黑龙江八一农垦大学：《生物化学》课程教学资源（教案讲义）第六章生物氧化与氧化磷酸化.doc

第六章生物氧化与氧化磷酸化第一节生物氧化概述切生物都靠能量维持生存,生物体所需的能量大都来自体内糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化。生物体内的氧化和生物体外的燃烧在化学本质上虽然最终产物都是水和CO2, 所释放的能量也完全相等,但二者所进行的方式却大不相同。糖、脂肪、蛋白质在生物体内彻底氧化之前,都先经过分解代谢,在不同的分解代谢过程中都伴有代谢物的脱氢过程和辅酶NAD或FAD的还原。这些携带着氢离子和电子的还原型辅酶,在最终将氢离子和电子传递给氧时,都经历一段相同的过程,即生物氧化过程、生物氧化的概念人们把有机分子在体内氧化分解成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化 ( biological oxidation)。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化一还原反应是在细胞或组织中发生的,所以又称为细胞氧化或细胞呼吸,有时也称为组织呼吸二、生物氧化的特点生物氧化是发生在生物体内的氧化一还原反应,它具有自然界物质发生氧化一还原反应的共同特征,这主要表现在被氧化的物质总是失去电子,而被还原的物质总是得到电子, 并且物质被氧化时,总伴随能量的释放。有机物在生物体内完全氧化和在体外燃烧而被彻底氧化,在化学本质上是相同的。例如lmol的葡萄糖在体内氧化和在体外燃烧都是产生 CO2和H2O,放出的总能量都是28675kJ。这并不奇怪,因为氧化作用释放的能量等于这一物质所含化学能与其氧化产物所含的化学能差,放出的总能量的多少与该物质氧化的途径无关,只要在氧化后所生成的产物相同,放出的总能量必然相同。但是,由于生物氧化是在活细胞内进行的,故它与有机物在体外燃烧有许多不同之处,即生物氧化有它本身的特点: (1)有机物在空气中燃烧时,CO2和H2O的生成是空气中氧直接与碳、氢原子结合的物。而有机物在细胞中氧化时,CO2是在代谢过程中经脱羧反应释放出来的,H2O的生成则是通过更复杂的过程完成的 (2)生物氧化是在一系列酶的催化下、在恒温恒压下进行的反应,而有机分子在体外燃烧时需要高温。 (3)生物氧化所产生的能量是逐步发生、分次释放的。这种逐步分次的放能方式,不会引起体温的突然升高,而且可使放出的能量得到最有效的利用。与此相反,有机物在体外燃烧产生大量的光和热,且能量是骤然放出的。 (4)生物氧化过程中产生的能量一般都贮存于一些特殊的化合物主要是腺三磷(ATP)] 中。电子由还原型辅酶传递到氧的过程中形成大量的ATP,占全部生物氧化产生能量的绝大部分。例如,1个葡萄糖分子氧化时生成36个ATP分子,其中32个是还原型辅酶氧化时得到的

173 第六章生物氧化与氧化磷酸化第一节生物氧化概述一切生物都靠能量维持生存，生物体所需的能量大都来自体内糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化。生物体内的氧化和生物体外的燃烧在化学本质上虽然最终产物都是水和 CO2，所释放的能量也完全相等，但二者所进行的方式却大不相同。糖、脂肪、蛋白质在生物体内彻底氧化之前，都先经过分解代谢，在不同的分解代谢过程中都伴有代谢物的脱氢过程和辅酶 NAD+或 FAD 的还原。这些携带着氢离子和电子的还原型辅酶，在最终将氢离子和电子传递给氧时，都经历一段相同的过程，即生物氧化过程。一、生物氧化的概念人们把有机分子在体内氧化分解成 CO２和 H２O 并释放出能量的过程称为生物氧化 (biological oxidation)。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化－还原反应，是在细胞或组织中发生的，所以又称为细胞氧化或细胞呼吸，有时也称为组织呼吸。二、生物氧化的特点生物氧化是发生在生物体内的氧化－还原反应，它具有自然界物质发生氧化－还原反应的共同特征，这主要表现在被氧化的物质总是失去电子，而被还原的物质总是得到电子，并且物质被氧化时，总伴随能量的释放。有机物在生物体内完全氧化和在体外燃烧而被彻底氧化，在化学本质上是相同的。例如 1mol 的葡萄糖在体内氧化和在体外燃烧都是产生 CO２和 H２O，放出的总能量都是 2 867.5kJ。这并不奇怪，因为氧化作用释放的能量等于这一物质所含化学能与其氧化产物所含的化学能差，放出的总能量的多少与该物质氧化的途径无关，只要在氧化后所生成的产物相同，放出的总能量必然相同。但是，由于生物氧化是在活细胞内进行的，故它与有机物在体外燃烧有许多不同之处，即生物氧化有它本身的特点：（1）有机物在空气中燃烧时，CO２和 H２O 的生成是空气中氧直接与碳、氢原子结合的产物。而有机物在细胞中氧化时，CO２是在代谢过程中经脱羧反应释放出来的，H２O 的生成则是通过更复杂的过程完成的。（2）生物氧化是在一系列酶的催化下、在恒温恒压下进行的反应，而有机分子在体外燃烧时需要高温。（3）生物氧化所产生的能量是逐步发生、分次释放的。这种逐步分次的放能方式，不会引起体温的突然升高，而且可使放出的能量得到最有效的利用。与此相反，有机物在体外燃烧产生大量的光和热，且能量是骤然放出的。（4）生物氧化过程中产生的能量一般都贮存于一些特殊的化合物[主要是腺三磷(ATP)] 中。电子由还原型辅酶传递到氧的过程中形成大量的 ATP，占全部生物氧化产生能量的绝大部分。例如，1个葡萄糖分子氧化时生成36 个 ATP 分子，其中 32 个是还原型辅酶氧化时得到的

三、生物氧化的基本过程需氧生物细胞内糖、脂肪、氨基酸等分子所途经的各自分解过程,将在有关章、节中叙述。这些有机物在氧化分解途径中所形成的还原型辅酶,包括NADH和FADH2,通过电子传递途径,使其再重新氧化。在这个过程中,还原型辅酶上的氢以质子形式脱下,其电子沿着一系列的电子传递体转移(称为电子传递链),最终转移到分子氧,使氧激活, 质子和离子型氧(激活后的氧)结合生成水。在电子传递过程中释放的能量则使ADP和无机磷结合形成ATP。ATP是生物体内最重要的高能中间物,参与体内众多的需能反应。第二节生物氧化过程中的某些能量问题、自由能的概念在热力学概念中对生物化学特别有用的是自由能。自由能是一个化合物分子结构中所固有的能量,是一种能在恒温怛压下做功的能量。一种物质A自由能的含量是不能用实验方法测得的。但是在一个化学反应中,当A转化为B时 (7.1) 其自由能的变化(△G),即A转化为B时所得到的最大的可利用的能量是可以测定的如果产物B自由能的含量G)比反应物A自由能的含量(GA)小,则△G为负值,即: △G=GB一GA=负值(当GA>G时) 当ΔG为负值时,便意味着反应进行时自由能降低。同样,当B逆转为A时,自由能则增加,亦即ΔG为正值。实验证明:当自由能降低(即ΔG为负)时反应能自发地进行; 反之,则必须采取某种方式供给能量才能推动反应进行。ΔG为负值的反应称为“放能反应”( exogenic reaction,而△G为正值的反应则称为“吸能反应”( endogenic reaction) 实验还证明,虽然在某一过程中ΔG为负值,但与反应的速率无关。例如,葡萄糖可被O2氧化成CO2和H2O,其方程式如下: C6H12O6+602 6C02+6H,2O (7.2) 反应的△G是一个很大的负值(约为2870kJ/mo),但是这一相当大的△G与反应速率没有关系。当葡萄糖在一弹式量热计( bomb calor imeter)中有催化剂存在时,它可在几秒钟内发生氧化。在大多数生物体中,上述反应可在数分钟到数小时内完成,但是把葡萄糖放在玻璃瓶中,即使有空气也可以存放数年而不氧化现在的化学理论认为,决定一个反应的反应速率的因子是这一过程的活化能 activatIo nergy)。反应(7.1进行时必须经过一个中间物或活化的复合物即A+);而由A转化为 A*必须消耗能量,如果所需的能量不大,即此反应具有较低的活化能,则反应容易进行。如果所需的能量很大,则只有少量A能转化为B。必须供给足够的能量以克服此反应的能量障碍,才能使反应顺利进行。催化剂(包括醵在内)的作用就是降低其活化能而使反应能

174 三、生物氧化的基本过程需氧生物细胞内糖、脂肪、氨基酸等分子所途经的各自分解过程，将在有关章、节中叙述。这些有机物在氧化分解途径中所形成的还原型辅酶，包括 NADH 和 FADH２，通过电子传递途径，使其再重新氧化。在这个过程中，还原型辅酶上的氢以质子形式脱下，其电子沿着一系列的电子传递体转移（称为电子传递链），最终转移到分子氧，使氧激活，质子和离子型氧（激活后的氧）结合生成水。在电子传递过程中释放的能量则使 ADP 和无机磷结合形成 ATP。ATP 是生物体内最重要的高能中间物，参与体内众多的需能反应。第二节生物氧化过程中的某些能量问题一、自由能的概念在热力学概念中对生物化学特别有用的是自由能。自由能是一个化合物分子结构中所固有的能量，是一种能在恒温怛压下做功的能量。一种物质 A 自由能的含量是不能用实验方法测得的。但是在一个化学反应中，当 A 转化为 B 时 A B （7．1）其自由能的变化（ΔG），即 A 转化为 B 时所得到的最大的可利用的能量是可以测定的。如果产物 B 自由能的含量(GＢ)比反应物 A 自由能的含量（GＡ）小，则ΔG 为负值，即： ΔG ＝ GＢ一 GＡ＝负值 (当 GＡ＞GＢ时) 当ΔG 为负值时，便意味着反应进行时自由能降低。同样，当 B 逆转为 A 时，自由能则增加，亦即ΔG 为正值。实验证明：当自由能降低（即ΔG 为负）时反应能自发地进行；反之，则必须采取某种方式供给能量才能推动反应进行。ΔG 为负值的反应称为“放能反应”(exogonic reaction)，而ΔG 为正值的反应则称为“吸能反应”(endogonic reaction)。实验还证明，虽然在某一过程中ΔG为负值，但与反应的速率无关。例如，葡萄糖可被 O２氧化成 CO２和 H２O，其方程式如下： C６H１２O６+6O２ 6CO２+6H２O （7．2）此反应的ΔG 是一个很大的负值(约为 2870kJ／mol)，但是这一相当大的ΔG 与反应速率没有关系。当葡萄糖在一弹式量热计(bomb calorimeter)中有催化剂存在时，它可在几秒钟内发生氧化。在大多数生物体中，上述反应可在数分钟到数小时内完成，但是把葡萄糖放在玻璃瓶中，即使有空气也可以存放数年而不氧化。现在的化学理论认为，决定一个反应的反应速率的因子是这—过程的活化能(activation energy)。反应(7．1)进行时必须经过一个中间物或活化的复合物(即 A*)；而由 A 转化为 A*必须消耗能量，如果所需的能量不大，即此反应具有较低的活化能，则反应容易进行。如果所需的能量很大，则只有少量 A 能转化为 B。必须供给足够的能量以克服此反应的能量障碍，才能使反应顺利进行。催化剂(包括酶在内)的作用就是降低其活化能而使反应能

够进行反应(7.1)的自由能变化△G可表示如下 △G=G0+Rnn (7.3) 式中的Δ⑦表示标准自由能变化;R为气体常数;T为绝对温度;[4、[B分别为A 及B的浓度,单位为(mol/L) 由方程式(7.3)可见,反应的△G是反应物和产物浓度的函数,也是标准自由能变化 G的函数。从平衡时的ΔG可计算出△G。在平衡时,A、B间的净变化为零,因此自由能的变化ΔG亦为零。我们知道[B]对[A]的比值是平衡时的比值,即其平衡常数K将这些数值代入方程式(7.3),可得: 0=△G+ RTInKeg △G=-RnKq 式中的常数R=832J/mol·K。在25℃时,7=298:lnx=23031gx,方程式(7.4即为 25℃时的△G △G=-8.314×298×23031gkn=-57061gkq (7.5) 方程式(7.5对测定某一反应的△G值是非常有用的。如果能测出平衡时反应物和产物两者的浓度,就可以计算出其反应的K和△G°。当然,如果K极大或极小时,用这个方法来测定Δ⑦°就没有什么价值了,因为这时反应物或产物的平衡浓度将小到无法测定。表7-1 表示从0.001到1000的一系列Kq范围内的△G 从表7-1可以看出,如果反应的K大于1,则自由能降低。在方程式(7.1)中,假设其K=1000亦即B]/[A为1000,则反应趋向形成B的方向。如果反应(7.1)的K4 为0001(亦即B]/[A]=000),则只要0.1%的A转化为B时反应就能达到平衡。如果A] [B],即反应物和产物浓度都处于单位浓度时,也可求出△G°,据方程式(7.3) △G=△G+Rnnl/=△G° 因此ΔG的定义应为当反应物和产物均为单位浓度时或更广泛地说,在“标准状态” 下的自由能变化。溶液中溶质的标准状态为单位摩尔浓度,若为气体,则为101.325ka 当H作为反应物或产物出现时,其标准状态的浓度仍然规定为10mL即pH值=0), 此时几乎所有的酶在pH=0时)都已变性,因此就没有反应可研究了。生化学家又规定了一种修正的标准条件,除H之外,其他反应物和产物的浓度仍规定为10moL,pH 值规定为70。细胞中的反应大都发生在pH值70左右,除pH值=0之外,其他任何pH 值时的标准自由能变化可用ΔG′表示,但必须说明ΔG′的pH值。当然,如果反应中既没有形成也没有消耗氢离子的话,则ΔG′与pH值无关,此时ΔG等于△G′ 表7-1K和△间的关系 0.01 5.7

175 够进行。反应(7．1)的自由能变化ΔG 可表示如下： [B] [A] Δ G G 0 =Δ + RTln （7．3）式中的ΔG0 表示标准自由能变化；R 为气体常数；T 为绝对温度；[A]、[B]分别为 A 及 B 的浓度，单位为（mol／L）。由方程式(7．3)可见，反应的ΔG 是反应物和产物浓度的函数，也是标准自由能变化 ΔG0 的函数。从平衡时的ΔG 可计算出ΔG0。在平衡时，A、 B 间的净变化为零，因此自由能的变化ΔG 亦为零。我们知道[B]对[A]的比值是平衡时的比值，即其平衡常数 Keq 将这些数值代入方程式(7．3)，可得： 0=ΔG0 + RTlnKeq (7．4) ΔG0= －RTlnKeq 式中的常数 R＝8.32J／mol·K。在 25℃时，T＝298；1nx＝2.3031gx，方程式(7．4)即为 25℃时的ΔG0： ΔG0＝－8.314×298×2.3031gKeq＝－5706lgKeq (7．5) 方程式(7．5)对测定某一反应的ΔG0 值是非常有用的。如果能测出平衡时反应物和产物两者的浓度，就可以计算出其反应的 Keq 和ΔG0。当然，如果 Keq 极大或极小时，用这个方法来测定ΔG0就没有什么价值了，因为这时反应物或产物的平衡浓度将小到无法测定。表7-l 表示从 0.001 到 1 000 的一系列 Keq 范围内的ΔG0。从表 7-1 可以看出，如果反应的 Keq 大于 1，则自由能降低。在方程式（7．1）中，假设其 Keq＝1000(亦即[B]／[A]为 1000)，则反应趋向形成 B 的方向。如果反应(7．1)的 Keq 为 0.001(亦即[B]／[A]＝0.001)，则只要0.1％的 A转化为 B 时反应就能达到平衡。如果[A] ＝[B]，即反应物和产物浓度都处于单位浓度时，也可求出ΔG0，据方程式(7．3) ΔG=ΔG0 + RTln1/1=ΔG0 因此ΔG0 的定义应为当反应物和产物均为单位浓度时或更广泛地说，在“标准状态” 下的自由能变化。溶液中溶质的标准状态为单位摩尔浓度，若为气体，则为 101 .325 kPa。当 H+作为反应物或产物出现时，其标准状态的浓度仍然规定为 1.0mol/L(即 pH 值＝0)，此时几乎所有的酶(在 pH＝0 时)都已变性，因此就没有反应可研究了。为此，生化学家又规定了一种修正的标准条件，除 H+之外，其他反应物和产物的浓度仍规定为1.0mol/L，pH 值规定为7.0 。细胞中的反应大都发生在pH 值 7.0 左右，除pH 值＝0 之外，其他任何 pH 值时的标准自由能变化可用ΔG′表示，但必须说明ΔG′的 pH值。当然，如果反应中既没有形成也没有消耗氢离子的话，则ΔG′与 pH 值无关，此时ΔG0 等于ΔG′。表 7-1 Keq和ΔG ０间的关系 Keq lgKeq ΔG 0（kJ/mol） 0.001 －3 17.1 0.01 －2 11.4 0.1 －1 5.7

176 1.0 0 0.0 10 1 －5.7 100 2 －11.4 1000 3 －17.1 二、氧化还原电位和自由能变化在氧化磷酸化作用中，NADH 和 FADH２的电子转移能( electron transfer PotentiaI)能够转化成 ATP中磷酸基团的转移势能(Phosphate group transfer potentiaI)。磷酸基团的转移势能可以用磷酸化合物水解时的 G0′表示。而电子转移势能可用 E0′ (即氧化还原电位) 表示。如果一种物质存在氧化态(X)和还原态(X- )，这 X 和 X-就称为氧还对(redox couple)。所以负氧化还原电位表示一种物质对电子的亲合力比 H２低，而正氧化还原电位则表示一种物质与电子的亲合力比 H２高，这种比较是在标准状态（即 lmol 的氧化剂， lmol 的还原剂，lmol 的 H+和 101.325kPa 的 H２）下进行的。所以一种强还原剂(如 NADH)有一个负的氧化还原电位，而一种强氧化剂(如 O２)有一个正的氧化还原电位。表 7-2 为生物中一些重要氧还对的氧化还原电位。从反应物的氧化还原电位E0′可以计算出一个氧化还原反应的自由能变化(ΔG) 。例如，丙酮酸被 NADH 还原的反应如下： (a) 丙酮酸 + NADH + H+ 乳酸+NAD+ 其中 NAD+∶NADH+H+ 对的氧化还原电位为 0.32V，而丙酮酸∶乳酸对的氧化还原电位为 0.19V，可写成： (b) 丙酮酸+2H++2e—──→乳酸 E0′＝－0.19V (c) NAD++2H++2e—──→NADH+H+ E0′＝－0.32V 由(b)减(c)即可得反应(a)的 E0′＝－0.19－(－0.32)＝ +0.13V ΔG0′与氧化还原电位ΔE0′的关系如下： ΔG0′＝－nFΔE0′ (7．6) 这样，我们就可以计算出丙酮酸被 NADH 还原时的ΔG0′，即标准自由能的变化。公式 (7．6)中 n 表示转移的电子数，F 为法拉第的卡当量[96.4kJ／(V·mol)]， ΔE0′的单位为 V，ΔG0′的单位为 kJ／mol。丙酮酸还原时的 n＝2，所以 ΔG0′＝－2×96.40×0.13 ＝－25.06kJ／rnol 从公式(7.6)可看出，ΔE0′为正值时，ΔG0′为负值，表示为放能反应。另一个例子是 NADH 的氧化并生成 H２O，其反应如下： (a) 1／2O２+2H++2e— H２O E0′＝+0.82V (b) NAD++2H++2e— NADH+H+ E0′＝－0.32V 以(a)－(b)即得(c)： (c) 1／2O２+NADH+H+ H２O+NAD+ ΔE0′＝1.14V 此反应的自由能变化为：

黑龙江八一农垦大学：《生物化学》课程教学资源（教案讲义）第六章 生物氧化与氧化磷酸化

黑龙江八一农垦大学：《生物化学》课程教学资源（教案讲义）第六章生物氧化与氧化磷酸化