生物化学及习题解析---第四章 生物氧化与氧化磷酸化

第四章  生物氧化与氧化磷酸化

 

一、知识要点

    

生物氧化的实质是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧生成CO2和H2O，与体外有机物的化学氧化（如燃烧）相同，释放总能量都相同。生物氧化的特点是：作用条件温和，通常在常温、常压、近中性pH及有水环境下进行；有酶、辅酶、电子传递体参与，在氧化还原过程中逐步放能；放出能量大多转换为ATP分子中活跃化学能，供生物体利用。体外燃烧则是在高温、干燥条件下进行的剧烈游离基反应，能量爆发释放，并且释放的能量转为光、热散失于环境中。

（一）氧化还原电势和自由能变化

1．自由能

生物氧化过程中发生的生化反应的能量变化与一般化学反应一样可用热力学上的自由能变化来描述。自由能（free energy）是指一个体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量，又称为Gibbs自由能，用符号G表示。物质中的自由能（G）含量是不易测定的，但化学反应的自由能变化（ΔG）是可以测定的。ΔG很有用，它表示从某反应可以得到多少有用功，也是衡量化学反应的自发性的标准。例如，物质A转变为物质B的反应：

 

ΔG＝GB—GA

当ΔG为负值时，是放能反应，可以产生有用功，反应可自发进行；若ΔG为正值时，是吸能反应，为非自发反应，必须供给能量反应才可进行，其逆反应是自发的。

如果ΔG＝0时，表明反应体系处于动态平衡状态。此时，平衡常数为Keq，由已知的Keq可求得ΔG°：

    ΔG°＝－RTlnKeq

2．化还原电势

在氧化还原反应中，失去电子的物质称为还原剂，得到电子的物质称为氧化剂。还原剂失去电子的倾向（或氧化剂得到电子的倾向）的大小，则称为氧化还原电势。将任何一对氧化还原物质的氧化还原对连在一起，都有氧化还原电位的产生。如果将氧化还原物质与标准氢电极组成原电池，即可测出氧化还原电势。标准氧还原电势用E°表示。E°值愈大，获得电子的倾向愈大；E°愈小，失去电子的倾向愈大。

3．氧化还原电势与自由能的关系

在一个氧化还原反应中，可从反应物的氧还电势E 0＇，计算出这个氧化还原反应的自由能变化（ΔG）。ΔG°与氧化还原电势的关系如下：

ΔG°= － nFΔE°

n表示转移的电子数，F为法拉第常数（1法拉第＝96485库仑／摩尔）。ΔE°的单位为伏特，ΔG°的单位为焦耳／摩尔。当ΔE°为正值时，ΔG°为负值，是放能反应，反应能自发进行。ΔE°为负值时，ΔG°为正值，是吸能反应，反应不能自发进行。

（二）高能磷酸化合物

生物体内有许多磷酸化合物，其磷酸基团水解时可释放出20.92kJ／mol以上自由能的化合物称为高能磷酸化合物。按键型的特点可分为：

1．磷氧键型：焦磷酸化合物如腺三磷（ATP）是高能磷酸化合物的典型代表。ATP磷酸酐键水解时，释放出30.54kJ／mol能量，它有两个高能磷酸键，在能量转换中极为重要；酰基磷酸化合物如1,3二磷酸甘油酸以及烯醇式磷酸化合物如磷酸烯醇式丙酮酸都属此类。

2．磷键型化合物如磷酸肌酸、磷酸精氨酸。

3．酯键型化合物如乙酰辅酶A。

4．甲硫健型化合物如S-腺苷甲硫氨酸。

此外，脊椎动物中的磷酸肌酸和无脊椎动物中的磷酸精氨酸，是ATP的能量贮存库，作为贮能物质又称为磷酸原。

（三）电子传递链

电子传递链是在生物氧化中，底物脱下的氢（H+ + eˉ），经过一系列传递体传递，最后与氧结合生成H2O的电子传递系统，又称呼吸链。呼吸链上电子传递载体的排列是有一定顺序和方向的，电子传递的方向是从氧还电势较负的化合物流向氧化还原电势较正的化合物，直到氧。氧是氧化还原电势最高的受体，最后氧被还原成水。

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。线粒体内膜上的呼吸链有NADH呼吸链和FADH2呼吸链。

1．构成电子传递链的电子传递体成员分五类：

（1）烟酰胺核苷酸（NAD＋） 多种底物脱氢酶以NAD＋为辅酶，接受底物上脱下的氢成为还原态的NADH+ ＋H＋，是氢（H＋和eˉ）传递体。

（2）黄素蛋白 黄素蛋白以FAD和FMN为辅基，接受NADH+ ＋H＋或底物（如琥珀酸）上的质子和电子，形成FADH2或FMNH2，传递质子和电子。

（3）铁硫蛋白或铁硫中心 也称非血红素蛋白，是单电子传递体，氧化态为Fe3＋，还原态为Fe2＋。

（4）辅酶Q又称泛醌，是脂溶性化合物。它不仅能接受脱氢酶的氢，还能接受琥珀酸脱氢酶等的氢（H＋＋eˉ）。是处于电子传递链中心地位的载氢体。

（5）细胞色素类是含铁的单电子传递载体。铁原子处于卟啉的中心，构成血红素。它是细胞色素类的辅基。细胞色素类是呼吸链中将电子从辅酶Q传递到氧的专一酶类。线粒体的电子至少含有5种不同的细胞色素（即b、c、c1、a、a3）。通过实验证明，它们在电子传递链上电于传递的顺序是b→c1→c→aa3，细胞色素aa3以复合物形式存在，称为细胞色素氧化酶。是电子传递链中最末端的载体，所以又称末端氧化酶。

2．电子传递抑制剂

能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。常用的抑制剂有：

（1）鱼藤酮：阻断电子由NADH向CoQ的传递。它是一种极毒的植物物质，常用作杀虫剂。

（2）抗霉素A：能阻断电子从Cytb到Cytc1的传递。

（3）氰化物、硫化氢、叠氮化物、CO能阻断电子由Cytaa3到氧的传递。

由于这三个部位的电子流被阻断，因此，也抑制了磷酸化的进行，即不能形成ATP。

（四）氧化磷酸化作用

氧化磷酸化作用是需氧细胞生命活动的基础，是主要的能量来源。真核细胞是在线粒体内膜上进行。

1．氧化磷酸化作用

高势能电子从NADH或FADH2沿呼吸链传递给氧的过程中，所释放的能量转移给ADP形成ATP，即ATP的形成与电子传递相偶联，称为氧化磷酸化作用，其特点是需要氧分子参与。

氧化磷酸化作用与底物水平磷酸化作用是有区别的：底物水平磷酸化作用是指代谢底物由于脱氢或脱水，造成其分子内部能量重新分布，产生的高能键所携带的能量转移给ADP生成ATP，即ATP的形成直接与一个代谢中间高能磷酸化合物（如磷酸烯醇式丙酮酸、1,3-二磷酸甘油酸等）上的磷酸基团的转移相偶联，其特点是不需要分子氧参加。

2．P／O比和磷酸化部位

磷氧比（P／O）是指一对电子通过呼吸链传递到氧所产生ATP的分子数。由NADH开始氧化脱氢脱电子，电子经过呼吸链传递给氧，生成3分子ATP，则P／O比为3。这3分子ATP是在三个部位上生成的，第一个部位是在NADH和CoQ之间，第二个部位是在Cytb与Cytc1之间；第三个部位是在Cytaa3和氧之间。如果从FADH2开始氧化脱氢脱电子，电子经过呼吸链传递给氧，只能生成2分子ATP，其P／O比为2。

3．氧化磷酸化的解偶联作用

（1）氧化磷酸化的解偶联作用 在完整线粒体内，电子传递与磷酸化是紧密偶联的，当使用某些试剂而导致的电子传递与ATP形成这两个过程分开，只进行电子传递而不能形成ATP的作用，称为解偶联作用。

（2）氧化磷酸化的解偶联剂 能引起解偶联作用的试剂称为解偶联剂，解偶联作用的实质是解偶联剂消除电子传递中所产生的跨膜质子浓度或电位梯度，只有电子传递而不产生ATP。

（3）解偶联剂种类 典型的解偶联剂是化学物质2,4-二硝基苯酚（DNP），DNP具弱酸性，在不同pH环境可结合H+ 或释放H+；并且DNP具脂溶性，能透过磷脂双分子层，使线粒体内膜外侧的H+ 转移到内侧，从而消除H+ 梯度。此外，离子载体如由链霉素产生的抗菌素——缬氨霉素，具脂溶性，能与K+ 离子配位结合，使线粒体膜外的K+ 转运到膜内而消除跨膜电位梯度。另外还有存在于某些生物细胞线粒体内膜上的天然解偶联蛋白，该蛋白构成的质子通道可以让膜外质子经其通道返回膜内而消除跨膜的质子浓度梯度，不能生成ATP而产生热量使体温增加。

解偶联剂与电子传递抑制剂是不同的，解偶联剂只消除内膜两侧质子或电位梯度，不抑制呼吸链的电子传递，甚至加速电子传递，促进呼吸底物和分子氧的消耗，但不形成ATP，只产生热量。

4．氧化磷酸化的作用机理

与电子传递相偶联的氧化磷酸化作用机理虽研究多年，但仍不清楚。曾有三种假说试图解释其机理。这三种假说为：化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说。

（1）化学偶联假说 认为电子传递中所释放的自由能以一个高能共价中间物形式暂时存在，随后裂解将其能量转给ADP以形成ATP。但不能从呼吸链中找到高能中间物的实例。

（2）构象偶联假说 认为电子沿呼吸链传递释放的自由能使线粒体内膜蛋白质发生构象变化而形成一种高能形式暂时存在。这种高能形式将能量转给F0F1-ATP酶分子使之发生构象变化，F0F1-ATP酶复原时将能量转给ADP形成ATP。

（3）化学渗透假说 该假说由英国生物化学家Peter Mitchell提出的。他认为电子传递的结果将H+ 从线粒体内膜上的内侧“泵”到内膜的外侧，于是在内膜内外两侧产生了H+ 的浓度梯度。即内膜的外侧与内膜的内侧之间含有一种势能，该势能是H+ 返回内膜内侧的一种动力。H+ 通过F0F1-ATP酶分子上的特殊通道又流回内膜的内侧。当H+ 返回内膜内侧时，释放出自由能的反应和ATP的合成反应相偶联。该假说目前得到较多人的支持。

实验证明氧化磷酸化作用的进行需要完全的线粒体内膜存在。当用超声波处理线粒体时，可将线粒体内膜嵴打成片段：有些片段的嵴膜又重新封闭起来形成泡状体，称为亚线粒体泡（内膜变为翻转朝外）。这些亚线粒体泡仍具有进行氧化磷酸化作用的功能。在囊泡的外面可看到F1球状体。用尿素或胰蛋白酶处理这些囊泡时，内膜上的球体F1脱下，F0留在膜上。这种处理过的囊泡仍具有电子传递链的功能，但失去合成ATP的功能。当将F1球状体再加回到只有F0的囊泡时，氧化磷酸化作用又恢复。这一实验说明线粒体内膜嵴上的酶（F0）起电子传递的作用，而其上的F1是形成ATP的重要成分，F0和F1是一种酶的复合体。

5．能荷

细胞中存在三种腺苷酸即AMP、ADP、ATP，称为腺苷酸库。在细胞中ATP、ADP和AMP在某一时间的相对数量控制着细胞活动。Atkinson提出了能荷的概念。认为能荷是细胞中高能磷酸状态的一种数量上的衡量，能荷大小可以说明生物体中ATP-ADP-AMP系统的能量状态。

能荷＝

可看出，能荷的大小决定于ATP和ADP的多少。能荷的从0到1.0，当细胞中都是ATP时，能荷为1.0。此时，可利用的高能磷酸键数量最大。都为ADP时，能荷为0.5，系统中有一半的高能磷酸健。都为AMP时，能荷为0，此时无高能磷酸化合物存在。实验证明能荷高时可抑制ATP的生成，却促进ATP的利用。也就是说，能荷高可促进合成代谢而抑制分解代谢，相反，能荷低则促进分解代谢而抑制合成代谢。

能荷调节是通过ATP、ADP和AMP分子对某些酶分子进行变构调节来实现的。

5、线粒体的穿梭系统

真核生物在细胞质中进行糖酵解时所生成的NADH是不能直接透过线粒体内膜被氧化的，但是NADH＋H+上的质子可以通过一个穿梭的间接途径而进入电子传递链。3-磷酸甘油的穿梭过程是最早发现的。其过程是胞质中NADH十H+ 在3-磷酸甘油脱氢酶作用下与磷酸二羟丙酮反应生成3-磷酸甘油。3-磷酸甘油可进入线粒体，在线粒体内膜上的3-磷酸甘油脱氢酶（辅基为FAD）作用下，生成磷酸二羟丙酮和FADH2。磷酸二羟丙酮透出线粒体，继续作为氢的受体，FADH2将氢传递给CoQ进入呼吸链氧化，这样只能产生2分于ATP。

在动物的肝、肾及心脏的线粒体存在另一种穿梭方式，即草酰乙酸-苹果酸穿梭。这种方式在胞液及线粒体内的脱氢酶辅酶都是NAD＋，所以胞液中的NADH+H+ 到达线粒体内又生成NADH＋H+。从能量产生来看，草酰乙酸-苹果酸穿梭优于α- 磷酸甘油穿梭机制；但α-磷酸甘油穿梭机制比草酰乙酸-苹果酸穿梭速度要快很多。

 

 

二、习  题

 

（一）名词解释

1．  生物氧化（biological oxidation）      

2．  呼吸链（respiratory chain）

3．  氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）   

4．  磷氧比P/O（P/O）

5．  底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation）

6．  能荷（energy charge）

(二) 填空题

1．  生物氧化有3种方式：_________、___________和__________ 。

2．  生物氧化是氧化还原过程，在此过程中有_________、_________和________ 参与。

3．原核生物的呼吸链位于_________。

4，△G0＇为负值是_________反应，可以_________进行。

5．△G0＇与平衡常数的关系式为_________，当Keq＝1时，△G0＇为_________。

6．生物分子的E0＇值小，则电负性_________，供出电子的倾向_________。

7．生物体内高能化合物有_________、_________、_________、_________、_________、_________等类。

8．细胞色素a的辅基是_________与蛋白质以_________键结合。

9．在无氧条件下，呼吸链各传递体都处于_________状态。

10．NADH呼吸链中氧化磷酸化的偶联部位是_________、_________、_________。

11．磷酸甘油与苹果酸经穿梭后进人呼吸链氧化，其P/O比分别为_____和_____。

12．举出三种氧化磷酸化解偶联剂_________、_________、_________。

13．举出4种生物体内的天然抗氧化剂_________、_________、_________、_________。

14．举出两例生物细胞中氧化脱羧反应_________、_________。

15．生物氧化是_________在细胞中_________，同时产生_________的过程。

16．反应的自由能变化用_________表示，标准自由能变化用_________表示，生物化学中pH 7.0时的标准自由能变化则表示为_________。

17．高能磷酸化合物通常指水解时_________的化合物，其中最重要的是_________，被称为能量代谢的_________。

18．真核细胞生物氧化的主要场所是_________，呼吸链和氧化磷酸化偶联因子都定位于_________。

19．以NADH为辅酶的脱氢酶类主要是参与_________作用，即参与从_________到_________电子传递作用；以NADPH为辅酶的脱氢酶类主要是将分解代谢中间产物上   的_________转移到_________反应中需电子的中间物上。

20．在呼吸链中，氢或电子从_________的载体依次向_________的载体传递。

21．线粒体氧化磷酸化的重组实验证实了线粒体内膜含有_________，内膜小瘤含有_________。

22．鱼藤酮，抗霉素A，CNˉ、N3ˉ、CO，的抑制作用分别是_________，_________，和_________。

23．磷酸源是指_________。脊椎动物的磷酸源是_________，无脊椎动物的磷酸源是_________。

24．H2S使人中毒机理是_________。

25．线粒体呼吸链中电位跨度最大的一步是在_________。

26．典型的呼吸链包括_________和_________两种，这是根据接受代谢物脱下的氢的_________不同而区别的。

27．解释氧化磷酸化作用机制被公认的学说是_________，它是英国生物化学家_________于1961年首先提出的。

28．化学渗透学说主要论点认为：呼吸链组分定位于_________内膜上。其递氢体有_________作用，因而造成内膜两侧的_________差，同时被膜上_________合成酶所利用、促使ADP + Pi → ATP

29．每对电子从FADH2转移到_________必然释放出2个H+ 进入线粒体基质中。

30．细胞色素aa3辅基中的铁原子有_________结合配位键，它还保留_________游离配位键，所以能和_________结合，还能和_________、_________结合而受到抑制。

31．体内CO2的生成不是碳与氧的直接结合，而是_________。

32．线粒体内膜外侧的α-磷酸甘油脱氢酶的辅酶是_________；而线粒体内膜内侧的α-磷酸甘油脱氢酶的辅酶是_________。

33．动物体内高能磷酸化合物的生成方式有_________和_________两种。

34．在离体的线粒体实验中测得β-羟丁酸的磷氧比值（P/O）为2.4~2.8，说明β-羟丁酸氧化时脱下来的2H是通过_________呼吸链传递给O2的；能生成_________分子ATP。

 

(三) 选择题

1．如果质子不经过F1／F0-ATP合成酶回到线粒体基质，则会发生：

A．氧化     B．还原    C．解偶联、  D．紧密偶联

2．离体的完整线粒体中，在有可氧化的底物存时下，加入哪一种物质可提高电子传递和氧气摄入量：

A．更多的TCA循环的酶    B．ADP   C．FADH2   D．NADH

3．下列氧化还原系统中标准氧化还原电位最高的是：

A．延胡索酸琥珀酸          B．CoQ／CoQH2

C．细胞色素a（Fe 2＋／Fe 3＋）      D．NAD＋／NADH

4．下列化合物中，除了哪一种以外都含有高能磷酸键：

A．NAD＋      B．ADP     C．NADPH   D．FMN

5．下列反应中哪一步伴随着底物水平的磷酸化反应：

A．苹果酸→草酰乙酸     B．甘油酸-1,3-二磷酸→甘油酸-3-磷酸

C．柠檬酸→α-酮戊二酸       D．琥珀酸→延胡索酸

6．乙酰CoA彻底氧化过程中的P／O值是：

A．2.0       B．2.5      C．3.0      D．3.5      

7．肌肉组织中肌肉收缩所需要的大部分能量以哪种形式贮存：

A．ADP     B．磷酸烯醇式丙酮酸     C．ATP    D．磷酸肌酸

8．呼吸链中的电子传递体中，不是蛋白质而是脂质的组分为：

A．NAD+     B．FMN      C．CoQ        D．Fe·S

9．下述哪种物质专一性地抑制F0因子：

A．鱼藤酮     B．抗霉素A      C．寡霉素        D．缬氨霉素

10．胞浆中1分子乳酸彻底氧化后，产生ATP的分子数：

A．9或10     B．11或12      C．15或16        D．17或18

11．下列不是催化底物水平磷酸化反应的酶是：

A．磷酸甘油酸激酶          B．磷酸果糖激酶

C．丙酮酸激酶              D．琥珀酸硫激酶

12．在生物化学反应中，总能量变化符合：

A．受反应的能障影响       B．随辅因子而变      

C．与反应物的浓度成正比         D．与反应途径无关

13．在下列的氧化还原系统中，氧化还原电位最高的是：

A．NAD十／NADH       B．细胞色素a （Fe3＋）／细胞色素a （Fe2＋）

C．延胡索酸/琥珀酸    D．氧化型泛醌/还原型泛醌

14．二硝基苯酚能抑制下列细胞功能的是：

A．糖酵解    B．肝糖异生     C．氧化磷酸化     D．柠檬酸循环

15．活细胞不能利用下列哪些能源来维持它们的代谢：

A．ATP        B．糖         C．脂肪      D．周围的热能

16．如果将琥珀酸（延胡索酸/琥珀酸氧化还原电位 + 0.03V）加到硫酸铁和硫酸亚铁（高铁/亚铁氧化还原电位 + 0.077V）的平衡混合液中，可能发生的变化是：

A．硫酸铁的浓度将增加      B．硫酸铁的浓度和延胡羧酸的浓度将增加      C．高铁和亚铁的比例无变化   D．硫酸亚铁和延胡索酸的浓度将增加

17．下列关于化学渗透学说的叙述哪一条是不对的：

A．吸链各组分按特定的位置排列在线粒体内膜上     

B．各递氢体和递电子体都有质子泵的作用

C．H＋返回膜内时可以推动ATP酶合成ATP

D．线粒体内膜外侧H＋不能自由返回膜内

18．关于有氧条件下，NADH从胞液进入线粒体氧化的机制，下列描述中正确的是：

A．NADH直接穿过线粒体膜而进入

B．磷酸二羟丙酮被NADH还原成3-磷酸甘油进入线粒体，在内膜上又被氧化成磷酸二羟丙酮同时生成NADH

C．草酰乙酸被还原成苹果酸，进入线粒体再被氧化成草酰乙酸，停留于线粒体内

D．草酰乙酸被还原成苹果酸进人线粒体，然后再被氧化成草酰乙酸，再通过转氨基作用生成天冬氨酸，最后转移到线粒体外

19．胞浆中形成NADH+H+经苹果酸穿梭后，每摩尔产生ATP的摩尔数是：

A．1   B．2    C．3    D．4

20．呼吸链的各细胞色素在电子传递中的排列顺序是：

A．c1→b→c→aa3→O2；    B． c→c1→b→aa3→O2；

C．c1→c→b→aa3→O2；  D． b→c1→c→aa3→O2；

 

 (四) 是非判断题

(  )1．NADH在340nm处有吸收峰，NAD+ 没有，利用这个性质可将NADH与NAD+区分开来。

(  )2．琥珀酸脱氢酶的辅基FAD与酶蛋白之间以共价键结合。

(  )3．生物氧化只有在氧气的存在下才能进行。

(  )4．NADH和NADPH都可以直接进入呼吸链。

(  )5．如果线粒体内ADP浓度较低，则加入DNP将减少电子传递的速率。

(  )6．磷酸肌酸、磷酸精氨酸等是高能磷酸化合物的贮存形式，可随时转化为ATP供机体利用。

(  )7．解偶联剂可抑制呼吸链的电子传递。

(  )8．电子通过呼吸链时，按照各组分氧还电势依次从还原端向氧化端传递。

(  )9．NADPH / NADP+的氧还势稍低于NADH / NAD+，更容易经呼吸链氧化。

(  )10．寡霉素专一地抑制线粒体F1F0-ATPase的F0，从而抑制ATP的合成。

(  )11．ADP的磷酸化作用对电子传递起限速作用。

(  )12．ATP虽然含有大量的自由能，但它并不是能量的贮存形式。

 

（五）完成反应方程式

1．4-细胞色素a3-Fe2+ + O2 + 4H+  → 4-细胞色素a3-Fe3+ +（      ）

   催化此反应的酶是：（            ）

2．NADH + H+ + 0.5O2 + 3ADP + (      ) → NAD+ +3ATP + 4H2O

   

（六）问答题（解题要点）

1．常见的呼吸链电子传递抑制剂有哪些？它们的作用机制是什么?

2．氰化物为什么能引起细胞窒息死亡？其解救机理是什么？

3．在磷酸戊糖途径中生成的NADPH，如果不去参加合成代谢，那么它将如何进一步氧化？

4．在体内ATP有哪些生理作用？

5．有人曾经考虑过使用解偶联剂如2,4-二硝基苯酚（DNP）作为减肥药，但很快就被放弃使用，为什么？

6．某些植物体内出现对氰化物呈抗性的呼吸形式，试提出一种可能的机制。

7．什么是铁硫蛋白？其生理功能是什么？

8．何为能荷？能荷与代谢调节有什么关系？

9．氧化作用和磷酸化作用是怎样偶联的？

 

 

三、习题解答

 

（一）名词解释

1． 生物氧化： 生物体内有机物质氧化而产生大量能量的过程称为生物氧化。生物氧化在细胞内进行，氧化过程消耗氧放出二氧化碳和水，所以有时也称之为“细胞呼吸”或“细胞氧化”。生物氧化包括：有机碳氧化变成CO2；底物氧化脱氢、氢及电子通过呼吸链传递、分子氧与传递的氢结成水；在有机物被氧化成CO2和H2O的同时，释放的能量使ADP转变成ATP。

2． 呼吸链：有机物在生物体内氧化过程中所脱下的氢原子，经过一系列有严格排列顺序的传递体组成的传递体系进行传递，最终与氧结合生成水，这样的电子或氢原子的传递体系称为呼吸链或电子传递链。电子在逐步的传递过程中释放出能量被用于合成ATP，以作为生物体的能量来源。

3． 氧化磷酸化：在底物脱氢被氧化时，电子或氢原子在呼吸链上的传递过程中伴随ADP磷酸化生成ATP的作用，称为氧化磷酸化。氧化磷酸化是生物体内的糖、脂肪、蛋白质氧化分解合成ATP的主要方式。

4． 磷氧比：电子经过呼吸链的传递作用最终与氧结合生成水，在此过程中所释放的能量用于ADP磷酸化生成ATP。经此过程消耗一个原子的氧所要消耗的无机磷酸的分子数（也是生成ATP的分子数）称为磷氧比值（P／O）。如NADH的磷氧比值是3，FADH2的磷氧比值是2。

5． 底物水平磷酸化：在底物被氧化的过程中，底物分子内部能量重新分布产生高能磷酸键（或高能硫酯键），由此高能键提供能量使ADP（或GDP）磷酸化生成ATP（或GTP）的过程称为底物水平磷酸化。此过程与呼吸链的作用无关，以底物水平磷酸化方式只产生少量ATP。

如在糖酵解（EMP）的过程中，3-磷酸甘油醛脱氢后产生的1,3-二磷酸甘油酸，在磷酸甘油激酶催化下形成ATP的反应，以及在2-磷酸甘油酸脱水后产生的磷酸烯醇式丙酮酸，在丙酮酸激酶催化形成ATP的反应均属底物水平的磷酸化反应。另外，在三羧酸环（TCA）中，也有一步反应属底物水平磷酸化反应，如α-酮戊二酸经氧化脱羧后生成高能化合物琥珀酰～CoA，其高能硫酯键在琥珀酰CoA合成酶的催化下转移给GDP生成GTP。然后在核苷二磷酸激酶作用下，GTP又将末端的高能磷酸根转给ADP生成ATP。

6．能荷：能荷是细胞中高能磷酸状态的一种数量上的衡量，能荷大小可以说明生物体中ATP-ADP-AMP系统的能量状态。

能荷=

（二）填空题

1．脱氢；脱电子；与氧结合    

2．酶；辅酶；电子传递体    

3．细胞质膜上    

4．放能；自发进行    

5．△G0＇＝-RTlnK＇eq；0    

6．大；大    

7．焦磷酸化合物；酰基磷酸化合物；烯醇磷酸化合物；胍基磷酸化合物；硫酯化合物；甲硫键化合物    

8．血红素A；非共价    

9．还原    

10．复合物I；复合物Ⅲ；复合物Ⅳ    

11．2；3   

12．2,4-二硝基苯酚；缬氨霉素；解偶联蛋白    

13．维生素E；维生素C；GSH；β-胡萝卜素    

14．丙酮酸脱氢酶；异柠檬酸脱氢酶；    

15．燃料分子； 分解氧化； 可供利用的化学能    

16．ΔG； ΔG°；ΔG°＇    

17．释放的自由能大于20.92kJ／mol；ATP；即时供体    

18．线粒体；线粒体内膜上    

19．呼吸；底物；氧；电子；生物合成    

20．低氧还电势；高氧还电势    

21．电子传递链的酶系；F1-F0复合体    

22．NADH和CoQ之间 Cytb和Cytc1之间 Cytaa3和O2       

23．贮存能量的物质；磷酸肌酸；磷酸精氨酸    

24．与氧化态的细胞色素aa3结合，阻断呼吸链    

25．细胞色素aa3→O2    

26．NADH；FADH2；初始受体    

27．化学渗透学说；米切尔（Mitchell）    

28．线粒体；质子泵；氧化还原电位；ATP   

29．CoQ    

30．5个；1个；O2；CO；CN -。    

31．有机酸脱羧生成的    

32．NAD；FAD    

33．氧化磷酸化；底物水平磷酸化    

34．NADH呼吸链；3个分子ATP

 

（三） 选择题

1．C：当质子不通过F0进人线粒体基质的时候，ATP就不能被合成，但电子照样进行传递，这就意味着发生了解偶联作用。

2．B：ADP作为氧化磷酸化的底物，能够刺激氧化磷酸化的速率，由于细胞内氧化磷酸化与电子传递之间紧密的偶联关系，所以ADP也能刺激电子的传递和氧气的消耗。

3．C：电子传递的方向是从标准氧化还原电位低的成分到标准氧化还原电位高的成分，细胞色素a（Fe 2＋／Fe 3＋））最接近呼吸链的末端，因此它的标准氧化还原电位最高。

4．D： NAD + 和NADPH的内部都含有ADP基团，因此与ADP一样都含有高能磷酸键，烯醇式丙酮酸磷酸也含有高能磷酸键，只有FMN没有高能磷酸键。

5．B：甘油酸-1,3-二磷酸→甘油酸-3-磷酸是糖酵解中的一步反应，此反应中有ATP的合成。

6．C： 乙酰CoA彻底氧化需要消耗两分子氧气，即4个氧原子，可产生12分子的ATP，因此P／O值是12／4＝3

7．D： 当ATP的浓度较高时，ATP的高能磷酸键被转移到肌酸分子之中形成磷酸肌酸。

8．C：CoQ含有一条由n个异戊二烯聚合而成的长链，具脂溶性，广泛存在于生物系统，又称泛醌。

9．C：寡霉素是氧化磷酸化抑制剂，它能与F0的一个亚基专一结合而抑制F1，从而抑制了ATP的合成。

10．D：1分子乳酸彻底氧化经过由乳酸到丙酮酸的一次脱氢、丙酮酸到乙酰CoA和乙酰CoA再经三羧酸循环的五次脱氢，其中一次以FAD为受氢体，经氧化磷酸化可产生ATP为1×3＋4×3＋1×2=17，此外还有一次底物水平磷酸化产生1个ATP，因此最后产ATP为18个；而在真核生物中，乳酸到丙酮酸的一次脱氢是在细胞质中进行产生NADH，此NADH在经α-磷酸甘油穿棱作用进入线粒体要消耗1分子ATP，因此，对真核生物最后产ATP为17个。

11．B：磷酸甘油酸激酶、丙酮酸激酶与琥珀酸硫激酶分别是糖酵解中及三羧酸循环中的催化底物水平磷酸化的转移酶，只有磷酸果糖激酶不是催化底物水平磷酸化反应的酶。

12．D：热力学中自由能是状态函数，生物化学反应中总能量的变化不取决于反应途径。当反应体系处于平衡系统时，实际上没有可利用的自由能。只有利用来自外部的自由能，才能打破平衡系统。

13．B：由于电子是从低标准氧化还原电位向高标准氧化还原电位流动，而题目中所给的氧化还原对中，细胞色素aa3（Fe2十／Fe3＋）在氧化呼吸链中处于最下游的位置，所以细胞色素aa3（Fe2十／Fe3＋）的氧化还原电位最高。

14．C：二硝基苯酚抑制线粒体内的氧化磷酸化作用，使呼吸链传递电子释放出的能量不能用于ADP磷酸化生成ATP，所以二硝基苯酚是一种氧化磷酸化的解偶联剂。

15．D：脂肪、糖和ATP都是活细胞化学能的直接来源。阳光是最根本的能源，光子所释放的能量被绿色植物的叶绿素通过光合作用所利用。热能只有当它从热物体向冷物体传递过程中才能做功，它不能作为活细胞的可利用能源，但对细胞周围的温度有影响。

16．D：氧化还原电位是衡量电子转移的标准。延胡索酸还原成琥珀酸的氧化还原电位和标准的氢电位对比是+ 0.03V 特，而硫酸铁（高铁Fe3＋）还原成硫酸亚铁（亚铁Fe2＋）的氧化还原电位是+ 0.077V伏特，这样高铁对电子的亲和力比延胡索酸要大。所以加进去的琥珀酸将被氧化成延胡索酸，而硫酸铁则被还原成硫酸亚铁。延胡索酸和硫酸亚铁的量一定会增加。

17．B：化学渗透学说指出在呼吸链中递氢体与递电子体是交替排列的，递氢体有氢质子泵的作用，而递电子体却没有氢质子泵的作用。

18．D：线粒体内膜不允许NADH自由通过，胞液中NADH所携带的氢通过两种穿梭机制被其它物质带人线粒体内。糖酵解中生成的磷酸二羟丙酮可被NADH还原成3-磷酸甘油，然后通过线粒体内膜进人到线粒体内，此时在以FAD为辅酶的脱氢酶的催化下氧化，重新生成磷酸二羟丙酮穿过线粒体内膜回到胞液中。这样胞液中的NADH变成了线粒体内的FADH2。这种α-磷酸甘油穿梭机制主要存在于肌肉、神经组织。

另一种穿梭机制是草酰乙酸-苹果酸穿梭。这种机制在胞液及线粒体内的脱氢酶辅酶都是NAD＋，所以胞液中的NADH到达线粒体内又生成NADH。就能量产生来看，草酰乙酸-苹果酸穿梭优于α-磷酸甘油穿梭机制；但α-磷酸甘油穿梭机制比草酰乙酸-苹果酸穿梭速度要快很多。主要存在于动物的肝、肾及心脏的线粒体中。

19．C：胞液中的NADH经苹果酸穿梭到达线粒体内又生成NADH，因此，1分子NADH再经电子传递与氧化磷酸化生成3分子ATP。

20．D：呼吸链中各细胞色素在电子传递中的排列顺序是根据氧化还原电位从低到高排列的。

 

（四）是非判断题

1．对：

2．对：琥珀酸脱氢酶的辅基FAD与酶蛋白的一个组氨酸以共价键相连。

3．错：只要有合适的电子受体，生物氧化就能进行。

4．错：NADPH通常作为生物合成的还原剂，并不能直接进入呼吸链接受氧化。只是在特殊的酶的作用下，NADPH上的H被转移到NAD+上，然后由NADH进人呼吸链。

5．错：在正常的生理条件下，电子传递与氧化磷酸化是紧密偶联的，低浓度的ADP限制了氧化磷酸化，因而就限制了电子的传递速率。而DNP是一种解偶联剂，它可解除电子传递和氧化磷酸化的紧密偶联关系，在它的存在下，氧化磷酸化和电子传递不再偶联，因而ADP的缺乏不再影响到电子的传递速率。

6．对：磷酸肌酸在供给肌肉能量上特别重要，它作为储藏~P的分子以产生收缩所需要的ATP。当肌肉的ATP浓度高时，末端磷酸基团即转移到肌酸上产生磷酸肌酸；当ATP的供应因肌肉运动而消耗时，ADP浓度增高，促进磷酸基团向相反方向转移，即生成ATP。

7．错：解偶联剂使电子传递与氧化磷酸化脱节，电子传递释放的能量以热形式散发，不能形成ATP。

8．对：组成呼吸链的各成员有一定排列顺序和方向，即由低氧还电位到高氧还电位方向排列。

9．错：NADPH / NADP+的氧还势与NADH / NAD+相同，并且NADPH / NADP+通常不进入呼吸链，而主要是提供生物合成的还原剂。

10．对：寡霉素是氧化磷化抑制剂，它与F1F0-ATPase的F0结合而抑制F1，使线粒体内膜外侧的质子不能返回膜内，造成ATP不能合成。

11．对：在正常的生理条件下，电子传递与氧化磷酸化是紧密偶联的，因而ADP的氧化磷酸化作用就直接影响电子的传递速率。

12．对：在生物系统中ATP作为自由能的即时供体，而不是自由能的储藏形式。

 

（五）完成反应方程式

1．4-细胞色素a3-Fe2+ + O2 + 4H+  —→ 4-细胞色素a3-Fe3+ +（2H2O）

   催化此反应的酶：（细胞色素氧化酶或末端氧化酶）

2．NADH + H+ + 0.5O2 + 3ADP + (3H3PO4) —→ NAD+ +3ATP + 4H2O

 

（六） 问答题（解题要点）

1．答：常见的呼吸链电子传递抑制剂有：

（1）鱼藤酮（rotenone）、阿米妥（amytal）、以及杀粉蝶菌素（piericidin-A），它们的作用是阻断电子由NADH向辅酶Q的传递。鱼藤酮是从热带植物（Derriselliptiee）的根中提取出来的化合物，它能和NADH脱氢酶牢固结合，因而能阻断呼吸链的电子传递。鱼藤酮对黄素蛋白不起作用，所以鱼藤酮可以用来鉴别NADH呼吸链与FADH2呼吸链。阿米妥的作用与鱼藤酮相似，但作用较弱，可用作麻醉药。杀粉蝶菌素A是辅酶Q的结构类似物，由此可以与辅酶Q相竞争，从而抑制电子传递。

（2）抗霉素A（antimycin A）是从链霉菌分离出的抗菌素，它抑制电子从细胞色素b到细胞色素c1的传递作用。

（3）氰化物、一氧化碳、叠氮化合物及硫化氢可以阻断电子细胞色素aa3向氧的传递作用，这也就是氰化物及一氧化碳中毒的原因。

2．答：氰化钾的毒性是因为它进入人体内时，CNˉ的N原子含有孤对电子能够与细胞色素aa3的氧化形式——高价铁Fe3＋以配位键结合成氰化高铁细胞色素aa3，使其失去传递电子的能力，阻断了电子传递给O2，结果呼吸链中断，细胞因窒息而死亡。而亚硝酸在体内可以将血红蛋白的血红素辅基上的Fe2＋氧化为Fe3＋。部分血红蛋白的血红素辅基上的Fe2＋被氧化成Fe3＋——高铁血红蛋白，且含量达到20%-30%时，高铁血红蛋白（Fe3＋）也可以和氰化钾结合，这就竞争性抑制了氰化钾与细胞色素aa3的结合，从而使细胞色素aa3的活力恢复；但生成的氰化高铁血红蛋白在数分钟后又能逐渐解离而放出CNˉ。因此，如果在服用亚硝酸的同时，服用硫代硫酸钠，则CNˉ可被转变为无毒的SCNˉ，此硫氰化物再经肾脏随尿排出体外。

3．答：葡萄糖的磷酸戊糖途径是在胞液中进行的，生成的NADPH具有许多重要的生理功能，其中最重要的是作为合成代谢的供氢体。如果不去参加合成代谢，那么它将参加线粒体的呼吸链进行氧化，最终与氧结合生成水。但是线粒体内膜不允许NADPH和NADH通过，胞液中NADPH所携带的氢是通过转氢酶催化过程进人线粒体的：

（1）NADPH + NAD＋ → NADP十 + NADH

（2）NADH所携带的氢通过两种穿梭作用进人线粒体进行氧化：

a α-磷酸甘油穿梭作用；进人线粒体后生成FADH2。

b 苹果酸穿梭作用；进人线粒体后生成NADH。

4．答：ATP在体内有许多重要的生理作用：

（1）是机体能量的暂时贮存形式：在生物氧化中，ADP能将呼吸链上电子传递过程中所释放的电化学能以磷酸化生成ATP的方式贮存起来，因此ATP是生物氧化中能量的暂时贮存形式。

（2）是机体其它能量形式的来源：ATP分子内所含有的高能键可转化成其它能量形式，以维持机体的正常生理机能，例如可转化成机械能、生物电能、热能、渗透能、化学合成能等。体内某些合成反应不一定都直接利用ATP供能，而以其他三磷酸核苷作为能量的直接来源。如糖原合成需UTP供能；磷脂合成需CTP供能；蛋白质合成需GTP供能。这些三磷酸核苷分子中的高能磷酸键并不是在生物氧化过程中直接生成的，而是来源于ATP。

（3）可生成cAMP参与激素作用：ATP在细胞膜上的腺苷酸环化酶催化下，可生成cAMP，作为许多肽类激素在细胞内体现生理效应的第二信使。

5．答：DNP作为一种解偶联剂，能够破坏线粒体内膜两侧的质子梯度，使质子梯度转变为热能，而不是ATP。在解偶联状态下，电子传递过程完全是自由进行的，底物失去控制地被快速氧化，细胞的代谢速率将大幅度提高。这些将导致机体组织消耗其存在的能源形式，如糖原和脂肪，因此有减肥的功效。但是由于这种消耗是失去控制的消耗，同时消耗过程中过分产热，这势必会给机体带来强烈的副作用。

6．答：某些植物体内出现对氰化物呈抗性的呼吸形式，这种呼吸形式可能并不需要细胞色素氧化酶，而是通过其他的对氰化物不敏感的电子传递体将电子传递给氧气。

7．答：铁硫蛋白是一种非血红素铁蛋白，其活性部位含有非血红素铁原子和对酸不稳定的硫原子，此活性部位被称之为铁硫中心。铁硫蛋白是一种存在于线粒体内膜上的与电子传递有关的蛋白质。铁硫蛋白中的铁原子与硫原子通常以等摩尔量存在，铁原子与蛋白质的四个半胱氨酸残基结合。根据铁硫蛋白中所含铁原子和硫原子的数量不同可分为三类：FeS中心、Fe2-S2中心和Fe4-S4中心。在线粒体内膜上，铁硫蛋白和递氢体或递电子体结合为蛋白复合体，已经证明在呼吸链的复合物I、复合物Ⅱ、复合物Ⅲ中均结合有铁硫蛋白，其功能是通过二价铁离子和三价铁离子的化合价变化来传递电子，而且每次只传递一个电子，是单电子传递体。

8．答：细胞内存在着三种经常参与能量代谢的腺苷酸，即ATP、ADP和AMP。这三种腺苷酸的总量虽然很少，但与细胞的分解代谢和合成代谢紧密相联。三种腺苷酸在细胞中各自的含量也随时在变动。生物体中ATP-ADP-AMP系统的能量状态（即细胞中高能磷酸状态）在数量上衡量称能荷。

能荷的大小与细胞中ATP、ADP和AMP的相对含量有关。当细胞中全部腺苷酸均以ATP形式存在时，则能荷最大，为100‰，即能荷为满载。当全部以AMP形式存在时，则能荷最小，为零。当全部以ADP形式存在时，能荷居中，为50％。若三者并存时，能荷则随三者含量的比例不同而表现不同的百分值。通常情况下细胞处于80‰的能荷状态。

能荷与代谢有什么关系呢？研究证明，细胞中能荷高时，抑制了ATP的生成，但促进了ATP的利用，也就是说，高能荷可促进分解代谢，并抑制合成代谢。相反，低能荷则促进合成代谢，抑制分解代谢。

能荷调节是通过ATP、ADP和AMP分子对某些酶分子进行变构调节进行的。例如糖酵解中，磷酸果糖激酶是一个关键酶，它受ATP的强烈抑制，但受ADP和AMP促进。丙酮酸激酶也是如此。在三羧酸环中，丙酮酸脱氢酶、柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶等，都受ATP的抑制和ADP的促进。呼吸链的氧化磷酸化速度同样受ATP抑制和ADP促进。

9．答：目前解释氧化作用和磷酸化作用如何偶联的假说有三个，即化学偶联假说、结构偶联假说与化学渗透假说。其中化学渗透假说得到较普遍的公认。该假说的主要内容是：

（1）线粒体内膜是封闭的对质子不通透的完整内膜系统。

（2）电子传递链中的氢传递体和电子传递体是交叉排列，氢传递体有质子（H＋）泵的作用，在电子传递过程中不断地将质子（H＋）从内膜内侧基质中泵到内膜外侧。

（3）质子泵出后，不能自由通过内膜回到内膜内侧，这就形成内膜外侧质子（H＋）浓度高于内侧，使膜内带负电荷，膜外带正电荷，因而也就形成了两侧质子浓度梯度和跨膜电位梯度。这两种跨膜梯度是电子传递所产生的电化学电势，是质子回到膜内的动力，称质子移动力或质子动力势。

（4）一对电子（2eˉ）从NADH传递到O2的过程中共有3对H十从膜内转移到膜外。复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ着质子泵的作用，这与氧化磷酸化的三个偶联部位一致，每次泵出2个H十。

（5）质子移动力是质子返回膜内的动力，是ADP磷酸化成ATP的能量所在，在质子移动力驱使下，质子（H＋）通过F1F0-ATP合酶回到膜内，同时ADP磷酸化合戚ATP。