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生物氧化
生物化学与分子生物学第六章生物氧化知识点概述，包括线粒体氧化体系与呼吸链、氧化磷酸化与ATP生成、氧化磷酸化的影响因素等内容。
编辑于2022-11-02 10:40:35 广东- 生物氧化
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生物氧化
概述
定义
化学物质在生物体内的氧化分解过程称为生物氧化
特点
需要有酶催化
分阶段逐步完成
氧化场所
氧化过程及产物各不相同。 本章重点介绍线粒体氧化体系及能量的产生机制。
线粒体
产物是CO2和H2O，需要消耗氧并伴随能量的产生，能量主要用于生成ATP
微粒体、内质网等
对底物进行氧化修饰、转化等，并无ATP的生成
第一节 线粒体氧化体系与呼吸链
概述
线粒体氧化体系的主要功能是为机体提供能量，包括热能、ATP等
在线粒体内，糖、脂肪、蛋白质等营养物质在被彻底氧化分解为CO2和H2O的过程中释放能量，但其氧化过程需要在酶的催化下逐步进行，能量也不会在瞬间大量释放产生高温、高热，而是逐渐释放并储存在ATP中。营养物质被氧化时常发生脱氢反应，脱下来的氢（H﹢+e﹣）以NADH＋H﹢（简写为NADH）、FADH2等形式存在。NADH和FADH2在线粒体被氧化时，需要一系列的酶催化，逐步脱氢、失电子，最终将电子和H﹢传递给氧而生成水，同时释放能量用于生成ATP。
需要多种具有传递氢和电子的组分参与氧化还原反应
一、线粒体氧化体系含多种传递氢和电子的组分
概述
底物脱氢和失去电子是生物氧化的基本化学过程
能够传递氢和电子的物质称之为递电子体或递氢体
如金属离子小分子有机化合物、某些蛋白质等
线粒体氧化体系主要将NADH和FADH2中的H﹢和电子传递给氧
（一）烟酰胺腺嘌呤核苷酸传递氢和电子
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（ NAD﹢）
NAD﹢是许多脱氢酶的辅酶
烟酰胺环的五价氮原子，能接受2H中的双电子成为三价氮，为双电子传递体，同时芳环接受一一个H﹢进行加氢反应。由于此反应只能接受1个H﹢和2个电子，游离出一个H﹢在介质中，因此将还原型的NAD﹢写成NADH＋H﹢（简写为NADH）
加氢反应
NADH＋H﹢
通过烟酰胺环传递H﹢和电子
烟酰胺腺嘌呤ニ核苷酸磷酸（NADP﹢）
NAD﹢结构中核糖的2位羟基被磷酸化后生成
加氢反应
NADHP＋H﹢
传递氢和电子，但参与不同的反应
（二）黄素核苷酸衍生物传递氢和电子
黄素核苷酸衍生物
维生素B2与核苷酸形成的有机化合物
通过维生素B2中的异咯嗪环进行可逆的加氢和脱氢反应
黄素单核苷酸（FMN）
异咯嗪环接受1个H+和1个电子
不稳定的FMNH•
再接受1个H+和1个电子
还原型FMNH2
黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）
异咯嗪环接受1个H+和1个电子
不稳定的FADH•
再接受1个H+和1个电子
还原型FADH2
FMN、FAD发挥传递氢和电子的作用，是黄素蛋白的辅基
（三）有机化合物泛醌传递氢和电子
泛醌又称辅酶Q（CoQ或Q），是一种脂溶性醌类化合物
其结构中异戊二烯单位的数目因物种而异，人体内的Q是10个异戊二烯单位连接的侧链，用Q10表示。Q的疏水特性使其能在线粒体内膜中自由扩散。
Q结构中的苯部分接受1个电子和1个H+还原为半醌（QH•）
再接受1个电子和1个H+还原为二氢泛醌（QH2）
反之，QH2可逐步失去H+和电子被氧化为Q，可进行双、单电子的传递
（四）铁硫蛋白和细胞色素蛋白传递电子
铁硫蛋白，因其含有铁硫中心而得名
Fe-S是Fe离子通过与无机硫（S）原子及铁硫蛋白中半胱氨酸残基的SH连接而成。Fe-S有多种形式，可以是单个Fe离子与4个半胱氨酸残基的SH相连，可以是2个、4个Fe离子通过与无机S原子及半胱氨酸残基的SH连接，形成Fe2S2、Fe4S4。
Fe-S通过Fe2﹢↔Fe3﹢＋e﹣的可逆反应，每次传递一个电子
单电子传递体
细胞色素（Cyt）是一类含血红素样辅基的蛋白质
根据其吸光度和最大吸收波长不同
各种还原型Cyt均有3个特征性的α、B、γ可见光吸收峰，Cyt光吸收的差异是由于血红素中卟啉环的侧链基团、血红素在蛋白质中所处环境不同所致
Cyt a
血红素a
卟啉环侧链中，1个甲基被甲酰基取代，1个乙烯基连接聚异戊二烯长链，非共价键与Cyt a蛋白相连
Cyt b
血红素b
结构与血红蛋白中的血红素相同，非共价键与Cyt b蛋白相连
Cyt c
血红素c
卟啉环的乙烯基侧链共价键与蛋白质中半胱氨酸残基的一SH相连
通过辅基血红素中的Fe离子发挥单电子传递体的作用
二、具有传递电子能力的蛋白质复合体组成呼吸链
概述
呼吸链定义
催化线粒体中连续酶促反应的酶是由多个含辅因子的蛋白质复合体组成，按一定顺序排列在线粒体内膜中，形成一个连续传递电子/氢的反应链，氧分子最终接受电子和H+生成水，故称为电子传递链
线粒体是真核细胞生成ATP的主要部位。 NADH、FADH2在线粒体中通过逐步连续的酶促反应被氧化，并逐步释放能量，除了产生热能外，释放的能量主要被ADP捕获用于生成ATP。
此体系需要消耗氧，与需氧细胞的呼吸过程有关，也称之为呼吸链
呼吸链组成
位于线粒体内膜上的4种蛋白质复合体
每个复合体都由多种酶蛋白、金属离子、辅酶或辅基组成。复合体的辅因子通过得失电子的方式传递电子；有些复合体是跨膜蛋白质，可将H+从线粒体基质侧转运至细胞质侧，形成线粒体内膜两侧H+浓度和电荷的梯度差。因此，呼吸链在传递电子的过程中，伴随着H+的跨膜转运，下面将分别叙述各复合体的组成、辅因子、结构特点以及功能。
复合体Ⅰ
复合体Ⅱ
复合体Ⅲ
复合体Ⅳ
过程
（一）复合体Ⅰ将NADH中的电子传递给泛醌
（1）定义
复合体Ⅰ又称NADH-Q还原酶或NADH脱氢酶，是呼吸链的主要入口
（2）结构
由黄素蛋白、铁硫蛋白等组成的跨膜蛋白质，呈“L”型
均通过辅基发挥传递电子作用
通过辅基发挥传递电子作用
长臂突出于线粒体基质，包括黄素蛋白（含FMN和Fe-S辅基）、铁硫蛋白（含Fe-S辅基），可结合基质中的NADH
横臂嵌于内膜，为复合体的疏水部分，含Fe-S辅基
（3）功能
①接受来自NADH的电子并转移给Q
传递电子的过程：NADH→FMN→Fe-S→Q
黄素蛋白辅基FMN从基质中接受NADH中的2H+和2e-生成FMNH2，经过一系列的Fe-S将电子传递给内膜中的Q，形成QH2。 由于Q在线粒体内膜中可自由移动，在各复合体间募集并穿梭传递氢，因此在电子传递和质子的移动中发挥核心作用。
②质子泵功能
将一对电子从NADH传递给Q的过程中，能将4个H+从线粒体的基质侧（N侧）泵到膜间隙侧（P侧）
泵出质子所需的能量来自电子传递过程。
（二）复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递到泛醌
（1）定义
复合体Ⅱ是琥珀酸-泛醌还原酶，即三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶
（2）结构
疏水亚基锚定于线粒体内膜
伸向基质的亚基含有结合底物琥珀酸的位点，以及Fe-S和FAD辅基
（3）功能
将电子从琥珀酸传递给Q
传递电子的过程：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q
催化底物琥珀酸的脱氢反应，使FAD转变为FADH2，后者再将电子经Fe-S传递到Q。 此过程释放的自由能较小，不足以将H+泵出线粒体内膜，因此复合体Ⅱ没有H+泵的功能。代谢途径中另外一些含FAD的脱氢酶，如脂酰CoA脱氢酶、a-磷酸甘油脱氢酶、胆碱脱氢酶等，通过不同的方式将相应底物脱下的氢经FAD传递给Q，进入呼吸链。
（三）复合体Ⅲ将电子从还原型泛醌传递至细胞色素c
（1）定义
复合体Ⅲ又称泛醌-细胞色素c还原酶
（2）结构
由Cytb（b562，b566）、Cyt c1和铁硫蛋白组成二聚体，呈梨形
Cyt c1和铁硫蛋白的疏水区段将复合体锚定在线粒体内膜
2个Q结合位点，分别处于膜间隙侧（QP）和基质侧（QN位点）
（3）功能
①接受QH2的电子并传递给 Cyt c
Q从复合体Ⅰ、复合体Ⅱ募集氢，产生的QH2穿梭至复合体Ⅲ，后者将电子传递给Cyt c蛋白。 Cyt c是呼吸链中唯一的水溶性球状蛋白质，与线粒体内膜的外表面疏松结合，不包含在上述复合体中。Cyt c从复合体Ⅲ中的Cyt c1获得电子传递到复合体Ⅳ。
传递电子的过程：QH2→Cyt b→Fe-S→Cyt c1→Cytc
由于Q是双电子传递体，而Cyt c是单电子载体，所以复合体Ⅲ将电子从QH2传递给Cyt c的过程是通过“Q循环”（Q cycle）实现的。简单而言，QH2结合在QP位点，分别将2e-经Fe-S传递给Cyt c1和结合在QN位点的Q。此过程重复一次后，QP位点的QH2将2e-经Cyt c1传递给2分子Cyt c，重新释放Q到内膜中，而QN位点的Q接受2e-和基质的2H+被还原为QH2。因此每2分子QH2经过Q循环，生成1分子Q和1分子QH2，将2e-经Cyt c1传递给2分子Cyt c。
②质子泵功能
每传递2e-向膜间隙释放4H+
（四）复合体Ⅳ将电子从细胞色素c传递给氧
（1）定义
复合体Ⅳ又称细胞色素c氧化酶，是电子传递链的出口
（2）结构
包含13个亚基，亚基1～3构成复合体Ⅳ的核心结构，含Fe、Cu离子结合位点，发挥电子传递作用
亚基2，CuA中心
亚基2的半胱氨酸一SH可结合2个Cu离子，每个Cu离子都可传递电子，形成一个双核中心的功能单元，称CuA中心，其结构类似Fe2S2。 CuA中心与Cyt a蛋白中血红素的Fe极为接近（1.5nm），电子可由CuA中心传递到Cyt a
亚基1，Fe-Cu中心
含血红素a和a3，在血红素a3邻近处结合1个Cu离子，称CuB，因此血红素a3的Fe离子和CuB形成第二个双核中心，即血红素a3—CuB（Fe-Cu）中心
双核中心是复合体Ⅳ发挥电子传递的功能单元
O2在获得电子过程产生的具有强氧化性的O2-.和O22-离子中间物始终和双核中心紧密结合，通常不会对细胞组分造成损伤。
（3）功能
①接受还原型Cyt c的电子并传递给O2生成H2O
传递电子的过程：Cyt c→CuA→Cyt a→Cyt a3-CuB→O2
还原型Cyt c蛋白提供的电子经CuA中心传递到Cyt a，再到Fe-Cu中心。需要依次传递4个电子，并从线粒体基质获得4个H＋，最终将1分子O2还原为2分子H2O。其过程为：Cyt a传递第一个、第二个电子到氧化态的Cyt a3-CuB双核中心（Cu2＋和Fe3＋），使Cu2＋和Fe3＋被还原为Cu＋和Fe2＋，并结合O2分子，形成过氧桥连接的CuB和Cyt a3，相当于2e-传递至结合的O2。中心再获得2个H＋和第三个电子，O2分子键断开，Cyt a3出现Fe4+中间态。再接受第四个电子，Fe4＋还原为Fe3＋并形成CuB 2+和Fe3+各结合1个OH基团的中间态。最后再获得2个H+，双核中心解离出2个H2O分子后恢复初始的氧化态。
生成的H2O通过亚基1和3之间的亲水通道排入胞质侧
②质子泵功能
每传递2e-将2个H+泵至膜间隙侧
三、NADH和FADH是呼吸链的电子供体
（1）水溶性电子载体
营养物质的分解代谢中，大部分脱氢酶以NAD+、NADP+、FMN或者FAD为辅酶或辅基，用来接受从底物上脱下来的成对氢，生成还原态的NADH＋H+、 NADPH＋H+、FMNH2和FADH2，它们都是水溶性的电子载体。
复合体Ⅰ即为NADH脱氢酶，可使线粒体中的NADH通过呼吸链彻底氧化，参与能量代谢
虽然 NADPH通过相同的机制传递氢，但所含的磷酸基团可被生物合成过程中的酶特异性识别，主要用于还原反应，而非参与能量代谢。
复合体Ⅱ通过结合底物琥珀酸并将其脱氢氧化，产生的FADH2直接进入呼吸链进行氧化释能
NADH和FADH2是呼吸链的电子供体，FMN和FAD作为黄素蛋白辅基参与电子传递
（2）呼吸链
由NADH和FADH2提供氢，通过4个蛋白质复合体、Q，以及介于复合体Ⅲ与Ⅳ之间的Cyt c共同完成电子的传递
复合体Ⅱ并不是处于复合体Ⅰ的下游，复合体Ⅰ和复合体Ⅱ分别获取各自的氢，向Q传递。因此4个复合体与Q和Cyt c组成了两条电子传递链。
NADH呼吸链，以NADH为电子供体，从NADH开始到还原O2成H2O
电子传递顺序：NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cyt c→复合体Ⅳ→O2
FADH2呼吸链，也称琥珀酸氧化呼吸链，以FADH2为电子供体，经复合体Ⅱ到O2而生成H2O
电子传递顺序：琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cyt c→复合体Ⅳ→O2
（3）呼吸链各组分的排列顺序由下列实验确定
根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位进行排序
呼吸链中电子应从电位低的组分向电位高的组分进行传递
标准氧化还原电位E°（单位:电压 Volts）是指在特定条件下，参与氧化还原反应的组分对电子的亲和力大小。电位高的组分对电子的亲和力强，易接受电子。相反，电位低的组分倾向于给出电子。
根据各组分的氧化和还原状态吸收光谱的改变分析其排列次序
底物存在时，利用呼吸链特异的抑制剂阻断某一组分的电子传递，在阻断部位以前的组分处于还原状态，后面的组分处于氧化状态
利用呼吸链各组分特有的吸收光谱，以离体线粒体无氧时处于还原状态作为对照，缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序
在体外将呼吸链拆开和重组，鉴定四种复合体的组成与排列
第二节 氧化磷酸化与ATP的生成
概述
细胞内由ADP磷酸化生成ATP的方式
底物水平磷酸化
与高能键水解反应偶联，直接将高能代谢物的能量转移至ADP，生成少量ATP
氧化磷酸化
NADH和FADH2的氧化过程与ADP的磷酸化过程相偶联
即NADH和FADH2通过线粒体呼吸链逐步失去电子被氧化生成水，电子传递过程伴随着能量的逐步释放，此释能过程驱动ADP磷酸化生成ATP
人体90％的ATP是由线粒体中的氧化磷酸化产生的，而产生ATP所需的能量由线粒体氧化体系提供。
一、氧化磷酸偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内
概述
（1）氧化磷酸化关键过程
电子传递
将电子传递过程中释放的能量用于产生ATP，使能量通过ATP被储存起来供机体使用
成对电子经呼吸链传递所能合成ATP的分子数可反映该过程的效率。
（2）氧化与磷酸化的偶联部位
理论推测呼吸链中能够产生足够的能量使ADP磷酸化的部位，也就是能够生成ATP的部位
（3）复合体的质子泵功能
电子传递过程中，一对电子经复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ传递分别向膜间隙侧泵出4H+、4H+和2H+，共10个H
由于线粒体内膜的不通透性，导致内膜两侧的H+浓度和电荷的差异。
形成线粒体内膜两侧的质子梯度，储存了电子传递过程释放的部分能量
（一）P/O比值
（1）定义
P/O比值是指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2mol O2所需磷酸的摩尔数，即所能合成ATP的摩尔数（或一对电子通过呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）
一对电子通过氧化呼吸链传递给1个氧原子生成1分子H2O，其释放的能量使ADP磷酸化合成ATP，此过程需要消耗氧和磷酸。
（2）P/O比值推测偶联部位
丙酮酸等底物脱氢反应产生NADH＋H＋，通过NADH呼吸链传递，P/O比值接近2.5
说明一对电子传递给1个氧原子需消耗约2.5分子的磷酸
NADH呼吸链可能存在3个ATP生成部位
琥珀酸脱氢时，P/O比值接近1.5
琥珀酸呼吸链可能存在2个ATP生成部位
根据NADH、琥珀酸呼吸链P/O比值的差异
提示在NADH和泛醌之间（复合体I）存在1个ATP生成部位
抗坏血酸底物可以直接通过Cyt c传递电子进行氧化，其P/O比值接近1
推测Cyt c和O2之间（复合体Ⅳ）存在1个ATP生成部位
推测另1个ATP生成部位应在Q和Cyt c之间（复合体Ⅲ）
复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ可能是氧化磷酸化的偶联部位、用于产生ATP
一对电子经NADH呼吸链传递，P/O比值约为2.5，生成2.5分子的ATP
一对电子经琥珀酸呼吸链传递，P/O比值约为1.5，产生1.5分子的ATP
（二）自由能变化
（1）定义
根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化(△G）与还原电位变化（△E，标准还原电位表示物质对电子的亲和力，还原电位高更易于接受电子）之间有以下关系:
△G＝-nF△E
n为传递电子数；F为法拉第常数（96.5kJ/mol•V）。
（2）自由能变化推测偶联部位
从NAD+到Q还原电位差约0.36V
复合体Ⅰ的电子传递
释放的△G约为69.5kJ/mol
从Q到Cyt c还原电位差约0.19V
复合体Ⅲ的电子传递
释放的△G约为36.7kJ/mol
从Cyt a、a3到分子氧还原电位差约0.58V
复合体Ⅳ的电子传递
释放的△G约为112kJ/mol
生成1 mol ATP约需要30.5kJ，可见复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ传递一对电子释放的能量能够满足生成ATP所需的能量
需要指出的是，偶联部位并非意味着这三个复合体是直接产生ATP的部位，而是指电子传递释放的能量，满足ADP磷酸化生成ATP的需要。
二、氧化酸磷化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度
（1）化学渗透假说基本要点
1961年，英国科学家 MitchellP提出的化学渗透假说（ chemiosmotic hypothesis）阐明了氧化磷酸化的偶联机制。
电子传递时释放的能量，通过复合体质子泵功能，转运H+从线粒体基质到内膜的胞质侧
质子不能自由穿过线粒体内膜返回基质
形成跨线粒体内膜的质子电化学梯度，储存电子传递释放的能量
质子的电化学梯度转变为质子驱动力
促使质子从膜间隙侧顺浓度梯度回流至基质、释放储存的势能
用于驱动ADP与Pi结合生成ATP
如一对电子自NADH传递至氧可释放约-220kJ/mol的能量，同时将10个H＋从基质转移至膜间隙侧，形成的H+梯度储存约-200kJ/mol，当质子顺浓度梯度回流至基质时用于驱动ATP合成。图6-11归纳了呼吸链电子传递和氧化磷酸化的过程。
（2）化学渗透假说实验支持
氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜
线粒体内膜对H+、OH-、K＋、Cl-离子是不通透的
电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度
增加线粒体内膜外侧酸性可增加ATP合成，阻止质子从线粒体基质泵出可减少ATP生成
可降低内膜两侧的质子梯度，虽然电子仍可以传递，但ATP生成减少
三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成ATP
（1）ATP合酶定义
即线粒体内膜上的复合体V（多蛋白组成的蘑菇样结构）
2个功能区域
动物细胞中，ATP合酶的F1部分主要由α3β3γδε亚基复合体和寡霉素敏感蛋白（oligomycin sensitive conferring protein，OSCP，易与寡霉素结合而失去活性）组成。3个α、β亚基间隔排列，形成αβ功能单元，像橘子瓣样围绕y亚基形成六聚体图（6-12）。Fo嵌于线粒体内膜中，由疏水的a、b2、C9~12亚基组成，形成跨内膜质子通道。c亚基由短环连接的2个反向跨膜a-螺旋组成，9～12个c亚基围成环状结构；a亚基紧靠c亚基环外侧，由5个跨膜α-螺旋形成2个半穿透线粒体内膜的、不连通的亲水质子半通道，两个开口分别位于线粒体的基质侧和内膜的细胞质侧，两个半通道分别与1个c亚基相对应。
F1（亲水部分，F1表示第一个被鉴定的与氧化磷酸化相关的因子）
线粒体基质侧的蘑菇头状突起，其功能是催化ATP合成
F0（疏水部分，F0表示寡霉素敏感）
大部分结构嵌入线粒体内膜中，组成离子通道，用于质子回流
（2）ATP合酶功能
跨线粒体内膜的H+梯度驱动质子顺浓度梯度回流至基质时，储存的能量被ATP合酶充分利用，催化ADP与Pi生成ATP
ATP合酶由F0和F1组装成可旋转的发动机样结构，完成质子回流并驱动ATP合成。F0起支撑作用的2个b亚基通过长的亲水端锚定F1的α亚基，并通过δ亚基与α3β3稳固结合；嵌入内膜的b亚基的疏水端与F0中的a亚基结合，使a、b2和F1中的α3β3、δ亚基组成稳定的“定子”部分。F1部分γ和ε亚基共同形成中心轴，上端穿过α3β3的六聚体，y可与亚基疏松结合（相互作用），影响β亚基活性中心构象；下端与嵌入内膜的c亚基环紧密结合，使c亚基环、y和ε亚基组成“转子”部分。 当质子顺梯度穿内膜向基质回流时，转子部分围绕定子部分进行旋转，使F1中的αβ功能单元利用释放的能量结合ADP和Pi并生成ATP。质子梯度强大势能驱动质子从a亚基的细胞质侧进入半通道，当通道口对应的1个c亚基的第61位关键Asp残基所带负电荷被H+中和后，c亚基能与疏水内膜相互接触而发生转动，当其转到能接触另一半通道口时，H+梯度的势能迫使Asp结合的H+从半通道出口释放进入线粒体基质（图6-12）。各亚基可依次进行上述循环，导致c环和y、ε亚基相对α3β3转动。因此，跨内膜质子形成的电化学梯度势能是ATP合酶转动的驱动力。
（3）ATP合酶变构机制
BoyerP提出了ATP合成的结合变构机制，
β亚基3种构象
开放型（0）无活性，与ATP亲和力低
疏松型（L）无活性，可与ADP和Pi底物疏松结合
紧密型（T）有催化ATP合成的活性，可紧密结合ATP
y亚基转动依次接触3组β亚基，导致β亚基构象发生周期性循环变化
ADP和Pi底物结合于L型的β亚基。 质子流能量用于驱动β亚基构象按顺序改变，分别结合ADP和Pi，合成的ATP可从活性中心释放。
质子流能量驱动合酶的转子部分进行转动→该β亚基变构为T型，用于合成ATP
再次转动→β亚基变构为O型，释放出ATP
（4）ATP合成效率
ATP合酶转子循环一周生成3分子ATP
合成1分子ATP需要4个H＋
3个通过ATP合酶穿线粒体内膜回流入基质
1个H+用于转运ADP、Pi和ATP
NADH呼吸链每传递2个电子泵出10H＋，生成约2.5（10/4）分子ATP
琥珀酸呼吸链每传递2个电子泵出6H＋，生成约1.5（6/4）分子ATP
四、ATP在能量代谢中起核心作用
ATP在体内能量捕获、转移、储存和利用过程中处于中心位置。
概述
生物体内能量代谢特点
（1）细胞内生物大分子体系多通过弱键能的非共价键维系，不能承受能量的大增或大量释放的化学过程
故代谢反应都是依序进行、能量逐步得失
（2）生物体不直接利用营养物质的化学能，需要使之转变为细胞可以利用的能量形式
如ATP的化学能
ATP属于高能磷酸化合物，可直接为细胞的各种生理活动提供能量
所谓高能磷酸化合物是指那些水解时能释放较大自由能的含有磷酸基的化合物，常其释放的标准自由能△G’大于25kJ/mol，并将水解时释放能量较多的磷酸酯键，称之为高能磷酸键用“~P”符号表示。如水解ATP末端的磷酸酯键，△G’为-30.5kJ/mol，是高能化合物；水解葡糖-6-磷酸的磷酸酯键，其△G’为-13.8kJ/mol，即为普通的磷酸化合物。事实上，共价键的断裂是需要提供能量的，而具有高能磷酸键的化合物作为底物进行水解时，其产物比底物具有更低的自由能，因而释放的能量较多。此外，生物体内还有其他含高能磷酸键、高能硫酯键的化合物（表6-4）。
（一）ATP是能量捕获和释放利用的重要分子
ATP是体内最重要的高能磷酸化合物，是细胞可直接利用的能量形式
营养物分解产生的能量大约40％用于产生ATP。
（1）标准状态下ATP水解释放的自由能为30.5kJ/mol
（2）细胞内ATP水解释放自由能可能达到52.3kJ/mol
但在活细胞中， ATP、 ADP和无机磷浓度比标准状态低得多，而pH比标准状态的pH7.0高，ATP和ADP的全部磷酸基都处于解离状态，显示携带4个或3个负电荷的阴离子形式，并与细胞内Mg2+形成复合物。考虑到浓度等各种影响因素，细胞内ATP水解释放自由能可能达到52.3kJ/mol
ATP最重要意义：通过其水解释放大量自由能，促进与之偶联反应在生理条件下完成。
举例
ATP直接参与各种代谢物的活化反应、合成生物大分子的反应
通过ATP使分解代谢与合成代谢紧密相连
通过水解反应为耗能的跨膜转运、骨骼肌收缩、蛋白质构象的改变提供能量
（二）ATP是能量转移和核苷酸相互转移的核心
（1）细胞中存在的腺苷酸激酶可催化ATP、 ADP、 AMP间互变
当体内ATP消耗过多时，ADP累积，在腺苷酸激酶催化下由ADP转变成ATP
例如骨骼肌剧烈收缩
当ATP的需求量降低时，AMP从ATP中获得～P生成ADP
（2）UTP、CTP、GTP在核苷二磷酸激酶的催化下，从ATP中获得～P产生，反应如下
UTP、CTP、GTP为糖原、磷脂、蛋白质等合成提供能量。一般不能从物质氧化过程中直接生成
ATP＋UDP→ADP＋UTP
ATP＋CDP→ADP＋CTP
ATP＋GDP→ADP＋GTP
（3）生物体内能量的生成、转移和利用都以ATP为中心
“能量货币”
ATP分子性质稳定，但寿命仅数分钟，不在细胞中储存，而是不断进行ATP/ADP的再循环，其相互转变的量十分可观，转变过程中伴随自由能的释放和获得，在各种生理活动中完成能量的穿梭转换，因此称为“能量货币”。
（三）ATP通过转移自身基团提供能量
ATP分子高能磷酸键水解释放能量多，并产生Pi、PPi基团
ATP通过转移自身基团参与酶促反应并提供能量，而不仅仅是单纯的水解反应
很多酶促反应由ATP通过共价键与底物或蛋白质等相连，将ATP分子中的Pi、PPi或者AMP基团转移到底物或蛋白分子上而形成中间产物，使其获得更多的自由能，经过化学转变后再将这些基团水解而形成终产物。
例：ATP给G提供P和能量，合成的G-6-P容易进入糖酵解或其他代谢途径
（四）磷酸肌酸也是储存能量的高能化合物
ATP充足时，通过转移末端～P给肌酸，生成磷酸肌酸（CP），储存于需能较多的骨骼肌、心肌和脑组织中
当迅速消耗ATP时，磷酸肌酸可将～P转移给ADP，生成ATP，补充ATP的不足
第三节 氧化磷酸化的影响因素
概述
ATP作为机体最主要的能量载体，其生成量主要取决于氧化磷酸化的速率
机体根据自身能量需求，通过调节氧化磷酸化的速率来调节ATP的合成。
能够影响NADH、FADH2的产生、影响呼吸链组分和ATP合酶功能的因素，都会影响ATP的生成
一、体内能量状态调节氧化磷酸化速率
ADP是调节机体氧化磷酸化速率的主要因素
原因
电子的氧化和ADP的磷酸化是氧化磷酸化的根本
机体根据能量需求调节氧化磷酸化速率，从而调节ATP的生成量。
通常线粒体中氧的消耗量是被严格调控的，其消耗量取决于ADP的含量
只有ADP和Pi充足时电子传递速率和耗氧量才会提高
机制
细胞内ADP的浓度以及ATP/ADP的比值能够迅速感应机体能量状态的变化
当机体蛋白质合成等耗能代谢反应活跃时，对能量的需求大为增加
ATP分解为ADP和Pi的速率增加，使ATP/ADP的比值降低、ADP的浓度增加
通过这种方式使ATP的合成速率适应机体的生理需要。
ADP进入线粒体后迅速用于磷酸化，氧化磷酸化随之加速，合成的ATP用于满足需求
直到ATP/ADP的比值回升至正常水平后，氧化磷酸化速率也随之放缓
ATP和ADP的相对浓度也同时调节糖酵解、三羧酸循环途径
满足氧化磷酸化对NADH和FADH2的需求
ATP浓度较高时，氧化磷酸化速率会降低
因为ATP通过别构调节的方式抑制糖酵解、降低三羧酸循环的速率，协调调节产能的相关途径。
二、抑制剂阻断氧化磷酸化过程
概述
抑制剂
阻断电子传递链的任何环节
抑制ADP的磷酸化过程
导致ATP的合成减少，线粒体对氧的需求减少，细胞呼吸作用降低，细胞各种生命活动都会受到影响
（一）呼吸链抑制剂阻断电子传递过程
在特异部位阻断线粒体呼吸链中的电子传递、降低线粒体耗氧量，阻断ATP产生
鱼藤酮、粉蝶霉素A及异戊巴比妥等可抑制复合体I，阻断电子从铁硫中心到泛醌的传递
萎锈灵是复合体Ⅱ的抑制剂
抗霉素A阻断电子从Cyt b到QN的传递，是复合体Ⅲ的抑制剂
CN-、N3-紧密结合复合体Ⅳ中氧化型Cyt a3，阻断电子由Cyt a到CuB-Cyt a3的传递
CO与还原型Cyt a3结合，阻断电子传递给O2
许多室内的火灾事故，由于装饰材料中的化学物质经高温处理后形成HCN，造成人员的CO、CN-中毒，能量代谢受阻，细胞的呼吸作用停止，直接威胁生命
（二）解偶联剂阻断ADP的磷酸化过程
解偶联剂可使氧化与磷酸化的偶联分离，电子可沿呼吸链正常传递，但建立的质子电化学梯度被破坏，不能驱动ATP合酶来合成ATP
（1）外源性解偶联剂
如二硝基苯酚（DNP）
为脂溶性物质，在线粒体内膜中可自由移动，进入基质时释出H+，返回细胞质侧时结合H+，从而破坏了H+的电化学梯度，无法驱动ATP的合成
（2）内源性解偶联剂
使H+不通过ATP合酶而是通过其他途径回流至线粒体基质，ATP生成受抑制
棕色脂肪组织
“解偶联蛋白1”
如人（尤其是新生儿）、哺乳类动物中存在棕色脂肪组织，该组织中含有大量的线粒体，因而细胞色素蛋白明显增多，大量血红素的强吸光能力而使其带有颜色。棕色脂肪组织的线粒体内膜中富含一种特别的蛋白质，称解偶联蛋白1（ uncoupling protein 1，UCP1）。它是由2个32kD亚基组成的二聚体，在线粒体内膜上形成质子通道，内膜细胞质侧的H+可经此通道返回线粒体基质，使氧化磷酸化解偶联不生成ATP，但质子梯度储存的能量以热能形式释放，因此棕色脂肪组织是产热御寒组织。新生儿硬肿症是因为缺乏棕色脂肪组织，不能维持正常体温而使皮下脂肪凝固所致。现已发现在骨骼肌等组织的线粒体中存在UCP1的同源蛋白质UCP2、UCP3，但无解偶联作用，它们在禁食条件下表达增加，可能有其他的功能。另外，体内游离脂肪酸也可促进H+经解偶联蛋白回流至线粒体基质中而减少ATP的生成。
体内游离脂肪酸
（三）ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成
例如寡霉素、二环基碳二亚胺（DCCD）均可结合F0，阻断H+从F0质子半通道回流，抑制ATP合酶活性
ATP合酶抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高能够影响呼吸链组分的质子泵功能，因此也会抑制电子的传递过程。抑制氧化磷酸化会降低线粒体对氧的需求，氧的消耗会减少。
三、甲状腺激素促进氧化磷酸化和产热
（1）促进细胞膜上Na+，K+-ATP酶的表达，使ATP加速分解为ADP和Pi，ADP浓度增加
促进氧化磷酸化
（2）诱导解偶联蛋白基因表达，使氧化释能和产热比率均增加，ATP合成减少
机体耗氧量和产热增加
甲亢病人基础代谢率增高
四、线粒体DNA突变影响氧化磷酸化功能
（1） 线粒体DNA（ mtDNA）突变率远高于核内的基因组DNA
呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，容易受到损伤而发生突变
（2）突变可直接影响电子传递过程或ADP磷酸化，使ATP生成减少而致能量代谢紊乱、引起疾病
线粒体的功能蛋白质主要由细胞核的基因编码，人的 mtDNA含37个编码基因，用于表达呼吸链复合体I中的7个亚基、复合体Ⅲ中的Cyt b、复合体Ⅳ中的3个亚基、ATP合酶的2个亚基，以及22个tRNA和2个rRNA。mtDNA突变造成的功能障碍易出现在耗能较多的组织，如骨骼肌、脑等。随着年龄的增长，如果 mtDNA突变严重累积，导致帕金森病阿尔茨海默病、糖尿病等疾病的发生。
（3） 遗传性 mtDNA疾病以母系遗传居多
因每个卵细胞中有几十万个 mtDNA分子，每个精子中只有几百个 mtDNA分子，受精卵 mtDNA主要来自卵细胞，因此卵细胞 mtDNA突变产生疾病的概率更高。
五、线粒体内膜选择性协调转运氧化磷酸化相关代谢物
概述
线粒体基质与细胞质之间有线粒体内、外膜相隔
外膜对物质的通透性高、选择性低
内膜含有与代谢物转运相关的转运蛋白质体系
对各种物质进行选择性转运，维持组分间的平衡，以保证生物氧化和基质内旺盛的物质代谢过程能够顺利进行。
（一）细胞质中的NADH通过穿梭机制进入线粒体呼吸链
线粒体内生成的NADH
直接进入氧化呼吸链进行电子传递
细胞质中经糖酵解等生成的NADH
需通过穿梭机制进入线粒体的呼吸链（NADH不能自由穿过线粒体内膜）
1.α-磷酸甘油穿梭
脑和骨骼肌细胞的细胞质NADH
NADH＋H﹢在磷酸甘油脱氢酶催化下将2H传递给磷酸二羟丙酮，使其还原成a-磷酸甘油
a-磷酸甘油通过线粒体外膜到达线粒体内膜的膜间隙侧
膜间隙侧结合着磷酸甘油脱氢酶的同工酶，此酶含FAD辅基，接受a-磷酸甘油的2H生成FADH2和磷酸二羟丙酮
FADH2直接将2H传递给泛醌进入氧化呼吸链
1分子的NADH经此穿梭能产生1.5分子ATP
由于FADH2将NADH携带的一对电子从内膜的膜间隙侧直接传递给Q进行氧化磷酸化
2.苹果酸-天冬氨酸穿梭
该穿梭需要2种内膜转运蛋白质和2种酶协同参与
肝、肾及心肌细胞质NADH
NADH＋H﹢使草酰乙酸还原生成苹果酸
苹果酸经过线粒体内膜上的苹果酸-a-酮戊二酸转运蛋白进入线粒体基质后
重新生成草酰乙酸
转变为天冬氨酸后经线粒体内膜上的天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白重新回到细胞质
释放NADH＋H﹢
通过NADH呼吸链进行氧化，生成2.5分子ATP
（二）ATP-ADP转位酶协调转运ATP和ADP出入线粒体
质子电化学梯度
驱动ATP的合成
驱动内膜上的跨膜蛋白质
腺苷酸转运蛋白，即ATP-ADP转位酶
可占内膜蛋白质总量的14％。2个亚基组成的二聚体，形成跨膜蛋白通道，将膜间隙的ADP3-（在细胞pH中，ADP呈解离状态）转运至线粒体基质中，同时从基质转运出ATP4-，使经过线粒体内膜的ADP3-进入和ATP4-移出紧密偶联，维持线粒体内外腺苷酸水平基本平衡。
ATP4-和ADP3-反向转运，ATP4-→膜间隙，ADP3-→基质
实际向膜间隙净转移1个负电荷，而膜间隙的高正电性有利于ATP的泵出
磷酸盐转运蛋白
H+和H2PO4-同向转运，膜间隙侧→基质侧
每分子ATP在线粒体基质中生成并转运到细胞质共需4个H+回流进入线粒体基质中
肌酸激酶同工酶（膜间隙）
存在于心肌、骨骼肌等耗能多的组织中
催化经ATP-ADP转位酶运到膜间隙中ATP与肌酸之间～P的转移
生成的磷酸肌酸经线粒体外膜中的孔蛋白进入细胞质中，由相应的肌酸激酶同工酶催化，将～P转移给ADP生成ATP。线粒体内膜的选择性协调转运，对于氧化磷酸化的正常运转至关重要。
第四节 其他氧化与抗氧化体系
概述
除了线粒体氧化体系外，细胞内也存在其他的氧化体系，主要参与物质的生物氧化
呼吸链是产生活性氧、引起细胞氧化损伤的原因之一，机体也有相应的保护防御机制
线粒体呼吸链存在单电子传递过程，单电子也有机会“漏出”直接传递给氧而生成活性氧组分，而不是通过呼吸链传递给氧生成水
一、微粒体细胞色素P450单加氧酶催化底物分子羟基化
（1）微粒体细胞色素P450单加氧酶催化底物分子羟基化
催化氧分子中的一个氧原子加到底物分子上（羟化），另一个氧原子被 NADPH＋H+还原成水，故又称混合功能氧化酶或羟化酶。参与类固醇激素等的生成以及药物、毒物的生物转化过程。
反应式：RH＋NADPH＋H+＋O2→ROH+NADP++H2O
催化反应过程
NADPH将电子交给黄素蛋白
黄素蛋白将电子传递给以Fe-S为辅基的铁氧还蛋白
与底物结合的氧化型Cyt P450接受铁氧还蛋白的1个e-后，转变成还原型Cyt P450，与O2结合形成RH•P450•Fe2+•O2
Cyt P450血红素中Fe2+将电子交给O2形成RH•P450•Fe3+•O2
再接受铁氧还蛋白的第2个e-，使氧活化（O2 2-）
1个氧原子使底物（RH）羟化（ROH）
1个氧原子与来自 NADPH的质子结合生成H2O
（2）单加氧酶类在肝和肾上腺的微粒体中含量最多，是反应最复杂的酶
此酶含细胞色素P450（CytP450），通过血红素中的Fe离子进行单电子传递。Cyt P450在生物中广泛分布，人Cyt P450有几百种同工酶，识别各自特异性底物。
二、线粒体呼吸链也可产生活性氧
（1）活性氧定义
未被完全还原的含氧分子，氧化性远远大于O2，合称为反应活性氧类（ROS）
如O2得到单电子产生超氧阴离子（O2﹣），再逐步接受电子而生成过氧化氢H2O2、羟自由基（•OH）
（2）活性氧的产生
线粒体呼吸链是主要产生部位
传递电子过程中，将漏出的电子直接交给氧，产生部分被还原的氧，得到ROS
O2.﹣的产生主要源自呼吸链
复合体Ⅲ中通过Q循环传递电子，接受单电子的QH•在内膜中自由移动，通过非酶促反应直接将单电子泄漏给O2而生成O2.﹣。
呼吸链末端的细胞色素c氧化酶从金属离子每次转移1个电子、通过4步单电子转移将氧彻底还原生成水，也会有少量氧接受单电子或双电子而生成O2.﹣和H2O2
细胞质中的黄嘌呤氧化酶、微粒体中的Cyt P450氧化还原酶等催化的反应，需要氧为底物，也可产生O2.﹣
产生的ROS远低于线粒体呼吸链
细菌感染组织缺氧等病理过程，电离辐射、吸烟、药物等外源因素也可导致细胞产生大量的ROS
（3）活性氧影响
不同方式释放到线粒体基质、膜间隙及细胞质等部位，对细胞功能产生广泛影响
线粒体一方面通过消耗氧用于产生ATP供能，另一方面也会产生ROS而损伤自身及细胞等。因此，生物进化已使机体发展了有效的抗氧化体系及时清除ROS，防止其累积产生有害影响。
少量的ROS能够促进细胞增殖等
ROS的大量累积会损伤细胞功能甚至会导致细胞死亡
线粒体基质中的顺乌头酸酶，其Fe-S易被O2.﹣氧化而丧失功能，直接影响三羧酸循环的功能
O2.﹣可迅速氧化一氧化氮（NO）产生过氧亚硝酸盐（ONOO-，也属于ROS），使脂质氧化、蛋白质硝基化而损伤细胞膜和膜蛋白
羟自由基等可直接氧化蛋白质、核酸，进而破坏细胞的正常结构和功能
三、抗氧化酶体系有清除反应活性氧的功能
（1）超氧化物歧化酶（SOD）
可催化1分子O2.﹣氧化生成O2，另一分子O2.﹣还原生成H2O2
2个相同的底物歧化产生了2个不同的产物
2 O2.﹣＋2H＋→H2O2＋O2
（2）体内的抗氧化酶
SOD同工酶
SOD是人体防御内、外环境中超氧离子损伤的重要酶。
种类
细胞质中的SOD，其活性中心含Cu/Zn离子，称Cu/Zn-SOD
Cu/Zn-SOD基因缺陷使O2.﹣不能及时清除而损伤神经元，可引起肌萎缩性侧索硬化症等疾病
线粒体中的SOD，活性中心含Mn2＋，称Mn-SOD
产物H2O2分解
生成H2O2可被过氧化氢酶分解为H2O和O2
过氧化氢酶主要存在于过氧化酶体、细胞质及微粒体中，含有4个血红素辅基，催化活性强，每秒种可催化超过40000底物分子转变为产物。
反应式：2H2O2→2H2O＋O2
H2O2生理作用：
在粒细胞和吞噬细胞中，H2O2可氧化杀死入侵的细菌
甲状腺细胞中产生的H2O2可使2I-氧化为I2，进而使酪氨酸碘化生成甲状腺激素
谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）
防止ROS损伤不可缺少的酶，可去除H2O2和其他过氧化物类（ROOH）
在细胞胞质、线粒体以及过氧化酶体中，GPx通过还原型的谷胱甘肽将H2O2还原为H2O，将ROOH转变为醇，同时产生氧化型的谷胱甘肽
反应式：
H202＋2GSH→2H20＋GS-SG
2GSH＋ROOH→GS-SG＋H20＋ROH
氧化型GS-SG
经谷胱甘肽还原酶催化，由NADH＋H+提供2H
再转变为还原型GSH（也发挥抗氧化作用，抵抗活性氧对蛋白质中巯基的氧化）
（3）小分子抗氧化剂
体内其他小分子自由基清除剂有维生素C、维生素E、β-胡萝卜素等，与体内抗氧化酶共同组成人体抗氧化体系