1.概念:有機(jī)物質(zhì)在生物體細(xì)胞內(nèi)氧化分解產(chǎn)生二氧化碳,、水，并釋放出大量能量的過程稱為生物氧化(biological oxidation),。又稱細(xì)胞呼吸或組織呼吸,。

2.特點:生物氧化和有機(jī)物質(zhì)體外燃燒在化學(xué)本質(zhì)上是相同的，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律,，所耗的氧量,、最終產(chǎn)物和釋放的能量均相同。

(1)是在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行酶催化的氧化過程,，反應(yīng)條件溫和(水溶液中PH約為7和常溫),。

(2)在生物氧化的過程中，同時伴隨生物還原反應(yīng)的產(chǎn)生,。

(3)水是許多生物氧化反應(yīng)的供氧體,，通過加水脫氫作用直接參與了氧化反應(yīng)。

(4)在生物氧化中,，碳的氧化和氫化是非同步進(jìn)行的,。氧化過程中脫下來的質(zhì)子和電子，通常由各種載體,，如NADH等傳遞給氧并最終生成水,。

(5)生物氧化是一個分步進(jìn)行的過程。每一步都有特殊的酶催化,，每一步反應(yīng)的產(chǎn)物都可以分離出來,。這種逐步反應(yīng)的模式有利于在溫和的條件下釋放能量，提高能源利用率,。

(6)生物氧化釋放的能量,，通過與ATP合成相偶聯(lián)，轉(zhuǎn)換成生物體能夠直接利用的生物能ATP,。

3.部位:在真核生物細(xì)胞內(nèi),，生物氧化都是在線粒體內(nèi)進(jìn)行，原核生物則在細(xì)胞膜上進(jìn)行,。

1.酶類:重要的為氧化酶和脫氫酶兩類,，脫氫酶尤為重要。

氧化酶為含銅或鐵的蛋白質(zhì),，能激活分子氧,，促進(jìn)氧對代謝物的直接氧化，只能以氧為受氫體，生成水,。重要的有細(xì)胞色素氧化酶,，可使還原型氧化成氧化型，亦可將氫放出的電子傳遞給分子氧使其活化,。心肌中含量甚多,。此外還有過氧化物酶、過氧化氫酶等,。

脫氫酶分需氧脫氫酶和不需氧脫氫酶,。前者可激活代謝物分子中的氫，與分子氧結(jié)合,，產(chǎn)生過氧化氫,。在無分子氧時，可利用亞甲藍(lán)為受氫體,。需氧脫氫酶皆以FMA或FAD為輔酶。不需氧脫氫酶可激活代謝物分子中的氫,，使脫出的氫轉(zhuǎn)移給遞氫體或非分子氧,。一般在無氧或缺氧環(huán)境下促進(jìn)代謝物氧化。大部分以NAD或NADP為輔酶,。

2.體系:有不需傳遞體和需傳遞體的兩種體系,。

不需傳遞體的最簡單，在微粒體,、過氧化酶體及胞液中代謝物經(jīng)氧化酶或需氧脫氫酶作用后脫出的氫給分子氧生成水或過氧化氫,。其特點是不伴磷酸化，不生成ATP,，主要與體內(nèi)代謝物,、藥物和毒物的生物轉(zhuǎn)化有關(guān)。

需傳遞體的最典型的是呼吸鏈,。是在線粒體經(jīng)多酶體系催化,，即通過電子傳遞鏈完成，與ATP的生成相關(guān),。

生物氧化中CO2的生成是代謝中有機(jī)酸的脫羧反應(yīng)所致,。有直接脫羧和氧化脫羧兩種類型。按脫羧基的位置又有α-脫羧和β-脫羧之分,。

代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后,，經(jīng)過一系列的傳遞體，最后與激活的氧結(jié)合生成水的全部體系,，此過程與細(xì)胞呼吸有關(guān),，所以將此傳遞鏈稱為呼吸鏈(respiratory chain)或電子傳遞鏈(electron transfer chain)。

在呼吸鏈中，酶和輔酶按一定順序排列在線粒體內(nèi)膜上,。其中傳遞氫的酶或輔酶稱為遞氫體,，傳遞電子的酶或輔酶稱為電子傳遞體。遞氫體和電子傳遞體都起著傳遞電子的作用(2H→2H++2e),。

生物體內(nèi)的呼吸鏈有多種型式,。人體細(xì)胞線粒體內(nèi)最重要的有兩條，即NADH氧化呼吸鏈和琥珀酸氧化呼吸鏈(FADH2氧化呼吸鏈),。它們的初始受氫體,、生成ATP的數(shù)量及應(yīng)用有差別。NADH氧化呼吸鏈應(yīng)用最廣,，糖,、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)分解代謝中的脫氫氧化反應(yīng),，絕大多數(shù)是通過該呼吸鏈來完成的,。琥珀酸氧化呼吸鏈在Q處與上述NADH氧化呼吸鏈途徑交匯。其脫氫黃酶只能催化某些代謝物脫氫,，不能催化NADH或NADPH脫氫,。

組成呼吸鏈的成分已發(fā)現(xiàn)20余種，分為5大類,。

1.輔酶Ⅰ和輔酶Ⅱ

輔酶Ⅰ(NAD+或CoⅠ)為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸,。輔酶Ⅱ(NADP+或CoⅡ)為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。它們是不需氧脫氫酶的輔酶,，分子中的煙酰胺部分,，即維生素PP能可逆地加氫還原或脫氫氧化，是遞氫體,。以NAD+作為輔酶的脫氫酶占多數(shù),。

2.黃素酶

黃素酶的種類很多，輔基有2種,，即FMN和FAD,。FMN是NADH脫氫酶的輔基，F(xiàn)AD是琥珀酸脫氫酶的輔基,，都是以核黃素為中心構(gòu)成的,，其異咯嗪環(huán)上的第1位及第10位兩個氮原子能可逆地進(jìn)行加氫和脫氫反應(yīng)，為遞氫體,。

3.鐵硫蛋白

分子中含有非血紅素鐵和對酸不穩(wěn)定的硫,，因而常簡寫為FeS形式。在線粒體內(nèi)膜上,，常與其他遞氫體或遞電子體構(gòu)成復(fù)合物,，復(fù)合物中的鐵硫蛋白是傳遞電子的反應(yīng)中心，亦稱鐵硫中心，與蛋白質(zhì)的結(jié)合是通過Fe與4個半胱氨酸的S相連接,。

4.泛醌(又名輔酶Q)

一類廣泛分布于生物界的脂溶性醌類化合物,。分子中的苯醌為接受和傳遞氫的核心，其C-6上帶有異戊二烯為單位構(gòu)成的側(cè)鏈,，在哺乳動物,，這個長鏈為10個單位，故常以Q10表示,。

5.細(xì)胞色素類

細(xì)胞色素(cytochrome, Cyt)是一類以鐵卟啉為輔基的結(jié)合蛋白質(zhì),，存在于生物細(xì)胞內(nèi)，因有顏色而得名,。已發(fā)現(xiàn)的有30多種,，按吸收光譜分a、b,、c三類,，每類又有好多種。

Cyta和a3 結(jié)合緊,，迄今尚未分開,，故寫成aa3，位于呼吸鏈的終末部位,，其輔基為血紅素A，傳遞電子的機(jī)制是以輔基中鐵價的變化Fe3+ →Fe2+,，a3還含有銅離子,，把電子直接交給分子氧Cu+ →Cu2+，所以a3又稱細(xì)胞色素氧化酶,。a3中的鐵原子可以與氧結(jié)合,，也可以與氰化物離子(CN-)、CO等結(jié)合,，這種結(jié)合一旦發(fā)生,，a3便失去使氧還原的能力，電子傳遞中止,，呼吸鏈阻斷,，導(dǎo)致機(jī)體不能利用氧而窒息死亡。

呼吸鏈中氫和電子的傳遞有著嚴(yán)格的順序和方向,。根據(jù)氧化還原原理,，氧化-還原電勢E是物質(zhì)對電子親和力的量度，電極電位的高低反映電子得失的傾向,，E O'值愈低的氧還對(A/AH2)釋放電子的傾向愈大,，愈容易成為還原劑而排在呼吸鏈的前面。所以NADH還原能力最強(qiáng)，氧分子的氧化能力最強(qiáng),。電子的自發(fā)流向是從電極電位低的物質(zhì)(還原態(tài))到電位高的氧化態(tài),，目前一致認(rèn)可的是按標(biāo)準(zhǔn)氧還電位遞增值依次排列。

電子由NADH的傳遞到氧分子通過3個大的蛋白質(zhì)復(fù)合體,，即 NADH脫氫酶,、細(xì)胞色素bc1復(fù)合體和細(xì)胞色素氧化酶到氧(又稱復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ,、Ⅳ),。電子從FADH2的傳遞是通過琥珀酸-輔酶Q還原酶(復(fù)合體Ⅱ)經(jīng)Q、復(fù)合體Ⅲ,、Ⅳ到氧(琥珀酸-輔酶Q還原酶催化的反應(yīng)的自由能變化太小),。

1.概念:氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指在生物氧化中伴隨著ATP生成的作用。有代謝物連接的磷酸化和呼吸鏈連接的磷酸化兩種類型,。即ATP生成方式有兩種,。一種是代謝物脫氫后，分子內(nèi)部能量重新分布,，使無機(jī)磷酸酯化先形成一個高能中間代謝物,，促使ADP變成ATP。這稱為底物水平磷酸化,。如3-磷酸甘油醛氧化生成1,，3-二磷酸甘油酸，再降解為3-磷酸甘油酸,。另一種是在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ATP的生成,。生物體內(nèi)95%的ATP來自這種方式。

2.偶聯(lián)部位:根據(jù)實驗測定氧的消耗量與ATP的生成數(shù)之間的關(guān)系以及計算氧化還原反應(yīng)中ΔGO'和電極電位差ΔE的關(guān)系可以證明,。

P/O比值是指代謝物氧化時每消耗1摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷原子的摩爾數(shù),，即合成ATP的摩爾數(shù)。實驗表明,， NADH在呼吸鏈被氧化為水時的P/O值約等于3,，即生成3分子ATP?(1~6版生物化學(xué)此數(shù)據(jù)為3，7版為2.5);FADH2氧化的P/O值約等于2,，即生成2分子ATP(1~6版生物化學(xué)此數(shù)據(jù)為2,，7版為1.5)。

氧-還電勢沿呼吸鏈的變化是每一步自由能變化的量度,。根據(jù)ΔGO'= - nFΔE O'(n是電子傳遞數(shù),F是法拉第常數(shù)),，從NADH到Q段電位差約0.36V，從Q到Cytc為0.21V,，從aa3到分子氧為0.53V,，計算出相應(yīng)的ΔGO'分別為69.5,、40.5、102.3kJ/mol,。于是普遍認(rèn)為下述3個部位就是電子傳遞鏈中產(chǎn)生ATP的部位,。

NADH→NADH脫氫酶→‖Q → 細(xì)胞色素bc1復(fù)合體→‖Cytc →aa3→‖O2

糖代謝中的三羧酸循環(huán)和脂肪酸β-氧化是在線粒體內(nèi)生成NADH(還原當(dāng)量)，可立即通過電子傳遞鏈進(jìn)行氧化磷酸化,。在細(xì)胞的胞漿中產(chǎn)生的NADH ,，如糖酵解生成的NADH則要通過穿梭系統(tǒng)(shuttle system)使NADH的氫進(jìn)入線粒體內(nèi)膜氧化。

(一)α-磷酸甘油穿梭作用

這種作用主要存在于腦,、骨骼肌中,，載體是α-磷酸甘油。

胞液中的NADH在α-磷酸甘油脫氫酶的催化下,，使磷酸二羥丙酮還原為α-磷酸甘油,，后者通過線粒體內(nèi)膜，并被內(nèi)膜上的α-磷酸甘油脫氫酶(以FAD為輔基)催化重新生成磷酸二羥丙酮和FADH2,，后者進(jìn)入琥珀酸氧化呼吸鏈,，生成1.5分子ATP。葡萄糖在這些組織中徹底氧化生成的ATP比其他組織要少,，1摩爾G→30摩爾ATP,。

(二)蘋果酸-天冬氨酸穿梭作用

主要存在肝和心肌中。1摩爾G→32摩爾ATP

胞液中的NADH在蘋果酸脫氫酶催化下,，使草酰乙酸還原成蘋果酸,，后者借助內(nèi)膜上的α-酮戊二酸載體進(jìn)入線粒體，又在線粒體內(nèi)蘋果酸脫氫酶的催化下重新生成草酰乙酸和NADH,。NADH進(jìn)入NADH氧化呼吸鏈,，生成2.5分子ATP。草酰乙酸經(jīng)谷草轉(zhuǎn)氨酶催化生成天冬氨酸,，后者再經(jīng)酸性氨基酸載體轉(zhuǎn)運(yùn)出線粒體轉(zhuǎn)變成草酰乙酸。

(一)化學(xué)滲透假說(chemiosmotic hypothesis)

1961年,，英國學(xué)者Peter Mitchell提出化學(xué)滲透假說(1978年獲諾貝爾化學(xué)獎),，說明了電子傳遞釋出的能量用于形成一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度(H+梯度)，這種梯度驅(qū)動ATP的合成,。這一過程概括如下:

1.NADH的氧化,，其電子沿呼吸鏈的傳遞，造成H+ 被3個H+ 泵,，即NADH脫氫酶,、細(xì)胞色素bc1復(fù)合體和細(xì)胞色素氧化酶從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜泵入膜間隙。

2.H+ 泵出,，在膜間隙產(chǎn)生一高的H+ 濃度,，這不僅使膜外側(cè)的pH較內(nèi)側(cè)低(形成pH梯度),，而且使原有的外正內(nèi)負(fù)的跨膜電位增高，由此形成的電化學(xué)質(zhì)子梯度成為質(zhì)子動力,，是H+ 的化學(xué)梯度和膜電勢的總和,。

3.H+ 通過ATP合酶流回到線粒體基質(zhì)，質(zhì)子動力驅(qū)動ATP合酶合成ATP,。

(二)ATP合酶

ATP合酶由兩部分組成(Fo-F1),，球狀的頭部F1突向基質(zhì)液，水溶性,。亞單位Fo埋在內(nèi)膜的底部,，是疏水性蛋白，構(gòu)成H+ 通道,。在生理條件下,，H+ 只能從膜外側(cè)流向基質(zhì)，通道的開關(guān)受柄部某種蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié),。

(一)抑制劑

能阻斷呼吸鏈某一部位電子傳遞的物質(zhì)稱為呼吸鏈抑制劑,。

魚藤酮、安密妥在NADH脫氫酶處抑制電子傳遞,，阻斷NADH的氧化,，但FADH2的氧化仍然能進(jìn)行。

抗霉素A抑制電子在細(xì)胞色素bc1復(fù)合體處的傳遞,。

氰化物,、CO、疊氮化物(N3-)抑制細(xì)胞色素氧化酶,。

對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用的物質(zhì)稱氧化磷酸化抑制劑,，如寡霉素。

(二)解偶聯(lián)劑

2,，4-二硝基苯酚(DNP)和頡氨霉素可解除氧化和磷酸化的偶聯(lián)過程,，使電子傳遞照常進(jìn)行而不生成ATP。DNP的作用機(jī)制是作為H+的載體將其運(yùn)回線粒體內(nèi)部,，破壞質(zhì)子梯度的形成,。由電子傳遞產(chǎn)生的能量以熱被釋出。

(三)ADP的調(diào)節(jié)作用

正常機(jī)體氧化磷酸化的速率主要受ADP水平的調(diào)節(jié),，只有ADP被磷酸化形成ATP,，電子才通過呼吸鏈流向氧。如果提供ADP,，隨著ADP的濃度下降,，電子傳遞進(jìn)行，ATP在合成,，但電子傳遞隨ADP濃度的下降而減緩,。此過程稱為呼吸控制,，這保證電子流只在需要ATP合成時發(fā)生。