底物水平磷酸化

第十章生物氧化与氧化磷酸化

（一）名词解释

1．生物氧化（biologicaloxidation）

2．呼吸链（respiratorychain）

3．氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）

4．磷氧比P/O（P/O）

5．底物水平磷酸化（substratelevelphosphorylation）

(二)填空题

1．△G0＇为负值是_________反应，可以_________进行。

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

3．生物分子的E

0

＇值小，则越易构成还原剂而处于呼吸链的_________，供出电子的倾向

_________。

4．在无氧条件下，呼吸链各传递体都处于_________状态。

5．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_____。

6．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

_________。

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

_________。

8．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。

9．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

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

参考答案

1．放能；自发进行

2．△G0＇＝-RTlnK＇eq；0

3．始端；大

4．还原

5．1．5；2.5

6．线粒体；线粒体内膜上

7．低氧还电势；高氧还电势

8．NADH；FADH

2

；初始受体

9．线粒体；质子泵；氧化还原电位；ATP

10．氧化磷酸化；底物水平磷酸化

(三)选择题

1．如果质子不经过F

1

／F

0

-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．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／CoQH

2

C．细胞色素a（Fe2＋／Fe3＋）D．NAD＋／NADH

3．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．FMNC．CoQD．Fe·S

4．二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

5．呼吸链的各细胞色素在电子传递中的排列顺序是：

A．c

1

→b→c→aa3→O2；B．c→c

1

→b→aa3→O2；

C．c

1

→c→b→aa3→O2；D．b→c

1

→c→aa3→O2；

参考答案：

1．C：当质子不通过F

0

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．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（Fe2＋／Fe3＋））最接近呼吸链的末端，因此它的标准氧化还原电位最高。

3．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。

4．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。

5．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．生物氧化只有在氧气的存在下才能进行。

利用。

()2．解偶联剂可抑制呼吸链的电子传递。

()3．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。

()4．ATP虽然含有大量的自由能，但它并不是能量的贮存形式。

1．错：只要有合适的电子受体，生物氧化就能进行。

2．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。

3．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。

4．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。

（六）问答题（解题要点）

2．氰化物为什么能引起细胞窒息死亡？其解救机理是什么？

4．在体内ATP有哪些生理作用？

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CO

2

；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CO

2

和H

2

O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，FADH

2

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。

（三）选择题

1．C：当质子不通过F

0

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（Fe2＋／Fe3＋））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10分子的ATP，

因此P／O值是10／4＝2.5

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F

0

的一个亚基专一结合而抑制F

1

，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1×2.5＋4×2.5＋1×1.5=14，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15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14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aa

3

（Fe2十／Fe3＋）在氧化呼吸链中处于最下游的位置，所以细

胞色素aa

3

（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FADH

2

。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

（六）问答题（解题要点）

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aa

3

的氧化形式——高价铁Fe3＋以配位键结合成氰化高铁细胞色素aa

3

，使其失去传

递电子的能力，阻断了电子传递给O

2

，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aa

3

的结合，从

而使细胞色素aa

3

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。

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。

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O

2

的过程中共有10个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。

（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F

1

F

0

-ATP合酶回到膜内，同时ADP磷酸化合戚ATP。