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第五章 生物氧化
一、生物氧化的概念、特点和部位
1.概念：有机物质在生物体细胞内氧化分解产生二氧化碳、水，并释放出大量能量的过程称为生物氧化(biological oxidation)。又称细胞呼吸或组织呼吸。
2.特点：生物氧化和有机物质体外燃烧在化学本质上是相同的，遵循氧化还原反应的一般规律，所耗的氧量、最终产物和释放的能量均相同。
(1)在细胞内，温和的环境中经酶催化逐步进行。
(2)能量逐步释放。一部分以热能形式散发，以维持体温，一部分以化学能形式储存供生命活动能量之需(约40%)。
(3)生物氧化生成的H2O是代谢物脱下的氢与氧结合产生，H2O也直接参与生物氧化反应;CO2由有机酸脱羧产生。
(4)生物氧化的速度由细胞自动调控。
3.部位：在真核生物细胞内，生物氧化都是在线粒体内进行，原核生物则在细胞膜上进行。
二、生物氧化的酶类和体系
1.酶类：重要的为氧化酶和脱氢酶两类，脱氢酶尤为重要。
氧化酶为含铜或铁的蛋白质，能激活分子氧，促进氧对代谢物的直接氧化，只能以氧为受氢体，生成水。重要的有细胞色素氧化酶，可使还原型氧化成氧化型，亦可将氢放出的电子传递给分子氧使其活化。心肌中含量甚多。此外还有过氧化物酶、过氧化氢酶等。
脱氢酶分需氧脱氢酶和不需氧脱氢酶。前者可激活代谢物分子中的氢，与分子氧结合，产生过氧化氢。在无分子氧时，可利用亚甲蓝为受氢体。需氧脱氢酶皆以FMA或FAD为辅酶。不需氧脱氢酶可激活代谢物分子中的氢，使脱出的氢转移给递氢体或非分子氧。一般在无氧或缺氧环境下促进代谢物氧化。大部分以NAD或NADP为辅酶。
2.体系：有不需传递体和需传递体的两种体系。
不需传递体的最简单，在微粒体、过氧化酶体及胞液中代谢物经氧化酶或需氧脱氢酶作用后脱出的氢给分子氧生成水或过氧化氢。其特点是不伴磷酸化，不生成ATP，主要与体内代谢物、药物和毒物的生物转化有关。
需传递体的最典型的是呼吸链。是在线粒体经多酶体系催化，即通过电子传递链完成，与ATP的生成相关。
三、生物氧化中二氧化碳的生成
生物氧化中CO2的生成是代谢中有机酸的脱羧反应所致。有直接脱羧和氧化脱羧两种类型。按脱羧基的位置又有α-脱羧和β-脱羧之分。请判断以下脱羧反应的类型?
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四、生物氧化中水的生成
(一)呼吸链的概念和类型
代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后与激活的氧结合生成水的全部体系，此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链(respiratory chain)或电子传递链(electron transfer chain)。
在呼吸链中，酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜上。其中传递氢的酶或辅酶称为递氢体，传递电子的酶或辅酶称为电子传递体。递氢体和电子传递体都起着传递电子的作用(2H→2H++2e)。
生物体内的呼吸链有多种型式。人体细胞线粒体内最重要的有两条，即NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链。它们的初始受氢体、生成ATP的数量及应用有差别。NADH氧化呼吸链应用最广，糖、脂、蛋白质三大物质分解代谢中的脱氢氧化反应，绝大多数是通过该呼吸链来完成的。琥珀酸氧化呼吸链在Q处与上述NADH氧化呼吸链途径交汇。其脱氢黄酶只能催化某些代谢物脱氢，不能催化NADH或NADPH脱氢。
(二)呼吸链的组成
组成呼吸链的成分已发现20余种，分为5大类。
1.辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ
辅酶Ⅰ(NAD+或CoⅠ)为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。辅酶Ⅱ(NADP+或CoⅡ)为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。它们是不需氧脱氢酶的辅酶，分子中的烟酰胺部分，即维生素PP能可逆地加氢还原或脱氢氧化，是递氢体。以NAD+作为辅酶的脱氢酶占多数。
2.黄素酶
黄素酶的种类很多，辅基有2种，即FMN和FAD。FMN是NADH脱氢酶的辅基，FAD是琥珀酸脱氢酶的辅基，都是以核黄素为中心构成的，其异咯嗪环上的第1位及第5位两个氮原子能可逆地进行加氢和脱氢反应，为递氢体。
3.铁硫蛋白
分子中含有非血红素铁和对酸不稳定的硫，因而常简写为FeS形式。在线粒体内膜上，常与其他递氢体或递电子体构成复合物，复合物中的铁硫蛋白是传递电子的反应中心，亦称铁硫中心，与蛋白质的结合是通过Fe与4个半胱氨酸的S相连接。
4.泛醌(又名辅酶Q)
一类广泛分布于生物界的脂溶性醌类化合物。分子中的苯醌为接受和传递氢的核心，其C-6上带有异戊二烯为单位构成的侧链，在哺乳动物，这个长链为10个单位，故常以Q10表示。
5.细胞色素类
细胞色素(cytochrome, Cyt)是一类以铁卟啉为辅基的结合蛋白质，存在于生物细胞内，因有颜色而得名。已发现的有30多种，按吸收光谱分a、b、c三类，每类又有好多种。
Cyta和a3 结合紧，迄今尚未分开，故写成aa3，位于呼吸链的终末部位，其辅基为血红素A，传递电子的机制是以辅基中铁价的变化Fe3+ →Fe2+，a3还含有铜离子，把电子直接交给分子氧Cu+ →Cu2+，所以a3又称细胞色素氧化酶。a3中的铁原子可以与氧结合，也可以与氰化物离子(CN—)、CO等结合，这种结合一旦发生，a3便失去使氧还原的能力，电子传递中止，呼吸链阻断，导致机体不能利用氧而窒息死亡。
(三)呼吸链中传递体的顺序
呼吸链中氢和电子的传递有着严格的顺序和方向。根据氧化还原原理，氧化-还原电势E是物质对电子亲和力的量度，电极电位的高低反映电子得失的倾向，E O'值愈低的氧还对(A/AH2)释放电子的倾向愈大，愈容易成为还原剂而排在呼吸链的前面。所以NADH还原能力最强，氧分子的氧化能力最强。电子的自发流向是从电极电位低的物质(还原态)到电位高的氧化态，目前一致认可的是按标准氧还电位递增值依次排列。
电子由NADH的传递到氧分子通过3个大的蛋白质复合体，即 NADH脱氢酶、细胞色素bc1复合体和细胞色素氧化酶到氧(又称复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ)。电子从FADH2的传递是通过琥珀酸-辅酶Q还原酶(复合体Ⅱ)经Q、复合体Ⅲ、Ⅳ到氧(琥珀酸-辅酶Q还原酶催化的反应的自由能变化太小)。
例题：
1、下列化合物中，不含有高能磷酸键的是 ( )
A NAD+ B ADP C NADPH D FMN
2、下列化学物水解，哪一个释放的能量最少? ( )
A ATP B ADP C AMP D PEP
3、肌肉细胞中能量贮存的主要形式是 ( )
A ATP B ADP C AMP D 磷酸肌酸
参考答案
1-3：DCD
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