沈阳农业大学：《基础生物化学》课程教学资源（教材讲义）第6章 生物氧化与氧化磷酸化

第六章生物氧化与氧化磷酸化 生物的一切活动都需要能量。绿色植物和光合细菌等自养生物通过光合作用，利用大 阳能将CO2和H,0同化为糖类等有机化合物，使太阳能转变成化学能贮存于其中：动物 和某些微生物等异养生物不能直接利用太阳能，只能利用光合植物形成的有机化合物在生 物体内氧化产生有效化学能。生物主要通过细胞呼吸作用把有机化合物氧化成C02和H,0, 同时产生ATP。这就是生物在物质代谢中伴随的能量代谢与能量转换 本章首先介绍生物氧化的基本概念、特点及方式，然后侧重讨论各类有机物（糖、虽 白质、脂肪等)在细胞内进行生物氧化所经历的一段共同的终端氧化过程中，代谢中间物 脱氢生成的还原型辅酶(NADH和FADH2)如何经电子传递链（呼吸链）的电子传递被分 子氧氧化，电子传递过程如何与ADP砖酸化生成ATP的过程相偶联。 第一节生物氧化概述 一、生物氧化的概念、特点、方式 (一)生物氧化的概念 牛物活动的能量主要来源是有机物质糖、蛋白质或脂肪在生物体内的氧化。我们把糖 蛋白质 脂肪等有机物质在生物活细胞里进行氧化分解，最终生成C02和H0,同时释放 大量能量的过程称广义的生物氧化()。高等动物通过肺部进行呼吸 吸入氧，排出二氧化碳，吸入氧用来氧化摄入体内的营养物质获得能量，微生物则以细胞 直接进行呼吸，因此生物氧化又称组织呼吸、细胞呼吸。生物氧化包括细胞呼吸作用中的 系列氧化还原反应。 糖、蛋白质、脂肪等有机物在生物体内彻底氧化之前，总是先进行分解代谢。它们的 分解代谢途径是复杂而又不相同的，但它们在彻底氧化为C0和，0时，都经历一段相 同的终端氧化过程，也就是狭义的生物氧化，即代谢中间物脱氢生成的还原型辅酶(NADH 和FADH)经电子传递链（呼吸链）传递给分子氧生成水，电子传递过程伴随着ADP磷 酸化生成ATP。 (一)生物化的特片 生物氧化 与有机物质在体外燃烧（或非生物氧化）的化学本质是相同的 都是加氧 去氢、失去电子，最终的产物都是CO2和H,0,并且有机物质在生物体内彻底氧化伴随的 能量释放与在体外完全燃烧释放的能量总量相等，但二者表现的形式和氧化条件不同。生 物氧化有其自身特点：第一，生物氧化是在活细胞内、在体温、常压、近于中性pH及有 水环境介质中进行的，是在一系列酶、辅酶和中间传递体的作用下逐步进行的：第二，生 物氧化时，氧化还原过程逐步进行，能量逐步释放，这样不会因为氧化过程中能量骤然程 189

189 第六章 生物氧化与氧化磷酸化 生物的一切活动都需要能量。绿色植物和光合细菌等自养生物通过光合作用，利用太 阳能将 CO2 和 H2O 同化为糖类等有机化合物，使太阳能转变成化学能贮存于其中；动物 和某些微生物等异养生物不能直接利用太阳能，只能利用光合植物形成的有机化合物在生 物体内氧化产生有效化学能。生物主要通过细胞呼吸作用把有机化合物氧化成CO2和H2O， 同时产生 ATP。这就是生物在物质代谢中伴随的能量代谢与能量转换。 本章首先介绍生物氧化的基本概念、特点及方式，然后侧重讨论各类有机物（糖、蛋 白质、脂肪等）在细胞内进行生物氧化所经历的一段共同的终端氧化过程中，代谢中间物 脱氢生成的还原型辅酶（NADH 和 FADH2）如何经电子传递链（呼吸链）的电子传递被分 子氧氧化，电子传递过程如何与 ADP 磷酸化生成 ATP 的过程相偶联。 第一节 生物氧化概述 一、生物氧化的概念、特点、方式 (一)生物氧化的概念 生物活动的能量主要来源是有机物质糖、蛋白质或脂肪在生物体内的氧化。我们把糖、 蛋白质、脂肪等有机物质在生物活细胞里进行氧化分解，最终生成 CO2 和 H2O，同时释放 大量能量的过程称广义的生物氧化（biological oxidation）。高等动物通过肺部进行呼吸， 吸入氧，排出二氧化碳，吸入氧用来氧化摄入体内的营养物质获得能量，微生物则以细胞 直接进行呼吸，因此生物氧化又称组织呼吸、细胞呼吸。生物氧化包括细胞呼吸作用中的 一系列氧化还原反应。 糖、蛋白质、脂肪等有机物在生物体内彻底氧化之前，总是先进行分解代谢。它们的 分解代谢途径是复杂而又不相同的，但它们在彻底氧化为 CO2 和 H2O 时，都经历一段相 同的终端氧化过程，也就是狭义的生物氧化，即代谢中间物脱氢生成的还原型辅酶（NADH 和 FADH2）经电子传递链（呼吸链）传递给分子氧生成水，电子传递过程伴随着 ADP 磷 酸化生成 ATP。 (二)生物氧化的特点 生物氧化与有机物质在体外燃烧（或非生物氧化）的化学本质是相同的，都是加氧、 去氢、失去电子，最终的产物都是 CO2 和 H2O，并且有机物质在生物体内彻底氧化伴随的 能量释放与在体外完全燃烧释放的能量总量相等，但二者表现的形式和氧化条件不同。生 物氧化有其自身特点：第一，生物氧化是在活细胞内、在体温、常压、近于中性 pH 及有 水环境介质中进行的，是在一系列酶、辅酶和中间传递体的作用下逐步进行的；第二，生 物氧化时，氧化还原过程逐步进行，能量逐步释放，这样不会因为氧化过程中能量骤然释

放而损害机体，同时使释放的能量得到有效的利用：第三，生物氧化的主要方式是脱氢和 电子转移的反应，脱下的氢最后与氧形成水。生物氧化过程产生的能量通常都先贮存在 些特殊的高能化合物中，主要是腺苷三腾酸，即ATP,然后通时△TP再供给机体的需能反 应，因此ATP相当于生物体内的能量“转运站”，是能量的“流通货币”。 而体外燃烧条件 剧烈，有机物在体外燃烧需要高温及干燥条件：燃烧时，能量突然释放，产生大量的光利 热，散失于环境中，同时引起高温。 (三)生物氧化的方式 对真核生物而言，生物氧化进行的场所是在线粒体内，因为丙酮酸氧化脱羧、脂肪酸 B氧化、三羧酸循环在线粒体的衬质(mat)中进行，呼吸链的各种组分分布在线粒佛 的内膜上，合成AP的酶也结合在线粒体内膜上。而对于不含线粒体的原核生物，如细闲 细跑而言，生物氧化则是在细胞膜上进行的，因为呼吸链的各种组分与合成AP的酶分布 在细胞质膜上。 生物氧化与体外的化学氧化实质相同，即一种物质丢失电子为氧化，得到电子为还原。 化学上的氧化作用包括加氧、脱氢和脱电子等作用。细胞内物质进行氧化也是采用加氧、 脱氢和脱电子方式 1.加氧反 物质分子中直接加入氧分子或氧原子，这种物质即被氧化。例如： NH2 NH2 HC-CH-COOH H2C-CH-COOH +702 苯丙氨酸 酪氨酸 2.脱氢反应 从作用物分子中脱下一对质子和一对电子。例如： OH CH2-CH-COOH CH2-C-COOH 2H 2e 3.加水脱氢反应 向作用物分子中加入水分子，同时脱去两个质子和两个电子，其总结果是底物分子中 加入一个来自水分子的氧原子。例如： OH →CHsCH CH;COOH +2H+2e -OH 190

190 放而损害机体，同时使释放的能量得到有效的利用；第三，生物氧化的主要方式是脱氢和 电子转移的反应，脱下的氢最后与氧形成水。生物氧化过程产生的能量通常都先贮存在一 些特殊的高能化合物中，主要是腺苷三磷酸，即 ATP，然后通过 ATP 再供给机体的需能反 应，因此 ATP 相当于生物体内的能量“转运站”，是能量的“流通货币”。而体外燃烧条件 剧烈，有机物在体外燃烧需要高温及干燥条件；燃烧时，能量突然释放，产生大量的光和 热，散失于环境中，同时引起高温。 (三)生物氧化的方式 对真核生物而言，生物氧化进行的场所是在线粒体内，因为丙酮酸氧化脱羧、脂肪酸 β-氧化、三羧酸循环在线粒体的衬质（matrix）中进行，呼吸链的各种组分分布在线粒体 的内膜上，合成 ATP 的酶也结合在线粒体内膜上。而对于不含线粒体的原核生物，如细菌 细胞而言，生物氧化则是在细胞膜上进行的，因为呼吸链的各种组分与合成 ATP 的酶分布 在细胞质膜上。 生物氧化与体外的化学氧化实质相同，即一种物质丢失电子为氧化，得到电子为还原。 化学上的氧化作用包括加氧、脱氢和脱电子等作用。细胞内物质进行氧化也是采用加氧、 脱氢和脱电子方式。 1． 加氧反应 物质分子中直接加入氧分子或氧原子，这种物质即被氧化。例如： + OH 苯丙氨酸 酪氨酸 O2 1 2 H2C CH COOH NH2 H2C CH COOH NH2 2．脱氢反应 从作用物分子中脱下一对质子和一对电子。例如： CH + + 2e 2 CH COOH OH CH2 C COOH O 2H + 3．加水脱氢反应 向作用物分子中加入水分子，同时脱去两个质子和两个电子，其总结果是底物分子中 加入一个来自水分子的氧原子。例如： CH3CHO + H2O CH3CH OH OH CH + 2H+ + 2e 3COOH

4.脱电子(e)反应 从作用物分子中脱下一个电子。例如： 2+ 还原反应与氧化反应相反，即脱氧、加氢、加电子。氧化与还原反应不能孤立地进行 一种物质被氧化，必有另一种物质被还原，所以氧化和还原反应总是偶联进行的。被氧化 的物质失去电子或氢原子，必有物质得到电子或氢原子而被还原。被氧化的物质是还原剂 (reductant),是电子或氢的供体，被还原的物质则是氧化剂(oxidant),是电子或氧的受 体。在生物氧化中，既能接受氢（或电子），又能供给氢（或电子）的物质，起传递氢（或 电子)的作用，称为传递氢载体（或电子载体，)。 二、氧化还原电位及自由能 生物氧化的功能是为生物体的生命活动提供能量，非光合生物体只能利用化学能，而 某些光合生物如 某些光合 细菌则可以利用光能 化学能是化合物的属性，化学能主要以键能的形式贮存在化合物的原子间的化学 上，原子间的化学键靠电子以一定的轨道绕核运转来维持。电子占据的轨道不同，其具有 的电子势能就不同。当电子从一较高能级的轨道跃迁到一较低能级的轨道时，就有一定的 能量释放，反之，则要吸收一定的能量。氧化还原的本质是电子的迁移，是电子从还原剂 转移到氧化剂的过程。因此，不难理解，生物氧化过程中，由于被氧化的底物上的电子势 能发生了跃降而有能量 )氧化还原电位 在生物氧化反应中，通过研究各种化合物对电子的亲和力，可以了解它们是容易被氧 化（作为电子供体），还是容易被还原（作为电子受体）。通常用氧化-还原电位 otentials)相对地表示各种化合物对电子亲和力的大小 生物体内任何的氧化还原物质连有 都可以有氧化还原电位 产生。生物体内许多 重要的生化物质氧化-还原体系的氧化还原电位己经测出，其数据见表6-1 因为氧化还原电位较高的体系，其氧化能力较强：反之，氧化还原电位较低的体系， 其还原能力较强，因此，根据氧化还原电位大小，可以预测任何两个氧化还原体系如果发 生反应时其氧化-还原反应向哪个方向进行。从表61中可看出号02/0系统有可能氧化 所有在它以上的各个体系，反过来说，这些体系也都有可能使二0/H,0体系还原。 氧化还原体系对生物体之所以重要，不只是因为生物体内许多重要反应都属于氧化还 原反应，更重要的是生物体的能量来源于体内所进行的氧化还原反应。要了解氧化还原体 系和能量之间的关系必须弄清有关能量的一些基本概念。 191

191 4．脱电子（e）反应 从作用物分子中脱下一个电子。例如： Fe 2+ Fe 3+*+ e － 还原反应与氧化反应相反，即脱氧、加氢、加电子。氧化与还原反应不能孤立地进行， 一种物质被氧化，必有另一种物质被还原，所以氧化和还原反应总是偶联进行的。被氧化 的物质失去电子或氢原子，必有物质得到电子或氢原子而被还原。被氧化的物质是还原剂 （reductant），是电子或氢的供体，被还原的物质则是氧化剂（oxidant），是电子或氢的受 体。在生物氧化中，既能接受氢（或电子），又能供给氢（或电子）的物质，起传递氢（或 电子）的作用，称为传递氢载体（或电子载体，electron carriers）。 二、氧化还原电位及自由能 生物氧化的功能是为生物体的生命活动提供能量，非光合生物体只能利用化学能，而 某些光合生物如植物、某些光合细菌则可以利用光能。 化学能是化合物的属性，化学能主要以键能的形式贮存在化合物的原子间的化学键 上，原子间的化学键靠电子以一定的轨道绕核运转来维持。电子占据的轨道不同，其具有 的电子势能就不同。当电子从一较高能级的轨道跃迁到一较低能级的轨道时，就有一定的 能量释放，反之，则要吸收一定的能量。氧化还原的本质是电子的迁移，是电子从还原剂 转移到氧化剂的过程。因此，不难理解，生物氧化过程中，由于被氧化的底物上的电子势 能发生了跃降而有能量释放。 （一）氧化还原电位 在生物氧化反应中，通过研究各种化合物对电子的亲和力，可以了解它们是容易被氧 化（作为电子供体），还是容易被还原（作为电子受体）。通常用氧化-还原电位 （oxidation-reduction potentials）相对地表示各种化合物对电子亲和力的大小。 生物体内任何的氧化还原物质连在一起，都可以有氧化-还原电位产生。生物体内许多 重要的生化物质氧化-还原体系的氧化-还原电位已经测出，其数据见表 6-1。 因为氧化还原电位较高的体系，其氧化能力较强；反之，氧化还原电位较低的体系， 其还原能力较强，因此，根据氧化还原电位大小，可以预测任何两个氧化-还原体系如果发 生反应时其氧化-还原反应向哪个方向进行。从表 6-1 中可看出 2 1 O2 / H2O 系统有可能氧化 所有在它以上的各个体系，反过来说，这些体系也都有可能使 2 1 O2 / H2O 体系还原。 氧化还原体系对生物体之所以重要，不只是因为生物体内许多重要反应都属于氧化还 原反应，更重要的是生物体的能量来源于体内所进行的氧化还原反应。要了解氧化-还原体 系和能量之间的关系必须弄清有关能量的一些基本概念

表61生物体中某些重要氧化-还原体系的标准氧化-还原电位E'p:7.0,25~30C 标准氧化-还原电位 E。'(V) 乙酸+2H+2e 乙醛+H,0 -0.58 2H+2e 一H -0.421 -成二酸+C02+2H+2c一亡异柠檬 -0.38 乙酰乙酸+2H+2c' 广B羟丁酸 -0.34d NAD'+2H +2e NADH H -0.320 NADP*2H 2e NADPH H' -0.324 乙醛+2+2E 一乙醇 -0.197 丙相酸+2H+2e 到酸 -0185 FAD+2+2E -0.180 FMN 2H +2e FMNH, -0.180 草酰乙酸+2H+2 。苹果酸 -0.166 延胡索酸十2H十2e✉ 琥珀酸 -0031 2细胞色素b(Fe)+2 2细胞色素b(Fe) +0.030 氧化型辅南Q+2H广+2e= 还原型辅酶QH, +010 2细胞色素c1(Fe)+2e 2细胞色素c1(Fe +0.22 2细胞色素c(FeH)+2e 2细胞色素c(Fe2+) +0.25 2细跑色素a(Fe)+2 2细胞色素a(Fe +0.29 2细胞色素a(Fe)+2e 2细胞色素，(Fe2) +0.385 0，+2H+2c=,0 +0.816 注：细胞色素类和辅酶Q的电势因它们所处的线粒体膜中状态或分离提纯不同而有所不同。 (二)自由能的概念 生物体生命活动所需的能量都来自化学变化。在能量概念中，自由能(free energy) 的概今对研究生物化学的时程右重要意义。因为机体用以做功的能正是体内右机物在化学 反应中所释放出的自由能。 自 由能的概念在物理化学中是指体系在恒温 、恒压下所做的最 大有用功的那部分能量：在生物化学中，凡是能够用于做功的能量就称为自由能。生物氧 化反应近似于在恒温、恒压状态下进行，过程中发生的能量变化可以用自由能变化△G表 示。△G表达从某个反应可以得到多少可利用的能量，也是衡量化学反应的自发性的标准。 别如，物质A转变为物质B的反应： A B △G=GB-GA 当△G为正值时，反应是吸能的，不能自发进行，必须从外界获得能量才能被动进行， 192

192 表 6-1 生物体中某些重要氧化-还原体系的标准氧化-还原电位 E0′pH=7.0，25～30℃ 标准氧化-还原电位 E0′（V） 乙酸 ＋ 2H +＋ 2e - 乙醛 ＋H2O －0.58 2H + ＋ 2e - H2 －0.421 α-酮戊二酸 ＋ CO2 ＋2H + ＋2e - 异柠檬酸 －0.38 乙酰乙酸 ＋ 2H + ＋ 2e - β-羟丁酸 －0.346 NAD + ＋2H + ＋2e - NADH ＋ H + －0.320 NADP + ＋ 2H + ＋ 2e - NADPH ＋ H + －0.324 乙醛 ＋ 2H + ＋ 2e - 乙醇 －0.197 丙酮酸 ＋ 2H + ＋ 2e - 乳酸 －0.185 FAD ＋ 2H + ＋2e - FADH2 －0.180 FMN ＋ 2H + ＋2e - FMNH2 －0.180 草酰乙酸 ＋ 2H + ＋ 2e - 苹果酸 －0.166 延胡索酸 ＋ 2H + ＋ 2e - 琥珀酸 －0.031 2 细胞色素 b（Fe 3+）＋ 2e - 2 细胞色素 b（Fe 2+） +0.030 氧化型辅酶 Q ＋ 2H + ＋2e 还原型辅酶 QH2 +0.10 2 细胞色素 c1 （Fe 3+）＋2e - 2 细胞色素 c1 （Fe 2+） +0.22 2 细胞色素 c （Fe 3+）＋ 2e - 2 细胞色素 c （Fe 2+） +0.25 2 细胞色素 a （Fe 3+） ＋ 2e - 2 细胞色素 a （Fe 2+） +0.29 2 细胞色素 a3 （Fe 3+）＋ 2e - 2 细胞色素 a3 （Fe 2+） +0.385 1 2 O2 ＋ 2H + ＋2e - H2O +0.816 注：细胞色素类和辅酶 Q 的电势因它们所处的线粒体膜中状态或分离提纯不同而有所不同。 （二）自由能的概念 生物体生命活动所需的能量都来自化学变化。在能量概念中，自由能（free energy） 的概念对研究生物化学的过程有重要意义。因为机体用以做功的能正是体内有机物在化学 反应中所释放出的自由能。自由能的概念在物理化学中是指体系在恒温、恒压下所做的最 大有用功的那部分能量；在生物化学中，凡是能够用于做功的能量就称为自由能。生物氧 化反应近似于在恒温、恒压状态下进行，过程中发生的能量变化可以用自由能变化△G 表 示。△G 表达从某个反应可以得到多少可利用的能量，也是衡量化学反应的自发性的标准。 例如，物质 A 转变为物质 B 的反应： A B △G = GB－GA 当△G 为正值时，反应是吸能的，不能自发进行，必须从外界获得能量才能被动进行

但其逆反应则是自发的：当△G是负值时，反应是放能的，能自发讲行，自发反应讲行的 推动力与自由能的降低成正比。一个物质所含的自由能裁少就越稳定。由此可见△G值的 正负表达了反应发生的方向，而△G的数值则表达了自由能变化量的大小。当△G=0时， 表明反应体系处于平衡 此时反应向任 方向进行都缺乏推动力 应该说明的是：通过实验测得的有自由能降低的化学反应并不等于这个反应实际上已 经自发地进行，还必须供给反应分子的活化能或用催化剂来降低活化能，反应才能进行。 生物催化剂酶就起若这种催化作用。例如，葡萄糖可被O,氧化成CO,和HO,其反 应方程式如下： CH06+60 →6C02+6H,0 此反应的△G是一个很大的负值（约为一2870.2kml),但这一相当大的△G只能说明反 应是释放能量，却与反应速率没有关系。当葡萄糖在弹式量热计中有催化剂存在时，它可 在几秒种内发生氧化：在大多数生物体中，上述反应可在数分钟到数小时内完成。但是把 葡萄糖放在玻璃瓶中，即使有空气它也可以存放数年而不发生氧化反应。 (三)氧化还原电位与自由能变化 个化学反应的自由能变化与该反应的平衡常数和质量作用定律密切相关。当一个反 应处于平衡态时， A+BC+D 「C1「D1/「A1「B1=K ,这里[C]、[D]、[A]、[B]代表物质的浓度，K是平衡 常数 当 物乘积与反应物 积的比值等于K 反应处于平衡状态 大 Kg时，反 应趋向左方进行：小于K时，反应趋向右方进行。相应的自由能改变是△G=0,△G>0, △G<0 可以看出，△G不但取决于反应物和产物的化学结构，还取决于它们的浓度，因为浓 度决定反应的方向。 则为101.325kPa,所测得的值称为标准自由能变化，用△G表示。 在化学反应中，自由能和化学反应平衡常数K之间有如下的关系△G =-RTInKe 在生物体内参与反应的物质浓度都很低，往往不是在标准状况，所测得的自由能变化并不 是标准自由能变化，用△G表示。△G与标准自由能变化△G之间有 定的关系，可用公 式表示 在许多生物化学反应中，还往往包括H离子的变化，自由能随pH的变化也会有较大 的改变，因此所测得的自由能变化应注明离子浓度，当pH=7.0时，反应的标准自由能 用△G'表示，因为在生物化学能量学(biochemical energetics)中，通常把pH7.0作为 标准状态( state),不是以物理化学中应用的pH0.0(即氢离子浓度为1.0molL) 作为标准 因此该△G·称生化标准自由能变化 应该指出的是，无论在试管中或在细胞中要维持单位摩尔浓度的环境是很困难的，而 且生物体内许多代谢作用发生在非均相系统中。尽管如此，标准自由能变化的概念在中间 193

193 但其逆反应则是自发的；当△G 是负值时，反应是放能的，能自发进行，自发反应进行的 推动力与自由能的降低成正比。一个物质所含的自由能越少就越稳定。由此可见△G 值的 正负表达了反应发生的方向，而△G 的数值则表达了自由能变化量的大小。当△G=0 时， 表明反应体系处于平衡状态，此时反应向任一方向进行都缺乏推动力。 应该说明的是：通过实验测得的有自由能降低的化学反应并不等于这个反应实际上已 经自发地进行，还必须供给反应分子的活化能或用催化剂来降低活化能，反应才能进行。 生物催化剂 酶就起着这种催化作用。例如，葡萄糖可被 O2 氧化成 CO2和 H2O，其反 应方程式如下： C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O 此反应的△G 是一个很大的负值（约为－2870.2kJ/mol），但这一相当大的△G 只能说明反 应是释放能量，却与反应速率没有关系。当葡萄糖在弹式量热计中有催化剂存在时，它可 在几秒种内发生氧化；在大多数生物体中，上述反应可在数分钟到数小时内完成。但是把 葡萄糖放在玻璃瓶中，即使有空气它也可以存放数年而不发生氧化反应。 （三）氧化还原电位与自由能变化 一个化学反应的自由能变化与该反应的平衡常数和质量作用定律密切相关。当一个反 应处于平衡态时， A + B C + D ［C］［D］/［A］［B］=Keq，这里［C］、［D］、［A］、［B］代表物质的浓度，Keq 是平衡 常数。当产物乘积与反应物乘积的比值等于 Keq 时，反应处于平衡状态；大于 Keq 时，反 应趋向左方进行；小于 Keq 时，反应趋向右方进行。相应的自由能改变是△G=0，△G>0, △G<0。 可以看出，△G 不但取决于反应物和产物的化学结构，还取决于它们的浓度，因为浓 度决定反应的方向。 化学反应的自由能随环境温度和物质浓度（活度）而改变，在比较自由能变化时，必 须在标准状况下进行测定，即 25℃，溶液中溶质的标准状态为单位摩尔浓度，若为气体， 则为 101.325kPa，所测得的值称为标准自由能变化，用△G 表示。 在化学反应中，自由能和化学反应平衡常数 Keq 之间有如下的关系△G =－RTlnKeq。 在生物体内参与反应的物质浓度都很低，往往不是在标准状况，所测得的自由能变化并不 是标准自由能变化，用△G 表示。△G 与标准自由能变化△G 之间有一定的关系，可用公 式表示△G=△G ＋RTlnKeq。 在许多生物化学反应中，还往往包括 H ＋离子的变化，自由能随 pH 的变化也会有较大 的改变，因此所测得的自由能变化应注明 H ＋离子浓度，当 pH=7.0 时，反应的标准自由能 用△G ′表示，因为在生物化学能量学（biochemical energetics）中，通常把 pH 7.0 作为 标准状态（reference state），不是以物理化学中应用的 pH 0.0（即氢离子浓度为 1.0mol/L） 作为标准。因此该△G ′称生化标准自由能变化 。 应该指出的是，无论在试管中或在细胞中要维持单位摩尔浓度的环境是很困难的，而 且生物体内许多代谢作用发生在非均相系统中。尽管如此，标准自由能变化的概念在中间

代谢研究中仍然很有用。 自由能的变化可以从平衡常数计算，也可以由反应物与产物的氧化还原电位计算。 在实验的基础上，总结出反应的自由能变化与氧化还原体系的氧化还原电位差有如下 关系 △G=-nFAE 若为标准态，则表示为△G'=一nF△Eo 式中n迁移的电子数 法拉第常数(23.063 kcal/mol或96,487kJ/Wmol) 传递链中NAD7(NADH+r)的氧化还原标准电位为一0.32V,而OH,O的氧化还原 标准电位为+O.816V,因此一对电子自NADH+H传递到氧原子的反应中，标准自由能变化 可按上式计算求得： -nF△E'=-296.4871.136=-219.22kJ 然而在生物体内，并不是有电位差的任何两体系间都能发生反应，如上述的NAD (NADH+F)和O,H,O两体系之间的电位差很大，它们之间直接反应的趋势很强烈。 但是这种直接反应通常不能发生，因为生物体是高度组织的，氢（电子）通过组织化的各 中间传递体按顺序传递，能量的释放才能逐步进行。 三、高能磺酸化合物 磷酸化合物在生物机体的能量转换过程中起着重要作用。在机体内有许多磷酸化合 物，其磷酸键中 贮存大量的能 这种能量称为磷酸键能。 一般将含有20.9k/mol以上能量的磷酸化合物称为高能磷酸化合物，含有高能的健称 为高能键。高能键常以“一”符号表示。 在生物化学中所说的“高能键”和物理化学中的“高能键”的含意是根本不同的。物 理化学中的高能健是指该健很稳定，要使其断裂则需大量的能量。而生物化学中的“高能 键”指的是随者水解反应或基团转移反 可放出大量自由能的健，此处高能键是不稳定 键，如具有高的磷酸基团转移势能或水解时释放较多自由能的磺酸研键或硫酸键。 (一)高能磷酸化合物的类型 在生物体内具有高能键的化合物是很多的，根据键的特性，可以分成几种类型： 1。货氧排型（一Op) 属于这种键型的化合物很多，又可分成几类： (1)焦磷酸化合物 194

194 代谢研究中仍然很有用。 自由能的变化可以从平衡常数计算，也可以由反应物与产物的氧化还原电位计算。 在实验的基础上，总结出反应的自由能变化与氧化还原体系的氧化还原电位差有如下 关系： △G =－nF△E 若为标准态，则表示为△G ′=－nF△E0′ 式中 n 迁移的电子数 F 法拉第常数（23.063 kcal/mol 或 96.487 kJ/V mol） △E 发生反应的两个氧化-还原体系电位差 利用这个式子对于任何一对氧化还原反应都可由△E 方便地计算出△G。例如，NADH 传递链中 NAD + /（NADH＋H +）的氧化还原标准电位为－0.32V，而 1 2 O2/H2O 的氧化还原 标准电位为+0.816V，因此一对电子自 NADH+H +传递到氧原子的反应中，标准自由能变化 可按上式计算求得： △E0′= 0.816－（－0.32）= 1.136V △G ′= －nF△E0′= －2 96.487 1.136 = －219.22 kJ 然而在生物体内，并不是有电位差的任何两体系间都能发生反应，如上述的 NAD + / （NADH＋H +）和 1 2 O2/H2O 两体系之间的电位差很大，它们之间直接反应的趋势很强烈。 但是这种直接反应通常不能发生，因为生物体是高度组织的，氢（电子）通过组织化的各 中间传递体按顺序传递，能量的释放才能逐步进行。 三、高能磷酸化合物 磷酸化合物在生物机体的能量转换过程中起着重要作用。在机体内有许多磷酸化合 物，其磷酸键中贮存大量的能，这种能量称为磷酸键能。 一般将含有 20.9 kJ/mol 以上能量的磷酸化合物称为高能磷酸化合物，含有高能的键称 为高能键。高能键常以“～”符号表示。 在生物化学中所说的“高能键”和物理化学中的“高能键”的含意是根本不同的。物 理化学中的高能键是指该键很稳定，要使其断裂则需大量的能量。而生物化学中的“高能 键”指的是随着水解反应或基团转移反应可放出大量自由能的键，此处高能键是不稳定的 键，如具有高的磷酸基团转移势能或水解时释放较多自由能的磷酸酐键或硫酸键。 (一)高能磷酸化合物的类型 在生物体内具有高能键的化合物是很多的，根据键的特性，可以分成几种类型。 1．磷氧键型（－O～P） 属于这种键型的化合物很多，又可分成几类： （1）焦磷酸化合物

腺苷-0-P-0P-O 0 无机焦磷酸 AMP ADP ATP (2)烯醇式磷酸化合物 COOH 0 -0P-O CH2 磷酸烯醇式丙酮酸 (3)酰基磷酸化合物 HC-OH 6 。9 0 乙酰磷酸 1,3-二磷酸甘油酸 氨甲酰磷酸 酰基腺苷酸 2.氨磷键型弧基磷酸化物属于此类。 195

195 ATP 腺苷 P O - O P O O - O O P O - O O O - ～ ～ 1 2 3 AMP ADP P O O - O O P OH O O - - ～ 无机焦磷酸 α β γ （2）烯醇式磷酸化合物 CH2 C COOH P O O - O - O～ 磷酸烯醇式丙酮酸 （3）酰基磷酸化合物 H2C HC OH C O O O P O - O - O P O - O - O ～ 1,3-二磷酸甘油酸 CH3 C O O P O - O - O ～ 乙酰磷酸 H3N C O O P O - O - O ～ + 氨甲酰磷酸 C O O P O O O - R ～ 腺苷 酰基腺苷酸 2．氮磷键型 胍基磷酸化物属于此类

0 HN HN C=NH N-CHs NH H-C-COOH (CH2)s 磷酸肌酸 HC-NH: COOH 磷酸精氨酸 3.硫酯键型 R-C-SCoA 9- 一0一(3'-磷酸腺苷) 酰基COA 3'-磷酸腺苷-5'-磷酰硫酸 (活性硫酸基) 4.甲疏键型 HC-NHs CH~一腺苷 话性蛋贸散 腺苷蛋氨留 上述高能化合物中含有磷酸基团的占绝大多数。但是，并不是所有的含有磷酸基团的 化合物都属于高能磷酸键。例如6磷酸葡萄糖，3磷酸甘油等化合物中的磷酯键，水解时 每1mol只能释放出4.184~12.552k能量，因此属于低能磷酸键 高能化合物具有重要的功能。磷酸烯醇式丙酮酸、1,3 磷酸甘油酸以及乙酰磷酸 有特定的代谢功能，包括化学能的保存和转移，磷酸肌酸及磷酸精氨酸为代谢能的储存形 196

196 H2C COOH N CH3 C NH HN P O - O O - ～ 磷酸肌酸 C NH HN P O - O O - NH (CH2)3 HC NH2 COOH ～ 磷酸精氨酸 3．硫酯键型 C SCoA O R ～ 酰基CoA S O O - O O P O O - O ～ （3'-磷酸腺苷） 3'-磷酸腺苷-5'-磷酰硫酸 （活性硫酸基） 4．甲硫键型 CH3 S CH2 CH2 HC COO NH3 + ～+ S-腺苷蛋氨酸 （活性蛋氨酸） 腺苷 上述高能化合物中含有磷酸基团的占绝大多数。但是，并不是所有的含有磷酸基团的 化合物都属于高能磷酸键。例如 6-磷酸葡萄糖，3-磷酸甘油等化合物中的磷酯键，水解时 每 1mol 只能释放出 4.184～12.552 kJ 能量，因此属于低能磷酸键。 高能化合物具有重要的功能。磷酸烯醇式丙酮酸、1,3-二磷酸甘油酸以及乙酰磷酸都 有特定的代谢功能，包括化学能的保存和转移，磷酸肌酸及磷酸精氨酸为代谢能的储存形

式。磷酸肌酸在供给肌肉能量上特别重要，储藏在其分子中的高能磷酸键(~P)供给肌 肉收缩所需要的ATP。当肌肉ATP浓度高时，末端磷酸基团即转移到肌酸上产生磷酸肌酸。 当ATP因肌肉运动而消耗时，ADP浓度增高，促进磷酸基团向相反方向转移，即生成ATP。 在一些无脊椎动物如虾蟹的肌肉中则以磷酸精氨酸作为能量的储藏形式： 肌酸+ATP亡磷酸肌酸+ADP (一)ATP在能量转换中的作用 ATP是高能磷酸化合物中的典型代表。ATP是由腺嘌吟、核糖及三磷酸单位组成的核 苷酸，ATP的活化形式通常为ATP与Mg(或Mn2)的复合物。 0 0 腺嘌呤一核糖-0一P一0~P一0一P一0 0 Mg ATP-Mg”复合物 中有中这一高能化合物充当“能量的流通货币。作为能量的携带者或传递者，其分子 个磷酸基围 ,分别形成两个 酸研键和 酸酯， 鲸酸 键不稳定 在生理叫 下，ATP约带4个空间距离很近的负电荷，它们之间相互排斥，使磷酸酐健易水解。当 ATP水解产生ADP及Pi(正磷酸)时或者当ATP水解产生AMP及PPi(焦磷酸)时，即 释出大量的自由能。在这些反应中自由能变化约为一30.54 kJ/mol: ATP+HOADP+Pi △G =-30.54 kJ/mol ATP+H2O AMP+PPi △G'=-30.54 kJ/mol 而磺酸酯键水解时，释放出的标准自由能则低得多，仅为一142kJ/mol 在生物体内ATP在提供能量及在能量转换中起着重要作) 。ATP作为能量的即时供 体，在传递能量方面起若转运站的作用。它既接受代谢反应释放的能量，又可供给代谢万 应所需要的能量。它是能量的携带者或传递者，而不是化学能量的贮存库。以高能硫酸形 式贮存能量的物质称为“磷酸原”，在无脊椎动物中是磷酸精氨酸：在脊椎动物中是磷酸 肌酸。磷酸肌酸可以与AP相互转化。ATP多时，以磷酸肌酸的形式贮存能量：AP不足 时，酶酸肌酸转化为ATP。ATP的水解放能反应可以和细胞内吸能的反应偶联起来，从而 推动吸能的反应 ,以完成合成代谢、肌肉收缩、物质的吸收、分泌、运输等生理生化 过程，使ATP义转化为ADP及磷酸（见图6-1）。， 197

197 式。磷酸肌酸在供给肌肉能量上特别重要，储藏在其分子中的高能磷酸键（～P）供给肌 肉收缩所需要的 ATP。当肌肉 ATP 浓度高时，末端磷酸基团即转移到肌酸上产生磷酸肌酸。 当 ATP 因肌肉运动而消耗时，ADP 浓度增高，促进磷酸基团向相反方向转移，即生成 ATP。 在一些无脊椎动物如虾蟹的肌肉中则以磷酸精氨酸作为能量的储藏形式： 肌酸 + ATP 磷酸肌酸 + ADP (二)ATP在能量转换中的作用 ATP 是高能磷酸化合物中的典型代表。ATP 是由腺嘌呤、核糖及三磷酸单位组成的核 苷酸，ATP 的活化形式通常为 ATP 与 Mg 2+（或 Mn 2+）的复合物。 腺嘌呤 核糖 O P O O - O P O O - O P O O - O - ～ ～ Mg 2+ ATP Mg 2+ 复合物 ATP 这一高能化合物充当“能量的流通货币”，作为能量的携带者或传递者，其分子 中有三个磷酸基团，分别形成两个磷酸酐键和一个磷酸酯键，磷酸酐键不稳定。在生理 pH 下，ATP 约带 4 个空间距离很近的负电荷，它们之间相互排斥，使磷酸酐键易水解。当 ATP 水解产生 ADP 及 Pi（正磷酸）时或者当 ATP 水解产生 AMP 及 PPi（焦磷酸）时，即 释出大量的自由能。在这些反应中自由能变化约为－30.54 kJ/mol： ATP + H2O ADP + Pi △G ′= ―30.54 kJ/mol ATP + H2O AMP + PPi △G ′= ―30.54 kJ/mol 而磷酸酯键水解时，释放出的标准自由能则低得多，仅为―14.2 kJ/mol。 在生物体内 ATP 在提供能量及在能量转换中起着重要作用。ATP 作为能量的即时供 体，在传递能量方面起着转运站的作用。它既接受代谢反应释放的能量，又可供给代谢反 应所需要的能量。它是能量的携带者或传递者，而不是化学能量的贮存库。以高能磷酸形 式贮存能量的物质称为“磷酸原”，在无脊椎动物中是磷酸精氨酸；在脊椎动物中是磷酸 肌酸。磷酸肌酸可以与 ATP 相互转化。ATP 多时，以磷酸肌酸的形式贮存能量；ATP 不足 时，磷酸肌酸转化为 ATP。ATP 的水解放能反应可以和细胞内吸能的反应偶联起来，从而 推动吸能的反应进行，以完成合成代谢、肌肉收缩、物质的吸收、分泌、运输等生理生化 过程，使 ATP 又转化为 ADP 及磷酸（见图 6-1）。%

ATP ,肌肉收缩机械能） 神经传导生物电（电能】 贮 能利月 合成代谢 化 吸收分泌（渗透 谁持体温（将能） (其他 C02+40 ADP (无机酸) C代表肌酸：C一P代表磷酸肌酸 图61体内能量的转移、贮存和利用 体内有些合成反应不一定都直接利用ATP供能，而可以用其他三磷酸核苷。如UTP CT用于磷脂合成、GP用于蛋白质合成等。 质氧化时释放的能量通 用王老禁食仪成平，后P使UD,CDP攻GDP生双2的0m,CT膜 而ATP又转化为ADP。 此外，在蛋白质、核酸和脂肪酸的生物合成中，许多反应是使ATP转化生成AMP: ATP产AMP+PPi ATP、AMP及ADP可以互相转变，腺苷酸激酶催化此反应 ATP+AMP广ADP+ADP 总之ATP-ADP循环是生物系统中能量交换的基本形式。自然界选择碳酸酐键的势能 作为能量利用和产生的一种通用的“通货”，有利于生物的进化。 下表列出某些磷酸化合物水解的标准自由能变化： 表6一2一些磷酸化合物水解的标准自由能变化 化合物 △G'(kJ/mol) 磷酸烯醇式丙酮酸 61.9 1.3二磷酸甘油酸 49.4 破酸肌酸 431 乙酰砖酸 42.3 陵酸结氨朝 32.2 ATP(→ADP+Pi) 30.5 ADP 27.2 1-磷酸葡萄糖 20.9 6-磷酸果相 15.9 6-瞬酸萄萄糖 13.8 1-磷酸甘油 92 198

198 ATP ADP Pi C C¡ « P 贮存 （无机磷酸） 代谢物 CO2 + H2O 能 热能（散失） 化学能 转移 C代表肌酸；C～P代表磷酸肌酸 能 利用 肌肉收缩（机械能） 神经传导生物电（电能） 合成代谢（化学能） 吸收分泌（渗透能） 维持体温（热能） 其他 分 解 代 谢 图6-1 体内能量的转移、贮存和利用 体内有些合成反应不一定都直接利用 ATP 供能，而可以用其他三磷酸核苷。如 UTP 用于多糖合成、CTP 用于磷脂合成、GTP 用于蛋白质合成等。但物质氧化时释放的能量通 常是必须先合成 ATP，然后 ATP 可使 UDP、CDP 或 GDP 生成相应的 UTP、CTP 或 GTP， 而 ATP 又转化为 ADP。 此外，在蛋白质、核酸和脂肪酸的生物合成中，许多反应是使 ATP 转化生成 AMP： ATP AMP + PPi ATP、AMP 及 ADP 可以互相转变，腺苷酸激酶催化此反应： ATP + AMP ADP + ADP 总之 ATP-ADP 循环是生物系统中能量交换的基本形式。自然界选择磷酸酐键的势能 作为能量利用和产生的一种通用的“通货”，有利于生物的进化。 下表列出某些磷酸化合物水解的标准自由能变化： 表 6-2 一些磷酸化合物水解的标准自由能变化 化合物 △G ′（kJ/mol） 磷酸烯醇式丙酮酸 61.9 1,3-二磷酸甘油酸 49.4 磷酸肌酸 43.1 乙酰磷酸 42.3 磷酸精氨酸 32.2 ATP（→ADP+Pi） 30.5 ADP 27.2 1-磷酸葡萄糖 20.9 6-磷酸果糖 15.9 6-磷酸葡萄糖 13.8 1-磷酸甘油 9.2