第一节 生物氧化概述一,生物氧化的概念二、生物氧化的特点三、氧化还原电位与自由能四、高能化合物
一切生命活动都需要能量,维持生命活动的能量主要有 两个来源,
光能 （太阳能）：光合自养生物通过光合作用将光能转变成有机物中稳定的化学能。
化学能,异养生物或非光合组织通过 生物氧化 作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）氧化分解，使存储的稳定的化学能转变成 ATP中活跃的化学能,ATP直接用于需要能量的各种生命活动。
一,生物氧化的概念
1,概念
有机物质（糖、脂肪和蛋白质）在生物细胞内进行氧化分解而生成 C2O和 H2O并释放出能量的过程称为 生物氧化 。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。
（ 3）当有机物被氧化成 C2O和 H2O时，释放的能量怎样转化成 ATP— 能量如何产生？
底物水平磷酸化
氧化磷酸化
2,生物氧化主要包括三方面的内容：
（ 1）细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的 C变成 C2O— C2O如何形成？
脱羧反应
（ 2）在酶的作用下细胞怎样利用 分子氧 将有机化合物中的 H氧化成 H2O— H2O如何形成？
电子传递链释放的能量转化成 ATP被利用 转换为光和热，散失二、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 体外燃烧细胞内温和条件 高温或高压、干燥条件
（常温、常压、中性 pH,水溶液）
一系列酶促反应 无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆发释放三、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 25?C,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 o。
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。
标准状态下测得的为标准氧化还原电位 E0； 而生化反应是在 pH=7.0条件下进行的，故此时测得的氧化还原电位为 生化氧化还原电位 E0?
生化标准氧化还原电位（ E0?）,生化标准条件下
（ 25?C,一个大气压,pH=7.0,电子供体和电子受体的浓度都是 1mol/L）,发生氧化还原反应的每一 氧还对 的电子转移势能。
一般 E0?值越小，表示该氧还对的还原态失电子能力越大，即还原能力越强，是强还原剂。
E0’值越大，表示该氧还对的氧化态得电子能力越大，即氧化能力越强，是强氧化剂。
在氧化还原反应中,电子总是从 E0’值较小的物质转移到值较大的物质，即从 还原剂流向氧化剂 。
举例：
生物体内一些氧化还原体系的 生化氧化还原电位 E0? P54
自由能变化（ Δ G）,
A B
Δ G= GB - GA
Δ G是衡量反应自发性的标准。
Δ G< 0,放能，自发进行，可以产生有用的功
Δ G >0,吸能，非自发进行，必须供给能量才能进行。
Δ G =0,平衡状态三、氧化还原电位与自由能
2、自由能（ G）,指在一个体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量。
生化标准自由能变化 (ΔG0?)
指在标准条件下，即温度为 25℃,参加反应的物质浓度为 1mol/L,若有气体，则为 1个大气压,pH为 7时，测定的自由能变化。单位为
J/mol,KJ/mol。 过去曾用 cal/mol;kcal/mol
1kcal/mol=4.18 KJ/mol
3、自由能变化与平衡常数的关系
生化标准条件下某一可逆反应的平衡常数用 k
表示。
ΔG0’=-RTlnkeq?
=-2.303RT lgkeq?
标况下,T=298K,R=1.987 cal/mol.k
=8.314 J/mol.k
ΔG0’(cal/mol)=- 1364 lgk
ΔG0’ (J/mol) =-5706 lgk
'eq
'eq
'eq
Δ G= ΔG0’+RTlnkeq= ΔG0’+ 2.303RT lgkeq
一个反应能否自发进行，判断依据是 Δ G,Δ G主要依赖于反应物的性质及其浓度。
4、自由能变化与氧化还原电位的关系
生化标准氧化还原电位差（ Δ E0 ’ ）：
= Δ E0 ’ =正极 -负极
Δ E0’= E0 ’氧化剂 -E0 ’还原剂
= E0 ’电子受体 -E0 ’电子供体
Δ G0 ’ =-nF Δ E0 ’
其中 n为转移的电子数，
F为法拉第常数,F=96.496kJ/v.mol
=23.063kcal/v.mol
Δ E0 ’的单位为伏特（ V）
糖、脂肪、蛋白质 C2O+H2O+能量生物氧化四、高能化合物
ATP
1、高能化合物的概念
一般将水解时能够释放 20.92 kJ /mol（ 5Kcal/mol)以上自由能的化合物称为 高能化合物 。
在高能化合物分子中，释放出大量自由能时水解断裂的活泼共价键称为 高能键 。
按其分子结构特点及所含高能键的特征分：
磷氧键型
磷氮键型
硫酯键型
甲硫键型
2、高能化合物的类型
（ 1）,磷氧键型（ — O-P)
C O
C H
O
C H 2
O H
O P
O
O
-
O
-
P
O
O
-
O
-
(A)酰基磷酸化合物
1,3-二磷酸甘油酸
C H 3 C
O
O P
O
O
-
O
-
乙酰磷酸
(A)酰基磷酸化合物
H 3 N + C
O
O P
O
O -
O -
氨甲酰磷酸
R C
O
O P
O
O
O
-
A
酰基腺苷酸
R C H C
O
O P
O
O
O
-
A
N
+
H 3
氨酰基腺苷酸
（ B） 焦磷酸化合物 O - P
O
O
-
N
N
N
N
N H
2
O
H
H
O H
H
O H
H
O C H
2
O
-
P
O
O
-
O
-
P
O
O
-
ATP（ 三磷酸腺苷）
O - P
O
O -
O P
O
O -
O -
焦磷酸
ADP（ 二磷酸腺苷）
（ C） 烯醇式磷酸化合物
OP
O
OC O O H
C O
C H 2
磷酸烯醇式丙酮酸（ PEP）
磷氧键型,酰基磷酸化合物、焦磷酸化合物,烯醇式磷酸化合物
（ 2）,氮磷键型 （如胍基磷酸化合物）
OP
O
O
N H
C N H
N C H 3
C H 2 C O O H
OP
O
O
N H
C N H
N C H 3
C H 2 C H 2 C H 2 C H C O O H
N H 2
磷酸肌酸 磷酸精氨酸
这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。
（ 3）、硫酯键型
3?-磷酸腺苷 -5’ -磷酰硫酸
R C
O
S C o A
酰基辅酶 A
（ 4）,甲硫键型 C O O
-
C H N H 3
+
C H
2
C H
2
S
+
H
3
C A
S-腺苷甲硫氨酸
P21表 10-2列出某些磷酸化合物水解的标准自由能变化
3、最重要的高能化合物 — ATP
（ 1） ATP的分子结构特点与水解自由能的关系
b,ATP水解产物具有更大的共振稳定性,其水解产物 ADP3-和
Pi的某些电子的能量水平远远小于 ATP。
c,H+的低浓度导致 ATP4-向分解方向进行。
d,酸酐键溶剂化所需能量小于磷脂键。
ATP水解时释放大量的自由能，原因主要有四方面：
a,ATP分子结构存在不稳定因素：
① ATP分子内有 4个负电荷（ ATP4-）,产生静电斥力，促使 ATP
水解成 ADP3-,而减弱斥力。
② ATP分子内存在相反共振现象,由于在相邻的两个磷原子之间夹着一个氧原子，氧原子上存在有未共用电子对，而磷原子因
P=O和 P-O-间的诱电子效应带有部分正电荷，于是在两个相邻的磷原子之间存在竞争氧原子上的未共用电子的现象，这种作用的结果会影响 ATP分子的结构稳定性。
总的来说：反应物的不稳定性和产物的稳定性或反应物内的静电斥力和产物的共振稳定使 ATP水解释放大量能量。
以 无机磷酸 为例说明几种能量近似的共振形式：
① ATP是生物体通用的能量货币。
② ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。
ATP在传递能量方面起着转运站的作用，
它是能量的携带者和转运者，但不是能量的贮存者。
（ 2） ATP在能量转化中的作用
磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物质向势能低的物质转移。
磷酸基团转移势能在数值上等于其水解反应的 Δ G0’。
.
磷酸基团转移势能 （
kc
al
/m
ol
)
2
4
6
8
10
12
14
16
ATP
PEP
1,3-二 P甘油酸
6-P葡萄糖
3-P甘油
ATP是磷酸基团转移反应的中间载体
（ 3） ATP断裂形成 AMP和焦磷酸的作用
ATP+H2O AMP+PPi
PPi +H2O 2Pi
Δ G0 ’=-7.7(Kcal/mol)=-32.19(KJ/mol)
Δ G0 ’=-6.9(Kcal/mol)=-28.842(KJ/mol)
-61.028 KJ/mol
意义,萤火虫发光物质的形成由 ATP降解为 AMP+PPi来提供腺苷酸；
为一些接近平衡的反应提供驱动力：
ATP+RCOOH+CoA-SH AMP+PPi+RCO-S- CoA
Δ G0 ’=0.2(Kcal/mol)=0.836(KJ/mol)
（ 4）能荷
ATP是 生命活动中能量的主要直接供体，因此 ATP不断产生又不断消耗,ATP,ADP和 AMP的转换率非常高。
但他们在机体内总能保持相应的平衡状态，以适应细胞对能量的需求。
例如：一个静卧的人 24小时内消耗约 40公斤 ATP。
细胞所处的能量状态用 ATP,ADP和 AMP之间的关系式来表示，称为能荷，公式如下：
能荷 =
[ATP]+1/2[ADP]
[ATP]+[ADP]+[AMP]
腺苷酸库
能荷是细胞所处能量状态的一个指标，当细胞内的
ATP全部转变为 AMP时能荷值为 0，当 AMP全部转变为 ATP
时，能荷值为 1。
高能荷抑制 ATP的生成，促进 ATP的应用，即促进机体内的合成代谢。
大多数细胞的能荷处于 0.8-0.95之间。进一步说明细胞内 ATP的产生和利用都处于一个相对稳定的状态。
（同位素实验）
[ATP]+1/2[ADP]
[ATP]+[ADP]+[AMP]
能荷 =
一切生命活动都需要能量,维持生命活动的能量主要有 两个来源,
光能 （太阳能）：光合自养生物通过光合作用将光能转变成有机物中稳定的化学能。
化学能,异养生物或非光合组织通过 生物氧化 作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）氧化分解，使存储的稳定的化学能转变成 ATP中活跃的化学能,ATP直接用于需要能量的各种生命活动。
一,生物氧化的概念
1,概念
有机物质（糖、脂肪和蛋白质）在生物细胞内进行氧化分解而生成 C2O和 H2O并释放出能量的过程称为 生物氧化 。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。
（ 3）当有机物被氧化成 C2O和 H2O时，释放的能量怎样转化成 ATP— 能量如何产生？
底物水平磷酸化
氧化磷酸化
2,生物氧化主要包括三方面的内容：
（ 1）细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的 C变成 C2O— C2O如何形成？
脱羧反应
（ 2）在酶的作用下细胞怎样利用 分子氧 将有机化合物中的 H氧化成 H2O— H2O如何形成？
电子传递链释放的能量转化成 ATP被利用 转换为光和热，散失二、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 体外燃烧细胞内温和条件 高温或高压、干燥条件
（常温、常压、中性 pH,水溶液）
一系列酶促反应 无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆发释放三、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 25?C,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 o。
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。
标准状态下测得的为标准氧化还原电位 E0； 而生化反应是在 pH=7.0条件下进行的，故此时测得的氧化还原电位为 生化氧化还原电位 E0?
生化标准氧化还原电位（ E0?）,生化标准条件下
（ 25?C,一个大气压,pH=7.0,电子供体和电子受体的浓度都是 1mol/L）,发生氧化还原反应的每一 氧还对 的电子转移势能。
一般 E0?值越小，表示该氧还对的还原态失电子能力越大，即还原能力越强，是强还原剂。
E0’值越大，表示该氧还对的氧化态得电子能力越大，即氧化能力越强，是强氧化剂。
在氧化还原反应中,电子总是从 E0’值较小的物质转移到值较大的物质，即从 还原剂流向氧化剂 。
举例：
生物体内一些氧化还原体系的 生化氧化还原电位 E0? P54
自由能变化（ Δ G）,
A B
Δ G= GB - GA
Δ G是衡量反应自发性的标准。
Δ G< 0,放能，自发进行，可以产生有用的功
Δ G >0,吸能，非自发进行，必须供给能量才能进行。
Δ G =0,平衡状态三、氧化还原电位与自由能
2、自由能（ G）,指在一个体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量。
生化标准自由能变化 (ΔG0?)
指在标准条件下，即温度为 25℃,参加反应的物质浓度为 1mol/L,若有气体，则为 1个大气压,pH为 7时，测定的自由能变化。单位为
J/mol,KJ/mol。 过去曾用 cal/mol;kcal/mol
1kcal/mol=4.18 KJ/mol
3、自由能变化与平衡常数的关系
生化标准条件下某一可逆反应的平衡常数用 k
表示。
ΔG0’=-RTlnkeq?
=-2.303RT lgkeq?
标况下,T=298K,R=1.987 cal/mol.k
=8.314 J/mol.k
ΔG0’(cal/mol)=- 1364 lgk
ΔG0’ (J/mol) =-5706 lgk
'eq
'eq
'eq
Δ G= ΔG0’+RTlnkeq= ΔG0’+ 2.303RT lgkeq
一个反应能否自发进行，判断依据是 Δ G,Δ G主要依赖于反应物的性质及其浓度。
4、自由能变化与氧化还原电位的关系
生化标准氧化还原电位差（ Δ E0 ’ ）：
= Δ E0 ’ =正极 -负极
Δ E0’= E0 ’氧化剂 -E0 ’还原剂
= E0 ’电子受体 -E0 ’电子供体
Δ G0 ’ =-nF Δ E0 ’
其中 n为转移的电子数，
F为法拉第常数,F=96.496kJ/v.mol
=23.063kcal/v.mol
Δ E0 ’的单位为伏特（ V）
糖、脂肪、蛋白质 C2O+H2O+能量生物氧化四、高能化合物
ATP
1、高能化合物的概念
一般将水解时能够释放 20.92 kJ /mol（ 5Kcal/mol)以上自由能的化合物称为 高能化合物 。
在高能化合物分子中，释放出大量自由能时水解断裂的活泼共价键称为 高能键 。
按其分子结构特点及所含高能键的特征分：
磷氧键型
磷氮键型
硫酯键型
甲硫键型
2、高能化合物的类型
（ 1）,磷氧键型（ — O-P)
C O
C H
O
C H 2
O H
O P
O
O
-
O
-
P
O
O
-
O
-
(A)酰基磷酸化合物
1,3-二磷酸甘油酸
C H 3 C
O
O P
O
O
-
O
-
乙酰磷酸
(A)酰基磷酸化合物
H 3 N + C
O
O P
O
O -
O -
氨甲酰磷酸
R C
O
O P
O
O
O
-
A
酰基腺苷酸
R C H C
O
O P
O
O
O
-
A
N
+
H 3
氨酰基腺苷酸
（ B） 焦磷酸化合物 O - P
O
O
-
N
N
N
N
N H
2
O
H
H
O H
H
O H
H
O C H
2
O
-
P
O
O
-
O
-
P
O
O
-
ATP（ 三磷酸腺苷）
O - P
O
O -
O P
O
O -
O -
焦磷酸
ADP（ 二磷酸腺苷）
（ C） 烯醇式磷酸化合物
OP
O
OC O O H
C O
C H 2
磷酸烯醇式丙酮酸（ PEP）
磷氧键型,酰基磷酸化合物、焦磷酸化合物,烯醇式磷酸化合物
（ 2）,氮磷键型 （如胍基磷酸化合物）
OP
O
O
N H
C N H
N C H 3
C H 2 C O O H
OP
O
O
N H
C N H
N C H 3
C H 2 C H 2 C H 2 C H C O O H
N H 2
磷酸肌酸 磷酸精氨酸
这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。
（ 3）、硫酯键型
3?-磷酸腺苷 -5’ -磷酰硫酸
R C
O
S C o A
酰基辅酶 A
（ 4）,甲硫键型 C O O
-
C H N H 3
+
C H
2
C H
2
S
+
H
3
C A
S-腺苷甲硫氨酸
P21表 10-2列出某些磷酸化合物水解的标准自由能变化
3、最重要的高能化合物 — ATP
（ 1） ATP的分子结构特点与水解自由能的关系
b,ATP水解产物具有更大的共振稳定性,其水解产物 ADP3-和
Pi的某些电子的能量水平远远小于 ATP。
c,H+的低浓度导致 ATP4-向分解方向进行。
d,酸酐键溶剂化所需能量小于磷脂键。
ATP水解时释放大量的自由能，原因主要有四方面：
a,ATP分子结构存在不稳定因素：
① ATP分子内有 4个负电荷（ ATP4-）,产生静电斥力，促使 ATP
水解成 ADP3-,而减弱斥力。
② ATP分子内存在相反共振现象,由于在相邻的两个磷原子之间夹着一个氧原子，氧原子上存在有未共用电子对，而磷原子因
P=O和 P-O-间的诱电子效应带有部分正电荷，于是在两个相邻的磷原子之间存在竞争氧原子上的未共用电子的现象，这种作用的结果会影响 ATP分子的结构稳定性。
总的来说：反应物的不稳定性和产物的稳定性或反应物内的静电斥力和产物的共振稳定使 ATP水解释放大量能量。
以 无机磷酸 为例说明几种能量近似的共振形式：
① ATP是生物体通用的能量货币。
② ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。
ATP在传递能量方面起着转运站的作用，
它是能量的携带者和转运者，但不是能量的贮存者。
（ 2） ATP在能量转化中的作用
磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物质向势能低的物质转移。
磷酸基团转移势能在数值上等于其水解反应的 Δ G0’。
.
磷酸基团转移势能 （
kc
al
/m
ol
)
2
4
6
8
10
12
14
16
ATP
PEP
1,3-二 P甘油酸
6-P葡萄糖
3-P甘油
ATP是磷酸基团转移反应的中间载体
（ 3） ATP断裂形成 AMP和焦磷酸的作用
ATP+H2O AMP+PPi
PPi +H2O 2Pi
Δ G0 ’=-7.7(Kcal/mol)=-32.19(KJ/mol)
Δ G0 ’=-6.9(Kcal/mol)=-28.842(KJ/mol)
-61.028 KJ/mol
意义,萤火虫发光物质的形成由 ATP降解为 AMP+PPi来提供腺苷酸；
为一些接近平衡的反应提供驱动力：
ATP+RCOOH+CoA-SH AMP+PPi+RCO-S- CoA
Δ G0 ’=0.2(Kcal/mol)=0.836(KJ/mol)
（ 4）能荷
ATP是 生命活动中能量的主要直接供体，因此 ATP不断产生又不断消耗,ATP,ADP和 AMP的转换率非常高。
但他们在机体内总能保持相应的平衡状态，以适应细胞对能量的需求。
例如：一个静卧的人 24小时内消耗约 40公斤 ATP。
细胞所处的能量状态用 ATP,ADP和 AMP之间的关系式来表示，称为能荷，公式如下：
能荷 =
[ATP]+1/2[ADP]
[ATP]+[ADP]+[AMP]
腺苷酸库
能荷是细胞所处能量状态的一个指标，当细胞内的
ATP全部转变为 AMP时能荷值为 0，当 AMP全部转变为 ATP
时，能荷值为 1。
高能荷抑制 ATP的生成，促进 ATP的应用，即促进机体内的合成代谢。
大多数细胞的能荷处于 0.8-0.95之间。进一步说明细胞内 ATP的产生和利用都处于一个相对稳定的状态。
（同位素实验）
[ATP]+1/2[ADP]
[ATP]+[ADP]+[AMP]
能荷 =
