基础生物化学-生物氧化

内膜约含 80％的蛋白质，包括电子传递链和氧 化磷酸化的有关组分，是线粒体功能的主要 担负者 。 线粒体 的内腔 充满半流动的基质 （衬质），其中包含大量的酶类以及线粒体 DNA和核糖体。 线粒体基质酶类包括 TCA酶类、脂肪酸-氧化 酶类和氨基酸分解代谢酶类。
哺乳动物线粒体 DNA 为环状分子，编码包括 细胞色素氧化酶、细胞色素 b 和 F0 疏水亚基 在内的10多种蛋白质，约占内膜总蛋白质的 20％，其余的蛋白质均由核基因编码，在细 胞质中合成后运入线粒体。 线粒体内膜的内表面有一层排列规则的球形颗 粒，通过一个细柄与构成嵴的内膜相连接， 这就是ATP合酶(偶联因子F1-F0)。
6.1.1.3 生物氧化中CO2和H2O的生成 ① CO2的生成 代谢底物在酶的作用下经一系列脱氢、加水等 反应，转变为含羧基的化合物，经脱羧反应 生成CO2，包括直接脱羧和氧化脱羧。
② H2O的生成 生物氧化中底物脱下的氢与氧结合生成水。
6.1.2 生物氧化的自由能变化 6.1.2.1 自由能概念 生物体不能直接利用热能做动，在生命活动过 程中所需的能量都来自体内生化反应释放的 自由能。 自由能(free energy) ：在恒温、恒压条件下一 个体系可用于做有用功的能量。又称Gibbs自 由能，以G表示。
②黄素蛋白(flavoproteins) 与电子传递链有关的黄素蛋白有两种，分别以 FMN和FAD为辅基。
在FAD、FMN分子中的异咯嗪部分可进行可逆 的脱氢加氢反应。氧化型黄素辅基从NADH接 受两个电子和一个质子，或从底物(如琥珀酸) 接受两个电子和两个质子而还原： NADH+H++FMN=NAD++FMNH2 琥珀酸+FAD=延胡索酸+FADH2
为了衡量磷酸化合物中磷酸基团转移的热力学 趋势，而引入磷酸基团转移势能，在数值上 等于其水解反应的-G0′。在磷酸基团转移反 应中，磷酸基从转移势能较高的供体转移到 转移势能较低的受体分子。 ATP的磷酸基团转移势能在常见的含磷酸基团 化合物中处于中间位置，因而在磷酸基团转 移势能高的供体与低能的受体之间充当中间 载体。
6.1.2.3 氧化还原电位 生物体内进行的生化反应有许多是氧化还原反 应，生物所需要的能量就来自于体内的氧化 还原反应。在生物体中物质进行氧化 -还原时， 其基本原理和化学电池一致。在氧化-还原反 应中，电子从还原剂传递到氧化剂。
标准状况下氧化还原电位变化： E′=标准氧化电极电位标准还原电极电位 E′越大，得到电子的倾向越大，氧化能力越强； E′越小，失去电子的倾向越大，还原能力越 强。
并非含磷酸基团的化合物均属于高能化合物， 例如 6- 磷酸葡萄糖、 6- 磷酸果糖、 3- 磷酸甘 油，它们水解时只释放出 4.2~12.6 kJ· mol-1 的能量，因而属于低能磷酸化合物。
6.1.3.2 ATP的结构及其在能量转换中的作用 糖、脂肪和蛋白质是大多数生物赖以生存的主 要能源物质，通过细胞呼吸作用使这些贮存 能源物质氧化分解，同时释放出能量。释放 的能量除一部分以热的形式散失于周围环境 中之外，其余部分通过底物水平磷酸化或氧 化磷酸化生成ATP，以高能磷酸键的形式存 在。同时，ATP也是生命活动利用能量的主 要直接供给形式。
6.1.3.3 磷酸肌酸 以高能磷酸形式贮能的物质统称磷酸原 (phosphagens) ，包括磷酸肌酸、磷酸精氨酸 等。 ATP是细胞内主要的磷酸载体或能量传递体， 人体储存能量的方式不是 ATP 而是磷酸肌酸。 磷酸肌酸存在于肌肉、脑和神经组织中，它 可与 ATP 相互转化。 ATP 多时，以磷酸肌酸 的形式贮能； ATP 不足时，磷酸肌酸转化为 ATP。肌肉中磷酸肌酸的含量比ATP约高3~4 倍，足以维持ATP的恒定水平。
6.2.2.1 电子传递链的组成 电 子 传 递 链 的 组 分 包 括 递 氢 体 (hydrogen transfer)和递电子体 (eletron transfer)。递氢 体和递电子体是传递氢原子或电子的载体， 由于氢原子可以看作是由H+和e组成的，所以 递氢体也是递电子体，递氢体和递电子体的 本质是酶、辅酶、辅基或辅因子。 NAD、FAD、FMN、Fe-S、细胞色素和泛醌等。 它们都是疏水性分子。除泛醌外，其他组分 都是蛋白质通过其辅基的可逆氧化还原传递 电子。
中度体力劳动者每日每kg体重需供给能量 34~40千卡，若一成人重70kg，从事中度体力 劳动，则每日应供应含能量2450千卡的食物， 其中40%的能量转变成化学能储存于ATP分 子的高能键中，这一部分能量应为 2450×0.4=980.0千卡，按每molATP水解生 成ADP+Pi释放7.3千卡能量计算，应当合成： 980÷7.3=134.3molATP，ATP的分子量为 507.22，所以134.3molATP重达68.12kg，表 明ATP在体内的代谢十分旺盛。
肌肉中磷酸肌酸的浓度为ATP浓度的5倍，可 储存肌肉几分钟收缩所急需的化学能。
6.2 呼吸链（电子传递链） 6.2.1 线粒体 线粒体内膜是能量转换的重要部位，电子传递 链和氧化磷酸化有关的组分都存在于此。原 核细胞没有线粒体结构，它的部分质膜起着 这种作用。
线粒体是有两层膜，外膜平滑，透性高，仅 有少量酶结合其上。内膜形成了许多向内褶 叠的嵴，产能和需能越高的组织（如昆虫飞 翔肌）嵴的数目也越多。嵴的形成有利于增 加内膜的面积。
6.2.2 电子传递链(electron transfer chain， ETC) 电子传递链(呼吸链respiratory chain)是一系列 电子载体按氧化还原电位梯度排列的电子传 递系统，它将代谢物脱下的氢的电子传递给 氧生成水，同时有ATP生成。 所有组成成分都嵌合于线粒体内膜，并分段组 成分离的复合物，在复合物内各载体成分的 物理排列也符合电子流动的方向。
6.1.1.2 生物氧化的特点 生物体内进行的氧化反应与体外氧化反应都遵 循氧化反应（脱氢、脱电子和加氧等）的一 般规律，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生物氧化中底物是在酶的催化下，经一系列 连续的化学反应逐步氧化分解的，氧化过程 产生的能量也是逐步释放的。 ②生物氧化产生的能量部分可转变成生命活动 能够利用的形式，即合成ATP，不是全以热 的形式释放。 ③生物氧化是在常温、常压、近中性pH的环 境中进行。 在真核细胞内，生物氧化主要是在线粒体中进 行，原核细胞内生物氧化是在细胞膜上进行。
体内 ATP 处于消耗和补充的动态平衡中。估 计每千克活动组织含有几个mmol· L-1的ATP， 0.1mmol· L-1 的 ADP 和 0.01 mmol· L-1 的 AMP ， 这要求ATP与ADP的转换速度能够随细胞生 命活动的需求而不断变化。 在一般组织中， ATP 消耗过程的加速伴随着 ATP合成过程的加速，ATP水解产物ADP的 浓度对ATP的合成速度起直接调控作用。
而在动物肌肉、脑和神经等易兴奋组织中，当 其发生快速反应时对高能磷酸化合物的立即 需要大于 ATP 合成能力，例如人在剧烈活动 时肌肉消耗 ATP 多达 6mmol· L-1· kg-1· s-1 ，而 在 迟 延 几 秒 钟 后 发 生 的 最 大 ATP 合 成 为 1 mmol· L-1· kg-1· s-1 。表明为了维持这些组织的 快速反应和 ATP 的动态平衡，必须有一种便 于利用的高能磷酸贮能物质。
例如 EMP 生成的高能中间产物 1,3- 二磷酸甘油 酸和 PEP ，在细胞内并不直接水解，而是经 特殊激酶的作用，以转移磷酸基团的形式将 捕获的自由能传递给 ADP 生成 ATP 。 ATP 又 可通过酶促磷酸基团转移反应将磷酸酐键的 大部分自由能传递给受体分子。例如葡萄糖 和甘油，而形成 6- 磷酸葡萄糖和 3- 磷酸甘油， 使这些代谢物活化，以利于酶促反应的进行。
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP，辅酶Ⅱ， CoⅡ)也是有些脱氢酶的辅酶，它与NAD不 同之处是在腺苷酸部分中核糖的2′位碳上羟 基的氢被磷酸基取代而成。
当此类酶催化代谢物脱氢后，其辅酶NADP接 受氢而被还原生成NADPH，它须经吡啶核 苷酸转氢酶(pyridine nucleotide transhydrogenase)作用将还原当量转移给 NAD，然后再经呼吸链传递，但代谢物在体内的氧化可以分为3个阶段： ①糖、脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰辅 酶A中的乙酰基。 ②乙酰辅酶A进入三羧酸循环脱氢，生成CO2 并使NAD和FAD还原成NADH、FADH2。 ③NADH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。 狭义地说只有第3个阶段才是生物氧化，这是 体内能量生成的主要阶段。
肌细胞线粒体内膜和胞液中均有肌酸激酶。线 粒体内膜的肌酸激酶主要催化正向反应，生 成的ADP可促进氧化磷酸化，生成的磷酸肌 酸逸出线粒体进入胞液，磷酸肌酸所含的能 量不能直接利用；胞液中的肌酸激酶主要催 化逆向反应，生成的ATP可补充肌肉收缩时 的能量消耗，而肌酸又回到线粒体用于磷酸 肌酸的合成。
ATP的末端有两个以磷酸酐键连接的磷酸基， 由于P＝O键的极化，电子云偏向氧原子，使 磷原子带部分正电荷，相距很近的正电荷相 互排斥，使磷酸酐键不稳定。
同时，在生理 pH 条件下， ATP 约带 4 个空间距 离很近的负电荷，它们之间相互排斥，使磷 酸酸酐键易水解。 当 ATP水解生成 ADP和 Pi 时，可部分消除这种 应力，而且在生理pH下ADP和Pi都带负电荷， 使平衡强烈地趋向水解，释放出大量自由能。
①烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD，辅酶I，CoI)。 NAD是脱氢酶的辅酶，是连接作用物与呼吸链 的重要环节。
NAD的主要功能是接受从代谢物上脱下的 2H(2H+ +2e)，并传给另一传递体黄素蛋白。 在生理pH条件下，烟酰胺中的氮(吡啶氮)为五 价的氮，它能可逆地接受电子而成为三价氮， 与氮对位的碳也较活泼，能可逆地加氢还原， 故可将NAD视为递氢体。反应时，NAD的尼 克酰胺部分可接受一个氢原子及一个电子， 还有一个质子(H+)留在介质中。