第六章

生 物 氧 化

曹 慧 颖

2. 实质：生物细胞内的有机物质 ( 糖、脂肪和蛋白质）进行氧化分解产生 CO2 和 H2O 并释放出

能量的过程。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸。

第一节 概 述

1. 概念：有机物在生物体内氧化分解并产生能量的作用称为生物氧化。

一、基本概念

3. 生物氧化的特点：

1.反应由酶催化，反应条件温和；

2.反应分步进行，顺序性 ;

3. 能量逐步放出，且放出的能量以化学能的方式储存于 ATP 中，能量利用率高。

4. 生物氧化的种类：

根据有无氧的参与，分

有氧氧化：有 O2 参与，产物为 CO2 、 H2O, 底物氧化

完全，产能多无氧氧化：无 O2 参与，产物为乙醇、乳酸等 , 底物氧 化不完全，产能少

5. 生物氧化的方式

1 、脱电子反应：如 Fe2+→Fe3+ ＋ e

A2+

B2+

B3+

A3+

其中：

A 为电子供体，

B 为电子受体。

2 、脱氢反应：最主要的生物氧化方式

异柠檬酸 草酰琥珀酸 NAD+

NADH+H+

FADFADH2

琥珀酸 延胡索酸

苹果酸 草酰乙酸NAD+

NADH+H+

3 、加氧反应：

－ O2

12

+

OH

二、生化反应的自由能变化

自由能即用于做功的能，用 G表示。

1. 自由能

△G = GB- GA

A B

ΔG<0 ，反应能自发进行 ΔG>0 ，反应不能自发进行 ΔG=0 ，反应处于平衡状态。

2. 标准自由能变化

标准条件： 25℃，一个大气压， [S] =1M ， [H+]=1M

生物体内： PH ＝ 7

单位： Cal/mol , KJ/mol

1Cal=4.18J

ΔG°

ΔG°′

3. 自由能变化与反应平衡常数之间的关系A B

ΔG°′= - RTlnK

ΔG′=ΔG°′+ RTln[B] [A]

反应达平衡时， ΔG′=0

当 [B] >[A] 时， ΔG°′<0 ，反应能自发进行

当 [B] <[A] 时， ΔG°′ >0 ，反应不能自发进行

当 [B] ＝ [A] 时， ΔG°′=0 ，反应处于平衡状态。

三、氧化还原电位

A+/A B+/B 氧还对

A + B+ A + + B

A A++e e + B+ B

Zn2+/ Zn Cu2+/ Cu

Zn Zn2++2e Cu2++2e Cu

不同氧还对对电子的亲和力不同，也就是电极势不同，电极势越高，越容易得到电子。

检流计

盐桥ZnSO4 CuSO4

e +-

原电池示意图

电极势 :Eº’ 电位差 :Eº’Eº’=Eº’ 正－ Eº’ 负

Eº’=Eº’ Cu2+/ Cu － Eº’H+/H

各氧还对的标准电极势，通过与氢组成标准原电池测得。在标准状态下，规定 Eº’H+/H 为零

Eº’ Cu2+/ Cu = Eº’ ＝ 0.34 伏特

Eº’ Zn2+/ Zn = - 0.76 伏特

生物体内也有类似的氧还对，如 NAD+/NADH , F

AD/FADH2 ，延胡索酸 / 琥珀酸等，电子就可以

按照电极势由小到大的顺序在氧还对之间传递，最后传给氧，形成水，并生成能量。

G0’ ＝－ nFE0’

n: 每摩尔反应物转移电子的摩尔数

F: 法拉弟常数（ 23062 cal.mol-1 ）

例题：计算下反应式 ΔG°′

NADH+H++1/2O2====NAD++H2O

正极反应： 1/2O2+2H++2e H2O E+°′ 0.82

负极反应： NADH-H+-2e NAD+ E-°′ -0.3

ΔG°′-nFΔE°′ -2×96485×[0.82-(-0.32)]

-220 KJ·mol-1

生物系统中的能流

ADP

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

生物体内能量产生的三个阶段

四、高能化合物（一）概念

1. 高能化合物：在标准条件下水解可以释放出大量自由能的化合物。（＞ 20.92KJ ）

2. 高能磷酸化合物：分子中含有磷酸基团，且磷酸基团水解时放出大量自由能的高能化合物。

3. 高能键：高能化合物分子水解时断裂并放出大量自由能的活泼共价键，用“ ~” 表示。

（二）、高能化合物的类型

1. 磷氧键型

O-P

O

O-

N

N

N

N

NH2

O

H

H

OH

H

OH

H

OCH2O-P

O

O-

O-P

O

O-ATP

★ 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

7.3 kcal.mol-1

H3N+ 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

RCH C

O

O P

O

O

O-

A

N+H3

氨酰基腺苷酸

氨甲酰磷酸 酰基腺苷酸

氨酰基腺苷酸

OP

O

OCOOH

C O

CH2

磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP)

14.8 kcal.mol-

1

2. 氮磷键型

OP

O

O

NH

C NH

N CH3

CH2COOH

OP

O

O

NH

C NH

N CH3

CH2CH2CH2CHCOOH

NH2

磷酸肌酸（脊椎动物） 磷酸精氨酸（无脊椎动物）

10.3 kcal.mol-1 7.7 kcal.mol-1

3. 硫酯键型

R C

O

SCoA

酰基辅酶 A

4. 甲硫键型

COO-

CH NH3+

CH2

CH2

S+H3C A

S- 腺苷甲硫氨酸

一些磷酸化合物水解的自由能化合物 G0’ (kcal.mol-1) 磷酸基团转移势能

磷酸烯醇式丙酮酸 -14.8 14.8

1,3- 二磷酸甘油酸 -11.8 11.8

磷酸肌酸 -10.3 10.3

乙酰 CoA -7.5 7.5

ATP -7.3 7.3

G-6-P -3.3 3.3

3- 磷酸甘油 -2.2 2.2

生物氧化过程中，代谢物分子中的氢经脱氢酶催化，

脱下的成对氢原子（ 2H ）在线粒体内通过多种酶

和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与分子氧

结合成水。由于此过程与细胞呼吸有关，所以将此

传递链称为呼吸链（ respiratory chain ）。

第二节 电子传递链（呼吸链）

不需氧脱氢酶辅酶 Q （ CoQ ，泛醌）细胞色素（ Cyt ）铁硫复合物（ FeS ，铁硫中心）

这些成分在呼吸链上以一定的顺序排列 , 传递电子和氢，构成电子传递系统（ Electronic Transp

ort System ）。

一、电子传递链组成

1.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+

2.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

递氢机理： FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2

3.铁硫蛋白

特点：含有 Fe和 S原子，二者等摩尔量存在形成铁硫桥。

Fe3+Fe3+

S

S

S

S

S

S

°ëë×°±Ëá

°ëë×°±Ëá

°ëë×°±Ëá

°ëë×°±Ëá

Fe3+Fe2+

S

S

S

S

S

S

°ëë×°±Ëá

°ëë×°±Ëá

°ëë×°±Ëá

°ëë×°±Ëá

+ 1e

+e 传递电子机理： Fe3+ Fe2+

-e

4.CoQ

特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，笨醌结构能可逆的加氢和脱氢，从而传递氢。 +2H

传递氢机理： CoQ CoQH2

－ 2H

CoQ 的结构和递氢原理

CoQ+2H CoQH2

5. 细胞色素

细胞色素（ Cyt ）是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质。在呼吸链中也依靠铁的化合价的变化而传递电子 , 故又称电子传递体。目前发现的细胞色素有多种，存在线粒体呼吸链中的有 a 、 a3 、 b 、 c1

和 c，其中 a 、 a3不易分离合称细胞色素 aa3 。

细胞色素传递电子的顺序依次为：

b → c1 → c → aa3

最终细胞色素 aa3 将电子传递给氧还原成活性较强 O2- ， O2- 与游离在介质中的2H+ 结合成水。由于细胞色素 aa3 是呼吸链终末传递体能直接以氧为电子受体，故又称为细胞色素氧化酶。

电子传递链中传递体的排列顺序是根据标准氧化还原电位的数值测定的。 E0’越小，越易失去电子，处于呼吸链的前面，反之，E0’越大，越易得到电子，处于呼吸链的后面。

二、电子传递链

除此之外，利用某种特异的抑制剂切断其中的电子流后，再测定电子传递链中各组分的氧化还原状态，以及在体外将电子传递体重新组成呼吸链等实验最终得到电子传递链的顺序。

NADH 氧化呼吸链

FADH2 氧化呼吸链

呼吸链有两条 -------

三、呼吸链复合物的组成

在电子传递链组分中，除辅酶 -Q 和细胞色素 c外，其余组分实际上形成嵌入线粒体内膜的结构化超分子复合物。

线粒体结构

四、电子传递抑制剂

凡能够切断呼吸链中某一部位电子传递的物质，都称为电子传递抑制剂。

利用某种特异的抑制剂选择性地阻断电子传递链中某个部位的电子传递，是研究电子传递链中电子传递体顺序以及氧化磷酸化部位的一种重要方法。

使用抗霉素 A 前后各种递电子体的还原型百分数

  FP Cyt b Cyt c+c1 Cty aa3

琥珀酸 40 25 19 4

琥珀酸＋抗霉素 A 100 100 0 0

鱼藤酮、安密妥：抑制电子从 NADH 到辅酶 Q的传递；

抗霉素 A ：抑制细胞色素 b到 c1 之间的电子传递 ;

氰化物、叠氮化物、一氧化碳：抑制电子从细胞色素 aa3 到氧的传递。

ATP几乎是生物组织细胞能够直接利用的唯一能源，在糖、脂类及蛋白质等物质氧化分解中释放出的能量，相当大的一部分能使 ADP 磷酸化成为 ATP ，从而把能量保存在 ATP 分子内。

第三节 氧化磷酸化

体内 ATP 生成有两种方式：

（一）底物水平磷酸化

（二）氧化磷酸化

一、底物水平磷酸化

定义：底物分子因脱氢或脱水而使分子内部能

量重新分配产生高能键，在激酶作用下将高能键

上的键能直接转移给 ADP （或 GDP ）而生成 AT

P （或 GTP ）的反应，称为底物水平磷酸化。

每次底物磷酸化产生一个 ATP

例：糖酵解过程中的底物水平磷酸化

磷酸甘油酸激酶

H

OH

O

O

C

CH

CH2 O P O

OH

OH

3- 磷酸甘油酸

ADP ATPOH

O-

O

C

CH

CH2 O P O

OH

OH

1,3- 二磷酸甘油酸 (1,3-DPG)

OPO 3 2-

二、氧化磷酸化

生物体内有机物氧化产生能量与 ADP获得能量进行磷酸化产生 ATP 的过程相偶联的作用称氧化磷酸化。

是生物体产生 ATP 的主要方式。

呼吸链

AH2 2H(2H+

+2e) A 能

ADP+Pi ATP

O2

12

氧化

磷酸化

偶联

H2

O

三、氧化磷酸化的部位的确定

1.测定线粒体内不同底物氧化的 P/O

P/O 值：是指某物质氧化时每消耗 1mol 氧所消耗无机磷的 mol 数。

测定 P/0值的方法通常是在一密闭的容器中加入氧化的底物、 ADP 、 Pi 、氧饱和的缓冲液，再加入线粒体制剂时就会有氧化磷酸化进行。

反应终了时测定 O2消耗量 ( 可用氧电极法 )

和 Pi消耗量 ( 或 ATP 生成量 )就可以计算出 P/0

值了。

在反应系统中加入不同的底物，可测得各自的P/0值，结合我们所了解的呼吸链的传递顺序，就可以分析出大致的偶联部位了。

2. 应用电化学的方法计算△ G 是否足够合成 ATP

G0’ ＝－ nFE0’

NADH ＋ H+ ＋ O2 NAD+ ＋ H2O

△G°′= － 219.2 kJ/mol

3ADP ＋ 3Pi 3ATP ＋ 3H2O

G°′=3×7.3△ ×4.18 = 91.6 kJ/mol

（ 91.6/219.2 ） ×100%＝ 42%

NADH 呼吸链产生 3ATP ， FADH2 呼吸链产生 2ATP

呼吸链中电子传递和磷酸化的偶联部位

四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂

能够使氧化过程与磷酸化过程脱节的物质称解偶联剂，它对电子传递没有抑制作用，但能抑制 ADP 磷酸化生成 ATP 的过程。

如 2， 4－二硝基苯酚。

五、氧化磷酸化的作用机制：化学渗透假说

H+

H+

e O ADP+Pi

ATP

内外膜间隙

内膜线粒体基质

电子传递给氧释出的能量推动质子泵 H+被泵至线粒体内外膜间隙，在内膜两侧形成 化学梯度（势能）

当 H+ 顺梯度回到基质面时，释放出的能量使 ADP 磷酸化为 ATP

ATP 合酶（三联体、三分子体、 F0F1复合体）头部

柄部

基底部

F1 ：具 ATP 合成酶活性， α3β3γδε

F0 ：质子通道，镶嵌于线粒体内膜

ATP 生成的结构基础 :

第四节 线粒体的穿梭和能荷

线粒体内膜有选择透过性， H+不能自由通过，有机物在细胞质中氧化产生的 H+

如何进入线粒体参与电子传递呢？

一、线粒体的穿梭 糖酵解（细胞质）

氧化磷酸化 （线粒体）

经过线粒体的穿梭系统（ shuttle system ）

（一） α-磷酸甘油穿梭

（二）苹果酸 - 天冬氨酸穿梭

（三）两种穿梭系统的比较

①胞液中 α-磷酸甘油脱氢酶 ( 辅酶为 NAD+)②线粒体内 α-磷酸甘油脱氢酶 ( 辅酶为 FAD)

- 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

FADFADH2

NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2

NADH NAD+

线粒体内膜

（细胞液）

1 NADH经过 - 磷酸甘油穿梭只能形成 2ATP 。

- 磷酸甘油穿梭发生在肌肉、神经组织细胞中；

总结：

苹果酸 -天冬氨酸穿梭细胞液 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

总结：

苹果酸 -天冬氨酸穿梭发生在心肌、肝脏等部位的细胞中

1 NADH 经过苹果酸 -天冬氨酸穿梭可以产生 3ATP

（三）两种穿梭系统的比较α-磷酸甘油穿梭 苹果酸 - 天冬氨酸穿梭

穿梭物质 α-磷酸甘油磷酸二羟丙酮

苹果酸、 谷氨酸天冬氨酸、 α- 酮戊二酸

进入线粒体后转变成的物质

FADH2

NADH+ H+

进入呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链 NADH 氧化呼吸链

生成 ATP 数 3

存在组织 某些肌肉、神经组织 肝脏和心肌组织

相同点 将胞浆中 NADH 的还原力转送到线粒体内

2

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。但它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。

二、能荷

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：

[ATP]+1/2[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]

腺苷酸库

能荷 =

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。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）

高能荷抑制 ATP 的生成，促进 ATP 的利用，即促进机体内的合成代谢。

能荷

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

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？

The end