第五章生物氧化 ( Biological oxidation) 第一节概论 生物氧化的概念和特点 物质在生物体内进行的脱氢,加氧等氧化反应,并有ATP的生成的过程 称为生物氧化( biological oxidation)。 按照生理意义不同,生物氧化可分为两大类,一类主要是将代谢物或药 物和毒物等通过氧化反应进行生物转化,这类反应不伴;另一类(主要)是糖 脂肪和蛋白质等营养物质通过氧化反应进行分解,生成H2O和CO2,同时伴 有AIP生物能的生成,供生命活动之需,其余能量主要以热能形式释放,可 用于维持体温。这类反应进行过程中细胞要摄取O2,释放CO2,故又形象地 称之为细胞呼吸( cellular respiration 体内大部分物质都可进行氧化反应,在生物体内进行的氧化反应与体外 氧化反应有许多共同之处:它们都遵循氧化反应的一般规律,常见的氧化方 式有脱电子、脱氢和加氧等类型:最终氧化分解产物是CO2和H2O,同时释 放能量。 但是生物氧化反应又有其特点 1)体外氧化反应主要以热能形式释放能量:而生物氧化主要以生成AIP 方式释放能量,为生物体所利用 2)最大区别在于:体外氧化往往在高温,强酸,强碱或强氧化剂的催化 下进行;而生物氧化是在恒温(37℃)和中性p环境下进行,催化氧化反应的 催化剂是酶 代谢物在体内的氧化可以分为三个阶段: 首先是糖、脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰COA中的乙酰基 接着乙酰CoA进入三羧酸循环脱氢,生成CO2,并使NAD和FAD还原 成NADH+H、FADH2 第三阶段是 NADH+H和FADH2中的氢经呼吸链将电子传递给氧生成水 氧化过程中释放出来的能量用于AP合成。从广义来讲,上述三个阶段均为 生物氧化,狭义地说只有第三个阶段才算是生物氧化,这是体内能量生成的 主要阶段
第五章 生物氧化 (Biological oxidation) 第一节 概 论 一、生物氧化的概念和特点 物质在生物体内进行的脱氢，加氧等氧化反应，并有 ATP 的生成的过程 称为生物氧化（biological oxidation）。 按照生理意义不同，生物氧化可分为两大类，一类主要是将代谢物或药 物和毒物等通过氧化反应进行生物转化，这类反应不伴；另一类(主要)是糖、 脂肪和蛋白质等营养物质通过氧化反应进行分解，生成 H2O 和 CO2，同时伴 有 ATP 生物能的生成，供生命活动之需，其余能量主要以热能形式释放，可 用于维持体温。这类反应进行过程中细胞要摄取 O2，释放 CO2，故又形象地 称之为细胞呼吸(cellular respiration)。 体内大部分物质都可进行氧化反应，在生物体内进行的氧化反应与体外 氧化反应有许多共同之处：它们都遵循氧化反应的一般规律，常见的氧化方 式有脱电子、脱氢和加氧等类型；最终氧化分解产物是 CO2 和 H2O，同时释 放能量。 但是生物氧化反应又有其特点： 1）体外氧化反应主要以热能形式释放能量；而生物氧化主要以生成 ATP 方式释放能量，为生物体所利用。 2）最大区别在于：体外氧化往往在高温，强酸，强碱或强氧化剂的催化 下进行；而生物氧化是在恒温(37℃)和中性 pH 环境下进行，催化氧化反应的 催化剂是酶。 代谢物在体内的氧化可以分为三个阶段： 首先是糖、脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰 CoA 中的乙酰基； 接着乙酰 CoA 进入三羧酸循环脱氢，生成 CO2，并使 NAD+和 FAD 还原 成 NADH+H+、FADH2； 第三阶段是NADH+H+和FADH2 中的氢经呼吸链将电子传递给氧生成水， 氧化过程中释放出来的能量用于 ATP 合成。从广义来讲，上述三个阶段均为 生物氧化，狭义地说只有第三个阶段才算是生物氧化，这是体内能量生成的 主要阶段
二、自由能与高能化合物 自由能 生物体能量代谢同整个自然界一样要服从热力学定律,主要是热力学第 定律(能量守恒定律),指能量既不能创造也不能消灭,只能从一种形式转 变为另一种形式。 热力学第一定律不能预测某一反应能否自发进行。 热力学第二定律是指热的传导只能由高温物体传至低温物体 热力学第二定律是指任何一种物理或化学的过程都自发地趋向于增加体 系与环境的总熵。对生命机体所发生的各种生化反应来说,最重要的热力学 函数是自由能。自由能是生物体(或恒温恒压下)用来作功的能量。在没有 作功条件时,自由能将转变为热能丧失。熵是指混乱度或无序性,是一种无 用的能。在恒温恒压条件(生物体系内)下,自由能变化ΔG、总热能变化Δ H、总体滴的改变ΔS,三者间关系可用下式表示: △G=△H-T△S 该方程式表明 △G<0时,体系的反应能自发进行(为放能反应); △G>0时,反应不能自发进行,当给体系补充自由能时,才 能推动反应进行(为吸能反应) △G=0时,表明体系已处于平衡状态。 在25℃,101325Pa(1个大气压),反应物浓度lmo/L时,反应系统自由 能变化为标准自由能变化,用ΔG表示;因生物体内的pH接近7,用△G 表示生物体内的标准自由能变化,单位为KJ/mol 研究反应体系自由能的变化,对于了解生物体内进行的反应有重要作用 对于任何一化学反应: A+B++C+D (1) 其自由能变化ΔG遵循下式 △G=△(+RTln!C 这表明,某一反应能否进行取决于△G,而△G决定于标准状况下,产物 自由能与反应物自由能之差ΔG,并与反应物与产物的浓度,反应体系的温 度有关。 当反应处于平衡,即△G=0时,(2)式可改写为 △G=-8mAB 反应平衡常数
二、自由能与高能化合物 1. 自由能 生物体能量代谢同整个自然界一样要服从热力学定律，主要是热力学第 一定律（能量守恒定律），指能量既不能创造也不能消灭，只能从一种形式转 变为另一种形式。 热力学第一定律不能预测某一反应能否自发进行。 热力学第二定律是指热的传导只能由高温物体传至低温物体。 热力学第二定律是指任何一种物理或化学的过程都自发地趋向于增加体 系与环境的总熵。对生命机体所发生的各种生化反应来说，最重要的热力学 函数是自由能。自由能是生物体（或恒温恒压下）用来作功的能量。在没有 作功条件时，自由能将转变为热能丧失。熵是指混乱度或无序性，是一种无 用的能。在恒温恒压条件（生物体系内）下，自由能变化ΔG、总热能变化Δ H、总体滴的改变ΔS，三者间关系可用下式表示： ΔG=ΔH-TΔS 该方程式表明： ΔG＜0 时，体系的反应能自发进行（为放能反应）； ΔG＞0 时，反应不能自发进行，当给体系补充自由能时，才 能推动反应进行（为吸能反应）； ΔG＝ 0 时，表明体系已处于平衡状态。 在 25℃，101325Pa（1 个大气压），反应物浓度 lmol/L 时，反应系统自由 能变化为标准自由能变化，用ΔGo 表示；因生物体内的 pH 接近 7，用ΔGo’ 表示生物体内的标准自由能变化，单位为 KJ／mol。 研究反应体系自由能的变化，对于了解生物体内进行的反应有重要作用。 对于任何一化学反应： A＋B↔C＋D (1) 其自由能变化ΔG 遵循下式： 这表明，某一反应能否进行取决于ΔG，而ΔG 决定于标准状况下，产物 自由能与反应物自由能之差ΔGo，并与反应物与产物的浓度，反应体系的温 度有关。 当反应处于平衡，即ΔG＝0 时，（2）式可改写为：
式中R为气体常数(R=8315J/mol一度),T为绝对温度,InK为平衡 常数的自然对数。△G可以由在平衡时所测定的反应物与产物的浓度计算出 来。这种从已知平衡常数,计算反应自由能变化的方法,在生物化学中有较 大的实际意义。以A∽B反应为例,若平衡常数K大于1时,△G°为一负值 反应趋向于生成B的方向进行。若平衡常数大小于1时,则ΔG为正值。 表:K和△Go之间的关系 平衡雷数K △G=-2,303RnEK=-13631gk(c)=-571gK(k]) 0,001 408917,1 1363=5.7 =4089m=17.1 生物体系内,用ΔGo’代替ΔGo,则: △G 2.303RTIgK 应注意的是,一反应系统的△G只取决于产物与反应物的自由能之差,而 与反应历程无关。例如葡萄糖在体外燃烧与体内氧化分解成CO2和HO,反 应历程截然不同,但却释放相同的ΔG。葡萄糖在体内氧化总的自由能变化等 于各步反应自由能变化的代数和 2.高能化合物 在生化反应中,含自由能特多的某些化合物,即随水解反应或基因转移 反应可放出大量自由能的称高能化合物。高能化合物一般对酸、碱和热不稳 定 机体内存在着各种磷酸化合物,它们所含的自由能多少不等,含自由能 特多的磷酸化合物称为高能磷酸化合物,当磷酰基水解时,释放出大量的自 由能。含自由能高的磷酸化合物水解时,每摩尔化合物放出的自由能高达 30~67kJ,含自由能少的磷酸化合物如葡糖-6-磷酸、甘油磷酸等水解时,每摩 尔仅释放出8~20kJ自由能。高能磷酸化合物常用~P或~①来表示 生物体中常见的高能化合物,根据结构的特点,可以分成几种类型(见 下表)
式中 R 为气体常数（R=8.315J／mol 一度），T 为绝对温度，InK 为平衡 常数的自然对数。ΔGo 可以由在平衡时所测定的反应物与产物的浓度计算出 来。这种从已知平衡常数，计算反应自由能变化的方法，在生物化学中有较 大的实际意义。以 A↔B 反应为例，若平衡常数 K 大于 1 时，ΔGo 为一负值， 反应趋向于生成 B 的方向进行。若平衡常数大小于 1 时，则ΔGo 为正值。 表：K 和ΔGo 之间的关系 在生物体系内，用ΔGo’代替ΔGo，则： ΔGo’＝－2.303RTlgK （5） 应注意的是，一反应系统的ΔG 只取决于产物与反应物的自由能之差，而 与反应历程无关。例如葡萄糖在体外燃烧与体内氧化分解成 CO2 和 H2O，反 应历程截然不同，但却释放相同的ΔG。葡萄糖在体内氧化总的自由能变化等 于各步反应自由能变化的代数和。 2.高能化合物 在生化反应中，含自由能特多的某些化合物，即随水解反应或基因转移 反应可放出大量自由能的称高能化合物。高能化合物一般对酸、碱和热不稳 定。 机体内存在着各种磷酸化合物，它们所含的自由能多少不等，含自由能 特多的磷酸化合物称为高能磷酸化合物，当磷酰基水解时，释放出大量的自 由能。含自由能高的磷酸化合物水解时，每摩尔化合物放出的自由能高达 30~67kJ，含自由能少的磷酸化合物如葡糖-6-磷酸、甘油磷酸等水解时，每摩 尔仅释放出 8~20kJ 自由能。高能磷酸化合物常用~P 或~ 来表示。 生物体中常见的高能化合物，根据结构的特点，可以分成几种类型（见 下表）
表:高能化合物类型 高能化合物类型 高能化合物举例 水解时放出标 △G°《u/ml EXO 烯醇磷酸化合物 CC-U-P 烯醉内酮酸磷酸 磷酸化合物砖酸化合物 C-0-P 焦媾酸化合物 腺建0 P--O-P 音三磷酸(ATP) 胍基磷酸化合物 磷酸化合物 NCH, 酯键化合物 乙酰轴A 磷酸化合物 甲魏键化合物 活性甲虱酸 高能磷酸化合物是最多、最常见的高能化合物,此外尚有硫酯型、甲硫 型等化合物 高能化合物水解产生的自由能多,其结构特点有哪些规律?从大多数情 况看来,是由于水解产物自由能大大降低,远较原来化合物稳定。至于促成 产物稳定的因素,因不同化合物可能不完全相同,目前虽已有些解释,尚不 够肯定。 在上表中,ATP的作用最重要。从低等的单细胞生物到高等的人类,能 量的释放、贮存和利用都是以ATP为中心的。 3.AIP的结构基础 ATP是由位于线粒体内膜上的ATP合成酶催化ADP与P合成的。在细 胞的产能和需能过程中起着重要的桥梁作用。是由腺嘌呤、核糖和一个三磷 酸单位组成的核苷酸。AIP的活化形式通常为ATP与Mg2+(或Mm2+)的复 合物。AIP中的2个磷酸基团(βγ磷酸)可从γ端依次移去而生成腺苷二 磷酸(ADP)和腺苷一磷酸(AMP)。 机体在物质氧化的某些过程释放出的大量自由能往往先形成高能磷酸化
表：高能化合物类型 高能磷酸化合物是最多、最常见的高能化合物，此外尚有硫酯型、甲硫 型等化合物。 高能化合物水解产生的自由能多，其结构特点有哪些规律？从大多数情 况看来，是由于水解产物自由能大大降低，远较原来化合物稳定。至于促成 产物稳定的因素，因不同化合物可能不完全相同，目前虽已有些解释，尚不 够肯定。 在上表中，ATP 的作用最重要。从低等的单细胞生物到高等的人类，能 量的释放、贮存和利用都是以 ATP 为中心的。 3.ATP 的结构基础 ATP 是由位于线粒体内膜上的 ATP 合成酶催化 ADP 与 Pi 合成的。在细 胞的产能和需能过程中起着重要的桥梁作用。是由腺嘌呤、核糖和一个三磷 酸单位组成的核苷酸。ATP 的活化形式通常为 ATP 与 Mg2+（或 Mn2+）的复 合物。ATP 中的 2 个磷酸基团（βγ磷酸）可从γ端依次移去而生成腺苷二 磷酸（ADP）和腺苷一磷酸（AMP）。 机体在物质氧化的某些过程释放出的大量自由能往往先形成高能磷酸化
合物ATP,再由AIP水解为ADP和无机磷酸而释放出大量自由能供给需能反 应。在pH=7环境中,AP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的 离子形式(AIP4),具有较大势能,加之水解产物稳定,因而水解自由能很大 (△G°′=30.5千焦/摩尔)。 一般将水解时释放20.92KJ/mo以上自由能的化合物称为高能化合物。 TP的磷酸酐键称为高能键 区别:化学上的键能是断裂一个键所需要的能量,而生物化学中的高 能化合物是水解该键时反应的ΔG,而不是指断裂该键所需要的能量) ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂。由于ATP+H2O→ADP+Pi其△ p=-30.5kJ/mol:当ADP+Pi→AIP时,也需吸收305lkJ/mol的自由能 ATP可以把分解代谢的放能反应与合成代谢的吸能反应偶联在一起。利用ATP 水解释的自由能可以驱动各种需能的生命活动。例如原生质的流动、肌肉的 运动、电鳗放出的电能、萤火虫放出的光能,以及动植物分泌、吸收的渗透 能,都靠ATP供给(下图)。 机械能(运动) 一化学能(合成作用) 分解代谢 (氧化作用) 港透能(分泌吸收钠泵) 一电能(生物电 热能(体温维持 光能(生物发光 图:ATP的生理功能 体内有些合成反应不一定都直接利用ATP供能,而可以用其他核苷三磷 酸。例如UTP用于多糖合成、CTP用于磷脂合成、GTP用于蛋白质合成等 但物质氧化时释放的能量大都是必须先合成AIP,然后AIP可使UDP、CDP 或GDP生成相应的UTP、CTP或GTP。 ATP是能量的携带者或传递者,但严格地说不是能量的贮存者。在可兴奋 组织,如肌肉、神经组织,肌酸磷酸是能量的贮存形式。当ATP合成迅速时, 在肌酸磷酸激酶催化下,AP将能量和磷酰基传给肌酸生成肌酸磷酸,肌酸 磷酸含有的能量不能直接为生物体利用,而必须把能量传给ADP生成ATP后 再利用 ADP CNH N—CH COOH
合物 ATP，再由 ATP 水解为 ADP 和无机磷酸而释放出大量自由能供给需能反 应。在 pH=7 环境中，ATP 分子中的三个磷酸基团完全解离成带 4 个负电荷的 离子形式（ATP4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大 （ΔG°′=-30.5 千焦/摩尔）。 一般将水解时释放 20.92KJ/mol 以上自由能的化合物称为高能化合物。 ATP 的磷酸酐键称为高能键。 （区别：化学上的键能是断裂一个键所需要的能量，而生物化学中的高 能化合物是水解该键时反应的ΔG，而不是指断裂该键所需要的能量） ATP 是生物细胞内能量代谢的偶联剂。由于 ATP＋H2O→ADP＋Pi 其Δ Go’＝-30.5lkJ／mol；当 ADP＋Pi→ATP 时，也需吸收 30.51kJ/mo1 的自由能。 ATP 可以把分解代谢的放能反应与合成代谢的吸能反应偶联在一起。利用 ATP 水解释的自由能可以驱动各种需能的生命活动。例如原生质的流动、肌肉的 运动、电鳗放出的电能、萤火虫放出的光能，以及动植物分泌、吸收的渗透 能，都靠 ATP 供给（下图）。 图： ATP 的生理功能 体内有些合成反应不一定都直接利用 ATP 供能，而可以用其他核苷三磷 酸。例如 UTP 用于多糖合成、CTP 用于磷脂合成、GTP 用于蛋白质合成等。 但物质氧化时释放的能量大都是必须先合成 ATP，然后 ATP 可使 UDP、CDP 或 GDP 生成相应的 UTP、CTP 或 GTP。 ATP 是能量的携带者或传递者，但严格地说不是能量的贮存者。在可兴奋 组织，如肌肉、神经组织，肌酸磷酸是能量的贮存形式。当 ATP 合成迅速时， 在肌酸磷酸激酶催化下，ATP 将能量和磷酰基传给肌酸生成肌酸磷酸，肌酸 磷酸含有的能量不能直接为生物体利用，而必须把能量传给 ADP 生成 ATP 后 再利用