物質在生物體內進行氧化稱 生物氧化（bio-oxidation）。主要是指碳水化合物、脂肪、蛋白質等在體內分解時逐步釋放能量，最終生成二氧化碳和水的過程。其中一部分能量以ATP的形式供生命活動所需；其余能量主要以熱能形式釋放，用于維持體溫。

生物氧化中物質的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應的一般規律。生物氧化是在細胞內相對穩定的環境中（如適宜的體溫和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作為直接的受電子體，產物之一是H ₂O。該酶需要銅離子作為輔助因子。例如，細胞色素C氧化酶、抗壞血酸氧化酶等均屬此類酶。其氧化過程簡示于圖4-46：

該酶能使底物上的氫活化但不能以O ₂作為直接的受電子體，只能以某些輔酶作為直接受氫體，故稱不需氧脫氫酶。根據輔酶的不同可分為三類：①需要NAD ^＋（或NADP ^＋）的脫氫酶類；②需要FMN（或FAD）的脫氫酶類；③細胞色素體系。

加氧酶類是催化加氧反應的酶。根據底物分子中加入氧原子數目的不同，分為加單氧酶和加雙氧酶。

加單氧酶催化一個氧原子加到底物分子上（羥化），另一個氧原子被氫（來自NADPH＋H ^＋）還原成水，故又稱混合功能氧化酶或羥化酶。

此酶催化氧分子中的2個氧原子加到底物中帶雙鍵的2個碳原子上，如色氨酸吡咯酶。

底物脫下的成對氫原子（2H）通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應逐步傳遞，最終與O ₂結合生成H ₂O。因為此過程與細胞攝取氧的呼吸有關，所以將此傳遞鏈稱 呼吸鏈（respiratory chain）。

呼吸鏈的各個組分按一定順序排列在線粒體內膜上，其中參與傳遞氫的酶或輔酶稱遞氫體，參與傳遞電子的酶或輔酶稱遞電子體。因無論遞氫體還是遞電子體都起到傳遞電子的作用，所以呼吸鏈又稱 電子傳遞鏈（electron transport chain）。

用膽酸等反復處理線粒體內膜，可從呼吸鏈中分離到4種仍具有傳遞電子功能的酶復合體（表4-11），其中復合體Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ完全鑲嵌在線粒體內膜中，復合體Ⅱ鑲嵌在內膜的基質側。

大部分底物脫下的成對氫原子（2H）由 氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD ^＋）接受形成還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸NADH＋H ^＋。復合體Ⅰ將NADH＋H ^＋中的2H傳遞給泛醌，泛醌又稱 輔酶Q（coenzyme Q）。人線粒體呼吸鏈復合體Ⅰ中含有以 黃素單核苷酸（flavin mononucleotide，FMN）為輔基的黃素蛋白NADH脫氫酶和以鐵硫簇（Fe-S）為輔基的鐵硫蛋白。黃素蛋白和鐵硫蛋白均具有催化功能。

NAD ^＋（輔酶Ⅰ，coenzymeⅠ，CoⅠ）與NADP ^＋（輔酶Ⅱ，CoenzymeⅡ，CoⅡ）是煙酰胺脫氫酶類的輔酶。NAD ^＋或NADP ^＋分子中煙酰胺的氮為五價，能接受電子成為三價氮。其對側的碳原子也比較活潑，能進行加氫反應。上述反應是可逆的。煙酰胺在加氫反應時只能接受一個氫原子和一個電子，將另一個H ^＋游離出來，因此，將還原型NAD ^＋和NADP ^＋分別寫成NADH＋H ^＋（NADH）和NADPH＋H ^＋（NADPH）。

FMN中含有核黃素（維生素B ₂），其發揮功能的結構是異咯嗪環。氧化型或醌型的FMN可接受1個質子和1個電子形成不穩定的半醌型FMNH·，再接受1個質子和1個電子轉變為還原型或氫醌型FMNH ₂（圖4-48）。

Fe-S含有等量的鐵原子和硫原子（Fe ₂S ₂，Fe ₄S ₄），通過其中的鐵原子與鐵硫蛋白中蛋白質部分半胱氨酸殘基的硫相連接（圖4-49）。

泛醌是一種脂溶性醌類化合物。它有多個異戊二烯單位互相連接構成較長的側鏈。因側鏈的疏水作用，它能在線粒體內膜中迅速擴散。它極易從線粒體內膜中脫離下來，故不包含在上述復合體中。

泛醌接受1個電子和1個質子還原成半醌，再接受1個電子和1個質子還原成二氫泛醌，后者也可脫去2個電子和2個質子被氧化為泛醌（圖4-50）。

復合體Ⅱ將電子從琥珀酸傳遞給泛醌。人復合體Ⅱ中含有以 黃素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD）為輔基的黃素蛋白，鐵硫蛋白和 細胞色素（cytochrome，Cyt b560）。

細胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類，均有特殊的吸收光譜而呈現顏色。根據它們吸收光譜不同，將細胞色素分為細胞色素a、b、c（Cyt a，Cyt b，Cyt c）3類，每一類中又因其最大吸收峰的微小差別再分為幾個亞類。

復合體Ⅲ將電子從泛醌傳遞給細胞色素C。人復合體Ⅲ中含有細胞色素b，細胞色素C ₁和鐵硫蛋白。

Cyt c呈水溶性，與線粒體內膜外表面結合不緊密，極易與線粒體內膜分離，故不包含在上述復合體中。

復合體Ⅳ將電子從細胞色素C傳遞給氧。復合體Ⅳ由細胞色素a、a ₃及兩種與不同蛋白質結合的銅離子CuA和CuB組成。細胞色素a和a ₃結合在同一蛋白的不同區域上，細胞色素a和a ₃至今尚不能分開。復合體Ⅳ中銅離子可經 反應傳遞電子。Cyt a從CuA獲得電子后依次將電子交給Cyt a ₃和CuB。Cyt a ₃和CuB被激活，將O ₂與H ^＋還原成H ₂O。

根據實驗得知，體內存在NADH氧化呼吸鏈和琥珀酸氧化呼吸鏈兩條氧化呼吸鏈。

NADH氧化呼吸鏈：生物氧化中大多數脫氫酶如乳酸脫氫酶，蘋果酸脫氫酶都是以NAD ^＋為輔酶的。NAD ^＋接受氫生成NADH＋H ^＋，然后通過NADH氧化呼吸鏈再被氧化成NAD ^＋。NADH＋H ^＋脫下的2H經復合體Ⅰ（FMN，Fe-S）傳給CoQ，再經復合體Ⅲ（Cyt b，Fe-S，Cyt c ₁）傳至Cyt c，然后傳至復合體Ⅳ（Cyt a，Cyt a ₃），最后將2e交給O ₂。

琥珀酸氧化呼吸鏈（FADH ₂氧化呼吸鏈）：琥珀酸在琥珀酸脫氫酶催化下脫下的2H經復合體Ⅱ（FAD，Fe-S，Cyt b）使CoQ形成CoQH ₂，再往下的傳遞與NADH氧化呼吸鏈相同。α-磷酸甘油脫氫酶及脂酰CoA脫氫酶催化代謝物脫下的氫也由FAD接受，通過此呼吸鏈被氧化，故歸屬于琥珀酸氧化呼吸鏈。

在機體的能量代謝中，ATP是體內供能的“能量貨幣”。在細胞內，ATP形成的主要方式是 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation），即在呼吸鏈電子傳遞過程中，釋放的能量與ADP磷酸化生成ATP的過程耦聯在一起，因此又稱耦聯磷酸化。

P/O比值是指物質氧化時，每消耗1摩爾氧原子所消耗無機磷的摩爾數（或ADP摩爾數），即生成ATP的摩爾數（表4-12）。已知β-羥丁酸的氧化是通過NADH呼吸鏈，測得P/O比值接近3，即該呼吸鏈傳遞2H可生成3分子ATP。琥珀酸氧化時，測得P/O比值接近2，即生成2分子ATP，因此表明在NADH與CoQ之間（復合體Ⅰ）存在耦聯部位。從β-羥丁酸、琥珀酸和還原型Cyt c氧化時P/O比值的比較表明，在CoQ與Cyt c之間（復合體Ⅲ）存在另一耦聯部位。因此NADH呼吸鏈存在三個耦聯部位，琥珀酸呼吸鏈存在兩個耦聯部位（圖4-51）。

從NAD ^＋到CoQ段測得的電位差約0.36V，從CoQ到Cyt c電位差為0.21V，從Cyt aa ₃到分子氧為0.53V。自由能變化（ΔG’O）與電位變化（ΔEO’）之間有以下關系：

ΔG’O表示pH 7.0時的標準自由能變化；n為傳遞電子數；F為法拉第常數（96.5kJ/mol·V）。計算結果，它們相應的ΔG’O分別約為69.5、40.5、102.3kJ/mol，而生成每摩爾ATP需能約30.5kJ（7.3kcal），可見以上三處均足夠提供生成ATP所需的能量。

抑制劑有3類：呼吸鏈抑制劑、解耦聯劑和氧化磷酸化抑制劑。

此類抑制劑能阻斷呼吸鏈中某些部位的電子傳遞，如魚藤酮、粉蝶霉素A及異戊巴比妥等可與復合體Ⅰ中的鐵硫蛋白結合，從而阻斷電子傳遞。抗霉素A、二巰基丙醇能抑制復合體中Cyt b與Cyt c ₁間的電子傳遞。CO、CN ^－、N ₃ ^－及H ₂S則抑制細胞色素C氧化酶，使電子傳遞中斷。

如“二硝基苯酚”能使氧化與磷酸化耦聯過程解離。

如“寡霉素”可抑制電子傳遞及ADP磷酸化，從而抑制ATP生成。

正常機體氧化磷酸化的速率主要受ADP的調節。當機體利用ATP增多，ADP濃度增高，轉運入線粒體后使氧化磷酸化速度加快；當ADP濃度降低，氧化磷酸化速度減慢。這種調節作用可使ATP的生成速度適應生理需要。

甲狀腺激素誘導細胞膜上Na ^＋，K ^＋-ATP酶的生成，使ATP加速分解為ADP和Pi。ADP增多促進氧化磷酸化。

1961年，英國學者Peter Mitchell（1978年“諾貝爾化學獎”獲得者）提出化學滲透假說，說明了電子傳遞釋放的能量用于形成一種跨越線粒體內膜的質子梯度（H ^＋梯度），這種梯度驅動ATP的合成。這一過程概括如下（圖4-52）：

（1）NADH的氧化，其電子沿呼吸鏈的傳遞，造成H ^＋被3個質子泵，即NADH脫氫酶、細胞色素b、c ₁復合體和細胞色素氧化酶從線粒體基質跨過內膜泵入膜間隙。

（2）H ^＋泵出，在膜間隙產生較高的H ^＋濃度，這不僅使膜外側的pH較內側低（形成pH梯度），而且使原有的外正內負的跨膜電位增高，由此形成的電化學質子梯度成為質子動力，是H ^＋的化學梯度和膜電勢的總和。

（3）H ^＋通過ATP合成酶回流到線粒體基質，質子動力驅動ATP合成酶合成ATP。

ATP合酶由兩部分組成（Fo-F1）。球狀的頭部F1突向基質液，水溶性；Fo埋在內膜的底部，是疏水性蛋白，構成H ^＋通道。在生理條件下，H ^＋只能從膜外側單向流向基質，通道的開關受柄部某種蛋白質的調節（圖4-53）。

生物氧化過程中釋放的能量大約有40%以化學能的形式儲存于一些特殊的有機磷酸化合物中，形成磷酸酯。這些磷酸酯鍵水解時釋放能量較多（大于21kJ/mol），一般稱之為高能磷酸鍵，常用“～P”符號表示。含有高能磷酸鍵的化合物稱之為高能磷酸化合物。在體內所有高能磷酸化合物中，以ATP末端的磷酸鍵最為重要。此外體內還存在其他高能化合物，如為糖原、磷脂、蛋白質合成時提供能量的UTP、CTP、GTP，一般不能從物質氧化過程中直接生成，只能在核苷二磷酸激酶的催化下，從ATP中獲得～P。

另外，當體內ATP消耗過多時，ADP累積，在腺苷酸激酶催化下由ADP轉變成ATP被利用。此反應是可逆的，當ATP需要量降低時，AMP從ATP中獲得～P生成ADP。

除此，ATP還可將～P轉移給肌酸生成 磷酸肌酸（creatine phosphate，CP），作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式，當機體消耗ATP過多而致ADP增多時，磷酸肌酸將～P轉移給ADP，生成ATP，供生理活動之用。

生物體內能量的儲存和利用都以ATP為中心（圖4-54）。在體外pH 7.0，25℃條件下每摩爾ATP水解為ADP和Pi時釋放能量為30.5kJ（7.3kcal）；在生理條件下可釋放能量約為51.6kJ。

線粒體內生成的NADH可直接參加氧化磷酸化過程，但在細胞質中生成的NADH不能自由透過線粒體內膜。因此，線粒體外NADH所攜帶的氫必須通過某種轉運機制才能進入線粒體，然后再經呼吸鏈進行氧化磷酸化。

這種轉運機制有 α-磷酸甘油穿梭（glycerophosphate shuttle）和 蘋果酸-天冬氨酸穿梭（malate-asparate shuttle）。

α-磷酸甘油穿梭作用主要存在于腦和骨骼肌中。如圖4-55所示，線粒體外的NADH在細胞質中的磷酸甘油脫氫酶催化下，使磷酸二羥丙酮還原成α-磷酸甘油。后者通過線粒體外膜，再經位于線粒體內膜的磷酸甘油脫氫酶催化，氧化生成磷酸二羥丙酮和FADH ₂。磷酸二羥丙酮可穿出線粒體外膜至細胞質，繼續進行穿梭；FADH ₂則進入琥珀酸氧化呼吸鏈，生成2分子ATP。

蘋果酸-天冬氨酸穿梭作用主要存在于肝和心肌中。如圖4-56所示，細胞質中的NADH在蘋果酸脫氫酶的作用下，使草酰乙酸還原成蘋果酸，后者通過線粒體內膜上的α-酮戊二酸載體進入線粒體，又在線粒體內蘋果酸脫氫酶的作用下重新生成草酰乙酸和NADH。NADH進入NADH氧化呼吸鏈，生成3分子ATP。線粒體內生成的草酰乙酸經天冬氨酸氨基轉移酶的作用生成天冬氨酸，后者經酸性氨基酸載體轉運出線粒體再轉變成草酰乙酸，繼續進行穿梭。

在生物氧化的過程中，除了氧化磷酸化過程中的一系列酶之外，還有加單氧酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶等。這些酶與能量的產生雖然沒有直接關系，但在生物體內有重要的生理意義。

加單氧酶反應體系是微粒體內的一種重要的氧化酶體系。該酶催化一個氧原子加到底物分子上（羥化），另一個氧原子被氫（來自NADPH＋H ^＋）還原成水，故又稱混合功能氧化酶或羥化酶。加單氧酶反應體系包括細胞色素P450、NADPH細胞色素P450還原酶、Fe ₂S ₂等。

上述反應需要Cyt P450參與。Cyt P450屬于Cyt b類，因與CO結合后在波長450nm處出現最大吸收峰而被命名。Cyt P450在肝和腎上腺的微粒體中含量最多，參與類固醇激素、膽汁酸及膽色素等的生成，以及藥物、毒物的生物轉化過程。

過氧化氫在體內代謝中不斷產生。在粒細胞和吞噬細胞中，H ₂O ₂可氧化殺死入侵的細菌；甲狀腺細胞中產生的H ₂O ₂可使2I ^－氧化為I ₂，進而使酪氨酸碘化生成甲狀腺激素。然而，過量積聚的過氧化氫可以氧化含巰基的酶和蛋白質。在正常機體內，既有生成過氧化氫的反應，又有使之分解的酶存在。

1.過氧化氫酶，又稱觸酶。其輔基含有4個血紅素，催化反應如下：

2.過氧化物酶，也是以血紅素為輔基。它催化H ₂O ₂和酚類或胺類化合物之間的氧化還原反應，反應如下：

臨床上判斷糞便中有無隱血時，就是利用白細胞中含有過氧化物酶的活性，將聯苯胺氧化成藍色化合物。

在呼吸鏈的電子傳遞過程中可產生超氧陰離子（O ₂ ^－），體內其他物質（如黃嘌呤）氧化時也可產生O ₂ ^－。O ₂ ^－可進一步生成H ₂O ₂和羥自由基（·OH），統稱活性氧。活性氧的化學性質活潑，可使磷脂分子中不飽和脂肪酸氧化生成過氧化脂質，損傷細胞膜；過氧化脂質與蛋白質結合形成的復合物，積累成棕褐色的色素顆粒，稱脂褐素，與組織老化有關。

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 ^－還原生成H ₂O ₂：

生成的H ₂O ₂可被活性極強的過氧化氫酶分解。SOD是人體防御內、外環境中超氧離子損傷的重要酶。

體內還存在一種含硒的谷胱甘肽過氧化物酶，可使H ₂O ₂或過氧化物（ROOH）與還原型谷胱甘肽（G—SH）反應，生成的氧化型谷胱甘肽，后者又可由NADPH供氫被重新還原。因此，谷胱甘肽過氧化物酶具有保護細胞膜及血紅蛋白免遭損傷的作用（圖4-57）。