高中生物奥林匹克竞赛教程：生物氧化 - 图文

中学生物奥林匹克讲义---生物氧化

生物体需要的能量主要是通过代谢物在体内氧化而获得的。物质在生物体内经过氧化最后生成水和CO2

并释放能量的过程，称为生物氧化，由于这一过程是在组织细胞内进行的，表现为细胞摄取O2而释放CO2，因此生物氧化又称为组织呼吸或细胞呼吸。虽然糖、脂肪及蛋白质等在体内外氧化分解，都产生水和CO2，并释放出等量的能量，但生物氧化与燃烧的过程有显著不同：生物氧化反应是在温和的条件下进行的酶促反应，所释放的能量，有一部分以化学能的形式储存在ATP分子中。

1．生物氧化的方式和酶类

（1）生物氧化中二氧化碳生成的方式

生物体内二氧化碳的生成并不是物质中所含的碳、氧原子的直接化合，而是来源于糖、脂肪等转变来的有机酸的脱羧。根据脱去二氧化碳的羧基在有机酸分子中的位置，可将脱羧反应分为α–脱羧与β–脱羧两种类型。有些脱羧反应不伴有氧化，称为单纯脱羧；有些则伴有氧化，称为氧化脱羧。例如苹果酸的氧化脱羧:

（2）生物氧化中物质氧化的方式

在化学反应中，失电子、脱氢、加氧都属于氧化；得电子、加氢、脱氧都属于还原。这种变化规律，无论在体内或体外，都是一样的。不同的是，体内氧化都是酶促反应。常见的氧化类型有脱电子、脱氢、加水脱氢和加氧反应。生物体内并不存在游离的电子或氢原子，在上述氧化反应中脱下的电子或氢原子必须为另一物质所接受。这种既能接受又能供出电子或氢原子的物质称为递电子体或递氢体。

（3）与生物氧化有关的酶类

①氧化酶类：能直接利用氧分子作为受氢体，其中氧化酶含铜，反应产物是水，如细胞色素氧化酶。 ②需氧脱氢酶类：通常以黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）为辅基，反应产物为过氧化氢。习惯上有时将需氧脱氢酶不严格地称为氧化酶，如黄嘌呤氧化酶。

③不需氧脱氢酶：不能以氧分子而只能以体内某些辅酶为直接受氢体，这些辅酶包括尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADP）、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NAD）、黄素单核苷酸（FMN）或黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）等。

2．生物氧化中水的生成

生物氧化中水的生成，即代谢物脱下的成对氢原子通过多种酶和辅酶所组成的连锁反应，逐步传递，使之最终与氧结合生成水。由递氢体和递电子体按一定顺序排列构成的此连锁反应与细胞摄取氧的呼吸过程有关，通常称为呼吸链。

（1）呼吸链的组成

呼吸链由许多个组分组成，参加呼吸链的氧化还原酶有尼克酰胺脱氢酶类、黄素脱氢酶类、铁硫蛋白类、细胞色素类、辅酶Q类等。

①尼克酰胺脱氢酶类：以NAD、NADP为辅酶，它们能够可逆地加氢还原、脱氢氧化，故可作为递氢体而起作用。尼克酰胺只能接受一个氢原子和一个电子，而另一个质子则留在介质中（如下图所示）。

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②黄素脱氢酶类：其辅基为FMN、FAD，其分子中都含有异咯嗪。异咯嗪的1和5位的两个氮原子都可以进行脱氢和加氢反应，故它们都可作为递氢体（如下图所示）。

③铁硫蛋白类：其分子中含非卟啉铁和对酸不稳定的硫，其作用是借铁的变价进行电子传递： Fe＋e===Fe

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因其分子中含有两个活泼的硫和两个铁原子，故称铁硫中心。

④辅酶Q类：此类酶是一种脂溶性的醌类化合物（指分子中含有六元环状共轭不饱和二酮结构的化合物。），因广泛存在于生物界，故又名泛醌。其分子中的苯醌结构能可逆地加氢还原而形成对苯二酚衍生物，故属于传氢体。

⑤细胞色素类：细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质，在呼吸链中，也依靠铁的化合价的变化而传送电子。目前发现的细胞色素有多种，包括a，a3，b，c，c1等。不同种类的细胞色素的辅基结构及与蛋白质连接的方式是不同的。在典型的线粒体呼吸链中，其顺序是b→c1→c→aa3→O2，其中仅最后一个a3可被氧分子直接氧化，但目前还不能把a和a3分开，故把a和a3合称为细胞色素氧化酶。除aa3外，其余的细胞色素中的铁原子均与其外卟啉环和蛋白质形成六个配位健，惟有aa3的铁原子形成五个配位键，还保留一个配位键，能O2、CO、CN等结合，其正常功能是与氧结合。

（2）呼吸链中传递体的排列顺序

呼吸链中传递体的排列顺序是根据下列实验数据确定的：

① 根据呼吸键各组分的标准氧化还原电位，按氧还电位递增的顺序依次排列；

② 利用阻断呼吸键的特殊抑制剂，阻断链中某些特定的电子传递环节。若加入某种抑制剂后，则在阻断环节的负电子性侧速电子体（递氢体）因不能再氧化而大多处于还原状态，但在阻断环节的正电子性侧递氢、送电子体不能被还原而大多处于氧化状态。现已基本确定的两条主要的呼吸链中各传递体的排列顺序如下：

（1）NADH氧化呼吸键（如下图所示）。

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（2）琥珀酸氢化呼吸链（如下图所示）。

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（3）胞液中NADH及NADPH的氧化

NADH必须通过线粒体内膜上的呼吸链，其中的氢才能被氧化成水，但是在胞液中形成的NADH（见糖代谢）不能透过正常线粒体内膜，因此线粒体外的NADH尚需通过穿梭系统才能将氢带入线粒体内，而后进行氧化。现已证明，动物体内有下列两种主要的穿梭系统。

①苹果酸穿梭系统（如下图所示）。

苹果酸穿梭系统

①苹果酸脱氢酶；②谷草转氨酶；①～④线粒体内膜上的不同转位酶

（苹果酸—天冬氨酸穿梭机制 ）穿梭作用进入线粒体。

在哺乳动物的肝脏和其它的某些组织，存在着活跃的苹果酸-天冬氨酸穿梭机制。这一穿梭机制涉及胞液和基质中的苹果酸脱氢酶和天冬氨酸转氨酶，以及线粒体内膜中的转运体。这种循环机制多在心肌和肝脏中发挥作用。胞液中NADH浓度升高时，可以还原草酰乙酸成苹果酸，同时重新生成NAD+。反应由苹果酸脱氢酶催化是可逆的。苹果酸增加后，可通过二羧酸载体系统与线粒体内的α-酮戊二酸交换。进入线粒体内的苹果酸在苹果酸脱氢酶的作用下脱氢生成草酰乙酸和NADH＋H+。NADH＋H+进入NADH氧化呼吸连，经黄素蛋白等传递，最终将2H转递给氧生成水,释放2.5个ATP。草酰乙酸不能自由通过线粒体膜，而线粒体内的α-酮戊二酸也需得到补充。于是，在氨基转移酶催化下，由谷氨酸与草酰乙酸进行转氨反应生成α-酮戊二酸和天冬氨酸。天冬氨酸借载体与胞液中的谷氨酸交换。进入胞液的天冬氨酸再与α-酮戊二酸进行转氨产生草酰乙酸和谷氨酸，完成整个循环过程。

②α–磷酸甘油穿梭系统（如下图所示）。

α–磷酸甘油穿梭系统

①胞液中α–磷酸甘油脱氢酶（辅酶为NAD） ②线粒体内α–磷酸甘油脱氢酶（输基为FAD）

3．ATP与能量的转换和利用

生物体需要利用生物氧化过程中所释放的能量维持生命活动。生物氧化所释放的一部分能量以热能形式散发于周围环境中，约占总能量的60％左右；另一部分则以化学能的形式储存于某些特殊类型的有机磷酸化合物之中。

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（1）高能磷酸化合物的生成

在物质氧化过程中大约有40％能量用于ADP的磷酸化合成ATP，该过程有两种方式：一是直接由代谢物分子转移磷酸键至ADP，以合成ATP，即所谓底物水平磷酸化；二是在呼吸键的电子传递过程中偶联的磷酸化，称氧化磷酸化或电子传递水平磷酸化。

（2）氧化磷酸化的偶联部位

根据下述实验数据可以大致确定氧化磷酸化的偶联部位，即ATP的生成部位。

①P／O比值测定及意义：研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体的P／O比值。该比值是指每消耗一摩尔氧原子所消耗无机磷的摩尔数，即合成ATP的摩尔数。代谢物脱下的一对氢原子通过NADH呼吸链传递，P／O比值为3；若通过琥珀酸呼吸链传递，P／O比值为2，即分别合成了3或2摩尔ATP。

②根据氧化还原电位之间的电位差计算能量：呼吸链中的三个偶联部位，亦可根据呼吸链传递过程中自由能的变化计算求得，三个ATP分子的形成截获了呼吸链中电子由NADH传递到氧所产生的全部自由能的42％。

（3）氧化磷酸化的抑制作用

①呼吸链阻断剂：能够阻断呼吸链中某一部位电子流的物质称为电子传递阻断剂或呼吸键阻断剂。已知的阻断剂及阻断部。如下图所示。

②解偶联剂：解偶联剂对于电子传递没有抑制作用，只抑制由ADP变为ATP的磷酸化作用，即它使产能过程与贮能过程相脱离。2，4–二硝基苯酚是最早发现的一种解偶联剂。

磷酸肌酸是动物体内高能磷酸化合物的贮存形式。在酶的催化下，ATP把高能磷酸键传递给肌酸，以生成磷酸肌酸。当肌肉收缩时，除ATP直接分解供能外，磷酸肌酸又可以转出高能磷酸键，使ADP生成ATP，供组织利用。

二、呼吸作用-----糖的分解代谢

呼吸作用的糖的分解代谢途径有三种，糖酵解、三羧酸循环和戊糖磷酸途径。不管是有氧呼吸或无氧呼吸，糖的分解都必须先经过糖酵解阶段，形成丙酮酸，然后才分道扬镳。还有一种葡萄糖在细胞质内进行的直接氧化降解的酶促反应过程称为戊糖磷酸途径。在正常情况下，植物细胞里葡萄糖降解主要是通过糖酵解和三羧酸循环，戊糖磷酸途径所占的比重较小（一般只占百分之几到三十之间）。但这两种途径在葡萄糖降解中所占的比例，随植物的种类、器官、年龄和环境而异。

以葡萄糖的氧化为例，呼吸作用可分为三个部分：糖酵解；三羧酸循环和氧化磷酸化。 （1）糖酵解

指葡萄糖在无氧条件下被酶降解成丙酮酸，并释放能量的过程。也称为EMP途径。包括一系列反应，都在细胞质中发生，而且不需要氧。这一过程可以分为以下两步（图4-4）：

第一步是1分子葡萄糖经过两次磷酸化，而形成1分子的1，6-二磷酸果糖，这一过程要消耗2分子的ATP；第二步是1分子的1，6-二磷酸果糖，在有关酶的催化作用下，最终形成2分子的丙酮酸，并将2分子的氧化型辅酶Ⅰ（NAD+）还原成2分子的还原型辅酶Ⅱ（NADH），这一过程生成2分子的ATP。总反应式：

葡萄糖+2ADP+2Pi+2NAD+

2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O

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