第三部分 生物能的产生和储藏
及生物大分子前体的合成和分解
一,生物膜 的结构和功能
二,新陈代谢 的概念及研究方法
三、生物体内 能量的产生和转化
四,糖代谢
五,脂类代谢
六、蛋白质的 酶促降解和氨基酸代谢
七、核酸的 酶促降解和核苷酸的代谢
一、生物膜的结构和功能
1,生物膜的结构模型 — 流动镶嵌模型
2,生物膜的主要功能
（ 1）物质运输（主动运输，被动运输）
（ 2）能量转化（ 生物氧化 ）
（ 3）信息传递（细胞识别，激素、神经等信号转导）
三,生物体内能量的产生和转化
1、生物能学简介
（ 1） 自由能 (G0′)的概念及意义
（ 2） 反应平衡常数 及其与自由能计算的关系
（ 3） 氧化还原电位 及其与自由能计算的关系
（ 4） 高能化合物
2、生物氧化
（ 1） 生物氧化 的定义、特点和方式
（ 2）生物体获取能量的 三个阶段
（ 3）线粒体 呼吸链 电子传递系统
（ 4） 氧化磷酸化 作用
（ 5）呼吸链和氧化磷酸化的 抑制
（ 6） 非线粒体氧化体系
第六章 电子传递体系与氧化磷酸化
主要内容和要求, 重点讨论线
粒体电子传递体系的组成, 电子传
递机理和氧化磷酸化机理 。 对非线
粒体氧化体系作一般介绍 。
思考 ?
目录
第一节 生物氧化概述
第二节 线粒体电子传递体系
第三节 氧化磷酸化作用
第四节 非线粒体氧化体系 （自学）
第一节 生物氧化概述
一,生物氧化的概念和特点
二,生物能学简介
三,高能化合物
生物氧化的特点和方式
? 生物氧化的 特点
? 生物氧化过程中 CO2的生成 和 H2O的生成
糖类, 脂肪, 蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生
成 CO2和 H2O并释放出能量的过程称为生物氧化 （ biological
oxidation）, 其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的
一系列氧化还原反应过程 。
生物氧化的特点
在活的细胞中 （ pH接近中性, 体温条件下 ）,
有机物的氧化在一系列酶, 辅酶和中间传递体参与
下进行, 其途径迂回曲折, 有条不紊 。 氧化过程中
能量逐步释放, 其中一部分由一些高能化合物 （ 如
ATP） 截获, 再供给机体所需 。 在此过程中既不会因
氧化过程中能量骤然释放而伤害机体, 又能使释放
的能量尽可得到有效的利用 。
CO2的生成
方式,糖, 脂, 蛋白质等有机物转变成含
羧基的中间化合物, 然后在酶催化下 脱羧 而生成
CO2。
类型, α -脱羧和 β -脱羧
氧化脱羧和单纯脱羧
CH3COSCoA+CO2 CH3-C-COOH
O
丙酮酸脱氢酶系
NAD+ NADH+H+ CoASH
例,
+CO2 H2N-CH-COOH
R
氨基酸脱羧酶 CH
2-NH2
R
H2O的生成
代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载
体 （ NAD+,NADP+,FAD,FMN等 ） 所接受, 再通过
一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成 H2O 。
CH3CH2OH CH3CHO
NAD+
NADH+H+
乙醇脱氢酶
例,
1\2 O2
NAD+
电子传递链
H2O
2e
O=
2H+
脂肪
葡萄糖、
其它单糖
三羧酸
循环 电子传递（氧化）
蛋白质
脂肪酸、甘油
多糖
氨基酸
乙酰 CoA
e-
磷酸化
+Pi
小分子化合物
分解成共同的
中间产物（如
丙酮酸、乙酰
CoA等）
共同中间物进
入三羧酸循环,
氧化脱下的氢由
电子传递链传递
生成 H2O,释放
出大量能量，其
中一部分通过磷
酸化储存在 ATP
中。
大分子降解
成基本结构
单位
生物氧化的三个阶段
三、生物能学简介
1,生物能的转换及 生物系统中的能流
2,自由能的概念 及 化学反应自由能的计算
自由能（ free energy） 的概念
定义式,Δ Ｇ =Δ H-TΔ S
物理意义：－ Δ Ｇ＝Ｗ * (体系中能对环境作功的能量 )
?自由能的变化能预示某一过程能否自发进行, 即,
Δ G<0,反应能自发进行
Δ G>0,反应不能自发进行
Δ G=0,反应处于平衡状态
? 在参与反应的物质浓度为 1moL.L-1,温度为 250C,pH=0的条件下进行
反应, 其自由能的变化称为标准自由能变化, 用 Δ Ｇ 0表示 。 由于机体内的
生化反应一般是在 pH=7的条件下进行, 在 pH=7和上述浓度, 压力, 温度下
的标准自由能变化用 Δ Ｇ 0?表示 。
化学反应自由能的计算
?利用化学反应平衡常数计算
基本公式,Δ G′ =Δ G° ′ + RTlnQc (Qc-浓度商 )
Δ G° ′ = - RTlnKeq
例,计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化
?利用标准氧化还原电位（ E° ?） 计算 （限于氧化还 原反应）
基本公式,Δ G° ′= － nFΔ E° ′
(Δ E° ′=E +° ′ -E-° ′)
例,计算 NADH氧化反应的 Δ G° ′
计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化
达平衡时 =Keq=19 解,
Δ G° ′ = - RTlnKeq
=-2.303?8.314 ? 311 ? log19
=-7.6KJ.mol-1
Δ G′ =Δ G° ′ + RTlnQc (Qc-浓度商 )
=-7.6+ 2.303?8.314 ? 311 ? log0.1
=-13.6KJ.MOL-1
未达平衡时 =Qc=0.1
反应 G-1-P?G-6-P在 380C达到平衡时,G-1-P占
5%,G-6-P占 95%，求 ? G0?。 如果反应未达到平
衡，设 [G-1- P]=0.01mol.L,[G-6-P]=0.001mol.L，
求反应的 ? G?是多少？
例题,
例题：计算下反应式 Δ G° ′
NADH+H++1/2O
2====NAD++H2O
正极反应,1/2O2+2H++2e ? H2O
E+° ′ ? 0.82
负极反应,NAD++H++2e ? NADH
E-° ′ ? -0.3
Δ G° ′ ?-nFΔ E° ′
? ? -2× 96485× [0.82-(-0.32)]
?? -220 KJ·mol-1
生物系统中的能流
生物界的能量传递及转化过程
高能化合物
?高能化合物的 类型
?ATP的 特点及其特殊作用
生化反应中, 在水解时或基团转移反应中可
释放出大量自由能 （ >21千焦 /摩尔 ） 的化合物称
为高能化合物 。
高
能
化
合
物
类
型
ATP的特点
在 pH=7环境中, ATP分子中的三个磷酸基团完
全解离成带 4个负电荷的离子形式 （ ATP4-）, 具有
较大势能, 加之水解产物稳定, 因而水解自由能很
大 （ Δ G° ′ =-30.5千焦 /摩尔 ） 。
腺嘌呤 — 核糖 — O — P — O — P — O — P — O-
O O O
O- O- O-
?+ ?+ ?+
Mg2+
ATP4- + H2O ＝ ADP3- + Pi2- + H+ ?G ＝ -30.5kJ?MOL-1
ATP3- + H2O ＝ ADP2- + Pi3- + H+ ?G ＝ -33.1kJ?MOL-1
ATP的特殊作用
★ ATP是细胞内的, 能量通货,
★ ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体
★ ATP以偶联方式推动体内非自发反应
～ P
～ P
～ P
～ P
ATP
～ P
0
2
10
8
6
4
12
14
磷
酸
基
团
转
移
能
磷酸烯醇式丙酮酸
3-磷酸甘
油酸磷酸
磷酸肌醇 （磷酸基团储备物）
6-磷酸葡萄
糖
3-磷酸甘油
线粒体电子传递体系
? 线粒体 结构特点
? 电子传递呼吸链的 概念
? 呼吸链的组成
? 机体内 两条主要的呼吸链 及其 能量变化
线粒体呼吸链
线粒体基质是呼吸
底物氧化的场所, 底物在
这里氧化所产生的 NADH和
FADH2将质子和电子转移
到内膜的载体上, 经过一
系列氢载体和电子载体的
传递, 最后传递给 O2生成
H2O。 这种由载体组成的
电子传递系统称电子传递
链 （ eclctron transfer
chain),因为其功能和呼
吸作用直接相关, 亦称为
呼吸链 。
呼吸链的组成
1,黄素蛋白酶类
（ flavoproteins,FP）
2,铁 -硫蛋白类
（ iron— sulfur proteins)
3,辅酶Ｑ
（ ubiquinone,亦写作 CoQ）
4,细胞色素类
（ cytochromes）
NADH
辅 酶 Q
（ CoQ）
Fe-S
Cyt c1
O2
Cyt b
Cyt c
Cyt aa3
琥珀酸等
黄素蛋白
（ F AD）
黄素蛋白
（ FMN）
细胞色素类
铁硫蛋白
（ Fe-S）
铁硫蛋白
（ Fe-S）
NADH呼吸链
H2O
1
2 O2
O2-
MH2
还原型代
谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b- c- c1 -aa3 Fe S
2H+
M
氧化型代
谢底物
FADH2呼吸链
FAD
FADH2
琥珀酸
Fe S
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b- c1 - c-aa3
CoQH2
CoQ 1 2 O2
O2-
2H+
H2O
延胡索酸
NADH呼吸链和 FADH2呼吸链
FADH2
↓
FeS
↓
NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc 1→Cytc→Cytaa 3→O 2
NADH呼吸链
FADH2呼吸链
电
子
传
递
链
中
各
中
间
体
的
顺
序
NADH
FMN
CoQ
Fe-S
Cyt c1
O2
Cyt b
Cyt c
Cyt aa3
Fe-S
FMN Fe-S 琥珀酸 等
复合物 II
复合物 IV
复合物 I
复合物 III
NADH
脱氢酶
辅酶 Q-细胞色素
还原酶
细胞色素 C
还原酶
琥珀酸 -辅酶 Q
还原酶
呼吸链中电子传递时自由能的下降
FADH2
2e-
NADH
NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化
总反应, NADH+H++1/2O2→NAD ++H2O
Δ G° ′ =-nFΔ E° ′
=-2× 96.5× [0.82-(-0.32)]
=-220.07千焦 ·mol-1
总反应, FADH2+1/2O2→FAD+H 2O
ΔG° ′=-nFΔE° ′
= -2× 96.5× [0.82-(-0.18)]
=-193.0千焦 ·mol-1
FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化
烟酰胺脱氢酶类
特点,以 NAD+ 或 NADP+为辅酶, 存在于线
粒体, 基质或胞液中 。
传递氢机理,
NAD(P) + + 2H+ +2e NAD(P)H + H+
黄素蛋白酶类
特点, 以 FAD或 FMN为辅基, 酶蛋白为细胞膜组成蛋白
类别, 黄素脱氢酶类 （ 如 NADH脱氢酶, 琥珀酸脱氢酶 ）
需氧脱氢酶类 （ 如 L— 氨基酸氧化酶 ）
加单氧酶 （ 如赖氨酸羟化酶 ）
递氢机理,FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2
铁硫蛋白
+e
传递电子机理, Fe3+ Fe2+
-e
特点, 含有 Fe和对酸不稳定的 S原子, Fe和
S常以等摩尔量存在 （ Fe2S2,Fe4S4 ),构成
Fe— S中心, Fe与蛋白质分子中的 4个 Cys残
基的巯基与蛋白质相连结 。
CoQ
特点, 带有聚异戊二烯侧链的苯醌, 脂
溶性, 位于膜双脂层中, 能在膜脂中自由
泳动 。
+2H
传递氢机理, CoQ CoQH2
－ 2H
细胞色素
传递电子机理,
+e +e
Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+
－ e － e
特点, 以血红素 （ heme） 为辅基, 血红素的主要
成份为铁卟啉 。
类别, 根据吸收光谱分成 a,b,c三类, 呼吸链中
含 5种 （ b,c,c1,a和 a3),cyt b和 cytc1,cytc在呼
吸链中的中为电子传递体, a和 a3以复合物物存在,
称 细胞色素氧化酶, 其分子中除含 Fe外还含有 Cu,
可将电子传递给氧, 因此亦称其为 末端氧化酶 。
CoQ的结构和递氢原理
CoQ+2H CoQH2
铁硫蛋白的结构及递电子机理
S Fe
1Fe
0S2-
4Cys
2Fe
2S2-
4Cys
4Fe
4S2-
4Cys
传递电子机理, Fe3+ Fe2+ -e +e
细胞色素的结构和递电子机理
传递电子机理, Fe3+ Fe2+ -e +e
线粒体结构
氧化磷酸化作用
? 氧化磷酸化 和 磷氧比（ P/O） 的概念
? 氧化磷酸化的偶联机理
? 线粒体外 NADH的氧化磷酸化作用
? 能荷
氧化磷酸化
代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于
合成 ATP（ 即 ADP+Pi→ATP ）,这种氧化放能和 ATP
生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化 。
类别, 底物水平磷酸化
电子传递水平磷酸化
ADP + Pi ATP + H2O
生物氧化过程中
释放出的自由能
磷氧比（ P/O ）
呼吸过程中无机磷酸 （ Pi） 消耗量和分子氧 （ O2） 消耗量的比
值称为磷氧比 。 由于在氧化磷酸化过程中, 每传递一对电子消耗一
个氧原子, 而每生成一分子 ATP消耗一分子 Pi, 因此 P/O的数值相当
于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的 ATP分子数 。
NADH
FADH2
O2 1 2
H2O
H2O
例 实测得 NADH呼吸链, P/O~ 3
ADP+Pi ATP
实测得 FADH2呼吸链, P/O~ 2
O2 1 2
2e-
2e-
ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP
氧化磷酸化的偶联机理
1,化学渗透假说
2,氧化磷酸化的抑制
解偶联剂和离子载体抑制剂
氧化磷酸化抑制剂
三,线粒体外 NADH的氧化磷酸化作用
? 磷酸甘油穿梭系统
?苹果酸 — 天冬氨酸穿梭系统
酵解
（细胞质）
氧化磷酸化
（线粒体）
?-磷酸甘油穿梭
（线粒体基质）
磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油
磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油
FAD FADH2
NADH?FMN ?CoQ ?b ?c1 ?c ?aa3 ?O2
NADH NAD+
线
粒
体
内
膜
（细胞液）
苹果酸 -草酰乙酸穿梭作用
细胞液 线粒体内膜体
天冬氨酸 ?-酮戊二酸
苹果酸
草酰乙酸 谷氨酸
?-酮戊二
酸
天冬氨酸
苹果酸
谷氨酸 NADH+H+
NAD+
草酰乙酸
NAD+
线粒体基质
苹果酸
脱氢酶
NADH+H+
Ⅳ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
苹果酸
脱氢酶
谷草转氨酶 谷草转氨酶
（ Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ 为膜上的转运载体）
呼吸链
2,4-二硝基苯酚的解偶联作用
NO2
NO2
O-
NO2
NO2
OH
NO2
NO2
O-
NO2
NO2
OH
H+
H+
线
粒
体
内
膜
内 外
线粒体 ATP酶
化学渗透假说示意图
2H+
2H+
2H+
2H+
NADH+H+
2H+
2H+
2H+
ADP+Pi ATP
高
质
子
浓
度
H2O
2e-
+ + + + + + + + +
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _
质子流
线粒体内膜
磷酸化
氧化
ATPase的旋转催化模型
??
?
III
?
?
IV
II I
定子 转子
旋转催化理论认为
质子流通过 Fo引起亚
基 III 寡聚体和 ?及 ?亚
基一起转动,这种旋转
配置 ? /?亚基之间的不
对称的相互作用,引起
催化位点性质的转变,
?亚基的中心 ? -螺旋被
认为是转子,亚基 I和 II
与 ?亚基组合在一起组
成定子,它压住 ? /?异
质六聚体,
ADP+Pi
Proten
Flux
H2O H+
ATP酶作用机理
电
子
传
递
抑
制
剂
NADH
FMN
CoQ
Fe-S
Cyt c1
O2
Cyt b
Cyt c
Cyt aa3
Fe-S
FMN Fe-S 琥珀酸
复合物 II
复合物 IV
复合物 I
复合物 III
鱼藤酮
安密妥
抗霉素 A
氰化物
CO
能 荷
定义式：能荷 = —————————
[ATP]+0.5[ADP]
[ATP]+[ADP]+[AMP]
意义, 能荷由 ATP,
ADP和 AMP的相对数量决
定，数值在 0~1之间，反
映细胞能量水平。
能荷对代谢的调节可
通过 ATP, ADP和 AMP
作为代谢中某些酶分子的
别构效应物进行变构调节
来实现。
能荷
相
对
速
率
ATP的利用途径
ATP的
生成途径
能荷对 ATP的生成途径和 ATP
的利用途径相对速率的 影响
化学渗透假说示意图
2H+
2H+
2H+
2H+
NADH+H+
2H+
2H+
2H+
ADP+Pi ATP
高
质
子
浓
度
H2O
2e-
2e-
2e-
+ + + + + + + + +
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _
质子流
线粒体内膜
F0-F1
寡霉素
非线粒体氧化系统
通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、植物、微生
物主要氧化途径，它与 ATP的生成紧密相关。除此以外，生物体内还存
在非线粒体氧化系统，其特点是从底物脱氢到 H2O的生成是经过其它末
端氧化酶完成的，与 ATP的生成无关，但各自具有重要的生理功能。
生物体内主要的非线粒体氧化系统如下,
1、多酚氧化酶系统
2、抗坏血酸氧化酶系统
3、黄素蛋白氧化酶系统
4、超氧化物歧化酶氧化系统
5、植物抗氰氧化酶系统
问答题
1、生物氧化有何特点？以葡萄糖为例，比较体内氧化和体
外氧化异同。
2、何谓高能化合物？体内 ATP 有那些生理功能？
3、氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息死亡？原理何在？
名词解释
生物氧化 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 呼吸链
磷氧比（ P\0） 能荷
细胞膜流动镶嵌模型
新陈代谢的概念和特点
新陈代谢的研究方法
?示踪法（化合物示踪、同位素示踪）
?抗代谢物和酶抑制剂的利用
?体内试验（ in vivo） 和体外试验（ no vivo）
新陈代谢 （ metabolism） 是生命最基本的特征之一, 泛指生物与
周围环境进行 物质交换, 能量交换 和 信息交换 的过程 。 生物一方面不断
地从周围环境中摄取能量和物质, 通过一系列生物反应转变成自身组织
成分, 即所谓同化作用 （ assimilation） ； 另一方面, 将原有的组成成份
经过一系列的生化反应, 分解为简单成分重新利用或排出体外, 即所谓
异化作用 （ dissimilation ）, 通过上述过程不断地进行自我更新 。 与此
同时细胞间和细胞与环境间进行着信息的传递与转导, 使上述过程受到
严格的调节控制, 确保其高度有序地进行 。
特点,特异, 有序, 高度适应和灵敏调节, 代谢途径逐步进行
新陈代谢的概念及内涵
小分子 大分子
合成代谢 （同化作用）
需要能量
释放能量
分解代谢 （异化作用）
大分子 小分子
物
质
代
谢
能
量
代
谢
新
陈
代
谢
信
息
代
谢
及生物大分子前体的合成和分解
一,生物膜 的结构和功能
二,新陈代谢 的概念及研究方法
三、生物体内 能量的产生和转化
四,糖代谢
五,脂类代谢
六、蛋白质的 酶促降解和氨基酸代谢
七、核酸的 酶促降解和核苷酸的代谢
一、生物膜的结构和功能
1,生物膜的结构模型 — 流动镶嵌模型
2,生物膜的主要功能
（ 1）物质运输（主动运输，被动运输）
（ 2）能量转化（ 生物氧化 ）
（ 3）信息传递（细胞识别，激素、神经等信号转导）
三,生物体内能量的产生和转化
1、生物能学简介
（ 1） 自由能 (G0′)的概念及意义
（ 2） 反应平衡常数 及其与自由能计算的关系
（ 3） 氧化还原电位 及其与自由能计算的关系
（ 4） 高能化合物
2、生物氧化
（ 1） 生物氧化 的定义、特点和方式
（ 2）生物体获取能量的 三个阶段
（ 3）线粒体 呼吸链 电子传递系统
（ 4） 氧化磷酸化 作用
（ 5）呼吸链和氧化磷酸化的 抑制
（ 6） 非线粒体氧化体系
第六章 电子传递体系与氧化磷酸化
主要内容和要求, 重点讨论线
粒体电子传递体系的组成, 电子传
递机理和氧化磷酸化机理 。 对非线
粒体氧化体系作一般介绍 。
思考 ?
目录
第一节 生物氧化概述
第二节 线粒体电子传递体系
第三节 氧化磷酸化作用
第四节 非线粒体氧化体系 （自学）
第一节 生物氧化概述
一,生物氧化的概念和特点
二,生物能学简介
三,高能化合物
生物氧化的特点和方式
? 生物氧化的 特点
? 生物氧化过程中 CO2的生成 和 H2O的生成
糖类, 脂肪, 蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生
成 CO2和 H2O并释放出能量的过程称为生物氧化 （ biological
oxidation）, 其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的
一系列氧化还原反应过程 。
生物氧化的特点
在活的细胞中 （ pH接近中性, 体温条件下 ）,
有机物的氧化在一系列酶, 辅酶和中间传递体参与
下进行, 其途径迂回曲折, 有条不紊 。 氧化过程中
能量逐步释放, 其中一部分由一些高能化合物 （ 如
ATP） 截获, 再供给机体所需 。 在此过程中既不会因
氧化过程中能量骤然释放而伤害机体, 又能使释放
的能量尽可得到有效的利用 。
CO2的生成
方式,糖, 脂, 蛋白质等有机物转变成含
羧基的中间化合物, 然后在酶催化下 脱羧 而生成
CO2。
类型, α -脱羧和 β -脱羧
氧化脱羧和单纯脱羧
CH3COSCoA+CO2 CH3-C-COOH
O
丙酮酸脱氢酶系
NAD+ NADH+H+ CoASH
例,
+CO2 H2N-CH-COOH
R
氨基酸脱羧酶 CH
2-NH2
R
H2O的生成
代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载
体 （ NAD+,NADP+,FAD,FMN等 ） 所接受, 再通过
一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成 H2O 。
CH3CH2OH CH3CHO
NAD+
NADH+H+
乙醇脱氢酶
例,
1\2 O2
NAD+
电子传递链
H2O
2e
O=
2H+
脂肪
葡萄糖、
其它单糖
三羧酸
循环 电子传递（氧化）
蛋白质
脂肪酸、甘油
多糖
氨基酸
乙酰 CoA
e-
磷酸化
+Pi
小分子化合物
分解成共同的
中间产物（如
丙酮酸、乙酰
CoA等）
共同中间物进
入三羧酸循环,
氧化脱下的氢由
电子传递链传递
生成 H2O,释放
出大量能量，其
中一部分通过磷
酸化储存在 ATP
中。
大分子降解
成基本结构
单位
生物氧化的三个阶段
三、生物能学简介
1,生物能的转换及 生物系统中的能流
2,自由能的概念 及 化学反应自由能的计算
自由能（ free energy） 的概念
定义式,Δ Ｇ =Δ H-TΔ S
物理意义：－ Δ Ｇ＝Ｗ * (体系中能对环境作功的能量 )
?自由能的变化能预示某一过程能否自发进行, 即,
Δ G<0,反应能自发进行
Δ G>0,反应不能自发进行
Δ G=0,反应处于平衡状态
? 在参与反应的物质浓度为 1moL.L-1,温度为 250C,pH=0的条件下进行
反应, 其自由能的变化称为标准自由能变化, 用 Δ Ｇ 0表示 。 由于机体内的
生化反应一般是在 pH=7的条件下进行, 在 pH=7和上述浓度, 压力, 温度下
的标准自由能变化用 Δ Ｇ 0?表示 。
化学反应自由能的计算
?利用化学反应平衡常数计算
基本公式,Δ G′ =Δ G° ′ + RTlnQc (Qc-浓度商 )
Δ G° ′ = - RTlnKeq
例,计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化
?利用标准氧化还原电位（ E° ?） 计算 （限于氧化还 原反应）
基本公式,Δ G° ′= － nFΔ E° ′
(Δ E° ′=E +° ′ -E-° ′)
例,计算 NADH氧化反应的 Δ G° ′
计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化
达平衡时 =Keq=19 解,
Δ G° ′ = - RTlnKeq
=-2.303?8.314 ? 311 ? log19
=-7.6KJ.mol-1
Δ G′ =Δ G° ′ + RTlnQc (Qc-浓度商 )
=-7.6+ 2.303?8.314 ? 311 ? log0.1
=-13.6KJ.MOL-1
未达平衡时 =Qc=0.1
反应 G-1-P?G-6-P在 380C达到平衡时,G-1-P占
5%,G-6-P占 95%，求 ? G0?。 如果反应未达到平
衡，设 [G-1- P]=0.01mol.L,[G-6-P]=0.001mol.L，
求反应的 ? G?是多少？
例题,
例题：计算下反应式 Δ G° ′
NADH+H++1/2O
2====NAD++H2O
正极反应,1/2O2+2H++2e ? H2O
E+° ′ ? 0.82
负极反应,NAD++H++2e ? NADH
E-° ′ ? -0.3
Δ G° ′ ?-nFΔ E° ′
? ? -2× 96485× [0.82-(-0.32)]
?? -220 KJ·mol-1
生物系统中的能流
生物界的能量传递及转化过程
高能化合物
?高能化合物的 类型
?ATP的 特点及其特殊作用
生化反应中, 在水解时或基团转移反应中可
释放出大量自由能 （ >21千焦 /摩尔 ） 的化合物称
为高能化合物 。
高
能
化
合
物
类
型
ATP的特点
在 pH=7环境中, ATP分子中的三个磷酸基团完
全解离成带 4个负电荷的离子形式 （ ATP4-）, 具有
较大势能, 加之水解产物稳定, 因而水解自由能很
大 （ Δ G° ′ =-30.5千焦 /摩尔 ） 。
腺嘌呤 — 核糖 — O — P — O — P — O — P — O-
O O O
O- O- O-
?+ ?+ ?+
Mg2+
ATP4- + H2O ＝ ADP3- + Pi2- + H+ ?G ＝ -30.5kJ?MOL-1
ATP3- + H2O ＝ ADP2- + Pi3- + H+ ?G ＝ -33.1kJ?MOL-1
ATP的特殊作用
★ ATP是细胞内的, 能量通货,
★ ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体
★ ATP以偶联方式推动体内非自发反应
～ P
～ P
～ P
～ P
ATP
～ P
0
2
10
8
6
4
12
14
磷
酸
基
团
转
移
能
磷酸烯醇式丙酮酸
3-磷酸甘
油酸磷酸
磷酸肌醇 （磷酸基团储备物）
6-磷酸葡萄
糖
3-磷酸甘油
线粒体电子传递体系
? 线粒体 结构特点
? 电子传递呼吸链的 概念
? 呼吸链的组成
? 机体内 两条主要的呼吸链 及其 能量变化
线粒体呼吸链
线粒体基质是呼吸
底物氧化的场所, 底物在
这里氧化所产生的 NADH和
FADH2将质子和电子转移
到内膜的载体上, 经过一
系列氢载体和电子载体的
传递, 最后传递给 O2生成
H2O。 这种由载体组成的
电子传递系统称电子传递
链 （ eclctron transfer
chain),因为其功能和呼
吸作用直接相关, 亦称为
呼吸链 。
呼吸链的组成
1,黄素蛋白酶类
（ flavoproteins,FP）
2,铁 -硫蛋白类
（ iron— sulfur proteins)
3,辅酶Ｑ
（ ubiquinone,亦写作 CoQ）
4,细胞色素类
（ cytochromes）
NADH
辅 酶 Q
（ CoQ）
Fe-S
Cyt c1
O2
Cyt b
Cyt c
Cyt aa3
琥珀酸等
黄素蛋白
（ F AD）
黄素蛋白
（ FMN）
细胞色素类
铁硫蛋白
（ Fe-S）
铁硫蛋白
（ Fe-S）
NADH呼吸链
H2O
1
2 O2
O2-
MH2
还原型代
谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b- c- c1 -aa3 Fe S
2H+
M
氧化型代
谢底物
FADH2呼吸链
FAD
FADH2
琥珀酸
Fe S
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b- c1 - c-aa3
CoQH2
CoQ 1 2 O2
O2-
2H+
H2O
延胡索酸
NADH呼吸链和 FADH2呼吸链
FADH2
↓
FeS
↓
NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc 1→Cytc→Cytaa 3→O 2
NADH呼吸链
FADH2呼吸链
电
子
传
递
链
中
各
中
间
体
的
顺
序
NADH
FMN
CoQ
Fe-S
Cyt c1
O2
Cyt b
Cyt c
Cyt aa3
Fe-S
FMN Fe-S 琥珀酸 等
复合物 II
复合物 IV
复合物 I
复合物 III
NADH
脱氢酶
辅酶 Q-细胞色素
还原酶
细胞色素 C
还原酶
琥珀酸 -辅酶 Q
还原酶
呼吸链中电子传递时自由能的下降
FADH2
2e-
NADH
NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化
总反应, NADH+H++1/2O2→NAD ++H2O
Δ G° ′ =-nFΔ E° ′
=-2× 96.5× [0.82-(-0.32)]
=-220.07千焦 ·mol-1
总反应, FADH2+1/2O2→FAD+H 2O
ΔG° ′=-nFΔE° ′
= -2× 96.5× [0.82-(-0.18)]
=-193.0千焦 ·mol-1
FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化
烟酰胺脱氢酶类
特点,以 NAD+ 或 NADP+为辅酶, 存在于线
粒体, 基质或胞液中 。
传递氢机理,
NAD(P) + + 2H+ +2e NAD(P)H + H+
黄素蛋白酶类
特点, 以 FAD或 FMN为辅基, 酶蛋白为细胞膜组成蛋白
类别, 黄素脱氢酶类 （ 如 NADH脱氢酶, 琥珀酸脱氢酶 ）
需氧脱氢酶类 （ 如 L— 氨基酸氧化酶 ）
加单氧酶 （ 如赖氨酸羟化酶 ）
递氢机理,FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2
铁硫蛋白
+e
传递电子机理, Fe3+ Fe2+
-e
特点, 含有 Fe和对酸不稳定的 S原子, Fe和
S常以等摩尔量存在 （ Fe2S2,Fe4S4 ),构成
Fe— S中心, Fe与蛋白质分子中的 4个 Cys残
基的巯基与蛋白质相连结 。
CoQ
特点, 带有聚异戊二烯侧链的苯醌, 脂
溶性, 位于膜双脂层中, 能在膜脂中自由
泳动 。
+2H
传递氢机理, CoQ CoQH2
－ 2H
细胞色素
传递电子机理,
+e +e
Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+
－ e － e
特点, 以血红素 （ heme） 为辅基, 血红素的主要
成份为铁卟啉 。
类别, 根据吸收光谱分成 a,b,c三类, 呼吸链中
含 5种 （ b,c,c1,a和 a3),cyt b和 cytc1,cytc在呼
吸链中的中为电子传递体, a和 a3以复合物物存在,
称 细胞色素氧化酶, 其分子中除含 Fe外还含有 Cu,
可将电子传递给氧, 因此亦称其为 末端氧化酶 。
CoQ的结构和递氢原理
CoQ+2H CoQH2
铁硫蛋白的结构及递电子机理
S Fe
1Fe
0S2-
4Cys
2Fe
2S2-
4Cys
4Fe
4S2-
4Cys
传递电子机理, Fe3+ Fe2+ -e +e
细胞色素的结构和递电子机理
传递电子机理, Fe3+ Fe2+ -e +e
线粒体结构
氧化磷酸化作用
? 氧化磷酸化 和 磷氧比（ P/O） 的概念
? 氧化磷酸化的偶联机理
? 线粒体外 NADH的氧化磷酸化作用
? 能荷
氧化磷酸化
代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于
合成 ATP（ 即 ADP+Pi→ATP ）,这种氧化放能和 ATP
生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化 。
类别, 底物水平磷酸化
电子传递水平磷酸化
ADP + Pi ATP + H2O
生物氧化过程中
释放出的自由能
磷氧比（ P/O ）
呼吸过程中无机磷酸 （ Pi） 消耗量和分子氧 （ O2） 消耗量的比
值称为磷氧比 。 由于在氧化磷酸化过程中, 每传递一对电子消耗一
个氧原子, 而每生成一分子 ATP消耗一分子 Pi, 因此 P/O的数值相当
于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的 ATP分子数 。
NADH
FADH2
O2 1 2
H2O
H2O
例 实测得 NADH呼吸链, P/O~ 3
ADP+Pi ATP
实测得 FADH2呼吸链, P/O~ 2
O2 1 2
2e-
2e-
ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP
氧化磷酸化的偶联机理
1,化学渗透假说
2,氧化磷酸化的抑制
解偶联剂和离子载体抑制剂
氧化磷酸化抑制剂
三,线粒体外 NADH的氧化磷酸化作用
? 磷酸甘油穿梭系统
?苹果酸 — 天冬氨酸穿梭系统
酵解
（细胞质）
氧化磷酸化
（线粒体）
?-磷酸甘油穿梭
（线粒体基质）
磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油
磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油
FAD FADH2
NADH?FMN ?CoQ ?b ?c1 ?c ?aa3 ?O2
NADH NAD+
线
粒
体
内
膜
（细胞液）
苹果酸 -草酰乙酸穿梭作用
细胞液 线粒体内膜体
天冬氨酸 ?-酮戊二酸
苹果酸
草酰乙酸 谷氨酸
?-酮戊二
酸
天冬氨酸
苹果酸
谷氨酸 NADH+H+
NAD+
草酰乙酸
NAD+
线粒体基质
苹果酸
脱氢酶
NADH+H+
Ⅳ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
苹果酸
脱氢酶
谷草转氨酶 谷草转氨酶
（ Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ 为膜上的转运载体）
呼吸链
2,4-二硝基苯酚的解偶联作用
NO2
NO2
O-
NO2
NO2
OH
NO2
NO2
O-
NO2
NO2
OH
H+
H+
线
粒
体
内
膜
内 外
线粒体 ATP酶
化学渗透假说示意图
2H+
2H+
2H+
2H+
NADH+H+
2H+
2H+
2H+
ADP+Pi ATP
高
质
子
浓
度
H2O
2e-
+ + + + + + + + +
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _
质子流
线粒体内膜
磷酸化
氧化
ATPase的旋转催化模型
??
?
III
?
?
IV
II I
定子 转子
旋转催化理论认为
质子流通过 Fo引起亚
基 III 寡聚体和 ?及 ?亚
基一起转动,这种旋转
配置 ? /?亚基之间的不
对称的相互作用,引起
催化位点性质的转变,
?亚基的中心 ? -螺旋被
认为是转子,亚基 I和 II
与 ?亚基组合在一起组
成定子,它压住 ? /?异
质六聚体,
ADP+Pi
Proten
Flux
H2O H+
ATP酶作用机理
电
子
传
递
抑
制
剂
NADH
FMN
CoQ
Fe-S
Cyt c1
O2
Cyt b
Cyt c
Cyt aa3
Fe-S
FMN Fe-S 琥珀酸
复合物 II
复合物 IV
复合物 I
复合物 III
鱼藤酮
安密妥
抗霉素 A
氰化物
CO
能 荷
定义式：能荷 = —————————
[ATP]+0.5[ADP]
[ATP]+[ADP]+[AMP]
意义, 能荷由 ATP,
ADP和 AMP的相对数量决
定，数值在 0~1之间，反
映细胞能量水平。
能荷对代谢的调节可
通过 ATP, ADP和 AMP
作为代谢中某些酶分子的
别构效应物进行变构调节
来实现。
能荷
相
对
速
率
ATP的利用途径
ATP的
生成途径
能荷对 ATP的生成途径和 ATP
的利用途径相对速率的 影响
化学渗透假说示意图
2H+
2H+
2H+
2H+
NADH+H+
2H+
2H+
2H+
ADP+Pi ATP
高
质
子
浓
度
H2O
2e-
2e-
2e-
+ + + + + + + + +
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _
质子流
线粒体内膜
F0-F1
寡霉素
非线粒体氧化系统
通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、植物、微生
物主要氧化途径，它与 ATP的生成紧密相关。除此以外，生物体内还存
在非线粒体氧化系统，其特点是从底物脱氢到 H2O的生成是经过其它末
端氧化酶完成的，与 ATP的生成无关，但各自具有重要的生理功能。
生物体内主要的非线粒体氧化系统如下,
1、多酚氧化酶系统
2、抗坏血酸氧化酶系统
3、黄素蛋白氧化酶系统
4、超氧化物歧化酶氧化系统
5、植物抗氰氧化酶系统
问答题
1、生物氧化有何特点？以葡萄糖为例，比较体内氧化和体
外氧化异同。
2、何谓高能化合物？体内 ATP 有那些生理功能？
3、氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息死亡？原理何在？
名词解释
生物氧化 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 呼吸链
磷氧比（ P\0） 能荷
细胞膜流动镶嵌模型
新陈代谢的概念和特点
新陈代谢的研究方法
?示踪法（化合物示踪、同位素示踪）
?抗代谢物和酶抑制剂的利用
?体内试验（ in vivo） 和体外试验（ no vivo）
新陈代谢 （ metabolism） 是生命最基本的特征之一, 泛指生物与
周围环境进行 物质交换, 能量交换 和 信息交换 的过程 。 生物一方面不断
地从周围环境中摄取能量和物质, 通过一系列生物反应转变成自身组织
成分, 即所谓同化作用 （ assimilation） ； 另一方面, 将原有的组成成份
经过一系列的生化反应, 分解为简单成分重新利用或排出体外, 即所谓
异化作用 （ dissimilation ）, 通过上述过程不断地进行自我更新 。 与此
同时细胞间和细胞与环境间进行着信息的传递与转导, 使上述过程受到
严格的调节控制, 确保其高度有序地进行 。
特点,特异, 有序, 高度适应和灵敏调节, 代谢途径逐步进行
新陈代谢的概念及内涵
小分子 大分子
合成代谢 （同化作用）
需要能量
释放能量
分解代谢 （异化作用）
大分子 小分子
物
质
代
谢
能
量
代
谢
新
陈
代
谢
信
息
代
谢
