytb、 Cytc1、 Cytc、 Cyta、 Cyta3。 其中 Cyta和Cyta3结合牢固，不易分离，特称为 Cytaa3（细胞色素 C 氧化酶）。

3. 复合体Ⅲ : 泛醌 - 细胞色素 c 还原酶

功能：将电子从泛醌传递给细胞色素 c

复合体Ⅲ

QH2 Cyt c

Cytb; Fe-S; Cyt c1

Cyt c极易与线粒体分离，故不包含在各复合体中。

4. 复合体Ⅳ : 细胞色素 c 氧化酶

功能：将电子从细胞色素 c 传递给氧

复合体Ⅳ

还原型 Cyt c → → O2CuA→a→a3→CuB

其中 Cyt a3 和 CuB 形成的活性部位将电子交给 O2 。

由以下实验确定

① 标准氧化还原电位

② 拆开和重组

③ 特异抑制剂阻断

④ 还原状态呼吸链缓慢给氧

（二）呼吸链成分的排列顺序

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1 、据

标准氧化还原电位 (Eo ′)

Eo ′ 是衡量一种物质失（或得到） H 、 e 的趋势大小 的一种指标。Eo ′ 可为正值亦可为负值： ①Eo ′ 为“ - ” ，表示该物质易失去 H （或 e ）， ②Eo ′ 为“ +” ，表示该物质易得到 H （或 e ）。

在连续的氧化还原反应中， H （ e ）的流动方向（传

递方向）是：由低 Eo ′ 高 Eo ′ 。

即在体外实验中，将线粒体分成各种复合物，检测其各自的催化的反应，再将其重组，检测其催化能力。 格林实验室成功地将呼吸链分离成具有催化活性的四种复合物以及 CoQ 和 Cytc ，检测其各个复合物的功能发现： CoQ 在复合物 I 与 III ， II 与 I

II 之间传递还原当量， Cytc 在复合物 III 与 IV 之间传递还原当量，他们又将四种复合物 1:1:1:1 的比例混合，加上 CoQ 和 Cytc重组，恢复了原有的催化能力。

2 、拆开与重组

即使用特异的抑制剂，特异地阻断呼吸链的特定环节，阻断部位的底物一侧的各种传递体应为氧化型，阻断部位的氧一侧的各种传递体应为还原型。

FAD Cytb Cytc+c1 Cytaa3

琥珀酸 40 25 19 4

琥珀酸 +抗霉素 A 100 100 0 0

33 、、特异抑制剂阻断

即使用特异的抑制剂，特异地阻断呼吸链的特定环节，阻断部位的底物一侧的各种传递体应为氧化型，阻断部位的氧一侧的各种传递体应为还原型。

FAD Cytb Cytc+c1 Cytaa3

琥珀酸 40 25 19 4

琥珀酸 +抗霉素 A 100 100 0 0

33 、、特异抑制剂阻断

从表中可看出， FAD,Cytb 位于抗霉素 A阻断之前， Cy

tc,

c1,aa3 位于阻断部位之后。用不同的抑制剂作此实验，就可以确定呼吸链中各种传递体的排列顺序。

即根据在有氧条件下氧化反应达到平衡时各种传递体的还原程度来确定。使用分光光度法测定离体的线粒体在有氧条件下三羧酸循环反应达到平衡时，呼吸链中各种传递体的还原程度，反应达到平衡时从底物一侧到氧一侧的各种传递体的还原程度应当是递减的，底物的一侧最高，氧一侧最低，如下表中数据所示：

4 、还原状态呼吸链缓慢给氧

传递体 NAD FMN Cytb Cytc Cytaa3

还原型 % 53 20 16 6 1

1. NADH 氧化呼吸链NADH → 复合体Ⅰ→ Q → 复合体Ⅲ→ Cyt c → 复合体Ⅳ→ O2

2. 琥珀酸氧化呼吸链

琥珀酸 →复合体Ⅱ → Q → 复合体Ⅲ→ Cyt c → 复合体Ⅳ→ O2

NADH 氧化呼吸链

FADH2 氧化呼吸链

NADH 氧化呼吸链

FADH2 氧化呼吸链

两条呼吸链交汇于 CoQ

不同代谢物脱下 2H经由相同或不相同的呼吸链传递。

四、生物氧化中 ATP 的生成

高能磷酸键与高能磷酸化合物

高能磷酸键水解时释放的能量大于 21KJ/mol 的磷酸

酯键，常表示为 P 。

高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物

2P

OH

OH

OH

O O

OH

HHOH OH

HH

N

N

N

N

OO CHO

NH2

= p p

OH OH

ATPADP

AMP

腺

苷OOO

HO ～～

AMP

ADP

ATP

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。

底物水平磷酸化 ------ ATP 生成的次要方式： 是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使 ADP磷酸化生成 ATP 的过程。

1,3- 二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸

磷酸烯醇式丙酮酸 烯醇式丙酮 酸

琥珀酰 COA 琥珀酸

3-磷酸甘油酸脱氢酶

丙酮酸激酶

琥珀酰 COA 合成酶

ADP ATP

ADP ATP

GDP GTPADP ATP

氧化磷酸化

* 定义： (oxidative phosphorylation) 指物质代谢

过程中底物脱下的氢（电子），经呼吸链传递给氧生成水的过程中释放能量使 ADP磷酸化成 ATP 的过程。

这是体内生成 ATP 的最主要方式。

代谢物（ 2H ）

产物

2H NADH+H+

呼 吸 链

释放能量

ADP + Pi ATPATP 合酶

1/2O2NAD+2H

H2O

氧化

磷酸化

氧化磷酸

化

（一）氧化磷酸化偶联部位

氧化磷酸化偶联部位：根据 P/O比值和自由能变化（ △ Go′= - n F E△ o′ ），得以下结论：

（（ ATPATP 的生成部位）的生成部位）

1 、 NAD+到 CoQ 之间2 、 CoQ到 Cytc 之间3 、 Cytaa3到 O2 之间

一、据 P/0值： 指在氧化磷酸化过程中每消耗一克原子氧所消耗的无机磷的克原子数，或者说每消耗一克原子氧所生成的 ATP 的克分子数。P/0值实质上指的是呼吸过程中磷酸化的效率。

测定 P/0值的方法通常是在一密闭的容器中加入氧化的底物、 ADP 、 Pi 、氧饱和的缓冲液，再加入线粒体制剂时就会有氧化磷酸化进行。反应终了时测定 O2 消耗量 ( 可用氧电极法 ) 和 Pi 消耗量 (或 ATP 生成量 )就可以计算出 P/0值了。在反应系统中加入不同的底物（ β-羟丁酸、琥珀酸、抗坏血酸、细胞色素 c ），可测得各自的 P/

0值，结合我们所了解的呼吸链的传递顺序，就可以分析出大致的偶联部位了。

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比值 可能生成的 ATP数

β-羟丁酸 NAD+→复合体Ⅰ → CoQ→复合体Ⅲ 2.4～2.8 3

→ Cyt c→复合体Ⅳ→ O2

琥珀酸 复合体Ⅱ → CoQ→复合体Ⅲ 1.7 2

→ Cyt c→复合体Ⅳ→ O2

抗坏血酸 Cyt c→复合体Ⅳ→ O2 0.88 1

细胞色素c (Fe2+) 复合体Ⅳ→ O2 0.61-0.68 1

二、据标准自由能变化（△ Go′ ）；△Go′= - n F E△ o′

n 代表转移电子数F 代表法拉弟常数（ 96.5kJ/mol)

每合成 1 个 ATP 所需的能量为 30.5kJ/mol ，故只要电子传递过程中由于电位降而产生的能量高于此，就能使 ADP磷酸化成 ATP 。

FMNFe-S

FADFe-S

NADH

COQ

Cyt b

Cyt c1

Cyt c

Cyt aa3

o2

0.36V

0.21V

0.53V

两条不同的呼吸链生成 ATP 的位置和数目示意图：

-0.32V

0.04V

0.25V

0.29V

0.82V

69.48kJ/mol

40.53kJ/mol

102.3kJ/mol

0.07V

-0.06V

ATPATP ATP

氧化磷酸化偶联部位

（二） 氧化磷酸化的偶联机制

1. 化学渗透假说 (chemiosmotic hypothesis)

电子经呼吸链传递时，可将质子（ H+ ）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动 A

DP 与 Pi 生成 ATP 。

有关氧化磷酸化的偶联机理已经作了许多研究，目前氧化磷酸化的偶联机理还不完全清楚，50年代 Slater及 Lehninger 提出了化学偶联假说， 1964年 Boear 又提出了构象变化偶联假说，这两种学说的实验依据不多，支持这两种观点的人已经不多了。目前多数人支持化学渗透假说 (c

hemiosmotic hypothesis) ，这是英国生化学家 P.

Mitchell 于 1961年提出的，当时没有引起人们的重视， 1966年他根据逐步积累的实验证据和生物膜研究的进展，逐步地完善了这一学说。

氧化磷酸化的化学渗透假说的基本观点是：

1. 线粒体的内膜中电子传递与线粒体释放 H+ 是

偶联的，即呼吸链在传递电子过程中释放出来的能

量不断地将线粒体基质内的 H+逆浓度梯度泵出线

粒体内膜。（这一过程的分子机理还不十分清楚）

(见下图）。

2. H+ 不能自由透过线粒体内膜，结果使得线粒体内膜外侧 H+浓度增高，基质内 H+

浓度降低，在线粒体内膜两侧形成一个质子跨膜梯度，线粒体内膜外侧带正电荷，内膜内侧带负电荷，这就是跨膜电位△ ψ

3 、 线粒体内膜外侧的 H+ 可以通过线粒体内膜

上的质子通道顺着 H+浓度梯度进入线粒体基质

中， H+ 顺浓度梯度方向运动所释放的自由能就

可以用于 ATP 的合成。但有关 ATP 合成的分子

机制目前还不十分清楚。

线粒体基质 线粒体膜

+ + + +

- - - -

H+

O2

H2O

H+

e-

ADP+

Pi ATP

化学渗透假说简单示意图

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（复合体 V ）

由亲水部分 F1 （ α3β3γδε亚基 ）和疏

水部分 F0 （ a1b2c9 ～ 12亚基）组成。

内膜嵴

外膜膜间

腔

基质

F0 F1

内膜

Fo的功能： H+ 顺浓度梯度经 Fo回流至内膜基

质面时将质子梯度产生的能量导向 F1，驱动 AD

P 与 Pi生成 ATP 。

F1的功能：催化 ADP 和 Pi生成 ATP ， 为催

化亚基，但须与亚基结合才有活性。

三、影响氧化磷酸化的因素

1. 呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。

2. 解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。

如：解偶联蛋白 3. 氧化磷酸化抑制剂

对电子传递及 ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素

（一）抑制剂

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

三、影响氧化磷酸化的因素

1. 呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。

2. 解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。

如：解偶联蛋白 3. 氧化磷酸化抑制剂

对电子传递及 ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素

（一）抑制剂

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

解偶联剂的作用是促进解偶联剂的作用是促进 HH++ 被动扩散通过被动扩散通过

线粒体内膜，即增强线粒体内膜对线粒体内膜，即增强线粒体内膜对 HH++ 的通透的通透

性，解偶联剂能消除线粒体内膜两侧的质子性，解偶联剂能消除线粒体内膜两侧的质子

梯度，所以不能再合成梯度，所以不能再合成 ATPATP 。。

--------新生儿硬肿症

三、影响氧化磷酸化的因素

1. 呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。

2. 解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。

如：解偶联蛋白 3. 氧化磷酸化抑制剂

对电子传递及 ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素

（一）抑制剂

寡霉素能特异阻断这个 H+ 通道，阻止质子回流，

从而抑制 ATP 合成。此时由于线粒体内膜两侧质子

电化学梯度增高而影响呼吸链质子泵的功能，继而

抑制电子传递。

（二） ADP 的调节作用 ADP浓度增高，氧化磷酸化加快。反之。

（三）甲状腺激 素 Na+,K+–ATP 酶和解偶联蛋白基因表达均增加。

（四）线粒体 DNA 突变

可使氧化磷酸化受影响而 ATP 生成减少（致病）。

五、 ATP 的利用和贮存

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 + UDP ADP + UTP （糖原合成）

ATP + CDP ADP + CTP （磷脂合成）

ATP + GDP ADP + GTP （蛋白合成）

腺苷 酸激酶的作用

ADP + ADP ATP + AMP

核苷二磷酸激酶

三磷酸核苷之间的互变

肌酸激酶的作用

磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。

第三节 非线粒体氧化体系

本节概述（了解）： 1 、微粒体氧化体系 2 、过氧化物酶体氧化体系

一、微粒体中的酶类

（一）加单氧酶 (monoxygenase)

* 催化的反应：

RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O

故又称混合功能氧化酶 (mixed-function ox

idase)

或羟化酶 (hydroxylase) 。上述反应需要细胞色素 P450 (Cyt P450)参与。

（二）加双氧酶

此酶催化氧分子中的 2 个氧原子加到底物中带双键的 2 个碳原子上。

O

NH2NH

NH

O

COOH

NH2

CHO

例 如：

(O2)

色氨酸吡咯酶

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

H2O2 对机体的影响：

有利作用：1 、在粒细胞和巨噬细胞中能杀死有害细菌；

2 、有利于甲状腺素的合成；

危害作用：

1 、氧化含巯基的酶或蛋白质，使活性丧失；

2 、形成过氧化脂质，损伤生物膜；生成脂褐素；

（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

（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

白细胞含过氧化物酶，可将联苯氧化成蓝色化合物，临床上可用于判断粪便有无隐血。

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。

超氧化物歧化酶： SOD

2O2﹣+ 2H+ SOD

H2O2 + O2

H2O + O2

过氧化氢酶

总的来说，这些线粒体以外的氧化过程，其特点是不伴磷酸化，不能生成 ATP ，主要与体内代谢物，药物和毒物的生物转化有关 !