生物化学:生物氧化 山农大生物化学与分子生物学系 第1页共13页 第四章生物氧化 第一节生物氧化的概念 第二节电子传递链 第三节氧化磷酸化 第四节其它未端氧化酶系统
生物化学: 生物氧化 山农大生物化学与分子生物学系 第 1 页 共 13 页 1 第四章 生物氧化 第一节 生物氧化的概念 第二节 电子传递链 第三节 氧化磷酸化 第四节 其它未端氧化酶系统
生物化学:生物氧化 山农大生物化学与分子生物学系 第2页共13页 第一节生物氧化的概念 、概念 生物体内能量主要来自糖、脂肪、蛋白质、脂肪降解。 定义:有机物在细胞内氧化分解,最终生成CO2和H2O,并放出能量的过程 又称细胞氧化或细胞呼吸。 1、特点: ①条件温和 ②酶促反应 ③氧化分阶段进行,能量逐步释放 ④产生的能量贮存在高能磷酸化合物(主ATP)中。(与磷酸化偶联) 2、生物氧化的方式:脱氢、加氧、脱羧等。 3、CO2的生成: Py一酸→>乙醛+CO2 ①直接脱羧 ②氧化脱羧:脱羧的同时伴有氧化脱氢 苹果酸 一酸丙酮+0+L内图氢复合>乙酰CACO 4、H0的形成:是代谢底物脱下的氢与氧结合而成的。 中间传递体1(氧化酶激活) H受体 ATP H,O 自由能和氧化还原电位 1、自由能:某一系统的总能量中,能在恒温恒压和必要的体积下做有用功的那部分 能量。(用G表示,简言之,可用来做功的能量。) W=G=H—TS 注:W:有用功G:自由能T:热力学温度S:熵H:焓 熵:代表体系能量分散程度的状态函数(S),熵值代表一个体系散乱无序程度 焓:体系的内能与该体系的压力、体积、乘积之和是体系的一个状态函数。H=U+PV U:内能 (注:一个物质A的自由能的含量是不能用实验方法测得的。但在一个化学反应中 当A转化为B时,其自由能的变化△G可以测定 自由能变化:△G=△H一T△S=G2—G1
生物化学: 生物氧化 山农大生物化学与分子生物学系 第 2 页 共 13 页 2 中间传递体 第一节 生物氧化的概念 一、概念 生物体内能量主要来自糖、脂肪、蛋白质、脂肪降解。 定义：有机物在细胞内氧化分解，最终生成 CO2 和 H2O,并放出能量的过程， 又称细胞氧化或细胞呼吸。 1、 特点： ① 条件温和 ② 酶促反应 ③ 氧化分阶段进行，能量逐步释放 ④ 产生的能量贮存在高能磷酸化合物（主 ATP）中。（与磷酸化偶联） 2、生物氧化的方式：脱氢、加氧、脱羧等。 3、CO2的生成： ①直接脱羧 ②氧化脱羧：脱羧的同时伴有氧化脱氢。 苹果酸 丙酮酸 + COA-SH 4、H2O 的形成：是代谢底物脱下的氢与氧结合而成的。 AH2 （氧化酶激活） 二、自由能和氧化还原电位 1、自由能：某一系统的总能量中，能在恒温恒压和必要的体积下做有用功的那部分 能量。（用 G 表示，简言之，可用来做功的能量。） W = G = H — TS 注：W：有用功 G：自由能 T：热力学温度 S：熵 H：焓 熵：代表体系能量分散程度的状态函数（S），熵值代表一个体系散乱无序程度。 焓：体系的内能与该体系的压力、体积、乘积之和是体系的一个状态函数。H=U+PV U：内能 （注：一个物质 A 的自由能的含量是不能用实验方法测得的。但在一个化学反应中 当 A 转化为 B 时，其自由能的变化ΔG 可以测定。 自由能变化：ΔG = ΔH — TΔS =G2— G1 Pyr CO2 E ⎯⎯ →⎯ 乙醛 + 脱羧 乙酰 CoA+CO2 2 H 2H H 受体 ATP 2 2 1 O H2O A 苹果酸酶 ⎯丙酮酸脱氢酶复合物 ⎯ → ⎯⎯⎯⎯⎯
生物化学:生物氧化 山农大生物化学与分子生物学系 第3页共13页 根据△G判定反应方向:△G<0放能,反应自发进行 △G>0吸能,反应不能自发进行 △G=0 反应达到平衡 热力学第一定律:能量守恒定律,在一个弧立体系中的能量可以交换其形式, 但其总能量不变 热力学第二定律:热的传导只能由高温物体传至低温物体,实质说明热力学体 的过程有一定的方向性,自高温流向低温。 标准自由能变化与平衡常数 在反应物浓度为1M,1个大气压,温度为25℃,PH=0时的自由能变化称为标准 自由能变化,用△G表示 a +B C+D △G=△G+RTln [产物] 平衡时 反应物] △G=△G。+ RtlInKeg=0 △G=- RTInkeg 在生化反应中,p=7.0时,其标准自由能变化以△G0′表示。 反应物]平衡时,产物 △G=△G0′+RT/、产物 [反应物] △G=△G+RT1nK'ep=0 RTIn K R为气体常数(1.987cal·Mol·K) T为绝对温度 △C′是一个常数,是一个特定值 △G值是浓度、pH、温度的函数,对所有趋向平衡的反应都是负值,且绝对值 逐渐缩小直至达到0为止,即达到反应平衡点。 (2)当 产物=ea平衡△G=0 [反应物 产物] 反应物]keq向左△G>0 <Keq向右△G<0 [反应物
生物化学: 生物氧化 山农大生物化学与分子生物学系 第 3 页 共 13 页 3 根据ΔG 判定反应方向：ΔG＜0 放能，反应自发进行 ΔG＞0 吸能，反应不能自发进行 ΔG=0 反应达到平衡 热力学第一定律：能量守恒定律，在一个弧立体系中的能量可以交换其形式， 但其总能量不变。 热力学第二定律：热的传导只能由高温物体传至低温物体，实质说明热力学体 系的过程有一定的方向性，自高温流向低温。 2、 标准自由能变化与平衡常数 在反应物浓度为 1M，1 个大气压，温度为 25℃，PH=0 时的自由能变化称为标准 自由能变化，用ΔGo表示。 A + B ΔG=ΔGo+ ΔG =ΔGo +RtlnKeq = O ΔGo = -RTlnkeq 在生化反应中，pH=7.0 时,其标准自由能变化以ΔG0′表示。 ΔG=ΔG0′+RT1n 平衡时 =K’ep ΔG=ΔG0 ′+RT1n K’ep=0 ∴ΔG0 ′=- RT1n K’ep R 为气体常数（1.987cal·Mol-1·K-1） T 为绝对温度。 ΔG0 ′是一个常数，是一个特定值 ΔG 值是浓度、pH、温度的函数，对所有趋向平衡的反应都是负值，且绝对值 逐渐缩小直至达到 0 为止，即达到反应平衡点。 （2）当 =Keq 平衡 ΔG=0 ＞keq 向左 ΔG＞0 ＜Keq 向右 ΔG＜0 C+D [ ] [ ] ln 反应物 产物 RT = keq [ ] [ ] 反应物 产物 平衡时 [ ] [ ] n 反应物 产物 [ ] [ ] n 反应物 产物 [ ] [ ] n 反应物 产物 [ ] [ ] n 反应物 产物 [ ] [ ] n 反应物 产物
生物化学:生物氧化 山农大生物化学与分子生物学系 第4页共13页 氧化还原电位 凡在反应过程中有电子从一种物质(还原剂)转移到另一种物质(氧化剂)的 化学反应,称为氧化还原反应。 Zn+CuS04→ZnS04+C Cu / 负极 正极 发生氧化作用的电极为阳极,又称为负极(Zn2/Zn)用“”表示。( 发生还原作用的电极为阴极,又称为正极(Cu2/Cu)用“+”表示。 (1)标准电极电位 在标准状态下,氢电极电极势为0,与之比较得电极势(电位)。 标准氢电极是一个镀有铂黑的铂电极,在一大气压的氢压力下,浸于氢离子活 动为1质量摩尔浓度的溶液中,其p=0(标准状态)而组成的。 化学上的标准状态:25℃一大气压1MpH=0为Eo 生物上 为E 电极电势5=EE (待测)(氢极) >0接受电子(得电子能力大于H,氧化剂) (待测)(氢)<0失去电子(失电子能力小于H,还原剂) 电极电位的能斯特方程: [氧化剂]° [还原剂] a[氧化态]+ne=b[还原态] 法拉第常数(96485库仑) T:绝对温度 R:气体常数(8.314焦际耳/升·摩尔) N:为电子价数的变化 电位差 4自由能和氧化还原电势的关系 生物体内的氧化还原反应基本原理和化学电池一样,也可做成化学电池。 △G=Wmax(把生物氧化还反应,看成化学电池) 电池所做的最大功=电势差×电量 △Go=-Wmax=-nF△E0 n=电子数F=法拉第常数(1摩尔=6.02×10个电子=1法拉第=6485 库仑/摩尔)△G7.3千卡时,可形成ATP 5标准电动势和平衡常数的关系
生物化学: 生物氧化 山农大生物化学与分子生物学系 第 4 页 共 13 页 4 3、氧化还原电位 凡在反应过程中有电子从一种物质（还原剂）转移到另一种物质（氧化剂）的 化学反应，称为氧化还原反应。 Zn + CuSO4 ZnSO4 + Cu Zn2+/Zn Cu2+/Cu 负极 正极 发生氧化作用的电极为阳极,又称为负极(Zn2+/Zn)用“-”表示。（ 发生还原作用的电极为阴极，又称为正极（Cu2+/Cu）用“+”表示。 (1)标准电极电位： 在标准状态下,氢电极电极势为 0，与之比较得电极势（电位）。 标准氢电极是一个镀有铂黑的铂电极，在一大气压的氢压力下，浸于氢离子活 动为 1 质量摩尔浓度的溶液中，其 pH=0（标准状态）而组成的。 化学上的标准状态：25℃ 一大气压 1M pH=0 为 E0 生物上 pH=7 为 E0′ 电极电势 ξ= E —— E （待测）（氢极） ξ0′= E0 ′—— E0 ′ >0 接受电子(得电子能力大于 H,氧化剂) （待测）（氢） <0 失去电子(失电子能力小于 H,还原剂) 电极电位的能斯特方程： [氧化剂]a [还原剂]b a[氧化态] + ne = b [还原态] F：法拉第常数 （96485 库仑） T：绝对温度 R：气体常数 （8.314 焦际耳/升·摩尔） N：为电子价数的变化 电位差： 4 自由能和氧化还原电势的关系 生物体内的氧化还原反应基本原理和化学电池一样，也可做成化学电池。 △G=-Wmax (把生物氧化还反应，看成化学电池) 电池所做的最大功 = 电势差×电量 △G′0 = -Wmax = -nF△EO′ n = 电子数 F = 法拉第常数（1 摩尔 = 6.02×1023个电子 = 1 法拉第 = 6485 库仑/摩尔） △G′0>7.3 千卡时，可形成 ATP 5 标准电动势和平衡常数的关系 01 2 01 1 0' ΔE系 = E − E E= E0′ + RTln
生物化学:生物氧化 山农大生物化学与分子生物学系 第5页共13页 E=E+RT I [氧化剂] 还原剂{→。0 Inkeq =2.3-lykeq △E′=E0n-E 一电子数n一法拉弟常数 高能磷酸化合物 高能键:水解或基团转移时,能放出大量自由能(一般75Kca1.mol) 20. 92KJ. mol 化学中的高能键通常表示稳定的键:即形成或打断一个键要释放或消耗较多 的能量。 1类型 ①磷氧键型 a.酰基磷酸化合物 C-0P=0 CHOH OH OH CH20-0P=0 3一二磷酸甘油酸 b.焦磷酸化合物 腺苷O OH OH OH 腺苷三磷酸 c烯醇式磷酸化合物 磷酸烯醇式 COOH 丙酮酸 0 P-OH 2 OH
生物化学: 生物氧化 山农大生物化学与分子生物学系 第 5 页 共 13 页 5 E0 =EO ˊ+ ΔEO ˊ=EO1ˊ- EO2ˊ n— 电子数 n—法拉弟常数 三 高能磷酸化合物 高能键： 水解或基团转移时，能放出大量自由能（一般 75Kcal.mol-1） 20.92KJ.mol- 化学中的高能键通常表示稳定的键：即形成或打断一个键要释放或消耗较多 的能量。 1 类型 ①磷氧键型 a.酰基磷酸化合物 1.3—二磷酸甘油酸 b.焦磷酸化合物 腺苷三磷酸 磷酸烯醇式 丙酮酸 [ ] [ ] ln 还原剂 氧化剂 RT O P O O H O ~ P O ~ P O H O H O H O O 腺 苷 c.烯醇式磷酸化合物 C O O H C C H 2 O ~ P O O H 1ykeq nf RT 1nkeq 2.3 nf RT ε ΔE 0 0 = = = C - O ~ P = O O O H C H O H O H C H 2 O - O ~ P = O O H O H －OH