生物化学 第六篇 生物能学和生物氧化.doc

第六篇 生物能学和生物氧化
（第十七～十八章 小结）
第十七章 生物能学
生物能学是专门研究生命系统内的能量流动和能量转化规律的一门学科。
恒温、恒压条件得出的方程ΔG =ΔH -TΔS也适用于生命系统。
一个化学反应的自由能变化有一部分是恒定的，它由反应物本身的性质决定，而另一部分是可变的，它由反应的温度和反应物与产物的浓度决定。在给定的条件下，如果知道ΔG θ＇，可以计算出一个反应的ΔG。通过计算ΔG，可以判断一个反应在给定条件下进行的方向性。
如果ΔG =0，则反应到达平衡；如果ΔG＜0，则该反应为放能反应，可以自发地进行。如果ΔG为一个非常大的负值，则表明此反应为不可逆反应如果ΔG＞0，则此反应为需能反应，不能自发地进行。如果ΔG是一个非常大的正值，则意味着反应几乎没有发生的可能。
一个氧化还原反应的ΔG θ＇与其ΔE θ＇的关系是ΔG θ＇=-nFΔE θ＇。而非标准条件下的ΔG与同样条件下的ΔE之间的关系为ΔG =-nFΔE。
细胞内的放能反应可以用来驱动需能反应，只要两个反应的总的ΔG＜0，并通过某种偶联机制联系在一起。生物体内存在两种偶联机制，一种机制通过一个共同的代谢中间物来实现。另一种机制是通过特殊的高能生物分子来进行的。
高能生物分子是指那些既容易水解又能够在水解之中释放出大量自由能的一类分子的总称，以高能磷酸化合物最为常见。在高能分子水解的时候，被水解断裂的化学键称为高能键，经常用“～”表示。可使用“磷酸基团转移势能”来比较各种高能磷酸化合物或非高能磷酸化合物将其磷酸基团转移给水分子的能力。显然，一种磷酸化合物水解反应的ΔG越小，磷酸基团转移势能越高。
ATP作为通用的“能量货币”几乎参与细胞内所有的生理过程，但ATP高的周转率使得它并不适合充当能量的贮存者。在生物进化的过程中，磷酸肌酸、磷酸精氨酸或聚偏磷酸作为贮能物质。
除了ATP以外，其他NTP也可以作为能量货币，这些能量货币在细胞内是可以自由“兑换”的，但需要核苷二磷酸激酶的催化。
ATP的合成就是ADP被磷酸化成为ATP的过程，机体有三种合成ATP的手段：底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化。

第十八章 生物氧化
生物体内发生的氧化反应通称为生物氧化，参与生物氧化的酶有氧化酶、脱氢酶、过氧化物酶和加氧酶。加氧酶又分为双加氧酶和单加氧酶。
糖、脂肪和氨基酸等代谢物经生物氧化的终产物为H2O和CO2。CO2由生物氧化过程中形成的含有羧基的中间物经脱羧反应产生，H2O是由质子与氧负离子结合而成。
生物氧化过程中从代谢物脱下来的氢和电子需要经过呼吸链的传递最终与氧气结合。呼吸链可分为NADH呼吸链、FADH2呼吸链和细胞色素P450呼吸链。其中前两种呼吸链位于原核细胞的细胞膜和真核细胞的线粒体内膜，而P450不产生ATP，其主要功能是参与某些代谢物的合成或降解。
呼吸链的主要成分包括：NAD+及与NAD+偶联的脱氢酶、黄素及与黄素偶联的脱氢酶、CoQ、铁硫蛋白、细胞色素、分子氧。这些组分在线粒体内膜上按照一定次序排列。属于流动电子传递体的有NAD、UQ和细胞色素c。
在特定的条件下，呼吸链可拆成四种复合物以及UQ和细胞色素c。复合体Ⅰ即NADH-UQ还原酶，其主要成分为NADH脱氢酶，该酶以NADH为底物，FMN和铁硫蛋白为辅基。电子在复合体Ⅰ上的流向是：NADH→FMN→铁硫蛋白→UQ；复合体Ⅱ即琥珀酸-UQ还原酶，其主要成分是琥珀酸脱氢酶，还含有铁硫蛋白和细胞色素b560。电子在复合体Ⅱ的流向是：琥珀酸→FAD→铁硫蛋白→细胞色素b560→UQ；复合体Ⅲ即UQ-细胞色素c还原酶，其电子供体为在复合体Ⅰ和Ⅲ形成的UQH2。电子在复合体Ⅲ的流向是：UQH2→细胞色素b→铁硫蛋白→细胞色素c1→细胞色素c；复合体Ⅳ即细胞色素c氧化酶，其电子供体为还原性的细胞色素c。电子在复合体Ⅳ的流向是：细胞色素c→CuA→血红素a→CuB-a3双核中心→O2。O2是整个呼吸链的电子最终受体。
呼吸链的主要功能是产生ATP，这种与电子传递偶联在一起的合成ATP的方式被称为氧化磷酸化。用来解释偶联机制的假说有化学偶联假说、构象偶联假说和化学渗透学说，但只有化学渗透学说正确，拥有大量实验证据。化学渗透学说的主要内容是电子在沿着呼吸链向下游传递的时候，释放的自由能转化为直接用来驱动ATP合成的跨膜的质子梯度。驱动ATP合成的质子梯度被称为质子驱动力，它由化学势能和电势能两部分组成。
1对电子在流过复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ时，分别有4、4和2个质子泵出线粒体基质进入膜间隙，但在复合体Ⅱ无质子梯度形成。按照4个H＋产生1分子ATP计算，一对电子在NADH呼吸链和FADH2呼吸链可分别产生2.5个ATP和1.5个ATP。解释质子梯度形成的机制有Q循环和质子泵模型。
F1F0-ATP合酶是利用质子梯度合成ATP的酶，由F1和F0组成，其中F1直接与ATP的合成和释放相关。F0充当质子通道。Boyer的结合变化学说能很好地解释F1F0-ATP合酶的作用机制。该学说认为：质子流动→驱动C单位转动→带动γ亚基转动→诱导β亚基构象变化→ATP释放和重新合成。
解偶联剂能够使电子在呼吸链上的传递独立于ATP的合成。有两类解偶联剂，一类为有机小分子化合物，通常为质子载体，如DNP。另一类为天然的蛋白质，通常为质子通道，如产热素。解偶联剂的作用机制在于它们能够快速地消耗跨膜的质子梯度，使得质子难以通过F1F0-ATP合酶上的质子通道而合成ATP，从而以将贮存在质子驱动力转变成热。
某些化学试剂能够直接或间接抑制细胞内的氧化磷酸化，这些抑制剂有的通过抑制呼吸链上的电子传递阻止质子梯度的生成而间接抑制氧化磷酸化，有的直接作用于F1F0-ATP合酶，有的是解偶联剂，有的通过抑制线粒体内外ATP/ADP的交换而间接抑制氧化磷酸化。
氧化磷酸化的效率可以通过测定P/O值来确定。P/O值是指电子传递过程中，每消耗1 mol氧原子所消耗的无机磷酸的摩尔数。
细胞内的氧化磷酸化是受到严格调控的，直接受ADP浓度控制，这种调节被称为呼吸控制。