第24章　生物氧化—電子傳遞和氧化磷酸化作用

24.1　復習筆記

一、氧化-還原電勢

1．氧化-還原反應

（1）定義

氧化-還原反應是指凡是反應中有電子從一種物質轉移到另一種物質的化學反應。

（2）氧化還原反應的實質

電子轉移反應。提供電子的分子稱為還原劑，接受電子的分子稱為氧化劑。還原劑和氧化劑相偶聯構成氧化-還原電子對，簡稱氧-還電對。

（3）特點

氧化-還原反應往往是可逆的。

2．氧化-還原電勢

（1）電動勢

①通常把發生氧化反應的電極稱為陽極，把發生還原反應的電極稱為陰極。電子流動的方向是從陽極流向陰極，電極的方向則相反。

②電池的電動勢規定為正極電勢減去負極的電極電勢。

（2）電極電勢

①把金屬放進鹽溶液中，若失去電子的傾向大于獲得電子的傾向，結果是金屬進入溶液，使金屬電極帶負電，而靠近金屬電極附近的溶液帶正電。在金屬電極和鹽溶液之間即產生電勢或稱電位，這就是電極電勢或稱電極勢或電極電位。

②還原劑失掉電子的傾向（氧化劑得到電子的傾向）稱為氧化-還原電勢。

（3）電子從分子上轉移的方式

①以電子形式直接轉移；

②以氫原子的形式轉移；

③以氫負離子（:H-）的形式，它帶有2個電子從電子供體轉移到電子受體上；

④當一個有機氧化劑直接與氧結合時，也發生電子轉移，生成的產物是與氧以共價形式相結合的。

3．生物體中某些重要的氧化-還原電勢

（1）生物體內的氧化-還原物質進行氧化-還原反應時，都可以有氧化-還原電勢產生。

（2）任何的氧還電對都有其特定的標準電勢，用ε₀或E₀表示，稱為標準還原勢，或標準氧化還原電勢。標準電勢單位常用mV表示。

（3）標準電勢的正值越大，越傾向于獲得電子。

表24-1  生物體中某些氧化-還原體系的標準氧化還原電勢

4．電勢和自由能的關系

式中ΔE₀＇為相應反應的標準電極勢差，n為氧化-還原反應中傳遞的電子數目，F為法拉第常數，-ΔG表示體系自由能降低的變化，W_max為做的最大功。

5．標準電動勢和平衡常數的關系

二、電子傳遞和氧化呼吸鏈

1．電子傳遞過程

（1）氧化磷酸化

①電子傳遞和形成ATP的偶聯機制稱為氧化磷酸化作用，氧化磷酸化作用是電子在沿著電子傳遞鏈傳遞過程中伴隨的，將ADP磷酸化而形成ATP的全過程，這個過程又稱為氧化呼吸或呼吸代謝。

②生物氧化實質上就是指氧化磷酸化，是NADH和FADH₂上的電子通過一系列電子傳遞載體傳遞給O₂，伴隨NADH和FADH₂的再氧化，將釋放的能量使ADP磷酸化形成ATP的過程。

（2）電子傳遞鏈

①在有氧條件下，NADH和FADH₂是通過由電子載體所組成的電子傳遞鏈最終被O₂氧化。

②電子傳遞鏈在原核細胞存在于質膜上，在真核細胞存在于線粒體的內膜上。

③在電子傳遞過程中，電子的傳遞僅發生在相鄰的傳遞體之間，它的傳遞方向取決于每個電子所具有的電化學勢能的大小。

④電子傳遞還伴有H＋的結合和釋放，通過這種步驟使H＋能定向轉移，從而維持質子的跨膜電勢，推動ATP的合成。

2．呼吸鏈概念的建立

（1）氫激活作用的學說；

（2）呼吸酶激活分子氧學說；

（3）兩種學說結合。

3．電子傳遞鏈

（1）電子傳遞鏈的定義

電子從NADH到O₂的傳遞所經過的途徑形象地稱為電子傳遞鏈，又稱呼吸鏈。

（2）電子傳遞鏈的組分

電子傳遞鏈主要由蛋白質復合體組成，排列順序和主要特點如圖24-1和表24-2所示。

圖24-1  電子傳遞鏈中的電子載體及其順序

表24-2  電子傳遞鏈的組分

（3）合成ATP的自由能來源

合成ATP所需要的自由能來自于電子傳遞鏈的4種酶復合體將NADH和FADH₂所攜帶的電子從標準還原勢較低的成員傳遞到較高的成員所釋放的自由能得來的。如圖24-2所示。

圖24-2  電子傳遞鏈標準氧還勢自由能變化和ATP形成部位示意圖

4．電子傳遞鏈各個成員

（1）NADH-Q還原酶

①概述

NADH-Q還原酶又稱NADH脫氫酶，簡稱復合體I，分別由核和線粒體兩個不同的基因組編碼構成。NADH-Q還原酶是電子傳遞鏈中第一個質子泵，

②NADH-Q還原酶的作用

NADH-Q還原酶先與NADH結合并將NADH上的兩個高勢能電子轉移到FMN輔基上，使NADH氧化，并使FMN還原，反應式為：NADH＋H＋＋FMN→FMNH₂＋NAD＋

③鐵-硫蛋白

a．NADH-Q還原酶輔基FMNH₂上的電子又轉移到鐵硫聚簇（Fe-S）上，Fe-S是NADH-Q還原酶的第二種輔基。

b．Fe-S聚簇與蛋白質相結合稱為鐵-硫蛋白，又稱非血紅素鐵蛋白。

c．鐵-硫蛋白在生物系統的許多氧化-還原反應中起著關鍵性的電子傳遞作用。

（2）輔酶Q（CoQ）

①概述

a．輔酶Q又稱泛醌，是脂溶性輔酶，CoQ和FMN都是NADH-CoQ還原酶的輔酶；

b．CoQ在線粒體內膜中是一種均一的流動庫，可以結合到膜上，也可以游離狀態存在。它以不同的形式在電子傳遞鏈中起傳遞電子的作用；

c．CoQ在呼吸鏈中是一種和蛋白質結合不緊密的輔酶。

②作用

a．在電子傳遞中的作用是將電子從NADH-Q還原酶（復合體I）和琥珀酸-Q還原酶（復合體II）轉移到細胞色素還原酶（復合體III）上；

b．CoQ還可接受線粒體其他黃素酶類脫下的電子和氫原子。

（3）琥珀酸-Q還原酶

①概述

琥珀酸-Q還原酶又稱為復合體II，是嵌在線粒體內膜的酶蛋白。完整的酶還包括檸檬酸循環中的琥珀酸脫氫酶。琥珀酸-Q還原酶是電子傳遞鏈中第二個質子泵。

②輔酶和輔基

a．FADH₂作為該酶的輔基在傳遞電子時并不與酶分離，只是將電子傳遞給琥珀酸脫氫酶分子的鐵-硫聚簇后傳遞給CoQ，從而進入了電子傳遞鏈；

b．琥珀酸-Q還原酶的CoQ輔基和NADH還原酶中的輔基具有完全相同的結構和性質。

③生理意義

琥珀酸-Q還原酶將電子從FADH₂轉移到CoQ上的的反應沒有ATP的形成。但是這一步反應的重要意義在于它保證FADH₂上的具有相對高轉移勢能的電子進入電子傳遞鏈。

（4）細胞色素還原酶

①概述

a．細胞色素還原酶又稱復合體III，輔酶Q-細胞色素C還原酶、細胞色素bc₁復合體，簡稱bc₁。細胞色素是一類含有血紅素輔基的電子傳遞蛋白質的總稱。

b．根據吸收光譜的不同將細胞色素分為a、b、c三類。不同簇的細胞色素其分子內卟啉環上的取代基團各不相同。

②b類型細胞色素

b類型細胞色素的血紅素是鐵-原卟啉Ⅸ。鐵-原卟啉Ⅸ也存在于血紅蛋白和肌紅蛋白分子中，這種血紅素又稱為b型血紅素。

③c類型細胞色素

c類型細胞色素的血紅素和鐵-原卟啉Ⅸ的區別是血紅素上的乙烯基通過其雙鍵與蛋白質的半胱氨酸的巰基作用，形成硫醚鍵與蛋白質相連。

④細胞色素還原酶的組成

a．細胞色素還原酶含有細胞色素b和2Fe-2S，構成鐵-硫蛋白的鐵-硫中心，此外還含有細胞色素c₁；

b．細胞色素b在細胞色素還原酶中以游離形式存在，細胞色素c₁則是以共價鍵與蛋白質相連；

c．細胞色素還原酶在線粒體內膜的排列不對稱。細胞色素還原酶的部分結構模式如圖24-3所示。

圖24-3  細胞色素還原酶的部分結構模式

⑤細胞色素還原酶的作用

鐵原子在電子傳遞中發生可逆的Fe2＋和Fe3＋的價態變化，在電子傳遞鏈中細胞色素還原酶的作用是催化電子從QH₂轉移到細胞色素c。

（5）細胞色素c

①概述

a．細胞色素c是唯一能溶于水的細胞色素；

b．細胞色素c的鐵原子與甲硫氨酸殘基的硫原子和組氨酸殘基的氮原子相連接。它的血紅素基團由數個賴氨酸殘基形成環狀所包圍。這些賴氨酸殘基受到細胞色素還原酶和細胞色素氧化酶的保護。

②無血紅素細胞色素c

a．無血紅素細胞色素c是指在細胞溶膠中的細胞色素c，其和成熟的細胞色素c的氨基酸序列完全相同，只是沒有血紅素基團；

b．當無血紅素細胞色素c通過線粒體外膜蛋白通道跨過線粒體外膜進入線粒體內膜的間隙后，細胞色素c合成酶（又稱細胞色素c血紅素裂合酶）將血紅素與蛋白分子結合，血紅素引起細胞色素c蛋白分子發生構象變化，使細胞色素c不再能穿過線粒體外膜，被鎖在線粒體內外膜的間隙。

③細胞色素c的作用

細胞色素c交互地與細胞色素還原酶（復合體III）的細胞色素c₁和細胞色素氧化酶（復合體IV）接觸，在復合體III和IV之間起傳遞電子的作用。傳遞分兩個階段完成，如圖24-4所示。

圖24-4  從細胞色素還原酶到細胞色素c的電子傳遞途徑

（6）細胞色素氧化酶

①概述

a．細胞色素氧化酶又稱為細胞色素c氧化酶、復合體IV，是第三個質子泵；

b．細胞色素氧化酶由l0個亞基構成，此酶共有4個氧化一還原活性中心，都集中在亞基I和II上，這4個氧化一還原活性中心是兩個a型血紅素（血紅素a和血紅素a₃）和兩個銅離子（Cu_A和Cu_B）；

c．血紅素a是細胞色素氧化酶的鐵卟啉結構，它與其他血紅素的區別是有一個甲酰基取代了一個甲基而且有一個長達17個碳的碳氫鏈。

②細胞色素氧化酶接受和傳遞電子的順序

由還原型細胞色素c將所攜帶的電子傳遞給血紅素a-Cu_A聚簇，然后再傳遞給血紅素a₃-Cu_B聚族，O₂經過一系列步驟最后生成2分子H₂O。

③電子傳遞過程

分子氧是最終電子受體。一分子氧氣接受4個電子，4個電子的傳遞如圖24-5所示。

圖24-5  細胞色素氧化酶催化氧接受4個電子的過程

④電子傳遞的特性

a．電子在從過氧化物中間體到形成水的兩步反應中是產生質子泵的部位。

b．當一對電子流經細胞色素氧化酶的同時，有4個質子跨越線粒體膜進入到細胞溶膠中。

5．電子傳遞的抑制劑

電子傳遞抑制劑是指能夠阻斷呼吸鏈中某部位電子傳遞的物質。利用專一性電子傳遞抑制劑選擇性地阻斷呼吸鏈中某個傳遞步驟，再測定鏈中各組分的氧化-還原態情況，是研究電子傳遞鏈順序的一種重要方法。

表24-3  電子傳遞體的抑制劑

圖24-6  幾種電子傳遞抑制劑的作用部位

三、氧化磷酸化作用

1．線粒體

（1）結構

①線粒體是需氧細胞產生ATP的主要部位；

②線粒體含有兩層膜，中間有膜間隙。外膜平滑稍有彈性，含有線粒體孔道蛋白，構成外膜孔道，能通過相對分子質量小的物質；

③內膜是細胞溶膠和線粒體基質之間的主要屏障。有許多向內的折疊稱為嵴；

④內膜嵴和嵴之間構成分隔的區室，其中含有膠狀的基質。

（2）線粒體內膜的功能

①丙酮酸以及脂肪酸氧化為CO₂，同時使NAD＋和FAD還原為NADH和FADH₂。這是發生在線粒體基質或面向基質的內膜蛋白質上；

②電子從NADH和FADH₂傳至線粒體內膜上，并同時形成跨膜質子泵；

③是將貯存于電化學質子梯度的能量由內膜上的F₀F_lATP酶復合體合成ATP。

2．氧化磷酸化作用機制

（1）氧化磷酸化的全過程

（2）ATP的合成部位

ATP合成由ATP合酶催化，其合成部位如下：

①第1個部位是由復合體I將NADH上的電子傳遞給CoQ的過程；

②第2個部位是由復合體III將分子由CoQ傳遞給細胞色素c的過程；

③第3個部位是由復合體IV將電子從細胞色素c傳遞給氧的過程。

（3）能量偶聯假說

電子傳遞所釋放出的自由能必須通過一種保留形式使ATP合酶能夠利用，這種能量的保存和ATP合酶對它的利用稱為能量偶聯或能量轉換。

①化學偶聯假說

化學偶聯假說認為電子傳遞過程產生一種活潑的高能共價中間物。它隨后的裂解驅動氧化磷酸化作用。

②構象偶聯假說

構象偶聯假說認為電子沿電子傳遞鏈傳遞使線粒體內膜蛋白質組分發生了構象變化，形成一種高能形式。這種高能形式通過ATP的合成而恢復其原來的構象。

③化學滲透假說

a．內容

化學滲透假說認為電子傳遞釋放出的自由能和ATP合成是與一種跨線粒體內膜的質子梯度相偶聯的。即電子傳遞的自由能驅動H＋從線粒體基質跨過內膜進入到膜間隙，從而形成跨線粒體內膜的H＋電化學梯度。這個梯度的電化學電勢驅動ATP的合成。

b．化學滲透假說的實驗證據

第一，氧化磷酸化作用的進行需要封閉的線粒體內膜存在；

第二，線粒體內膜對H＋、OH-、K-和Cl-等離子都是不通透的；

第三，破壞H＋濃度梯度的形成都必然破壞氧化磷酸化作用的進行；

第四，線粒體電子傳遞所形成的電子流能夠將H＋從線粒體內膜逐出到線粒體膜間隙；

第五，膜表面不僅能滯留大量質子，而且在一定條件下，質子沿膜表面迅速的轉移，其速度超過在大量水相中的速度。

3．質子梯度的形成

（1）質子動力

①電子傳遞使復合體I、III和IV推動H＋跨過線粒體內膜到線粒體的間隙，結果造成線粒體基質形成負電勢，而間隙形成正電勢，這樣產生的電化學梯度即電動勢，稱為質子動勢或質子動力（即pH梯度和膜電勢），是ATP合成的動力，如圖24-7所示。

②質子泵出是需能過程。

圖24-7  線粒體電子傳遞鏈圖解

（2）質子轉移的機制有兩種假設

①氧化-還原回路機制

該機制由Mitchell提出，可簡稱為氧-還回路。該機制認為線粒體內膜呼吸鏈的各個氧化-還原中心即FMN、CoQ、細胞色素以及鐵-硫聚簇的排列可能既能執行電子的轉移，又能轉移基質的質子。

②質子泵機制

質子泵機制認為電子傳遞導致復合體的構象變化。質子的轉移是氨基酸側鏈pK值變化產生影響的結果。構象變化造成氨基酸側鏈pK值的改變，結果發揮質子泵作用的側鏈暴露在外并交替地暴露在線粒體內膜的內側或外側，從而使質子發生移位。

4．ATP合成機制

（1）ATP合酶

①ATP的合成是由ATP合酶催化完成的；

②ATP合酶是由兩個主要的單元構成，又稱為F_oF₁-ATP酶。

a．起質子通道作用的單元稱為F₀單元；

b．催化ATP合成的單元稱為F₁單元（球狀結構）。

表24-4  線粒體ATP合酶復合體組分

（2）質子流通過ATP合酶同時釋出與酶牢固結合的ATP分子

①質子梯度的作用是使ATP從酶分子上解脫下來。ATP合酶分子與ADP和Pi的結合，有促使ATP分子從酶上解脫下來的作用。表明ATP合酶分子上的核苷酸結合部位在催化過程中有相互協調的作用。

②ATP合酶的作用是由質子動力所驅動的。這種動力是由pH梯度和膜電勢產生的。某些氨基酸殘基在pH梯度的條件下可以發生質子化或去質子化。

5．氧化磷酸化的解偶聯和抑制

（1）特殊試劑的解偶聯作用

用特殊的試劑可將氧化磷酸化過程分解成單個的反應。不同的化學因素對氧化磷酸化作用的影響方式不同。

表24-5  特殊試劑的解偶聯作用

（2）激素控制褐色脂肪線粒體氧化磷酸化解偶聯機制使產生熱量

①褐色脂肪組織（又稱褐色脂肪），由含大量甘油三脂和大量線粒體的細胞構成，其作用是非戰栗性產熱，對新生兒由保護敏感機體組織的作用，對冬眠動物有維持體溫的作用；

②褐色脂肪的產熱機制是線粒體氧化磷酸化解偶聯的結果。這是通過線粒體中的激素產熱素起作用。

6．細胞溶膠內NADH的再氧化

細胞溶膠內的NADH不能透過線粒體內膜進入線粒體氧化。通過兩種“穿梭”途徑解決NADH再氧化問題。

（1）甘油-3-磷酸穿梭途徑

①此穿梭途徑起電子載體作用的即是甘油-3-磷酸。甘油-3-磷酸可以容易地穿梭于線粒體的內膜，起到穿梭搬運作用，其機制如圖24-8所示。

圖24-8  甘油-3-磷酸穿梭途徑

②甘油磷酸穿梭途徑將NADH電子轉移進入電子傳遞鏈進行氧化磷酸化所利用的電子傳遞中介體是FAD而不是NAD＋，使從NADH脫下的電子通過氧化磷酸化最后生成的ATP分子數比以NAD＋作為傳遞體時少1個ATP分子。

（2）蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑

在心臟和肝臟細胞溶膠內NADH的電子進入線粒體是通過蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑。細胞溶膠中NADH的電子由細胞溶膠的蘋果酸脫氫酶傳遞給草酰乙酸使草酰乙酸轉變為蘋果酸，同時NADH即氧化為NAD＋，蘋果酸通過通過蘋果酸通過-α-酮戊二酸載體穿過線粒體膜（圖24-9）。

圖24-9  蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑

7．氧化磷酸化的調控

[ATP]/[ADP]之比在細胞內對電子傳遞速度起著重要的調節作用，同時對還原型輔酶的積累和氧化也起調節作用。ADP作為關鍵物質對氧化磷酸化作用的調節稱為呼吸控制。

（1）當細胞利用ATP做功時，細胞內ATP水平迅速下降，同時ADP的濃度迅速升高，電子傳遞也加速各種輔酶往復的氧化-還原反應；

（2）當ATP在細胞內積累時，ADP的濃度很低。這時電子傳遞變緩或停止，還原型輔酶濃度增加以致不能再接受電子，一次整個呼吸鏈也受到抑制或停止。氧化磷酸化作用的進行和細胞對ATP的需要是相適應的。

8．葡萄糖徹底氧化的總結算

表24-6  葡萄糖徹底氧化生成ATP分子統計

9．氧的不完全還原

（1）氧的自由基

任何來源的電子都很容易使氧發生不完全還原，形成氧的自由基。一個電子使氧還原形成超氧化物負離子，兩個電子使氧還原形成過氧化氫，3個電子使氧還原形成羥自由基。

（2）不完全氧化的危害

①不完全還原形式的氧反應性極強，對機體非常有害。

②羥自由基是其中最強的氧化劑也是最活躍的誘變劑，當機體受到電離輻射時羥自由基就會產生。

（3）解除氧自由基的毒害作用

①生物要存活必須將這些毒性極強的高活性氧轉變為活性較小的形式。需氧細胞有幾種主要的自我保護機制使機體免受不完全還原氧的侵害。其中最主要的一種方式是通過酶的作用，包括超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶。

②使超氧化物陰離子解毒的主要方式是由超氧化物歧化酶將其轉變為過氧化氫。該酶催化的是一種歧化反應，即兩個相同的底物形成兩種不同的產物，一個超氧化物負離子被氧化另一個則被還原。反應式：

③機體內由過氧化氫酶將過氧化氫分解為水和氧氣。