Chapter 6 生物氧化和生物能

电子从NADH传递到O2是线粒体呼吸链电子传 递的一条主要途径。这条电子传递链包括三 个大的蛋白质复合物和两个电子载体。
（复合物Ⅰ） （复合物III） （复合物IV） 细胞 色素C 细胞色素c 氧化酶 O2 NADH-Q 还原酶
泛醌-细胞色 素c还原酶
NADH
Q
琥珀酸-Q还原酶 （复合物II） 琥珀酸
光能（光合作用-光合磷酸化）

ADP + Pi
化学能（生物氧化-氧化磷酸化）
生物能（水解或磷酰化）
ATP
ATP作为持续的生物能源，具有如下的特点：
ATP是一种瞬时自由能供体。不能像脂肪或 肝糖那样作为生物体长效的能量存储形式。 ATP、ADP和Pi在细胞内始终处于动态平衡状 态。如在细菌中，ATP、ADP和Pi的摩尔比约 为8:1:8。 ATP和ADP循环的速率非常快。例如正常人在 休息状态下，每天要生成和消耗约40kg的 ATP，而在激烈运动时，则每分钟生成和消 耗的ATP 0.5Kg。


ATP ADP + Pi G'= -31 kJ/mol (2) 偶联后，总反应式： 葡萄糖 + ATP 6-磷酸葡萄糖 + ADP (3) G总'= +14 kJ/mol -31 kJ/mol = -17 kJ/mol
6.3 线粒体呼吸链和ATP合成
线粒体是生物氧化和 能量转换的主要场所。 由生物代谢产生的 NADH 或代谢中间产 物琥珀酸等，通过线 粒体呼吸链的电子传 递体系，将质子和电 子传递给氧，并生成 水。能够释放出大量 的自由能。
G ＝ -220 kJ / mol<<0, 因此电子从 NADH 传递到 O2 是一个具有很强自发趋势 的氧化反应过程。 由于反应能够释放出大量自由能，所以，在 线粒体呼吸链中，它是通过一系列反应来完 成的，使能量得到逐步释放，有利于能量的 转化和利用。

2.线粒体呼吸链的电子传递：NADHO2
2 细胞色素c(Fe2+) + 2H+ + 1/2 O2 细胞色素c氧化酶 2细胞色素c(Fe3+) + H2O
3．生成二氧化碳的氧化反应
呼吸作用所产生的二氧化碳并不是由有机物 质中的碳原子与氧直接结合产生的，而是来 源于氧化代谢的中间产物羧酸的脱羧作用。 （1）直接脱羧作用 氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下， 直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。

2、生物化学反应的自由能变化（G）
生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从 热力学的规律 G = H - T S 在细胞体系中，反应是在常温下进行的， TS 值很小，常常可以忽略。所以，反应 焓的变化可以近似地等于反应自由能的变化。 反应焓变化可以由反应热来量度。 G <0，放热反应,反应可以自发进行。 G >0，吸热反应,反应不能自发进行。
呼吸链的组成

呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。 包括：NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、细胞色 素还原酶、细胞色素氧化酶（4种都是非亲水性蛋 白质）。
（复合物Ⅰ） （复合物III） （复合物IV） 细胞 色素C 细胞色素c 氧化酶 O2 NADH-Q 还原酶
泛醌-细胞色 素c还原酶
NADH

-酮 酸 脱 羧 酶 CH3COCOOH Mg2+, TPP
CH3CHO + CO2
（2）氧化脱羧作用 氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸） 在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时， 也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的 氧化脱羧生成丙酮酸。
HOOC CHOH CH2 COOH + NADP 苹果酸 O HOOC C CH3 + CO2 + NADPH + H+ 丙酮酸
例如：
在线粒体呼吸链中，推动电子从NADH传递到O2的力，是由 于NAD+ / NADH + H+ 和1/2 O2 / H2O两个半反应之间存在 很大的电势差。 (a) ½ O2 + 2 H+ + 2 e- H2O E0’ = +0.82 V (b) NAD+ + H+ + 2 e- NADH E0’ = -0.322 V 将 (a) 减去 (b)，即得 (c) 式： (c)½ O2 + NADH + 2H+ H2O + NAD+ E0’ = +1.14 V G =-nF E =-2 96500 1.14 = -220 kJ / mol
烷基脂肪酸脱氢

琥珀酸脱氢
COOH CH2 CH2 COOH
琥珀酸脱氢酶
COOH CH CH COOH + 2H+ + 2e-
琥珀酸
延胡索酸
醛酮脱氢
OH CH3CHCOOH NAD
+
乳酸脱氢酶
NADH
O CH3CCOOH
（2）加水脱氢

酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。
H R C O H 2O H R C OH OH ø O R C O H + 2H + + 2e -
生物能的化
学本质是存 储于ATP分 子焦磷酸键 中的化学能。
ATP通过水解和磷酰化反应，为细胞的各种
活动提供能量，而本身则变成ADP（或AMP）
ATP水解生成ADP和Pi的反应，所释放的能量，足 以驱动体内化学反应的进行。


ADP可以通过光合磷酸化或氧化磷酸化重新变成 ATP。 ATP和ADP的相互转变，是连接光能和化学能的 纽带，是生物利用光能或化学能的基本分子机 制。
6.1 生物氧化的方式和特点
6.1.1 生物氧化的方式

生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化下分步 进行的。每一步反应，都由特定的酶催化。 在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化 方式:
1．脱氢氧化反应
（1）脱氢

在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它 是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化 脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。

3、ATP与需能生化反应的偶联


生物体内进行的许多反应，是热力学不利的反应 （G >0）。但是，这类反应可以通过与一个热 力学上有利反应偶联来实现。例如： 葡萄糖与磷酸的反应是一个热力学不利的反应， ATP的水解反应为一个热力学有利的反应
葡萄糖 + Pi 6-磷酸葡萄糖 G‘= +14 kJ/mol (1)
无机催化剂 能量爆发释放 转换为光和热，散失
6.2 生物能及其存在形式
6.2.1 生物能和ATP 1.ATP是生物能存在的主要形式 生物能是一种能够被生物细胞直接利用的特殊能 量形式。 ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式 a) 光能需要通过光合作用转变成ATP（光合磷酸 化）；化学能则需要通过生物氧化转变成ATP （氧化磷酸化）。 b) ATP是生物体通用的能量货币。

电子传递反应与ATP合成相偶联，是生物合成ATP的基本 途径之一。
6.3.1 线粒体膜的特点
内膜 外膜
基质 脊
膜间空隙
6.3.2 线粒体呼吸链的组成 电子传递链：还原型辅酶（如：NADH）上的 氢原子以质子的形式脱下，其电子沿一系列 按一定顺序排列的电子传递体转移，最后转 移给分子氧并生成水，这个电子传递体系称 为电子传递链（ETC）。由于消耗氧，故也 叫呼吸链。 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。
转到
NADH：还原型辅酶
H O C NH2 O C NH2 -O O O P H O O P O OH H OH OR O H H N N H OH N OH O H H N N NH2 N
Nicotinamide
能量传递媒介，相当于 三个ATP分#43;
Q
琥珀酸-Q还原酶 （复合物II）
琥珀酸
线 粒 体 呼 吸 链
琥珀酸
6.3.3 线粒体呼吸链的电子传递
1、氧化还原电位与自由能
(1) 氧化还原电位：指氧化还原反应中，反应物得失 电子的能力。用E表示。 氧化还原反应—指反应过程中凡是有电子从一物质 （还原剂）转移到另一物质（氧化剂）的化学反应都属于 氧化还原反应。 通常所说某一物质的氧化还原电位都是和标准氢电极 比较得到的。 标准氢电极——是指在25C、一个大气压下，将铂电极 放入氢离子活度为1质量摩尔浓度的溶液中（其pH=0）形 成的。规定其电极电位为0。 所以待测物质与标准氢电极组成的原电池的电动势即为 该物质的标准氧化还原电位。

它是由NAD+ 接受多种代谢产物脱氢得到的产物。 NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子 供体之一。
H C 4 O C C CH N R NH2 + H+ + 2eReduction Oxidation H H C C N R NADH H C 4 O C C CH N R NAD+ NH2 H C 4 H C CH O C NH2
+
苹果酸酶
6.1.2.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C2O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：
生物氧化
细胞内温和条件 （常温、常压、中性pH、水溶液）
体外燃烧
高温或高压、干燥条件
一系列酶促反应 逐步氧化放能，能量利用率高 释放的能量转化成ATP被利用
Chapter 6 生物氧化和生物能
生物体的生 长、发育、 分化、运动 等所有的生 命活动都需 要能量。能 量是生命赖 于存在的基 础。