物质在生物体内进行氧化称 生物氧化（bio-oxidation）。主要是指碳水化合物、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成二氧化碳和水的过程。其中一部分能量以ATP的形式供生命活动所需；其余能量主要以热能形式释放，用于维持体温。

生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。生物氧化是在细胞内相对稳定的环境中（如适宜的体温和pH），在一系列酶的催化下逐步完成的。

氧化酶能使氧活化，以O ₂作为直接的受电子体，产物之一是H ₂O。该酶需要铜离子作为辅助因子。例如，细胞色素C氧化酶、抗坏血酸氧化酶等均属此类酶。其氧化过程简示于图4-46：

该酶能使底物上的氢活化但不能以O ₂作为直接的受电子体，只能以某些辅酶作为直接受氢体，故称不需氧脱氢酶。根据辅酶的不同可分为三类：①需要NAD ^＋（或NADP ^＋）的脱氢酶类；②需要FMN（或FAD）的脱氢酶类；③细胞色素体系。

加氧酶类是催化加氧反应的酶。根据底物分子中加入氧原子数目的不同，分为加单氧酶和加双氧酶。

加单氧酶催化一个氧原子加到底物分子上（羟化），另一个氧原子被氢（来自NADPH＋H ^＋）还原成水，故又称混合功能氧化酶或羟化酶。

此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底物中带双键的2个碳原子上，如色氨酸吡咯酶。

底物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与O ₂结合生成H ₂O。因为此过程与细胞摄取氧的呼吸有关，所以将此传递链称 呼吸链（respiratory chain）。

呼吸链的各个组分按一定顺序排列在线粒体内膜上，其中参与传递氢的酶或辅酶称递氢体，参与传递电子的酶或辅酶称递电子体。因无论递氢体还是递电子体都起到传递电子的作用，所以呼吸链又称 电子传递链（electron transport chain）。

用胆酸等反复处理线粒体内膜，可从呼吸链中分离到4种仍具有传递电子功能的酶复合体（表4-11），其中复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ完全镶嵌在线粒体内膜中，复合体Ⅱ镶嵌在内膜的基质侧。

大部分底物脱下的成对氢原子（2H）由 氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD ^＋）接受形成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NADH＋H ^＋。复合体Ⅰ将NADH＋H ^＋中的2H传递给泛醌，泛醌又称 辅酶Q（coenzyme Q）。人线粒体呼吸链复合体Ⅰ中含有以 黄素单核苷酸（flavin mononucleotide，FMN）为辅基的黄素蛋白NADH脱氢酶和以铁硫簇（Fe-S）为辅基的铁硫蛋白。黄素蛋白和铁硫蛋白均具有催化功能。

NAD ^＋（辅酶Ⅰ，coenzymeⅠ，CoⅠ）与NADP ^＋（辅酶Ⅱ，CoenzymeⅡ，CoⅡ）是烟酰胺脱氢酶类的辅酶。NAD ^＋或NADP ^＋分子中烟酰胺的氮为五价，能接受电子成为三价氮。其对侧的碳原子也比较活泼，能进行加氢反应。上述反应是可逆的。烟酰胺在加氢反应时只能接受一个氢原子和一个电子，将另一个H ^＋游离出来，因此，将还原型NAD ^＋和NADP ^＋分别写成NADH＋H ^＋（NADH）和NADPH＋H ^＋（NADPH）。

FMN中含有核黄素（维生素B ₂），其发挥功能的结构是异咯嗪环。氧化型或醌型的FMN可接受1个质子和1个电子形成不稳定的半醌型FMNH·，再接受1个质子和1个电子转变为还原型或氢醌型FMNH ₂（图4-48）。

Fe-S含有等量的铁原子和硫原子（Fe ₂S ₂，Fe ₄S ₄），通过其中的铁原子与铁硫蛋白中蛋白质部分半胱氨酸残基的硫相连接（图4-49）。

泛醌是一种脂溶性醌类化合物。它有多个异戊二烯单位互相连接构成较长的侧链。因侧链的疏水作用，它能在线粒体内膜中迅速扩散。它极易从线粒体内膜中脱离下来，故不包含在上述复合体中。

泛醌接受1个电子和1个质子还原成半醌，再接受1个电子和1个质子还原成二氢泛醌，后者也可脱去2个电子和2个质子被氧化为泛醌（图4-50）。

复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递给泛醌。人复合体Ⅱ中含有以 黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD）为辅基的黄素蛋白，铁硫蛋白和 细胞色素（cytochrome，Cyt b560）。

细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，均有特殊的吸收光谱而呈现颜色。根据它们吸收光谱不同，将细胞色素分为细胞色素a、b、c（Cyt a，Cyt b，Cyt c）3类，每一类中又因其最大吸收峰的微小差别再分为几个亚类。

复合体Ⅲ将电子从泛醌传递给细胞色素C。人复合体Ⅲ中含有细胞色素b，细胞色素C ₁和铁硫蛋白。

Cyt c呈水溶性，与线粒体内膜外表面结合不紧密，极易与线粒体内膜分离，故不包含在上述复合体中。

复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧。复合体Ⅳ由细胞色素a、a ₃及两种与不同蛋白质结合的铜离子CuA和CuB组成。细胞色素a和a ₃结合在同一蛋白的不同区域上，细胞色素a和a ₃至今尚不能分开。复合体Ⅳ中铜离子可经 反应传递电子。Cyt a从CuA获得电子后依次将电子交给Cyt a ₃和CuB。Cyt a ₃和CuB被激活，将O ₂与H ^＋还原成H ₂O。

根据实验得知，体内存在NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链两条氧化呼吸链。

NADH氧化呼吸链：生物氧化中大多数脱氢酶如乳酸脱氢酶，苹果酸脱氢酶都是以NAD ^＋为辅酶的。NAD ^＋接受氢生成NADH＋H ^＋，然后通过NADH氧化呼吸链再被氧化成NAD ^＋。NADH＋H ^＋脱下的2H经复合体Ⅰ（FMN，Fe-S）传给CoQ，再经复合体Ⅲ（Cyt b，Fe-S，Cyt c ₁）传至Cyt c，然后传至复合体Ⅳ（Cyt a，Cyt a ₃），最后将2e交给O ₂。

琥珀酸氧化呼吸链（FADH ₂氧化呼吸链）：琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下脱下的2H经复合体Ⅱ（FAD，Fe-S，Cyt b）使CoQ形成CoQH ₂，再往下的传递与NADH氧化呼吸链相同。α-磷酸甘油脱氢酶及脂酰CoA脱氢酶催化代谢物脱下的氢也由FAD接受，通过此呼吸链被氧化，故归属于琥珀酸氧化呼吸链。

在机体的能量代谢中，ATP是体内供能的“能量货币”。在细胞内，ATP形成的主要方式是 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation），即在呼吸链电子传递过程中，释放的能量与ADP磷酸化生成ATP的过程耦联在一起，因此又称耦联磷酸化。

P/O比值是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷的摩尔数（或ADP摩尔数），即生成ATP的摩尔数（表4-12）。已知β-羟丁酸的氧化是通过NADH呼吸链，测得P/O比值接近3，即该呼吸链传递2H可生成3分子ATP。琥珀酸氧化时，测得P/O比值接近2，即生成2分子ATP，因此表明在NADH与CoQ之间（复合体Ⅰ）存在耦联部位。从β-羟丁酸、琥珀酸和还原型Cyt c氧化时P/O比值的比较表明，在CoQ与Cyt c之间（复合体Ⅲ）存在另一耦联部位。因此NADH呼吸链存在三个耦联部位，琥珀酸呼吸链存在两个耦联部位（图4-51）。

从NAD ^＋到CoQ段测得的电位差约0.36V，从CoQ到Cyt c电位差为0.21V，从Cyt aa ₃到分子氧为0.53V。自由能变化（ΔG’O）与电位变化（ΔEO’）之间有以下关系：

ΔG’O表示pH 7.0时的标准自由能变化；n为传递电子数；F为法拉第常数（96.5kJ/mol·V）。计算结果，它们相应的ΔG’O分别约为69.5、40.5、102.3kJ/mol，而生成每摩尔ATP需能约30.5kJ（7.3kcal），可见以上三处均足够提供生成ATP所需的能量。

抑制剂有3类：呼吸链抑制剂、解耦联剂和氧化磷酸化抑制剂。

此类抑制剂能阻断呼吸链中某些部位的电子传递，如鱼藤酮、粉蝶霉素A及异戊巴比妥等可与复合体Ⅰ中的铁硫蛋白结合，从而阻断电子传递。抗霉素A、二巯基丙醇能抑制复合体中Cyt b与Cyt c ₁间的电子传递。CO、CN ^－、N ₃ ^－及H ₂S则抑制细胞色素C氧化酶，使电子传递中断。

如“二硝基苯酚”能使氧化与磷酸化耦联过程解离。

如“寡霉素”可抑制电子传递及ADP磷酸化，从而抑制ATP生成。

正常机体氧化磷酸化的速率主要受ADP的调节。当机体利用ATP增多，ADP浓度增高，转运入线粒体后使氧化磷酸化速度加快；当ADP浓度降低，氧化磷酸化速度减慢。这种调节作用可使ATP的生成速度适应生理需要。

甲状腺激素诱导细胞膜上Na ^＋，K ^＋-ATP酶的生成，使ATP加速分解为ADP和Pi。ADP增多促进氧化磷酸化。

1961年，英国学者Peter Mitchell（1978年“诺贝尔化学奖”获得者）提出化学渗透假说，说明了电子传递释放的能量用于形成一种跨越线粒体内膜的质子梯度（H ^＋梯度），这种梯度驱动ATP的合成。这一过程概括如下（图4-52）：

（1）NADH的氧化，其电子沿呼吸链的传递，造成H ^＋被3个质子泵，即NADH脱氢酶、细胞色素b、c ₁复合体和细胞色素氧化酶从线粒体基质跨过内膜泵入膜间隙。

（2）H ^＋泵出，在膜间隙产生较高的H ^＋浓度，这不仅使膜外侧的pH较内侧低（形成pH梯度），而且使原有的外正内负的跨膜电位增高，由此形成的电化学质子梯度成为质子动力，是H ^＋的化学梯度和膜电势的总和。

（3）H ^＋通过ATP合成酶回流到线粒体基质，质子动力驱动ATP合成酶合成ATP。

ATP合酶由两部分组成（Fo-F1）。球状的头部F1突向基质液，水溶性；Fo埋在内膜的底部，是疏水性蛋白，构成H ^＋通道。在生理条件下，H ^＋只能从膜外侧单向流向基质，通道的开关受柄部某种蛋白质的调节（图4-53）。

生物氧化过程中释放的能量大约有40%以化学能的形式储存于一些特殊的有机磷酸化合物中，形成磷酸酯。这些磷酸酯键水解时释放能量较多（大于21kJ/mol），一般称之为高能磷酸键，常用“～P”符号表示。含有高能磷酸键的化合物称之为高能磷酸化合物。在体内所有高能磷酸化合物中，以ATP末端的磷酸键最为重要。此外体内还存在其他高能化合物，如为糖原、磷脂、蛋白质合成时提供能量的UTP、CTP、GTP，一般不能从物质氧化过程中直接生成，只能在核苷二磷酸激酶的催化下，从ATP中获得～P。

另外，当体内ATP消耗过多时，ADP累积，在腺苷酸激酶催化下由ADP转变成ATP被利用。此反应是可逆的，当ATP需要量降低时，AMP从ATP中获得～P生成ADP。

除此，ATP还可将～P转移给肌酸生成 磷酸肌酸（creatine phosphate，CP），作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式，当机体消耗ATP过多而致ADP增多时，磷酸肌酸将～P转移给ADP，生成ATP，供生理活动之用。

生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心（图4-54）。在体外pH 7.0，25℃条件下每摩尔ATP水解为ADP和Pi时释放能量为30.5kJ（7.3kcal）；在生理条件下可释放能量约为51.6kJ。

线粒体内生成的NADH可直接参加氧化磷酸化过程，但在细胞质中生成的NADH不能自由透过线粒体内膜。因此，线粒体外NADH所携带的氢必须通过某种转运机制才能进入线粒体，然后再经呼吸链进行氧化磷酸化。

这种转运机制有 α-磷酸甘油穿梭（glycerophosphate shuttle）和 苹果酸-天冬氨酸穿梭（malate-asparate shuttle）。

α-磷酸甘油穿梭作用主要存在于脑和骨骼肌中。如图4-55所示，线粒体外的NADH在细胞质中的磷酸甘油脱氢酶催化下，使磷酸二羟丙酮还原成α-磷酸甘油。后者通过线粒体外膜，再经位于线粒体内膜的磷酸甘油脱氢酶催化，氧化生成磷酸二羟丙酮和FADH ₂。磷酸二羟丙酮可穿出线粒体外膜至细胞质，继续进行穿梭；FADH ₂则进入琥珀酸氧化呼吸链，生成2分子ATP。

苹果酸-天冬氨酸穿梭作用主要存在于肝和心肌中。如图4-56所示，细胞质中的NADH在苹果酸脱氢酶的作用下，使草酰乙酸还原成苹果酸，后者通过线粒体内膜上的α-酮戊二酸载体进入线粒体，又在线粒体内苹果酸脱氢酶的作用下重新生成草酰乙酸和NADH。NADH进入NADH氧化呼吸链，生成3分子ATP。线粒体内生成的草酰乙酸经天冬氨酸氨基转移酶的作用生成天冬氨酸，后者经酸性氨基酸载体转运出线粒体再转变成草酰乙酸，继续进行穿梭。

在生物氧化的过程中，除了氧化磷酸化过程中的一系列酶之外，还有加单氧酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶等。这些酶与能量的产生虽然没有直接关系，但在生物体内有重要的生理意义。

加单氧酶反应体系是微粒体内的一种重要的氧化酶体系。该酶催化一个氧原子加到底物分子上（羟化），另一个氧原子被氢（来自NADPH＋H ^＋）还原成水，故又称混合功能氧化酶或羟化酶。加单氧酶反应体系包括细胞色素P450、NADPH细胞色素P450还原酶、Fe ₂S ₂等。

上述反应需要Cyt P450参与。Cyt P450属于Cyt b类，因与CO结合后在波长450nm处出现最大吸收峰而被命名。Cyt P450在肝和肾上腺的微粒体中含量最多，参与类固醇激素、胆汁酸及胆色素等的生成，以及药物、毒物的生物转化过程。

过氧化氢在体内代谢中不断产生。在粒细胞和吞噬细胞中，H ₂O ₂可氧化杀死入侵的细菌；甲状腺细胞中产生的H ₂O ₂可使2I ^－氧化为I ₂，进而使酪氨酸碘化生成甲状腺激素。然而，过量积聚的过氧化氢可以氧化含巯基的酶和蛋白质。在正常机体内，既有生成过氧化氢的反应，又有使之分解的酶存在。

1.过氧化氢酶，又称触酶。其辅基含有4个血红素，催化反应如下：

2.过氧化物酶，也是以血红素为辅基。它催化H ₂O ₂和酚类或胺类化合物之间的氧化还原反应，反应如下：

临床上判断粪便中有无隐血时，就是利用白细胞中含有过氧化物酶的活性，将联苯胺氧化成蓝色化合物。

在呼吸链的电子传递过程中可产生超氧阴离子（O ₂ ^－），体内其他物质（如黄嘌呤）氧化时也可产生O ₂ ^－。O ₂ ^－可进一步生成H ₂O ₂和羟自由基（·OH），统称活性氧。活性氧的化学性质活泼，可使磷脂分子中不饱和脂肪酸氧化生成过氧化脂质，损伤细胞膜；过氧化脂质与蛋白质结合形成的复合物，积累成棕褐色的色素颗粒，称脂褐素，与组织老化有关。

已知超氧物歧化酶（SOD）可催化一分子O ₂ ^－氧化生成O ₂，另一分子O ₂ ^－还原生成H ₂O ₂：

生成的H ₂O ₂可被活性极强的过氧化氢酶分解。SOD是人体防御内、外环境中超氧离子损伤的重要酶。

体内还存在一种含硒的谷胱甘肽过氧化物酶，可使H ₂O ₂或过氧化物（ROOH）与还原型谷胱甘肽（G—SH）反应，生成的氧化型谷胱甘肽，后者又可由NADPH供氢被重新还原。因此，谷胱甘肽过氧化物酶具有保护细胞膜及血红蛋白免遭损伤的作用（图4-57）。