第六章 生物氧化

　　一、生物能学的几个概念

　　(一) 化学反应中的自由能变化及其意义

　　1、 化学反应中的自由能

　　自由能：在一个体系中，能够用来做有用功的那一部分能量称自由能，用符号G表示。

　　在恒温、恒压下进行的化学反应，其产生有用功的能力可以用反应前后自由能的变化来衡量。

　　自由能的变化：△G = G 产物 — G反应物 = △H -T△S

　　△G 代表体系的自由能变化，△H代表体系的焓变化，T代表体系的绝对温度，△S代表体系的熵变化。

　　焓与熵都是体系的状态函数。

　　焓代表体系的内能与压力P*体积V之和：H = U + P*V dH = dU + P*dV + V*dP

　　熵代表体系中能量的分散程度，也就是体系的无序程度：△S = dQ/T ，△S = △S体系+△S环境 ，只有△S≥0，过程才能自发进行。

　　2、 △G是判断一个过程能否自发进行的根据

　　△G<0，反应能自发进行，能做有用功。

　　△G>0，反应不能自发进行，必须供给能量。

　　△G=0，反应处于平衡状态。

　　一个放热反应(或吸热反应)的总热量的变化(△H)，不能作为此反应能否自发进行的判据，只有自由能的变化才是唯一准确的指标。

　　△G<0仅是反应能自发进行的必要条件，有的反应还需催化剂才能进行，催化剂(酶)只能催化自由能变化为负值的反应，如果一个反应的自由能变化为正值，酶也无能为力。

　　当△G为正值时，反应体系为吸能反应，此时只有与放能反应相偶联，反应才能进行。

　　(二) 标准自由能变化及其与化学反应平衡常数的关系

　　aA+bB → cC+dD

　　标准自由内能变化：在规定的标准条件下的自由能变化，用△G°表示。

　　标准条件：25℃，参加反应的物质的浓度都是1mol∕L(气体则是1大气压)。若同时定义pH =7.0，则标准自由能变化用△G°′表示。

　　对于一个溶液中的化学反应：

　　aA + bB → cC + dD

　　当反应达到平衡时，△G = 0

　　K′是化学反应的平衡常数，因此，△G°′ 也是一个常数。

　　常见物质的标准生成自由能△G°′已经列在各种化学手册中，可以根据△G°′= -RT lnK的公式求出平衡常数K′。

　　P15 举例说明如何用K′求出△G °′ 和△G

　　从例子可以看出△G °′和△G实际上是两个不同条件下的自由能变化值。

　　(1) △G°′是标准条件下的自由能变化，既反应物A、B、C、D的起始浓度都为1mol/L，温度为25℃，pH=7.0时的△G。每一个化学反应都有其特定的标准自由能变化(既△G °′)，是一个固定值，

　　△G是任意给定条件下的自由能变化，它是反应物A、B、C、D的起始浓度、温度、pH的状态函数，在一个自发进行的化学反应中，自由能总是在降低，△G总是负值，随着反应向平衡点的趋近，△G的绝对值逐渐缩小，直到为0。

　　(2) 从△G°′= -RT lnK′，可以求出K′及△G °′，根据△G °′、△G 与K′可以判断任何条件下反应进行的方向及程度。

　　(三) 自由能变化的可加和性。

　　在偶联的几个化学反应中，自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和。

　　例如：Glc+ATP→G—6—P+ADP(总反应)

　　第一步，Glc+Pi→G—6—P+H2O,此反应不能自发进行。

　　第二步，ATP+H2O→ADP+Pi

　　总反应：Glc+ATP→G—6—P+ADP.

　　因此，一个热力学上不能进行的反应，可与其它反应偶联，驱动整个反应进行。此类反应在生物体内是很普遍的。

　　二、 高能磷酸化合物

　　高能化合物：水解时释放20.1kj/mol及以上自由能的化合物。

　　高能磷酸化合物：水解每摩尔磷酸基能释放20.1kj/mol以上能量的磷酸化合物。

　　(一) 高能化合物的类型

　　1、 磷氧键型。

　　(1)、 酰基磷酸化合物。

　　3—磷酸甘油酸磷酸，乙酰磷酸，氨甲酰磷酸，酰基腺苷酸，氨酰腺苷酸。

　　(2)、 焦磷酸化合物。

　　无机焦磷酸，ATP，ADP

　　(3)、 烯醇式磷酸化合物。

　　磷酸烯醇式丙酮酸。

　　2、 氮磷键型。

　　磷酸肌酸，磷酸精氨酸。

　　3、 硫酯键型。

　　3’一磷酸腺苷一5’一磷酰硫酸，酰基辅酶A。

　　4、 甲硫键型。

　　S一腺苷甲硫氨酸。

　　(二) ATP的特殊的作用。

　　1、 是细胞内产能反应和需能反应的化学偶联剂。

　　2、 在磷酸基转移中的作用 。

　　Glc进入血液中，唯一出路是磷酸化。G-6-P是Glc的一种活化形式。已糖激酶催化：Glc+ATP→G-6-P+ADP。

　　3一磷酸甘油是甘油的活化形式，能参与脂肪合成。甘油激酶：甘油+ATP→3一磷酸甘油+ADP。

　　(三) 磷酸肌酸、磷酸精氨酸的储能作用

　　磷酸肌酸是易兴奋组织(如肌肉、脑、神经)唯一的能起暂时储能作用的物质。

　　磷酸精氨酸是无脊椎动物肌肉中的储能物质

三、 生物氧化、氧化电子传递链和氧化磷酸化作用

　　(一) 生物氧化的概念和特点。

　　糖，脂，蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解，生成CO2，H2O并释放出能量，这个过程称生物氧化。

　　生物氧化是需氧细胞呼吸代谢过程中的一系列氧化还原作用，又称细胞氧化或细胞呼吸。

　　特点：反应条件温和，多步反应，逐步放能。

　　生物氧化在活细胞中进行，pH中性，反应条件温和，一系列酶和电子传递体参与氧化过程，逐步氧化，逐步释放能量，转化成ATP。

　　真核细胞，生物氧化多在线粒体内进行，在不含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行。

　　生物氧化的三阶段：

　　第一阶段：多糖，脂，蛋白质等分解为构造单位——单糖、甘油与脂肪酸、氨基酸，该阶段几乎不释放化学能。

　　第二阶段：构造单位经糖酵解、脂肪酸β氧化、氨基酸氧化等各自的降解途径分解为丙酮酸、乙酰CoA等少数几种共同的中间代谢物物，这些共同的中间代谢物在不同种类物质的代谢间起着枢纽作用。该阶段释放少量的能量。

　　第三阶段：丙酮酸、乙酰CoA等经过三羧酸循环彻底氧化为CO2、H2O。释放大量的能量。

　　在第二、第三阶段中，氧化脱下的电子经过一个氧化的电子传递过程(氧化电子传递链)最终传给O2，并生成ATP，以这种方式生成ATP的作用称为氧化磷酸化作用，它是一种很重要的将生物氧化和能量生成相偶连的机制。

　　生物氧化的终产物是CO2和H2O，CO2的形成是通过三羧酸循环过程，H2O则是在电子传递过程的最后阶段生成。

　　(二) 氧化电子传递过程

　　生物氧化过程中形成的还原型辅酶(NADH和FADH2)，通过电子传递途径，使其重新氧化，此过程称为电子传递过程。

　　在电子传递过程中，还原型辅酶中的氢以负质子(H — )形式脱下，其电子经一系列的电子传递体(电子传递链)转移，最后转移到分子氧上，质子和离子型氧结合生成H2O。

　　(三) 氧化电子传递链

　　由NADH到O2的氧化电子传递链主要包括FMN、辅酶Q(CoQ)、细胞色素b、c1、c、a,a3及一些铁硫蛋白。

　　氧化电子传递链位于原核生物的质膜上，真核生物中位于线粒体的内膜上。

　　电子载体的标准势能△G °′是逐步下降的，电子沿着电势升高的方向流动。其中有三个部位的势能落差△G较大，足以形成ATP(ADP磷酸化需要的自由能=7.3Kal/mol.)。这三个部位正好是氧化磷酸化部位。

　　细胞内供能物质的彻底氧化产物是CO2、H2O，其中CO2主要是在三羧酸循环中产生，水是在电子传递过程的最后阶段产生。

　　(四) 电子传递链的酶和电子载体

　　呼吸链中的电子载体都是和蛋白质结合存在(包括NAD+、FMN、铁硫中心、细胞色素)。这些蛋白质大都是水不溶性的，嵌在线粒体的内膜上。

　　NAD+是许多脱氢酶的辅酶，FMN是NADH脱氢酶的辅酶。

　　1、 NAD+和NADP+

　　脱氢酶分别与NAD+或NADP+结合，催化底物脱氢，这类酶称为与NAD(P)相关的脱氢酶，

　　多数脱氢酶以NAD+为辅酶，少数以NADP+为辅酶(如G-6-P脱氢酶)少数酶能以NAD+或NADP+两种辅酶(Glu脱氢酶)。

　　2、 NADH脱氢酶以及其它黄素蛋白酶类

　　NADH脱氢酶含FMN辅基，铁-硫中心。

　　铁硫中心铁的价态变化(Fe3+→Fe2+)可以将电子从FMN辅基上转移到呼吸链下一成员辅酶Q上。

　　含有核黄素辅基的酶还包括琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶等。

　　3、 辅酶Q(泛醌)

　　电子传递链上唯一的非蛋白质成分。

　　辅酶Q在线粒体中有两种存在形式：膜结合型、游离型。

　　辅酶Q不仅可以接受FMN上的氢(NADH脱氢酶)，还可以接受线粒体FADH2上的氢(如琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶以及其它黄素酶类)。

　　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。

　　细胞色素类是呼吸链中将电子从辅酶Q传递到O2的专一酶类。

　　线粒体的电子传递链至少含有5种不同的细胞色素：b、c、c1、.a、a3.

　　细胞色素b有两种存在形式：b562、b566

　　细胞色素c是唯一可溶性的细胞色素，同源性很强，可作为生物系统发生关系的一个指标。

　　细胞色素a、a3是以复合物的形式存在，又称细胞色素氧化酶，将电子从细胞色素c传到分子O2 。

　　(五) 电子传递抑制剂

　　阻断呼吸链中某一部位的电子传递。

　　1、 鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素

　　都可阻断电子由NADH向CoQ传递。

　　2、 抗霉素A

　　抑制电子从细胞色素b向细胞色素c1传递

　　3、 氰化物、硫化氢、叠氮化物、CO等。

　　阻断电子从细胞色素aa3 向O2传递

　　(六) 氧化磷酸化作用

　　氧化磷酸化作用：电子沿着氧化电子传递链传递的过程中所伴随的将ADP磷酸化为ATP的作用，或者说是ATP的生成与氧化电子传递链相偶联的磷酸化作用。

　　底物水平磷酸化作用：是指ATP的形成直接与一个代谢中间物(如PEP)上的磷酸基团转移相偶联的作用。糖酵解中1,3-二磷酸甘油酸，磷酸烯醇丙酮酸。

　　1、 方程式：

　　NADH + 3ADP + 3Pi + 1/2O2 → NAD+ + 3H2O + 3ATP

　　三个ATP的形成获取了呼吸链中电子由NADH传递至氧所产生的全部自由能的42%。(21.9/52.7×100%)。

　　2、 几个概念：

　　(1)、 P/O比

　　一对电子通过呼吸链传至氧所产生的ATP的分子数。NADH→3ATP(或2.5)，FADH2→2ATP(或1.5)

　　(2)、 ATP生成部位：

　　三个部位由三个酶复合体催化：

　　部位Ⅰ：NADP与CoQ之间，NADH脱氢酶。(1个ATP)

　　部位Ⅱ：CoQ与CytC之间，细胞色素还原酶。(1个或0.5ATP)

　　部位Ⅲ：Cyta与O2之间，细胞色素氧化酶。(1个ATP)

　　(3)、 呼吸控制

　　ADP作为关键物质，对氧化磷酸化的调节作用称为呼吸控制。

　　(4)、 解偶联剂，(2.4—硝基苯酚)

　　电子传递过程和ATP形成过程相分离，电子传递仍可进行，但不能形成ATP。

　　(5)、 氧化磷酸化抑制剂：

　　抑制O2的利用和ATP的形成。

　　(七) 氧化磷酸化的偶联机理

　　1、 化学渗透假说：这一学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧(膜间腔)，从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。这种形式的“势能”，可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP。

　　四、能荷

　　为了从量上表示细胞内ATP-ADP-AMP的存在状况，Atkinson(1968)提出了能荷的概念。 腺苷酸库：细胞中存在的三种腺苷酸，即ATP、ADP、AMP。 能荷：总的腺苷酸系统中(即ATP、ADP和AMP浓度之和)所负荷的高能磷酸基。一般情况细胞的能荷为0.8。

　　能荷=[ATP]+0.5[ADP]/ [ATP]+[ADP]+[AMP]

　　在一定条件下，能荷可以作为细胞产能和需能代谢过程变构调节的信号。即高能荷时，抑制生物体内ATP的生成，促进ATP的利用;低能荷值时，促进生物体内ATP的生成，抑制ATP的利用。

　　五、其他末端氧化酶系统

　　1、多酚氧化酶系统：存在于微粒体中，是含铜的末端氧化酶，也称儿茶酚氧化酶。催化多酚类(对苯二酚、邻苯二酚、邻苯三酚的氧化)。植物体切伤后的褐变是多酚氧化酶作用的结果。是否破坏多酚氧化酶是制作绿茶红茶的分水岭。

　　2、黄素蛋白氧化酶系统：黄素蛋白氧化酶存在于微体中，脱下来的氢直接交给O2生成H2O2。 乙醇氧化成乙醛就是由这种酶催化。

　　3、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶：超氧化物歧化酶(SOD)是生物体中最重要的清除活性氧的酶之一。它们在清除活性氧时形成H2O2。H2O2的清除由过氧化氢酶(CAT)完成。

　　4、植物抗氰氧化酶系统：抗氰氧化酶是一种非血红蛋白，它不受氰化物的抑制。拥有该末端氧化酶系统的生物其电子传递可以不经过细胞色素氧化酶系统，而是通过抗氰氧化系统传给氧。抗氰呼吸是一个放热反应。