高中生物奥林匹克竞赛教程生物氧化

1、中学生物奥林匹克讲义-生物氧化生物体需要的能量主要是通过代谢物在体内氧化而获得的。物质在生物体内经过氧化最后生成水和CO2并释放能量的过程，称为生物氧化，由于这一过程是在组织细胞内进行的，表现为细胞摄取O2而释放CO2，因此生物氧化又称为组织呼吸或细胞呼吸。虽然糖、脂肪及蛋白质等在体内外氧化分解，都产生水和CO2，并释放出等量的能量，但生物氧化与燃烧的过程有显著不同：生物氧化反应是在温和的条件下进行的酶促反应，所释放的能量，有一部分以化学能的形式储存在ATP分子中。1生物氧化的方式和酶类（1）生物氧化中二氧化碳生成的方式生物体内二氧化碳的生成并不是物质中所含的碳、氧原子的直接化合，而是来源于糖

2、、脂肪等转变来的有机酸的脱羧。根据脱去二氧化碳的羧基在有机酸分子中的位置，可将脱羧反应分为脱羧与脱羧两种类型。有些脱羧反应不伴有氧化，称为单纯脱羧；有些则伴有氧化，称为氧化脱羧。例如苹果酸的氧化脱羧:（2）生物氧化中物质氧化的方式在化学反应中，失电子、脱氢、加氧都属于氧化；得电子、加氢、脱氧都属于还原。这种变化规律，无论在体内或体外，都是一样的。不同的是，体内氧化都是酶促反应。常见的氧化类型有脱电子、脱氢、加水脱氢和加氧反应。生物体内并不存在游离的电子或氢原子，在上述氧化反应中脱下的电子或氢原子必须为另一物质所接受。这种既能接受又能供出电子或氢原子的物质称为递电子体或递氢体。（3）与生物氧化有

3、关的酶类氧化酶类：能直接利用氧分子作为受氢体，其中氧化酶含铜，反应产物是水，如细胞色素氧化酶。需氧脱氢酶类：通常以黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）为辅基，反应产物为过氧化氢。习惯上有时将需氧脱氢酶不严格地称为氧化酶，如黄嘌呤氧化酶。不需氧脱氢酶：不能以氧分子而只能以体内某些辅酶为直接受氢体，这些辅酶包括尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADP）、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NAD）、黄素单核苷酸（FMN）或黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）等。2生物氧化中水的生成生物氧化中水的生成，即代谢物脱下的成对氢原子通过多种酶和辅酶所组成的连锁反应，逐步传递，使之最终与氧结合生成水。由递氢体和递电子体按一定顺序排列构成的

4、此连锁反应与细胞摄取氧的呼吸过程有关，通常称为呼吸链。（1）呼吸链的组成呼吸链由许多个组分组成，参加呼吸链的氧化还原酶有尼克酰胺脱氢酶类、黄素脱氢酶类、铁硫蛋白类、细胞色素类、辅酶Q类等。尼克酰胺脱氢酶类：以NAD、NADP为辅酶，它们能够可逆地加氢还原、脱氢氧化，故可作为递氢体而起作用。尼克酰胺只能接受一个氢原子和一个电子，而另一个质子则留在介质中（如下图所示）。黄素脱氢酶类：其辅基为FMN、FAD，其分子中都含有异咯嗪。异咯嗪的1和5位的两个氮原子都可以进行脱氢和加氢反应，故它们都可作为递氢体（如下图所示）。铁硫蛋白类：其分子中含非卟啉铁和对酸不稳定的硫，其作用是借铁的变价进行电子传递：

5、Fe3e=Fe2因其分子中含有两个活泼的硫和两个铁原子，故称铁硫中心。辅酶Q类：此类酶是一种脂溶性的醌类化合物（指分子中含有六元环状共轭不饱和二酮结构的化合物。），因广泛存在于生物界，故又名泛醌。其分子中的苯醌结构能可逆地加氢还原而形成对苯二酚衍生物，故属于传氢体。细胞色素类：细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质，在呼吸链中，也依靠铁的化合价的变化而传送电子。目前发现的细胞色素有多种，包括a，a3，b，c，c1等。不同种类的细胞色素的辅基结构及与蛋白质连接的方式是不同的。在典型的线粒体呼吸链中，其顺序是bc1caa3O2，其中仅最后一个a3可被氧分子直接氧化，但目前还不能把a和a3分开，故把a

6、和a3合称为细胞色素氧化酶。除aa3外，其余的细胞色素中的铁原子均与其外卟啉环和蛋白质形成六个配位健，惟有aa3的铁原子形成五个配位键，还保留一个配位键，能O2、CO、CN等结合，其正常功能是与氧结合。（2）呼吸链中传递体的排列顺序呼吸链中传递体的排列顺序是根据下列实验数据确定的： 根据呼吸键各组分的标准氧化还原电位，按氧还电位递增的顺序依次排列； 利用阻断呼吸键的特殊抑制剂，阻断链中某些特定的电子传递环节。若加入某种抑制剂后，则在阻断环节的负电子性侧速电子体（递氢体）因不能再氧化而大多处于还原状态，但在阻断环节的正电子性侧递氢、送电子体不能被还原而大多处于氧化状态。现已基本确定的两条主要的呼

7、吸链中各传递体的排列顺序如下：（1）NADH氧化呼吸键（如下图所示）。（2）琥珀酸氢化呼吸链（如下图所示）。（3）胞液中NADH及NADPH的氧化NADH必须通过线粒体内膜上的呼吸链，其中的氢才能被氧化成水，但是在胞液中形成的NADH（见糖代谢）不能透过正常线粒体内膜，因此线粒体外的NADH尚需通过穿梭系统才能将氢带入线粒体内，而后进行氧化。现已证明，动物体内有下列两种主要的穿梭系统。苹果酸穿梭系统（如下图所示）。苹果酸穿梭系统苹果酸脱氢酶；谷草转氨酶；线粒体内膜上的不同转位酶（苹果酸天冬氨酸穿梭机制 ）穿梭作用进入线粒体。 在哺乳动物的肝脏和其它的某些组织，存在着活跃的苹果酸-天冬氨酸穿梭机

8、制。这一穿梭机制涉及胞液和基质中的苹果酸脱氢酶和天冬氨酸转氨酶，以及线粒体内膜中的转运体。这种循环机制多在心肌和肝脏中发挥作用。胞液中NADH浓度升高时，可以还原草酰乙酸成苹果酸，同时重新生成NAD+。反应由苹果酸脱氢酶催化是可逆的。苹果酸增加后，可通过二羧酸载体系统与线粒体内的-酮戊二酸交换。进入线粒体内的苹果酸在苹果酸脱氢酶的作用下脱氢生成草酰乙酸和NADHH+。NADHH+进入NADH氧化呼吸连，经黄素蛋白等传递，最终将2H转递给氧生成水,释放2.5个ATP。草酰乙酸不能自由通过线粒体膜，而线粒体内的-酮戊二酸也需得到补充。于是，在氨基转移酶催化下，由谷氨酸与草酰乙酸进行转氨反应生成-酮

9、戊二酸和天冬氨酸。天冬氨酸借载体与胞液中的谷氨酸交换。进入胞液的天冬氨酸再与-酮戊二酸进行转氨产生草酰乙酸和谷氨酸，完成整个循环过程。磷酸甘油穿梭系统（如下图所示）。磷酸甘油穿梭系统胞液中磷酸甘油脱氢酶（辅酶为NAD）线粒体内磷酸甘油脱氢酶（输基为FAD）3ATP与能量的转换和利用生物体需要利用生物氧化过程中所释放的能量维持生命活动。生物氧化所释放的一部分能量以热能形式散发于周围环境中，约占总能量的60左右；另一部分则以化学能的形式储存于某些特殊类型的有机磷酸化合物之中。（1）高能磷酸化合物的生成在物质氧化过程中大约有40能量用于ADP的磷酸化合成ATP，该过程有两种方式：一是直接由代谢物分子

10、转移磷酸键至ADP，以合成ATP，即所谓底物水平磷酸化；二是在呼吸键的电子传递过程中偶联的磷酸化，称氧化磷酸化或电子传递水平磷酸化。（2）氧化磷酸化的偶联部位根据下述实验数据可以大致确定氧化磷酸化的偶联部位，即ATP的生成部位。PO比值测定及意义：研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体的PO比值。该比值是指每消耗一摩尔氧原子所消耗无机磷的摩尔数，即合成ATP的摩尔数。代谢物脱下的一对氢原子通过NADH呼吸链传递，PO比值为3；若通过琥珀酸呼吸链传递，PO比值为2，即分别合成了3或2摩尔ATP。根据氧化还原电位之间的电位差计算能量：呼吸链中的三个偶联部位，亦可根据呼吸链传递过程中自由能的变化计算

11、求得，三个ATP分子的形成截获了呼吸链中电子由NADH传递到氧所产生的全部自由能的42。（3）氧化磷酸化的抑制作用呼吸链阻断剂：能够阻断呼吸链中某一部位电子流的物质称为电子传递阻断剂或呼吸键阻断剂。已知的阻断剂及阻断部。如下图所示。解偶联剂：解偶联剂对于电子传递没有抑制作用，只抑制由ADP变为ATP的磷酸化作用，即它使产能过程与贮能过程相脱离。2，4二硝基苯酚是最早发现的一种解偶联剂。磷酸肌酸是动物体内高能磷酸化合物的贮存形式。在酶的催化下，ATP把高能磷酸键传递给肌酸，以生成磷酸肌酸。当肌肉收缩时，除ATP直接分解供能外，磷酸肌酸又可以转出高能磷酸键，使ADP生成ATP，供组织利用。二、呼吸

12、作用-糖的分解代谢呼吸作用的糖的分解代谢途径有三种，糖酵解、三羧酸循环和戊糖磷酸途径。不管是有氧呼吸或无氧呼吸，糖的分解都必须先经过糖酵解阶段，形成丙酮酸，然后才分道扬镳。还有一种葡萄糖在细胞质内进行的直接氧化降解的酶促反应过程称为戊糖磷酸途径。在正常情况下，植物细胞里葡萄糖降解主要是通过糖酵解和三羧酸循环，戊糖磷酸途径所占的比重较小（一般只占百分之几到三十之间）。但这两种途径在葡萄糖降解中所占的比例，随植物的种类、器官、年龄和环境而异。以葡萄糖的氧化为例，呼吸作用可分为三个部分：糖酵解；三羧酸循环和氧化磷酸化。（1）糖酵解指葡萄糖在无氧条件下被酶降解成丙酮酸，并释放能量的过程。也称为EMP途

13、径。包括一系列反应，都在细胞质中发生，而且不需要氧。这一过程可以分为以下两步（图4-4）：第一步是1分子葡萄糖经过两次磷酸化，而形成1分子的1，6-二磷酸果糖，这一过程要消耗2分子的ATP；第二步是1分子的1，6-二磷酸果糖，在有关酶的催化作用下，最终形成2分子的丙酮酸，并将2分子的氧化型辅酶（NAD+）还原成2分子的还原型辅酶（NADH），这一过程生成2分子的ATP。总反应式：2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H+2H2O葡萄糖+2ADP+2Pi+2NAD+在缺氧情况下，NADH就去还原乙醛成乙醇，或还原丙酮酸为乳酸。无氧呼吸释放二氧化碳，说明呼吸底物在此过程中也被氧化，但是氧化作用所需要的

14、氧是来自组织内的含氧物质，即水分子和被氧化的糖分子中得到的，因此无氧呼吸也称分子内呼吸。如果氧气充足，则丙酮酸就完全氧化形成水和二氧化碳。图4-4 糖酵解的过程图4-5 三羧酸循环（2）三羧酸循环糖酵解的产物丙酮酸，在有氧条件下进入线粒体，首先丙酮酸氧化脱羧，与辅酶A结合成为活化的乙酰辅酶A（乙酰CoA），再通过一个包括三羧酸和二羧酸循环而逐步氧化分解，最终形成水和二氧化碳并释放能量的过程。发生在在线粒体基质中。这一循环过程的最初中间产物是柠檬酸，而柠檬酸是一种三羧基酸，所以这个过程叫做三羧酸循环，也叫做Krebs循环或柠檬酸循环（图4-5）。概括地说，这一过程一共发生了5次脱氢，其中4次脱出

15、的氢都被NAD+携带着，形成NADH，另一次则被黄酶（FAD）携带着，形成还原型黄酶（FADH2），并形成2分子ATP。各种细胞的呼吸作用都有三羧酸循环；三羧酸循环是最经济和最有效率的氧化系统。其特点和意义如下：该途径不需要通过糖酵解对葡萄糖进行直接氧化，生成的NADPH也可能进入线粒体，通过氧化磷酸化作用生成ATP。产生大量的NADPH,为细胞的各种合成反应提供主要的还原力。NADPH作为主要的供氢体,为脂肪酸、固醇、等的合成, 硝酸盐、亚硝酸盐的还原以及氨的同化等反应所必需。为合成代谢提供原料。（3）氧化磷酸化在这一过程中，NADH中的H传递给了FAD，于是NADH被氧化成NAD+，而FA

16、D则被还原成FADH2。FADH2中的H2则分离成游离的氢离子（H+）和电子（e）：图4-6氧化磷酸化FADH2FAD+2H+ + 2e电子e可以在多种细胞色素中按顺序传递，最终传递给氧，再加上由FADH2游离出来的H+，最终生成H2O。这一过程中，H+和e在各传递体中依次传递，共同构成了一条链，因此叫做细胞呼吸电子传递链，或简称为呼吸链。在电子传递过程中，因为氧化NADH和FADH2而释放出的能量形成了ATP，并且这一氧化作用与磷酸化作用总是偶联在一起的，所以这一过程叫做氧化磷酸化（图4-6）。（4）呼吸作用产生的ATP统计1分子葡萄糖经过呼吸作用产生的ATP统计：糖酵解底物水平的磷酸化己糖

17、分子活化产生2NADH4ATP（细胞质）2ATP(细胞质)4或6ATP（线粒体）丙酮酸脱羧2NADH6ATP（线粒体）三羧酸循环底物水平磷酸化产生6NADH产生2FADH22ATP（线粒体）18ATP（线粒体）4ATP（线粒体）总计36或38ATP在氧化磷酸化过程中，1分子NADH彻底被氧化，需要发生3次磷酸化，生成3分子的ATP；1分子的FADH2彻底被氧化，则生成2分子的ATP。因为1 mol的物质含有6.02×1023个分子，所以，每氧化1 mol的葡萄糖，则生成6 mol的二氧化碳和6 mol的水，并生成38 mol的ATP。在标准状态（是指作用物的质量浓度为1 mol/L、

18、pH为7.0、温度为25 的状态）下，1 mol ADP形成1 mol ATP，需要30.54 kJ的能量，那么，38个ATP就需要1 161 kJ的能量。每氧化1 mol葡萄糖释放出来的能量是2 870 kJ，其中只有1 161 kJ被保留在ATP中，它们可供细胞生命活动利用。这就是说，有氧呼吸的能量转换效率约为40%左右，其余的能量则以热能的形式散失或作他用。典型例题例9以下哪种物质不属于糖酵解过程中的产物：（ ）A磷酸烯醇式丙酮酸 B3-磷酸甘油酸 C2-磷酸甘油醛 D果糖-6-磷酸答案：C解析：糖酵解过程大致可分成下列四个阶段：（1）葡萄糖或糖原转变为果糖-1，6-二磷酸（F

19、DP），（2）果糖-1，6-二磷酸分解为甘油醛-3-磷酸和二羟丙酮磷酸，（3）甘油醛-3-磷酸转变为丙酮酸，（4）在无氧情况下，丙酮酸经乳酸脱氢酶催化，接受甘油醛-3-磷酸脱氢过程中生成的NADHH+中的两个氢原子，被还原成为乳酸，乳酸是糖酵解的最终产物。例10抗氰呼吸受下列哪种抑制剂抑制 （ ） A抗霉素A B安密妥、鱼藤酮 CCO DKCN和CO答案：B解析：从上图可看出，要抑制抗氰呼吸，则这种呼吸抑制剂的作用位点应在UQ之前，因此应为安密妥、鱼藤酮。智能训练4下列过程中哪一个释放能量最多？ （ ）A糖酵解 B三羧酸循环 C生物氧化 D暗反应5葡萄糖酵解的产物是：（ ）A丙氨酸 B丙酮醛

20、C丙酮酸 D乳酸 E磷酸丙酮酸6动物体内糖类、蛋白质、脂肪在代谢过程中可以互相转化的枢纽是（ ）A三羧酸循环 B丙酮酸氧化 CATP的形成 D糖酵解12l分子丙酮酸经TCA循环及呼吸链氧化时 （ ）A生成3分子CO2 B生成5分子H2OC生成12个分子ATP D有5次脱氢，均通过 NAD+开始呼吸链 13葡萄糖转变为1-磷酸葡萄糖需要 （ ）AATP BNAD Cl，6-磷酸果糖D1，6-二磷酸葡萄糖 （1、 1，6磷酸果糖 在异构酶的作用下，生成-> 1，6二磷酸葡萄糖 2、 在经过 磷酸葡萄糖变位酶的作用，-1-磷酸葡萄糖 1、2都不要能量（ATP)）14一分子葡萄糖完全氧化可以生成

21、多少分子ATP （ ）A35 B38 C32 D24 15以有机物为基质的生物氧化反应中，主要以外源无机氧化物作为最终电子受体，称为 （ ）A好氧呼吸 B无氧呼吸 C发酵 D分子内呼吸（无氧呼吸以无机氧化物为最终电子受体。这类微生物生活在缺氧的环境中，以无机物作为有机质氧化的最终电子受体。如反硝化细菌以硝酸（NO3-），反硫化细菌以硫酸（SO4-）为电子受体（见反硝化作用、反硫化作用）。）17细胞进行有氧呼吸时电子传递是在 （ ）A细胞质内 B线粒体的内膜C线粒体的膜间腔内 D基质内进行18参与体内供能反应最多的高能磷酸化合物是：（ ）A磷酸肌酸 B三磷酸腺苷 CPEP DUTP EGTP19氧化磷酸化过程中电子传递的主要作用是：（ ）A形成质子梯度 B将电子传给氧分子 C转运磷酸根 D排出二氧化碳20以下各项中限制糖酵解速度的步