文档介绍：第五章生物氧化
(Biological oxidation)
第一节概论
一、生物氧化的概念和特点
物质在生物体内进行的脱氢,加氧等氧化反应,并有ATP的生成的过程称为生物氧化(biological oxidation)。
按照生理意义不同,生物氧化可分为两大类,一类主要是将代谢物或药物和毒物等通过氧化反应进行生物转化,这类反应不伴;另一类(主要)是糖、脂肪和蛋白质等营养物质通过氧化反应进行分解,生成H2O和CO2,同时伴有ATP生物能的生成,供生命活动之需,其余能量主要以热能形式释放,可用于维持体温。这类反应进行过程中细胞要摄取O2,释放CO2,故又形象地称之为细胞呼吸(cellular respiration)。
体内大部分物质都可进行氧化反应,在生物体内进行的氧化反应与体外氧化反应有许多共同之处:它们都遵循氧化反应的一般规律,常见的氧化方式有脱电子、脱氢和加氧等类型;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)体外氧化反应主要以热能形式释放能量;而生物氧化主要以生成ATP方式释放能量,为生物体所利用。
2)最大区别在于:体外氧化往往在高温,强酸,强碱或强氧化剂的催化下进行;而生物氧化是在恒温(37℃)和中性pH环境下进行,催化氧化反应的催化剂是酶。
代谢物在体内的氧化可以分为三个阶段:
首先是糖、脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰CoA中的乙酰基;
接着乙酰CoA进入三羧酸循环脱氢,生成CO2,并使NAD+和FAD还原成NADH+H+、FADH2;
第三阶段是NADH+H+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。从广义来讲,上述三个阶段均为生物氧化,狭义地说只有第三个阶段才算是生物氧化,这是体内能量生成的主要阶段。
二、自由能与高能化合物
1. 自由能
生物体能量代谢同整个自然界一样要服从热力学定律,主要是热力学第一定律(能量守恒定律),指能量既不能创造也不能消灭,只能从一种形式转变为另一种形式。
热力学第一定律不能预测某一反应能否自发进行。
热力学第二定律是指热的传导只能由高温物体传至低温物体。
热力学第二定律是指任何一种物理或化学的过程都自发地趋向于增加体系与环境的总熵。对生命机体所发生的各种生化反应来说,最重要的热力学函数是自由能。自由能是生物体(或恒温恒压下)用来作功的能量。在没有作功条件时,自由能将转变为热能丧失。熵是指混乱度或无序性,是一种无用的能。在恒温恒压条件(生物体系内)下,自由能变化ΔG、总热能变化ΔH、总体滴的改变ΔS,三者间关系可用下式表示:
ΔG=ΔH-TΔS
该方程式表明:
ΔG<0时,体系的反应能自发进行(为放能反应);
ΔG>0时,反应不能自发进行,当给体系补充自由能时,才能推动反应进行(为吸能反应);
ΔG= 0时,表明体系已处于平衡状态。
在25℃,101325Pa(1个大气压),反应物浓度lmol/L时,反应系统自由能变化为标准自由能变化,用ΔGo表示;因生物体内的pH接近7,用ΔGo’表示生物体内的标准自由能变化,单位为KJ/mol。
研究反应体系自由能的变化,对于了解生物体内进行的反应有重要作用。对于任何一化学反应:
A+B↔C+D (1)
其自由能变化ΔG遵循下式:
这表明,某一反应能否进行取决于ΔG,而ΔG决定于标准状况下,产物自由能与反应物自由能之差ΔGo,并与反应物与产物的浓度,反应体系的温度有关。
当反应处于平衡,即ΔG=0时,(2)式可改写为:
式中R为气体常数(R=),T为绝对温度,InK为平衡常数的自然对数。ΔGo可以由在平衡时所测定的反应物与产物的浓度计算出来。这种从已知平衡常数,计算反应自由能变化的方法,在生物化学中有较大的实际意义。以A↔B反应为例,若平衡常数K大于1时,ΔGo为一负值,反应趋向于生成B的方向进行。若平衡常数大小于1时,则ΔGo为正值。
表:K和ΔGo之间的关系
在生物体系内,用ΔGo’代替ΔGo,则:
ΔGo’=- (5)
应注意的是,一反应系统的ΔG只取决于产物与反应物的自由能之差,而与反应历程无关。例如葡萄糖在体外燃烧与体内氧化分解成CO2和H2O,反应历程截然不同,但却释放相同的ΔG。葡萄糖在体内氧化总的自由能变化等于各步反应自由能变化的代数和。
在生化反应中,含自由能特多的某些化合物,即随水解反应或基因转移反应可放出大量自由能的称高能化合物。高能化合物一般对酸、碱和热不稳定。
机体内存在着各种磷酸化合物,它们所含的自由能多少不等,含自由能特多的磷酸化合物称为高能磷酸化合物,当磷酰基水解时,释放出大量的自由能