第 4 章 生物能学与生物氧化（ bioenergetic and Biological Oxidation ）

蛋白质 多糖 脂类

氨基酸 己糖、戊糖 脂肪酸、甘油丙酮酸

乙酰－ CoA

三羧酸循环

H2ONH3 CO2

第一阶段

第二阶段

第三阶段O2氧化磷酸化 ADP+Pi

ATP

ADP+Pi

ATP

ADP+Pi

ATP

ADP+Pi

ATP

ADP+Pi

ATP

ADP+Pi

ATP

ADP+Pi

ATP

ADP+Pi

ATP

ADP+Pi

ATP

所有有机物都有共同的代谢过程

所有有机物都有共同的代谢过程 第Ⅰ阶段，有机物分解为它们的组成前体物质。 第Ⅱ阶段，小的燃料分子分解为几种常见的中间物，

主要是丙酮酸和乙酰 -CoA ，可放出少量能量。 第Ⅲ阶段，有一条途径组成，即 Krebs 循环，又叫

柠檬酸循环或三羧酸 (TCA) 循环。中间物被完全氧化成CO2 ，生成的电子传递给 NAD+ 或 FAD 并释放少量能量，其中的中间物又可作为生物合成的原料。 第Ⅳ阶段，包括电子传递和氧化磷酸化，电子传递给 O2 ， H2O 生成，释放的大量能量用于 ATP 的生成。

第一节 生物能学概述 A survey of bioenergetics1.1 Biological Oxidation （生物氧化） 1.1.1 concept of biological oxidation and its sig

nificances• 生物氧化是指糖类、脂类和蛋白质等在生物活细胞内进行的一系列氧化分解作用，最终生成 H2O 和 CO2, 同时释放能量的过程，又称细胞呼吸或组织呼吸。• 相当于分解（异化）作用。

1948 年， Eugene Kenned Albert Lehninger 发现，线粒体是真核生物氧化磷酸化的场所。 线粒体有两层膜结构，外膜对小分子（ Mr5000 ）和离子为自由透过（通过跨膜通道）。内膜对大多数小分子及离子不透过（包括 H+ ），只有内膜上存在特异运输体的物质可以透过。

1.1.2 生物氧化发生的场所

1.1.3 生物氧化的特点 体外燃烧 : (CH) +O2H2O+CO2+ 热能。• H2O 的生成：为氢和氧的直接化合• CO2 的生成：为碳和氧的直接化合• 能量为骤然释放，以光和热的形式

生物氧化的特点（续） 生物氧化 :

(CH) +O2H2O+ CO2+ 热能• H2O 的生成是有机物在酶的作用下脱氢， H 经一系列

的递氢和递电子反应，最终与 O2 接合生成 H2O 。• CO2 的生成是有机物在酶的作用下脱羧形成的。• 生物氧化要求在温和的条件下进行，为逐步氧化。• 能量的释放是一步一步缓慢释放，释放的能量以高能

磷酸键的形式贮存，不会使周围温度升高而伤害有机体。

• 生物体系是一个开放体系：与周围环境既有物质交换，又有能量转换。– 生物化学过程发生在常温常压下： ΔP ≈ 0

– 生物化学反应发生在固相或液相： ΔV ≈ 0

∴ ΔH ≈ ΔU （焓变近似于内能变化）

1.2 生物氧化与能量转换1.2.1 热力学定律• First law of thermodynaics: 能量守恒原理 根据热力学第一定律，两个系统如果是始态和终态是相同的，那么，这两个系统的能量变化是相同的。例如：葡萄糖的体外燃烧值是 686 千卡 (1196 kJ/mol) 葡萄糖在体内彻底氧化为 C2O 和水时也释放同样的能量

1.2 生物氧化与能量转换Second law of thermodynamics: 熵 (entropy) 增大原理• 一切自发过程都向着最小势能水平的方

向进行；即自发过程伴随着自由能的降低。熵达到最大时，达到平衡。

1.2.2 自由能 (free energy)

• 自由能是指在恒温、恒压的体系中发生变化时，总能量变化中的用于做功的那部分能量。

ΔG = ΔH - TΔS

1.2.2.1 标准自由能变化与平衡常数反应： aA + bB = cC + dD

自由能变化：△ G ＝ G 产物 － G 底物 标准自由能变化 ( G△ º) ：•反应物与产物的浓度都是 1M;•反应条件： 25 (298 ℃ ºK) , 1 atm.;

生化反应中标准条件的修正• 水的反应浓度以 1.0 M计算 ;

• 在生化反应中， [H+] 为 10-7 （ pH = 7.0)

• 自由能的变化能量单位以焦耳（ J/mol) 或千焦耳（ kJ/mol)表示• 自由能的变化表示为：△ Gº’

在一 生化反应中：

反应达平衡时： △ G’ ＝ 0

∴

ba

dc

BADCRTGG

][][][][ln''

ba

dc

BADCRTG

][][][][ln'

R = 1.987 cal/mol•K = 8.315 J/mol•K 当 T = 25 (298 ℃ ºK) 时

当 T = 37 (310 ℃ ºK) 时)/('lg)/('lg' molJkmolcalkG eqeq 59361419

1.2.2.2 计算举例：• 例 1 在 25 pH 7.0 ℃ 时，向 0.020 M G-1-P溶液中加入磷酸葡萄糖变位酶，最后平衡时，混合物的浓度分别为： [G-1-P] = 0.001 M; [G-6-P] = 0.019 M求其标准自由能变化。

1900100190

16

..

][][

PGPGkeq

∴

解：反应式 G-1-P G-6-P

• 例 2 在 25 pH 7.0 ℃ 时，酶促水解反应 G-6-P ，生成 Glucose 和磷酸，反应开始时， G-6-P 的浓度为 0.1 M, 平衡时 G-6-P 的浓度为原始浓度的 0.05% 。求（ 1 ） G-6-P 的水解 K’eq;

（ 2 ）此水解反应的△ Gº’ ； （ 3 ）无机磷酸与葡萄糖合成 G-6-P 时的K’eq

（ 4 ）无机磷酸与葡萄糖合成 G-6-P 时的△ Gº’解 ：水解反应式： G-6-P + H2O G + Pi 8199

05010959910959910

6.

%..%]..[%]..[

][]][['

PG

PiGk eq(1)

(2) ΔGº’ = - RT lnkeq= -5707 × log 199.8 = -3138 cal/mol = -13130 J/mol

(3) 一个反应平衡常数的倒数就是它的逆反应的平衡常数3105

819916

.]][[]['

PiGpGk eq

（ 4） ΔGº’ = - RT lnk’eq= -5707 × log 5×10 － 3 = 3138 cal/mol = 13130 J/mol

1.2.2.3 偶联反应中自由能的加合性• 一个放能反应可以与一个吸能反应相偶联

例如： A B + 63 kJ/mol

偶联有高能键形成时： A B + 29.3 kJ/molx + y x~y

x~y捕获的能量可用于其它需能反应：C + D C-D + 12.55 kJ/mol

x~y x + y

• ΔGº’ 总＝ ΔG1º’＋ ΔG2º’＋………

• K’eq总 ＝ Keq1•Keq2• ……

ΔGº’ 总＝ -5707 • lg Keq 总

• 例题 3 ： 反应 ATP + H2O ADP + Pi G△ º’= -30.54 kJ/mol G-6-P + H2O G + Pi G△ º’= -13.35 kJ/mol 求： G + ATP G-6-P + ADP G△ º’= ?

解：变换以上反应式：ATP + H2O ADP + Pi G△ º’= -30.54 kJ/mol

G + Pi G-6-P + H2O G△ º’= 13.35 kJ/mol＋）ATP + H2O ＋ G + Pi ADP + Pi ＋ G-6-P + H2O ATP ＋ G ADP ＋ G-6-P

∴ △Gº’ = -17.19 kJ/mol

1.3 氧化还原电位与自由能• 1.3.1 氧化还原电位与电偶电偶（ redox pair ） : 由同一物质的两种氧化态构成的电对，也称为半电池。 氧化态 (型 )/还原态 (型 )

Cu2+/Cu 和 Zn2+/Zn Eº’Cu2+/Cu = 0.34 V

Eº’Zn2+/Zn = -0.763 V

通过与氢电极比较，可以测出各电极对的氧化还原电位。Eº’Cu2+/Cu = 0.34 V

Eº’Zn2+/Zn = -0.763 V

• 1.3.2 在一个完全的氧化还原反应中，必须由两个电偶反应组成，并且两个电对之间必须有电位差∆ E° 。• For example: A 氧 ＋ B 还 A 还 ＋ B 氧

Cu2+ + Zn° Cu° + Zn2+高电位氧化态 低电位还原态正极 负极

被还原 被氧化

电势差： ∆ Eº’= E+ 极 º’ – E- 极 º’

标准电位差与标准自由能变化的规定相同。在非标准条件下，每个电对的电位要发生变化：

]donorElectron []acceptorElectron [log059.0'

nE

]donorElectron []acceptorElectron [ln''

nFRTEE

在非标准条件下，两个电对间的电势差也要发生变化：

当反应达到平衡时， ΔE’＝ 0

eqro

or

or

ro knBA

BAnBA

BAn

E log059.0]][[]][[log059.0

]][[]][[log059.0'

]][[]][[log.'

)][][log.()

][][log.E(E' ''

A

or

ro

r

oB

r

o

BABA

nE

BB

nE

AA

n0590

05900590

∴

1.3.3 标准电位与标准自由能eqkRTG log303.2'

eqknFRTE log303.2'

∴ Gº’ = -nF Eº’＝ - 46.124 Eº’2.303 RT logkeq = nFEº’

氧化还原反应所构成的电池所做的最大功

• 例题 4 ： 将乳酸脱氢酶（ LDH)加入丙酮酸溶液中，同时溶液中还含有 NAD+ 和 NADH ，这一反应系统处于标准条件下，求这一氧化还原反应的自由能变化。解：反应式中

pyruvate + NADH•H+ lactate + NAD+

有两个电偶：pyruvate + 2e- + 2H+ lactate Eº’= -0.19 VNAD+ + 2e- + 2H+ NADH•H+ Eº’= -0.32 V

电势差：∆ Eº’= E+ 极 º’– E- 极 º’ = -0.19 – (-0.32) = +0.13 V

将∆ Eº’ = +0.13 V

代入公式： ΔGº’ = -nF ΔEº’

∴ ΔGº’ = -nF ΔEº’ = -2 × 23063 × 0.13

= -5969 (cal/mol) = -24974 (J/mol)

• 如果在非标准状态，则应将反应物的浓度代入公式，求出实际电位差：

]][[]][[log059.0'

]][[]][[ln''

HNADHPyNADLac

nE

HNADHPyNADLac

nFRTEE

第二节 高能化合物（“ High energy”compounds)• 2.1 Concepts

高能化合物是指含有通过高能键连接的转移势高的基团的化合物。

生物化学中：高能键是指该键在水解或断裂时可以放出大量的自由能，以 ~表示。

“High energy”compounds

• 在生物体内，最重要和最主要的高能化合物是高能磷酸化合物。

• 一般将含有 5000 卡 /mol(20920J/mol) 以上的自由能的磷酸化合物叫做高能磷酸化合物。

2.2 Types of “high energy” compounds

按键型分四类磷氧键型氮磷键型硫酯键型甲硫键型

酰基磷酸化合物焦磷酸化合物烯醇式磷酸化合物

2.2.1 磷氧键型（— O~P)

C O

CH

O

CH2

OH

O P

O

O-O-

P

OO-

O-

(1) 酰基磷酸化合物

3- 磷酸甘油酸磷酸

CH3 C

O

O P

O

O-

O-

乙酰磷酸ΔGº’= -10.1 kCal/mol = -42.2 kJ/mol

ΔGº’= -11.8 kCal/mol = -49.3 kJ/mol

(1) 酰基磷酸化合物

H3N+ C

O

O P

O

O-

O-

氨甲酰磷酸

R C

O

O P

O

O

O-A

酰基腺苷酸

RCH C

O

O P

O

O

O-A

N+H3

氨酰基腺苷酸

（ 2 ）焦磷酸化合物

O- P

O

O-

N

N

N

N

NH2

O

H

H

OH

H

OH

H

OCH2O- P

O

O-

O- P

O

O-

ATP （三磷酸腺苷）

O- P

O

O-O P

OO-

O-

焦磷酸

ΔGº’=-7.3 kCal/mol =-30.5 kJ/mol

（ 3）烯醇式磷酸化合物OP

O

OCOOH

C O

CH2

磷酸烯醇式丙酮酸ΔGº’= -14.8 kCal/mol = -61.9 kJ/mol

2.2.2 氮磷键型OP

O

O

NH

C NH

N CH3

CH2COOH

OP

O

O

NH

C NH

N CH3

CH2CH2CH2CHCOOH

NH2

磷酸肌酸 磷酸精氨酸

这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。

ΔGº’= -10.3 kCal/mol

= -43.1 kJ/mol

ΔGº’= -7.7 kCal/mol

= -32.2 kJ/mol

2.3.3 硫酯键型

O S

O

O-OCH2 O

H

H

OH

H

OH

H

N

N

NH2

N

NO P

O

O-

3‘- 磷酸腺苷 -5’- 磷酸硫酸

R C

O

SCoA

酰基辅酶 A

2.2.4 甲硫键型COO-

CH NH3+

CH2

CH2

S+H3C A

S-腺苷甲硫氨酸

2.3 Significance of ATP in bioenergys

2.3 Significance of ATP in bioenergys

• 2.3.1 ATP 是生物能量的载体• ATP-ADP 系统是化学能转移的媒介 ADP 是接受高能磷酸键的受体 ATP 是转移高能磷酸健的供体• 细胞内几乎所有的磷酸基转移反应的酶对

ATP-ADP 系统是专一性的• ATP提供能量时主要是通过基团转移的形式，或转移磷酸基团，或转移 AMP

产物

分解代谢（氧化作用）光合作用

底物

ATP

ADP

~p

机械能 ( 运动 )化学能 ( 合成 )渗透能 ( 分泌、吸收 ) 电能 ( 生物电 )热能 ( 体温、发酵热）

光能 ( 生物发光 )

2.3.2 ATP 水解的标准自由能变化及其结构基础• Hydrolysis of each of the two phosphoanh

ydride bonds in ATP releases a large amount of free energy:

Gº’ = -30.5 kJ/mol G’ = -50 to -65 kJ/mol

2.3.2 ATP 水解的标准自由能变化及其结构基础• 已知： ATP + Glucose ADP + G-6-P

G1º’ = -4.0 kcal/molG-6-P 水解： G-6-P ＋ H2O Glucose +

PiG2º’ = -3.3 kcal/mol

求：反应 ATP + H2O ADP + Pi 的 G1º’ 和 K’eq

己糖激酶

G-6-P 磷酸酶

例题 5 ：

2.3.2 ATP 水解的标准自由能变化及其结构基础• 计算： 根据自由能的加合性，反应 ATP + H2O ADP + Pi可分解成两个反应式： ATP + Glucose ADP + G-6-P+ ) G-6-P ＋ H2O Glucose + PiATP + Glucose + G-6-P ＋ H2O = ADP + G-6-P + Glucose + Pi

ATP + H2O ADP + Pi

∴ Gº’ = G1º’ + G2º’ = (-4.0) + (-3.3) = -7.3 kcal/mol = -30.5 kJ/mol 因此可以求出： K’eq = 1.631 × 105

例题 5 ：

• 由于胞内为非标准条件 在红细胞内 [ATP] = 2.25 mM [ADP] = 0.25 mM [AMP] = [Pi] ＝ 1.65 mM

∴ G’ = -51.8 kJ/mol

连接了镁离子的结构才有利于酶分子对其的结合

• Relief of electrostatic repulsion in ATP;• The phosphoanhydride bonds is easy hydrolyze

d than other phosphate ester bonds;• Pi is more stabilized by resonance not possible i

n ATP;• ADP2- immediately ionizes to ADP3- ([ADP2-] dec

reases);G0’ also depends on [Mg2+] and [Ca2+].

Chemical basis of high free energy release of ATP hydrolysis

2.4 高能磷酸健的贮存Storage of high energic phosphate bounds

• ATP is not a long-term storage form of free energy.

Bank currency

贮能物质脊椎动物：磷酸肌酸 (phosphocreatine)无脊椎动物：磷酸精氨酸 （ phosphoarginine)细菌：多聚偏磷酸

肌肉中磷酸肌酸的浓度是 20 mM ，约是肌肉细胞内 ATP浓度的 10倍

2.5 ATP 磷酸基的转移• ATP 可以将末端磷酸基转移给水解后 Gº’比它低的磷酸化合物的其它受体• ATP 也可以将末端磷酸基转移给同类低级水平的其它受体 如： ATP + AMP 2ADP Gº’ 0• ATP 可以通过核苷二磷酸激酶使其它核苷二磷酸形成核苷三磷酸• 其它核苷三磷酸与 ATP 一起参与特殊的生物合成作用

高能磷酸健ATP

UTP ATP

糖与多糖ATP ATPATPATP GTP

蛋白质CTP

脂类

CTPGTPUTP

RNA

dATPdGTPdCTPdTTP

DNA

2.5 AMP 与焦磷酸的作用• 在 ATP参与的某些反应中， ATP末端的两个磷酸基以焦磷酸的形式被脱掉；• 焦磷酸马上被水解为两个磷酸；• 两步的水解放出大量的自由能 ,促进正反应进行ATP + H2O AMP + PPi Gº’= -7.7 kcal/mol

PPi + H2O 2Pi Gº’= -6.9 kcal/mol

ATP + 2H2O AMP + 2Pi Gº’=-14.6 kcal/mol

= - 61.1 kJ/mol

2.6 能荷与磷酸化势能• 能荷 ＝ • 胞内能荷值： 0< 能荷 <1

• 磷酸化势能 ＝

][][][][/][

AMPADPATPADPATP

21

][][][PiADP

ATP

第三节 脱氢辅酶

NAD(P)+ 的结构

3.1 氧化还原辅酶的生物功能• 参与生物体内的氧化还原反应；• NAD+ 和 FAD 主要参与分解代谢，接受 H ＋

和电子，还原型 NADH 和 FADH2 在呼吸过程中重新被氧化，伴随 ATP 的产生； ( 葡萄糖氧化的 90％的自由能）。

• NADP+ 在分解代谢中接受 H ＋和电子，还原型的 NADPH 主要参与生物合成代谢，为合成反应提供 H ＋和电子。

• 体内 [NAD+ ＋ NADH] 10-5 M (0.01mM) ， [NAD+] /[NADH] ≈ 700

• 体内 [NADP+ ＋ NADPH] 10-6 M (0.001mM), [NADP+]/[NADPH] ≈ 0.014

• The high ratio of [NAD+] /[NADH] favors metabolite oxidation, while keeping their [NADP+]/[NADP

H] ratio near 0.01, which favors metabolite reduction.

3.1 氧化还原辅酶的生物功能

• 多数氧化还原酶对两者之一有专一性• 烟酰胺类脱氢酶具有立体专一性： 对底物具有立体专一性 氢质子加合方向具有专一性

3.2 还原能在线粒体内外的穿梭• 胞液中的还原型 NADH必须进入线粒体才能进行产 ATP 的反应；• 线粒体内膜对 NADH 和 NADPH具有不通透性；

∴ 需要穿梭系统 (Shuttle System)

穿梭系统 (Shuttle System)3.2.1 磷酸甘油穿梭 (phosphoglycerol shuttle)

单向穿梭

草酰乙酸3.2.2

3.2.3 异柠檬酸体系穿梭• 线粒体内的异柠檬酸也可穿过线粒体内膜进入胞液；• 在胞液内由依赖 NADP+ 的异柠檬酸脱氢酶氧化，产生 NADPH；• 通过此穿梭过程有效地调节线粒体内外的 NAD+ /NADH 和 NADP+ /NADPH 的含量与比值

3.2.4 黄素辅酶• 两种形式： FAD 和 FMN；• 与酶蛋白结合紧密，称为辅基；• 参与氧化还原反应，传递氢质子与电子；• 不同的酶对两种形式的辅基有选择性

N

N

NH

N

O

CH2

OH3C

H3C

12

345

6

7 8 9

10

H2C O P OO

OH

HHOHHO

HO H

»ÆËØÏÙàÑßʶþºËÜÕËá(FAD)

P O CH2

OHOH

NN

N

NH2

O

OH

3.2.5 生物体能量流通中的 ATP 循环与 NAD(P) ＋循环

第四节 生物氧化的方式与酶类

4.1 CO2 的生成方式有机物在酶的作用下脱羧 (decarboxylation) 生成。脱羧作用根据脱羧的部位分为：• -decarboxylation• -decarboxylation脱羧作用根据脱羧的性质分为：• simple decarboxylation• oxidative decarboxylation

直接脱羧与氧化脱羧- 脱羧R-CH(NH2)-COOH—————————RCH2NH2 CO2

- 氧化脱羧CH3COCOOH + NAD+ + CoASH ——————— CH3COSCoA + NADH+H+ + CO2

- 脱羧HOOCCO-CH2COOH ——————— CH3COCOOH + CO2

- 氧化脱羧HOOCCH(OH)-CH2COOH + NADP+ ————— CH3COCOOH + CO2 + NADPH+H+

氨基酸脱羧酶

丙酮酸羧化酶

苹果酸酶

丙酮酸脱氢酶系

4.2 生物氧化的物质氧化方式（途径）• （ 1 ）加氧（氧化）（ oxidation ） RCHO + 1/2O2 RCOOH

• （ 2 ）脱氢（ dehydrogenation ） RCH2OH –2H RCHO CH3CHO + H2O CH3CH(OH)(OH) CH3COOH + 2H

• （ 3 ）脱电子（ deelectronation ） Fe2+ -e Fe3+

直接脱氢：加水脱氢：

+2H + 2e -+R C O H

O ø

R C O H

H

O H

H2OR C O

H

4.3 生物氧化中水的生成• 生物氧化过程中底物的氢经脱氢酶脱氢转给载体；• 进入体内的氧必须经过氧化酶激活；• 氢载体将氢传递给被活化的氧

M•2H

M

氧化型载体

还原型载体

H2O

½ O2

脱氢酶 氧化酶一个或多个递体

4.3.1 不需传递链的生物氧化体系• 4.3.1.1 由氧化酶催化的水的形成 ♦ 反应简单 ♦ 由一个含金属离子的氧化酶催化 ♦ 脱下的电子经金属离子传递给氧 ♦ 氢质子与氧直接结合生成水还原型 VC

VC

2Cu2+

2Cu+

H2O

½ O2

氧化酶

2H+

• 4.3.1.2 由需氧脱氢酶催化的水的形成 这类脱氢酶属黄素脱氢酶，也称之为黄素氧化酶； 酶将底物脱下的氢交给氧，生成 H2O2； H2O2 可被分解生成水M•2H

M

FAD

FADH2

H2O2

O2

黄素氧化酶H2O + ½ O2

过氧化氢酶或过氧化物酶

4.3.2 需传递链的生物氧化体系• 由多个酶进行催化• 底物脱下来的电子和氢需经过一系列的传递体传递给氧4.3.2.1 二酶体系 含黄素脱氢酶和细胞色素氧化酶4.3.2.2 多酶体系 三种以上的酶系，包括 NAD+型脱氢酶、黄素脱氢酶和细胞色素氧化酶

谷氨酸 谷氨酸

天门冬氨酸 天门冬氨酸

草酰乙酸

草酰乙酸

α- 酮戊二酸 α- 酮戊二酸

L-苹果酸L-苹果酸

NADH•H＋

NADH•H＋

NAD+

NAD+

苹果酸 -天冬氨酸体系穿梭（ Malate-aspartate shuttle)双向穿梭