第六章 生物氧化与氧化磷酸化第一节 生物氧化概述一切生物都靠能量维持生存，生物体所需的能量大都来自体内糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化。生物体内的氧化和生物体外的燃烧在化学本质上虽然最终产物都是水和CO2，所释放的能量也完全相等，但二者所进行的方式却大不相同。糖、脂肪、蛋白质在生物体内彻底氧化之前，都先经过分解代谢，在不同的分解代谢过程中都伴有代谢物的脱氢过程和辅酶NAD+或 FAD的还原。这些携带着氢离子和电子的还原型辅酶，在最终将氢离子和电子传递给氧时，都经历一段相同的过程，即生物氧化过程。
一、生物氧化的概念
人们把有机分子在体内氧化分解成CO２和H２O并释放出能量的过程称为生物氧化(biological oxidation)。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化－还原反应，是在细胞或组织中发生的，所以又称为细胞氧化或细胞呼吸，有时也称为组织呼吸。
二、生物氧化的特点生物氧化是发生在生物体内的氧化－还原反应，它具有自然界物质发生氧化－还原反应的共同特征，这主要表现在被氧化的物质总是失去电子，而被还原的物质总是得到电子，并且物质被氧化时，总伴随能量的释放。有机物在生物体内完全氧化和在体外燃烧而被彻底氧化，在化学本质上是相同的。例如1mol的葡萄糖在体内氧化和在体外燃烧都是产生CO２和H２O，放出的总能量都是2 867.5kJ。这并不奇怪，因为氧化作用释放的能量等于这一物质所含化学能与其氧化产物所含的化学能差，放出的总能量的多少与该物质氧化的途径无关，只要在氧化后所生成的产物相同，放出的总能量必然相同。但是，由于生物氧化是在活细胞内进行的，故它与有机物在体外燃烧有许多不同之处，即生物氧化有它本身的特点：
（1）有机物在空气中燃烧时，CO２和H２O的生成是空气中氧直接与碳、氢原子结合的产物。而有机物在细胞中氧化时，CO２是在代谢过程中经脱羧反应释放出来的，H２O的生成则是通过更复杂的过程完成的。
（2）生物氧化是在一系列酶的催化下、在恒温恒压下进行的反应，而有机分子在体外燃烧时需要高温。
（3）生物氧化所产生的能量是逐步发生、分次释放的。这种逐步分次的放能方式，不会引起体温的突然升高，而且可使放出的能量得到最有效的利用。与此相反，有机物在体外燃烧产生大量的光和热，且能量是骤然放出的。
（4）生物氧化过程中产生的能量一般都贮存于一些特殊的化合物[主要是腺三磷(ATP)]中。电子由还原型辅酶传递到氧的过程中形成大量的ATP，占全部生物氧化产生能量的绝大部分。例如，1个葡萄糖分子氧化时生成36个ATP分子，其中32个是还原型辅酶氧化时得到的。
三、生物氧化的基本过程需氧生物细胞内糖、脂肪、氨基酸等分子所途经的各自分解过程，将在有关章、节中叙述。这些有机物在氧化分解途径中所形成的还原型辅酶，包括NADH和FADH２，通过电子传递途径，使其再重新氧化。在这个过程中，还原型辅酶上的氢以质子形式脱下，其电子沿着一系列的电子传递体转移（称为电子传递链），最终转移到分子氧，使氧激活，质子和离子型氧（激活后的氧）结合生成水。在电子传递过程中释放的能量则使ADP和无机磷结合形成ATP。ATP是生物体内最重要的高能中间物，参与体内众多的需能反应。
第二节 生物氧化过程中的某些能量问题
一、自由能的概念在热力学概念中对生物化学特别有用的是自由能。自由能是一个化合物分子结构中所固有的能量，是一种能在恒温怛压下做功的能量。一种物质A自由能的含量是不能用实验方法测得的。但是在一个化学反应中，当A转化为B时
A B （7．1）
其自由能的变化（ΔG），即A转化为B时所得到的最大的可利用的能量是可以测定的。如果产物B自由能的含量(GＢ)比反应物A自由能的含量（GＡ）小，则ΔG为负值，即,
ΔG ＝ GＢ 一GＡ ＝ 负值 (当GＡ＞GＢ时)
当ΔG为负值时，便意味着反应进行时自由能降低。同样，当B逆转为A时，自由能则增加，亦即ΔG为正值。实验证明：当自由能降低（即ΔG为负）时反应能自发地进行；反之，则必须采取某种方式供给能量才能推动反应进行。ΔG为负值的反应称为“放能反应”(exogonic reaction)，而ΔG为正值的反应则称为“吸能反应”(endogonic reaction)。
实验还证明，虽然在某一过程中ΔG为负值，但与反应的速率无关。例如，葡萄糖可被O２氧化成CO２和H２O，其方程式如下：
C６H１２O６+6O２ 6CO２+6H２O （7．2）
此反应的ΔG是一个很大的负值(约为2870kJ／mol)，但是这一相当大的ΔG与反应速率没有关系。当葡萄糖在一弹式量热计(bomb calorimeter)中有催化剂存在时，它可在几秒钟内发生氧化。在大多数生物体中，上述反应可在数分钟到数小时内完成，但是把葡萄糖放在玻璃瓶中，即使有空气也可以存放数年而不氧化。
现在的化学理论认为，决定一个反应的反应速率的因子是这—过程的活化能(activation energy)。反应(7．1)进行时必须经过一个中间物或活化的复合物(即A*)；而由A转化为A*必须消耗能量，如果所需的能量不大，即此反应具有较低的活化能，则反应容易进行。如果所需的能量很大，则只有少量A能转化为B。必须供给足够的能量以克服此反应的能量障碍，才能使反应顺利进行。催化剂(包括酶在内)的作用就是降低其活化能而使反应能够进行。
反应(7．1)的自由能变化ΔG可表示如下：
（7．3）
式中的ΔG0表示标准自由能变化；R为气体常数；T为绝对温度；[A]、[B]分别为 A及B的浓度，单位为（mol／L）。
由方程式(7．3)可见，反应的ΔG是反应物和产物浓度的函数，也是标准自由能变化ΔG0的函数。从平衡时的ΔG可计算出ΔG0。在平衡时，A,B间的净变化为零，因此自由能的变化ΔG亦为零。我们知道[B]对[A]的比值是平衡时的比值，即其平衡常数Keq将这些数值代入方程式(7．3)，可得：
0=ΔG0 + RTlnKeq (7．4)
ΔG0= －RTlnKeq
式中的常数R＝8.32J／mol·K。在25℃时，T＝298；1nx＝2.3031gx，方程式(7．4)即为25℃时的ΔG0：
ΔG0＝ －8.314×298×2.3031gKeq＝ －5706lgKeq (7．5)
方程式(7．5)对测定某一反应的ΔG0值是非常有用的。如果能测出平衡时反应物和产物两者的浓度，就可以计算出其反应的Keq和ΔG0。当然，如果Keq极大或极小时，用这个方法来测定ΔG0就没有什么价值了，因为这时反应物或产物的平衡浓度将小到无法测定。表7-l表示从0.001到1 000的一系列Keq范围内的ΔG0。
从表7-1可以看出，如果反应的Keq大于1，则自由能降低。在方程式（7．1）中，假设其Keq＝1000(亦即[B]／[A]为1000)，则反应趋向形成B的方向。如果反应(7．1)的Keq为0.001(亦即[B]／[A]＝0.001)，则只要0.1％的 A转化为 B时反应就能达到平衡。如果[A] ＝[B]，即反应物和产物浓度都处于单位浓度时，也可求出ΔG0，据方程式(7．3)
ΔG=ΔG0 + RTln1/1=ΔG0
因此ΔG0的定义应为当反应物和产物均为单位浓度时或更广泛地说，在“标准状态”下的自由能变化。溶液中溶质的标准状态为单位摩尔浓度，若为气体，则为101,325 kPa。
当H+作为反应物或产物出现时，其标准状态的浓度仍然规定为1.0mol/L(即pH值＝0)，此时几乎所有的酶(在pH＝0时)都已变性，因此就没有反应可研究了。为此，生化学家又规定了一种修正的标准条件，除H+之外，其他反应物和产物的浓度仍规定为1.0mol/L，pH值规定为7.0 。细胞中的反应大都发生在pH值7.0左右，除pH值＝0之外，其他任何 pH值时的标准自由能变化可用ΔG′表示，但必须说明ΔG′的pH值。当然，如果反应中既没有形成也没有消耗氢离子的话，则ΔG′与pH值无关，此时ΔG0 等于ΔG′。
表7-1 Keq和ΔG０间的关系
Keq
lgKeq
ΔG0（kJ/mol）
0.001
－3
17.1
0.01
－2
11.4
0.1
－1
5.7
1.0
0
0.0
10
1
－5.7
100
2
－11.4
1000
3
－17.1
二、氧化还原电位和自由能变化
在氧化磷酸化作用中，NADH和FADH２的电子转移能( electron transfer PotentiaI)能够转化成ATP中磷酸基团的转移势能(Phosphate group transfer potentiaI)。磷酸基团的转移势能可以用磷酸化合物水解时的G0′表示。而电子转移势能可用E0′ (即氧化还原电位)表示。如果一种物质存在氧化态(X)和还原态(X-)，这X和X-就称为氧还对(redox couple)。所以负氧化还原电位表示一种物质对电子的亲合力比H２低，而正氧化还原电位则表示一种物质与电子的亲合力比H２高，这种比较是在标准状态（即 lmol的氧化剂,lmol的还原剂，lmol的H+和101.325kPa的H２）下进行的。所以一种强还原剂(如NADH)有一个负的氧化还原电位，而一种强氧化剂(如O２)有一个正的氧化还原电位。表7-2为生物中一些重要氧还对的氧化还原电位。从反应物的氧化还原电位E0′可以计算出一个氧化还原反应的自由能变化(ΔG) 。
例如，丙酮酸被 NADH还原的反应如下：
(a) 丙酮酸 + NADH + H+乳酸+NAD+
其中NAD+∶NADH+H+ 对的氧化还原电位为0.32V，而丙酮酸∶乳酸对的氧化还原电位为0.19V，可写成,
(b) 丙酮酸+2H++2e—──→乳酸 E0′＝－0.19V
(c) NAD++2H++2e—──→NADH+H+ E0′＝－0.32V
由(b)减(c)即可得反应(a)的E0′＝－0.19－(－0.32)＝ +0.13V
ΔG0′与氧化还原电位ΔE0′的关系如下：
ΔG0′＝－nFΔE0′ (7．6)
这样，我们就可以计算出丙酮酸被NADH还原时的ΔG0′，即标准自由能的变化。 公式(7．6)中n表示转移的电子数，F为法拉第的卡当量[96.4kJ／(V·mol)],ΔE0′的单位为V，ΔG0′的单位为 kJ／mol。丙酮酸还原时的n＝2，所以
ΔG0′＝－2×96.40×0.13
＝－25.06kJ／rnol
从公式(7.6)可看出，ΔE0′为正值时，ΔG0′为负值，表示为放能反应。
另一个例子是 NADH的氧化并生成H２O，其反应如下：
(a) 1／2O２+2H++2e—H２O E0′＝+0.82V
(b) NAD++2H++2e—NADH+H+ E0′＝－0.32V
以(a)－(b)即得(c)：
(c) 1／2O２+NADH+H+ H２O+NAD+ ΔE0′＝1.14V
此反应的自由能变化为：
ΔG0′＝－nFΔE0′
＝－2×96.40×1.14
＝－219.79kJ／mol
所以说呼吸链全部的氧化还原电位的变化为1.14V，相当于ΔG0′为219.79kJ／mol。
表7-2 一些反应的标准氧化还原电位还原剂
氧化剂
n
E０′（V）
琥珀酸+CO２
α-酮戊二酸
2
－0.67
乙醛
乙酸
2
－0.60
铁氧还蛋白(还原态)
铁氧还蛋白（氧化态）
1
－0.43
H２
2H+
2
－0.42
NADH+H+
NAD+
2
－0.32
NADPH+H+
NADP+
2
－0.32
硫辛酸（还原态）
硫辛酸（氧化态）
2
－0.29
乙醇
乙醛
2
－0.20
乳酸
丙酮酸
2
－0.19
琥珀酸
延胡索酸
2
0.03
细胞色素b（Fe２+）
细胞色素b（Fe３+）
1
0.07
抗坏血酸
脱氢抗坏血酸
2
0.08
泛醌(还原态)
泛醌(氧化态)
2
0.10
细胞色素C（Fe２+）
细胞色素C(Fe３+)
1
0.22
H２O
1/2O２+2H+
2
0.82
谷胱甘肽(还原态)
谷胱甘肽(氧化态)
2
－0.23
三、高能磷酸化合物
1．高能磷酸化合物的概念
生物体内磷酸化合物很多，并不是所有的磷酸化合物都是高能的，只有那些磷酸基团水解时能释放出大量自由能的化合物称为高能磷酸化合物，这种能量称为磷酸键能。腺三磷就是这类化合物的典型代表。
腺三磷结构中的两个磷酸基团(β,γ)可从γ端依次移去而生成腺二磷(ADP)和腺一磷(AMP)。ATP的前两个磷酸基团水解时各释放出30.5kJ/mol能量，第三个磷酸基团（a）
,～” 代表水解时产生高能的键水解时释放出14.2kJ/mol能量。一般将水解时释放出20.9kJ/mol 以上自由能的化合物称为高能化合物，含有高能的键称为高能键，常用“～”符号表示。这里的高能键必须与物理化学上的高能键区别开来。在物理化学上，键能是断裂一个键所需要的能量，断键输入的能量越多键就越稳定；而在生物化学上，高能键是指水解反应或基团转移反应中的标准自由能变化（ΔG０(），水解时释放的自由能愈多，这个键就愈不稳定,愈容易被水解而断裂。高能化合物与低能化合物是相对而言的。
2．高能化合物的类型机体内高能化合物的种类很多，不只是高能磷酸化合物，根据其键型的特点，可将高能化合物分为以下几种类型：
（1）磷氧键型(－O～P) 属于这种键型的化合物很多，又可分成几类。
①酰基磷酸化合物：
②焦磷酸化合物：
③烯醇式磷酸化合物：
（2）氮磷键型 如胍基磷酸化和物,
（3）硫酯键型 如活性硫酸基：
（4）甲硫键型 如活性甲硫氨酸。
以上高能化合物中，含有磷酸基团的占绝大多数，但并不是所有含磷酸基团的化合物都属于高能磷酸化合物。例如，葡萄糖-6-磷酸，甘油磷脂等化合物，水解时每摩尔只能释放出12.54kJ的能量，属于低能磷酸化合物。
3．ATP的特殊作用
ATP在一切生物的生命活动中都起着重要作用，在细胞的细胞核、细胞质和线粒体中都有ATP存在。
细胞中的磷酸化合物根据其水解时释放自由能的多少分为高能磷酸化合物和低能磷酸化合物。但在不同的磷酸化合物之间，ΔG0 的大小并没有明显的高能和低能的界限，从表7-3中可以看出ΔG0值是逐步下降的。ATP所释放的自由能值正处在中间位置。在ATP以上的任何一种磷酸化合物都倾向于将它的磷酸基团转移给在它以下的磷酸受体分子。例如，ADP能接受在 ATP以上的磷酸基团。同样，ATP倾向于将其磷酸基团转移给在它以下的受体，如葡萄糖-6-磷酸。表7-3清晰表明了不同磷酸化合物其磷酸基团转移的热力学趋势或转移势能的大小(一般用无方向的正值表示)。
表7-3 某些磷酸化合物水解的标准自由能变化化合物
ΔG0 （kJ/mol）
磷酸基团转移势能ΔG0（kJ/mol）
磷酸烯醇式丙酮酸
－61.9
61.9
3-磷酸甘油酸磷酸
－49.3
49.3
磷酸肌酸
－43.1
43.1
乙酰磷酸
－42.3
42.3
磷酸精氨酸
－32.2
32.2
ATP（→ADP+Pi）
－30.5
30.5
ADP（→AMP+Pi）
－30.5
30.5
AMP（→腺苷+Pi）
－14.2
14.2
葡萄糖-1-磷酸
－20.9
20.9
果糖-6-磷酸
－15.9
15.9
葡萄糖-6-磷酸
－13.8
13.8
甘油-1-磷酸
－9.2
9.2
ATP在磷酸化合物中所处的位置具有重要的意义，它在细胞的酶促磷酸基团转移中是一个“共同中间体”。 ADP可以接受表7-3中在它以上的化合物的磷酸基团，所形成的ATP可将磷酸基团转移给其他的受体，形成在ATP以下的磷酸化合物。ATP作为磷酸基团共同中间传递体的作用可用图7-l表示。由图7-1可以看出，ATP是能量的携带者和转运者，但并不是能量的贮存者。起贮存能量作用的物质称为磷酸原，在脊推动物中是磷酸
图7-1 ATP作为磷酸基团共同中间传递体示意图磷酸肌酸为高能磷酸基团贮备物；6-磷酸葡萄糖，3-磷酸甘油酸为低能磷酸基团受体。磷酸基团由高能磷酸供体通过ATP-ADP系统转至低能磷酸受体，转移的方向是由高能化合物转移到低能化合物。磷酸基团转移势能的测定条件为标准状况肌酸。当 ATP浓度较高时，肌酸即通过酶的作用直接接受ATP的高能磷酸基团形成磷酸肌酸。当ATP浓度低时，磷酸肌酸又将高能磷酸基团转移给ADP。磷酸肌酸只通过这唯一的途径转移其磷酸基团，因此它是ATP高能磷酸基团的贮存库。肌肉中磷酸肌酸的含量比ATP高3～4倍，足以使ATP处于相对稳定的浓度水平。
无脊椎动物则以磷酸精氨酸作为磷酸原。
第三节 电子传递链一、电子传递链的概念
我们把电子从还原型辅酶通过一系列按照电子亲和力递增的顺序排列的电子传递体传递到氧的整个体系，称为电子传递链或呼吸链。电子传递链在原核细胞中存在于质膜上，在真核细胞中存在于线粒体的内膜上。
二、电子传递链(呼吸链)的内容由NADH到O２的电子传递链主要包括FMN、辅酶Q(CoQ)、细胞色素b、c１,c、a、a３ 以及一些铁硫蛋白（铁硫中心），其中铁·硫中心和细胞色素类是含铁蛋白质，细胞色素aa３是含铜蛋白质。这些电子传递体传递电子的顺序是按照它们的还原电势大小排成的，这个序列与它们对电子亲和力的不断增加顺序相吻合，如图7-2所示。
图7-2 电子传递次序
电子传递体从NADH（－0.32V）到氧(+0.82V)按照还原性电势大小的排列顺序
由图7-2可以看出，呼吸链电子载体的标准势能是逐步下降的，电子流动的方向是朝向分子氧。其中几个自由能明显变化的位点正是ATP合成的位点。真核细胞线粒体的呼吸链含有大量的电子携带蛋白质，这些特殊的蛋白质在电子传递链中也起电子传递作用。目前在电子传递链中所发现的组分已在15种以上（可总结如图7-3），不同的电子传递体都和蛋白质结合存在，这些与呼吸链中电子载体相结合的蛋白质都是水不溶性的，因此给分离提取和研究这些蛋白质造成很多困难。这也正是当前研究工作者致力解决的问题。
图7-3 呼吸链的全部电子载体组合
第Ⅰ组中至少含有5种铁硫中心；第Ⅱ组中含有2种不同的细胞色素b和l种与组合Ⅰ不同的铁硫中心；
第Ⅲ组中除细胞色素 a,a３外还含有两个铜离子，这些氧化一还原中心的确切序列和功能尚未弄清。
三、与呼吸链有关的酶和电子载体
1．吡啶核苷酸类
许多代谢中间物的脱氢都是通过脱氢酶的作用，这些不同的脱氢酶都以NAD+或NADP+作为电子受体。这类酶催化的反应如下：
还原形底物+NAD+ 氧化形底物+NADH+H+
还原形底物+NADP+ 氧化形底物+NADPH+H+
大多数脱氢酶都以NAD+为辅酶，有的以NADP+为辅酶，如6-磷酸葡萄糖脱氢酶就是以NADP+作为电子受体。极少数的酶能用NAD+或NADP+两种辅酶，如谷氨酸脱氢酶。
这类酶与NAD+（P+）相关的脱氢酶，有些分布在胞液中，有些分布在线粒体中，也有些既存在于胞液也存在于线粒体中。这类酶的脱氢机制如下式。
脱氢酶脱掉底物上的两个氢原子，其中一个氢原子以氢阴离子（﹕H－）的形式转移到NAD+或NADP+上，另一个则以氢离子(H+)形式游离到溶液中。每一个氢阴离子（﹕H－）携带着2个电子，其中1个电子使氢以原子形式结合到吡啶环的第四位C原子上，另一个电子与吡啶环的氮原子结合，使氮原子从5价变为3价。
2．NADH脱氢酶
这种酶是与黄素相关的脱氢酶，或者说是一种黄素蛋白质（flavoprotein)。它所催化的反应如下：
NADH+H++E－FMNNAD++E－FMNH２
在这个反应中，与NADH脱氢酶结合牢固的辅基接受NADH上的氢原子，使氧化型的黄素核苷酸和变成还原型的黄素核苷酸，可用下列结构式表示：
此酶除有一个黄素核苷酸辅基外，还有几个铁－硫中心。铁－硫中心内铁原子的价态变化(Fe２+ Fe３+)可将氢从NADH脱氢酶的FMNH２辅基上脱下转移给呼吸链中下一个成员 CoQ，因此这个酶包含两个电子传递结构。
3.辅酶Q（CoQ）
CoQ又称为泛醌，是脂溶性化合物。它是一个带有长的异戊二烯侧链的醌类化合物。哺乳动物细胞内的泛醌含有10异戊二烯单位，所以又称为CoQ10，其他细胞有的侧链由6个，有的侧链由8个异戊二烯单位构成。CoQ催化的反应如下式：
E—FMNH２ + CoQ E—FMN + CoQH２
在氧化还原反应中，它的结构变化如下：
CoQ不只接受NADH脱氢酶的氢，还接受线粒体其他脱氢酶脱下的氢，如琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶以及其他黄素酶类脱下的氢。所以CoQ在电子传递链中处于中心地位。由于CoQ在呼吸链中是一个和蛋白质结合不紧的辅酶，因此它在黄素蛋白类和细胞色素类之间能够作为一种特别灵活的载体而起作用。
4.细胞色素类细胞色素类是含铁的电子传递体。铁原子处于卟啉的结构中心，构成血红素（结构如下）。细胞色素类都以血红素作为辅基，而使这类蛋白质具有红色或褐色。细胞色素类是呼吸链中将电子从辅酶Q传递到氧的专—酶类。
铁-原卟啉Ⅸ 铁-原卟啉Ⅸ
（在细胞色素b类中） （在细胞色素c中，示2个硫醚键）
血红素A(在细胞色素a类中)
在电子传递链中至少含有5种不同的细胞色素，称为细胞色素 b,c、c１,a1,a３。细胞色素b、c、c１含有铁－原卟啉IX（血红素），细胞色素a和a３含有一个被修饰的血红素，称为血红素A,它和血红素的不同是在第八位以一个甲酰基代替甲基，在第二位以一个长的疏水链代替乙烯基。 细胞色素 b，根据它确切的吸收峰判断，也以两种形式存在(b５６２和b５６６),b接受从辅酶Q传来的电子，并将其传递给细胞色素c１，c１又将接受的电子传递给细胞色素c。电子在从辅酶Q到细胞色素c的传递过程中，还有一铁－硫蛋白在中间起作用。细胞色素aa３是最后的一个载体。细胞色素aa３以复合物形式存在，又称细胞色素氧化酶。细胞色素 aa３还含有两个必需的铜原子。细胞色素 a从细胞色素 c接受电子后，即传递给 a３，由还原型细胞色素a３将电子直接传递给氧分子。在a和a３间传递电子的是两个铜原子，铜在氧化－还原反应中也发生价态变化(Cu+Cu２+)。
细胞色素c是惟一可溶性的细胞色素，它的相对分子质量很小（相对分子质量为13 000），是当前了解最透彻的细胞色素蛋白质。它的氨基酸顺序已经在生物界进行了广泛的测定。细胞色素类都具有极相似的吸收峰，图7-4为以细胞色素c为代表的典型吸收峰。
四、电子传递的抑制剂
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。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。
常见的抑制剂列举如下几种：
1．鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素它们的作用是阻断电子由 NADH向CoQ的传递。它们的结构如下：
杀粉蝶菌素
2．抗霉素 A
它是由链霉素分离出来的抗菌素，能抑制电子从细胞色素b到细胞色素c１的传递，它的结构如下：
抗霉素A
3．氰化物、硫化氢、叠氮化物,CO等有阻断电子由细胞色素aa３传至氧的作用。几种电子传递抑制剂的作用部位如图7-5所示。
NADH
↓
NADH脱氢酶
│
部位1 ======== 被鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素抑制
↓
CoQ
↓
细胞色素b
│
部位2 ========== 被抗霉素A抑制
↓
细胞色素c1
↓
细胞色素c
↓
细胞色素（aa3）
│
部位3 ========== 被CN-,H2S,N3-和CO抑制
↓
O2
图7-5 电子传递抑制剂反应的部位第四节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用是细胞生命活动的基础，是主要的能量来源。现已证明，线粒体内膜是能量传递系统的重要部位，在讨论氧化磷酸化时，有必要弄清线粒体的结构要点。
一、线粒体的结构要点各种类型的细胞都有其特有的线粒体数目和特性，如鼠肝细胞大约有800个线粒体，细胞内线粒体的位置常处于需要ATP的结构附近，或处于细胞进行氧化作用所需要的燃料附近。又如昆虫飞翔肌细胞的线粒体，就是沿肌原纤维作规则的排列，这使形成的ATP分子很容易被取用。线粒体常靠近细胞质内的脂肪滴，而脂肪滴正是氧化作用的很重要来源。线粒体的形状也随细胞不同而异。
a b
图7-6 细胞线粒体的膜结构线粒体有两层膜（图7-6a）。外膜平滑稍有弹性，内膜有许多向内折叠的嵴。嵴的数目和结构随细胞的不同类型而异。嵴的存在有利于增加内膜的面积。在内膜嵴和嵴之间构成分隔，内膜内部的分隔中有液体基质，呈胶状，约含有50％蛋白质，有的基质构成网状，明显地附着在内膜的内表面上。当呼吸进行时，基质的体积和结构都不断地发生变化，用负染法和电子显微镜可见到在线粒体内膜的内表面有一层排列规则的球形颗粒（图7-6b）。球的直径为8～9nm，并带有一细柄约5nm、3nm宽与嵴相连。已经证明这种颗粒结构只存在于线粒体内膜的内表面，称为内膜球体（inner membrane sphere）。电子传递酶类及与氧化磷酸化作用有关的各种酶类都分布在线粒体内膜上。
二、氧化磷酸化作用的概念及磷酸化作用部位与生物氧化过程相伴而生的磷酸化作用称为氧化磷酸化作用。氧化磷酸化作用是将生物氧化过程中释放的能量转移至ADP形成ATP的作用。
氧化磷酸化作用有两种类型：一是底物水平磷酸化，二是电子传递磷酸化。底物水平磷酸化即是底物在代谢过程中先生成磷酸化或硫酯化的高能化合物，然后将其高能释放出来，用以形成ATP的过程。电子传递磷酸化即是在电子由NADH或FMNH２到分子氧的传递过程中，同时伴有ADP磷酸化生成ATP的过程。
实验证明，当电子沿着呼吸链进行传递时就发生磷酸化作用。在什么部位发生磷酸化？根据呼吸链中电子传递体的E０(值，可以证明呼吸链中的磷酸化部位：
NAD+ ─→FMN─→辅酶Q─→b─→ c１ ─→c─→ aa3─→ O２
E０′－0.32V －0.06V 0.00V +0.26V +0.28V +0.82V
在电子传递过程中，其自由能的变化可以根据下式算出：
ΔG０(＝－nFΔE０(
将标准氧化－还原电势代入上式即可求得，而且自由能有较大变化的部位即是氧化－还原电位有较大变化的部位。图7-7表明呼吸链中在三个部位有较大的自由能变化。
图7-7 呼吸链中电子对传递时自由能的下降和ATP生成的关系
三个阶段中的每个阶段都用箭头标出，所释放的自由能都足以由ADP和无机磷酸形成ATP
这三个部位每一步释放的自由能都足以保证由ADP和无机磷酸形成ATP。这三个部位分别是,NADH和辅酶Q之间的部位；细胞色素 b和细胞色素 c之间的部位；细胞色素a和O２之间的部位。
电子传递过程是产能的过程，而生成ATP的过程是贮能的过程。呼吸链中电子传递和ATP的形成在正常细胞内总是相偶联的，可以用P/O值（磷氧比）来表示电子传递与ATP生成之间的关系。 P／O值即是呼吸链每消耗一个氧原子所用去的磷酸分子数或生成ATP的分子数。因此，由NADH到分子氧的传递链中，其 P／O为3。而有些代谢物，则由黄素酶类催化脱氢，它直接通过辅酶Q进入呼吸链，结果只能生成2个ATP，其P/O为2。
三、解偶联作用呼吸链中电子传递与磷酸化作用紧密偶联，但这两个过程可被解偶联剂分离，失掉它们的紧密联系。它只抑制ATP的形成过程，不抑制电子传递过程，使电子传递所产生的自由能都变为热能。这类试剂使电子传递失去正常的控制，造成过分地利用氧和燃料底物，而能量得不到储存。典型的解偶联剂是2，4－二硝基苯酚，其他一些酸性芳香族化物也有作用。但解偶联剂对底物水平的磷酸化作用没有影响，这就使得这些解偶剂对于氧化磷酸化的研究成为很有用的试剂。
解偶联试剂在代谢研究中是一种非常有用的手段，解偶联效应也被生物所利用，如在冬眠动物和适应寒冷的哺乳动物中，它是一种能够产生热以维持体温的方法。
四、线粒体内膜的ATP合成系统
用电子显微镜观察到，完整的线粒体在适当的条件下可以看到内膜球体排列在嵴的上面，这个球体称为F１，其柄称为F０ 。F１由5种不同的多肽构成，它们的相对分子质量总和为360 000，F０也是由几种蛋白质构成的。用超声波处理线粒体，可将线粒体内的嵴打碎成片段，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。这种囊泡的特点是使原有的朝向嵴内的线粒体内膜变为翻转朝外的内膜(图7-8)。这些由内膜重新封闭形成的亚线粒体泡仍保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。当用尿素或胰蛋白酶处理这些翻转的囊泡时，可以看到内膜上的球状体F１从囊泡上脱下，只有F０还留在上面。这种处理过的囊泡还保有电子传递的功能，但却失去了合成ATP的功能。当将F１球体再加回到只有F１的囊泡时，可以看到在囊泡的周围有F１球状体聚集，氧化磷酸化作用又行恢复。E．Racker的这一实验表明，线粒体内膜嵴上的酶起电子传递的作用，而嵴上的F１球体是形成ATP的重要成分，是在贮能过程中起偶联作用的重要因素。ATP合成酶系统的另外部分就是F０，它嵌在线粒体内膜之中，当跨膜质子流蕴藏的能量用于合成 ATP时，F０起质子流通道的作用，它可能有调节质子流的作用，从而控制 ATP的合成。因此 ATP合成酶系统又称为F０F１-ATP酶。
五、氧化磷酸化的偶联机理
在正常的生理条件下，电子传递与磷酸化紧密地偶联，但是电子在从一个中间载体到另一个中间载体的传递过程中究竟怎样促使ADP磷酸化成ATP的？这其中的分子机理仍不很清楚。 目前有三种假说来解释氧化磷酸化的偶联机理。这三种假说，一是化学偶联假说；二是构象偶联假说；三是化学渗透偶联假说。现将这三种假说的主要内容分别介绍如下：
1．化学偶联假说这一假说是E．C．Slater于1953年提出来的，是用来解释氧化磷酸化偶联机制的最早的一个假说。该假说认为电子传递和ATP生成的偶联是通过一系列连续的化学反应而形成一个高能共价中间物，这个中间物在电子传递中形成，随后又裂解，将其能量供给ATP的合成。但是人们并未从呼吸链中找到实际的例子，是3-磷酸甘油醛脱氢酶所催化的产能和贮能过程；它也不能解释为什么线粒体内膜的完整性对氧化磷酸化是必要的。
即电子传递→形成一个高能共价中间物→裂解→将其能量用于ATP的合成。
2．构象偶联假说
该假说是由P．Boyer提出来的。他认为电子沿呼吸链传递，使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化而形成一种高能状态，这种高能状态将能量传递给F０F１ATP酶分子而使之激活，也转变为高能态。F０F１ATP酶的复原即将能量提供给ATP的合成，并从酶上游离下来。
这一假说实质上与化学偶联假说相似，只不过认为电子传递所释放的自由能不是贮存在高能化学中间物上，而是贮存在蛋白质的立体构象中。
即电子传递→使线粒体内膜蛋白质组分发生构象变化→形成高能状态→将F０F１ATP酶分子激活为高能态→F０F１ATP酶复原→将能量用于ATP的合成。
图7-8 亚线粒体泡的制备示意图
将亚线粒体泡分解成失去磷酸化作用的无球体的部分和可溶性F１ATP酶球体部分，然后又
重组为有氧化磷酸化作用的的泡，多数亚线粒体泡的膜是内表面翻转向外的线粒体内膜
3．化学渗透偶联假说该假说由英国生物化学家 Peter Mitchell于1961年提出。他认为电子传递链是一个H+泵，电子传递的结果是将H+从线粒体内膜基质“泵”到内膜外液体中，于是形成了一个跨内膜的H+ 梯度，即膜外的H+浓度高，膜内的H+ 浓度低；膜外的电位高，膜内电位低。
图7-9 氧化磷酸化作用将碳水化合物和脂肪氧化时所释放的能量和ATP的合成过程偶联这种梯度就是H+ 返回膜内的一种动力，为H+浓度梯度所驱使，通过在 F０F１ATP酶分子上的特殊通道，H+ 又流回线粒体基质。当H+ 通过F０F１-ATP酶流回线粒体内膜基质时，释放出自由能的反应和ATP的合成反应相偶联(图7-9)。解偶联剂作用的机理就是使线粒体内膜对H+的通透性改变，产生膜的“漏洞”，则H+ 梯度被解除，当然ATP就不能形成。化学渗透偶联假说和许多实验结果是相符合的，是目前能较圆满解释氧化磷酸化作用机理的一种学说。例如，它完全排除了对高能中间化合物或高能构象中间物的需要；现已发现氧化磷酸化作用确实需要线粒体内膜保持完整状态；电子传递链确能将H+ 排出到内膜外，而ATP的形成又伴随着H+ 向膜内的转移运动；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等等。
即电子传递→将H+从线粒体内膜内侧迁移至内膜外侧→产生电化学梯度→推动H+返回膜内→此过程中产生ATP。
质子推动力|——因的迁移而将电子传递产生的能量蕴藏在电化学梯度中并用来推动ATP合成的力。
六、线粒体的穿梭系统线粒体的内膜与外膜的渗透性是完全不同的，外膜能完全透过分子量大至10 000的分子，而内膜却有很大的选择性。例如，当将NADH加到肝或其他动物组织线粒体的悬浮液中时，它不能被氧化，说明大多数组织线粒体内膜是不能透过NADH的。NADH是糖酵解中3-磷酸甘油醛氧化时产生的，那么这个在细胞质中生成的NADH又如何通过线粒体内膜中的电子传递链而重新被氧化成NAD+ 呢? 现在已经证明，NADH本身不能直接通过线粒体内膜，而NADH上的电子可以通过一个穿梭的间接途径而进入电子传递链。其中3-磷酸甘油的穿梭过程是最早发现的，其具体过程如图7-10所示。穿梭的第一个阶段是电子从NADH转移到磷酸二羟丙酮上，形成3-磷酸甘油。此反应由细胞质中的3-磷酸甘油脱氢酶催化，其辅酶为NADH，反应在细胞质中进行。然后3-磷酸甘油可以容易地通过外膜，并被线粒体内膜表面上分布的第二种类型的3-磷酸甘油脱氢酶重新氧化成磷酸二羟丙酮，其辅基为FAD，之后生成的磷酸二羟丙酮从线粒体扩散到细胞质中完成往返过程。生成的FADH２可进入呼吸链，因而当细胞质中的NADH被呼吸链氧化时就只形成2个ATP，而不是3个ATP。
原核生物中。其电子传递链存在于原生质膜上，因此无需穿梭过程：而真核生物中线粒体的内膜是不能通过NADH的，就需要有一个3-磷酸甘油的穿梭过程。
图7-10 磷酸甘油—磷酸二羟丙酮穿梭系统
七、能荷
ATP在细胞的能量转换中起着重要的作用。在细胞内存在着三种腺苷酸，即AMP,ADP和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的代谢活动。Atkinson(1968)提出了能荷(energy charge)的概念。他认为能荷是细胞中高能磷酸状态的一种数量上的量度，能荷的大小可以说明生物体中 ATP—ADP—AMP系统的能量状态。能荷可用下式表示：
可见能荷的大小决定于ATP和ADP的多少。能荷的数值可以从0到1.0，即当细胞中全部的AMP和ADP都转化成ATP时，能荷为1.0。在细胞以较快的速度进行磷酸化(合成 ATP)，而生物合成反应又很少进行时，才能出现这种情况，此时腺苷酸系统中可利用态的高能磷酸键数量最大；当腺苷酸化合物都呈ADP状态时，能荷为0.5，系统中含有一半的高能磷酸键；当所有的 ATP和ADP都转化为AMP时，则能荷等于0，此时腺苷酸系统中不存在高能化合物。
Atkinson还证明：能荷高时能够抑制生物体内ATP的生成，但却促进ATP的利用，也就是说高的能荷能够促进合成代谢而抑制分解代谢。由图7-11可见：能荷小时，生成ATP的速率高，生物可以通过高分子化合物的降解以产生能量；当能荷逐渐增加时，此途径就下降，亦即分解代谢减弱。当能荷低时，ATP利用的速率就低，而随着能荷的增加，ATP利用的相对速率就增加。这说明生物体内ATP的利用和生成有自我调节与控制的能力。我们还可以看到，这两条曲线相交于0.9处，显然这些分解代谢与合成代谢能将生物体内能荷的数量控制在相当狭窄的范围之内。所以说，细胞中的能荷与pH值一样是可以缓冲的。根据测定，大多数细胞中的能荷在0.8～0.95之间。
细胞中的能荷可通过ATP,ADP和 AMP对一些酶进行变构调节。例如，ATP—ADP系统调节糖酵解的主要部位是在6-磷酸果糖和1，6 - 二磷酸果糖相互转化处：
催化此反应的磷酸果糖激酶是变构酶，受ATP强烈的抑制，被AMP所激活。反之,l，6-二磷酸果糖磷酸酯酶则受ATP的激活和被AMP所抑制。另外，在三羧酸循环中，当细胞的能荷等于1.0时，高水平的ATP和低水平的AMP会降低柠檬酸合成酶和异柠檬酸脱氢酶的活性，使三羧酸循环的活性降低，从而减少呼吸作用，以达到调节生成ATP数量的目的。
总之，能荷的大小由ATP、ADP和AMP的相对数量决定，它在代谢中起控制作用。高能荷能抑制ATP的生成(分解代谢)途径而激活ATP利用(合成代谢)的途径。
一、生物氧化的概念
人们把有机分子在体内氧化分解成CO２和H２O并释放出能量的过程称为生物氧化(biological oxidation)。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化－还原反应，是在细胞或组织中发生的，所以又称为细胞氧化或细胞呼吸，有时也称为组织呼吸。
二、生物氧化的特点生物氧化是发生在生物体内的氧化－还原反应，它具有自然界物质发生氧化－还原反应的共同特征，这主要表现在被氧化的物质总是失去电子，而被还原的物质总是得到电子，并且物质被氧化时，总伴随能量的释放。有机物在生物体内完全氧化和在体外燃烧而被彻底氧化，在化学本质上是相同的。例如1mol的葡萄糖在体内氧化和在体外燃烧都是产生CO２和H２O，放出的总能量都是2 867.5kJ。这并不奇怪，因为氧化作用释放的能量等于这一物质所含化学能与其氧化产物所含的化学能差，放出的总能量的多少与该物质氧化的途径无关，只要在氧化后所生成的产物相同，放出的总能量必然相同。但是，由于生物氧化是在活细胞内进行的，故它与有机物在体外燃烧有许多不同之处，即生物氧化有它本身的特点：
（1）有机物在空气中燃烧时，CO２和H２O的生成是空气中氧直接与碳、氢原子结合的产物。而有机物在细胞中氧化时，CO２是在代谢过程中经脱羧反应释放出来的，H２O的生成则是通过更复杂的过程完成的。
（2）生物氧化是在一系列酶的催化下、在恒温恒压下进行的反应，而有机分子在体外燃烧时需要高温。
（3）生物氧化所产生的能量是逐步发生、分次释放的。这种逐步分次的放能方式，不会引起体温的突然升高，而且可使放出的能量得到最有效的利用。与此相反，有机物在体外燃烧产生大量的光和热，且能量是骤然放出的。
（4）生物氧化过程中产生的能量一般都贮存于一些特殊的化合物[主要是腺三磷(ATP)]中。电子由还原型辅酶传递到氧的过程中形成大量的ATP，占全部生物氧化产生能量的绝大部分。例如，1个葡萄糖分子氧化时生成36个ATP分子，其中32个是还原型辅酶氧化时得到的。
三、生物氧化的基本过程需氧生物细胞内糖、脂肪、氨基酸等分子所途经的各自分解过程，将在有关章、节中叙述。这些有机物在氧化分解途径中所形成的还原型辅酶，包括NADH和FADH２，通过电子传递途径，使其再重新氧化。在这个过程中，还原型辅酶上的氢以质子形式脱下，其电子沿着一系列的电子传递体转移（称为电子传递链），最终转移到分子氧，使氧激活，质子和离子型氧（激活后的氧）结合生成水。在电子传递过程中释放的能量则使ADP和无机磷结合形成ATP。ATP是生物体内最重要的高能中间物，参与体内众多的需能反应。
第二节 生物氧化过程中的某些能量问题
一、自由能的概念在热力学概念中对生物化学特别有用的是自由能。自由能是一个化合物分子结构中所固有的能量，是一种能在恒温怛压下做功的能量。一种物质A自由能的含量是不能用实验方法测得的。但是在一个化学反应中，当A转化为B时
A B （7．1）
其自由能的变化（ΔG），即A转化为B时所得到的最大的可利用的能量是可以测定的。如果产物B自由能的含量(GＢ)比反应物A自由能的含量（GＡ）小，则ΔG为负值，即,
ΔG ＝ GＢ 一GＡ ＝ 负值 (当GＡ＞GＢ时)
当ΔG为负值时，便意味着反应进行时自由能降低。同样，当B逆转为A时，自由能则增加，亦即ΔG为正值。实验证明：当自由能降低（即ΔG为负）时反应能自发地进行；反之，则必须采取某种方式供给能量才能推动反应进行。ΔG为负值的反应称为“放能反应”(exogonic reaction)，而ΔG为正值的反应则称为“吸能反应”(endogonic reaction)。
实验还证明，虽然在某一过程中ΔG为负值，但与反应的速率无关。例如，葡萄糖可被O２氧化成CO２和H２O，其方程式如下：
C６H１２O６+6O２ 6CO２+6H２O （7．2）
此反应的ΔG是一个很大的负值(约为2870kJ／mol)，但是这一相当大的ΔG与反应速率没有关系。当葡萄糖在一弹式量热计(bomb calorimeter)中有催化剂存在时，它可在几秒钟内发生氧化。在大多数生物体中，上述反应可在数分钟到数小时内完成，但是把葡萄糖放在玻璃瓶中，即使有空气也可以存放数年而不氧化。
现在的化学理论认为，决定一个反应的反应速率的因子是这—过程的活化能(activation energy)。反应(7．1)进行时必须经过一个中间物或活化的复合物(即A*)；而由A转化为A*必须消耗能量，如果所需的能量不大，即此反应具有较低的活化能，则反应容易进行。如果所需的能量很大，则只有少量A能转化为B。必须供给足够的能量以克服此反应的能量障碍，才能使反应顺利进行。催化剂(包括酶在内)的作用就是降低其活化能而使反应能够进行。
反应(7．1)的自由能变化ΔG可表示如下：
（7．3）
式中的ΔG0表示标准自由能变化；R为气体常数；T为绝对温度；[A]、[B]分别为 A及B的浓度，单位为（mol／L）。
由方程式(7．3)可见，反应的ΔG是反应物和产物浓度的函数，也是标准自由能变化ΔG0的函数。从平衡时的ΔG可计算出ΔG0。在平衡时，A,B间的净变化为零，因此自由能的变化ΔG亦为零。我们知道[B]对[A]的比值是平衡时的比值，即其平衡常数Keq将这些数值代入方程式(7．3)，可得：
0=ΔG0 + RTlnKeq (7．4)
ΔG0= －RTlnKeq
式中的常数R＝8.32J／mol·K。在25℃时，T＝298；1nx＝2.3031gx，方程式(7．4)即为25℃时的ΔG0：
ΔG0＝ －8.314×298×2.3031gKeq＝ －5706lgKeq (7．5)
方程式(7．5)对测定某一反应的ΔG0值是非常有用的。如果能测出平衡时反应物和产物两者的浓度，就可以计算出其反应的Keq和ΔG0。当然，如果Keq极大或极小时，用这个方法来测定ΔG0就没有什么价值了，因为这时反应物或产物的平衡浓度将小到无法测定。表7-l表示从0.001到1 000的一系列Keq范围内的ΔG0。
从表7-1可以看出，如果反应的Keq大于1，则自由能降低。在方程式（7．1）中，假设其Keq＝1000(亦即[B]／[A]为1000)，则反应趋向形成B的方向。如果反应(7．1)的Keq为0.001(亦即[B]／[A]＝0.001)，则只要0.1％的 A转化为 B时反应就能达到平衡。如果[A] ＝[B]，即反应物和产物浓度都处于单位浓度时，也可求出ΔG0，据方程式(7．3)
ΔG=ΔG0 + RTln1/1=ΔG0
因此ΔG0的定义应为当反应物和产物均为单位浓度时或更广泛地说，在“标准状态”下的自由能变化。溶液中溶质的标准状态为单位摩尔浓度，若为气体，则为101,325 kPa。
当H+作为反应物或产物出现时，其标准状态的浓度仍然规定为1.0mol/L(即pH值＝0)，此时几乎所有的酶(在pH＝0时)都已变性，因此就没有反应可研究了。为此，生化学家又规定了一种修正的标准条件，除H+之外，其他反应物和产物的浓度仍规定为1.0mol/L，pH值规定为7.0 。细胞中的反应大都发生在pH值7.0左右，除pH值＝0之外，其他任何 pH值时的标准自由能变化可用ΔG′表示，但必须说明ΔG′的pH值。当然，如果反应中既没有形成也没有消耗氢离子的话，则ΔG′与pH值无关，此时ΔG0 等于ΔG′。
表7-1 Keq和ΔG０间的关系
Keq
lgKeq
ΔG0（kJ/mol）
0.001
－3
17.1
0.01
－2
11.4
0.1
－1
5.7
1.0
0
0.0
10
1
－5.7
100
2
－11.4
1000
3
－17.1
二、氧化还原电位和自由能变化
在氧化磷酸化作用中，NADH和FADH２的电子转移能( electron transfer PotentiaI)能够转化成ATP中磷酸基团的转移势能(Phosphate group transfer potentiaI)。磷酸基团的转移势能可以用磷酸化合物水解时的G0′表示。而电子转移势能可用E0′ (即氧化还原电位)表示。如果一种物质存在氧化态(X)和还原态(X-)，这X和X-就称为氧还对(redox couple)。所以负氧化还原电位表示一种物质对电子的亲合力比H２低，而正氧化还原电位则表示一种物质与电子的亲合力比H２高，这种比较是在标准状态（即 lmol的氧化剂,lmol的还原剂，lmol的H+和101.325kPa的H２）下进行的。所以一种强还原剂(如NADH)有一个负的氧化还原电位，而一种强氧化剂(如O２)有一个正的氧化还原电位。表7-2为生物中一些重要氧还对的氧化还原电位。从反应物的氧化还原电位E0′可以计算出一个氧化还原反应的自由能变化(ΔG) 。
例如，丙酮酸被 NADH还原的反应如下：
(a) 丙酮酸 + NADH + H+乳酸+NAD+
其中NAD+∶NADH+H+ 对的氧化还原电位为0.32V，而丙酮酸∶乳酸对的氧化还原电位为0.19V，可写成,
(b) 丙酮酸+2H++2e—──→乳酸 E0′＝－0.19V
(c) NAD++2H++2e—──→NADH+H+ E0′＝－0.32V
由(b)减(c)即可得反应(a)的E0′＝－0.19－(－0.32)＝ +0.13V
ΔG0′与氧化还原电位ΔE0′的关系如下：
ΔG0′＝－nFΔE0′ (7．6)
这样，我们就可以计算出丙酮酸被NADH还原时的ΔG0′，即标准自由能的变化。 公式(7．6)中n表示转移的电子数，F为法拉第的卡当量[96.4kJ／(V·mol)],ΔE0′的单位为V，ΔG0′的单位为 kJ／mol。丙酮酸还原时的n＝2，所以
ΔG0′＝－2×96.40×0.13
＝－25.06kJ／rnol
从公式(7.6)可看出，ΔE0′为正值时，ΔG0′为负值，表示为放能反应。
另一个例子是 NADH的氧化并生成H２O，其反应如下：
(a) 1／2O２+2H++2e—H２O E0′＝+0.82V
(b) NAD++2H++2e—NADH+H+ E0′＝－0.32V
以(a)－(b)即得(c)：
(c) 1／2O２+NADH+H+ H２O+NAD+ ΔE0′＝1.14V
此反应的自由能变化为：
ΔG0′＝－nFΔE0′
＝－2×96.40×1.14
＝－219.79kJ／mol
所以说呼吸链全部的氧化还原电位的变化为1.14V，相当于ΔG0′为219.79kJ／mol。
表7-2 一些反应的标准氧化还原电位还原剂
氧化剂
n
E０′（V）
琥珀酸+CO２
α-酮戊二酸
2
－0.67
乙醛
乙酸
2
－0.60
铁氧还蛋白(还原态)
铁氧还蛋白（氧化态）
1
－0.43
H２
2H+
2
－0.42
NADH+H+
NAD+
2
－0.32
NADPH+H+
NADP+
2
－0.32
硫辛酸（还原态）
硫辛酸（氧化态）
2
－0.29
乙醇
乙醛
2
－0.20
乳酸
丙酮酸
2
－0.19
琥珀酸
延胡索酸
2
0.03
细胞色素b（Fe２+）
细胞色素b（Fe３+）
1
0.07
抗坏血酸
脱氢抗坏血酸
2
0.08
泛醌(还原态)
泛醌(氧化态)
2
0.10
细胞色素C（Fe２+）
细胞色素C(Fe３+)
1
0.22
H２O
1/2O２+2H+
2
0.82
谷胱甘肽(还原态)
谷胱甘肽(氧化态)
2
－0.23
三、高能磷酸化合物
1．高能磷酸化合物的概念
生物体内磷酸化合物很多，并不是所有的磷酸化合物都是高能的，只有那些磷酸基团水解时能释放出大量自由能的化合物称为高能磷酸化合物，这种能量称为磷酸键能。腺三磷就是这类化合物的典型代表。
腺三磷结构中的两个磷酸基团(β,γ)可从γ端依次移去而生成腺二磷(ADP)和腺一磷(AMP)。ATP的前两个磷酸基团水解时各释放出30.5kJ/mol能量，第三个磷酸基团（a）
,～” 代表水解时产生高能的键水解时释放出14.2kJ/mol能量。一般将水解时释放出20.9kJ/mol 以上自由能的化合物称为高能化合物，含有高能的键称为高能键，常用“～”符号表示。这里的高能键必须与物理化学上的高能键区别开来。在物理化学上，键能是断裂一个键所需要的能量，断键输入的能量越多键就越稳定；而在生物化学上，高能键是指水解反应或基团转移反应中的标准自由能变化（ΔG０(），水解时释放的自由能愈多，这个键就愈不稳定,愈容易被水解而断裂。高能化合物与低能化合物是相对而言的。
2．高能化合物的类型机体内高能化合物的种类很多，不只是高能磷酸化合物，根据其键型的特点，可将高能化合物分为以下几种类型：
（1）磷氧键型(－O～P) 属于这种键型的化合物很多，又可分成几类。
①酰基磷酸化合物：
②焦磷酸化合物：
③烯醇式磷酸化合物：
（2）氮磷键型 如胍基磷酸化和物,
（3）硫酯键型 如活性硫酸基：
（4）甲硫键型 如活性甲硫氨酸。
以上高能化合物中，含有磷酸基团的占绝大多数，但并不是所有含磷酸基团的化合物都属于高能磷酸化合物。例如，葡萄糖-6-磷酸，甘油磷脂等化合物，水解时每摩尔只能释放出12.54kJ的能量，属于低能磷酸化合物。
3．ATP的特殊作用
ATP在一切生物的生命活动中都起着重要作用，在细胞的细胞核、细胞质和线粒体中都有ATP存在。
细胞中的磷酸化合物根据其水解时释放自由能的多少分为高能磷酸化合物和低能磷酸化合物。但在不同的磷酸化合物之间，ΔG0 的大小并没有明显的高能和低能的界限，从表7-3中可以看出ΔG0值是逐步下降的。ATP所释放的自由能值正处在中间位置。在ATP以上的任何一种磷酸化合物都倾向于将它的磷酸基团转移给在它以下的磷酸受体分子。例如，ADP能接受在 ATP以上的磷酸基团。同样，ATP倾向于将其磷酸基团转移给在它以下的受体，如葡萄糖-6-磷酸。表7-3清晰表明了不同磷酸化合物其磷酸基团转移的热力学趋势或转移势能的大小(一般用无方向的正值表示)。
表7-3 某些磷酸化合物水解的标准自由能变化化合物
ΔG0 （kJ/mol）
磷酸基团转移势能ΔG0（kJ/mol）
磷酸烯醇式丙酮酸
－61.9
61.9
3-磷酸甘油酸磷酸
－49.3
49.3
磷酸肌酸
－43.1
43.1
乙酰磷酸
－42.3
42.3
磷酸精氨酸
－32.2
32.2
ATP（→ADP+Pi）
－30.5
30.5
ADP（→AMP+Pi）
－30.5
30.5
AMP（→腺苷+Pi）
－14.2
14.2
葡萄糖-1-磷酸
－20.9
20.9
果糖-6-磷酸
－15.9
15.9
葡萄糖-6-磷酸
－13.8
13.8
甘油-1-磷酸
－9.2
9.2
ATP在磷酸化合物中所处的位置具有重要的意义，它在细胞的酶促磷酸基团转移中是一个“共同中间体”。 ADP可以接受表7-3中在它以上的化合物的磷酸基团，所形成的ATP可将磷酸基团转移给其他的受体，形成在ATP以下的磷酸化合物。ATP作为磷酸基团共同中间传递体的作用可用图7-l表示。由图7-1可以看出，ATP是能量的携带者和转运者，但并不是能量的贮存者。起贮存能量作用的物质称为磷酸原，在脊推动物中是磷酸
图7-1 ATP作为磷酸基团共同中间传递体示意图磷酸肌酸为高能磷酸基团贮备物；6-磷酸葡萄糖，3-磷酸甘油酸为低能磷酸基团受体。磷酸基团由高能磷酸供体通过ATP-ADP系统转至低能磷酸受体，转移的方向是由高能化合物转移到低能化合物。磷酸基团转移势能的测定条件为标准状况肌酸。当 ATP浓度较高时，肌酸即通过酶的作用直接接受ATP的高能磷酸基团形成磷酸肌酸。当ATP浓度低时，磷酸肌酸又将高能磷酸基团转移给ADP。磷酸肌酸只通过这唯一的途径转移其磷酸基团，因此它是ATP高能磷酸基团的贮存库。肌肉中磷酸肌酸的含量比ATP高3～4倍，足以使ATP处于相对稳定的浓度水平。
无脊椎动物则以磷酸精氨酸作为磷酸原。
第三节 电子传递链一、电子传递链的概念
我们把电子从还原型辅酶通过一系列按照电子亲和力递增的顺序排列的电子传递体传递到氧的整个体系，称为电子传递链或呼吸链。电子传递链在原核细胞中存在于质膜上，在真核细胞中存在于线粒体的内膜上。
二、电子传递链(呼吸链)的内容由NADH到O２的电子传递链主要包括FMN、辅酶Q(CoQ)、细胞色素b、c１,c、a、a３ 以及一些铁硫蛋白（铁硫中心），其中铁·硫中心和细胞色素类是含铁蛋白质，细胞色素aa３是含铜蛋白质。这些电子传递体传递电子的顺序是按照它们的还原电势大小排成的，这个序列与它们对电子亲和力的不断增加顺序相吻合，如图7-2所示。
图7-2 电子传递次序
电子传递体从NADH（－0.32V）到氧(+0.82V)按照还原性电势大小的排列顺序
由图7-2可以看出，呼吸链电子载体的标准势能是逐步下降的，电子流动的方向是朝向分子氧。其中几个自由能明显变化的位点正是ATP合成的位点。真核细胞线粒体的呼吸链含有大量的电子携带蛋白质，这些特殊的蛋白质在电子传递链中也起电子传递作用。目前在电子传递链中所发现的组分已在15种以上（可总结如图7-3），不同的电子传递体都和蛋白质结合存在，这些与呼吸链中电子载体相结合的蛋白质都是水不溶性的，因此给分离提取和研究这些蛋白质造成很多困难。这也正是当前研究工作者致力解决的问题。
图7-3 呼吸链的全部电子载体组合
第Ⅰ组中至少含有5种铁硫中心；第Ⅱ组中含有2种不同的细胞色素b和l种与组合Ⅰ不同的铁硫中心；
第Ⅲ组中除细胞色素 a,a３外还含有两个铜离子，这些氧化一还原中心的确切序列和功能尚未弄清。
三、与呼吸链有关的酶和电子载体
1．吡啶核苷酸类
许多代谢中间物的脱氢都是通过脱氢酶的作用，这些不同的脱氢酶都以NAD+或NADP+作为电子受体。这类酶催化的反应如下：
还原形底物+NAD+ 氧化形底物+NADH+H+
还原形底物+NADP+ 氧化形底物+NADPH+H+
大多数脱氢酶都以NAD+为辅酶，有的以NADP+为辅酶，如6-磷酸葡萄糖脱氢酶就是以NADP+作为电子受体。极少数的酶能用NAD+或NADP+两种辅酶，如谷氨酸脱氢酶。
这类酶与NAD+（P+）相关的脱氢酶，有些分布在胞液中，有些分布在线粒体中，也有些既存在于胞液也存在于线粒体中。这类酶的脱氢机制如下式。
脱氢酶脱掉底物上的两个氢原子，其中一个氢原子以氢阴离子（﹕H－）的形式转移到NAD+或NADP+上，另一个则以氢离子(H+)形式游离到溶液中。每一个氢阴离子（﹕H－）携带着2个电子，其中1个电子使氢以原子形式结合到吡啶环的第四位C原子上，另一个电子与吡啶环的氮原子结合，使氮原子从5价变为3价。
2．NADH脱氢酶
这种酶是与黄素相关的脱氢酶，或者说是一种黄素蛋白质（flavoprotein)。它所催化的反应如下：
NADH+H++E－FMNNAD++E－FMNH２
在这个反应中，与NADH脱氢酶结合牢固的辅基接受NADH上的氢原子，使氧化型的黄素核苷酸和变成还原型的黄素核苷酸，可用下列结构式表示：
此酶除有一个黄素核苷酸辅基外，还有几个铁－硫中心。铁－硫中心内铁原子的价态变化(Fe２+ Fe３+)可将氢从NADH脱氢酶的FMNH２辅基上脱下转移给呼吸链中下一个成员 CoQ，因此这个酶包含两个电子传递结构。
3.辅酶Q（CoQ）
CoQ又称为泛醌，是脂溶性化合物。它是一个带有长的异戊二烯侧链的醌类化合物。哺乳动物细胞内的泛醌含有10异戊二烯单位，所以又称为CoQ10，其他细胞有的侧链由6个，有的侧链由8个异戊二烯单位构成。CoQ催化的反应如下式：
E—FMNH２ + CoQ E—FMN + CoQH２
在氧化还原反应中，它的结构变化如下：
CoQ不只接受NADH脱氢酶的氢，还接受线粒体其他脱氢酶脱下的氢，如琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶以及其他黄素酶类脱下的氢。所以CoQ在电子传递链中处于中心地位。由于CoQ在呼吸链中是一个和蛋白质结合不紧的辅酶，因此它在黄素蛋白类和细胞色素类之间能够作为一种特别灵活的载体而起作用。
4.细胞色素类细胞色素类是含铁的电子传递体。铁原子处于卟啉的结构中心，构成血红素（结构如下）。细胞色素类都以血红素作为辅基，而使这类蛋白质具有红色或褐色。细胞色素类是呼吸链中将电子从辅酶Q传递到氧的专—酶类。
铁-原卟啉Ⅸ 铁-原卟啉Ⅸ
（在细胞色素b类中） （在细胞色素c中，示2个硫醚键）
血红素A(在细胞色素a类中)
在电子传递链中至少含有5种不同的细胞色素，称为细胞色素 b,c、c１,a1,a３。细胞色素b、c、c１含有铁－原卟啉IX（血红素），细胞色素a和a３含有一个被修饰的血红素，称为血红素A,它和血红素的不同是在第八位以一个甲酰基代替甲基，在第二位以一个长的疏水链代替乙烯基。 细胞色素 b，根据它确切的吸收峰判断，也以两种形式存在(b５６２和b５６６),b接受从辅酶Q传来的电子，并将其传递给细胞色素c１，c１又将接受的电子传递给细胞色素c。电子在从辅酶Q到细胞色素c的传递过程中，还有一铁－硫蛋白在中间起作用。细胞色素aa３是最后的一个载体。细胞色素aa３以复合物形式存在，又称细胞色素氧化酶。细胞色素 aa３还含有两个必需的铜原子。细胞色素 a从细胞色素 c接受电子后，即传递给 a３，由还原型细胞色素a３将电子直接传递给氧分子。在a和a３间传递电子的是两个铜原子，铜在氧化－还原反应中也发生价态变化(Cu+Cu２+)。
细胞色素c是惟一可溶性的细胞色素，它的相对分子质量很小（相对分子质量为13 000），是当前了解最透彻的细胞色素蛋白质。它的氨基酸顺序已经在生物界进行了广泛的测定。细胞色素类都具有极相似的吸收峰，图7-4为以细胞色素c为代表的典型吸收峰。
四、电子传递的抑制剂
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。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。
常见的抑制剂列举如下几种：
1．鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素它们的作用是阻断电子由 NADH向CoQ的传递。它们的结构如下：
杀粉蝶菌素
2．抗霉素 A
它是由链霉素分离出来的抗菌素，能抑制电子从细胞色素b到细胞色素c１的传递，它的结构如下：
抗霉素A
3．氰化物、硫化氢、叠氮化物,CO等有阻断电子由细胞色素aa３传至氧的作用。几种电子传递抑制剂的作用部位如图7-5所示。
NADH
↓
NADH脱氢酶
│
部位1 ======== 被鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素抑制
↓
CoQ
↓
细胞色素b
│
部位2 ========== 被抗霉素A抑制
↓
细胞色素c1
↓
细胞色素c
↓
细胞色素（aa3）
│
部位3 ========== 被CN-,H2S,N3-和CO抑制
↓
O2
图7-5 电子传递抑制剂反应的部位第四节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用是细胞生命活动的基础，是主要的能量来源。现已证明，线粒体内膜是能量传递系统的重要部位，在讨论氧化磷酸化时，有必要弄清线粒体的结构要点。
一、线粒体的结构要点各种类型的细胞都有其特有的线粒体数目和特性，如鼠肝细胞大约有800个线粒体，细胞内线粒体的位置常处于需要ATP的结构附近，或处于细胞进行氧化作用所需要的燃料附近。又如昆虫飞翔肌细胞的线粒体，就是沿肌原纤维作规则的排列，这使形成的ATP分子很容易被取用。线粒体常靠近细胞质内的脂肪滴，而脂肪滴正是氧化作用的很重要来源。线粒体的形状也随细胞不同而异。
a b
图7-6 细胞线粒体的膜结构线粒体有两层膜（图7-6a）。外膜平滑稍有弹性，内膜有许多向内折叠的嵴。嵴的数目和结构随细胞的不同类型而异。嵴的存在有利于增加内膜的面积。在内膜嵴和嵴之间构成分隔，内膜内部的分隔中有液体基质，呈胶状，约含有50％蛋白质，有的基质构成网状，明显地附着在内膜的内表面上。当呼吸进行时，基质的体积和结构都不断地发生变化，用负染法和电子显微镜可见到在线粒体内膜的内表面有一层排列规则的球形颗粒（图7-6b）。球的直径为8～9nm，并带有一细柄约5nm、3nm宽与嵴相连。已经证明这种颗粒结构只存在于线粒体内膜的内表面，称为内膜球体（inner membrane sphere）。电子传递酶类及与氧化磷酸化作用有关的各种酶类都分布在线粒体内膜上。
二、氧化磷酸化作用的概念及磷酸化作用部位与生物氧化过程相伴而生的磷酸化作用称为氧化磷酸化作用。氧化磷酸化作用是将生物氧化过程中释放的能量转移至ADP形成ATP的作用。
氧化磷酸化作用有两种类型：一是底物水平磷酸化，二是电子传递磷酸化。底物水平磷酸化即是底物在代谢过程中先生成磷酸化或硫酯化的高能化合物，然后将其高能释放出来，用以形成ATP的过程。电子传递磷酸化即是在电子由NADH或FMNH２到分子氧的传递过程中，同时伴有ADP磷酸化生成ATP的过程。
实验证明，当电子沿着呼吸链进行传递时就发生磷酸化作用。在什么部位发生磷酸化？根据呼吸链中电子传递体的E０(值，可以证明呼吸链中的磷酸化部位：
NAD+ ─→FMN─→辅酶Q─→b─→ c１ ─→c─→ aa3─→ O２
E０′－0.32V －0.06V 0.00V +0.26V +0.28V +0.82V
在电子传递过程中，其自由能的变化可以根据下式算出：
ΔG０(＝－nFΔE０(
将标准氧化－还原电势代入上式即可求得，而且自由能有较大变化的部位即是氧化－还原电位有较大变化的部位。图7-7表明呼吸链中在三个部位有较大的自由能变化。
图7-7 呼吸链中电子对传递时自由能的下降和ATP生成的关系
三个阶段中的每个阶段都用箭头标出，所释放的自由能都足以由ADP和无机磷酸形成ATP
这三个部位每一步释放的自由能都足以保证由ADP和无机磷酸形成ATP。这三个部位分别是,NADH和辅酶Q之间的部位；细胞色素 b和细胞色素 c之间的部位；细胞色素a和O２之间的部位。
电子传递过程是产能的过程，而生成ATP的过程是贮能的过程。呼吸链中电子传递和ATP的形成在正常细胞内总是相偶联的，可以用P/O值（磷氧比）来表示电子传递与ATP生成之间的关系。 P／O值即是呼吸链每消耗一个氧原子所用去的磷酸分子数或生成ATP的分子数。因此，由NADH到分子氧的传递链中，其 P／O为3。而有些代谢物，则由黄素酶类催化脱氢，它直接通过辅酶Q进入呼吸链，结果只能生成2个ATP，其P/O为2。
三、解偶联作用呼吸链中电子传递与磷酸化作用紧密偶联，但这两个过程可被解偶联剂分离，失掉它们的紧密联系。它只抑制ATP的形成过程，不抑制电子传递过程，使电子传递所产生的自由能都变为热能。这类试剂使电子传递失去正常的控制，造成过分地利用氧和燃料底物，而能量得不到储存。典型的解偶联剂是2，4－二硝基苯酚，其他一些酸性芳香族化物也有作用。但解偶联剂对底物水平的磷酸化作用没有影响，这就使得这些解偶剂对于氧化磷酸化的研究成为很有用的试剂。
解偶联试剂在代谢研究中是一种非常有用的手段，解偶联效应也被生物所利用，如在冬眠动物和适应寒冷的哺乳动物中，它是一种能够产生热以维持体温的方法。
四、线粒体内膜的ATP合成系统
用电子显微镜观察到，完整的线粒体在适当的条件下可以看到内膜球体排列在嵴的上面，这个球体称为F１，其柄称为F０ 。F１由5种不同的多肽构成，它们的相对分子质量总和为360 000，F０也是由几种蛋白质构成的。用超声波处理线粒体，可将线粒体内的嵴打碎成片段，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。这种囊泡的特点是使原有的朝向嵴内的线粒体内膜变为翻转朝外的内膜(图7-8)。这些由内膜重新封闭形成的亚线粒体泡仍保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。当用尿素或胰蛋白酶处理这些翻转的囊泡时，可以看到内膜上的球状体F１从囊泡上脱下，只有F０还留在上面。这种处理过的囊泡还保有电子传递的功能，但却失去了合成ATP的功能。当将F１球体再加回到只有F１的囊泡时，可以看到在囊泡的周围有F１球状体聚集，氧化磷酸化作用又行恢复。E．Racker的这一实验表明，线粒体内膜嵴上的酶起电子传递的作用，而嵴上的F１球体是形成ATP的重要成分，是在贮能过程中起偶联作用的重要因素。ATP合成酶系统的另外部分就是F０，它嵌在线粒体内膜之中，当跨膜质子流蕴藏的能量用于合成 ATP时，F０起质子流通道的作用，它可能有调节质子流的作用，从而控制 ATP的合成。因此 ATP合成酶系统又称为F０F１-ATP酶。
五、氧化磷酸化的偶联机理
在正常的生理条件下，电子传递与磷酸化紧密地偶联，但是电子在从一个中间载体到另一个中间载体的传递过程中究竟怎样促使ADP磷酸化成ATP的？这其中的分子机理仍不很清楚。 目前有三种假说来解释氧化磷酸化的偶联机理。这三种假说，一是化学偶联假说；二是构象偶联假说；三是化学渗透偶联假说。现将这三种假说的主要内容分别介绍如下：
1．化学偶联假说这一假说是E．C．Slater于1953年提出来的，是用来解释氧化磷酸化偶联机制的最早的一个假说。该假说认为电子传递和ATP生成的偶联是通过一系列连续的化学反应而形成一个高能共价中间物，这个中间物在电子传递中形成，随后又裂解，将其能量供给ATP的合成。但是人们并未从呼吸链中找到实际的例子，是3-磷酸甘油醛脱氢酶所催化的产能和贮能过程；它也不能解释为什么线粒体内膜的完整性对氧化磷酸化是必要的。
即电子传递→形成一个高能共价中间物→裂解→将其能量用于ATP的合成。
2．构象偶联假说
该假说是由P．Boyer提出来的。他认为电子沿呼吸链传递，使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化而形成一种高能状态，这种高能状态将能量传递给F０F１ATP酶分子而使之激活，也转变为高能态。F０F１ATP酶的复原即将能量提供给ATP的合成，并从酶上游离下来。
这一假说实质上与化学偶联假说相似，只不过认为电子传递所释放的自由能不是贮存在高能化学中间物上，而是贮存在蛋白质的立体构象中。
即电子传递→使线粒体内膜蛋白质组分发生构象变化→形成高能状态→将F０F１ATP酶分子激活为高能态→F０F１ATP酶复原→将能量用于ATP的合成。
图7-8 亚线粒体泡的制备示意图
将亚线粒体泡分解成失去磷酸化作用的无球体的部分和可溶性F１ATP酶球体部分，然后又
重组为有氧化磷酸化作用的的泡，多数亚线粒体泡的膜是内表面翻转向外的线粒体内膜
3．化学渗透偶联假说该假说由英国生物化学家 Peter Mitchell于1961年提出。他认为电子传递链是一个H+泵，电子传递的结果是将H+从线粒体内膜基质“泵”到内膜外液体中，于是形成了一个跨内膜的H+ 梯度，即膜外的H+浓度高，膜内的H+ 浓度低；膜外的电位高，膜内电位低。
图7-9 氧化磷酸化作用将碳水化合物和脂肪氧化时所释放的能量和ATP的合成过程偶联这种梯度就是H+ 返回膜内的一种动力，为H+浓度梯度所驱使，通过在 F０F１ATP酶分子上的特殊通道，H+ 又流回线粒体基质。当H+ 通过F０F１-ATP酶流回线粒体内膜基质时，释放出自由能的反应和ATP的合成反应相偶联(图7-9)。解偶联剂作用的机理就是使线粒体内膜对H+的通透性改变，产生膜的“漏洞”，则H+ 梯度被解除，当然ATP就不能形成。化学渗透偶联假说和许多实验结果是相符合的，是目前能较圆满解释氧化磷酸化作用机理的一种学说。例如，它完全排除了对高能中间化合物或高能构象中间物的需要；现已发现氧化磷酸化作用确实需要线粒体内膜保持完整状态；电子传递链确能将H+ 排出到内膜外，而ATP的形成又伴随着H+ 向膜内的转移运动；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等等。
即电子传递→将H+从线粒体内膜内侧迁移至内膜外侧→产生电化学梯度→推动H+返回膜内→此过程中产生ATP。
质子推动力|——因的迁移而将电子传递产生的能量蕴藏在电化学梯度中并用来推动ATP合成的力。
六、线粒体的穿梭系统线粒体的内膜与外膜的渗透性是完全不同的，外膜能完全透过分子量大至10 000的分子，而内膜却有很大的选择性。例如，当将NADH加到肝或其他动物组织线粒体的悬浮液中时，它不能被氧化，说明大多数组织线粒体内膜是不能透过NADH的。NADH是糖酵解中3-磷酸甘油醛氧化时产生的，那么这个在细胞质中生成的NADH又如何通过线粒体内膜中的电子传递链而重新被氧化成NAD+ 呢? 现在已经证明，NADH本身不能直接通过线粒体内膜，而NADH上的电子可以通过一个穿梭的间接途径而进入电子传递链。其中3-磷酸甘油的穿梭过程是最早发现的，其具体过程如图7-10所示。穿梭的第一个阶段是电子从NADH转移到磷酸二羟丙酮上，形成3-磷酸甘油。此反应由细胞质中的3-磷酸甘油脱氢酶催化，其辅酶为NADH，反应在细胞质中进行。然后3-磷酸甘油可以容易地通过外膜，并被线粒体内膜表面上分布的第二种类型的3-磷酸甘油脱氢酶重新氧化成磷酸二羟丙酮，其辅基为FAD，之后生成的磷酸二羟丙酮从线粒体扩散到细胞质中完成往返过程。生成的FADH２可进入呼吸链，因而当细胞质中的NADH被呼吸链氧化时就只形成2个ATP，而不是3个ATP。
原核生物中。其电子传递链存在于原生质膜上，因此无需穿梭过程：而真核生物中线粒体的内膜是不能通过NADH的，就需要有一个3-磷酸甘油的穿梭过程。
图7-10 磷酸甘油—磷酸二羟丙酮穿梭系统
七、能荷
ATP在细胞的能量转换中起着重要的作用。在细胞内存在着三种腺苷酸，即AMP,ADP和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的代谢活动。Atkinson(1968)提出了能荷(energy charge)的概念。他认为能荷是细胞中高能磷酸状态的一种数量上的量度，能荷的大小可以说明生物体中 ATP—ADP—AMP系统的能量状态。能荷可用下式表示：
可见能荷的大小决定于ATP和ADP的多少。能荷的数值可以从0到1.0，即当细胞中全部的AMP和ADP都转化成ATP时，能荷为1.0。在细胞以较快的速度进行磷酸化(合成 ATP)，而生物合成反应又很少进行时，才能出现这种情况，此时腺苷酸系统中可利用态的高能磷酸键数量最大；当腺苷酸化合物都呈ADP状态时，能荷为0.5，系统中含有一半的高能磷酸键；当所有的 ATP和ADP都转化为AMP时，则能荷等于0，此时腺苷酸系统中不存在高能化合物。
Atkinson还证明：能荷高时能够抑制生物体内ATP的生成，但却促进ATP的利用，也就是说高的能荷能够促进合成代谢而抑制分解代谢。由图7-11可见：能荷小时，生成ATP的速率高，生物可以通过高分子化合物的降解以产生能量；当能荷逐渐增加时，此途径就下降，亦即分解代谢减弱。当能荷低时，ATP利用的速率就低，而随着能荷的增加，ATP利用的相对速率就增加。这说明生物体内ATP的利用和生成有自我调节与控制的能力。我们还可以看到，这两条曲线相交于0.9处，显然这些分解代谢与合成代谢能将生物体内能荷的数量控制在相当狭窄的范围之内。所以说，细胞中的能荷与pH值一样是可以缓冲的。根据测定，大多数细胞中的能荷在0.8～0.95之间。
细胞中的能荷可通过ATP,ADP和 AMP对一些酶进行变构调节。例如，ATP—ADP系统调节糖酵解的主要部位是在6-磷酸果糖和1，6 - 二磷酸果糖相互转化处：
催化此反应的磷酸果糖激酶是变构酶，受ATP强烈的抑制，被AMP所激活。反之,l，6-二磷酸果糖磷酸酯酶则受ATP的激活和被AMP所抑制。另外，在三羧酸循环中，当细胞的能荷等于1.0时，高水平的ATP和低水平的AMP会降低柠檬酸合成酶和异柠檬酸脱氢酶的活性，使三羧酸循环的活性降低，从而减少呼吸作用，以达到调节生成ATP数量的目的。
总之，能荷的大小由ATP、ADP和AMP的相对数量决定，它在代谢中起控制作用。高能荷能抑制ATP的生成(分解代谢)途径而激活ATP利用(合成代谢)的途径。
