【正文】 第五講 生物氧化與氧化磷酸化一、知識要點 生物氧化的實質(zhì)是脫氫、失電子或與氧結(jié)合，消耗氧生成CO2和H2O，與體外有機物的化學氧化（如燃燒）相同，釋放總能量都相同。生物氧化的特點是：作用條件溫和，通常在常溫、常壓、近中性pH及有水環(huán)境下進行；有酶、輔酶、電子傳遞體參與，在氧化還原過程中逐步放能；放出能量大多轉(zhuǎn)換為ATP分子中活躍化學能，供生物體利用。體外燃燒則是在高溫、干燥條件下進行的劇烈游離基反應，能量爆發(fā)釋放，并且釋放的能量轉(zhuǎn)為光、熱散失于環(huán)境中。（一）氧化還原電勢和自由能變化1．自由能生物氧化過程中發(fā)生的生化反應的能量變化與一般化學反應一樣可用熱力學上的自由能變化來描述。自由能（free energy）是指一個體系的總能量中，在恒溫恒壓條件下能夠做功的那一部分能量，又稱為Gibbs自由能，用符號G表示。物質(zhì)中的自由能（G）含量是不易測定的，但化學反應的自由能變化（ΔG）是可以測定的。ΔG很有用，它表示從某反應可以得到多少有用功，也是衡量化學反應的自發(fā)性的標準。例如，物質(zhì)A轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)B的反應：ΔG＝GB—GA當ΔG為負值時，是放能反應，可以產(chǎn)生有用功，反應可自發(fā)進行；若ΔG為正值時，是吸能反應，為非自發(fā)反應，必須供給能量反應才可進行，其逆反應是自發(fā)的。如果ΔG＝0時，表明反應體系處于動態(tài)平衡狀態(tài)。此時，平衡常數(shù)為Keq，由已知的Keq可求得ΔG176。： ΔG176。＝－RTlnKeq2． 2．化還原電勢在氧化還原反應中，失去電子的物質(zhì)稱為還原劑，得到電子的物質(zhì)稱為氧化劑。還原劑失去電子的傾向（或氧化劑得到電子的傾向）的大小，則稱為氧化還原電勢。將任何一對氧化還原物質(zhì)的氧化還原對連在一起，都有氧化還原電位的產(chǎn)生。如果將氧化還原物質(zhì)與標準氫電極組成原電池，即可測出氧化還原電勢。標準氧還原電勢用E176。表示。E176。值愈大，獲得電子的傾向愈大；E176。愈小，失去電子的傾向愈大。3．氧化還原電勢與自由能的關系在一個氧化還原反應中，可從反應物的氧還電勢E 0＇，計算出這個氧化還原反應的自由能變化（ΔG）。ΔG176。與氧化還原電勢的關系如下：ΔG176。= － nFΔE176。n表示轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)（1法拉第＝96485庫侖／摩爾）。ΔE176。的單位為伏特，ΔG176。的單位為焦耳／摩爾。當ΔE176。為正值時，ΔG176。為負值，是放能反應，反應能自發(fā)進行。ΔE176。為負值時，ΔG176。為正值，是吸能反應，反應不能自發(fā)進行。（二）高能磷酸化合物生物體內(nèi)有許多磷酸化合物，／mol以上自由能的化合物稱為高能磷酸化合物。按鍵型的特點可分為：1．磷氧鍵型：焦磷酸化合物如腺三磷（ATP）是高能磷酸化合物的典型代表。ATP磷酸酐鍵水解時，／mol能量，它有兩個高能磷酸鍵，在能量轉(zhuǎn)換中極為重要；?；姿峄衔锶?,3二磷酸甘油酸以及烯醇式磷酸化合物如磷酸烯醇式丙酮酸都屬此類。2． 2．磷鍵型化合物如磷酸肌酸、磷酸精氨酸。3． 3．酯鍵型化合物如乙酰輔酶A。4． 4．甲硫健型化合物如S腺苷甲硫氨酸。此外，脊椎動物中的磷酸肌酸和無脊椎動物中的磷酸精氨酸，是ATP的能量貯存庫，作為貯能物質(zhì)又稱為磷酸原。（三）電子傳遞鏈電子傳遞鏈是在生物氧化中，底物脫下的氫（H+ + eˉ），經(jīng)過一系列傳遞體傳遞，最后與氧結(jié)合生成H2O的電子傳遞系統(tǒng)，又稱呼吸鏈。呼吸鏈上電子傳遞載體的排列是有一定順序和方向的，電子傳遞的方向是從氧還電勢較負的化合物流向氧化還原電勢較正的化合物，直到氧。氧是氧化還原電勢最高的受體，最后氧被還原成水。電子傳遞鏈在原核細胞存在于質(zhì)膜上，在真核細胞存在于線粒體的內(nèi)膜上。線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈有NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈。1．構(gòu)成電子傳遞鏈的電子傳遞體成員分五類：（1）煙酰胺核苷酸（NAD＋） 多種底物脫氫酶以NAD＋為輔酶，接受底物上脫下的氫成為還原態(tài)的NADH+ ＋H＋，是氫（H＋和eˉ）傳遞體。（2）黃素蛋白 黃素蛋白以FAD和FMN為輔基，接受NADH+ ＋H＋或底物（如琥珀酸）上的質(zhì)子和電子，形成FADH2或FMNH2，傳遞質(zhì)子和電子。（3）鐵硫蛋白或鐵硫中心 也稱非血紅素蛋白，是單電子傳遞體，氧化態(tài)為Fe3＋，還原態(tài)為Fe2＋。（4）輔酶Q又稱泛醌，是脂溶性化合物。它不僅能接受脫氫酶的氫，還能接受琥珀酸脫氫酶等的氫（H＋＋eˉ）。是處于電子傳遞鏈中心地位的載氫體。（5）細胞色素類是含鐵的單電子傳遞載體。鐵原子處于卟啉的中心，構(gòu)成血紅素。它是細胞色素類的輔基。細胞色素類是呼吸鏈中將電子從輔酶Q傳遞到氧的專一酶類。線粒體的電子至少含有5種不同的細胞色素（即b、c、ca、a3）。通過實驗證明，它們在電子傳遞鏈上電于傳遞的順序是b→c1→c→aa3，細胞色素aa3以復合物形式存在，稱為細胞色素氧化酶。是電子傳遞鏈中最末端的載體，所以又稱末端氧化酶。2．電子傳遞抑制劑能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子傳遞的物質(zhì)稱為電子傳遞抑制劑。常用的抑制劑有：（1）魚藤酮：阻斷電子由NADH向CoQ的傳遞。它是一種極毒的植物物質(zhì)，常用作殺蟲劑。（2）抗霉素A：能阻斷電子從Cytb到Cytc1的傳遞。（3）氰化物、硫化氫、疊氮化物、CO能阻斷電子由Cytaa3到氧的傳遞。由于這三個部位的電子流被阻斷，因此，也抑制了磷酸化的進行，即不能形成ATP。（四）氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用是需氧細胞生命活動的基礎，是主要的能量來源。真核細胞是在線粒體內(nèi)膜上進行。1．氧化磷酸化作用高勢能電子從NADH或FADH2沿呼吸鏈傳遞給氧的過程中，所釋放的能量轉(zhuǎn)移給ADP形成ATP，即ATP的形成與電子傳遞相偶聯(lián)，稱為氧化磷酸化作用，其特點是需要氧分子參與。氧化磷酸化作用與底物水平磷酸化作用是有區(qū)別的：底物水平磷酸化作用是指代謝底物由于脫氫或脫水，造成其分子內(nèi)部能量重新分布，產(chǎn)生的高能鍵所攜帶的能量轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP，即ATP的形成直接與一個代謝中間高能磷酸化合物（如磷酸烯醇式丙酮酸、1,3二磷酸甘油酸等）上的磷酸基團的轉(zhuǎn)移相偶聯(lián)，其特點是不需要分子氧參加。2．P／O比和磷酸化部位磷氧比（P／O）是指一對電子通過呼吸鏈傳遞到氧所產(chǎn)生ATP的分子數(shù)。由NADH開始氧化脫氫脫電子，電子經(jīng)過呼吸鏈傳遞給氧，生成3分子ATP，則P／O比為3。這3分子ATP是在三個部位上生成的，第一個部位是在NADH和CoQ之間，第二個部位是在Cytb與Cytc1之間；第三個部位是在Cytaa3和氧之間。如果從FADH2開始氧化脫氫脫電子，電子經(jīng)過呼吸鏈傳遞給氧，只能生成2分子ATP，其P／O比為2。3．氧化磷酸化的解偶聯(lián)作用（1）氧化磷酸化的解偶聯(lián)作用 在完整線粒體內(nèi)，電子傳遞與磷酸化是緊密偶聯(lián)的，當使用某些試劑而導致的電子傳遞與ATP形成這兩個過程分開，只進行電子傳遞而不能形成ATP的作用，稱為解偶聯(lián)作用。（2）氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑 能引起解偶聯(lián)作用的試劑稱為解偶聯(lián)劑，解偶聯(lián)作用的實質(zhì)是解偶聯(lián)劑消除電子傳遞中所產(chǎn)生的跨膜質(zhì)子濃度或電位梯度，只有電子傳遞而不產(chǎn)生ATP。（3）解偶聯(lián)劑種類 典型的解偶聯(lián)劑是化學物質(zhì)2,4二硝基苯酚（DNP），DNP具弱酸性，在不同pH環(huán)境可結(jié)合H+ 或釋放H+；并且DNP具脂溶性，能透過磷脂雙分子層，使線粒體內(nèi)膜外側(cè)的H+ 轉(zhuǎn)移到內(nèi)側(cè)，從而消除H+ 梯度。此外，離子載體如由鏈霉素產(chǎn)生的抗菌素——纈氨霉素，具脂溶性，能與K+ 離子配位結(jié)合，使線粒體膜外的K+ 轉(zhuǎn)運到膜內(nèi)而消除跨膜電位梯度。另外還有存在于某些生物細胞線粒體內(nèi)膜上的天然解偶聯(lián)蛋白，該蛋白構(gòu)成的質(zhì)子通道可以讓膜外質(zhì)子經(jīng)其通道返回膜內(nèi)而消除跨膜的質(zhì)子濃度梯度，不能生成ATP而產(chǎn)生熱量使體溫增加。解偶聯(lián)劑與電子傳遞抑制劑是不同的，解偶聯(lián)劑只消除內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子或電位梯度，不抑制呼吸鏈的電子傳遞，甚至加速電子傳遞，促進呼吸底物和分子氧的消耗，但不形成ATP，只產(chǎn)生熱量。4．氧化磷酸化的作用機理與電子傳遞相偶聯(lián)的氧化磷酸化作用機理雖研究多年，但仍不清楚。曾有三種假說試圖解釋其機理。這三種假說為：化學偶聯(lián)假說、構(gòu)象偶聯(lián)假說、化學滲透假說。（1）化學偶聯(lián)假說 認為電子傳遞中所釋放的自由能以一個高能共價中間物形式暫時存在，隨后