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

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

2 所有有机物都有共同的代谢过程 蛋白质 多糖 脂类 第一阶段 己糖、戊糖 氨基酸 脂肪酸、甘油 第二阶段 丙酮酸 乙酰－CoA 第三阶段
ADP+Pi ATP 第一阶段 ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP 己糖、戊糖 氨基酸 脂肪酸、甘油 ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP 第二阶段 丙酮酸 ADP+Pi ADP+Pi ATP ATP 乙酰－CoA ADP+Pi ATP 第三阶段 三羧酸循环 O2 ADP+Pi ATP 氧化磷酸化 NH3 H2O CO2

3 所有有机物都有共同的代谢过程 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。

4 第一节 生物能学概述 A survey of bioenergetics
1.1 Biological Oxidation（生物氧化） 1.1.1 concept of biological oxidation and its significances 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。

5 1.1.2 生物氧化发生的场所 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（Mr5000）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。

6 1.1.3 生物氧化的特点 体外燃烧 : (CH) +O2H2O+CO2+热能。 H2O的生成：为氢和氧的直接化合
生物氧化的特点 体外燃烧 : (CH) +O2H2O+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

7 生物氧化的特点（续） 生物氧化: (CH) +O2H2O+ 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。

8 ∴ ΔH ≈ ΔU （焓变近似于内能变化） 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）

9 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
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

10 1.2 生物氧化与能量转换 Second law of thermodynamics: 熵(entropy) 增大原理
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。

11 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

12 1.2.2.1 标准自由能变化与平衡常数 标准自由能变化(△Gº)： 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(△Gº)： 反应物与产物的浓度都是1M; 反应条件：25℃(298 ºK) , 1 atm.;

13 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’

14 在一 生化反应中： 反应达平衡时： △G’ ＝ 0 ∴

15 R = cal/mol•K = J/mol•K 当 T = 25℃(298 ºK)时 当 T = 37℃(310 ºK)时

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17 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] = M; [G-6-P] = M 求其标准自由能变化。 解：反应式 G-1-P G-6-P ∴

18 （3）无机磷酸与葡萄糖合成G-6-P时的K’eq
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 (1)

19 (2) ΔGº’ = - RT lnkeq= × log 199.8 = cal/mol = 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 （4） ΔGº’ = - RT lnk’eq= × log 5×10－3 = 3138 cal/mol = J/mol

20 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 x + y x~y x~y x + y
例如： A B + 63 kJ/mol 偶联有高能键形成时： A B kJ/mol x + y x~y x~y捕获的能量可用于其它需能反应： C + D C-D kJ/mol x~y x + y

21 ΔGº’总＝ ΔG1º’＋ ΔG2º’＋……… K’eq总 ＝ Keq1•Keq2• …… ΔGº’总＝-5707 • lg Keq总

22 ∴ △Gº’ = -17.19 kJ/mol 例题3： 反应 ATP + H2O ADP + Pi △Gº’= -30.54 kJ/mol
G-6-P + H2O G + Pi △Gº’= kJ/mol 求： G + ATP G-6-P + ADP △Gº’= ? 解：变换以上反应式： ATP + H2O ADP + Pi △Gº’= kJ/mol ＋） G + Pi G-6-P + H2O △Gº’= kJ/mol ATP + H2O ＋ G + Pi ADP + Pi ＋ G-6-P + H2O ATP ＋ G ADP ＋ G-6-P ∴ △Gº’ = kJ/mol

23 Cu2+/Cu 和 Zn2+/Zn Eº’Cu2+/Cu = 0.34 V Eº’Zn2+/Zn = -0.763 V
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 = V

24 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 = V

25 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+ 被氧化 被还原 高电位氧化态 低电位还原态 负极 正极

26 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：

27 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 ∴

28 1.3.3 标准电位与标准自由能 2.303 RT logkeq = nFEº’
∴ Gº’ = -nF Eº’＝ Eº’ 氧化还原反应所构成的电池所做的最大功

29 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。
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’= V NAD+ + 2e- + 2H NADH•H Eº’= V 电势差：∆Eº’= E+极º’– E-极º’ = – (-0.32) = V

30 将∆Eº’ = V 代入公式： ΔGº’ = -nF ΔEº’ ∴ ΔGº’ = -nF ΔEº’ = -2 × × 0.13 = (cal/mol) = (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：

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32 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。

33 “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。

34 2.2 Types of “high energy” compounds
酰基磷酸化合物 磷氧键型 焦磷酸化合物 氮磷键型 烯醇式磷酸化合物 按键型分四类 硫酯键型 甲硫键型

35 2.2.1 磷氧键型（—O~P) (1)酰基磷酸化合物 ΔGº’= -11.8 kCal/mol ΔGº’= -10.1 kCal/mol
乙酰磷酸 3-磷酸甘油酸磷酸 ΔGº’= kCal/mol = kJ/mol ΔGº’= kCal/mol = kJ/mol

36 (1)酰基磷酸化合物 酰基腺苷酸 氨甲酰磷酸 氨酰基腺苷酸

37 （2）焦磷酸化合物 焦磷酸 ATP（三磷酸腺苷） ΔGº’=-7.3 kCal/mol =-30.5 kJ/mol

38 （3）烯醇式磷酸化合物 磷酸烯醇式丙酮酸 ΔGº’= kCal/mol = kJ/mol

39 2.2.2 氮磷键型 磷酸肌酸 磷酸精氨酸 ΔGº’= -10.3 kCal/mol = -43.1 kJ/mol
这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。

40 2.3.3 硫酯键型 酰基辅酶A 3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸

41 2.2.4 甲硫键型 S-腺苷甲硫氨酸

42 2.3 Significance of ATP in bioenergys

43 2.3 Significance of ATP in bioenergys
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

44 ATP ADP ~p 机械能(运动) 产物 化学能(合成) 分解代谢 （氧化作用） 光合作用 底物 电能(生物电) 热能(体温、发酵热）
渗透能(分泌、吸收) ~p 电能(生物电) 热能(体温、发酵热） 光能(生物发光)

45 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 phosphoanhydride bonds in ATP releases a large amount of free energy: Gº’ = kJ/mol G’ = -50 to -65 kJ/mol

46 已知： ATP + Glucose ADP + G-6-P G1º’ = -4.0 kcal/mol
例题5： 己糖激酶 已知： ATP + Glucose ADP + G-6-P G1º’ = -4.0 kcal/mol G-6-P水解： G-6-P ＋ H2O Glucose + Pi G2º’ = -3.3 kcal/mol 求：反应 ATP + H2O ADP + Pi 的G1º’ 和K’eq G-6-P磷酸酶

47 ∴ Gº’ = G1º’ + G2º’ = (-4.0) + (-3.3)
2.3.2 ATP水解的标准自由能变化及其结构基础 例题5： 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 + Pi ATP + 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 = kJ/mol 因此可以求出： K’eq = × 105

48 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’ = kJ/mol

49 连接了镁离子的结构才有利于酶分子对其的结合

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51 Chemical basis of high free energy release of ATP hydrolysis
Relief of electrostatic repulsion in ATP; The phosphoanhydride bonds is easy hydrolyzed than other phosphate ester bonds; Pi is more stabilized by resonance not possible in ATP; ADP2- immediately ionizes to ADP3- ([ADP2-] decreases); G0’ also depends on [Mg2+] and [Ca2+].

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

53 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

54 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
如： ATP + AMP ADP 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

55 ATP 高能磷酸健 糖与多糖 蛋白质 脂类 RNA DNA CTP ATP UTP ATP GTP ATP CTP ATP ATP GTP
dATP CTP dGTP ATP UTP ATP GTP ATP CTP ATP ATP GTP dCTP UTP dTTP 糖与多糖 蛋白质 脂类 RNA DNA

56 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 Pi Gº’= -6.9 kcal/mol ATP + 2H2O AMP + 2Pi Gº’=-14.6 kcal/mol = kJ/mol

57 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 ＝

58 第三节 脱氢辅酶 NAD(P)+的结构

59 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。

60 3.1 氧化还原辅酶的生物功能 体内[NAD+ ＋ NADH]  10-5 M (0.01mM)，
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+]/[NADPH] ratio near 0.01, which favors metabolite reduction.

61 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

62 3.2 还原能在线粒体内外的穿梭 ∴ 需要穿梭系统(Shuttle System)
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)

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

64 3.2.2 草酰乙酸

65 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；
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

66 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；
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

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68 3.2.5 生物体能量流通中的ATP循环与NAD(P)＋循环

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70 第四节 生物氧化的方式与酶类

71 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：
脱羧作用根据脱羧的性质分为： simple decarboxylation oxidative decarboxylation

72 直接脱羧与氧化脱羧 R-CH(NH2)-COOH—————————RCH2NH2  CO2 氨基酸脱羧酶 -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 丙酮酸脱氢酶系 丙酮酸羧化酶 苹果酸酶

73 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：

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75 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
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 H2O 氧化型载体 M•2H 氧化酶 脱氢酶 一个或多个递体 M 还原型载体 ½ O2

76 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 H2O 还原型VC 2Cu2+ 氧化酶 2Cu+ VC ½ O2 2H+

77 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
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 H2O2 FAD M•2H 过氧化氢酶 或过氧化物酶 黄素氧化酶 H2O + ½ O2 FADH2 M O2

78 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
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 二酶体系 含黄素脱氢酶和细胞色素氧化酶 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

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80 （Malate-aspartate shuttle)
苹果酸-天冬氨酸体系穿梭 （Malate-aspartate shuttle) 双向穿梭 谷氨酸 谷氨酸 草酰乙酸 天门冬氨酸 天门冬氨酸 α-酮戊二酸 NADH•H＋ 草酰乙酸 α-酮戊二酸 NADH•H＋ NAD+ L-苹果酸 L-苹果酸 NAD+