真核细胞三大营养物质氧化分解生成二氧化碳和水，并释放能量的过程主要在线粒体内进行，因此线粒体被称为“细胞的能量库”。线粒体内物质氧化过程中伴随着能量的生成，在这一过程中参与电子传递的成员称为递电子体，参与氢原子传递的成员称为递氢体，递氢体同时也传递了电子，因此也可以称为递电子体。线粒体内的递氢体和递电子体依次进行氢和电子的传递，伴随这一传递过程逐步释放的能量与ATP的生成偶联在一起，成为体内ATP生成的最主要方式。
呼吸链（respiratorychain）是指存在于线粒体内膜上，按一定顺序排列的递氢体和递电子体构成的链状氧化还原体系，也称电子传递链（electrontransferchain）。
呼吸链中的递氢体与递电子体主要是以四大复合体（复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）形式存在于线粒体内膜，每种复合体含有多种不同成分，同时还有复合体外的一些游离组分（表6-1）。这些成分主要可以分为以下五大类。
1.烟酰胺脱氢酶类及其辅酶烟酰胺脱氢酶类是体内分布最广泛的一类脱氢酶类，是指以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶，因其辅酶含有烟酰胺而得名。烟酰胺脱氢酶类催化底物脱氢交给NAD+生成NADH+H+后，经呼吸链传递给氧生成水的同时产生能量，把代谢物的脱氢反应和呼吸链连接起来（图6-2）；而NADPH+H+主要参与体内脂肪酸、胆固醇等物质的合成过程。
表6-1呼吸链各组分和基本功能
续表
在接受氢原子时，NAD+或NADP+分子中烟酰胺的吡啶环以五价的氮接受1个电子变为3价氮，而其对侧的碳原子能接受1个氢原子，这样NAD+或NADP+分子能够接受1个氢原子和1个电子，而另一个H+被游离出来。因此，代谢物脱下的一对氢原子（2H）被NAD+和NADP+接受后，分别以NADH+H+（简写NADH）和NADPH+H+（简写NADPH）表示。
图6-2NAD+的作用
当NAD+（氧化型）接受了代谢物脱下的氢原子后转变为NADH+H+（还原型），然后经呼吸链进一步将氢原子传递给复合体Ⅰ中黄素蛋白的辅基FMN。
2.黄素蛋白及其辅基黄素蛋白（flavoprotein，FP）是以FAD和FMN为辅基的一类脱氢酶类，因其辅基分子中含有核黄素而得名。在黄素蛋白催化的脱氢反应中，FAD和FMN分子中的异咯嗪环中的N1和N10能够分别接受1个氢原子，生成FADH2和FMNH2。具体反应如下：
存在于复合体Ⅰ中的NADH脱氢酶含有辅基FMN，就属于黄素蛋白（FP1），FP1通过催化NADH+H+脱氢，将2H传递给FMN生成FMNH2。复合体Ⅱ中的琥珀酸脱氢酶的辅基为FAD，属于另一类黄素蛋白（FP2），FP2能够催化琥珀酸等底物脱氢，将2H传递给FAD生成FADH2。然后通过FMNH2或FADH2进一步将氢原子传递给泛醌。
3.铁硫蛋白类铁硫蛋白（iron-sulfurprotein）和烟酰胺脱氢酶及黄素蛋白酶不同，它属于呼吸链中的一类电子传递体，因其辅基为等量的非血红素铁和无机硫构成的铁硫簇（ironsulfurcluster，Fe-S）而得名。铁硫簇具有两种形式：Fe2S2和Fe4S4，它们通过分子中的铁离子与蛋白质中的半胱氨酸残基的硫连接构成铁硫蛋白（图6-3）。
图6-3铁硫簇结构示意图
铁硫蛋白通过其辅基铁硫簇中的铁离子发生变价进行电子传递，氧化型铁硫蛋白接受电子时，只有1个Fe3+被还原成Fe2+，即每次只传递1个电子，因此铁硫蛋白属于单电子传递体。在呼吸链中，铁硫蛋白广泛分布于复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，通常以与其他传递体结合构成复合物的形式存在，参与复合体的电子传递过程。
4.泛醌泛醌（ubiquinone，Q）与其他呼吸链成分不同，它是一类广泛存在于生物体内的脂溶性醌类化合物，曾被认为是一种辅酶，而被称为辅酶Q（CoQ）。在泛醌分子中的C-6上含有一个由多个异戊烯单位构成的侧链，不同物种该侧链中的异戊烯单位数目不同，人体的泛醌含有10个异戊烯单位（n=10），因此人体的泛醌通常使用Q10来表示。泛醌因其侧链的疏水作用，能够在线粒体内膜中迅速扩散，并且非常容易从线粒体内膜中分离出来。
在呼吸链中，泛醌可以分别接受复合体Ⅰ或复合体Ⅱ中黄素蛋白传递来的2H，其首先接受1个电子和1个质子，被还原成半醌型。然后再接受1个电子和1个质子被还原成二氢泛醌。最后二氢泛醌将2个质子释放入线粒体基质中，而把2个电子继续传递给其后的复合体Ⅲ中的细胞色素。
5.细胞色素细胞色素（cytochrome，Cyt）是一类以铁卟啉为辅基的色素蛋白，通过其辅基铁卟啉中的铁离子变价进行电子传递，因此细胞色素和铁硫蛋白一样属于电子传递体。根据细胞色素的吸收光谱不同，呼吸链中的细胞色素又可以分为a、b、c三大类。每一类又可以根据其最大吸收峰的微小差别再分成几种亚类，Cyta可以分为a和a3，Cytb有b560、b562、b566，Cytc又分为c和c1。
参与呼吸链组成的细胞色素有Cytb、c1、c、a和a3，其中Cytb、c1、a和a3以复合体形式存在于线粒体内膜上，Cytb、c1和铁硫蛋白结合构成复合体Ⅲ，复合体Ⅲ也称为Q-Cytc氧化还原酶；Cyta和a3存在于复合体Ⅳ中，并且结合紧密，通常用Cytaa3表示；Cytc则单独与线粒体内膜外表面疏松结合，通过它的移动能够将复合体Ⅲ的电子传递给复合体Ⅳ。在呼吸链中，复合体Ⅲ中的Cytb首先接受泛醌传递来的电子，并且通过Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3的顺序依次传递。最后由复合体Ⅳ中的Cytaa3将电子直接传递给氧原子，因此Cytaa3也被称为Cytc氧化酶（cytochromecoxidase）。
图6-4细胞色素a和细胞色素c的血红素
上述五类成分构成了线粒体内的呼吸链，其中脂溶性泛醌在线粒体内膜中游离存在，Cytc疏松结合在线粒体内膜外侧，它们不属于4种复合体，而其他几种成分烟酰胺脱氢酶类、黄素蛋白类、铁硫蛋白、细胞色素等存在于4种复合体中。复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ完全镶嵌在线粒体内膜里，而复合体Ⅱ镶嵌在线粒体内膜的基质侧。由于泛醌能在内膜中自由扩散及Cytc能在内膜外表面移动，从而使代谢物氧化分解脱下的氢和电子能够经4种复合体传递，最终交给氧生成水。呼吸链的主要成分及4种复合体在线粒体内膜中的分布如图6-5所示。
图6-5呼吸链各组分和存在状态
在呼吸链中，递氢体和递电子体是按照严格的顺序和方向排列的。这种排列顺序是通过下列实验确定的：①测定呼吸链各组分的标准氧化还原电位（E0′）值，按照由低到高的顺序排列，从而确定呼吸链的排列顺序。②在底物存在时，加入不同的特异性呼吸链抑制剂阻断某一组分的电子传递，被阻断部位以前的组分处于还原状态，其后的组分处于氧化状态，根据各组分的氧化和还原状态的吸收光谱不同，测定吸收光谱的变化可确定呼吸链的排列顺序。③利用呼吸链各组分具有特征性吸收光谱的特点，以离体线粒体无氧时处于还原状态作对照，然后缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序，从而确定呼吸链的排列顺序。④在体外将呼吸链拆开和重组，确定4种复合体的组成和排列顺序。通过上述实验，目前确定体内主要存在两条呼吸链，分别是NADH氧化呼吸链和FADH2氧化呼吸链。
1.NADH氧化呼吸链生物氧化过程中，大多数脱氢酶属于以NAD+为辅酶的烟酰胺脱氢酶类，例如三羧酸循环中的异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶等，它们催化底物脱下的2H都是交给NAD+生成NADH+H+，然后进入NADH氧化呼吸链传递给氧生成水。因此NADH氧化呼吸链是体内分布最广泛的一条呼吸链。NADH氧化呼吸链基本组分主要有NAD+、复合体Ⅰ（FMN、Fe-S）、Q、复合体Ⅲ（Cytb、Cytc1、Fe-S）、Cytc和复合体Ⅳ（Cytaa3、Cu）等。通过这些组分依次传递氢和电子，最后交给氧原子形成H2O，同时释放能量生成ATP。NADH氧化呼吸链每传递2H约生成2.5分子ATP。具体传递顺序见图6-6。
图6-6NADH氧化呼吸链的排列顺序
2.FADH2氧化呼吸链（或称琥珀酸氧化呼吸链）三羧酸循环中琥珀酸脱氢酶、脂肪酸β-氧化中的脂酰辅酶A脱氢酶属于黄素蛋白酶类，其辅基为FAD。它们催化底物脱下的2H交给FAD生成FADH2，然后进入FADH2氧化呼吸链传递给氧生成水。FADH2氧化呼吸链基本组分主要有复合体Ⅱ（FAD）、Q、复合体Ⅲ（Cytb、Cytc1、Fe-S）、Cytc和复合体Ⅳ（Cytaa3、Cu）等。通过这些组分依次传递氢和电子，最后交给氧原子形成H2O，同时释放能量生成ATP。FADH2氧化呼吸链每传递2H约生成1.5分子ATP。具体传递顺序见图6-7。
图6-7FADH2氧化呼吸链的排列顺序
在生物体内，最重要的高能化合物是ATP，为体内能量的直接供应者。三大营养物质氧化分解释放的能量能够使ADP磷酸化生成ATP，ATP利用后又可以分解为ADP和磷酸，同时释放能量供生命活动利用。通过ATP和ADP的相互转化，保证了机体能量代谢的供需平衡。体内ATP的生成方式包括底物水平磷酸化和氧化磷酸化两种，其中最主要的是氧化磷酸化。
底物水平磷酸化（substratelevelphosphorylation）是指在分解代谢过程中，底物在发生脱氢或脱水反应时，其分子内部的能量重新分布形成高能化合物，然后将高能化合物分子上的高能基团转移给ADP生成ATP的过程。糖酵解过程中有2步底物水平磷酸化反应，包括1，3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸的反应，三羧酸循环中有1步底物水平磷酸化反应，为琥珀酰辅酶A转变为琥珀酸的反应（具体反应式见第七章）。
氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）是指在生物氧化过程中，底物脱下的氢通过呼吸链传递给氧生成水，其间所释放的能量用于偶联ADP磷酸化生成ATP的过程。该过程把氧化释放能量的过程和ADP磷酸化生成ATP的过程偶联在一起，因此也称为氧化磷酸化偶联。体内80%以上的ATP是经氧化磷酸化偶联生成的，因此该过程是生物体内生成ATP的最主要方式。
1.氧化磷酸化的偶联部位通过在体外进行P/O比值的测定和自由能变化的实验，大致能够确定氧化和磷酸化偶联的部位，即呼吸链中ATP的生成部位。
P/O比值是指在氧化磷酸化过程中，每消耗1mol氧原子时消耗无机磷的摩尔数，该数值即为传递2H生成的ATP摩尔数。P/O比值测定时，在体外模拟细胞内的反应，分离得到完整的线粒体，使之与不同的底物、ADP、无机磷、Mg2+等进行孵育反应，然后测定消耗的氧原子和无机磷的量，计算P/O比值（表6-2）。
表6-2P/O比值测定实验中加入不同底物的P/O比值
通过P/O比值可以大致推测呼吸链中氧化磷酸化的偶联部位，β-羟丁酸脱下的氢传递给NAD+，经过NADH呼吸链氧化，P/O比值为2.5，即生成2.5分子ATP；琥珀酸脱下的氢传递给FAD，经过FADH2呼吸链氧化，P/O比值为1.5，即生成1.5分子ATP。由此推测在NAD+→Q之间存在1个偶联部位。抗坏血酸将电子传递给Cytc，P/O比值为1，还原型Cytc将电子传递给Cytaa3，其P/O比值也为1，由此推测在Cytaa3→1/2O2之间存在1个偶联部位。通过琥珀酸和还原型Cytc氧化时的P/O比值比较，可以推测出在Q→Cytc之间也存在1个偶联部位。
自由能的变化：通过测定自由能变化进一步证实了上述氧化磷酸化的偶联部位。NAD+→Q、Q→Cytc和Cytaa3→1/2O2三个部位的自由能变化分别为52.1、40.5和112.3kJ/mol，而每生成1molATP约需要消耗30.5kJ的能量，因此3个部位均能为ATP的生成提供足够的能量。
通过上述实验可以得出：NADH氧化呼吸链存在3个偶联部位，每传递1对氢原子生成2.5分子ATP；FADH2呼吸链存在2个偶联部位，每传递1对氢原子生成1.5分子ATP。2条呼吸链中氧化磷酸化的偶联部位见图6-8。
图6-8呼吸链中氧化磷酸化偶联的部位
2.氧化磷酸化偶联的机制对于氧化磷酸化偶联作用的解释，目前普遍认同的是1961年英国科学者MitchellP提出的化学渗透学说（chemiosmotictheory）。该理论解释了呼吸链电子传递释放的自由能和ADP磷酸化生成ATP的偶联过程机制。MitchellP因此获得了1978年的诺贝尔化学奖。化学渗透学说认为，复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ都具有质子泵的作用，在呼吸链电子传递过程中，释放的自由能驱动了线粒体基质中的H+跨过内膜进入胞质侧，形成了线粒体内膜内外H+的电化学梯度，并以此储存能量。当H+顺浓度梯度通过ATP合酶（ATPsynthase）的F0（疏水部分）通道回流到线粒体基质时，驱动ADP与Pi结合生成ATP。
图6-9化学渗透机制示意图
3.影响氧化磷酸化的因素
图6-10几种呼吸链抑制剂的作用部位
（2）解偶联剂解偶联剂（uncoupler）是指能使氧化与磷酸化偶联过程解离的化合物。解偶联剂能增大线粒体内膜对H+的通透性，其发挥作用时并不影响呼吸链对电子的传递作用，氧化过程可以进行，但是跨过线粒体内膜进入胞质侧的H+不经过ATP合酶的H+通道回流，而是通过其他途径返流回线粒体基质，消除H+梯度，使氧化与磷酸化作用脱偶联，氧化释放的能量全部以热能形式散发，因而无ATP生成。如2，4-二硝基苯酚（dinitrophenol，DNP）通过引起线粒体内膜上质子的渗漏，使线粒体内膜内外H+的电化学梯度消失，这时虽然呼吸链的电子传递照常进行，但ADP不能磷酸化生成ATP。人类（尤其新生儿）及其他哺乳动物体内的棕色脂肪组织含有大量的线粒体，而在其线粒体内膜上存在一种解偶联剂，称为解偶联蛋白（uncouplingprotein）。解偶联蛋白在生理学上有其特定的作用，如冬眠动物以及新生动物利用解偶联蛋白解除氧化和磷酸化的偶联作用，使氧化释放的能量主要以热能形式散发，因此棕色脂肪组织具有产热御寒的功能。如果新生儿体内缺乏棕色脂肪组织，不能维持正常体温，皮下脂肪凝固就会导致新生儿硬肿症（neonatalscleredema）。
（3）ADP浓度的调节ADP浓度是正常机体内调节氧化磷酸化的最主要因素。当机体ATP利用增多，ADP浓度升高，其进入线粒体促使氧化磷酸化速度加快。反之，当ATP消耗减少时，氧化磷酸化速度减慢。通过ATP合成的调节，以符合机体生理需求。
（4）甲状腺激素甲状腺激素能够诱导细胞膜上的Na+，K+-ATP酶的生成，从而促进ATP分解为ADP，ADP浓度升高后可促进氧化磷酸化的进行，加速体内营养物质的氧化分解，使细胞的耗氧量和产热量增加。另外甲状腺激素可以促进解偶联蛋白基因的表达，从而使更多的解偶联蛋白发挥解偶联作用，增加了产热与耗氧量。因此临床甲状腺功能亢进的患者常出现基础代谢率升高、怕热、易出汗等症状。
该患者初步诊断为甲状腺功能亢进。
（5）线粒体DNA的突变线粒体拥有自己的基因组，线粒体DNA（mitochondrialDNA，mtDNA）含有编码呼吸链复合体中13个亚基的基因及线粒体中22个tRNA和2个rRNA的基因。mtDNA为裸露的环状双链结构，缺乏蛋白质的保护和损伤修复系统，容易受到氧化磷酸化过程中产生的氧自由基的攻击而发生突变。mtDNA的突变会影响呼吸链复合体的合成和功能，从而影响氧化磷酸化，使ATP生成减少而产生mtDNA病。mtDNA病易引起耗能较多的组织器官首先出现功能障碍，常见有失明、耳聋、痴呆、肌无力和糖尿病等，并且随着年龄增长，这种突变会加重。
ATP位于机体能量代谢的中心，是最重要的高能化合物，也是能量的直接供应者。糖、脂和蛋白质三大营养物质氧化分解释放的能量能够使ADP磷酸化生成ATP；ATP又可以分解为ADP和磷酸，释放能量，以供生命活动所需，ATP的合成与利用构成了ATP循环（ATPcycle）。通过ATP循环实现了机体能量的生成和利用，保证了机体能量代谢的平衡；ATP还可以将其高能键转移给其他高能化合物储存起来，例如当机体处于安静状态时，ATP可以将能量转移给肌酸生成磷酸肌酸（creatinephosphate），储存于肌肉和脑组织中，因而磷酸肌酸是能量的储存者；当机体消耗ATP增多时，磷酸肌酸又可以将能量转移给ATP供给机体利用。
ATP也可以将能量转移到UDP、CDP和GDP的分子上，为糖原、磷脂和蛋白质的合成提供UTP、CTP和GTP。因此ATP是生物体内能量利用、转移和储存的中心（图6-11）。
图6-11ATP生成、储存和利用nvt6nHsreZK8H7SP5EybUkg74DySwMEFJiHtffg6tVr2hyUJmFvY1RxS8aGAN82t