基础生物化学-生物氧化

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。
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。
6.1.3 高能磷酸化合物 6.1.3.1 生物体内的高能化合物
生命过程必须与放能反应偶联。生物氧化释放的能量一般先贮藏在高能化合物中，机体用于做功的能量来 自高能化合物水解反应。这样，高能化合物就成为放能反应与吸能反应之间的能量梭。
高能化合物中含有高能键，高能键是指具有高的磷酸基团转移势能或水解时释放较多自由能的磷酸酐键或 硫酯键。高能键是不稳定的键。
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
FAD或FMN与酶蛋白部分之间是通过非共价键相连，但结合牢固，因此氧化与还原都在同一个酶蛋白上进 行，故黄素核苷酸的氧化还原电位取决于和它们结合的蛋白质，所以有关的标准还原电位指的是特定的 黄素蛋白，而不是游离的FMN或FAD；
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。
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。
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。
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。
在电子转移反应中它们只是在黄素蛋白的活性中心部分，而其本身不能作为作用物或产物，这和NAD不同， NAD与酶蛋白结合疏松，当与某酶蛋白结合时可以从代谢物接受氢，而被还原为NADH，游离的 NADH可再与另一种酶蛋白结合，释放氢后又被氧化为NAD。
很多黄素蛋白参与呼吸链组成，与电子转移有关。如NADH脱氢酶以FMN为辅基，是呼吸链的组分之一， 介于NADH与其它电子传递体之间；
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。
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。
ATP是最重要的高能化合物。
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
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。
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
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。
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)。
6.2.2 电子传递链(electron transfer cຫໍສະໝຸດ Baiduain，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。
ATP水解时的标准自由能变化位于多种物质水解时标准自由能变化的中间，它能从具有更高能量的化合物接 受高能磷酸键，ATP也能将～Pi转移给水解时标准自由能变化较小的化合物。
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。
基础生物化学-生物氧化
6.1 生物氧化概述 6.1.1 生物氧化的概念 6.1.1.1 生物氧化的主要内容 生物氧化（biological oxidation）是生物细胞将糖、脂和蛋白质等有机物进行氧化分解，最终生成CO2和
H2O并释放能量的过程，也称为细胞呼吸（cellular respiration）。
琥珀酸脱氢酶，线粒体内的甘油磷酸脱氢酶的辅基为FAD，它们可直接从作用物转移H++e到呼吸链。脂肪 酰CoA脱氢酶（FAD为辅基）与琥珀酸脱氢酶相似，也能将氢从作用物传递进入呼吸链，但还需电子转 移黄素蛋白(辅基为FAD)参与才能完成。
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。
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。
ATP的合成可与放能反应偶联，利用其释放的能量由ADP和Pi合成ATP；在需要时又水解成ADP和Pi，同 时将贮藏的能量释放出来，以推动各种耗能的生命活动。如分子和离子的跨膜主动运输、收缩蛋白的 收缩、小的构件分子合成生物大分子等。
ATP-ADP循环是生物系统的能量交换中枢。
ATP还可作为磷酸基团转移反应的中间载体。
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。
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NADPH 一般是为合成代谢或羟化反应提供氢。
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。
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。
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。
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
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。
6.2.2.1 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。
谢十分旺盛。
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。
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。
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。