生物化学 8 生物氧化与氧化磷酸化

H2O
（3）当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放 的能量怎样转化成ATP？
底物水平磷酸化 氧化磷酸化
脂肪
多糖
蛋白质
脂肪酸、甘油
葡萄糖、 其它单糖
氨基酸
乙酰CoA
磷酸化
电子传递 （氧化）
+Pi
H
三羧酸 循环
生物氧化的三个阶段
大分子降解成 基本结构单位
小分子化合物分 解成共同的中间 产物（如丙酮酸 、乙酰CoA等）
其中n为转移的电子数， F为法拉第常数，F=96.496kJ/v.mol =23.063kcal/v.mol
（四）高能化合物
1、概念
生物体内的放能反应与吸能反应偶联，最基
本的形式是通过高能化合物实现的。
高能化合物的概念：指含有高能键，在标准条
件下（pH=7,250C,1mol/L)发生水解时可释放大
已糖激酶：G+ATP→G-6-P+ADP 甘油激酶：甘油+ATP→3-磷酸甘油+ADP
某些磷酸化合物磷酸基团的转移势能
化合物
磷酸基团转移势能G （千卡/摩尔）
磷酸烯醇式丙酮酸
14.8
1，3- 二磷酸甘油酸
11.8
氨甲酰磷酸
12.3
磷酸肌酸
10.3
乙酰磷酸
10.1
磷酸精氨酸
7.7
ATP（ATP→ADP+Pi）
量自由能的化合物。
高能化合物的共同特点是含有容易断裂的“活 泼
键”，水解时可释放大于21KJ/mol的能量，常 用
符号表示。
2、高能化合物的类型
根据分子中是否含有磷酸可分为磷酸类高能 化合物和非磷酸类高能化合物。必须注意：并非 所有的磷酸化合物都是高能化合物。
高能磷酸键 水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯
生物氧化
体外氧化
温和条件 （常温、常压、中性pH、水溶液）
逐步氧化放能，能量利用率高
高温或高压、干燥条件 能量爆发释放
释放的能量转化成ATP被利用
转换为光和热，散失
• 场所：真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行。
（三）生化反应的自由能变化
1、自由能（Gibbs，G）的概念
在恒温恒压条件下，体系可以用来对环境作功的 那一部分能量。即生物体中进行生物氧化所提供的能。
CoASH NAD+
NADH+H+
H2O的生成
代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体
（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通
过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O 。
例：
乙醇脱氢酶
CH3CH2OH
CH3CHO
NAD+
NADH+H+
NAD+
2e
电子传递链
1\2 O2 O2-
2H+
线粒体呼吸链复合体
复合体
酶名称 多肽链数 辅基
复合体Ⅰ NADH- Q还原酶
39 FMN，Fe-S
复合体Ⅱ 琥珀酸- Q还原酶
4
FAD ，Fe-S
复合体Ⅲ QH2-细胞色素C
10 铁卟啉，Fe-S
复合体Ⅳ 细胞色素c氧化酶
13 铁卟啉，Cu
* 辅酶Q(泛醌) 和 细胞色素C(Cytc)均不包含在上述四种复合体中。
电子载体
1. 烟酰胺核苷酸类 2. 黄素蛋白类 （flavoproteins, FP） 3. 铁-硫蛋白类 （iron—sulfur proteins) 4. 泛醌（辅酶Q） （ubiquinone,亦写作CoQ） 5. 细胞色素类 （cytochromes）
琥珀酸等
黄素蛋白 （F AD）
铁硫蛋白 （Fe-S）
HH
H
H
OH OH
3´-磷酸腺苷-5´-磷酸硫酸
（4） 甲硫键型
COOCH NH3+ CH2 CH2 H3C S+ A
S-腺苷甲硫氨酸
3、 ATP的特点及其特殊作用
（1）ATP的分子结构特点与水解自由能的关系
NH2
在pH=7环境中，ATP分
N
N
子中的三个磷酸基团完 全解离成带4个负电荷的 离子形式（ATP4-）
2H+
1\2 O2 O= H2O
CO2的生成
方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的 中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。 类型：α-脱羧和β-脱羧
氧化脱羧和单纯脱羧
例： R
H2N-CH-COOH
氨基酸脱羧酶
R CH2-NH2 +CO2
O
丙酮酸脱氢酶系
CH3-C-COOH
CH3COSCoA+CO2
① ATP是生物体通用的能量货币。 ② ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。
ATP是通用的能量货币
➢有机物氧化分解产生的能量并不 直接用于活细胞的生理活动，而是 将ADP磷酸化生成ATP
➢当ATP＋H2O →ADP + Pi时，释放 出的自由能，为生命活动提供能量； 即构成了ATP / ADP循环。
（2）在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机化 合物中的H氧化成H2O？
代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载 体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再 通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O 。
乙醇脱氢酶
CH3CH2OH
CH3CHO
NAD+
NADH+H+
NAD+
2e
电子传递链
7.3
ADP（ADP→AMP+Pi）
7.3
AMP（AMP→腺苷+Pi）
3.4
1-磷酸葡萄糖
5.0
6-磷酸葡萄糖
3.3
6-磷酸果糖
3.8
1-磷酸甘油酸
2.2
➢ ATP→ADP+Pi ΔG0’=7.3， 居中 故ATP是磷酸基团转移反应的中间载体
磷酸基团转移势能（kcal/mol)
16
PEP
14
丙酮酸激酶：PEP+ADP→丙酮酸+ATP
NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变 氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。
2、黄素蛋白酶类
以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜 组成蛋白接受2个氢原子成还原型的黄素单核 苷酸。
FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是 异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是 FMN• 。
生物氧化与氧化磷酸化
内容提要
生物氧化概述 电子传递链（呼吸链） 氧化磷酸化 其他末端氧化酶系统
一、生物氧化概述
❖ 生物氧化的概念 ❖ 生物氧化的特点 ❖ 生化反应的自由能变化 ❖ 高能化合物
（一）生物氧化的概念
1 、概念
糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进 行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称 为生物氧化（biological oxidation），其实质是需 氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还 原反应过程，因此又称为细胞呼吸、细胞氧化或 组织呼吸。
ΔG随温度和物质浓度而变化
2、标准自由能变化及其与平衡常数的关系
❖ 标准自由能变化（ΔGθ ）：指在标准条件下， 即温度为25℃，参加反应的物质浓度为 1mol/L,若有气体，则为1个大气压，pH为7时， 测定的自由能变化。单位为J/mol,KJ/mol
ΔG ＝ ΔGθ + RTln[B]/[A] （1） ΔG ＝0， [B]/[A]=Keq ，Keq 为平衡常数，[B]和[A]
为反应达到平衡时的浓度。代入（1） ΔGθ’＝ －RTln Keq = -2.303RT lgKeq 标况下，T=298K, R=1.987 cal/mol.
=8.314 J/mol.k
3、自由能变化与氧化还原电位差的关系
❖ 氧还对：氧化还原反应中，参与反应的每一种物 质都有氧化态和还原态，称为氧还对。
O
O O-
C O P O-
CH OH O
O
O
H3N+ C O P OO-
氨甲酰磷酸
乙酰磷酸
CH2 O P O-
10.1千卡/摩尔
O-
O
O
O
O
1,3-二磷酸甘油酸 11.8千卡/摩尔
RC O P O O-
酰基腺苷酸
A
RCH C O P O
N+H3
O-
氨酰基腺苷酸
A
2）焦磷酸化合物
OO
NH2
O- P O P O-
NADH
黄素蛋白 （FMN）
铁硫蛋白 （Fe-S）
辅酶Q （CoQ）
Cyt b
Fe-S 细胞色素类 Cyt c1
Cyt c
Cyt aa3
O2
1、烟酰胺核苷酸类
主要作为一类不需氧脱氢酶的的辅酶。有 NAD+和NADP+，大多脱氢酶以NAD +为辅酶。
电子和氢离子一起被接受，还原型CoⅠ将 氢移到NADH上。
共同中间物进入 三羧酸循环,变成 CO2。氧化脱下 的氢由电子传递 链传递生成H2O ，释放出大量能 量，其中一部分 通过磷酸化储存 在ATP中。
（二）生物氧化的特点
❖生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实 质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗 氧气，都生成CO2和H2O，所释放的能量也相 同。但二者进行的方式和历程却不同：
❖ 生化标准氧化还原电位（ Eθ ）：生化标准条件下， 发生氧化还原反应的每一氧还对的电子转移势能。 在氧化还原反应中，电子总是从Eθ ’值较小的 物质转移到Eθ ’值较大的物质，即从还原剂流向 氧化剂。
❖生化标准氧化还原电位差（Δ Eθ ’）：
Δ Eθ ’= Eθ ’氧化剂- Eθ ’还原剂 ΔG0’ = —nFΔEθ ’
➢ATP将分解代谢的产能反应和合成 代谢的需能反应偶联在一起，被生 物界普遍用作“能量货币”。
ATP /ADP循环是生物体系 中能量交换的基本形式
ATP是磷酸基团转移反应的中间载体
➢ 磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物 质向势能低的物质转移。
➢ 磷酸基团转移势能在数值上等于其水解反 应的ΔG0’。
12
已糖激酶： G+ATP→G-6-P+ADP
1，3-二P甘油酸 10
8
ATP
6 6-P葡萄糖
4
2
3-P甘油
二、电子传递链（呼吸链）
❖ 概念 ❖ 电子传递链的组成 ❖ 电子传递链的电子传递顺序 ❖ 电子传递链的电子传递抑制剂
（一）概 念
❖ 在生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经过一 系列按一定顺序排列的氢传递体和电子传递 体的传递，最后交给分子氧并生成水，这个 氢和电子的传递体系称为电子传递链 （eclctron transfer chain) 。由于消耗氧，故 也叫呼吸链。
恒温恒压条件下自由能变化公式为 ΔG =ΔH － T ΔS
意义：1)用其判断一个反应是否能发生；
2)生物体用以作功的能为体内生化反应放出的自 由能； 3）生物氧化所提供的能是机体可利用的自由能。
自由能和化学反应的关系
ΔG与反应途径、反应机理无关。 任何反应，当： ΔG＜0 反应可自发进行，为放能反应； ΔG ＞0 反应不能自发进行，为吸能反应； ΔG ＝0 体系处于平衡状态，反应可逆。
❖ 电子传递链在原核生物存在于质膜上，在真 核细胞存在于线粒体内膜上。
线粒体的结构
➢ 线粒体内膜向内折叠形成 嵴（cristae），扩大了内 膜的面积。
➢ 内膜表面含有 • 执行氧化反应的电子传递
链 • ATP合成酶 • 线粒体内膜转运蛋白
嵴褶 膜间空间 基质
外膜 内膜
（二）电子传递链组成
呼吸链共包括四种具有传递电子功能的酶复合体 (complex，由相应酶和传递体共同组成) 和两种单独成分。
键，常表示为 P。 高能磷酸化合物
含有高能磷酸键百度文库化合物
也可根据分子结构的特点和所含高能键 的特征进行分类。
（1）磷氧键型：如ATP、磷酸烯醇式丙酮酸等 （2）磷氮键型：如磷酸肌酸等 （3）硫酯键型：如脂酰CoA等 （4）甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸
（1）磷氧键型（—O~P)
1）酰基磷酸化合物
糖、脂肪和蛋白质
CO2 +H2O +能量
2 、生物氧化主要包括三方面的内容
（1）细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的C 变成CO2？
糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间 化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。
O CH3-C-COOH
CoASH
丙酮酸脱氢酶系
CH3COSCoA+CO2
NAD+
NADH+H+
O
NH
PO
C NH O
N CH3 NH2
CH2CH2CH2CHCOOH 磷酸精氨酸
7.7千卡/摩尔
➢ 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。
（3）硫酯键型
O R C SCoA
酰基辅酶A
NH2
N
N
O
OS O-
O
OP O-
NN OCH2 O
O O- P
O-
O O- P
O-
O O- P
O-
NN OCH2 O
HH
H
H
水解反应
OH OH
ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G ＝-30.5kJ•mol-1
ATP4-不稳定，具有较大势能，加之水解产物稳定，
因而水解自由能很大（ΔG°´=-30.5千焦/摩尔）。
（2）ATP在能量转化中的作用
N
N
O-
O-
焦磷酸
O O- P
O-
O O- P
O-
O O- P
O-
NN OCH2 O
HH
H
H
OH OH
ATP（三磷酸腺苷） 7.3千卡/摩尔
3）烯醇式磷酸化合物
COOH O
CO PO
CH2
O
磷酸烯醇式丙酮酸
14.8千卡/摩尔
（2）磷氮键型
O
NH
PO
C NH O
N CH3 CH2COOH
磷酸肌酸 10.3千卡/摩尔