第八章生物氧化
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化学上的高能键：指形成一个键需要释放较多的能量或 打开一个键需要消耗第较八章多生的物氧能化 量，是指稳定的键。
根据生物体内高能化合物键的特性可以把 它们分成以下几种类型。
高能键型
• 1. 磷氧键型（—O～P) • 2. 磷氮键型（—N～P) • 3. 硫碳键型（—C～S)
第八章生物氧化
1. 磷氧键型（- O～P）
OCH2 O HH
从而形成ATP循环。
H
H
• ATP作为能量传递的中间载体，
OH OH
有“通用货币”之称。ATP是能
够被生物细胞直接利用的能量形 式，是能量的携带者和传递者，
ATP（三磷酸腺苷）
但不是能量的储存物质。
第八章生物氧化
ATP在能量交换中的作用如同能量“货币”，是一种 可以流通的能量物质：即可从能量较高的化合物获得 能量，也可较容易地向能量较低的化合物传递能量。
二、生物氧化的特点
（与体外燃烧相比）
（1）生物氧化是在细胞内进行的； （2）生物氧化是在温和条件下进行的； （3）生物氧化所产生的能量是逐步释放的； （4）生物氧化所产生的能量首先转移到一些特殊的 高能化合物中。
第八章生物氧化
三、生物氧化中CO2的生成
1. 直接脱羧作用 （direct decarboxylation）
向电位高的倾向是自由能降低的结果。 • 电子总是向反应系统自由能降低的方向移动。
第八章生物氧化
六、高能化合物
• 一般将水解（或基团的转移反应）时能释放出大量的自由 能（＞20.92kJ/mol）的化学键称为高能键， 用符号“～” 表示。 • 含有高能键的化合物就称为高能化合物（high-energy or energy-rich compound）。 • 含磷酸基团的这类化合物叫高能磷酸化合物（Highenergy phosphate compound）。在这些高能磷酸化合物 中的酸酐键，能释放大量自由能。 • ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸化合物。
-13.82
α-磷酸甘油
第八章生物氧化
-9.21
磷酸原
在细胞内如磷酸肌酸（脊椎动物肌肉、脑和神经组织）和磷 酸精氨酸（无脊椎动物肌肉中）才是真正的能量储存物质。 以高能磷酸形式贮能的物质统称为磷酸原（phosphagen）。 当机体消耗ATP过多致使ADP增多时，磷酸肌酸可将其高能 键转给ADP生成ATP，以供生理活动之用。
（1）酰基磷酸化合物
O
O O-
C O P O-
CH OH O
CH2 O P OO-
1,3 - 二磷酸甘油酸
OO CH3 C O P O-
O-
乙酰磷酸
OO H3N+ C O P O-
O-
第八章生物氧化
氨甲酰磷酸
（2）烯醇式磷酸化合物
COOH O
CO PO
CH2
O
磷酸烯醇式丙酮酸
第八章生物氧化
（3）焦磷酸化合物
O O- P
O-
O O P O-
O-
焦磷酸
第八章生物氧化
2. 磷氮键型（-N～P）
O
NH
PO
C NH O
N CH3 C H 2C O O H
磷酸肌酸
磷酸精氨酸
这两种高能化合物在第生八物章生体物氧内化起储存能量的作用。
3. 硫碳键型（- C～S）
硫酯键型
甲硫键型
O R C SCoA
COO-
CH
N
H
动这样的反应。
第八章生物氧化
• 氧化还原反应：凡有电子从一种物质（还原剂） 转移到另一种物质（氧化剂）的化学反应 • 氧化还原电势（位）：在氧化还原体系中，丢失 或获得电子趋势的大小。 • 电子总是从低的氧化还原电位向高的氧化还原电 位流动。
第八章生物氧化
自由能变化和氧化还原电位的关系： • 在标准条件下，电子从氧化还原电位低的流
• 又称为细胞氧化或细胞呼吸、组织呼吸。
• CO2 如何形成? 直接脱羧、氧化脱羧 • H2O 如何形成? 脱氢酶、氧化酶、传递体 • 能量如何形成?
第八章生物氧化
糖原 葡萄糖
生物氧化的一般过程
甘油三酯
蛋白质
脂肪酸+甘油
氨基酸
乙酰CoA
TCA
CO2
ADP+Pi ATP
2H
第八章生物氧化
呼吸链
H2O
+ 3
CH2
酰基辅酶A
CH2 H 3C S + A
S-腺苷甲硫氨酸
第八章生物氧化
ATP
• ATP分子中含有两个高能的不稳
wenku.baidu.com
定的酸酐键（A-P~P~P），均可 以水解供能。
NH2
N
N
• ATP水解为ADP并供出能量之后， O O O
NN
又可通过氧化磷酸化重新合成，
O- P O-
O- P O-
O- P O-
第八章 生物氧化
（biological oxidation）
• 生物氧化概述 • 电子传递链 • 氧化磷酸化作用 • 其他末端氧化系统
第八章生物氧化
第一节 生物氧化概述
一、生物氧化的基本概念
• 生物氧化（biological oxidation）：有机物质（糖、脂肪 和蛋白质）在生物体内氧化分解成CO2 和H2O，并释放能 量的过程。
2. 由呼吸链生成水
在生物氧化中，水是代谢物上脱下的氢与生物体吸进的O2化合生 成的。代谢物上的氢需要在脱氢酶的作用下才能脱下，吸入的O2 要通过氧化酶的作用才能转化为高活性的氧。在此过程中，还需 要有一系列传递体才能把氢传递给氧，生成水。
生物氧化过程中水的生成 第八章生物氧化
五、自由能
自由能：一个化合物分子结构中所固有的能量，是指能用于做 功的能量。
表 各种磷酸化合物的水解自由能
磷酸化合物
水解自由能 ΔG（kJ/moL）
磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）
-61.69
氨基甲酰磷酸
-50.50
乙酰基磷酸
-43.12
磷酸肌酸（CP）
-43.12
焦磷酸（PPi）
-33.49
ATP（→ADP + Pi）
-30.56
葡萄糖-1-磷酸（G-1-P）
-20.93
葡萄糖-6-磷酸（G-6-P）
• α-直接脱羧：如氨基酸脱羧
• β-直接脱羧：如草酰乙酸脱羧
第八章生物氧化
2. 氧化脱羧作用 （oxidative decarboxylation ）
• α-氧化脱羧：如丙酮酸的氧化脱羧
• β-氧化脱羧：如异柠檬酸的氧化脱羧
第八章生物氧化
四、生物氧化过程中H2O的生成
1. 底物脱水
第八章生物氧化
1878年，Josiah Willard Gibbs提出关于自由能的公式。 △G为在恒压和恒温下发生变化的体系的自由能的变化。反 应的自由能变化（△G）是反应能否自发进行的重要标准。
△G＜0，反应才能自发进行；
△G = 0，体系处于平衡，不能发生净变化；
△G＞0，反应不能自发进行，需要输入自由能以推
根据生物体内高能化合物键的特性可以把 它们分成以下几种类型。
高能键型
• 1. 磷氧键型（—O～P) • 2. 磷氮键型（—N～P) • 3. 硫碳键型（—C～S)
第八章生物氧化
1. 磷氧键型（- O～P）
OCH2 O HH
从而形成ATP循环。
H
H
• ATP作为能量传递的中间载体，
OH OH
有“通用货币”之称。ATP是能
够被生物细胞直接利用的能量形 式，是能量的携带者和传递者，
ATP（三磷酸腺苷）
但不是能量的储存物质。
第八章生物氧化
ATP在能量交换中的作用如同能量“货币”，是一种 可以流通的能量物质：即可从能量较高的化合物获得 能量，也可较容易地向能量较低的化合物传递能量。
二、生物氧化的特点
（与体外燃烧相比）
（1）生物氧化是在细胞内进行的； （2）生物氧化是在温和条件下进行的； （3）生物氧化所产生的能量是逐步释放的； （4）生物氧化所产生的能量首先转移到一些特殊的 高能化合物中。
第八章生物氧化
三、生物氧化中CO2的生成
1. 直接脱羧作用 （direct decarboxylation）
向电位高的倾向是自由能降低的结果。 • 电子总是向反应系统自由能降低的方向移动。
第八章生物氧化
六、高能化合物
• 一般将水解（或基团的转移反应）时能释放出大量的自由 能（＞20.92kJ/mol）的化学键称为高能键， 用符号“～” 表示。 • 含有高能键的化合物就称为高能化合物（high-energy or energy-rich compound）。 • 含磷酸基团的这类化合物叫高能磷酸化合物（Highenergy phosphate compound）。在这些高能磷酸化合物 中的酸酐键，能释放大量自由能。 • ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸化合物。
-13.82
α-磷酸甘油
第八章生物氧化
-9.21
磷酸原
在细胞内如磷酸肌酸（脊椎动物肌肉、脑和神经组织）和磷 酸精氨酸（无脊椎动物肌肉中）才是真正的能量储存物质。 以高能磷酸形式贮能的物质统称为磷酸原（phosphagen）。 当机体消耗ATP过多致使ADP增多时，磷酸肌酸可将其高能 键转给ADP生成ATP，以供生理活动之用。
（1）酰基磷酸化合物
O
O O-
C O P O-
CH OH O
CH2 O P OO-
1,3 - 二磷酸甘油酸
OO CH3 C O P O-
O-
乙酰磷酸
OO H3N+ C O P O-
O-
第八章生物氧化
氨甲酰磷酸
（2）烯醇式磷酸化合物
COOH O
CO PO
CH2
O
磷酸烯醇式丙酮酸
第八章生物氧化
（3）焦磷酸化合物
O O- P
O-
O O P O-
O-
焦磷酸
第八章生物氧化
2. 磷氮键型（-N～P）
O
NH
PO
C NH O
N CH3 C H 2C O O H
磷酸肌酸
磷酸精氨酸
这两种高能化合物在第生八物章生体物氧内化起储存能量的作用。
3. 硫碳键型（- C～S）
硫酯键型
甲硫键型
O R C SCoA
COO-
CH
N
H
动这样的反应。
第八章生物氧化
• 氧化还原反应：凡有电子从一种物质（还原剂） 转移到另一种物质（氧化剂）的化学反应 • 氧化还原电势（位）：在氧化还原体系中，丢失 或获得电子趋势的大小。 • 电子总是从低的氧化还原电位向高的氧化还原电 位流动。
第八章生物氧化
自由能变化和氧化还原电位的关系： • 在标准条件下，电子从氧化还原电位低的流
• 又称为细胞氧化或细胞呼吸、组织呼吸。
• CO2 如何形成? 直接脱羧、氧化脱羧 • H2O 如何形成? 脱氢酶、氧化酶、传递体 • 能量如何形成?
第八章生物氧化
糖原 葡萄糖
生物氧化的一般过程
甘油三酯
蛋白质
脂肪酸+甘油
氨基酸
乙酰CoA
TCA
CO2
ADP+Pi ATP
2H
第八章生物氧化
呼吸链
H2O
+ 3
CH2
酰基辅酶A
CH2 H 3C S + A
S-腺苷甲硫氨酸
第八章生物氧化
ATP
• ATP分子中含有两个高能的不稳
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定的酸酐键（A-P~P~P），均可 以水解供能。
NH2
N
N
• ATP水解为ADP并供出能量之后， O O O
NN
又可通过氧化磷酸化重新合成，
O- P O-
O- P O-
O- P O-
第八章 生物氧化
（biological oxidation）
• 生物氧化概述 • 电子传递链 • 氧化磷酸化作用 • 其他末端氧化系统
第八章生物氧化
第一节 生物氧化概述
一、生物氧化的基本概念
• 生物氧化（biological oxidation）：有机物质（糖、脂肪 和蛋白质）在生物体内氧化分解成CO2 和H2O，并释放能 量的过程。
2. 由呼吸链生成水
在生物氧化中，水是代谢物上脱下的氢与生物体吸进的O2化合生 成的。代谢物上的氢需要在脱氢酶的作用下才能脱下，吸入的O2 要通过氧化酶的作用才能转化为高活性的氧。在此过程中，还需 要有一系列传递体才能把氢传递给氧，生成水。
生物氧化过程中水的生成 第八章生物氧化
五、自由能
自由能：一个化合物分子结构中所固有的能量，是指能用于做 功的能量。
表 各种磷酸化合物的水解自由能
磷酸化合物
水解自由能 ΔG（kJ/moL）
磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）
-61.69
氨基甲酰磷酸
-50.50
乙酰基磷酸
-43.12
磷酸肌酸（CP）
-43.12
焦磷酸（PPi）
-33.49
ATP（→ADP + Pi）
-30.56
葡萄糖-1-磷酸（G-1-P）
-20.93
葡萄糖-6-磷酸（G-6-P）
• α-直接脱羧：如氨基酸脱羧
• β-直接脱羧：如草酰乙酸脱羧
第八章生物氧化
2. 氧化脱羧作用 （oxidative decarboxylation ）
• α-氧化脱羧：如丙酮酸的氧化脱羧
• β-氧化脱羧：如异柠檬酸的氧化脱羧
第八章生物氧化
四、生物氧化过程中H2O的生成
1. 底物脱水
第八章生物氧化
1878年，Josiah Willard Gibbs提出关于自由能的公式。 △G为在恒压和恒温下发生变化的体系的自由能的变化。反 应的自由能变化（△G）是反应能否自发进行的重要标准。
△G＜0，反应才能自发进行；
△G = 0，体系处于平衡，不能发生净变化；
△G＞0，反应不能自发进行，需要输入自由能以推