第十二章生物氧化 第一节 生物能学的几个概念 化学反应中的自由能变化及其意义 1、化学反应中的自由能 自由能:在一个体系中,能够用来做有用功的那一部分能量称自由能,用符号G表示。 在恒温、恒压下进行的化学反应,其产生有用功的能力可以用反应前后自由能的变化来衡量。 自由能的变化:△G=G两一G物=△H-T△S △G代表体系的自由能变化,△H代表体系的焓变化,T代表体系的绝对温度,△S代表体系的熵变化 焓与熵都是体系的状态函数。 焓代表体系的内能与压力P*体积V之和:H=U+P*VdH=dU+P*dV+VdP 熵代表体系中能量的分散程度,也就是体系的无序程度:△S=dQ/T,△S=△S体尉△S, 只有△S≥0,过程才能自发进行。 2、△G是判断个过程能否自发进行的根据 △G0,反应不能自发进行,必须供给能量。 △G=0,反应处于平衡状态 个放热反应(或吸热反应)的总热量的变化(△H,不能作为此反应能否自发进行的判据,只有自由能 的变化才是唯一准确的指标。 △G∞0仅是反应能自发进行的必要条件,有的反应还需催化剂才能进行,催化剂(酶)只能催化自由能 变化为负值的反应,如果一个反应的自由能变化为正值,酶也无能为力。 当△G为正值时,反应体系为吸能反应,此时只有与放能反应相偶联,反应才能进行。 二、标准自由能变化及其与化学反应平衡常数的关系 aA+bB→cC+dD 标准自由内能变化:在规定的标准条件下的自由能变化,用△G°表示。 标准条件:25℃,参加反应的物质的浓度都是1mol/L(气体则是1大气压)。若同时定义pH=70,则 标准自由能变化用△G°′表示。 对于一个溶液中的化学反应 aa bB c t dI △G=△G+ RT n ICf[DI [[B
第十二章 生物氧化 第一节 生物能学的几个概念 一、 化学反应中的自由能变化及其意义 1、 化学反应中的自由能 自由能：在一个体系中，能够用来做有用功的那一部分能量称自由能，用符号G表示。 在恒温、恒压下进行的化学反应，其产生有用功的能力可以用反应前后自由能的变化来衡量。 自由能的变化：△G =G 产物 — G 反应物 = △H _ T△S △G 代表体系的自由能变化，△H代表体系的焓变化，T代表体系的绝对温度，△S代表体系的熵变化。 焓与熵都是体系的状态函数。 焓代表体系的内能与压力P*体积V之和：H = U + P*V dH = dU + P*dV + V*dP 熵代表体系中能量的分散程度，也就是体系的无序程度：△S = dQ／T ，△S = △S 体系+△S 环境 ， 只有△S≥0，过程才能自发进行。 2、 △G是判断一个过程能否自发进行的根据 △G0，反应不能自发进行，必须供给能量。 △G=0，反应处于平衡状态。 一个放热反应(或吸热反应)的总热量的变化（△H），不能作为此反应能否自发进行的判据，只有自由能 的变化才是唯一准确的指标。 △G<0 仅是反应能自发进行的必要条件，有的反应还需催化剂才能进行，催化剂（酶）只能催化自由能 变化为负值的反应，如果一个反应的自由能变化为正值，酶也无能为力。 当△G 为正值时，反应体系为吸能反应，此时只有与放能反应相偶联，反应才能进行。 二、 标准自由能变化及其与化学反应平衡常数的关系 aA+bB → cC+dD 标准自由内能变化：在规定的标准条件下的自由能变化，用△G°表示。 标准条件：25℃，参加反应的物质的浓度都是 1mol∕L（气体则是1 大气压）。若同时定义 pH =7.0，则 标准自由能变化用△G°′表示。 对于一个溶液中的化学反应： aA bB → cC + dD a b c d A B C D G RT [ ] [ ] [ ] [ ] G ln / = +
当反应达到平衡时,△G=0 rt In CIDI [A][B rt In K -2.303logK K是化学反应的平衡常数,因此,△G°也是一个常数。 常见物质的标准生成自由能△G°′已经列在各种化学手册中,可以根据△G°′=RThK的公式求出 平衡常数K′。 P15举例说明如何用K求出△G。和△G 从例子可以看出△G。和△G实际上是两个不同条件下的自由能变化值 (1)△G°是标准隹条件下的自由能变化,既反应物A、B、C、D的起始浓度都为1mL,温度为 25℃,p=70时的△G。每个化学反应都有其特定的标准自由能变化(既△G),是一个固 定值, △G是任意给定条件下的自由能变化,它是反应物A、B、C、D的起始浓度、温度、pH的状态函 数,在一个自发进行的化学反应中,自由能总是在降低,△G总是负值,随着反应向平衡点的趋近, △G的绝对值逐渐缩小,直到为0 (2)从△Gw=RThK,可以求出K及△G,根据△G△G与K何以判断任何条件下反应进 行的方向及程度。 自由能变化的可加和性 在偶联的几个化学反应中,自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和。 例如:Glc+ATP→G6P+ADP(总反应) 第一步,G+P→G6P+HO此反应不能自发进行。 第二步,ATP+H2O→ADP+Pi 总反应:Glk+ATP→G6P+ADP 因此,一个热力学上不能进行的反应,可与其它反应偶联,驱动整个反应进行。此类反应在生物体内是 很普遍的。 四、高能磷酸化合物 高能化合物:水解时释放5000卡/mol及以上自由能的化合物 髙能磷酸化合物:水解每摩尔磷酸基能释放5σ0cdl以上能量的磷酸化合物。 P2表10-2某些磷酸化合物水解时的标准自由能变化
当反应达到平衡时，△G = 0 K/是化学反应的平衡常数，因此，△G°/ 也是一个常数。 常见物质的标准生成自由能△G°′已经列在各种化学手册中，可以根据△G°′= -RT lnK 的公式求出 平衡常数 K′。 P15 举例说明如何用K/求出△G o / 和△G 从例子可以看出△G o / 和△G 实际上是两个不同条件下的自由能变化值。 （1） △G o /是标准条件下的自由能变化，既反应物 A、B、C、D的起始浓度都为 1mol/L，温度为 25℃，pH=7.0 时的△G。每一个化学反应都有其特定的标准自由能变化（既△G o /），是一个固 定值， △G 是任意给定条件下的自由能变化，它是反应物A、B、C、D的起始浓度、温度、pH 的状态函 数，在一个自发进行的化学反应中，自由能总是在降低，△G 总是负值，随着反应向平衡点的趋近， △G 的绝对值逐渐缩小，直到为0。 （2） 从△G o /= -RT lnK/，可以求出 K/及△G o /，根据△G o /、△G 与 K/可以判断任何条件下反应进 行的方向及程度。 三、 自由能变化的可加和性。 在偶联的几个化学反应中，自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和。 例如：Glc+ATP→G—6—P+ADP（总反应） 第一步，Glc+Pi→G—6—P+H2O,此反应不能自发进行。 第二步，ATP+H2O→ADP+Pi 总反应：Glc+ATP→G—6—P+ADP. 因此，一个热力学上不能进行的反应，可与其它反应偶联，驱动整个反应进行。此类反应在生物体内是 很普遍的。 四、 高能磷酸化合物 高能化合物：水解时释放5000 卡/mol及以上自由能的化合物。 高能磷酸化合物：水解每摩尔磷酸基能释放5000cal以上能量的磷酸化合物。 P21 表 10-2 某些磷酸化合物水解时的标准自由能变化。 / / / 2.303 log ln [ ] [ ] [ ] [ ] ln K RT K A B C D G RT a b c d = − = − = −
高能化合物的类型P18-19 1、磷氧键型 (1)、酰基磷酸化合物。 3一磷酸甘油酸磷酸,乙酰磷酸,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰腺苷酸。 (2)、焦磷酸化合物 无机焦磷酸,ATP,ADP (3)、烯醇式磷酸化合物。 磷酸烯醇式丙酮酸。 2、氮磷键型 磷酸肌酸,磷酸精氨酸。 3、硫酯键 3’一磷酸腺苷·5’磷酰硫酸,酰基辅酶A 4、甲硫键型。 S一腺苷甲硫氨酸。 ATP的特殊的作用。 1、是细胞内产能反应和需能反应的化学偶联剂。 2、在磷酸基转移中的作用。 Glc进入血液中,唯一出路是磷酸化。G6-是Gk的一种活化形式。已糖激酶催化:Gl-AIP→ G-6-P+ADP。 3一磷酸甘油是甘油的活化形式,能参与脂肪合成。甘油激酶:甘油+AIP→3-磷酸甘油+ADP。 磷酸肌酸、礅精氨酸的储能作用P23 磷酸肌酸是易兴奋组织(如肌肉、脑、神经)唯的能起暂时储能作用的物质。 磷酸精氨酸是无脊椎动物肌肉中的储能物质 第二节生物氧化氧化电子传递和化磺酸化侑用 一、生物氧化的概念和特点。 糖,脂,蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解,生成CO2,HO并释放出能量,这个过程称生物氧
（一） 高能化合物的类型 P18—19 1、 磷氧键型。 （1）、 酰基磷酸化合物。 3—磷酸甘油酸磷酸，乙酰磷酸，氨甲酰磷酸，酰基腺苷酸，氨酰腺苷酸。 （2）、 焦磷酸化合物。 无机焦磷酸，ATP，ADP （3）、 烯醇式磷酸化合物。 磷酸烯醇式丙酮酸。 2、 氮磷键型。 磷酸肌酸，磷酸精氨酸。 3、 硫酯键型。 3’一磷酸腺苷一5’一磷酰硫酸，酰基辅酶A。 4、 甲硫键型。 S 一腺苷甲硫氨酸。 （二） ATP 的特殊的作用。 1、 是细胞内产能反应和需能反应的化学偶联剂。 2、 在磷酸基转移中的作用 。 Glc 进入血液中，唯一出路是磷酸化。G-6-P 是 Glc 的一种活化形式。已糖激酶催化：Glc+ATP→ G-6-P+ADP。 3 一磷酸甘油是甘油的活化形式，能参与脂肪合成。甘油激酶：甘油+ATP→3 一磷酸甘油+ADP。 （三） 磷酸肌酸、磷酸精氨酸的储能作用 P23 磷酸肌酸是易兴奋组织（如肌肉、脑、神经）唯一的能起暂时储能作用的物质。 磷酸精氨酸是无脊椎动物肌肉中的储能物质 第二节 生物氧化、氧化电子传递链和氧化磷酸化作用 一、 生物氧化的概念和特点。 糖，脂，蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解，生成CO2，H2O并释放出能量，这个过程称生物氧
化 生物氧化是需氧细胞呼吸代谢过程中的一系列氧化还原作用,又称细胞氧化或细胞呼吸。 特点:反应条件温和,多步反应,逐步放能 生物氧化在活细胞中进行,p中性,反应条件温和,一系列酶和电子传递体参与氧化过程,逐步氧化, 逐步释放能量,转化成AIP。 真核细胞,生物氧化多在线粒体内进行,在不含线粒体的原核细胞中,生物氧化在细胞膜上进行。 图示:生氧化的三阶段 第_阶段:多糖,脂,蛋白质等分解为构造单位——单糖、甘油与脂肪酸、氨基酸,该阶段几乎不释放 化学能 第阶段:构造单位经糖酵解、脂肪酸β氧化、氨基酸氧化等各自的降解途径分解为丙酸、乙酰CoA 等少数几种共同的中间代谢物物,这些共同的中间代谢物在不同种类物质的代谢间起着枢纽作用。该阶段释 放少量的能量。 第三阶段:丙酮酸、乙酰CoA等经过三羧酸循环彻底氧化为CO2、HO。释放大量的能量。 在第二、第三阶段中,氧化脱下的电子(H)经过一个氧化的电子传递过程(氧化电子传递链)最终传 给O2,并生成ATP,以这种方式生成ATP的作用称为氧化磷酸化作用,它是一种很重要的将生物氧化和能 量生成相偶连的机制。 生物氧化的终产物是CO和HO,CO的形成是通过三羧酸循环过程,IO则是在电子传递过程的最后 阶段生成。 、氧化电子传递过程 生物氧化过程中形成的还原型辅酶(NAD和FAD),通过电子传递途径,使其重新氧化,此过程称 为电子传递过程。 在电子传递过程中,还原型辅酶中的氢以负质子(H-)形式脱下,其电子经一系列的电子传递体(电 子传递链)转移,最后转移到分子氧上,质子和离子型氧结合生成HO 三、氧化电子传递链P57图122 由NADH到O2的氧化电子传递链主要包括ⅠM、辅酶Q(CoQ、细胞色素b、cc、aa3及些铁硫 蛋白。 氧化电子传递链位于原核生物的质膜上,真核生物中位于线粒体的内膜上。 电子载体的标准势能ΔG是逐步下降的,电子沿着电势升髙的方向流动。其中有三个部位的势能落差 ΔG较大,足以形成AP(ADP磷酸化需要的自由能73Ka/mol)。这三个部位正好是氧化磷酸化部位。 细胞内供能物质的彻底氧化产物是CO2、HO其中CO2主要是在三羟酸循环中产生,水是在电子传递过 程的最后阶段产生 四、电子传递链的酶和电子载体 呼吸链中的电子载体都是和蛋白质结合存在(包括NAD、FMN、铁硫中心、细胞色素)。这些蛋白质 大都是水不溶性的,嵌在线粒体的内膜上
化。 生物氧化是需氧细胞呼吸代谢过程中的一系列氧化还原作用，又称细胞氧化或细胞呼吸。 特点：反应条件温和，多步反应，逐步放能。 生物氧化在活细胞中进行，pH 中性，反应条件温和，一系列酶和电子传递体参与氧化过程，逐步氧化， 逐步释放能量，转化成ATP。 真核细胞，生物氧化多在线粒体内进行，在不含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行。 图示 ：生物氧化的三阶段 第一阶段：多糖，脂，蛋白质等分解为构造单位——单糖、甘油与脂肪酸、氨基酸，该阶段几乎不释放 化学能。 第二阶段：构造单位经糖酵解、脂肪酸 β 氧化、氨基酸氧化等各自的降解途径分解为丙酮酸、乙酰 CoA 等少数几种共同的中间代谢物物，这些共同的中间代谢物在不同种类物质的代谢间起着枢纽作用。该阶段释 放少量的能量。 第三阶段：丙酮酸、乙酰CoA等经过三羧酸循环彻底氧化为CO2、H2O。释放大量的能量。 在第二、第三阶段中，氧化脱下的电子（H —）经过一个氧化的电子传递过程（氧化电子传递链）最终传 给 O2，并生成 ATP，以这种方式生成 ATP 的作用称为氧化磷酸化作用，它是一种很重要的将生物氧化和能 量生成相偶连的机制。 生物氧化的终产物是 CO2和H2O，CO2的形成是通过三羧酸循环过程，H2O则是在电子传递过程的最后 阶段生成。 二、 氧化电子传递过程 生物氧化过程中形成的还原型辅酶（NADH 和FADH2），通过电子传递途径，使其重新氧化，此过程称 为电子传递过程。 在电子传递过程中，还原型辅酶中的氢以负质子（H — ）形式脱下，其电子经一系列的电子传递体（电 子传递链）转移，最后转移到分子氧上，质子和离子型氧结合生成H2O。 三、 氧化电子传递链 P57 图 12-2 由 NADH 到 O2的氧化电子传递链主要包括 FMN、辅酶 Q（CoQ）、细胞色素 b、c1、c、a,a3及一些铁硫 蛋白。 氧化电子传递链位于原核生物的质膜上，真核生物中位于线粒体的内膜上。 电子载体的标准势能△G o /是逐步下降的，电子沿着电势升高的方向流动。其中有三个部位的势能落差 △G 较大，足以形成ATP（ADP 磷酸化需要的自由能=7.3Kal/mol.）。这三个部位正好是氧化磷酸化部位。 细胞内供能物质的彻底氧化产物是 CO2、H2O其中 CO2主要是在三羟酸循环中产生，水是在电子传递过 程的最后阶段产生。 四、 电子传递链的酶和电子载体 呼吸链中的电子载体都是和蛋白质结合存在（包括 NAD+、FMN、铁硫中心、细胞色素）。这些蛋白质 大都是水不溶性的，嵌在线粒体的内膜上
NAD是许多脱氢酶的辅酶,FMN是NADH脱氢酶的辅酶。 1、NAD和NADH 脱氢酶分别与NAD或NADP结合,催化底物脱氢,这类酶称为与NAD(P)相关的脱氢酶, 多数脱氢酶以NAD头辅酶,少数以NADP为辅酶(如G6P脱氢酶)少数酶能以NAD减或NADP两种 辅酶(Glu脱氢酶)。 2、NADH脱氢酶以及其它黄素蛋白酶类 NADH脱氢酶含FMN辅基,铁硫中心。 铁硫中心铁的价态变化(Fe3+→Fe2+)可以将电子从FMN辅基上转移到呼吸链下一成员辅酶Q上。 含有核黄素辅基的酶还包括琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶等。 3、辅酶Q(泛醌) 电子传递链上唯一的非蛋白质成分。 辅酶Q在线粒体中有两种存在形式:膜结合型、游离型。 辅酶Q不仅可以接受FMN上的氢(NADH脱氢酶),还可以接受线粒体FADH2上的氢(如琥珀酸脱氢 酶、脂酰CoA脱氢酶以及其它黄素酶类)。 细胞色素类 细胞色素类是含铁的电子传递体,铁原子处于卟啉的结构中心,构成血红素。 细胞色素类是呼吸链中将电子从辅酶Q传递到O2的专酶类。 线粒体的电子传递链至少含有5种不同的细胞色素:b、c、C、a、a3 细胞色素b有两种存在形式:b562、b566 细胞色素c是唯一可溶性的细胞色素,同源性很强,可作为生物系统发生关系的一个指标。 细胞色素a、a3是以复合物的形式存在,又称细胞色素氧化酶,将电子从细胞色素c传到分子O2。 五、电子传递神制剂 阻断呼吸链中某一部位的电子传递。 l、鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素 都可阻断电子由NADH向CoQ传递 2、抗莓紊A 抑制电子从细胞色素b向细胞色素c传递 3、氰化物、硫化氢、叠氮化物、CO等 阻断电子从细胞色素a向O2传递
NAD+是许多脱氢酶的辅酶，FMN是 NADH脱氢酶的辅酶。 1、 NAD+和 NADP+ 脱氢酶分别与 NAD+或NADP+结合，催化底物脱氢，这类酶称为与NAD（P）相关的脱氢酶， 多数脱氢酶以NAD+为辅酶，少数以 NADP+为辅酶（如G-6-P 脱氢酶）少数酶能以 NAD+或 NADP+两种 辅酶（Glu 脱氢酶）。 2、 NADH脱氢酶以及其它黄素蛋白酶类 NADH 脱氢酶含FMN 辅基，铁-硫中心。 铁硫中心铁的价态变化（Fe3+→Fe2+）可以将电子从FMN 辅基上转移到呼吸链下一成员辅酶 Q上。 含有核黄素辅基的酶还包括琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶等。 3、 辅酶 Q（泛醌） 电子传递链上唯一的非蛋白质成分。 辅酶 Q 在线粒体中有两种存在形式：膜结合型、游离型。 辅酶Q不仅可以接受 FMN 上的氢（NADH脱氢酶），还可以接受线粒体 FADH2上的氢（如琥珀酸脱氢 酶、脂酰 CoA 脱氢酶以及其它黄素酶类）。 4、 细胞色素类。 细胞色素类是含铁的电子传递体，铁原子处于卟啉的结构中心，构成血红素。 细胞色素类是呼吸链中将电子从辅酶Q 传递到O2的专一酶类。 线粒体的电子传递链至少含有5 种不同的细胞色素：b、c、c1、.a、a3. 细胞色素 b有两种存在形式：b562、b566 细胞色素 c 是唯一可溶性的细胞色素，同源性很强，可作为生物系统发生关系的一个指标。 细胞色素 a、a3 是以复合物的形式存在，又称细胞色素氧化酶，将电子从细胞色素c 传到分子O2 。 五、 电子传递抑制剂 阻断呼吸链中某一部位的电子传递。 1、 鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素 都可阻断电子由NADH 向CoQ传递。 2、 抗霉素 A 抑制电子从细胞色素b 向细胞色素c1传递 3、 氰化物、硫化氢、叠氮化物、CO等。 阻断电子从细胞色素aa3 向 O2传递
六、氧化磷酸化侑用 氧化磷酸化作用:电子沿着氧化电子传递链传递的过程中所伴随的将ADP磷酸化为AP的作用,或者 说是ATP的生成与氧化电子传递链相偶联的磷酸化作用。 底物水平磷酸化作用:是指ATP的形成直接与一个代谢中间物(如PEP)上的磷酸基团转移相偶联的作 用。糖酵解中13-二磷酸甘油酸,磷酸烯醇丙酮酸。 方程式 NADP+H++3ADP+3PH+1/202- NAD+3HO+3ATP 三个ATP的形成获取了呼吸链中电子由NADH传递至氧所产生的全部自由能的42%。(219527× 100%)。 2、几个概念 (1)、P/0比 一对电子通过呼吸链传至氧所产生的AIP的分子数。NADH→3ATP,FADH→2ATP (2)、ATP生成部位: 三个部位由三个酶复合体催化: 部位I:NADP与CoQ之间,NADH脱氢酶 部位Ⅱ:Co与CyC之间,CyC还原酶。 部位Ⅲ:Cya与O之间,CyC氧化酶。 (3)、呼吸控制 ADP作为关键物质,对氧化磷酸化的调节作用称为呼吸控制 (4)、解偶联剂(24硝基苯酚) 电子传递过程和ATP形成过程相分离,电子传递仍可进行,但不能形成ATP。 (5)、氧化磷酸化抑制剂 抑制O2的利用和ATP的形成。 七氧化磷酸化的偶联机理 P71图12-4,跨膜质子移动示意图 化学渗透假说
六、 氧化磷酸化作用 氧化磷酸化作用：电子沿着氧化电子传递链传递的过程中所伴随的将ADP 磷酸化为 ATP 的作用，或者 说是 ATP 的生成与氧化电子传递链相偶联的磷酸化作用。 底物水平磷酸化作用：是指 ATP 的形成直接与一个代谢中间物（如 PEP）上的磷酸基团转移相偶联的作 用。糖酵解中 1,3-二磷酸甘油酸，磷酸烯醇丙酮酸。 1、 方程式： NADP+H++3ADP+3Pi+1/2O2 → NAD++3H2O+3ATP 三个 ATP 的形成获取了呼吸链中电子由 NADH 传递至氧所产生的全部自由能的 42%。（21.9/52.7× 100%）。 2、 几个概念： （1）、 P/O 比 一对电子通过呼吸链传至氧所产生的ATP 的分子数。NADH→3ATP，FADH2→2ATP （2）、 ATP 生成部位： 三个部位由三个酶复合体催化： 部位Ⅰ：NADP 与CoQ 之间，NADH脱氢酶。 部位Ⅱ：CoQ与 CytC 之间，CytC 还原酶。 部位Ⅲ：Cyta 与O2之间，CytC氧化酶。 （3）、 呼吸控制 ADP 作为关键物质，对氧化磷酸化的调节作用称为呼吸控制。 （4）、 解偶联剂，（2.4—硝基苯酚） 电子传递过程和ATP 形成过程相分离，电子传递仍可进行，但不能形成ATP。 （5）、 氧化磷酸化抑制剂： 抑制 O2的利用和ATP 的形成。 七、 氧化磷酸化的偶联机理 P71 图 12—4，跨膜质子移动示意图 （一） 化学渗透假说