1、177第八章 生物氧化与氧化磷酸化第一节 生物氧化概述一切生物都靠能量维持生存，生物体所需的能量大都来自体内糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化。生物体内的氧化和生物体外的燃烧在化学本质上虽然最终产物都是水和 CO2，所释放的能量也完全相等，但二者所进行的方式却大不相同。糖、脂肪、蛋白质在生物体内彻底氧化之前，都先经过分解代谢，在不同的分解代谢过程中都伴有代谢物的脱氢过程和辅酶 NAD+或 FAD 的还原。这些携带着氢离子和电子的还原型辅酶，在最终将氢离子和电子传递给氧时，都经历一段相同的过程，即生物氧化过程。一、生物氧化的概念人们把有机分子在体内氧化分解成 CO 和 H O 并释放出能量的过程称为
2、生物氧化(biological oxidation)。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化还原反应，是在细胞或组织中发生的，所以又称为细胞氧化或细胞呼吸，有时也称为组织呼吸。二、生物氧化的特点生物氧化是发生在生物体内的氧化还原反应，它具有自然界物质发生氧化还原反应的共同特征，这主要表现在被氧化的物质总是失去电子，而被还原的物质总是得到电子，并且物质被氧化时，总伴随能量的释放。有机物在生物体内完全氧化和在体外燃烧而被彻底氧化，在化学本质上是相同的。例如 1mol 的葡萄糖在体内氧化和在体外燃烧都是产生 CO 和 H O，放出的总能量都是 2 867.5kJ。这并不奇怪，因为氧化作用释放
3、的能量等于这一物质所含化学能与其氧化产物所含的化学能差，放出的总能量的多少与该物质氧化的途径无关，只要在氧化后所生成的产物相同，放出的总能量必然相同。但是，由于生物氧化是在活细胞内进行的，故它与有机物在体外燃烧有许多不同之处，即生物氧化有它本身的特点：（1）有机物在空气中燃烧时，CO 和 H O 的生成是空气中氧直接与碳、氢原子结合的产物。而有机物在细胞中氧化时，CO 是在代谢过程中经脱羧反应释放出来的，H O 的生成则是通过更复杂的过程完成的。（2）生物氧化是在一系列酶的催化下、在恒温恒压下进行的反应，而有机分子在体外燃烧时需要高温。 （3）生物氧化所产生的能量是逐步发生、分次释放的。这种逐
4、步分次的放能方式，不会引起体温的突然升高，而且可使放出的能量得到最有效的利用。与此相反，有机物在体外燃烧产生大量的光和热，且能量是骤然放出的。（4）生物氧化过程中产生的能量一般都贮存于一些特殊的化合物主要是腺三磷(ATP)中。电子由还原型辅酶传递到氧的过程中形成大量的 ATP，占全部生物氧化产生能量的绝大部分。例如，1 个葡萄糖分子氧化时生成 36 个 ATP 分子，其中 32 个是还原型辅酶氧化时得到的。178三、生物氧化的基本过程需氧生物细胞内糖、脂肪、氨基酸等分子所途经的各自分解过程，将在有关章、节中叙述。这些有机物在氧化分解途径中所形成的还原型辅酶，包括 NADH 和FADH ，通过电
5、子传递途径，使其再重新氧化。在这个过程中，还原型辅酶上的氢以质子形式脱下，其电子沿着一系列的电子传递体转移（称为电子传递链），最终转移到分子氧，使氧激活，质子和离子型氧（激活后的氧）结合生成水。在电子传递过程中释放的能量则使 ADP 和无机磷结合形成 ATP。ATP 是生物体内最重要的高能中间物，参与体内众多的需能反应。二二二 生物氧化过程中的某些能量问题一、自由能的概念在热力学概念中对生物化学特别有用的是自由能。自由能是一个化合物分子结构中所固有的能量，是一种能在恒温怛压下做功的能量。一种物质 A 自由能的含量是不能用实验方法测得的。但是在一个化学反应中，当 A 转化为 B 时A B （71
6、）其自由能的变化（G），即 A 转化为 B 时所得到的最大的可利用的能量是可以测定的。如果产物 B 自由能的含量 (G )比反应物 A 自由能的含量（G ）小，则 G 为负值，即： G G 一 G 负值 (当 G G 时) 当 G 为负值时，便意味着反应进行时自由能降低。同样，当 B 逆转为 A 时，自由能则增加，亦即 G 为正值。实验证明：当自由能降低（即 G 为负）时反应能自发地进行；反之，则必须采取某种方式供给能量才能推动反应进行。G 为负值的反应称为“放能反应”(exogonic reaction)，而 G 为正值的反应则称为“吸能反应”(endogonic reaction)。实验还
7、证明，虽然在某一过程中 G 为负值，但与反应的速率无关。例如，葡萄糖可被 O 氧化成 CO 和 H O，其方程式如下：C H O +6O 6CO +6H O （72）此反应的 G 是一个很大的负值 (约为 2870kJmol)，但是这一相当大的 G 与反应速率没有关系。当葡萄糖在一弹式量热计(bomb calorimeter)中有催化剂存在时，它可在几秒钟内发生氧化。在大多数生物体中，上述反应可在数分钟到数小时内完成，但是179把葡萄糖放在玻璃瓶中，即使有空气也可以存放数年而不氧化。现在的化学理论认为，决定一个反应的反应速率的因子是这过程的活化能(activation energy)。反应(7
8、1)进行时必须经过一个中间物或活化的复合物(即 A*)；而由 A 转化为 A*必须消耗能量，如果所需的能量不大，即此反应具有较低的活化能，则反应容易进行。如果所需的能量很大，则只有少量 A 能转化为 B。必须供给足够的能量以克服此反应的能量障碍，才能使反应顺利进行。催化剂(包括酶在内) 的作用就是降低其活化能而使反应能够进行。反应(71) 的自由能变化 G 可表示如下：BAGG0=,+RTln（73） 式中的 0表示标准自由能变化；R 为气体常数；T 为绝对温度； A、 B分别为 A 及 B 的浓度，单位为（molL）。由方程式(73)可见，反应的 是反应物和产物浓度的函数，也是标准自由能变化
9、 的函数。从平衡时的 可计算出 。在平衡时，A、 B 间的净变化为零，0GG0因此自由能的变化 亦为零。我们知道B对A的比值是平衡时的比值，即其平衡常数 Keq 将这些数值代入方程式(7 3)，可得：0=G 0 + RTlnKeq (74)G 0= RTln Keq式中的常数 R8.3JmolK ，在 25时，T298；1nx2.3031gx。方程式(74)即为（25时）的 G0：G0 8.3142982.3031gK eq 5706lg Keq (75)方程式(75) 对测定某一反应的 G0值是非常有用的。如果能测出平衡时反应物和产物两者的浓度，就可以计算出其反应的 Keq 和 G0。当然，
10、如果 Keq 极大或极小时，用这个方法来测定 G 0就没有什么价值了，因为这时反应物或产物的平衡浓度将小到无法测定。表 7-l 表示从 0.001 到 1 000 的一系列 Keq 范围内的 G 0。从表 7-1 可以看出，如果反应的 Keq 大于 1，则自由能降低。在方程式（71）中，假设其 Keq1000(亦即BA为 1000)，则反应趋向形成 B 的方向。如果反应(71)的 Keq 为 0.001(亦即BA0.001)，则只要 0.1的 A 转化为 B 时反应就能达到平衡。如果A B，即反应物和产物浓度都处于单位浓度时，也可求出 G 0，据方程式(7 3) G=G 0 + RTln1/1
11、=G 0因此 G 0的定义应为当反应物和产物均为单位浓度时或更广泛地说，在 “标准状态”下的自由能变化。溶液中溶质的标准状态为单位克分子浓度，若为气体，则为 101 .325 kPa。当 H+作为反应物或产物出现时，其标准状态的浓度仍然规定为 1.0mol/L(即 pH 值0)，此时几乎所有的酶(在 pH0 时) 都已变性，因此就没有反应可研究了。为此，生180化学家又规定了一种修正的标准条件，除 H+之外，其他反应物和产物的浓度仍规定为1.0mol/L，pH 值规定为 7.0 。细胞中的反应大都发生在 pH 值 7.0 左右，除 pH 值0之外，其他任何 pH 值时的标准自由能变化可用 G
12、表示，但必须说明 G的 pH 值。当然，如果反应中既没有形成也没有消耗氢离子的话，则 G与 pH 值无关，此时G 0 等于 G 。在 pH7.0 的条件下所测得的自由能变化用 G 0表示。表 7-1 Keq和 G 间的关系Keq LgKeq G0（kJ/mol）0.001 3 17.10.01 2 11.40.1 1 5.71.0 0 0.010 1 5.7100 2 11.41000 3 17.1二、氧化还原电位和自由能变化在氧化磷酸化作用中，NADH 和 FADH 的电子转移能( electron transfer PotentiaI)能够转化成 ATP 中磷酸基团的转移势能(Phosph
13、ate group transfer potentiaI)。磷酸基团的转移势能可以用磷酸化合物水解时的 G 0表示。而电子转移势能可用 E (即氧化还原电位) 表 示。如果一种物质存在氧化态(X)和还原态(X -)，这 X 和 X-就称为氧还对(redox couple) 。所以负氧化还原电位表示一种物质对电子的亲合力比 H 低，而正氧化还原电位则表示一种物质与电子的亲合力比 H 高，这种比较是在标准状态（即 lmol 的氧化剂， lmol的还原剂，lmol 的 H+和 101.325kPa 的 H ）下进行的。所以一种强还原剂(如 NADH)有一个负的氧化还原电位，而一种强氧化剂(如 O )
14、有一个正的氧化还原电位。表 7-2为生物中一些重要氧还对的氧化还原电位。从反应物的氧化还原电位 E 可以计算出一个氧化还原反应的自由能变化(G ) 。 例如，丙酮酸被 NADH 还原的反应如下：(a) 丙酮酸 + NADH + H+ 乳酸+NAD +其中 NAD+NADH+H + 对的氧化还原电位为 0.32V，而丙酮酸乳酸对的氧化还原电位为 0.19V，可写成： (b) 丙酮酸+2H +2e 乳酸 E 0.19V(c) NAD+2H+2eNADH+H + E 0.32V由(b)减(c)即可得反应(a)的 E 0.19( 0.32) +0.13V表 7-2 一些反应的标准氧化还原电位还原剂 氧
15、化剂 n E （V ）181琥珀酸+CO -酮戊二酸 2 0.67乙醛 乙酸 2 0.60铁氧还蛋白(还原态) 铁氧还蛋白（氧化态） 1 0.43H 2H+ 2 0.42NADH+H+ NAD+ 2 0.32NADPH+H+ NADP+ 2 0.32硫辛酸（还原态） 硫辛酸（氧化态） 2 0.29乙醇 乙醛 2 0.20乳酸 丙酮酸 2 0.19琥珀酸 延胡索酸 2 0.03细胞色素 b（Fe + ） 细胞色素 b（Fe + ） 1 0.07抗坏血酸 脱氢抗坏血酸 2 0.08泛醌( 还原态) 泛醌( 氧化态) 2 0.10细胞色素 C（Fe + ） 细胞色素 C(Fe+ ) 1 0.22H
16、O 1/2O +2H+ 2 0.82谷胱甘肽( 还原态) 谷胱甘肽( 氧化态) 2 0.23G 0与氧化还原电位 E 的关系如下：G 0 nF E (76)这样，我们就可以计算出丙酮酸被 NADH 还原时的 G 0，即标准自由能的变化。 公式(76)中 n 表示转移的电子数，F 为法拉第的卡当量96.4kJ(Vmol)，G 0的单位为 V， 的单位为 kJmol 。丙酮酸还原时的 n2，所以G 0296.400.1325.06kJrnol从公式(7.6)可看出，E 为正值时，G 0为负值，表示为放能反应。另一个例子是 NADH 的氧化并生成 H O，其反应如下：(a) 12O +2H+2e H
17、 O E +0.82V(b) NAD+2H+2e NADH+H+ E 0.32V以(a)(b)即得(c)：(c) 12O +NADH+H+ H O+NAD+ E 1.14V此反应的自由能变化为：G 0 nF E 296.401.14219.79kJmol所以说呼吸链全部的氧化还原电位的变化为 1.14V，相当于 G 0为 219.79kJmol。 三、高能磷酸化合物1高能磷酸化合物的概念生物体内磷酸化合物很多，并不是所有的磷酸化合物都是高能的，只有那些磷酸基团水解时能释放出大量自由能的化合物称为高能磷酸化合物，这种能量称为磷酸键能。182腺三磷就是这类化合物的典型代表。腺三磷结构中的两个磷酸基
18、团( ，)可从 端依次移去而生成腺二磷(ADP) 和腺一磷(AMP)。ATP 的前两个磷酸基团水解时各释放出 30.5kJ/mol 能量，第三个磷酸基团（a）NNNNNH2OOHOH HHHOPOOO- POOO-P-OOO- “” 代表水解时产生高能的键水解时释放出 14.2kJ/mol 能量。一般将水解时释放出 20.9kJ/mol 以上自由能的化合物称为高能化合物，含有高能的键称为高能键，常用“”符号表示。这里的高能键必须与物理化学上的高能键区别开来。在物理化学上，键能是断裂一个键所需要的能量，断键输入的能量越多键就越稳定；而在生物化学上，高能键是指水解反应或基团转移反应中的标准自由能变
19、化（G ），水解时释放的自由能愈多，这个键就愈不稳定 ，愈容易被水解而断裂。高能化合物与低能化合物是相对而言的。2高能化合物的类型机体内高能化合物的种类很多，不只是高能磷酸化合物，根据其键型的特点，可将高能化合物分为以下几种类型：（1）磷氧键型(OP) 属于这种键型的化合物很多，又可分成几类。酰基磷酸化合物： CCH3CH2OHOOOOO-OO-PHC PO- COOOO-PO- H3N+COOOO-PO-1,3- - -RCOPO-O-OO COPO-O-OO CH+NH3R焦磷酸化合物：183O- -OOOPO-OO-P O- OOOPO-OOPO-OO-P , AMP ,ADP, ATP
20、烯醇式磷酸化合物： OO-OO-PCCO-CH2（2）氮磷键型。如胍基磷酸化和物： （3）硫酯键型。如活性硫酸基：（4）甲硫键型 如活性甲硫氨酸以上高能化合物中，含有磷酸基团的占绝大多数，但并不是所有含磷酸基团的化合物都属于高能磷酸化合物。例如，葡萄糖-6- 磷酸，甘油磷脂等化合物，水解时每摩尔只能释放出 12.54kJ 的能量，属于低能磷酸化合物。3ATP 的特殊作用ATP 在一切生物的生命活动中都起着重要作用，在细胞的细胞核、细胞质和线粒体中都有 ATP 存在。细胞中的磷酸化合物根据其水解时释放自由能的多少分为高能磷酸化合物和低能磷酸化合物。但在不同的磷酸化合物之间，G 的大小并没有明显的
21、高能和低能的界限，从表 7-3 中可以看出 G 值是逐步下降的。ATP 所释放的自由能值正处在中间位置。在 ATP 以上的任何一种磷酸化合物都倾向于将它的磷酸基团转移给在它以下的磷酸受体分子。例如，ADP 能接受在 ATP 以上的磷酸基团。同样，ATP 倾向于将其磷酸基团转移给在它以下的受体，如葡萄糖-6-磷酸。表 7-3 清晰表明了不同磷酸化合物其磷酸基团转移的热力学趋势或转移势能的大小(一般用无方向的正值表示) 。O-OO-PHNCNCH2NHCH3CO-OO-PHNCNH(CH2)3NHCO-HCNH3 O-NNNNNH2OOHOHHHOPOOO-SO- OOP-OOO-3-5-184表
22、 7-3 某些磷酸化合物水解的标准自由能变化化合物 G （kJ/mol） 磷酸基团转移势能 G （kJ/mol）磷酸烯醇式丙酮酸 61.9 61.93-磷酸甘油酸磷酸 49.3 49.3磷酸肌酸 43.1 43.1乙酰磷酸 42.3 42.3磷酸精氨酸 32.2 32.2ATP（ADP+Pi） 30.5 30.5ADP（AMP+Pi） 30.5 30.5AMP（腺苷+Pi） 14.2 14.2葡萄糖-1-磷酸 20.9 20.9果糖-6-磷酸 15.9 15.9葡萄糖-6-磷酸 13.8 13.8甘油-1-磷酸 9.2 9.2ATP 在磷酸化合物中所处的位置具有重要的意义，它在细胞的酶促磷酸基
23、团转移中是一个“共同中间体”。 ADP 可以接受表 7-3 中在它以上的化合物的磷酸基团，所形成的 ATP 可将磷酸基团转移给其他的受体，形成在 ATP 以下的磷酸化合物。ATP作为磷酸基团共同中间传递体的作用可用图 7-l 表示。由图 7-1 可以看出，ATP 是能量的携带者和转运者，但并不是能量的贮存者。起贮存能量作用的物质称为磷酸原，在脊推动物中是磷酸肌酸。当 ATP 浓度较高时，肌酸即通过酶的作用直接接受 ATP 的高能磷酸基团形成磷酸肌酸。当 ATP 浓度低时，磷酸肌酸又将高能磷酸基团转移给ADP。磷酸肌酸只通过这唯一的途径转移其磷酸基团，因此它是 ATP 高能磷酸基团的贮存库。肌肉
24、中磷酸肌酸的含量比 ATP 高 34 倍，足以使 ATP 处于相对稳定的浓度水平。 O-O-O-PNOCNCH3NH2 CH2CO O-H2NCNCH3NH2 CH2COADP ATP+ +无脊椎动物则以磷酸精氨酸作为磷酸原。2468101214160PPPP PATP1,3- P()6-3-/4.8kJ.mol-1185图 7-1 ATP 作为磷酸基团共同中间传递体示意图磷酸肌酸为高能磷酸基团贮备物；6-磷酸葡萄糖，3-磷酸甘油酸为低能磷酸基团受体。磷酸基团由高能磷酸供体通过 ATP-ADP 系统转至低能磷酸受体，转移的方向是由高能化合物转移到低能化合物。磷酸基团转移势能的测定条件为标准状况
25、第三节 电子传递链一、电子传递链的概念我们把电子从还原型辅酶通过一系列按照电子亲和力递增的顺序排列的电子传递体传递到氧的整个体系，称为电子传递链或呼吸链。电子传递链在原核细胞中存在于质膜上，在真核细胞中存在于线粒体的内膜上。二、电子传递链(呼吸链)的内容由 NADH 到 O 的电子传递链主要包括 FMN、辅酶 Q(CoQ)、细胞色素 b、c 、 c、a、a 以及一些铁硫蛋白（铁硫中心），其中铁硫中心和细胞色素类是含铁蛋白质，细胞色素 aa 是含铜蛋白质。这些电子传递体传递电子的顺序是按照它们的还原电势大小排成的，这个序列与它们对电子亲和力的不断增加顺序相吻合，如图 7-2 所示。由图 7-2
26、可以看出，呼吸链电子载体的标准势能是逐步下降的，电子流动的方向是朝向分子氧。其中几个自由能明显变化的位点正是 ATP 合成的位点。真核细胞线粒体的呼吸链含有大量的电子携带蛋白质，这些特殊的蛋白质在电子传递链中也起电子传递作用。目前在电子传递链中所发现的组分已在 15 种以上（可总结如图 7-3），不同的电子传递体都和蛋白质结合存在，这些与呼吸链中电子载体相结合的蛋白质都是水不溶性的，因此给分离提取和研究这些蛋白质造成很多困难。这也正是当前研究工作者致力解决的问题。NADHCoQC1CO2ATPFADH2+0.8+0.6+0.4+0.20.-0.2-0.4 E-FMNbaa3ATP ATPE0(
27、volts)图 7-2 电子传递次序电子传递体从 NADH（0.32V）到氧(+0.82V)按照还原性电势大小的排列顺序 186NADE-FMNFeS1es2FeS5e4FeS3CoQb562b56FeS C O2C1 a 3 CuA CuB (set) (set) (set)图 7-3 呼吸链的全部电子载体组合第组中至少含有 5 种铁硫中心；第组中含有 2 种不同的细胞色素 b 和 l 种与组合不同的铁硫中心；第组中除细胞色素 a、 a 外还含有两个铜离子，这些氧化一还原中心的确切序列和功能尚未弄清。 三、与呼吸链有关的酶和电子载体1吡啶核苷酸类 许多代谢中间物的脱氢都是通过脱氢酶的作用，这
28、些不同的脱氢酶都以 NAD+或NADP+作为电子受体。这类酶催化的反应如下：还原形底物+NAD + 氧化形底物+NADH+H +还原形底物+NADP + 氧化形底物+NADPH+H +大多数脱氢酶都以 NAD+为辅酶，有的以 NADP+为辅酶，如 6-磷酸葡萄糖脱氢酶就是以 NADP+作为电子受体。极少数的酶能用 NAD+或 NADP+两种辅酶，如谷氨酸脱氢酶。这类酶与 NAD+（P +）相关的脱氢酶，有些分布在胞液中，有些分布在线粒体中，也有些既存在于胞液也存在于线粒体中。这类酶的脱氢机制如下式。 脱氢酶脱掉底物上的两个氢原子，其中一个氢原子以氢阴离子（H )的形式转移到 NAD+或 NAD
29、P+上，另一个则以氢离子(H +)形式游离到溶液中。每一个氢阴离子（H )携带着 2 个电子，其中 1 个电子使氢以原子形式结合到吡啶环的第四位 C 原子上，另一个电子与吡啶环的氮原子结合，使氮原子从 5 价变为 3 价。HCHCNCCC CONH2HR+4 HCHCNCHCC CONH2R4HHRCOHH2+ +RCOH H+2NADH 脱氢酶这种酶是与黄素相关的脱氢酶，或者说是一种黄素蛋白质（flavoprotein)。它所催化的反应如下：NADH+H+EFMN NAD+EFMNH 在这个反应中，与 NADH 脱氢酶结合牢固的辅基接受 NADH 上的氢原子，使氧化型的黄素核苷酸和变成还原型的黄素核苷酸，可用下列结构式表示：
