生物氧化

你的呼吸频率是多少？ 呼吸时为什么吸入的是氧气，吐出的是二氧化碳？ 你知道ATP吗？如何得知的？

维持生命活动的能量，主要有两个来源： 光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。 化学能：动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。 有机物质在生物体内的氧化作用，称为生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧化成CO2和水，并释放出能量。

生物代谢 生物代谢是指生物活体与外界环境不断进行的物质（包括气体、液体和固体）交换过程。 合成代谢一般是指将简单的小分子物质转变成复杂的大分子物质的过程。分解代谢则是将复杂的大分子物质转变成小分子物质的过程。 糖、脂和蛋白质的合成代谢途径各不相同，但是它们的分解代谢途径则有共同之处，即糖、脂和蛋白质经过一系列分解反应后都生成了酮酸并进入三羧酸循环，最后被氧化成CO2和H2O。

1 生物氧化的方式和特点 一、生物氧化的方式 生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化。在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。

1．脱氢氧化反应 （1）脱氢 在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。

烷基脂肪酸脱氢 琥珀酸脱氢

醛酮脱氢 乳酸脱氢酶

（2）加水脱氢 酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。

2．氧直接参加的氧化反应 这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化的生成水的反应。 加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如， 甲烷单加氧酶 CH4 + NADH + O2  CH3-OH + NAD+ + H2O 氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。

3．生成二氧化碳的氧化反应 （1）直接脱羧作用 氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。 （2）氧化脱羧作用 氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧生成丙酮酸。

二、生物氧化的特点 1，生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，pH7和常温）。 2，氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。 3，水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。 4，在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。

5，生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。 6，生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。

2 生物能及其存在形式 一、生物能和ATP 1. ATP是生物能存在的主要形式 ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。 2 生物能及其存在形式 一、生物能和ATP 1. ATP是生物能存在的主要形式 ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。 2. 生物化学反应的自由能变化 生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从热力学的规律。

二、高能化合物 磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起者重要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放出自由能。 一般将水解时能够释放21 kJ /mol（5千卡/mol)以上自由能（G’< -21 kJ / mol）的化合物称为高能化合物。 ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。 根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型。

1.磷氧键型（—O-P) (1)酰基磷酸化合物 乙酰磷酸 3-磷酸甘油酸磷酸 11.8千卡/摩尔 10.1千卡/摩尔

(1)酰基磷酸化合物 酰基腺苷酸 氨甲酰磷酸 氨酰基腺苷酸

（2）焦磷酸化合物 焦磷酸 ATP（三磷酸腺苷） 7.3千卡/摩尔

（3）烯醇式磷酸化合物 磷酸烯醇式丙酮酸 14.8千卡/摩尔

2. 氮磷键型 磷酸肌酸 磷酸精氨酸 10.3千卡/摩尔 7.7千卡/摩尔 这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。

3.硫酯键型 酰基辅酶A 3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸

4. 甲硫键型 S-腺苷甲硫氨酸

3 线粒体呼吸链和ATP合成 一、线粒体呼吸链的组成 细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所，主要功能是将代谢物脱下的氢通过多种酶及辅酶所组成的传递体系的传递，最终与氧结合生成水。 由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成的这种代谢途径一般称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，称为呼吸链。

线粒体呼吸链

线粒体呼吸链

三、电子传递和ATP的合成 NADH或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到O2的过程中，释放出大量的能量。这种高能电子传递过程的释能反应与ADP和磷酸合成ATP的需能反应相偶联，是ATP形成的基本机制。

（1）ATP酶复合体 线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的球状颗粒，称为ATP酶复合体，是ATP合成的场所。

ATP酶，含有5种不同的亚基（按3、3、1、1 和1 的比例结合）。OSCP为一个蛋白，是能量转换的通道。F0为一个疏水蛋白，是与线粒体电子传递系统连接的部位。

（2）ATP合成反应-氧化磷酸化 生物氧化的释能反应与ADP的磷酰化反应偶联合成ATP的过程，称为氧化磷酸化。 根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的G’ < -30.5 kJ / mol。 FMNH2  Q cyt. b  cyt. c1 cyt. a a3  O2 G’-55.6kJ/mol -34.7 kJ/mol -102.1kJ/moL 这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联，产生3个ATP。这些反应称为呼吸链的偶联部位。 从琥珀酸  O2只产生2个ATP.

ATP循环 人体中ATP的总量只有大约0.1摩尔。人体每天的能量需要水解100-150摩尔的ATP即相当于50至75千克。这意味着人一天将要分解掉相当于他体重的ATP。所以每个ATP分子每天要被重复利用1000-1500次。ATP不能被储存，因为ATP的合成后必须在短时间内被消耗。

生物合成 在细胞中ATP的摩尔浓度通常是1-10mM。 ATP可通过多种细胞途径产生。最典型的如在线粒体中通过氧化磷酸化由ATP合成酶合成，或者在植物的叶绿体中通过光合作用合成。ATP合成的主要能源为葡萄糖和脂肪酸。每分子葡萄糖先在细胞质基质中产生2分子丙酮酸同时产生2分子ATP，最终在线粒体中通过三羧酸循环（或称柠檬酸循环）产生最多38分子ATP。 　　在植物的叶绿体中通过光合作用合成的ATP一般不参与叶绿体外的生命活动

ATP酶 - 生理功能 人体预存的ATP能量只能维持15秒,跑完一百公尺后就全部用完， 功能：各种生命活动能量的直接来源

能源物质 肌肉中储藏着多种能源物质，主要有三磷酸腺苷（ATP）、磷酸肌酸（CP）、肌糖元、脂肪等

能源物质的代谢 （一）无氧代谢剧烈运动时，体内处于暂时缺氧状态， 在缺氧状态下体内能源物质的代谢过程，称为无氧代谢。它包括以下两个供能系统。 ①非乳酸能（ATP—CP）系统—一般可维持10秒肌肉活动 ②乳酸能系统—一般可维持1~3分的肌肉活动

非乳酸能（ATP—CP）系统和乳酸能系统是从事短时间、剧烈运动肌肉供能的主要方式。 ATP释放能量供肌肉收缩的时间仅为1~3秒，要靠CP分解提供能量，但肌肉中CP的含量也只能够供ATP合成后分解的能量维持6~8秒肌肉收缩的时间。因此，进行10秒以内的快速活动主要靠ATP—CP系统供给肌肉收缩时的能量。 乳酸能系统是持续进行剧烈运动时，肌肉内的肌糖元在缺氧状态下进行酵解，经过一系列化学反应，最终在体内产生乳酸，同时释放能量供肌肉收缩。这一代谢过程，可供1~3分左右肌肉收缩的时间。

（二）有氧代谢 　　是在氧充足的条件下，肌糖元或脂肪彻底氧化分解，最终生成二氧化碳和水， 　　同时释放大量的分解代谢，称为有氧氧化系统。

（三）能量供应 1、了解体育促进身体健康的道理 体育运动加速体内能源物质的消耗，促进体内物质的分解与合成， 　　体育运动加速体内能源物质的消耗，促进体内物质的分解与合成， 　　使组织细胞得到比原有水平更多的营养补充，有机体获得更加旺盛的活动能力， 　　从而使 身体不断发展、完善，这就是体育锻炼促进身体健康发展的基本道理。

2、了解能量供应与提高运动能力的关系 　　体育运动消耗体内的能源物质，经过一段时间休息后， 　　体内能源物质可以恢复甚至超过原有水平，这种变化称为超量恢复。 　　出现超量恢复的程度和时间的早晚取决于运动量的大小。 　　在一定范围内运动量越大，体内能源物质消耗越多，超量恢复的幅度也越大， 　　但所需的时间也长，在身体出现超量恢复阶段，进行第二次适宜的运动与休息， 　　可以逐步提高人体的能量供应水平，从而不断提高人体运动能力。

3、了解有氧锻炼与减肥的道理 　　长时间的运动是在有氧代谢的条件下进行的，要靠脂肪的代谢提供能量， 　　因此，有氧运动是消耗脂肪达到减肥目的的有效方法。

运动中机体供能的方式可分两类： 一类是无氧供能 　　即在无氧或氧供应相对不足的情况下，主要靠ATP、CP分解供能和糖元无氧酵解供能(即糖元无氧的情况下分解成为乳酸同时供给机体能量)。 　　这类运动只能持续很短的时间(约 l一3分钟)。800米以下的全力跑、 　　短距离冲刺都属于无氧供能的运动。

另一类为有氧供能 　　即运动时能量主要来自糖元(脂肪、蛋白质)的有氧氧化。 　　由于运动中供氧充分，糖元可以完全分解，释放大量能量，因而能持续较长的时间。这类运动如5000米以上的跑步，1500米以上的游泳：慢跑、散步、迪斯科、交谊舞、自行车、太极拳等都属于这类运动。 　　由此，我们可以得到一个简单的启示：即大强度的运动不可能持续很长时间，总的能量消耗较少，因而不是理想的减肥运动方式；而强度较低的运动由于供氧充分，持续时间长，总的能量消耗多，更有利于减肥。减肥的最终目的是消耗体内过多的脂肪，而不是减少水分或其它成分。

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