第六章生物氧化 第一节生物氧化概述 新陈代谢是生物最基本的特征之一。新陈代谢是指生物活体与外界环境不断交换物质 的过程。机体从外界摄取营养物质,转化为机体自身需要的物质称为同化作用,是由小分 子合成生物大分子,需要能量:而机体自身原有的物质的分解、排泄称为异化作用,是由 生物大分子降解为生物小分子,最后分解成CO和HO,释放能量。异化作用释放的能量 可供机体生理活动的需要。同化作用为异化作用提供物质基础,异化作用为同化作用提供 能量基础。同化作用和异化作用是既对立又统一的矛盾的两个方面,两者相互联系、相互 制约,互为基础。 生物机体的同化作用和异化作用都包含着一系列逐步进行的合成与分解的反应,称之 为中间代谢反应。能量的释放与供应是逐步进行的,也是由许多中间代谢反应组成的。 机体与外界环境进行物质交换的过程称为物质代谢。在物质交换中伴随着能量的交 换,也称为能量代谢。植物通过光合作用将太阳的光能转变为糖的化学能。当糖在体内进 行分解代谢时,再将化学能释放出来,用于合成代谢,也可转变为机械能、光能、电能等 各种形式的能,以满足生命活动的需要。同化作用和异化作用、物质代谢和能量代谢的相 互关系可用图解表示如下 合成代谢「生物小分子合成为生物大分子 (同化作用)(需要能量 新陈代谢 释放能能量代谢 物质代谢 (异化作用)(生物大分子分解为生物小分子 各种生物的新陈代谢过程虽然复 杂,却有共同的特点:A、绝大多数 第一阶段 新陈代谢反应是在温和的条件下进行 脂肪酸及甘油葡萄糖及其它糖 氨基酸 的;B、新陈代谢的一系列中间反应 <第二阶段 相互配合、有条不紊、彼此协调,又 乙酰CoA 具有严格的顺序性:C、三大营养物 ATP 同途长二者物先化为两得(三)一项 经三羧酸循环氧化成CO和水(见图 6-1):D、具有高度的适应性和灵敏性 的自动调节控制体系以适应内外条件 的变化 图6-1生物获得能量的三个阶段
173 第六章 生物氧化 第一节 生物氧化概述 新陈代谢是生物最基本的特征之一。新陈代谢是指生物活体与外界环境不断交换物质 的过程。机体从外界摄取营养物质，转化为机体自身需要的物质称为同化作用，是由小分 子合成生物大分子，需要能量；而机体自身原有的物质的分解、排泄称为异化作用，是由 生物大分子降解为生物小分子，最后分解成 CO2 和 H2O，释放能量。异化作用释放的能量 可供机体生理活动的需要。同化作用为异化作用提供物质基础，异化作用为同化作用提供 能量基础。同化作用和异化作用是既对立又统一的矛盾的两个方面，两者相互联系、相互 制约，互为基础。 生物机体的同化作用和异化作用都包含着一系列逐步进行的合成与分解的反应，称之 为中间代谢反应。能量的释放与供应是逐步进行的，也是由许多中间代谢反应组成的。 机体与外界环境进行物质交换的过程称为物质代谢。在物质交换中伴随着能量的交 换，也称为能量代谢。植物通过光合作用将太阳的光能转变为糖的化学能。当糖在体内进 行分解代谢时，再将化学能释放出来，用于合成代谢，也可转变为机械能、光能、电能等 各种形式的能，以满足生命活动的需要。同化作用和异化作用、物质代谢和能量代谢的相 互关系可用图解表示如下： 新陈代谢 合成代谢 （同化作用） 分解代谢 （异化作用） 生物小分子合成为生物大分子 需要能量 释放能量 能量代谢 生物大分子分解为生物小分子 物质代谢 各种生物的新陈代谢过程虽然复 杂，却有共同的特点：A、绝大多数 新陈代谢反应是在温和的条件下进行 的；B、新陈代谢的一系列中间反应 相互配合、有条不紊、彼此协调，又 具有严格的顺序性；C、三大营养物 质(糖、脂类、蛋白质)的分解具有共 同途径，三者均先转化为丙酮酸，再 经三羧酸循环氧化成 CO2和水(见图 6-1)；D、具有高度的适应性和灵敏性 的自动调节控制体系以适应内外条件 的变化。 图 6-1 生物获得能量的三个阶段 脂肪 多糖 蛋白质 脂肪酸及甘油 葡萄糖及其它糖 氨基酸 第一阶段 第二阶段 第三阶段 氧化磷酸化 三羧酸循环 ATP ADP O e- 2 CoA 2CO2 乙酰CoA
生物氧化的概念 人们把有机分子在体内氧化分解成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化 ( biological oxidation)。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化一还原反应 是在细胞或组织中发生的,所以又称为细胞氧化或细胞呼吸,有时也称为组织呼吸。 生物氧化的特点 生物氧化是发生在生物体内的氧化一还原反应,它具有自然界物质发生氧化一还原反 应的共同特征,这主要表现在被氧化的物质总是失去电子,而被还原的物质总是得到电子, 并且物质被氧化时,总伴随能量的释放。有机物在生物体内完全氧化和在体外燃烧而被彻 底氧化,在化学本质上是相同的。例如lmol的葡萄糖在体内氧化和在体外燃烧都是产生 CO2和H2O,放出的总能量都是2867.5kJ。这并不奇怪,因为氧化作用释放的能量等于这 物质所含化学能与其氧化产物所含的化学能差,放出的总能量的多少与该物质氧化的途 径无关,只要在氧化后所生成的产物相同,放出的总能量必然相同。但是,由于生物氧化 是在活细胞内进行的,故它与有机物在体外燃烧有许多不同之处,即生物氧化有它本身的 特点: (1)有机物在空气中燃烧时,CO2和H2O的生成是空气中氧直接与碳、氢原子结合的 产物。而有机物在细胞中氧化时,CO2是在代谢过程中经脱羧反应释放出来的,H2O的生 成则是通过更复杂的过程完成的 (2)生物氧化是在一系列酶的催化下、在恒温恒压下进行的反应,而有机分子在体外 燃烧时需要高温。 (3)生物氧化所产生的能量是逐步发生、分次释放的。这种逐步分次的放能方式,不 会引起体温的突然升高,而且可使放出的能量得到最有效的利用。与此相反,有机物在体 外燃烧产生大量的光和热,且能量是骤然放出的。 (4)生物氧化过程中产生的能量一般都贮存于一些特殊的化合物主要是腺三磷(ATP)] 中。电子由还原型辅酶传递到氧的过程中形成大量的ATP,占全部生物氧化产生能量的绝 大部分。例如,1个葡萄糖分子氧化时生成36个ATP分子,其中32个是还原型辅酶氧化 时得到的 生物氧化的基本过程 需氧生物细胞内糖、脂肪、氨基酸等分子所途经的各自分解过程,将在有关章、节中 叙述。这些有机物在氧化分解途径中所形成的还原型辅醇,包括NADH和FADH2,通过 电子传递途径,使其再重新氧化。在这个过程中,还原型辅酶上的氢以质子形式脱下,其 电子沿着一系列的电子传递体转移(称为电子传递链),最终转移到分子氧,使氧激活, 质子和离子型氧(激活后的氧)结合生成水。在电子传递过程中释放的能量则使ADP和 无机磷结合形成ATP。ATP是生物体内最重要的高能中间物,参与体内众多的需能反应
174 一、生物氧化的概念 人们把有机分子在体内氧化分解成 CO２和 H２O 并释放出能量的过程称为生物氧化 (biological oxidation)。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化－还原反应， 是在细胞或组织中发生的，所以又称为细胞氧化或细胞呼吸，有时也称为组织呼吸。 二、生物氧化的特点 生物氧化是发生在生物体内的氧化－还原反应，它具有自然界物质发生氧化－还原反 应的共同特征，这主要表现在被氧化的物质总是失去电子，而被还原的物质总是得到电子， 并且物质被氧化时，总伴随能量的释放。有机物在生物体内完全氧化和在体外燃烧而被彻 底氧化，在化学本质上是相同的。例如 1mol 的葡萄糖在体内氧化和在体外燃烧都是产生 CO２和 H２O，放出的总能量都是 2 867.5kJ。这并不奇怪，因为氧化作用释放的能量等于这 一物质所含化学能与其氧化产物所含的化学能差，放出的总能量的多少与该物质氧化的途 径无关，只要在氧化后所生成的产物相同，放出的总能量必然相同。但是，由于生物氧化 是在活细胞内进行的，故它与有机物在体外燃烧有许多不同之处，即生物氧化有它本身的 特点： （1）有机物在空气中燃烧时，CO２和 H２O 的生成是空气中氧直接与碳、氢原子结合的 产物。而有机物在细胞中氧化时，CO２是在代谢过程中经脱羧反应释放出来的，H２O 的生 成则是通过更复杂的过程完成的。 （2）生物氧化是在一系列酶的催化下、在恒温恒压下进行的反应，而有机分子在体外 燃烧时需要高温。 （3）生物氧化所产生的能量是逐步发生、分次释放的。这种逐步分次的放能方式，不 会引起体温的突然升高，而且可使放出的能量得到最有效的利用。与此相反，有机物在体 外燃烧产生大量的光和热，且能量是骤然放出的。 （4）生物氧化过程中产生的能量一般都贮存于一些特殊的化合物[主要是腺三磷(ATP)] 中。电子由还原型辅酶传递到氧的过程中形成大量的 ATP，占全部生物氧化产生能量的绝 大部分。例如，1个葡萄糖分子氧化时生成36 个 ATP 分子，其中 32 个是还原型辅酶氧化 时得到的。 三、生物氧化的基本过程 需氧生物细胞内糖、脂肪、氨基酸等分子所途经的各自分解过程，将在有关章、节中 叙述。这些有机物在氧化分解途径中所形成的还原型辅酶，包括 NADH 和 FADH２，通过 电子传递途径，使其再重新氧化。在这个过程中，还原型辅酶上的氢以质子形式脱下，其 电子沿着一系列的电子传递体转移（称为电子传递链），最终转移到分子氧，使氧激活， 质子和离子型氧（激活后的氧）结合生成水。在电子传递过程中释放的能量则使 ADP 和 无机磷结合形成 ATP。ATP 是生物体内最重要的高能中间物，参与体内众多的需能反应
第二节生物氧化过程中的某些能量问题 、自由能的概念 在热力学概念中对生物化学特别有用的是自由能。自由能是一个化合物分子结构中所 固有的能量,是一种能在恒温怛压下做功的能量。一种物质A自由能的含量是不能用实验 方法测得的。但是在一个化学反应中,当A转化为B时 (7.1) 其自由能的变化(ΔG),即A转化为B时所得到的最大的可利用的能量是可以测定的 如果产物B自由能的含量G)比反应物A自由能的含量(GA)小,则△G为负值,即: △G=G 负值(当 当ΔG为负值时,便意味着反应进行时自由能降低。同样,当B逆转为A时,自由能 则增加,亦即ΔG为正值。实验证明:当自由能降低(即ΔG为负)时反应能自发地进行 反之,则必须采取某种方式供给能量才能推动反应进行。△G为负值的反应称为“放能反 应”( exogenic reaction),而△G为正值的反应则称为“吸能反应”( (endogenic reaction 实验还证明,虽然在某一过程中ΔG为负值,但与反应的速率无关。例如,葡萄糖可 被O2氧化成CO2和H2O,其方程式如下: C6H12O6+60 6C02 +6H, O 此反应的△G是一个很大的负值(约为2870kJ/mo),但是这一相当大的△G与反应速率没 有关系。当葡萄糖在一弹式量热计( bomb calorimeter)中有催化剂存在时,它可在几秒钟内 发生氧化。在大多数生物体中,上述反应可在数分钟到数小时内完成,但是把葡萄糖放在 玻璃瓶中,即使有空气也可以存放数年而不氧化 现在的化学理论认为,决定一个反应的反应速率的因子是这一过程的活化能 activation nergy)。反应(7.1进行时必须经过一个中间物或活化的复合物即A+);而由A转化为 A*必须消耗能量,如果所需的能量不大,即此反应具有较低的活化能,则反应容易进行。 如果所需的能量很大,则只有少量A能转化为B。必须供给足够的能量以克服此反应的能 量障碍,才能使反应顺利进行。催化剂(包括酶在内)的作用就是降低其活化能而使反应能 够进行。 反应(7.1)的自由能变化△G可表示如下: △G=△G+RTln (7.3) 式中的△G表示标准自由能变化;R为气体常数;T为绝对温度;[4、[B]分别为A 及B的浓度,单位为(mol/L) 由方程式(7.3)可见,反应的△G是反应物和产物浓度的函数,也是标准自由能变化 △G的函数。从平衡时的△G可计算出△G。在平衡时,A、B间的净变化为零,因此自
175 第二节 生物氧化过程中的某些能量问题 一、自由能的概念 在热力学概念中对生物化学特别有用的是自由能。自由能是一个化合物分子结构中所 固有的能量，是一种能在恒温怛压下做功的能量。一种物质 A 自由能的含量是不能用实验 方法测得的。但是在一个化学反应中，当 A 转化为 B 时 A B （7．1） 其自由能的变化（ΔG），即 A 转化为 B 时所得到的最大的可利用的能量是可以测定的。 如果产物 B 自由能的含量(GＢ)比反应物 A 自由能的含量（GＡ）小，则ΔG 为负值，即： ΔG ＝ GＢ 一 GＡ ＝ 负值 (当 GＡ＞GＢ时) 当ΔG 为负值时，便意味着反应进行时自由能降低。同样，当 B 逆转为 A 时，自由能 则增加，亦即ΔG 为正值。实验证明：当自由能降低（即ΔG 为负）时反应能自发地进行； 反之，则必须采取某种方式供给能量才能推动反应进行。ΔG 为负值的反应称为“放能反 应”(exogonic reaction)，而ΔG 为正值的反应则称为“吸能反应”(endogonic reaction)。 实验还证明，虽然在某一过程中ΔG为负值，但与反应的速率无关。例如，葡萄糖可 被 O２氧化成 CO２和 H２O，其方程式如下： C６H１２O６+6O２ 6CO２+6H２O （7．2） 此反应的ΔG 是一个很大的负值(约为 2870kJ／mol)，但是这一相当大的ΔG 与反应速率没 有关系。当葡萄糖在一弹式量热计(bomb calorimeter)中有催化剂存在时，它可在几秒钟内 发生氧化。在大多数生物体中，上述反应可在数分钟到数小时内完成，但是把葡萄糖放在 玻璃瓶中，即使有空气也可以存放数年而不氧化。 现在的化学理论认为，决定一个反应的反应速率的因子是这—过程的活化能(activation energy)。反应(7．1)进行时必须经过一个中间物或活化的复合物(即 A*)；而由 A 转化为 A*必须消耗能量，如果所需的能量不大，即此反应具有较低的活化能，则反应容易进行。 如果所需的能量很大，则只有少量 A 能转化为 B。必须供给足够的能量以克服此反应的能 量障碍，才能使反应顺利进行。催化剂(包括酶在内)的作用就是降低其活化能而使反应能 够进行。 反应(7．1)的自由能变化ΔG 可表示如下： [B] [A] Δ G G 0 =Δ + RTln （7．3） 式中的ΔG0 表示标准自由能变化；R 为气体常数；T 为绝对温度；[A]、[B]分别为 A 及 B 的浓度，单位为（mol／L）。 由方程式(7．3)可见，反应的ΔG 是反应物和产物浓度的函数，也是标准自由能变化 ΔG0 的函数。从平衡时的ΔG 可计算出ΔG0。在平衡时，A、 B 间的净变化为零，因此自
由能的变化ΔG亦为零。我们知道B]对A]的比值是平衡时的比值,即其平衡常数K将这 些数值代入方程式(7.3),可得: 0=△G+RTnK △G=-R7nK 式中的常数R=832J/mol·K。在25℃时,7=298:1nx=2303lgx,方程式(7.4)即为 5℃时的△G°: △G=-8314×298×2.3031gK=-57061gK 方程式(7.5)对测定某一反应的ΔG值是非常有用的。如果能测出平衡时反应物和产物两 者的浓度,就可以计算出其反应的K和ΔG。当然,如果K极大或极小时,用这个方法 来测定ΔG就没有什么价值了,因为这时反应物或产物的平衡浓度将小到无法测定。表7-1 表示从0.001到1000的一系列K范围内的△G°。 从表7-1可以看出,如果反应的K大于1,则自由能降低。在方程式(7.1)中,假 设其K=100(亦即B]/[A为1000,则反应趋向形成B的方向。如果反应(7.1)的K 为0.001(亦即B]/[A=0001),则只要0.1%的A转化为B时反应就能达到平衡。如果A] [B],即反应物和产物浓度都处于单位浓度时,也可求出△G°,据方程式(7.3) △G=△G0+R7nl/=△G0 因此△G的定义应为当反应物和产物均为单位浓度时或更广泛地说,在“标准状态 下的自由能变化。溶液中溶质的标准状态为单位摩尔浓度,若为气体,则为101.325kPa 当H作为反应物或产物出现时,其标准状态的浓度仍然规定为1.0mo/L(即pH值=0), 此时几乎所有的酶在pH=0时)都已变性,因此就没有反应可研究了。为此,生化学家又 规定了一种修正的标准条件,除H之外,其他反应物和产物的浓度仍规定为10moL,pH 值规定为70。细胞中的反应大都发生在pH值70左右,除pH值=0之外,其他任何pH 值时的标准自由能变化可用ΔG′表示,但必须说明ΔG′的pH值。当然,如果反应中既 没有形成也没有消耗氢离子的话,则ΔG′与pH值无关,此时ΔG等于△G′ 表7-1K和△G间的关系 10 114 二、氧化还原电位和自由能变化 在氧化磷酸化作用中,NADH和FADH2的电子转移能( electron transfer potentia)能
176 由能的变化ΔG 亦为零。我们知道[B]对[A]的比值是平衡时的比值，即其平衡常数 Keq 将这 些数值代入方程式(7．3)，可得： 0=ΔG0 + RTlnKeq (7．4) ΔG0= －RTlnKeq 式中的常数 R＝8.32J／mol·K。在 25℃时，T＝298；1nx＝2.3031gx，方程式(7．4)即为 25℃时的ΔG0： ΔG0＝ －8.314×298×2.3031gKeq＝ －5706lgKeq (7．5) 方程式(7．5)对测定某一反应的ΔG0 值是非常有用的。如果能测出平衡时反应物和产物两 者的浓度，就可以计算出其反应的 Keq 和ΔG0。当然，如果 Keq 极大或极小时，用这个方法 来测定ΔG0就没有什么价值了，因为这时反应物或产物的平衡浓度将小到无法测定。表7-l 表示从 0.001 到 1 000 的一系列 Keq 范围内的ΔG0。 从表 7-1 可以看出，如果反应的 Keq 大于 1，则自由能降低。在方程式（7．1）中，假 设其 Keq＝1000(亦即[B]／[A]为 1000)，则反应趋向形成 B 的方向。如果反应(7．1)的 Keq 为 0.001(亦即[B]／[A]＝0.001)，则只要0.1％的 A转化为 B 时反应就能达到平衡。如果[A] ＝[B]，即反应物和产物浓度都处于单位浓度时，也可求出ΔG0，据方程式(7．3) ΔG=ΔG0 + RTln1/1=ΔG0 因此ΔG0 的定义应为当反应物和产物均为单位浓度时或更广泛地说，在“标准状态” 下的自由能变化。溶液中溶质的标准状态为单位摩尔浓度，若为气体，则为 101 .325 kPa。 当 H+作为反应物或产物出现时，其标准状态的浓度仍然规定为 1.0mol/L(即 pH 值＝0)， 此时几乎所有的酶(在 pH＝0 时)都已变性，因此就没有反应可研究了。为此，生化学家又 规定了一种修正的标准条件，除 H+之外，其他反应物和产物的浓度仍规定为1.0mol/L，pH 值规定为7.0 。细胞中的反应大都发生在pH 值 7.0 左右，除pH 值＝0 之外，其他任何 pH 值时的标准自由能变化可用ΔG′表示，但必须说明ΔG′的 pH值。当然，如果反应中既 没有形成也没有消耗氢离子的话，则ΔG′与 pH 值无关，此时ΔG0 等于ΔG′。 表 7-1 Keq和ΔG ０间的关系 Keq lgKeq ΔG 0（kJ/mol） 0.001 －3 17.1 0.01 －2 11.4 0.1 －1 5.7 1.0 0 0.0 10 1 －5.7 100 2 －11.4 1000 3 －17.1 二、氧化还原电位和自由能变化 在氧化磷酸化作用中，NADH 和 FADH２的电子转移能( electron transfer PotentiaI)能
够转化成ATP中磷酸基团的转移势能( Phosphate group transfer potential)。磷酸基团的转移 势能可以用磷酸化合物水解时的Gn′表示。而电子转移势能可用E′(即氧化还原电位) 表示。如果一种物质存在氧化态(X)和还原态(X),这X和X就称为氧还对 (redox couple 所以负氧化还原电位表示一种物质对电子的亲合力比H2低,而正氧化还原电位则表示一 种物质与电子的亲合力比H2高,这种比较是在标准状态(即lmd的氧化剂,lmol的还 原剂,lmol的H和101325kPa的H2)下进行的。所以一种强还原剂如NAD有一个负 的氧化还原电位,而一种强氧化剂如O2)有一个正的氧化还原电位。表72为生物中一些 重要氧还对的氧化还原电位。从反应物的氧化还原电位E0′可以计算出一个氧化还原反应 的自由能变化(△G)。 例如,丙酮酸被NADH还原的反应如下: (a)丙酮酸+NADH+H乳酸+NAD 其中NAD: NADH+H对的氧化还原电位为032V,而丙酮酸:乳酸对的氧化还原电位为 0.19V,可写成 (b)丙酮酸+2H+2e—乳酸E0′=-0.19 (c) NAD+2H+2e NADH+H+ Eo=-032V 由(b减(c)即可得反应(a)的E0′=-0.19-(-0.32)=+0.13V △G′与氧化还原电位△E0′的关系如下: 一nF△Eo (7.6) 这样,我们就可以计算出丙酮酸被NADH还原时的△G0′,即标准自由能的变化。公式 (7.6)中n表示转移的电子数,F为法拉第的卡当量[964J/(V·mo),△Eo′的单位为 V,△G0′的单位为kJ/mol。丙酮酸还原时的n=2,所以 2×9640×0.13 25.06kJ/rnol 从公式(76)可看出,△Eo′为正值时,△G0′为负值,表示为放能反应 另一个例子是NADH的氧化并生成H2O,其反应如下: (a)1/202+2H+2eH2O (b) NAD+2H+2e NADH+H E0′=-0.32V 以(a)-(b)即得(c) (c) 1/202+NADH+H+ H,O+NAD △E0′=1.14V 此反应的自由能变化为: △E0 2×96.40×1.14 219.79kJ/mol 所以说呼吸链全部的氧化还原电位的变化为1.4V,相当于ΔG′为219.79kJ/mol 、高能磷酸化合物 1.高能磷酸化合物的概念
177 够转化成 ATP中磷酸基团的转移势能(Phosphate group transfer potentiaI)。磷酸基团的转移 势能可以用磷酸化合物水解时的 G0′表示。而电子转移势能可用 E0′ (即氧化还原电位) 表示。如果一种物质存在氧化态(X)和还原态(X- )，这 X 和 X-就称为氧还对(redox couple)。 所以负氧化还原电位表示一种物质对电子的亲合力比 H２低，而正氧化还原电位则表示一 种物质与电子的亲合力比 H２高，这种比较是在标准状态（即 lmol 的氧化剂， lmol 的还 原剂，lmol 的 H+和 101.325kPa 的 H２）下进行的。所以一种强还原剂(如 NADH)有一个负 的氧化还原电位，而一种强氧化剂(如 O２)有一个正的氧化还原电位。表 7-2 为生物中一些 重要氧还对的氧化还原电位。从反应物的氧化还原电位E0′可以计算出一个氧化还原反应 的自由能变化(ΔG) 。 例如，丙酮酸被 NADH 还原的反应如下： (a) 丙酮酸 + NADH + H+ 乳酸+NAD+ 其中 NAD+∶NADH+H+ 对的氧化还原电位为 0.32V，而丙酮酸∶乳酸对的氧化还原电位为 0.19V，可写成： (b) 丙酮酸+2H++2e—──→乳酸 E0′＝－0.19V (c) NAD++2H++2e—──→NADH+H+ E0′＝－0.32V 由(b)减(c)即可得反应(a)的 E0′＝－0.19－(－0.32)＝ +0.13V ΔG0′与氧化还原电位ΔE0′的关系如下： ΔG0′＝－nFΔE0′ (7．6) 这样，我们就可以计算出丙酮酸被 NADH 还原时的ΔG0′，即标准自由能的变化。 公式 (7．6)中 n 表示转移的电子数，F 为法拉第的卡当量[96.4kJ／(V·mol)]， ΔE0′的单位为 V，ΔG0′的单位为 kJ／mol。丙酮酸还原时的 n＝2，所以 ΔG0′＝－2×96.40×0.13 ＝－25.06kJ／rnol 从公式(7.6)可看出，ΔE0′为正值时，ΔG0′为负值，表示为放能反应。 另一个例子是 NADH 的氧化并生成 H２O，其反应如下： (a) 1／2O２+2H++2e— H２O E0′＝+0.82V (b) NAD++2H++2e— NADH+H+ E0′＝－0.32V 以(a)－(b)即得(c)： (c) 1／2O２+NADH+H+ H２O+NAD+ ΔE0′＝1.14V 此反应的自由能变化为： ΔG0′＝－nFΔE0′ ＝－2×96.40×1.14 ＝－219.79kJ／mol 所以说呼吸链全部的氧化还原电位的变化为 1.14V，相当于ΔG0′为 219.79kJ／mol。 三、高能磷酸化合物 1．高能磷酸化合物的概念
生物体内磷酸化合物很多,并不是所有的磷酸化合物都是高能的,只有那些磷酸基团水 解时能释放出大量自由能的化合物称为髙能磷酸化合物,这种能量称为磷酸键能。腺三磷 就是这类化合物的典型代表。 腺三磷结构中的两个磷酸基团(β,γ)可从γ端依次移去而生成腺二磷(ADP)和腺 磷(AMP)。ATP的前两个磷酸基团水解时各释放出30 5kJ/mol能量,第三个磷酸基团(a) 腺三磷 代表水解时产生高能的键 水解时释放出142kJ/mol能量。一般将水解时释放出20.9kJ/mol以上自由能的化合物称为 髙能化合物,含有高能的键称为高能键,常用“~”符号表示。这里的高能键必须与物理 化学上的高能键区别开来。在物理化学上,键能是断裂一个键所需要的能量,断键输入的 能量越多键就越稳定;而在生物化学上,高能键是指水解反应或基团转移反应中的标准自 由能变化(△G0),水解时释放的自由能愈多,这个键就愈不稳定,愈容易被水解而断 裂。高能化合物与低能化合物是相对而言的。 2.高能化合物的类型 机体内高能化合物的种类很多,不只是高能磷酸化合物,根据其键型的特点,可将高 能化合物分为以下几种类型 (1)磷氧键型一O~P)属于这种键型的化合物很多,又可分成几类 ①酰基磷酸化合物 HC-OH OO HaN-C-O*P-O 1,3-二磷酸甘油酸 酰磷酸 氨甲酰磷酸
178 生物体内磷酸化合物很多，并不是所有的磷酸化合物都是高能的，只有那些磷酸基团水 解时能释放出大量自由能的化合物称为高能磷酸化合物，这种能量称为磷酸键能。腺三磷 就是这类化合物的典型代表。 腺三磷结构中的两个磷酸基团(β ，γ)可从γ端依次移去而生成腺二磷(ADP)和腺一 磷(AMP)。ATP 的前两个磷酸基团水解时各释放出 30.5kJ/mol能量，第三个磷酸基团（a） N N N N NH2 O OH OH H H H H O P O O O - ～ O P ～ O O - P - O O O - γ β α 腺三磷 “～” 代表水解时产生高能的键 水解时释放出 14.2kJ/mol能量。一般将水解时释放出 20.9kJ/mol 以上自由能的化合物称为 高能化合物，含有高能的键称为高能键，常用“～”符号表示。这里的高能键必须与物理 化学上的高能键区别开来。在物理化学上，键能是断裂一个键所需要的能量，断键输入的 能量越多键就越稳定；而在生物化学上，高能键是指水解反应或基团转移反应中的标准自 由能变化（ΔG０），水解时释放的自由能愈多，这个键就愈不稳定 ，愈容易被水解而断 裂。高能化合物与低能化合物是相对而言的。 2．高能化合物的类型 机体内高能化合物的种类很多，不只是高能磷酸化合物，根据其键型的特点，可将高 能化合物分为以下几种类型： （1）磷氧键型(－O～P) 属于这种键型的化合物很多，又可分成几类。 ①酰基磷酸化合物： C CH3 CH2 OH O O O O O - O O - P HC P O - ~ C O O O O - ~ P O - H3N + C O O O O - ~ P O - 1,3-二磷酸甘油酸 乙酰-磷酸 氨甲酰磷酸 O -
~P—0—腺苷R O—腺苷 酰基腺苷酸 酰腺苷酸 ②焦磷酸化合物: O-P~O-P~o腺苷—O-P~C-P~O 无机焦磷酸 腺一苷,AMP 腺二苷,ADP 腺三苷,ATP ③烯醇式磷酸化合物: CO0 O HN~P—O 磷酸烯醇式丙酮酸 HN~P一 C=NH (2)氮磷键型如胍基磷酸化和物 N—CH CH2)3 CH,-COO HC-NH 磷酸肌酸 磷酸精氨酸 NH? (3)硫酯键型如活性硫酸基: (4)甲硫键型如活性甲硫氨酸。 以上高能化合物中,含有磷酸基团的占 O—P 绝大多数,但并不是所有含磷酸基团的化合 物都属于高能磷酸化合物。例如,葡萄糖-6 3’-磷酸腺苷-5-磷酰硫酸 磷酸,甘油磷脂等化合物,水解时每摩尔只 能释放出12.54kJ的能量,属于低能磷酸化合物
179 R C O P O - O - O ～ O 腺苷 酰基腺苷酸 C O P O - O - O ～ O 腺苷 氨酰腺苷酸 C H +NH3 R ②焦磷酸化合物： O - -O O P O O - O O - P O - O O P O O - O P O O - O O - ~ P ~ ` ~ ~ ~ 无机焦磷酸 腺一苷, AMP 腺二苷 , ADP 腺三苷, ATP 腺苷 ③烯醇式磷酸化合物： O O - O O - C P COO - CH2 磷酸烯醇式丙酮酸 ~ （2）氮磷键型 如胍基磷酸化和物： （3）硫酯键型 如活性硫酸基： （4）甲硫键型 如活性甲硫氨酸。 以上高能化合物中，含有磷酸基团的占 绝大多数，但并不是所有含磷酸基团的化合 物都属于高能磷酸化合物。例如，葡萄糖-6- 磷酸，甘油磷脂等化合物，水解时每摩尔只 能释放出 12.54kJ 的能量，属于低能磷酸化合物。 O - O O - HN P C N CH2 NH CH3 COO - 磷酸肌酸 O O - HN P C NH (CH2 )3 NH COO - HC NH3 磷酸精氨酸 ~ ~ O - N N N N NH2 O O OH H H H H O P O O O - O - S～ O O P -O O O - 3'-磷酸腺苷-5'-磷酰硫酸
3.ATP的特殊作用 ATP在一切生物的生命活动中都起着重要作用,在细胞的细胞核、细胞质和线粒体中 都有ATP存在 细胞中的磷酸化合物根据其水解时释放自由能的多少分为高能磷酸化合物和低能磷酸 化合物。但在不同的磷酸化合物之间,ΔG的大小并没有明显的高能和低能的界限,从 表7-3中可以看出ΔG值是逐步下降的。ATP所释放的自由能值正处在中间位置。在ATP 以上的任何一种磷酸化合物都倾向于将它的磷酸基团转移给在它以下的磷酸受体分子。例 如,ADP能接受在ATP以上的磷酸基团。同样,ATP倾向于将其磷酸基团转移给在它以 下的受体,如葡萄糖6-磷酸。表7-3清晰表明了不同磷酸化合物其磷酸基团转移的热力学 趋势或转移势能的大小(一般用无方向的正值表示) 表7-3某些磷酸化合物水解的标准自由能变化 化合物 △G(kJ/m1) 磷酸基团转移势能△G°( k vmol 磷酸烯醇式丙酮酸 磷酸肌酸 43.1 乙酰磷酸 42.3 磷酸精氨酸 32.2 30.5 30.5 AMP(→腺苷+Pi 葡萄糖-1-磷酸 果糖一6-磷酸 葡萄糖-6-磷酸 13.8 甘油-1-磷酸 ATP在磷酸化合物中所处的位置具有重要的意义它在细胞的酶促磷酸基团转移中是 一个“共同中间体”。ADP可以接受表7-3中在它以上的化合物的磷酸基团,所形成的 ATP可将磷酸基团转移给其他的受体,形成在ATP以下的磷酸化合物。ATP作为磷酸基 团共同中间传递体的作用可用图74表示。由图7-1可以看出,ATP是能量的携带者和转 运者,但并不是能量的贮存者。起贮存能量作用的物质称为磷酸原,在脊推动物中是磷酸
180 3．ATP 的特殊作用 ATP 在一切生物的生命活动中都起着重要作用，在细胞的细胞核、细胞质和线粒体中 都有 ATP 存在。 细胞中的磷酸化合物根据其水解时释放自由能的多少分为高能磷酸化合物和低能磷酸 化合物。但在不同的磷酸化合物之间，ΔG0 的大小并没有明显的高能和低能的界限，从 表 7-3 中可以看出ΔG0 值是逐步下降的。ATP所释放的自由能值正处在中间位置。在 ATP 以上的任何一种磷酸化合物都倾向于将它的磷酸基团转移给在它以下的磷酸受体分子。例 如，ADP能接受在 ATP以上的磷酸基团。同样，ATP倾向于将其磷酸基团转移给在它以 下的受体，如葡萄糖-6-磷酸。表 7-3 清晰表明了不同磷酸化合物其磷酸基团转移的热力学 趋势或转移势能的大小(一般用无方向的正值表示)。 表 7-3 某些磷酸化合物水解的标准自由能变化 化合物 ΔG 0 （kJ/mol） 磷酸基团转移势能ΔG 0（kJ/mol） 磷酸烯醇式丙酮酸 －61.9 61.9 3-磷酸甘油酸磷酸 －49.3 49.3 磷酸肌酸 －43.1 43.1 乙酰磷酸 －42.3 42.3 磷酸精氨酸 －32.2 32.2 ATP（→ADP+Pi） －30.5 30.5 ADP（→AMP+Pi） －30.5 30.5 AMP（→腺苷+Pi） －14.2 14.2 葡萄糖-1-磷酸 －20.9 20.9 果糖-6-磷酸 －15.9 15.9 葡萄糖-6-磷酸 －13.8 13.8 甘油-1-磷酸 －9.2 9.2 ATP 在磷酸化合物中所处的位置具有重要的意义，它在细胞的酶促磷酸基团转移中是 一个“共同中间体”。 ADP 可以接受表 7-3 中在它以上的化合物的磷酸基团，所形成的 ATP 可将磷酸基团转移给其他的受体，形成在 ATP 以下的磷酸化合物。ATP 作为磷酸基 团共同中间传递体的作用可用图 7-l 表示。由图 7-1 可以看出，ATP 是能量的携带者和转 运者，但并不是能量的贮存者。起贮存能量作用的物质称为磷酸原，在脊推动物中是磷酸
磷酸烯单式丙酮酸 ,3-二磷酸 丈12甘油酸 高能-P供体 磷酸肌酸(高能磷酸基团贮备物) 6-磷酸葡萄糖 3-磷酸甘油 图7-1ATP作为磷酸基团共同中间传递体示意图 磷酸肌酸为高能磷酸基贮备物:6-磷酸葡萄糖,3磷酸甘油酸为低能磷酸基团受体。磷酸基团由高能磷酸供体通过ATP-ADP 系统转至低能磷酸受体,转移的方向是由高能化合物转移到低能化合物。磷酸基团转移势能的测定条件为标准状况 肌酸。当ATP浓度较高时,肌酸即通过酶的作用直接接受ATP的高能磷酸基团形成磷酸 酸。当ATP浓度低时,磷酸肌酸又将高能磷酸基团转移给ADP。磷酸肌酸只通过这唯 一的途径转移其磷酸基团,因此它是ATP高能磷酸基团的贮存库。肌肉中磷酸肌酸的含 量比ATP高3~4倍,足以使ATP处于相对稳定的浓度水平 HNC—N—CH 0 NH? NH2 磷酸肌酸 肌酸 无脊椎动物则以磷酸精氨酸作为磷酸原 第三节电子传递链 、电子传递链的概念 我们把电子从还原型辅酶通过一系列按照电子亲和力递增的顺序排列的电子传递体传 递到氧的整个体系,称为电子传递链或呼吸链。电子传递链在原核细胞中存在于质膜上, 在真核细胞中存在于线粒体的内膜上 、电子传递链(呼吸链)的内容 由NADH到O2的电子传递链主要包括FMN、辅酶QCoQ)、细胞色素b、c1、c、a、 a3以及一些铁硫蛋白(铁硫中心),其中铁·硫中心和细胞色素类是含铁蛋白质,细胞色 素aa3是含铜蛋白质。这些电子传递体传递电子的顺序是按照它们的还原电势大小排成的, 这个序列与它们对电子亲和力的不断增加顺序相吻合,如图7-2所示
181 2 4 6 8 10 12 14 16 0 ~P ~P ~P ~P ~P ATP 磷酸烯醇式丙酮酸 1,3-二磷酸 甘油酸 高能~P供体 磷酸肌酸(高能磷酸基团贮备物) 6-磷酸葡萄糖 磷 3-磷酸甘油 酸基团转移势能 [×4.18(kJ/mol)] 图 7-1 ATP 作为磷酸基团共同中间传递体示意图 磷酸肌酸为高能磷酸基团贮备物；6-磷酸葡萄糖，3-磷酸甘油酸为低能磷酸基团受体。磷酸基团由高能磷酸供体通过 ATP-ADP 系统转至低能磷酸受体，转移的方向是由高能化合物转移到低能化合物。磷酸基团转移势能的测定条件为标准状况 肌酸。当 ATP 浓度较高时，肌酸即通过酶的作用直接接受 ATP 的高能磷酸基团形成磷酸 肌酸。当 ATP 浓度低时，磷酸肌酸又将高能磷酸基团转移给 ADP。磷酸肌酸只通过这唯 一的途径转移其磷酸基团，因此它是 ATP 高能磷酸基团的贮存库。肌肉中磷酸肌酸的含 量比 ATP 高 3～4 倍，足以使 ATP 处于相对稳定的浓度水平。 O - O - O - P 磷酸肌酸 N O C N CH3 NH2 CH2 C O O - H2N C N CH3 NH2 CH2 C O 肌酸 肌酸激酶 ADP ATP ~ + + 无脊椎动物则以磷酸精氨酸作为磷酸原。 第三节 电子传递链 一、电子传递链的概念 我们把电子从还原型辅酶通过一系列按照电子亲和力递增的顺序排列的电子传递体传 递到氧的整个体系，称为电子传递链或呼吸链。电子传递链在原核细胞中存在于质膜上， 在真核细胞中存在于线粒体的内膜上。 二、电子传递链(呼吸链)的内容 由 NADH 到 O２的电子传递链主要包括FMN、辅酶 Q(CoQ)、细胞色素 b、c１、 c、a、 a３ 以及一些铁硫蛋白（铁硫中心），其中铁·硫中心和细胞色素类是含铁蛋白质，细胞色 素 aa３是含铜蛋白质。这些电子传递体传递电子的顺序是按照它们的还原电势大小排成的， 这个序列与它们对电子亲和力的不断增加顺序相吻合，如图 7-2 所示
NADH→EFMN DH 0.0 ATP 电子流动方向 图7-2电子传递次序 电子传递体从NADH(-0.32V)到氧(+0.82V照还原性电势大小的排列顺序 由图7-2可以看出,呼吸链电子载体的标准势能是逐步下降的,电子流动的方向是朝 向分子氧。其中几个自由能明显变化的位点正是ATP合成的位点。真核细胞线粒体的呼吸 链含有大量的电子携带蛋白质,这些特殊的蛋白质在电子传递链中也起电子传递作用。目 前在电子传递链中所发现的组分已在15种以上(可总结如图73),不同的电子传递体都 和蛋白质结合存在,这些与呼吸链中电子载体相结合的蛋白质都是水不溶性的,因此给分 离提取和研究这些蛋白质造成很多困难。这也正是当前研究工作者致力解决的问题。 待氧化底物 -NAD-E-FMN-FeS3ICoQ-b562-b566-Fe-S-CrC-la ay CuA CuBl-O 第I组(setI) 第Ⅱ组(set) 第Ⅲ组(setl 图7-3呼吸链的全部电子载体组合 第I组中至少含有5种铁硫中心第Ⅱ组中含有2种不同的细胞色素b和1种与组合Ⅰ不同的铁硫中心 第Ⅲ组中除细胞色素a、a1外还含有两个铜离子,这些氧化一还原中心的确切序列和功能尚未弄清 、与呼吸链有关的酶和电子载体 吡啶核苷酸类 许多代谢中间物的脱氢都是通过脱氢酶的作用,这些不同的脱氢酶都以NAD或 NADP作为电子受体。这类酶催化的反应如下: 还原形底物+NAD 氧化形底物+ NADH+H 还原形底物+NADP+ + 氧化形底物+ NADPH+H 大多数脱氢酶都以NAD为辅酶,有的以NADP为辅酶,如6-磷酸葡萄糖脱氢酶就是以 NADP作为电子受体。极少数的酶能用NAD或NADP两种辅酶,如谷氨酸脱氢酶, 这类酶与NAD(P+)相关的脱氢酶,有些分布在胞液中,有些分布在线粒体中,也有些
182 NADH CoQ C1 C O2 ATP FADH2 +0.8 +0.6 +0.4 +0.2 0.0 -0.2 -0.4 E-FMN b a a3 ATP ATP E0 '(volts) 电子流动方向 图 7-2 电子传递次序 电子传递体从 NADH（－0.32V）到氧(+0.82V)按照还原性电势大小的排列顺序 由图 7-2 可以看出，呼吸链电子载体的标准势能是逐步下降的，电子流动的方向是朝 向分子氧。其中几个自由能明显变化的位点正是 ATP 合成的位点。真核细胞线粒体的呼吸 链含有大量的电子携带蛋白质，这些特殊的蛋白质在电子传递链中也起电子传递作用。目 前在电子传递链中所发现的组分已在15 种以上（可总结如图 7-3），不同的电子传递体都 和蛋白质结合存在，这些与呼吸链中电子载体相结合的蛋白质都是水不溶性的，因此给分 离提取和研究这些蛋白质造成很多困难。这也正是当前研究工作者致力解决的问题。 NAD E-FMN FeS1 Fes2 FeS5 FeS4 FeS3 CoQ b562 b566 Fe S C1 C O2 [a a3 CuA CuB] 第Ⅰ组 (setⅠ) 第Ⅱ组 (setⅡ) 第Ⅲ组 (setⅢ) 化 底 物 待 氧 图 7-3 呼吸链的全部电子载体组合 第Ⅰ组中至少含有 5 种铁硫中心；第Ⅱ组中含有 2 种不同的细胞色素 b 和 l 种与组合Ⅰ不同的铁硫中心； 第Ⅲ组中除细胞色素 a、 a３外还含有两个铜离子，这些氧化一还原中心的确切序列和功能尚未弄清。 三、与呼吸链有关的酶和电子载体 1．吡啶核苷酸类 许多代谢中间物的脱氢都是通过脱氢酶的作用，这些不同的脱氢酶都以 NAD+或 NADP+作为电子受体。这类酶催化的反应如下： 还原形底物+NAD+ 氧化形底物+NADH+H+ 还原形底物+NADP+ 氧化形底物+NADPH+H+ 大多数脱氢酶都以 NAD+为辅酶，有的以 NADP+为辅酶，如 6-磷酸葡萄糖脱氢酶就是以 NADP+作为电子受体。极少数的酶能用 NAD+或 NADP+两种辅酶，如谷氨酸脱氢酶。 这类酶与 NAD+（P +）相关的脱氢酶，有些分布在胞液中，有些分布在线粒体中，也有些