第24章 生物氧化—电子传递和氧化磷酸化作用
24.1 复习笔记
一、氧化-还原电势
1．氧化-还原反应
（1）定义
氧化-还原反应是指凡是反应中有电子从一种物质转移到另一种物质的化学反应。
（2）氧化还原反应的实质
电子转移反应。提供电子的分子称为还原剂，接受电子的分子称为氧化剂。还原剂和氧化剂相偶联构成氧化-还原电子对，简称氧-还电对。
（3）特点
氧化-还原反应往往是可逆的。
2．氧化-还原电势
（1）电动势
①通常把发生氧化反应的电极称为阳极，把发生还原反应的电极称为阴极。电子流动的方向是从阳极流向阴极，电极的方向则相反。
②电池的电动势规定为正极电势减去负极的电极电势。
（2）电极电势
①把金属放进盐溶液中，若失去电子的倾向大于获得电子的倾向，结果是金属进入溶液，使金属电极带负电，而靠近金属电极附近的溶液带正电。在金属电极和盐溶液之间即产生电势或称电位，这就是电极电势或称电极势或电极电位。
②还原剂失掉电子的倾向（氧化剂得到电子的倾向）称为氧化-还原电势。
（3）电子从分子上转移的方式
①以电子形式直接转移；
②以氢原子的形式转移；
③以氢负离子（:H-）的形式，它带有2个电子从电子供体转移到电子受体上；
④当一个有机氧化剂直接与氧结合时，也发生电子转移，生成的产物是与氧以共价形式相结合的。
3．生物体中某些重要的氧化-还原电势
（1）生物体内的氧化-还原物质进行氧化-还原反应时，都可以有氧化-还原电势产生。
（2）任何的氧还电对都有其特定的标准电势，用ε0或E0表示，称为标准还原势，或标准氧化还原电势。标准电势单位常用mV表示。
（3）标准电势的正值越大，越倾向于获得电子。
表24-1 生物体中某些氧化-还原体系的标准氧化还原电势
4．电势和自由能的关系
式中ΔE0＇为相应反应的标准电极势差，n为氧化-还原反应中传递的电子数目，F为法拉第常数，-ΔG表示体系自由能降低的变化，Wmax为做的最大功。
5．标准电动势和平衡常数的关系
二、电子传递和氧化呼吸链
1．电子传递过程
（1）氧化磷酸化
①电子传递和形成ATP的偶联机制称为氧化磷酸化作用，氧化磷酸化作用是电子在沿着电子传递链传递过程中伴随的，将ADP磷酸化而形成ATP的全过程，这个过程又称为氧化呼吸或呼吸代谢。
②生物氧化实质上就是指氧化磷酸化，是NADH和FADH2上的电子通过一系列电子传递载体传递给O2，伴随NADH和FADH2的再氧化，将释放的能量使ADP磷酸化形成ATP的过程。
（2）电子传递链
①在有氧条件下，NADH和FADH2是通过由电子载体所组成的电子传递链最终被O2氧化。
②电子传递链在原核细胞存在于质膜上，在真核细胞存在于线粒体的内膜上。
③在电子传递过程中，电子的传递仅发生在相邻的传递体之间，它的传递方向取决于每个电子所具有的电化学势能的大小。
④电子传递还伴有H＋的结合和释放，通过这种步骤使H＋能定向转移，从而维持质子的跨膜电势，推动ATP的合成。
2．呼吸链概念的建立
（1）氢激活作用的学说；
（2）呼吸酶激活分子氧学说；
（3）两种学说结合。
3．电子传递链
（1）电子传递链的定义
电子从NADH到O2的传递所经过的途径形象地称为电子传递链，又称呼吸链。
（2）电子传递链的组分
电子传递链主要由蛋白质复合体组成，排列顺序和主要特点如图24-1和表24-2所示。
图24-1 电子传递链中的电子载体及其顺序
表24-2 电子传递链的组分
（3）合成ATP的自由能来源
合成ATP所需要的自由能来自于电子传递链的4种酶复合体将NADH和FADH2所携带的电子从标准还原势较低的成员传递到较高的成员所释放的自由能得来的。如图24-2所示。
图24-2 电子传递链标准氧还势自由能变化和ATP形成部位示意图
4．电子传递链各个成员
（1）NADH-Q还原酶
①概述
NADH-Q还原酶又称NADH脱氢酶，简称复合体I，分别由核和线粒体两个不同的基因组编码构成。NADH-Q还原酶是电子传递链中第一个质子泵，
②NADH-Q还原酶的作用
NADH-Q还原酶先与NADH结合并将NADH上的两个高势能电子转移到FMN辅基上，使NADH氧化，并使FMN还原，反应式为：NADH＋H＋＋FMN→FMNH2＋NAD＋
③铁-硫蛋白
a．NADH-Q还原酶辅基FMNH2上的电子又转移到铁硫聚簇（Fe-S）上，Fe-S是NADH-Q还原酶的第二种辅基。
b．Fe-S聚簇与蛋白质相结合称为铁-硫蛋白，又称非血红素铁蛋白。
c．铁-硫蛋白在生物系统的许多氧化-还原反应中起着关键性的电子传递作用。
（2）辅酶Q（CoQ）
①概述
a．辅酶Q又称泛醌，是脂溶性辅酶，CoQ和FMN都是NADH-CoQ还原酶的辅酶；
b．CoQ在线粒体内膜中是一种均一的流动库，可以结合到膜上，也可以游离状态存在。它以不同的形式在电子传递链中起传递电子的作用；
c．CoQ在呼吸链中是一种和蛋白质结合不紧密的辅酶。
②作用
a．在电子传递中的作用是将电子从NADH-Q还原酶（复合体I）和琥珀酸-Q还原酶（复合体II）转移到细胞色素还原酶（复合体III）上；
b．CoQ还可接受线粒体其他黄素酶类脱下的电子和氢原子。
（3）琥珀酸-Q还原酶
①概述
琥珀酸-Q还原酶又称为复合体II，是嵌在线粒体内膜的酶蛋白。完整的酶还包括柠檬酸循环中的琥珀酸脱氢酶。琥珀酸-Q还原酶是电子传递链中第二个质子泵。
②辅酶和辅基
a．FADH2作为该酶的辅基在传递电子时并不与酶分离，只是将电子传递给琥珀酸脱氢酶分子的铁-硫聚簇后传递给CoQ，从而进入了电子传递链；
b．琥珀酸-Q还原酶的CoQ辅基和NADH还原酶中的辅基具有完全相同的结构和性质。
③生理意义
琥珀酸-Q还原酶将电子从FADH2转移到CoQ上的的反应没有ATP的形成。但是这一步反应的重要意义在于它保证FADH2上的具有相对高转移势能的电子进入电子传递链。
（4）细胞色素还原酶
①概述
a．细胞色素还原酶又称复合体III，辅酶Q-细胞色素C还原酶、细胞色素bc1复合体，简称bc1。细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称。
b．根据吸收光谱的不同将细胞色素分为a、b、c三类。不同簇的细胞色素其分子内卟啉环上的取代基团各不相同。
②b类型细胞色素
b类型细胞色素的血红素是铁-原卟啉Ⅸ。铁-原卟啉Ⅸ也存在于血红蛋白和肌红蛋白分子中，这种血红素又称为b型血红素。
③c类型细胞色素
c类型细胞色素的血红素和铁-原卟啉Ⅸ的区别是血红素上的乙烯基通过其双键与蛋白质的半胱氨酸的巯基作用，形成硫醚键与蛋白质相连。
④细胞色素还原酶的组成
a．细胞色素还原酶含有细胞色素b和2Fe-2S，构成铁-硫蛋白的铁-硫中心，此外还含有细胞色素c1；
b．细胞色素b在细胞色素还原酶中以游离形式存在，细胞色素c1则是以共价键与蛋白质相连；
c．细胞色素还原酶在线粒体内膜的排列不对称。细胞色素还原酶的部分结构模式如图24-3所示。
图24-3 细胞色素还原酶的部分结构模式
⑤细胞色素还原酶的作用
铁原子在电子传递中发生可逆的Fe2＋和Fe3＋的价态变化，在电子传递链中细胞色素还原酶的作用是催化电子从QH2转移到细胞色素c。
（5）细胞色素c
①概述
a．细胞色素c是唯一能溶于水的细胞色素；
b．细胞色素c的铁原子与甲硫氨酸残基的硫原子和组氨酸残基的氮原子相连接。它的血红素基团由数个赖氨酸残基形成环状所包围。这些赖氨酸残基受到细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶的保护。
②无血红素细胞色素c
a．无血红素细胞色素c是指在细胞溶胶中的细胞色素c，其和成熟的细胞色素c的氨基酸序列完全相同，只是没有血红素基团；
b．当无血红素细胞色素c通过线粒体外膜蛋白通道跨过线粒体外膜进入线粒体内膜的间隙后，细胞色素c合成酶（又称细胞色素c血红素裂合酶）将血红素与蛋白分子结合，血红素引起细胞色素c蛋白分子发生构象变化，使细胞色素c不再能穿过线粒体外膜，被锁在线粒体内外膜的间隙。
③细胞色素c的作用
细胞色素c交互地与细胞色素还原酶（复合体III）的细胞色素c1和细胞色素氧化酶（复合体IV）接触，在复合体III和IV之间起传递电子的作用。传递分两个阶段完成，如图24-4所示。
图24-4 从细胞色素还原酶到细胞色素c的电子传递途径
（6）细胞色素氧化酶
①概述
a．细胞色素氧化酶又称为细胞色素c氧化酶、复合体IV，是第三个质子泵；
b．细胞色素氧化酶由l0个亚基构成，此酶共有4个氧化一还原活性中心，都集中在亚基I和II上，这4个氧化一还原活性中心是两个a型血红素（血红素a和血红素a3）和两个铜离子（CuA和CuB）；
c．血红素a是细胞色素氧化酶的铁卟啉结构，它与其他血红素的区别是有一个甲酰基取代了一个甲基而且有一个长达17个碳的碳氢链。
②细胞色素氧化酶接受和传递电子的顺序
由还原型细胞色素c将所携带的电子传递给血红素a-CuA聚簇，然后再传递给血红素a3-CuB聚族，O2经过一系列步骤最后生成2分子H2O。
③电子传递过程
分子氧是最终电子受体。一分子氧气接受4个电子，4个电子的传递如图24-5所示。
图24-5 细胞色素氧化酶催化氧接受4个电子的过程
④电子传递的特性
a．电子在从过氧化物中间体到形成水的两步反应中是产生质子泵的部位。
b．当一对电子流经细胞色素氧化酶的同时，有4个质子跨越线粒体膜进入到细胞溶胶中。
5．电子传递的抑制剂
电子传递抑制剂是指能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质。利用专一性电子传递抑制剂选择性地阻断呼吸链中某个传递步骤，再测定链中各组分的氧化-还原态情况，是研究电子传递链顺序的一种重要方法。
表24-3 电子传递体的抑制剂
图24-6 几种电子传递抑制剂的作用部位
三、氧化磷酸化作用
1．线粒体
（1）结构
①线粒体是需氧细胞产生ATP的主要部位；
②线粒体含有两层膜，中间有膜间隙。外膜平滑稍有弹性，含有线粒体孔道蛋白，构成外膜孔道，能通过相对分子质量小的物质；
③内膜是细胞溶胶和线粒体基质之间的主要屏障。有许多向内的折叠称为嵴；
④内膜嵴和嵴之间构成分隔的区室，其中含有胶状的基质。
（2）线粒体内膜的功能
①丙酮酸以及脂肪酸氧化为CO2，同时使NAD＋和FAD还原为NADH和FADH2。这是发生在线粒体基质或面向基质的内膜蛋白质上；
②电子从NADH和FADH2传至线粒体内膜上，并同时形成跨膜质子泵；
③是将贮存于电化学质子梯度的能量由内膜上的F0FlATP酶复合体合成ATP。
2．氧化磷酸化作用机制
（1）氧化磷酸化的全过程
（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个部位是由复合体I将NADH上的电子传递给CoQ的过程；
②第2个部位是由复合体III将分子由CoQ传递给细胞色素c的过程；
③第3个部位是由复合体IV将电子从细胞色素c传递给氧的过程。
（3）能量偶联假说
电子传递所释放出的自由能必须通过一种保留形式使ATP合酶能够利用，这种能量的保存和ATP合酶对它的利用称为能量偶联或能量转换。
①化学偶联假说
化学偶联假说认为电子传递过程产生一种活泼的高能共价中间物。它随后的裂解驱动氧化磷酸化作用。
②构象偶联假说
构象偶联假说认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能形式。这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。
③化学渗透假说
a．内容
化学渗透假说认为电子传递释放出的自由能和ATP合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。即电子传递的自由能驱动H＋从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H＋电化学梯度。这个梯度的电化学电势驱动ATP的合成。
b．化学渗透假说的实验证据
第一，氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在；
第二，线粒体内膜对H＋、OH-、K-和Cl-等离子都是不通透的；
第三，破坏H＋浓度梯度的形成都必然破坏氧化磷酸化作用的进行；
第四，线粒体电子传递所形成的电子流能够将H＋从线粒体内膜逐出到线粒体膜间隙；
第五，膜表面不仅能滞留大量质子，而且在一定条件下，质子沿膜表面迅速的转移，其速度超过在大量水相中的速度。
3．质子梯度的形成
（1）质子动力
①电子传递使复合体I、III和IV推动H＋跨过线粒体内膜到线粒体的间隙，结果造成线粒体基质形成负电势，而间隙形成正电势，这样产生的电化学梯度即电动势，称为质子动势或质子动力（即pH梯度和膜电势），是ATP合成的动力，如图24-7所示。
②质子泵出是需能过程。
图24-7 线粒体电子传递链图解
（2）质子转移的机制有两种假设
①氧化-还原回路机制
该机制由Mitchell提出，可简称为氧-还回路。该机制认为线粒体内膜呼吸链的各个氧化-还原中心即FMN、CoQ、细胞色素以及铁-硫聚簇的排列可能既能执行电子的转移，又能转移基质的质子。
②质子泵机制
质子泵机制认为电子传递导致复合体的构象变化。质子的转移是氨基酸侧链pK值变化产生影响的结果。构象变化造成氨基酸侧链pK值的改变，结果发挥质子泵作用的侧链暴露在外并交替地暴露在线粒体内膜的内侧或外侧，从而使质子发生移位。
4．ATP合成机制
（1）ATP合酶
①ATP的合成是由ATP合酶催化完成的；
②ATP合酶是由两个主要的单元构成，又称为FoF1-ATP酶。
a．起质子通道作用的单元称为F0单元；
b．催化ATP合成的单元称为F1单元（球状结构）。
表24-4 线粒体ATP合酶复合体组分
（2）质子流通过ATP合酶同时释出与酶牢固结合的ATP分子
①质子梯度的作用是使ATP从酶分子上解脱下来。ATP合酶分子与ADP和Pi的结合，有促使ATP分子从酶上解脱下来的作用。表明ATP合酶分子上的核苷酸结合部位在催化过程中有相互协调的作用。
②ATP合酶的作用是由质子动力所驱动的。这种动力是由pH梯度和膜电势产生的。某些氨基酸残基在pH梯度的条件下可以发生质子化或去质子化。
5．氧化磷酸化的解偶联和抑制
（1）特殊试剂的解偶联作用
用特殊的试剂可将氧化磷酸化过程分解成单个的反应。不同的化学因素对氧化磷酸化作用的影响方式不同。
表24-5 特殊试剂的解偶联作用
（2）激素控制褐色脂肪线粒体氧化磷酸化解偶联机制使产生热量
①褐色脂肪组织（又称褐色脂肪），由含大量甘油三脂和大量线粒体的细胞构成，其作用是非战栗性产热，对新生儿由保护敏感机体组织的作用，对冬眠动物有维持体温的作用；
②褐色脂肪的产热机制是线粒体氧化磷酸化解偶联的结果。这是通过线粒体中的激素产热素起作用。
6．细胞溶胶内NADH的再氧化
细胞溶胶内的NADH不能透过线粒体内膜进入线粒体氧化。通过两种“穿梭”途径解决NADH再氧化问题。
（1）甘油-3-磷酸穿梭途径
①此穿梭途径起电子载体作用的即是甘油-3-磷酸。甘油-3-磷酸可以容易地穿梭于线粒体的内膜，起到穿梭搬运作用，其机制如图24-8所示。
图24-8 甘油-3-磷酸穿梭途径
②甘油磷酸穿梭途径将NADH电子转移进入电子传递链进行氧化磷酸化所利用的电子传递中介体是FAD而不是NAD＋，使从NADH脱下的电子通过氧化磷酸化最后生成的ATP分子数比以NAD＋作为传递体时少1个ATP分子。
（2）苹果酸-天冬氨酸穿梭途径
在心脏和肝脏细胞溶胶内NADH的电子进入线粒体是通过苹果酸-天冬氨酸穿梭途径。细胞溶胶中NADH的电子由细胞溶胶的苹果酸脱氢酶传递给草酰乙酸使草酰乙酸转变为苹果酸，同时NADH即氧化为NAD＋，苹果酸通过通过苹果酸通过-α-酮戊二酸载体穿过线粒体膜（图24-9）。
图24-9 苹果酸-天冬氨酸穿梭途径
7．氧化磷酸化的调控
[ATP]/[ADP]之比在细胞内对电子传递速度起着重要的调节作用，同时对还原型辅酶的积累和氧化也起调节作用。ADP作为关键物质对氧化磷酸化作用的调节称为呼吸控制。
（1）当细胞利用ATP做功时，细胞内ATP水平迅速下降，同时ADP的浓度迅速升高，电子传递也加速各种辅酶往复的氧化-还原反应；
（2）当ATP在细胞内积累时，ADP的浓度很低。这时电子传递变缓或停止，还原型辅酶浓度增加以致不能再接受电子，一次整个呼吸链也受到抑制或停止。氧化磷酸化作用的进行和细胞对ATP的需要是相适应的。
8．葡萄糖彻底氧化的总结算
表24-6 葡萄糖彻底氧化生成ATP分子统计
9．氧的不完全还原
（1）氧的自由基
任何来源的电子都很容易使氧发生不完全还原，形成氧的自由基。一个电子使氧还原形成超氧化物负离子，两个电子使氧还原形成过氧化氢，3个电子使氧还原形成羟自由基。
（2）不完全氧化的危害
①不完全还原形式的氧反应性极强，对机体非常有害。
②羟自由基是其中最强的氧化剂也是最活跃的诱变剂，当机体受到电离辐射时羟自由基就会产生。
（3）解除氧自由基的毒害作用
①生物要存活必须将这些毒性极强的高活性氧转变为活性较小的形式。需氧细胞有几种主要的自我保护机制使机体免受不完全还原氧的侵害。其中最主要的一种方式是通过酶的作用，包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶。
②使超氧化物阴离子解毒的主要方式是由超氧化物歧化酶将其转变为过氧化氢。该酶催化的是一种歧化反应，即两个相同的底物形成两种不同的产物，一个超氧化物负离子被氧化另一个则被还原。反应式：
③机体内由过氧化氢酶将过氧化氢分解为水和氧气。