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
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 CO
2
和 H
2
O,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,CO
2
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、H 2O的形成,是代谢底物脱下的氢与氧结合而成的。
AH
2
（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
2
COPyr
E
+→? 乙醛脱羧乙酰 CoA+CO
2
2H
2H H 受体
ATP
2
2
1
O
H
2
O
A
→?
丙酮酸脱氢酶复合物苹果酸酶生物化学, 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ΔG o表示。
A + B
ΔG=ΔG o+
ΔG =ΔG o +RtlnKeq = O
ΔG o = -RTlnkeq
在生化反应中，pH=7.0时,其标准自由能变化以ΔG 0′表示。
ΔG=ΔG 0′+RT1n 平衡时 =K ’ep
ΔG=ΔG
0
′+RT1n K ’ep=0
∴ΔG
0
′=- RT1n K ’ep
R 为气体常数（1.987cal·Mol
-1
·K
-1
）
T 为绝对温度。
ΔG
0
′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
TR
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
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
Zn
2+
/Zn Cu
2+
/Cu
负极 正极
发生氧化作用的电极为阳极,又称为负极(Zn
2+
/Zn)用,-”表示。 （
发生还原作用的电极为阴极，又称为正极（Cu
2+
/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E 0
生物上 pH=7 为E 0′
电极电势 ξ= E —— E
（待测） （氢极）
ξ 0′= E
0
′—— E
0
′ >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 = 6.02×10
23
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'
系
EEΔE?=
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
5
E
0
=E
O
ˊ+
ΔE
O
ˊ=E
O1
ˊ- E
O2
ˊ
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
OH
O~P
O ~ P OH
OH OH
O O
腺苷
c.烯醇式磷酸化合物
COOH
C
CH
2
O ~ P
O
OH
1ykeq
nf
RT
2.31nkeq
nf
RT
ΔEε
00
===
C - O ~ P = O
O OH
OH
CH OH
CH2O - O~P=O
OH
OH
－ OH
生物化学, 生物氧化 山农大生物化学与分子生物学系 第 6 页 共 13 页
6
③硫酯键型
乙酰辅酶 A 酰基辅酶A
④甲硫键型
SAM S-腺苷甲硫氨
2,ATP的作用
(1)供能
(2)ATP 为能量货币：能量合成与利用以 ATP 为中心，ATP-ADP 循环是生物系统的能量交换中枢。
(3)磷酸基团转移反应的中间体,
在磷酸基团转移反应中，磷酸基从转移势能较高的供体转移到转移势能较低的受体分子，ATP 的磷酸基团转移势能在常见的含磷酸基团化合物中处于中间位置，因而在磷酸基团转移势能高的供体与低能的受体之间充当中间载体。
四、生物氧化的生物学意义
1．能量代谢
2．生物合成与代谢调节
3．其它作用：解毒、抗衰老、抗逆性等。
② 氮 磷键型 N~P
磷酸肌酸
H N
~
P OH
C=NH
OH
N
CH
3
CH
2
COOH
O
C~S
O O
SCoA
R
C
CH
3
- C - SCOA
O
NH
2
CH
3
S~CH
2
CH
COOH?)(
2
腺苷
生物化学, 生物氧化 山农大生物化学与分子生物学系 第 7 页 共 13 页
7
第二节 电子传递链
一,线粒体的结构
外膜、内膜、嵴、膜间空间、基质等（电子传递导致质子甭出内膜） 。
二、电子传递链
（一）电子传递链
AH
2
2H 电子传递链
A ATP H
2
O
在生物氧化中代谢物上的 H 原子被脱氢酶激活脱落后，以质子和电子的形式由线粒体内膜上的一系列传递体传递，最终传给被激活的 O 2，而生成 H 2O，由这些传递体组成的传递链称为电子传递链（呼吸链）
典型的呼吸链,NADH 呼吸链,FADH 2呼吸链
呼吸链是一系列电子载体按照对电子亲合力逐渐升高的顺序组成的电子传递系统，所有组成成分都嵌合于线粒体内膜，线粒体的内膜是重要的能量交换部位，电子传递链和氧化磷酸化的有关组分都存在于此。 （图）
（二） 电子传递链的组成成分
1、烟酰胺脱氢酶类
大多数底物脱氢酶以 NAD，NADP 为辅酶，又通称这类脱氢酶为烟酰胺脱氢酶类。
（底物脱氢氧化作用中,NAD 接受一个质子和两个电子,另一个质子游离于溶液中，
形成下列反应式 0
还原型底物 + NAD
+
氧化型底物 +NADH+H
+
NADP
+
NADPH+H
+
2、黄素蛋白（NADH 脱氢酶）
以 FMN，FAD为辅基（氧化型黄素辅基从 NADH 或底物如琥珀酸接受两个电子和一个质子而还原） 。
AH2+FMN A + FMNH2
FAD FADH2
3,铁硫蛋白类（Fe—S）
含铁硫络合物的蛋白，又称非血红素铁蛋白，非卟啉铁与对酸不稳定的硫（酸化时释放出 H 2S） 。
络合物中的铁硫一般以等摩尔存在，通常构成铁硫中心 Fe 2S2 和Fe 4S4，然后在与蛋白质中的半胱氨酸连接，Fe—S 中心的 Fe 2S2在氧化态时两个铁均为三价铁，而在还原态时其中的一个变为二价铁。
4,辅酶 Q 类（CoQ）泛醌
电子传递链中唯一的非蛋白质组分。功能基团是苯醌。
2
2
1
O
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5、细胞色素类
以铁卟啉为辅基的色素蛋白，是呼吸链中将电子从 CoQ 传递到氧的专一酶类，
通过辅基中铁离子的价态变化进行电子传递。高等动物线粒体电子传递链中至少有五种细胞色素。
包括 cyt a,a
3
,b,c c
1
Cyt a a
3
未端氧化酶
（三） 呼吸链的顺序
呼吸链中的电子传递有着严格的方向和顺序，电子总是从低电位传到高电位，
因此测定电子传递链各成员的氧化还原电位，就可以帮助了解它们在链中所处的位置。此外，还可采用电子传递链组分的分离纯化与重组合、动力学分析等方法，通过这些方法的相互补充和彼此验证，现在已知的电子传递链中各载体的排列顺序大致如下,
AH
2
2H NADH FMN CoQ b C
1
C aa
3
A
AH
2
NAD
+
FMNH
2
CoQ Fe
2+
Fe
3+
H
2
O
A NADH+H
+
FMN CoQH
2
Fe
3+
Fe
2+
底物脱下的氢都分别还原 NAD
+
和FAD 形成 NADH 和 FADH
2
,它们都有一对转移潜势很高的电子，这对高能电子对可以从 NADH 和 FADH
2
上分别传出去，构成两条呼吸链。
NADH 呼吸链：长链；应用最广，糖、脂、蛋白质三大物质分解代谢中的脱氢氧化反应，绝大部分是通过该链来完成的。
FADH2呼吸链：短链；该链上的黄酶只能催化某些代谢物脱氢，不能催化 NADH
或 NADPH 脱氢。
注意：排列顺序从低电位到高电位。底物脱下的 H 不活泼，不能直接传给氧结合生成水需经呼吸链中电子递体的传递，需释放能量形成 ATP。
三、电子传递抑制剂
能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质，称为电子传递抑制剂。
Fe
3+
+e
-e
Fe
2+
2
2
1
O H
2
O
2
2
1
O
Fe-s
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利用专一性电子传递抑制剂选择性地阻断呼吸链中某个传递步骤，再测定链中多组分的氧化还原态情况，是研究电子传递链顺序的一种重要方法。原理如通水管中的流水一样，正常情况下，连通管中的水位，越靠近出水管口越低，从入水到出水形成均匀的梯度；若连通水管中某一环节受阻，则在受阻部位以前的水管即充满水，而在受阻部位以后的水管，因无水继续补充而即将流空。
1,鱼藤酮：极毒的植物毒素，常用作杀虫剂。抑制复合物Ⅰ，ⅡⅣ阻断电
子由 NADH 向 CoQ 传递。安蜜妥、杀粉蝶菌素等与其作用位点相同。
2,抗霉素 A：是一种抗菌素。抑制复合物Ⅲ的电子传递,
3,氰化物,叠氮化物,一氧化碳和硫化氢,阻断细胞色素 aa 3至O 2的电子传递。
NADH CoQ Cytb C1 C aa3 O
第三节 氧化磷酸化
一、氧化磷酸化的概念及类型
1、概念
利用生物氧化过程中，释放的自由能使 ADP 磷酸化为 ATP 的过程。
2、类型（生物体内通过生物氧化合成 ATP 的方式有两种）
①底物水平磷酸化
底物氧化过程中，高能代谢中间产物，通过 E 促磷酸基团转移反应，直接偶联
ATP 的形成。
②电子传递偶联的磷酸化 （氧化磷酸化）
当电子从 NADH 或 FADH
2
经过电子传递体传递到 O
2
形成 H
2
O 时，同时偶联
ADP 磷酸化为 ATP，这一过程称电子传递偶联的磷酸化。
二．氧化磷酸化的偶联部位
NADH FMN CoQ b C1 C aa3
X~ P +
ADP X
+ATP
2
2
1
O
~ p ~ p ~ p
3ADP 3ATP
鱼滕酮
安密妥
杀粉蝶
菌素 A
抗霉素 A CN
-
CO
H
2
S
N
3
-
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电子沿呼吸链由低电位流向高电位是个逐步释放能量的过程，在哪些位点上释放的能量可满足磷酸化的需要？有两种方法确定。
1,氧化电位差判断
电子在两个传递体间传递转移时，氧化还原电位差与标准自由能的变化之间的关系可表示为
ΔGoˊ= -nFΔEoˊ≥35.1KJ/mol (可生成ATP)
n=2；F=96.403KJ/V=23.063KCal
2、P/O 比判断
每消耗一个氧原子所形成的 ATP数或每对电子经过呼吸链所形成的 ATP 数。
测定长呼吸链中 P/O 比为 3（3 个部位生成 ATP）
短呼吸链中 P/O 比为 2（2 个部位生成 ATP）
偶联部位,
①NADH CoQ
②Cytb CytC 1
③Cytaa 3 O2
三、氧化磷酸化的解偶联和抑制
用特殊的试剂可将氧化磷酸化过程分解成若干个反应阶段，这是研究氧化磷酸化中间步骤的有效方法。
不同的化学因素对氧化磷酸化过程的影响不同，根据它们不同的影响方式可分为三大类,
1、解偶联剂,使电子传递与 ADP 磷酸化两个过程分开，不抑制电子传递过程，只抑制 ADP ATP，使电子传递所产生的自由能以热的形式耗散,
（注：解偶联剂只抑制电子传递链磷酸化，不影响底物水平磷酸化。 ）
例,DNP：2.4—二硝基苯酚（DNP）
线粒体膜
外 内
（PH7，解离态，脂不溶） （酸性不解离态，脂溶） （将一个质子带入膜内）
原理：增加膜的通透性，破坏跨膜蛋白质电化学梯度（H
+
）梯度
2、氧化磷酸化抑制剂
抑制氧的利用和 ATP 的形成,不直接抑制电子传递,（这一点和电子传递抑制剂不同）,氧化磷酸化抑制剂的作用是直接干扰 ATP 的生成过程，结果也使电子传递不能进行，例寡霉素。与 F 1—F 0结合，抑制氢离子内流即抑制氧的利用。
DNP（解偶联剂）可解除它对氧利用的抑制作用。
3、离子载体抑制剂
生物膜上的脂溶性物质，与某些离子结合，并作为它们的载体，使这些离子能
NO
2
NO
2
NO
2
NO
2
NO
2
NO
2
NO
2
NO
2
O
OH
OH
O
H
+
H
+
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够穿过膜，破坏跨膜电化学梯度，从而破坏氧化磷酸化过程。
与解偶联剂区别：H+离子以外的其它一价阳离子的载体，改变除 H+离子以外的一价阳离子透性。
例 缬氨霉素—K
+
短秆菌肽—K
+
，Na
+
四、氧化磷酸化的机理
（一）线粒体偶联因子 F 1—F 0（P183）
氧化磷酸化偶联因子,包含 ATP 合成酶系统,可利用电子传递的高能状态将 ADP
和 Pi 合成为 ATP。偶联因子 F 1—F 0 由两个主要部分 F 1 和F 0 组成，因而又称为
F1—F 0—ATP酶复合物或 ATP 合成酶。
F1作用：合成 ATP 的催化部位。
F0作用：含有质子通道
柄作用：调控 F 1—F 0因子
（二）机理
对氧化磷酸化作用的机理进行了研究，但至今仍没有一个明确的分子模型来说明电子传递与 ATP 生成之间的偶联方式。 迄今有三种假说来解释氧化磷酸化的机理。
其中得到较多支持的是化学渗透学说。
1、化学偶联假说（1953年 E.C.Slater 提出的。
H 的氧化过程中，形成一个高能中间物，然后传递能量交给 ADP 形成 ATP 。由于一直未能鉴定出高能共价结合的中间产物,以致连 E.C.Slater 也认为它几乎可以肯定是不正确的了。
2、构象偶联假说（1964年 P.D.Boyer 提出了这种假说）
H 的氧化过程中，形成高能构象，然后将能量释放，使 ADP ATP
3、化学渗透学说（此学说被多数人支持）
化学渗透学说是英国米歇尔经过大量实验后于 1961 年首先提出的,主要论点是认为呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上 ATP合成酶所利用，使 ADP合成 ATP。简要分述如下,
（1）递H 体与递电子体交替排列，定位于线粒体内膜。
（2）递 H 体有 H 泵作用，将 2H
+
泵出内膜，2e 传给递电子体，整个过程泵出 3
对H
+
造成H
+
跨膜梯度
（3）线粒体膜对 H
+
不通透，造成 H
+
跨膜梯度。
（4）H
+
通过线粒体 F 1—F 0—ATP 酶进入内膜，释放出的自由能推动 ATP 合成。
（三）化学渗透学说的实验证据（氧化磷酸化的重组实验）
亚线粒体小泡的制备 去除 F 1—F 0因子 有e 传递无ATP形成
与 F
1
—F
0
重组
电子传递与氧化磷酸化偶联
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（四）腺苷酸的转运
细胞内的 ATP 主要在线粒体内由 ADP 磷酸化而成，大部分 ATP 在线粒体外被利用后又变为 ADP。由于 ADP 和 ATP 都不能自由地穿过线粒体内膜，因而必需有一种机制将线粒体外的 ADP 运入，同时把 ATP 运到线粒体外。现已证实由线粒体内膜上的腺苷酸载体（二聚体，只有一个腺苷酸结合位点）负责其双向运输，又称 ADP/ATP
交换体。面向外侧时结合位点对 ADP 亲和力高，面向内侧时结合位点对 ATP 亲和力高。
五、线粒体穿梭系统
生物氧化和氧化磷酸化主要在线粒体内进行，而 NAD
+
和 NADH 不能自由地透过线粒体内膜，因此在胞液内生成的 NADH（如糖酵解途径产生的 NADH）必须通过特殊的穿梭机制进入线粒体。已知动 Cell 有两个穿梭系统,
（1）甘油-3-磷酸穿梭系统（肌 Cell、大脑中）
外膜 内膜
外 内
NADH 磷酸二羟丙酮 磷酸二羟丙酸 FADH2
甘油磷酸脱 HE 甘油磷酸
脱 HE
NAD
+
甘油磷酸 甘油磷酸 FAD
（2）苹果酸穿梭系统（肝 Cell） P49 图 7-12
需要谷草转氨酶（GOT、苹果酸脱氢酶和一系列专一的透性酶共同作用。
生物化学, 生物氧化 山农大生物化学与分子生物学系 第 13 页 共 13 页
13
六、能荷
1、概念：总的腺苷酸系统中（即 ATP、ADP 和 AMP 浓度之和）所负荷的高能磷酸基数量（ATP 所占的比例） 。用下式表达,
2,能荷的意义
（1） 一般情况下细胞内能荷为 0。8。
（2） 高能荷时抑制 ATP 生成，促进 ATP利用。
（3） 低能荷时抑制 ATP 利用，促进 ATP生成。
（4） 能荷的调节是靠 ATP、ADP、AMP 对代谢中酶的变构调节实现的。
第四节 其它未端氧化酶系统
（自学）
一、多酚氧化酶系统
二、抗坏血酸氧化酶
三、黄素蛋白氧化酶
四、SOD（超氧化物岐化酶）,CAT（过氧化氢酶）
五、抗氰呼吸
ATPADPAMP
ADPATP
++
+
=
2
1
能荷
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
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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 CO
2
和 H
2
O,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,CO
2
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、H 2O的形成,是代谢底物脱下的氢与氧结合而成的。
AH
2
（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
2
COPyr
E
+→? 乙醛脱羧乙酰 CoA+CO
2
2H
2H H 受体
ATP
2
2
1
O
H
2
O
A
→?
丙酮酸脱氢酶复合物苹果酸酶生物化学, 生物氧化 山农大生物化学与分子生物学系 第 3 页 共 13 页
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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ΔG o表示。
A + B
ΔG=ΔG o+
ΔG =ΔG o +RtlnKeq = O
ΔG o = -RTlnkeq
在生化反应中，pH=7.0时,其标准自由能变化以ΔG 0′表示。
ΔG=ΔG 0′+RT1n 平衡时 =K ’ep
ΔG=ΔG
0
′+RT1n K ’ep=0
∴ΔG
0
′=- RT1n K ’ep
R 为气体常数（1.987cal·Mol
-1
·K
-1
）
T 为绝对温度。
ΔG
0
′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
TR
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
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
Zn
2+
/Zn Cu
2+
/Cu
负极 正极
发生氧化作用的电极为阳极,又称为负极(Zn
2+
/Zn)用,-”表示。 （
发生还原作用的电极为阴极，又称为正极（Cu
2+
/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E 0
生物上 pH=7 为E 0′
电极电势 ξ= E —— E
（待测） （氢极）
ξ 0′= E
0
′—— E
0
′ >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 = 6.02×10
23
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'
系
EEΔE?=
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
5
E
0
=E
O
ˊ+
ΔE
O
ˊ=E
O1
ˊ- E
O2
ˊ
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
OH
O~P
O ~ P OH
OH OH
O O
腺苷
c.烯醇式磷酸化合物
COOH
C
CH
2
O ~ P
O
OH
1ykeq
nf
RT
2.31nkeq
nf
RT
ΔEε
00
===
C - O ~ P = O
O OH
OH
CH OH
CH2O - O~P=O
OH
OH
－ OH
生物化学, 生物氧化 山农大生物化学与分子生物学系 第 6 页 共 13 页
6
③硫酯键型
乙酰辅酶 A 酰基辅酶A
④甲硫键型
SAM S-腺苷甲硫氨
2,ATP的作用
(1)供能
(2)ATP 为能量货币：能量合成与利用以 ATP 为中心，ATP-ADP 循环是生物系统的能量交换中枢。
(3)磷酸基团转移反应的中间体,
在磷酸基团转移反应中，磷酸基从转移势能较高的供体转移到转移势能较低的受体分子，ATP 的磷酸基团转移势能在常见的含磷酸基团化合物中处于中间位置，因而在磷酸基团转移势能高的供体与低能的受体之间充当中间载体。
四、生物氧化的生物学意义
1．能量代谢
2．生物合成与代谢调节
3．其它作用：解毒、抗衰老、抗逆性等。
② 氮 磷键型 N~P
磷酸肌酸
H N
~
P OH
C=NH
OH
N
CH
3
CH
2
COOH
O
C~S
O O
SCoA
R
C
CH
3
- C - SCOA
O
NH
2
CH
3
S~CH
2
CH
COOH?)(
2
腺苷
生物化学, 生物氧化 山农大生物化学与分子生物学系 第 7 页 共 13 页
7
第二节 电子传递链
一,线粒体的结构
外膜、内膜、嵴、膜间空间、基质等（电子传递导致质子甭出内膜） 。
二、电子传递链
（一）电子传递链
AH
2
2H 电子传递链
A ATP H
2
O
在生物氧化中代谢物上的 H 原子被脱氢酶激活脱落后，以质子和电子的形式由线粒体内膜上的一系列传递体传递，最终传给被激活的 O 2，而生成 H 2O，由这些传递体组成的传递链称为电子传递链（呼吸链）
典型的呼吸链,NADH 呼吸链,FADH 2呼吸链
呼吸链是一系列电子载体按照对电子亲合力逐渐升高的顺序组成的电子传递系统，所有组成成分都嵌合于线粒体内膜，线粒体的内膜是重要的能量交换部位，电子传递链和氧化磷酸化的有关组分都存在于此。 （图）
（二） 电子传递链的组成成分
1、烟酰胺脱氢酶类
大多数底物脱氢酶以 NAD，NADP 为辅酶，又通称这类脱氢酶为烟酰胺脱氢酶类。
（底物脱氢氧化作用中,NAD 接受一个质子和两个电子,另一个质子游离于溶液中，
形成下列反应式 0
还原型底物 + NAD
+
氧化型底物 +NADH+H
+
NADP
+
NADPH+H
+
2、黄素蛋白（NADH 脱氢酶）
以 FMN，FAD为辅基（氧化型黄素辅基从 NADH 或底物如琥珀酸接受两个电子和一个质子而还原） 。
AH2+FMN A + FMNH2
FAD FADH2
3,铁硫蛋白类（Fe—S）
含铁硫络合物的蛋白，又称非血红素铁蛋白，非卟啉铁与对酸不稳定的硫（酸化时释放出 H 2S） 。
络合物中的铁硫一般以等摩尔存在，通常构成铁硫中心 Fe 2S2 和Fe 4S4，然后在与蛋白质中的半胱氨酸连接，Fe—S 中心的 Fe 2S2在氧化态时两个铁均为三价铁，而在还原态时其中的一个变为二价铁。
4,辅酶 Q 类（CoQ）泛醌
电子传递链中唯一的非蛋白质组分。功能基团是苯醌。
2
2
1
O
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8
5、细胞色素类
以铁卟啉为辅基的色素蛋白，是呼吸链中将电子从 CoQ 传递到氧的专一酶类，
通过辅基中铁离子的价态变化进行电子传递。高等动物线粒体电子传递链中至少有五种细胞色素。
包括 cyt a,a
3
,b,c c
1
Cyt a a
3
未端氧化酶
（三） 呼吸链的顺序
呼吸链中的电子传递有着严格的方向和顺序，电子总是从低电位传到高电位，
因此测定电子传递链各成员的氧化还原电位，就可以帮助了解它们在链中所处的位置。此外，还可采用电子传递链组分的分离纯化与重组合、动力学分析等方法，通过这些方法的相互补充和彼此验证，现在已知的电子传递链中各载体的排列顺序大致如下,
AH
2
2H NADH FMN CoQ b C
1
C aa
3
A
AH
2
NAD
+
FMNH
2
CoQ Fe
2+
Fe
3+
H
2
O
A NADH+H
+
FMN CoQH
2
Fe
3+
Fe
2+
底物脱下的氢都分别还原 NAD
+
和FAD 形成 NADH 和 FADH
2
,它们都有一对转移潜势很高的电子，这对高能电子对可以从 NADH 和 FADH
2
上分别传出去，构成两条呼吸链。
NADH 呼吸链：长链；应用最广，糖、脂、蛋白质三大物质分解代谢中的脱氢氧化反应，绝大部分是通过该链来完成的。
FADH2呼吸链：短链；该链上的黄酶只能催化某些代谢物脱氢，不能催化 NADH
或 NADPH 脱氢。
注意：排列顺序从低电位到高电位。底物脱下的 H 不活泼，不能直接传给氧结合生成水需经呼吸链中电子递体的传递，需释放能量形成 ATP。
三、电子传递抑制剂
能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质，称为电子传递抑制剂。
Fe
3+
+e
-e
Fe
2+
2
2
1
O H
2
O
2
2
1
O
Fe-s
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9
利用专一性电子传递抑制剂选择性地阻断呼吸链中某个传递步骤，再测定链中多组分的氧化还原态情况，是研究电子传递链顺序的一种重要方法。原理如通水管中的流水一样，正常情况下，连通管中的水位，越靠近出水管口越低，从入水到出水形成均匀的梯度；若连通水管中某一环节受阻，则在受阻部位以前的水管即充满水，而在受阻部位以后的水管，因无水继续补充而即将流空。
1,鱼藤酮：极毒的植物毒素，常用作杀虫剂。抑制复合物Ⅰ，ⅡⅣ阻断电
子由 NADH 向 CoQ 传递。安蜜妥、杀粉蝶菌素等与其作用位点相同。
2,抗霉素 A：是一种抗菌素。抑制复合物Ⅲ的电子传递,
3,氰化物,叠氮化物,一氧化碳和硫化氢,阻断细胞色素 aa 3至O 2的电子传递。
NADH CoQ Cytb C1 C aa3 O
第三节 氧化磷酸化
一、氧化磷酸化的概念及类型
1、概念
利用生物氧化过程中，释放的自由能使 ADP 磷酸化为 ATP 的过程。
2、类型（生物体内通过生物氧化合成 ATP 的方式有两种）
①底物水平磷酸化
底物氧化过程中，高能代谢中间产物，通过 E 促磷酸基团转移反应，直接偶联
ATP 的形成。
②电子传递偶联的磷酸化 （氧化磷酸化）
当电子从 NADH 或 FADH
2
经过电子传递体传递到 O
2
形成 H
2
O 时，同时偶联
ADP 磷酸化为 ATP，这一过程称电子传递偶联的磷酸化。
二．氧化磷酸化的偶联部位
NADH FMN CoQ b C1 C aa3
X~ P +
ADP X
+ATP
2
2
1
O
~ p ~ p ~ p
3ADP 3ATP
鱼滕酮
安密妥
杀粉蝶
菌素 A
抗霉素 A CN
-
CO
H
2
S
N
3
-
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10
电子沿呼吸链由低电位流向高电位是个逐步释放能量的过程，在哪些位点上释放的能量可满足磷酸化的需要？有两种方法确定。
1,氧化电位差判断
电子在两个传递体间传递转移时，氧化还原电位差与标准自由能的变化之间的关系可表示为
ΔGoˊ= -nFΔEoˊ≥35.1KJ/mol (可生成ATP)
n=2；F=96.403KJ/V=23.063KCal
2、P/O 比判断
每消耗一个氧原子所形成的 ATP数或每对电子经过呼吸链所形成的 ATP 数。
测定长呼吸链中 P/O 比为 3（3 个部位生成 ATP）
短呼吸链中 P/O 比为 2（2 个部位生成 ATP）
偶联部位,
①NADH CoQ
②Cytb CytC 1
③Cytaa 3 O2
三、氧化磷酸化的解偶联和抑制
用特殊的试剂可将氧化磷酸化过程分解成若干个反应阶段，这是研究氧化磷酸化中间步骤的有效方法。
不同的化学因素对氧化磷酸化过程的影响不同，根据它们不同的影响方式可分为三大类,
1、解偶联剂,使电子传递与 ADP 磷酸化两个过程分开，不抑制电子传递过程，只抑制 ADP ATP，使电子传递所产生的自由能以热的形式耗散,
（注：解偶联剂只抑制电子传递链磷酸化，不影响底物水平磷酸化。 ）
例,DNP：2.4—二硝基苯酚（DNP）
线粒体膜
外 内
（PH7，解离态，脂不溶） （酸性不解离态，脂溶） （将一个质子带入膜内）
原理：增加膜的通透性，破坏跨膜蛋白质电化学梯度（H
+
）梯度
2、氧化磷酸化抑制剂
抑制氧的利用和 ATP 的形成,不直接抑制电子传递,（这一点和电子传递抑制剂不同）,氧化磷酸化抑制剂的作用是直接干扰 ATP 的生成过程，结果也使电子传递不能进行，例寡霉素。与 F 1—F 0结合，抑制氢离子内流即抑制氧的利用。
DNP（解偶联剂）可解除它对氧利用的抑制作用。
3、离子载体抑制剂
生物膜上的脂溶性物质，与某些离子结合，并作为它们的载体，使这些离子能
NO
2
NO
2
NO
2
NO
2
NO
2
NO
2
NO
2
NO
2
O
OH
OH
O
H
+
H
+
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11
够穿过膜，破坏跨膜电化学梯度，从而破坏氧化磷酸化过程。
与解偶联剂区别：H+离子以外的其它一价阳离子的载体，改变除 H+离子以外的一价阳离子透性。
例 缬氨霉素—K
+
短秆菌肽—K
+
，Na
+
四、氧化磷酸化的机理
（一）线粒体偶联因子 F 1—F 0（P183）
氧化磷酸化偶联因子,包含 ATP 合成酶系统,可利用电子传递的高能状态将 ADP
和 Pi 合成为 ATP。偶联因子 F 1—F 0 由两个主要部分 F 1 和F 0 组成，因而又称为
F1—F 0—ATP酶复合物或 ATP 合成酶。
F1作用：合成 ATP 的催化部位。
F0作用：含有质子通道
柄作用：调控 F 1—F 0因子
（二）机理
对氧化磷酸化作用的机理进行了研究，但至今仍没有一个明确的分子模型来说明电子传递与 ATP 生成之间的偶联方式。 迄今有三种假说来解释氧化磷酸化的机理。
其中得到较多支持的是化学渗透学说。
1、化学偶联假说（1953年 E.C.Slater 提出的。
H 的氧化过程中，形成一个高能中间物，然后传递能量交给 ADP 形成 ATP 。由于一直未能鉴定出高能共价结合的中间产物,以致连 E.C.Slater 也认为它几乎可以肯定是不正确的了。
2、构象偶联假说（1964年 P.D.Boyer 提出了这种假说）
H 的氧化过程中，形成高能构象，然后将能量释放，使 ADP ATP
3、化学渗透学说（此学说被多数人支持）
化学渗透学说是英国米歇尔经过大量实验后于 1961 年首先提出的,主要论点是认为呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上 ATP合成酶所利用，使 ADP合成 ATP。简要分述如下,
（1）递H 体与递电子体交替排列，定位于线粒体内膜。
（2）递 H 体有 H 泵作用，将 2H
+
泵出内膜，2e 传给递电子体，整个过程泵出 3
对H
+
造成H
+
跨膜梯度
（3）线粒体膜对 H
+
不通透，造成 H
+
跨膜梯度。
（4）H
+
通过线粒体 F 1—F 0—ATP 酶进入内膜，释放出的自由能推动 ATP 合成。
（三）化学渗透学说的实验证据（氧化磷酸化的重组实验）
亚线粒体小泡的制备 去除 F 1—F 0因子 有e 传递无ATP形成
与 F
1
—F
0
重组
电子传递与氧化磷酸化偶联
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（四）腺苷酸的转运
细胞内的 ATP 主要在线粒体内由 ADP 磷酸化而成，大部分 ATP 在线粒体外被利用后又变为 ADP。由于 ADP 和 ATP 都不能自由地穿过线粒体内膜，因而必需有一种机制将线粒体外的 ADP 运入，同时把 ATP 运到线粒体外。现已证实由线粒体内膜上的腺苷酸载体（二聚体，只有一个腺苷酸结合位点）负责其双向运输，又称 ADP/ATP
交换体。面向外侧时结合位点对 ADP 亲和力高，面向内侧时结合位点对 ATP 亲和力高。
五、线粒体穿梭系统
生物氧化和氧化磷酸化主要在线粒体内进行，而 NAD
+
和 NADH 不能自由地透过线粒体内膜，因此在胞液内生成的 NADH（如糖酵解途径产生的 NADH）必须通过特殊的穿梭机制进入线粒体。已知动 Cell 有两个穿梭系统,
（1）甘油-3-磷酸穿梭系统（肌 Cell、大脑中）
外膜 内膜
外 内
NADH 磷酸二羟丙酮 磷酸二羟丙酸 FADH2
甘油磷酸脱 HE 甘油磷酸
脱 HE
NAD
+
甘油磷酸 甘油磷酸 FAD
（2）苹果酸穿梭系统（肝 Cell） P49 图 7-12
需要谷草转氨酶（GOT、苹果酸脱氢酶和一系列专一的透性酶共同作用。
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六、能荷
1、概念：总的腺苷酸系统中（即 ATP、ADP 和 AMP 浓度之和）所负荷的高能磷酸基数量（ATP 所占的比例） 。用下式表达,
2,能荷的意义
（1） 一般情况下细胞内能荷为 0。8。
（2） 高能荷时抑制 ATP 生成，促进 ATP利用。
（3） 低能荷时抑制 ATP 利用，促进 ATP生成。
（4） 能荷的调节是靠 ATP、ADP、AMP 对代谢中酶的变构调节实现的。
第四节 其它未端氧化酶系统
（自学）
一、多酚氧化酶系统
二、抗坏血酸氧化酶
三、黄素蛋白氧化酶
四、SOD（超氧化物岐化酶）,CAT（过氧化氢酶）
五、抗氰呼吸
ATPADPAMP
ADPATP
++
+
=
2
1
能荷
