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公衛執業醫師生物化學考點：生物氧化
生物氧化是在生物體內，從代謝物脫下的氫及電子﹐通過一系列酶促反應與氧化合成水﹐并釋放能量的過程。下面是應屆畢業生小編為大家整理的公衛執業醫師生物化學考點：生物氧化，希望對大家有所幫助。
生物氧化
一、生物能學的幾個概念
（一） 化學反應中的自由能變化及其意義
1、 化學反應中的自由能
自由能：在一個體系中，能夠用來做有用功的那一部分能量稱自由能，用符號G表示。
在恒溫、恒壓下進行的化學反應，其產生有用功的能力可以用反應前后自由能的變化來衡量。
自由能的變化：△G = G 產物 — G反應物 = △H —T△S
△G 代表體系的自由能變化，△H代表體系的焓變化，T代表體系的絕對溫度，△S代表體系的熵變化。
焓與熵都是體系的狀態函數。
焓代表體系的內能與壓力P*體積V之和：H = U + P*V dH = dU + P*dV + V*dP
熵代表體系中能量的分散程度，也就是體系的無序程度：△S = dQ/T ，△S = △S體系+△S環境 ，只有△S≥0，過程才能自發進行。
2、 △G是判斷一個過程能否自發進行的根據
△G<0，反應能自發進行，能做有用功。
△G>0，反應不能自發進行，必須供給能量。
△G=0，反應處于平衡狀態。
一個放熱反應（或吸熱反應）的總熱量的變化（△H），不能作為此反應能否自發進行的判據，只有自由能的變化才是唯一準確的指標。
△G<0僅是反應能自發進行的必要條件，有的反應還需催化劑才能進行，催化劑（酶）只能催化自由能變化為負值的反應，如果一個反應的自由能變化為正值，酶也無能為力。
當△G為正值時，反應體系為吸能反應，此時只有與放能反應相偶聯，反應才能進行。
（二） 標準自由能變化及其與化學反應平衡常數的關系
aA+bB → cC+dD
標準自由內能變化：在規定的標準條件下的自由能變化，用△G°表示。
標準條件：25℃，參加反應的物質的濃度都是1mol∕L（氣體則是1大氣壓）。若同時定義pH =7。0，則標準自由能變化用△G°′表示。
對于一個溶液中的化學反應：
aA + bB → cC + dD
當反應達到平衡時，△G = 0
K′是化學反應的平衡常數，因此，△G°′ 也是一個常數。
常見物質的標準生成自由能△G°′已經列在各種化學手冊中，可以根據△G°′= —RT lnK的公式求出平衡常數K′。
P15 舉例說明如何用K′求出△G °′ 和△G
從例子可以看出△G °′和△G實際上是兩個不同條件下的自由能變化值。
（1） △G°′是標準條件下的自由能變化，既反應物A、B、C、D的起始濃度都為1mol/L，溫度為25℃，pH=7。0時的△G。每一個化學反應都有其特定的標準自由能變化（既△G °′），是一個固定值，
△G是任意給定條件下的自由能變化，它是反應物A、B、C、D的起始濃度、溫度、pH的狀態函數，在一個自發進行的化學反應中，自由能總是在降低，△G總是負值，隨著反應向平衡點的趨近，△G的絕對值逐漸縮小，直到為0。
（2） 從△G°′= —RT lnK′，可以求出K′及△G °′，根據△G °′、△G 與K′可以判斷任何條件下反應進行的方向及程度。
（三） 自由能變化的可加和性。
在偶聯的幾個化學反應中，自由能的總變化等于每一步反應自由能變化的總和。
例如：Glc+ATP→G—6—P+ADP（總反應）
第一步，Glc+Pi→G—6—P+H2O，此反應不能自發進行。
第二步，ATP+H2O→ADP+Pi
總反應：Glc+ATP→G—6—P+ADP。
因此，一個熱力學上不能進行的反應，可與其它反應偶聯，驅動整個反應進行。此類反應在生物體內是很普遍的。
二、 高能磷酸化合物
高能化合物：水解時釋放20。1kj/mol及以上自由能的化合物。
高能磷酸化合物：水解每摩爾磷酸基能釋放20。1kj/mol以上能量的磷酸化合物。
（一） 高能化合物的類型
1、 磷氧鍵型。
（1）、 酰基磷酸化合物。
3—磷酸甘油酸磷酸，乙酰磷酸，氨甲酰磷酸，酰基腺苷酸，氨酰腺苷酸。
（2）、 焦磷酸化合物。
無機焦磷酸，ATP，ADP
（3）、 烯醇式磷酸化合物。
磷酸烯醇式丙酮酸。
2、 氮磷鍵型。
磷酸肌酸，磷酸精氨酸。
3、 硫酯鍵型。
3’一磷酸腺苷一5’一磷酰硫酸，酰基輔酶A。
4、 甲硫鍵型。
S一腺苷甲硫氨酸。
（二） ATP的特殊的作用。
1、 是細胞內產能反應和需能反應的化學偶聯劑。
2、 在磷酸基轉移中的作用 。
Glc進入血液中，唯一出路是磷酸化。G—6—P是Glc的一種活化形式。已糖激酶催化：Glc+ATP→G—6—P+ADP。
3一磷酸甘油是甘油的活化形式，能參與脂肪合成。甘油激酶：甘油+ATP→3一磷酸甘油+ADP。
（三） 磷酸肌酸、磷酸精氨酸的儲能作用
磷酸肌酸是易興奮組織（如肌肉、腦、神經）唯一的能起暫時儲能作用的物質。
磷酸精氨酸是無脊椎動物肌肉中的儲能物質
三、 生物氧化、氧化電子傳遞鏈和氧化磷酸化作用
（一） 生物氧化的概念和特點。
糖，脂，蛋白質等有機物質在細胞中進行氧化分解，生成CO2，H2O并釋放出能量，這個過程稱生物氧化。
生物氧化是需氧細胞呼吸代謝過程中的一系列氧化還原作用，又稱細胞氧化或細胞呼吸。
特點：反應條件溫和，多步反應，逐步放能。
生物氧化在活細胞中進行，pH中性，反應條件溫和，一系列酶和電子傳遞體參與氧化過程，逐步氧化，逐步釋放能量，轉化成ATP。
真核細胞，生物氧化多在線粒體內進行，在不含線粒體的原核細胞中，生物氧化在細胞膜上進行。
生物氧化的三階段：
第一階段：多糖，脂，蛋白質等分解為構造單位——單糖、甘油與脂肪酸、氨基酸，該階段幾乎不釋放化學能。
第二階段：構造單位經糖酵解、脂肪酸β氧化、氨基酸氧化等各自的降解途徑分解為丙酮酸、乙酰CoA等少數幾種共同的中間代謝物物，這些共同的中間代謝物在不同種類物質的代謝間起著樞紐作用。該階段釋放少量的能量。
第三階段：丙酮酸、乙酰CoA等經過三羧酸循環徹底氧化為CO2、H2O。釋放大量的能量。
在第二、第三階段中，氧化脫下的電子經過一個氧化的電子傳遞過程（氧化電子傳遞鏈）最終傳給O2，并生成ATP，以這種方式生成ATP的作用稱為氧化磷酸化作用，它是一種很重要的將生物氧化和能量生成相偶連的機制。
生物氧化的終產物是CO2和H2O，CO2的形成是通過三羧酸循環過程，H2O則是在電子傳遞過程的最后階段生成。
（二） 氧化電子傳遞過程
生物氧化過程中形成的還原型輔酶（NADH和FADH2），通過電子傳遞途徑，使其重新氧化，此過程稱為電子傳遞過程。
在電子傳遞過程中，還原型輔酶中的氫以負質子（H — ）形式脫下，其電子經一系列的電子傳遞體（電子傳遞鏈）轉移，最后轉移到分子氧上，質子和離子型氧結合生成H2O。
（三） 氧化電子傳遞鏈
由NADH到O2的氧化電子傳遞鏈主要包括FMN、輔酶Q（CoQ）、細胞色素b、c1、c、a，a3及一些鐵硫蛋白。
氧化電子傳遞鏈位于原核生物的質膜上，真核生物中位于線粒體的內膜上。
電子載體的標準勢能△G °′是逐步下降的，電子沿著電勢升高的方向流動。其中有三個部位的勢能落差△G較大，足以形成ATP（ADP磷酸化需要的自由能=7。3Kal/mol。）。這三個部位正好是氧化磷酸化部位。
細胞內供能物質的徹底氧化產物是CO2、H2O，其中CO2主要是在三羧酸循環中產生，水是在電子傳遞過程的最后階段產生。
（四） 電子傳遞鏈的酶和電子載體
呼吸鏈中的電子載體都是和蛋白質結合存在（包括NAD+、FMN、鐵硫中心、細胞色素）。這些蛋白質大都是水不溶性的，嵌在線粒體的內膜上。
NAD+是許多脫氫酶的輔酶，FMN是NADH脫氫酶的輔酶。
1、 NAD+和NADP+
脫氫酶分別與NAD+或NADP+結合，催化底物脫氫，這類酶稱為與NAD（P）相關的脫氫酶，
多數脫氫酶以NAD+為輔酶，少數以NADP+為輔酶（如G—6—P脫氫酶）少數酶能以NAD+或NADP+兩種輔酶（Glu脫氫酶）。
2、 NADH脫氫酶以及其它黃素蛋白酶類
NADH脫氫酶含FMN輔基，鐵—硫中心。
鐵硫中心鐵的價態變化（Fe3+→Fe2+）可以將電子從FMN輔基上轉移到呼吸鏈下一成員輔酶Q上。
含有核黃素輔基的酶還包括琥珀酸脫氫酶、脂酰CoA脫氫酶等。
3、 輔酶Q（泛醌）
電子傳遞鏈上唯一的非蛋白質成分。
輔酶Q在線粒體中有兩種存在形式：膜結合型、游離型。
輔酶Q不僅可以接受FMN上的氫（NADH脫氫酶），還可以接受線粒體FADH2上的氫（如琥珀酸脫氫酶、脂酰CoA脫氫酶以及其它黃素酶類）。
4、 細胞色素類。
細胞色素類是含鐵的電子傳遞體，鐵原子處于卟啉的結構中心，構成血紅素。
細胞色素類是呼吸鏈中將電子從輔酶Q傳遞到O2的專一酶類。
線粒體的電子傳遞鏈至少含有5種不同的細胞色素：b、c、c1、。a、a3。
細胞色素b有兩種存在形式：b562、b566
細胞色素c是唯一可溶性的細胞色素，同源性很強，可作為生物系統發生了關系的一個指標。
細胞色素a、a3是以復合物的形式存在，又稱細胞色素氧化酶，將電子從細胞色素c傳到分子O2 。
（五） 電子傳遞抑制劑
阻斷呼吸鏈中某一部位的電子傳遞。
1、 魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素
都可阻斷電子由NADH向CoQ傳遞。
2、 抗霉素A
抑制電子從細胞色素b向細胞色素c1傳遞
3、 氰化物、硫化氫、疊氮化物、CO等。
阻斷電子從細胞色素aa3 向O2傳遞
（六） 氧化磷酸化作用
氧化磷酸化作用：電子沿著氧化電子傳遞鏈傳遞的過程中所伴隨的將ADP磷酸化為ATP的作用，或者說是ATP的生成與氧化電子傳遞鏈相偶聯的磷酸化作用。
底物水平磷酸化作用：是指ATP的形成直接與一個代謝中間物（如PEP）上的磷酸基團轉移相偶聯的作用。糖酵解中1，3—二磷酸甘油酸，磷酸烯醇丙酮酸。
1、 方程式：
NADH + 3ADP + 3Pi + 1/2O2 → NAD+ + 3H2O + 3ATP
三個ATP的形成獲取了呼吸鏈中電子由NADH傳遞至氧所產生的全部自由能的42%。（21。9/52。7×100%）。
2、 幾個概念：
（1）、 P/O比
一對電子通過呼吸鏈傳至氧所產生的ATP的分子數。NADH→3ATP（或2。5），FADH2→2ATP（或1。5）
（2）、 ATP生成部位：
三個部位由三個酶復合體催化：
部位Ⅰ：NADP與CoQ之間，NADH脫氫酶。（1個ATP）
部位Ⅱ：CoQ與CytC之間，細胞色素還原酶。（1個或0。5ATP）
部位Ⅲ：Cyta與O2之間，細胞色素氧化酶。（1個ATP）
（3）、 呼吸控制
ADP作為關鍵物質，對氧化磷酸化的調節作用稱為呼吸控制。
（4）、 解偶聯劑，（2。4—硝基苯酚）
電子傳遞過程和ATP形成過程相分離，電子傳遞仍可進行，但不能形成ATP。
（5）、 氧化磷酸化抑制劑：
抑制O2的利用和ATP的形成。
（七） 氧化磷酸化的偶聯機理
1、 化學滲透假說：這一學說認為氧化呼吸鏈存在于線粒體內膜上，當氧化反應進行時，H+通過氫泵作用被排斥到線粒體內膜外側（膜間腔），從而形成跨膜pH梯度和跨膜電位差。這種形式的“勢能”，可以被存在于線粒體內膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基團，并與ADP結合而合成ATP。
四、能荷
為了從量上表示細胞內ATP—ADP—AMP的存在狀況，Atkinson（1968）提出了能荷的概念。 腺苷酸庫：細胞中存在的三種腺苷酸，即ATP、ADP、AMP。 能荷：總的腺苷酸系統中（即ATP、ADP和AMP濃度之和）所負荷的高能磷酸基。一般情況細胞的能荷為0。8。
能荷=[ATP]+0。5[ADP]/ [ATP]+[ADP]+[AMP]
在一定條件下，能荷可以作為細胞產能和需能代謝過程變構調節的信號。即高能荷時，抑制生物體內ATP的生成，促進ATP的利用;低能荷值時，促進生物體內ATP的生成，抑制ATP的利用。
五、其他末端氧化酶系統
1、多酚氧化酶系統：存在于微粒體中，是含銅的末端氧化酶，也稱兒茶酚氧化酶。催化多酚類（對苯二酚、鄰苯二酚、鄰苯三酚的氧化）。植物體切傷后的褐變是多酚氧化酶作用的結果。是否破壞多酚氧化酶是制作綠茶紅茶的分水嶺。
2、黃素蛋白氧化酶系統：黃素蛋白氧化酶存在于微體中，脫下來的氫直接交給O2生成H2O2。 乙醇氧化成乙醛就是由這種酶催化。
3、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶：超氧化物歧化酶（SOD）是生物體中最重要的清除活性氧的酶之一。它們在清除活性氧時形成H2O2。H2O2的清除由過氧化氫酶（CAT）完成。
4、植物抗氰氧化酶系統：抗氰氧化酶是一種非血紅蛋白，它不受氰化物的抑制。擁有該末端氧化酶系統的生物其電子傳遞可以不經過細胞色素氧化酶系統，而是通過抗氰氧化系統傳給氧。抗氰呼吸是一個放熱反應。
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