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核酸的基本结构单位是核苷酸。核酸降解产生核苷酸，核苷酸还能进一步分解。在生物体内，核苷酸可由其他化合物合成，某些辅酶的合成与核苷酸代谢也有关。
体内的核苷酸可来自食物中核酸或体外核酸类物质的分解吸收，但主要是由机体细胞自身合成。因此，核酸不属于营养必需物质。
动物和异养型微生物可以分泌消化核酸的酶类得到各种核苷酸，核苷酸水解脱去磷酸生成核苷，核苷再分解生成嘌呤碱基或嘧啶碱基和糖。核苷酸和它的水解产物均可被细胞吸收和利用。
4.5核酸分解代谢
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所有生物体的细胞都含有与核酸代谢有关的酶类，能够分解细胞内各种核酸，促使核酸分解更新。在体内核酸水解产物戊糖可以参加戊糖代谢，嘌呤和嘧啶还可进一步分解。核酸分解过程如下：
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4.5.1核酸的分解
核酸(Nucleic acid)分解的第一步是水解连接核苷酸(Nucleotide)之间的磷酸二酯键，生成核苷酸片段或单核苷酸。
在生物体内有许多磷酸二酯酶，称为核酸酶。水解RNA的酶叫做核糖核酸酶（RNase），水解DNA的酶叫做脱氧核糖核酸酶（DNase）。能够水解核酸分子内的磷酸二酯键的酶称为核酸内切酶。从核酸的5′端或3′端把核苷酸一个一个水解下来的酶叫做核酸外切酶。如蛇毒磷酸二酯酶是从核酸3′端开始，逐个水解下5′-核苷酸。牛脾磷酸二酯酶则相反，从游离5′端开始，逐个水解下3′-核苷酸。见图4-11。
第4章细胞内生物分子的新陈代谢
在细菌体内存在核酸限制性内切酶，它是水解外源DNA的核酸内切酶，专一性强。
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4.5.2 核苷酸的降解
生物体内广泛存在核苷酸酶可使核苷酸水解成核苷和磷酸。核苷酸酶无特异性，它对一切核苷酸都能水解。某些特异性核苷酸酶，如3′-核苷酸酶只能水解3′-核苷酸，5′-核苷酸酶只能水解5′-核苷酸。
使核苷分解的酶有两类：一类是核苷磷酸化酶，使核苷磷酸分解成含氮碱和戊糖磷酸。另一类是核苷水解酶，使核苷分解成为含氮碱和戊糖。反应如下：
第4章细胞内生物分子的新陈代谢
核苷磷酸化酶分布比较广，它催化的反应是可逆的。核苷水解酶主要存在于植物和微生物，它所催化的反应是不可逆的，而且只对核苷酸起作用，对脱氧核糖核苷无作用。
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4.5.3 嘌呤的分解
不同种类生物分解嘌呤(Purine)的能力不一样，因而代谢产物也各不相同。人和猿类及一些排尿酸的动物（如鸟类，某些爬虫类和昆虫等）以尿酸作为嘌呤代谢的最终产物。其他的多种生物还能进一步分解尿酸，形成不同代谢产物，直到最后分解成为CO2和氨。见表4-3。
第4章细胞内生物分子的新陈代谢
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动物组织广泛含有鸟嘌呤酶。它可以催化鸟嘌呤水解脱氢，生成黄嘌呤，后者进一步在黄嘌呤氧化酶作用下氧化成尿酸。动物组织中腺嘌呤酶含量极少，但腺苷脱氮酶分布很广。有的组织还含有腺苷酸脱氨酶。因此，腺嘌呤的水解脱氨基作用可能是在腺苷或腺苷酸的水平上发生。
嘌呤类化合物在核苷酸、核苷和碱基三个水平降解产生尿酸的过程总结如图4-13。
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人和猿类缺乏分解尿酸的能力。鸟类等排尿酸动物不仅把嘌呤分解成尿酸，还可以把大量其他含氮代谢物转化成尿酸排出体外。大多数生物能继续分解尿酸。在尿酸氧化酶作用下，尿酸脱去CO2生成尿囊素。尿囊素是人和猿类以外其他哺乳类嘌呤代谢排泄物，其他多种生物含有尿囊素酶，使尿囊素水解成尿囊酸。尿囊酸是某些硬骨龟嘌呤代谢产物。在尿囊酸酶作用下，尿囊酸生成尿素和乙醛酸，尿素是多数龟类和两栖动物嘌呤代谢的排出物，还有某些低级动物分解尿素成CO2和NH3排出体外。见图4-14。
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第4章细胞内生物分子的新陈代谢
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4.5.4 嘧啶的分解
在不同种类的生物体内，嘧啶(Pyrimidine)分解的过程不一样。在动物体内，嘧啶通过还原作用分解，在哺乳动物的肝脏中进行嘧啶的分解，在微生物体内通过氧化作用分解嘧啶。
1.还原作用分解过程
胞嘧啶脱氨在人和动物体内的脱氨过程也可能是在核苷或核苷酸水平上进行的。
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2.通过氧化作用分解过程
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4.6.1 生物氧化概述
1.生物氧化的概念
生物体内一切代谢物的氧化称为生物氧化(Biological oxidation)，即有机物在生物体内氧化分解为二氧化碳和水并释放能量合成ATP的过程。生物氧化可分为三个阶段，首先是有机物的氧化脱氢；接着氢以H++e-形式进入呼吸电子传递链而被传递给氧生成水，同时释放能量；最后ATP合成系统利用这些能量催化合成ATP。
上述内容是生物氧化的广义概念，既包括有机物氧化的各种生物氧化反应，又包括呼吸链电子传递和ATP的合成过程。一般意义上的生物氧化是指后两个阶段，即电子传递和ATP合成。
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4.6 生物氧化与能量代谢
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2.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）脱电子反应
从作用底物上脱去电子(e)，如细胞色素类氧化时，其辅基血红素所含的Fe2+则失去电子形成Fe3+。
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（2）脱氢反应
底物分子脱去氢原子而被氧化。分为直接脱氢和加水脱氢两大类。
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（3）加氧反应
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被氧化碳由反应前-1价变为反应后+1价，价数升高即发生了氧化。从电子理论讲，反应前，碳由于吸引氧原子的电子云而处于富电状态；反应后，氧的电负性大于碳，碳原子的电子云被氧所吸引，碳处于缺电状态。所以反应中虽无分子间的电子转移，却发生了电子云在分子内的重新分布，因而是氧化还原反应。氧化还原反应实质上是电子或质子+电子的转移反应。
高等动物通过肺进行呼吸，吸入氧气，排出二氧化碳。吸入的氧气用以氧化摄人体内的营养物质，获得能量，所以生物氧化也称呼吸作用。微生物则以细胞直接进行呼吸，放又称细胞呼吸。吸入氧气，徘出二氧化碳，是呼吸的现象，它的本质是物质在生物体内的氧化作用。十九世纪，人们发现微生物不仅能在有氧条件下生存，许多微生物在无氧条件下也能进行氧化作用。因此，根据生物氧化(呼吸作用)是否有分子氧参加，而将其分为两种方式。
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1）有氧氧化
有氧氧化也称为有氧呼吸，许多好气和兼性厌气的微生物能利用空气小的分子氧来氧化底物，最终生成二氧化碳和水，这种方式氧化彻底，释放的能最多。
2）无氧氧化
无氧氧化也称为无氧呼吸(Anaerobic respiration)，这是指以非分子氧物质氧化底物的方式，又可分为两种情况：
兼性厌气的微生物能利用体内的有机物来氧化底物，最终生成氧化不完全的产物，常称为“发酵作用”。这种方式氧化不彻底，释放的能量少。
许多厌气微生物能以无机物氧化底物，这种情况下的氧化较为彻底，但释放的能量不如有氧氧化方式多。
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（3）生物氧化的特点
生物氧化与体外燃烧虽然起始和结果是相同的，如都消耗氧气，都生成二氧化碳和水，释放的能量相等，但作用的条件，方式，过程却迥然不同。与体外燃烧相比，生物氧化具有以下特点：
1）生物氧化是在细胞内的生理条件下进行，条件温和，近似恒温恒压。如植物体内生物氧化是在环境温度下进行的，恒温动物的生物氧化是在体温下进行的。而有机物体外燃烧需高温或高压以及干燥条件下进行。
2）生物氧化是复杂的酶催化的、辅酶和电子传递体参与的多步反应。如葡萄糖氧化为二氧化碳，需经过十九个酶(多酶复合体)、分为二个酶系催化、二十一步反应才完成的。体外燃烧是自发进行，并且是自由基反应。
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3）生物氧化时，有机分子的能量是逐步释放的。这种逐步分次的放能方式，不会引起体温的突然升高，而且有利于放出能量的捕获、转化。体外燃烧时，有机分子的能量是一次性以光和热的形式以爆发式释放的。 4）生物氧化过程产生的能量一般贮存于一些特殊化合物中，主要是ATP，供应生化反应、生理活动需要。体外燃烧释放的能量无贮存形式。
5）生物氧化受细胞的精确调节控制，有很强的适应性，可随环境和生理条件变化而改变呼吸强度和代谢方向。
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4.6.2 生物氧化体系和酶类
1.生物氧化体系
生物氧化作用主要是通过脱氢反应来实现的，一般包括脱氢、递氢、受氢三个环节。这就是说，底物上脱下的氢大多数情况下不是直接交给受氢体，而是经过一些递氢体进行传递，最终交给受氢体。对于不同的微生物来说，所含有的氧化还原酶类不同， 因此它们的氧化方式不同，脱氢、递氢、受氢过程也不相同，于是构成各种不同的生物氧化体系。现就生物氧化过程中底物上的氢如何脱下，以及在有氧与无氧的情况下氢的去路问题，分别讨论如下：
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（1）有氧氧化体系
以分子氧为最终受氢体的有氧氧化中，根据是否有传递体进行递氢过程，可分为不需传递体体系和电子传递体系(Electron transport system)。
1）不需传送体体系
这是最简单的一种体系，该体系中投有递氢过程，底物上脱下的氢与分子氧的结合只需一种酶参与催化。根据所催化的酶的不同，又可分为氧化酶类型和需氧脱氢酶类型。
氧化酶类型
该类型的反应模式如下：
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氧化酶不能激活底物上的氢，当底物的氢解离成氢离子(H+)和电子(e)时，氧化酶分子中的金属离子(例如Cu++)取得电子，并将电子传给分子氧，使之活化成O＝，O=与氢离子结合成水。由氧化酶催化的反应不能在无氧的俏况下进行，没有任何其它的受氢体可以代替氧。
由氧化酶催化的反应不能在无氧的俏况下进行，没有任何其它的受氢体可以代替氧。
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②需氧脱氢两类型 此类反应的模式为：
需氧脱氢酶能激活底物上的氢，使之脱下，其辅酶(FAD或FMN)能将氢(H2)释放出的两个电子传给分子氧，使之活化成为O=,O=与氢离子结合生成过氧化氢。以此种类型进行氧化的生物体内往往具有过氧化氢酶，可将H2O2分解，以避免它对机体的毒害。
在无氧的情况下，甲烯蓝或醌可代替氧作为受氢体，而使反应进行。
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③不需传递体体系中两种类型的比较
氧化酶不能从底物上脱氢,而需氧脱氢酶能脱氢；最终电子受体为氧时，氧化酶类型中氧化的最终产物是水，而需氧脱氢酶类型中氧化的终产物是过氧化氢；氧化酶类型只能以氧作为最终电子受体，而需氧脱氢酶类型于无氧的情况下，可以甲烯蓝或醌代替氧作为最终电子受体。
2）电子传递体系
这是生物体主要的生物氧化体系，这种体系的成员包括：以NAD为辅酶的不需氧脱氢酶、以FAD或FMN为辅基的黄素蛋白(FP)、泛酸(UQ)、细胞色素(Cyt)b、c1、c及细胞色素氧化酶(细胞色素a+a 3)。在此体系中，底物脱下的氢不是直接交给氧，而是经由一系列传递体，最终传给氧。该体系通常称为电子传递体系或电子传递链，也称为呼吸链(Respiratory chain)。
具有线粒体的生物中，典型的电子传递链有两种，按接受底物上脱下的氢的初始受体不同，分为NAD传递链和FAD传递链。
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NAD传递链
以NAD+为辅酶的各种不需要脱氢酶类催化产生的还原型辅酶（NADH+H+）都要经线粒体内膜上的NADH脱氢酶汇入呼吸链。先传给CoQ，生成还原型CoQH2，然后质子对与电子对分离。质子对游离，电子则由细胞色素依次传递，直至激活分子氧。被激活的氧负离子与游离的质子对结合，生成水。
因为该传递体系是从汇集还原型辅酶(NADH+H+)的氢原子对开始的，故称其为NAD呼吸链。这是目前已知传递过程最长的一条呼吸链。其传递反应历程如图4-15所示。
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②FAD呼吸链
该传递链中，催化脱氢的是以（FMN、FAD）为辅基的不需氧脱氢酶，它也是一种黄素蛋，但与NAD传递链中的黄素蛋白不同。
琥珀酸脱氢酶(FP2),磷酸甘油脱氢酶(FP3)、脂酰CoA脱氢酶（FP4）等不需氧脱氢酶的氢原子对都要经过CoQ汇入呼吸链。但反应历程不尽相同，FP2、FP3皆为膜上蛋白，可直接与自由移动的CoQ反应。FP4不在膜上，需要由膜上的电子传递黄素蛋白(ETF-FAD)将氢原子对传给CoQ，以下的传递机制与NAD呼吸链相同，其传递反应历程如图4-15所示。
因为上述电子传递体系是由汇集黄素不需氧脱氢酶的氢原子对开始的，故称为FAD呼吸链。FAD呼吸链比NAD呼吸链的传递历程短，产能也少。
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③其它传递链
无线粒体的细菌的电子传递链与上述典型的传递链大致相似，不同的菌类中传递链的传递体组成有所不同，如草分技杆菌中没有泛醌，而以维生素K代替泛醌的作用，各种菌含有的细胞色素也有所差异。另外在一个细菌中常常不只含有一种细胞色素作为传递链末端的氧化酶。
细菌可能的几种传递链如图如4-16所示。
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1）以有机物为最终电子(氢)受体的氧化体系(即发酵作用的氧化体系)
2）以无机氧化物为电子(氢)受体的无氧氧化体系
无氧氧化体系
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（2）无氧氧化体系
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1）以有机物为最终电子(氢)受体的氧化体系(即发酵作用的氧化体系)
在此体系中，作为最终电子(氢)受体的有机物通常是代谢物质中间分解产物。绝大多数情况下，底物上脱下的氢交给了NAD(P)，使之还原成为NAD(P)H2，再由NAD(P)H2将氢转交给另一有机物。
如酵母利用葡萄糖进行酒精发酵过程中：
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3-磷酸甘油醛被3-磷酸甘油醛脱氢酶脱氢，氧化成为1，3二磷酸甘油酸，脱下的氢交给3-磷酸甘油醛脱氢酶的辅酶NAD使其还原成NADH2。而乙醛则作为最终氢(电于)受体，在乙醇脱氢酶(辅酶也为NAD)的催化下，通过NADH2把2H转移给乙醛生成乙醇。
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2）以无机氧化物为电子(氢)受体的无氧氧化体系
此体系借以N03-、NO2-、S04=、S203=、C02等无机氧化物为最终电子(氢)受体。氢(电子)的传递过程不仅有NAD，还有细胞色素参与。根据最终电子(氢)受体的不同，传递体的组成也有所不同。如脱磺脱硫弧菌(Desulfouibrio desulfuricans)的无氧氧化体系大致为：
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①氧化酶类
②脱氢酶类
2.生物氧化酶类
在生物体内，氧化作用都是由酶催化的，下面讨论几种有关的氧化酶类及传递体。
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生
物
氧
化
酶
类
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（1）氧化酶类
氧化酶类是指含有铜或铁的金属蛋白，不能从底物上脱氢，只能夺取底物上的电子对，用于激活分子氧，从而促进养与底物的化合。氧化酶只能以分子氧为受体，无养条件下不能起催化作用，反应历程如下：
重要的氧化酶由细胞色素氧化酶，酚氧化酶等。
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a.细胞色素氧化酶
它是广泛分布于动物、植物、微生物细胞中的一类血红素蛋白，是呼吸链的最后—个酶，因而，又名为末端氧化酶。
ｂ.酚氧化酶
较重要酚氧化酶有多酚氧化酶、儿茶酚氧化酶等。这些酶在能量代谢中都没有意义，但与生产实践关系密切。
①氧化酶类
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1）细胞色素氧化酶
广泛分布于动物、植物、微生物细胞中的一类血红素蛋白，是呼吸链的最后—个酶，因而，又名为末端氧化酶。研究证明，细胞色素氧化酶是细胞色素a(Ｃyta)和细胞色素ａ３(Ｃytaa３)组成的蛋白复合物，用Ｃytaa３表示，复合物含有两分子血红素A，每个血红素中的铁原子都可发生二价与三价的可逆变化，从而将细胞色素传递来的电子转移给最终受体分子氧，反应如下：
第4章细胞内生物分子的新陈代谢
氢化物、硫化物、叠氮化合物及一氧化碳等，对Ｃyta３有不可抑制作用，能阻断电子由Ｃyta３向氧的传递。故而这些化合物为呼吸抑制剂。
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2）酚氧化酶
较重要酚氧化酶有多酚氧化酶、儿茶酚氧化酶等。这些酶在能量代谢中都没有意义，但与生产实践关系密切。其中，多酚氧化酶广泛分布于高等植物及细菌中，是以二价铜离子为辅基的金属蛋白。所催化的反应示例如下：
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在有氧条件下，酚氧化酶催化酚类化合物氧化，生成有色的醌类化合物，导致果蔬食品和饮料发生生物褐变，使产品质量降低。所以，在果蔬食品加工中都力戒酚氧化酶起作用。
在生物体内，氧化作用都是由酶催化的，下面讨论几种有关的氧化酶类及传递体。
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（2）脱氢酶类
催化脱氢的酶类，根据其是否直接将脱下的氢交给分子氧，分为需氧脱氢酶和不需氧脱氢酶。
a.需氧
脱氢酶
b. 不需氧脱氢酶
脱氢酶类
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1）需氧脱氢酶
这类酶的分子也是以FＭN或FAD为辅基的黄素蛋白，它也催化底物分子脱氢氧化；但与不需氧脱氢酶类不同，这类酶需要用分子氧作为直接受氢体，反应生成过氧化氢。因此，需氧脱氢酶类是既能催化底物脱氢，又直接激活分子氧的黄素蛋白，兼具不需氧脱氢酶和氧化酶类两者的作用特点，故而有时将其归入脱氢酶类，有时又称其为氧化酶。反应过程如下：
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2）不需氧脱氢酶
凡直接作用于底物分子，使之脱氢氧化，又不以氧作为直接受氢体的酶，称为不需氧脱氢酶。这类酶是能量代谢中催化底物分子氧化的主要酶类。其作用特点是，只能激活底物分子，夺取其电子对(2e-)和质子对(2H+)使之氧化，酶分子的辅酶接受电子对被还原。可是，还原型的辅酶分子不能激活分子氧，不能以O2为其电子受体。不需氧脱氢酶在有氧或无氧条件下都能催化代谢底物分子氧化。有氧条件下，还原型辅酶的电子由氧化性的递体接受并最最终传递给分子氧。无氧条件下，可由氧化型的代谢中间产物分子作为受体。只要有足够的氧化型受体使还原型辅酶随时氧化，不需氧脱氢酶的催化作用就可以持续进行。反应过程为：
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不需氧脱氢酶成员很多，底物专一性很强，但辅酶主要有NAD＋、NADP＋、FMN、FAD四种。据此，可将不需氧脱氢酶分为两类。
a.以NAD＋或NADP＋为辅酶的不需氧脱氢酶类
b.以FMN或FAD为辅基的不需氧脱氢酶
不需氧脱氢酶
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①以NAD＋或NADP＋为辅酶的不需氧脱氢酶类
目前所知，已有200多种，大都以NAD＋为辅酶，以NADP＋为辅酶相对少些。有的酶，NAD＋、NADP＋都可用。如Ｌ-谷氨酸脱氢酶的同功酶中，催化Ｌ-谷氨酸氧化分解者用NAD＋作辅酶；催化逆反应α-酮戊二酸还原氨基化合成谷氨酸者，用NADPH作辅酶；肝脏细胞和细菌中的Ｌ-谷氨酸脱氢酶，NAD＋、NADP＋都可用。
辅酶NAD＋和NADP＋的生化功能有所不同，一般而言，以NAD＋为辅酶，从底物分子脱下的氢原子对主要是通过呼吸链发生氧化磷酸化反应合成ATP。以NADP＋为辅酶脱下的氢原子对则主要为生物合成提供还原力。
在糖、脂分解代谢中，脱氢酶类催化仲醇基团的脱氢反应和氨基酸α碳原子的氨甲基基团上的脱氢反应都是由NAD＋或NADP＋作为辅酶。
第4章细胞内生物分子的新陈代谢
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例如：
第4章细胞内生物分子的新陈代谢
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辅酶（NAD＋或NADP＋）与酶蛋白是非共价的。它们的还原型（NAD＋或NADP＋）与酶蛋白的亲和力更低。因此，在反应过程中被还原后，即自行与反应基质中的氧化型辅酶交换。此现象可用３-磷酸甘油醛脱氢酶的催化反应为例：
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②以ＦＭＮ或ＦＡＤ为辅基的不需氧脱氢酶
这类酶分子中，ＦＭＮ或ＦＡＤ与酶蛋白结合牢固，故称为辅基。因为ＦＭＮ及ＦＡＤ是核黄素的衍生物，所以，这类酶的纯化制品呈黄色，故又称为黄酶或黄素蛋白，专一性催化链烃中相邻亚甲基“－ＣＨ２－ＣＨ２－”基团的脱氢，底物分子中产生双键。例如：
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还原型黄素蛋白上的氢原子对需经FAD呼吸链氧化。
这类酶成员不多，但很重要。常见的有β-磷酸甘油脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、酯酰CoA脱氢酶、二氢硫辛酸脱氢酶等都是以FAD为辅基的黄酶。此外。还有ＮADH脱氢酶，辅基是FMＮ，该酶位于线粒体内膜上，专事汇集线粒体基质中还原型辅酶I(NADH＋H-)，的氢原子对进入呼吸链氧化。琥珀酸脱氢酶和β-磷酸甘油脱氢酶也位于线粒体内膜上，它们的还原型辅基是以辅酶Q为受氢体。
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①氢传递体
②电子传递体
3.生物氧化体系中的电子传递体
传递体分为氢传递体及电子传递体两类。
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传
递
体
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(1)氢传递体
氢传递体能从底物上接受氢原子(H++e-)，并把它传递给另一个适当的受氢体。氢传递体可分为以下几种：
1)烟酰胺核苷酸类
它们都是不需氧脱氢酶的辅酶，有NAD(辅酶I)和NADP(辅酶Ⅱ)两种。它们的氧化型和还原型互相转变时起了递氢作用。
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2)异咯嗪核苷酸类
它们是黄素蛋白的辅基，有FAD和FMN两种。它们也是以氧化型和还原型之间的相互转变起递氢作用。
3)泛醌(UQ)
泛酯又称为辅酶Q,它是小分子化合物，氢传递到UQ后，被解离成氢离子和电子，UQ将电子传给细胞色素，在呼吸链中，UQ的分子数往往比细胞色素多好几倍。
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(2)电子传递体
电子传递链中，由细胞色素专门传递电子，它们那是以铁卟啉为辅基的色蛋白。按各种细胞色素处于还原态时吸收光带的不同，将它们分为a、b、c三大类。不同的细胞色素，蛋白质部分和铁卟啉的侧链都不相同。其传递电子的机制是借辅基铁卟啉上铁原子价的可逆变化而进行的。
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4.6.3 生物氧化过程中能量的转移和利用
生物氧化的功能是为生物体的生命活动提供能量，生物体只能利用化学能和光能(植物和某些光合细菌)。本节将讨论生物氧化过程中化学能的释放、转移和利用。
1.氧化还原电位及自由能的变化
(1)氧化还原电位
在生物氧化反应中，通过研究各种化合物对电子的亲和力，可以了解它们容易被氧化(作为电子供体)，还是容易被还原(作为电子受体)。通常用氧化还原电位相对地表示各种化合物对电子亲和力的大小。
许多重要的生化物质氧化还原体系的氧化还原电位己被测定。表4-4列出生物体中某些重要氧化还原体系的氧化还原电势E’0。
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第4章细胞内生物分子的新陈代谢
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第4章细胞内生物分子的新陈代谢
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从表中所列的数据，可以预期任何两个氧化还原体系如果发生反应时，其氧化还原反应朝哪个方向进行。因为氧化还原电势较高的体系，其氧化能力也较强。反之，氧化还原电势较低的体系．其还原能力也强。从表4-4中可看出1/2O2/H2O系统可能氧化所有在它以下的各个体系，反过来说，这些体系也都可使1/2O2/H2O体系还原。
氧化还原体系对生物体之所以重要，不只是因为生物体内许多重要反应部属于氧化还原反应，更重要的是生物体的能量来源于体内所进行的氧化还原反应。要了解氧化还原体系和能量之间的关系必须弄清有关能量的一些基本概念。
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(2)生物氧化中自由能的变化
对于生化过程能量变化的描述．热力学概念中最有说明意义的是自由能G。生物氧化反应近似于在恒温恒压状态下进行，过程中发生的能量变化可以用自由能变化△G表示。△G表达了不包括体积功在内，反应所提供的最大的可利用的能量。按照惯例，反应是自发进行的，△G 具有负值，表示过程中有能量释放：如果反应是被动进行的，则△G具有正值，表示反应必须从外界获得能量才能进行。△G的符号表达了反应发生的方向；而△G的数值则表达了自由能变化的量的大小。
在实验的基础上，总结出反应的自由能变化与两个体系的氧化还原电位之差有如下关系：
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利用这个式子对于任何一对氧化还原反应都可由△E 方便地计算出△G 。
例如，NAD传递链中NAD／NADH+H+的氧化还原标准电位为-0.32V，而1/2O2/H2O的氧化还原标准电位为+0.82V，则一对电子自NADH2传递至氧原子的反应中，标准的自由能变化可按下式得到：
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①底物水平磷酸化
②电子传递磷酸化
2.氧化磷酸化
在生物氧化过程中，氧化放能反应常常有吸能的磷酸化反应偶联发生。偶联反应将氧化释放的一部分自由能用于无机磷参加的高能磷酸键生成反应。这种氧化放能反应与磷酸化吸能反应的偶联，可在两种水平上发生，分别称为底物水平磷酸化和电子传递磷酸化。
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氧
化
磷
酸
化
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(1)底物水平磷酸化
在底物氧化过程中，形成某些高能中间产物或某种高能状态，再通过酶的作用促使其将能量转给ADP生成ATP，称为底物水平磷酸化(Substrate level phosphorylation)。
式中的X-P代表底物在氧化过程中形成的高能中间化合物或某种高能状态，例如：糖酵解途径中，3磷酸甘油醛脱氢氧化生成ATP的反应：
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反应底物被脱氢氧化时，分子内能重新分布，集中较高的自由能，利用无机磷合成了高能磷酸键。然后，又将高能磷酸基团转移给ADP合成ATP。
底物水平磷酸化的能量来自底物分子中能量的重新分布与集中，这也是捕获能量的一种方式，在糖酵解作用中，它是进行生物氧化取得能量的惟一方式。底物水平磷酸化与氧是否存在无关。
(2)电子传递磷酸化
这是生成ATP的一种主要方式，往往就简称为氧化磷酸化(Oxidative phosphorylation )。在传递链中，底物上脱下的氢进入电子传递体系，最终传给了氧。人们发现这个过程正常进行时，只要有ADP和Pi存在，就有ATP生成，也就是说电了传递过程和磷酸化作用是相偶联的。
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1)氧化磷酸化的偶联部位
电子对在呼吸链递体间的每一次传递都是氧化方能方式，但是并非都能发生偶联反应。电子对经NAD呼吸链传递时。电位变化、自由能变化及偶联部位如图4-17所示。
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三个△G0大的部位都能驱动偶联反应，合成ATP。因为电子传递过程中既能消耗Pi，又能消耗O2,一定时间内耗Pi的物质的量与耗氧原子物质的量的比值称为磷/氧比值，用“P/O”表示。测定P/O比可以了解电子传递机制及偶联反应的次数，NAD呼吸链P/O=3，FAD呼吸链P/O=2。
使用专一性呼吸抑制剂可中断电子传递。解偶联剂可阻止偶联反应，使ATP不能合成。二者都可以帮助了解偶联发生的部位。例如抗霉素A专一性阻止电子从CoQ到Cytc，在抗霉索A存在下，加入人工电子受体高铁氰化物(Fe3-)测得P/O=1，证明NADH-CoQ是第一个偶联部位，生成一分子ATP。类似的方法证明CoQ-Cytc是第二个偶联部位；Cytaa3-O2是第三个偶联部位；
从图4-16中可知，NAD呼吸链有三个部位△G0较大，部位Ⅰ在NADH和CoQ之间，部位Ⅱ在Cytb和Cytc之间，部位Ⅲ在Cytaa3在分子氧之间。三个部位所产生的自由能都足够驱动磷酸化偶联反应，合成ATP。所以，1mol电子对经NAD呼吸链传递可合成3molATP。
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3mol高能磷酸键贮能：-30.5×3=-91.5KJ
1mol电子对经NAD链氧化：△G0=-220.3kJ
能量利用率=91.5/220.3×100%=41.5%
其余能量以热能形式散发到环境之中。
对于FAD呼吸链，因为少了NADH到CoQ的偶联部位，所以，每传递一对电子，只能生成2分子ATP。
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2)氧化磷酸化的偶联机理
虽然我们已经知道氧化磷酸化生成ATP与电子传递相偶联这一事实，但是关于传递链中的电子怎样在从一个中间载体传递到另一个中间载体的过程中促使ATP的生成，以及这种电子传递与ATP生成之间的偶联方式仍然是有争议的，是尚未完全解决的问题。迄今有3种假说来解释氧化磷酸化的机理，化学偶联假说、构象偶联假说及化学渗透假说，其中得到较多支持的是化学渗透假说。
化学渗透假说(Chemosmotic hypothesis)于1961年由P.Mitchell首先提出，并因此获得1978年的诺贝尔化学奖。该假说认为，在电子的传递和ATP的合成之间，起偶联作用的既不是中间络合物，也不是蛋白质的高能构想，而是质子电化学梯度。
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其基本观点如下：
①呼吸链中的电子传递体在线粒体内膜中有着特定的、不对称的分布，氢传递体和电子传递体是间隔交替排列的，催化反应是定向的。
②电子在进行传递过程中，电子传递复合体起质子泵作用，将H+从线粒体内膜基质侧，定向地泵至内外膜间空隙侧，而将电子(2e)传给其后的电子传递体，如图4-17(a)所示。
③线粒体内膜对质子具有不透性，泵到内膜外侧的H+不能自由返回到膜内侧，因而使线粒体内膜外侧的H+浓度高于内侧，在内膜两侧就建立起质子浓度梯度，形成膜电位。这种跨膜的质子电化学梯度就是推动ATP合成的原动力，称为质子推动力（PMF）。
④ATP酶位于线粒体膜上，当存在足够高的跨膜质子梯度时，强大的质子流通过ATP酶进入线粒体基质时，释放的自由能推动ADP与Pi合成ATP，如图4-18(b)所示。
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化学渗透假说已被大量的实验结果验证，但目前也遇到了严峻的挑战，成为生物能研究中大家关注的问题。
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1. 什么叫新陈代谢 试述微生物新陈代谢的特点。
2. 微生物怎样分解双糖和多糖
3．试述葡萄糖的酵解过程。
4．什么叫三羧酸循环？它对生物有何重要意义
5．什么叫磷酸戊糖途径？它的生物学意义何在？
6. 何谓β氧化作用 脂肪酸的β-氧化主要由哪几步化学反应组成 其最终产物为何物
7. 蛋白质是怎样水解成氨基酸的？
8．氨基酸是怎样脱氨基的 脱下的氨如何进行代谢？
9. 酮基酸有哪些代谢途径
10.试述核酸降解有关的酶及其作用机制。
11.生物氧化作用对于生物体有何意义
12.试述生物氧化的主要方式。
13.何谓为电子传递体系？在具有线粒体的生物中，有哪些典型的电子传递链？
14.何谓氧化磷酸化？何谓磷氧比（P/O）,有什么生物意义？
复习题：
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