第十章能量代谢与生物能的利用

1、第一节导言第一节导言维持生命活动的能量，主要有两个来源：维持生命活动的能量，主要有两个来源：光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。光合作用将光能转变成生物能。化学能：动物和大多数的微生物，通过生化学能：动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。能。有机物质在生物体内的氧化作用，称为生有机物质在生物体内的氧化作用，称为生物氧化。物氧化。由于由于生物氧化通常需要消耗氧，生物氧化通常需要消耗

2、氧，产生产生二氧化碳，故又称二氧化碳，故又称“细胞呼吸细胞呼吸”。在整个生物在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧化成氧化过程中，有机物质最终被氧化成COCO2 2和水，和水，并释放出能量。并释放出能量。 新陈代谢（新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征之一，）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，通过一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓同化作

3、用（作用（assimilation）；另一方面，将原有的组成成份经）；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（外，即所谓异化作用（dissimilation ），通过上述过程不），通过上述过程不断地进行自我更新。断地进行自我更新。 特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行径逐步进行 小分子小分子 大分子大分子合成代谢（同化作用）合成代谢（同化作用） 需要能量需要能量 释放能量释放能量分解代谢（异化作用）分解代谢（异化作用） 大分子

4、大分子 小分子小分子物物质质代代谢谢能能量量代代谢谢新新陈陈代代谢谢信信息息交交换换太太 阳阳电子传递电子传递合成合成分解分解电子传递电子传递光光合合作作用用呼呼吸吸作作用用生生命命现现象象自自养养细细胞胞异异养养细细胞胞ATPADP(CH2O)+O2(CO2)+H2OATPADP（光（光 能）能）（电（电 能）能）（化（化 学学 能）能）（化（化 学学 能）能）（电（电 能）能）（化（化 学学 能）能）生物合成生物合成机机 械械 功功主动运输主动运输生物发光生物发光生物发电生物发电生物发热生物发热 分子水平分子水平 细胞水平细胞水平 整体水平整体水平 生物机体的新陈代谢是一个完整的整体，机体

5、代谢的协调生物机体的新陈代谢是一个完整的整体，机体代谢的协调配合，关键在于它存在有精密的调节机制。代谢的调节使生物配合，关键在于它存在有精密的调节机制。代谢的调节使生物机体能适应其内、外复杂的变化环境，从而得以生存。这种精机体能适应其内、外复杂的变化环境，从而得以生存。这种精密的调节机制是生物在长期演化中获得的。密的调节机制是生物在长期演化中获得的。 代谢调节可分为三个不同水平：代谢调节可分为三个不同水平：糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成进行氧化分解生成CO2和和H2O并释放出能量的并释放出能量的过程称为生物氧化（过程称为生物氧化（bio

6、logical oxidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行，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。的一系列氧化还原反应过程。 方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧脱羧而生成而生成COCO2 2。 类型：类型：-脱羧和脱羧和-脱羧脱羧 氧化脱羧和单纯脱羧氧化脱羧和单纯脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系NAD+ NADH+H+CoASH例：例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶CH2

7、-NH2R二、生物氧化的方式与特点二、生物氧化的方式与特点（一）生物氧化的方式 1 1、 失电子失电子 2 2、脱氢脱氢( (最主要最主要) ) 3、加氧加氧Fe 2+ Fe 3+ +eCOOH C =O + 2H CH3 （2H+ +2e） COOH HOCH CH3Cu + O2 CuO1 2 生物氧化是在一系列氧化生物氧化是在一系列氧化- -还原酶催化下还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化。在生物氧化过程中，主要包括酶催化。在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。如下几种氧化方式。（1 1）脱氢）脱氢 在生物氧化中，脱氢反应占有重要地

8、位。在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应的是各种类型的催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶脱氢酶。 琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢+2H+ 2e-+COOHCHCHCOOHCOOHCH2CH2COOH 乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶CH3CHCOOHOHNAD+ NADHCH3CCOOHO 酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。类。+2H+ 2e-+RCOHO 酶RCOHHOH H2ORCOH 这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧化这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化的生成水的反应。酶催化

9、的生成水的反应。 加氧酶加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如：例如： 【甲烷单加氧酶【甲烷单加氧酶】 CHCH4 4 + NADH + O + NADH + O2 2 CH CH3 3-OH + NAD-OH + NAD+ + + H + H2 2O O 氧化酶氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产生的应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。的。1 1、生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，

10、、生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，反应条件温和（水溶液，pHpH 7 7和常温）。和常温）。2 2、氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。、氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。3 3、水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢、水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。作用直接参予了氧化反应。4 4、在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进、在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如由各种载体，如NADHNADH等传递到氧并生

11、成水。等传递到氧并生成水。5 5、生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由、生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。的条件下释放能量，提高能量利用率。6 6、生物氧化释放的能量，通过与、生物氧化释放的能量，通过与ATPATP合成相偶联，合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能转换成生物体能够直接利用的生物能ATPATP。7 7、进行生物氧化反应的、进行生物氧化反应的部位（1 1）线粒体）线粒体 （2

12、 2）内质网、微粒体、过氧化酶体等）内质网、微粒体、过氧化酶体等8、生理意义：供给机体能量，进行正常生理生化生理意义：供给机体能量，进行正常生理生化活动，转化有害废物。活动，转化有害废物。反应条件反应条件 温温 和和 剧剧 烈烈 ( (体温、体温、pHpH近中性近中性) () (高温、高压高温、高压) )反应过程反应过程 逐步进行的酶促反应逐步进行的酶促反应 一步完成一步完成能量释放能量释放 逐步进行逐步进行 瞬间释放瞬间释放 （化学能、热能）（化学能、热能） （热能）（热能）COCO2 2生成方式生成方式 有机酸脱羧有机酸脱羧 碳和氧结合碳和氧结合H H2 2O O 需需 要要 不需要不需要

13、速率速率 受体内多种因素调节受体内多种因素调节 生物氧化生物氧化 体外燃烧体外燃烧脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它单糖其它单糖三羧酸三羧酸循环循环电子传递电子传递（氧化）（氧化）蛋白质蛋白质脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAe-磷酸化磷酸化+Pi 小分子化合物小分子化合物分解成共同的分解成共同的中间产物（如中间产物（如丙酮酸、乙酰丙酮酸、乙酰CoA等）等） 共同中间产物共同中间产物进入三羧酸循环进入三羧酸循环,氧化脱下的氢氧化脱下的氢由电子传递链传由电子传递链传递生成递生成H2O，释，释放出大量能量，放出大量能量，其中一部分通过其中一部分通过磷酸化储存在磷酸化储存在ATP中

14、。中。大分子降解大分子降解成基本结构成基本结构单位单位第三节生物氧化有关的酶第三节生物氧化有关的酶类类（一）氧化酶类（一）氧化酶类组成：结合酶组成：结合酶酶蛋白酶蛋白辅基：含辅基：含Fe 、 Cu举例：细胞色素氧化酶举例：细胞色素氧化酶、酚氧化酶等酚氧化酶等特点：催化底物脱氢后，以特点：催化底物脱氢后，以O2为直接受氢体为直接受氢体， 生成生成H2O。RH2 2Fe3+ / 2Cu2+ O2 H2O R 2Fe2+ / 2Cu+ O22H+2e-2e+2e1 22e (二二)脱氢酶类脱氢酶类1.需氧脱氢酶需氧脱氢酶 特点：催化底物脱氢后，以特点：催化底物脱氢后，以O2为直接受氢体，为直接受氢体

15、， 生成生成H2O2。组成：结合酶组成：结合酶酶蛋白酶蛋白辅基：辅基：FMN 、FADRH2 FMN /FAD H2O2 R FMNH2/FADH2 O2 2H2H2.不需氧脱氢酶（不需氧脱氢酶（最重要最重要） 特点：催化底物脱氢后，特点：催化底物脱氢后，不能不能以以O2为直接为直接 受氢体受氢体组成：结合酶组成：结合酶酶蛋白酶蛋白辅助因子辅助因子辅酶：辅酶： NAD+ 、 NADP+辅基：辅基：FMN 、FAD RH2 NAD+ (NADP+) XH2 O2 R NADH+H + X H2O (NADPH+H+) 2H2H2H1 2RH2 FMN /FAD XH2 O2 R FMNH2/FA

16、DH2 X H2O 2H2H2H1 2 线粒体基质是呼吸线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的这里氧化所产生的NADHNADH和和FADHFADH2 2将质子和电子转移将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给传递，最后传递给O O2 2生成生成H H2 2O O。这种由载体组成的。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递电子传递系统称电子传递链（链（eclctroneclctron transfer transfer chain),chain),因为其功能和呼因为其功能和呼吸作用

17、直接相关，亦称为吸作用直接相关，亦称为呼吸链。呼吸链。 （一）（一）以以NAD+ 、 NADP+为辅酶的脱氢酶类为辅酶的脱氢酶类 尼克酰胺核苷酸类尼克酰胺核苷酸类 递氢体递氢体 NAD+ 、 NADP+ （二）黄素蛋白类（二）黄素蛋白类 递氢体递氢体 FMN 、FAD （三）铁硫蛋白（三）铁硫蛋白 单电子传递体单电子传递体 （四）泛醌（辅酶（四）泛醌（辅酶Q Q） 递氢体递氢体 （五）细胞色素体系（五）细胞色素体系 单电子传递体单电子传递体1. 1. 黄素蛋白酶类黄素蛋白酶类（flavoproteinsflavoproteins, FP, FP）2. 2. 铁铁- -硫蛋白类硫蛋白类（iron

18、ironsulfur proteins)sulfur proteins)3. 3. 辅酶辅酶（ubiquinoneubiquinone, ,亦写作亦写作CoQCoQ）4. 4. 细胞色素类细胞色素类（cytochromes）NADH辅辅 酶酶 Q（CoQ）Fe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等琥珀酸等黄素蛋白黄素蛋白（F AD）黄素蛋白黄素蛋白（FMN）细胞色素类细胞色素类铁硫蛋白铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白铁硫蛋白（Fe-S）NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFADFe-S琥珀酸琥珀酸等等复合物复合物 II复合物

19、复合物 IV复合体复合体 I复合物复合物 IIINADH脱氢酶脱氢酶细胞色素细胞色素还原酶还原酶细胞色素细胞色素氧化酶氧化酶琥珀酸琥珀酸-辅酶辅酶Q还原酶还原酶FADH2呼吸链呼吸链（一）呼吸链的主要成分（一）呼吸链的主要成分1 1、NAD+NAD+和和NADPNADP为辅酶的脱氢酶为辅酶的脱氢酶 【组成成分】【组成成分】 酶蛋白、尼克酰胺（酶蛋白、尼克酰胺（V Vpppp）核糖、磷酸与核糖、磷酸与AMPAMP。 【作用】辅酶接受代谢物脱下的【作用】辅酶接受代谢物脱下的2H2H，传递，传递给黄素蛋白。给黄素蛋白。 它是由它是由NADNAD+ +接受多种代谢产物脱氢得到接受多种代谢产物脱氢得到的

20、产物。的产物。NADHNADH所携带的高能电子是线粒所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。体呼吸链主要电子供体之一。2 2、铁硫蛋白（、铁硫蛋白（iron-sulfur iron-sulfur protein,Feprotein,Fe-S-S） n 铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。【组成成分】含等量的铁原子和硫原子【组成成分】含等量的铁原子和硫原子（ FeFe2 2 S S2 2，FeFe4 4S S4 4）铁原子与铁硫蛋白的半胱）铁原子与铁硫蛋白的半胱氨酸相连氨酸相连【作用】将【作用】将FMNFMN或或FADFAD中的电子传递给泛醌。中的电子传递

21、给泛醌。【传递机制】单电子传递【传递机制】单电子传递 它主要以它主要以 (2Fe-2S) (2Fe-2S) 或或 (4Fe-4S) (4Fe-4S) 形式形式存在。存在。(2Fe-2S)(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过和两个铁原子。铁硫蛋白通过FeFe3+3+ FeFe2+2+ 变化起传递电子的作用变化起传递电子的作用 （简写为（简写为Q Q）或辅酶）或辅酶-Q-Q（CoQCoQ）：它是电）：它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。一种脂溶性醌类化合物。OOCH3OCH3OCH3(CH2C

22、H C CH2)nHCH3n=6-10 Q (Q (醌型结构醌型结构) ) 很容很容易接受电子和质子，易接受电子和质子，还 原 成还 原 成 Q HQ H2 2（ 还 原（ 还 原型）；型）；QHQH2 2也容易给也容易给出电子和质子，重出电子和质子，重新氧化成新氧化成Q Q。因此，。因此，它在线粒体呼吸链它在线粒体呼吸链中作为电子和质子中作为电子和质子的传递体。的传递体。 （简写为（简写为cytcyt. . ）是含铁的电子传递体，辅基）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不构成血红素

23、。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a, b, a, b, c c 和和c c1 1等，组成它们的辅基分别为血红素等，组成它们的辅基分别为血红素A A、B B和和C C。细胞色素。细胞色素a, b, ca, b, c可以通过它们的紫外可以通过它们的紫外- -可见吸收光谱来鉴别。可见吸收光谱来鉴别。 细胞色素主要是通过细胞色素主要是通过FeFe3+3+ Fe Fe2+2+ 的互变起的互变起传递电子的作用的。传递电子的作用的。5 5、黄素酶、黄素酶- -黄素蛋白（黄素蛋白（FlavoproteinFlavoprotein）【组成成分】酶

24、蛋白、黄素单核苷酸（【组成成分】酶蛋白、黄素单核苷酸（FMNFMN）黄素腺嘌呤二核苷酸（黄素腺嘌呤二核苷酸（FADFAD），它们由核黄素），它们由核黄素（VitVit B B2 2）、磷酸、）、磷酸、AMPAMP组成。组成。 【作用】进行可逆的脱氢加氢反应。【作用】进行可逆的脱氢加氢反应。【传递机制】异咯嗪的第【传递机制】异咯嗪的第1 1、1010位位N N上可加氢上可加氢【主要形式】琥珀酸脱氢酶以【主要形式】琥珀酸脱氢酶以FADFAD为辅酶，将为辅酶，将代谢物脱下的代谢物脱下的H H传入呼吸链。传入呼吸链。异咯嗪结构（二）体内主要呼吸链（二）体内主要呼吸链1 1、NADHNADH氧化呼吸链氧

25、化呼吸链 【组成与作用】脱氢酶（【组成与作用】脱氢酶（CoICoI）、黄素蛋白、）、黄素蛋白、铁硫蛋白、铁硫蛋白、CoQCoQ和细胞色素。和细胞色素。 2 2、FADHFADH氧化呼吸链（氧化呼吸链（琥珀酸琥珀酸氧化呼吸链）氧化呼吸链）【组成和作用】脱氢酶（【组成和作用】脱氢酶（FADFAD）、）、CoQCoQ、细胞、细胞色素色素【差异】脱下的【差异】脱下的2H2H不经过不经过NADNAD+ +传递传递, ,其余过程其余过程与与NADHNADH呼吸链相同呼吸链相同. .NADHFP(FMN)UQCyt bCyt C1Cyt cCyt aa3O2 (Fe-S) FP(FAD-Fe-S) SH2S

26、NAD+NADH+ HFMNH2Fe SFMNFe SCoQCoQH2 Fe-SFe-S2Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+O212O2-2H2H2H2H+e-22e-H2OCoQCoQH2Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+bc1aa3cH2OO2-1O22e-2e-2e-2e-2e-2e-22H+CH2CH2COOHCOOHFADFe*SCytb2He-2 复合物I（NADH-泛醌还原酶） 复合物III（泛醌细胞色素c还原酶） 复合物IV（细胞色素c氧化酶） 复合物I

27、I（琥珀酸脱氢酶）总反应总反应: NADH+HNADH+H+ +1/2O+1/2O2 2NADNAD+ +H+H2 2O O GG=-nFE=-nFE =-296.50.82-(-0.32) =-220.07千焦千焦mol-1总反应总反应：FADH2+1/2O2FAD+H2OG=-nFE = -296.50.82-(-0.18) =-193.0千焦千焦mol-1FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化呼吸链电子传递过程中自由能变化 NADHNADH或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到呼吸链传递到O O2 2的过程中，释放出大量的能量。的过程中，释放出

28、大量的能量。这种高能电子传递过程的释能反应与这种高能电子传递过程的释能反应与ADPADP和磷和磷酸合成酸合成ATPATP的需能反应相偶联，是的需能反应相偶联，是ATPATP形成的基形成的基本机制。本机制。 代谢代谢物氧化脱氢经呼吸物氧化脱氢经呼吸 链传递给氧生成水的链传递给氧生成水的同时，伴有同时，伴有ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP的过程为氧化磷的过程为氧化磷酸化，因氧化反应与酸化，因氧化反应与ADPADP的磷酸化反应偶联发的磷酸化反应偶联发生，有称偶联磷酸化。生，有称偶联磷酸化。 此为体内生成此为体内生成ATPATP的主要方式。的主要方式。 生物氧化的释能反应与生物氧化的释能反

29、应与ADPADP的磷酰化反应偶联的磷酰化反应偶联合成合成ATPATP的过程，称为氧化磷酸化的过程，称为氧化磷酸化( (Oxidative phosphorylation ）。 根据氧化根据氧化- -还原电势与自由能变化关系式，计还原电势与自由能变化关系式，计算出在算出在NADHNADH氧化过程中，有三个反应的氧化过程中，有三个反应的 G G -30.5 kJ / mol -30.5 kJ / mol。 FMNHFMNH2 2 Q cyt Q cyt b b cyt cyt c c1 1 cyt cyt aa aa3 3 O O2 2 G G -55.6kJ/mol -34.7kJ/mol -

30、-55.6kJ/mol -34.7kJ/mol -102.1kJ/moL102.1kJ/moL 这三个反应分别与这三个反应分别与ADPADP的磷酰化反应偶联，产的磷酰化反应偶联，产生生3 3个个ATPATP。这些反应称为呼吸链的偶联部位。这些反应称为呼吸链的偶联部位。 代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成合成ATP（即（即ADP+PiATPATP）, ,这种氧化放能和这种氧化放能和ATPATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。类别类别： 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 电子传递水平磷酸化电子传递水平磷酸化

31、ADP + Pi ATP + H ATP + H2 2O O生物氧化过程中生物氧化过程中释放出的自由能释放出的自由能呼吸过程中无机磷酸（呼吸过程中无机磷酸（P Pi i）消耗量和分子氧（）消耗量和分子氧（O O2 2）消耗量的比）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，而每生成一分子氧原子，而每生成一分子ATPATP消耗一分子消耗一分子P Pi i ，因此，因此P/O的数值相当于的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATPATP分子数。分子数。NADH

32、NADHFADHFADH2 2O O2 212H H2 2O OH H2 2O O例例 实测得实测得NADHNADH呼吸链：呼吸链： P/O 3ADP+Pi ATPADP+Pi ATP实测得实测得FADHFADH2 2呼吸链：呼吸链： P/O 2O O2 2122e-2e-ADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATP1 1、线粒体、线粒体ATPATP合酶（合酶（mitochondrial mitochondrial ATPaseATPase）2 2、能量偶联假说、能量偶联假说 1

33、9531953年年 Edward Slater Edward Slater 化学偶联假说化学偶联假说 19641964年年 Paul Boyer Paul Boyer 构象偶联假说构象偶联假说 19611961年年 Peter Mitchell Peter Mitchell 化学渗透假说化学渗透假说3 3、质子梯度的形成、质子梯度的形成4 4、ATPATP合成的机制合成的机制19781978年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖内膜内膜F F0 0F F1 1 ATPATP酶酶e e- -ADP+PiADP+Pi底物底物H H+ +ATPATPH H+ +H H+ +H H+ +基质基质膜间隙膜间隙

34、电子传递链电子传递链 电子传递的自由能电子传递的自由能驱动驱动H H+ +从线粒体基质从线粒体基质跨过内膜进入到膜间跨过内膜进入到膜间隙，从而形成隙，从而形成H H+ +跨线跨线粒体内膜的电化学梯粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化度，这个梯度的电化学势学势( ( H H+ + ) )驱动驱动ATPATP的合成。的合成。4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+ ADP+PiATP高高质质子子浓浓度度H2O2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _质子流质子流线粒体内膜线粒体内膜磷酸化磷酸化 氧化氧化 （一）（一） 有关热力学和能的一些基本概念

35、有关热力学和能的一些基本概念一、体系的概念、性质和状态 热力学中经常使用的两个名词是体系和环境。 体系又称为系统或物系。热力学所说的体系指的是在研究中所涉及的全部物质的总称。 环境又称外界，指的是与体系直接相互作用的外界。根据体系与环境之间的不同关系，可将体系分为三种类型：1、凡与环境之间有物质交换和能量传递的体系称为开放体系开放体系；(生物体都属于开放体系。)2、凡与环境之间只有能量传递而不能发生物质交换的体系称为封闭体系封闭体系；3、凡与环境不能以任何形式发生作用的，既无能量传递也无物质交换的体系称为隔离体系隔离体系。热力学把这种性质与状态间的单值对应关系称为状态函数。状态函数。 一个体系

36、的性质包括压力、体积、温度、组成、比热、表面张力等等。热力学正是用体系的这些性质来描述一个体系所处的状态。当体系的各种性质确定之后，这个体系也就有了确定的状态。反之，当一个体系的状态确定之后、这个体系的各种性质也就有了确定的数值。 一个体系所处状态的微小变化，都必然引起状态函数的微小变化。 应注意的是，状态函数的变化只与体系状态变化的始应注意的是，状态函数的变化只与体系状态变化的始态和终态有关，而与状态变化的过程无关。态和终态有关，而与状态变化的过程无关。二、能的两种形式热与功 热与功是一个体系的状态在发生变化时与环境交换能量的两种形式。 热是由于温差而产生的能量传递方式，常伴随着质点的无序运

37、动。 功是体系与环境间另外一种能量交换方式。如体积变化以对抗外界压力，表面积变化以对抗表面张力，电功等都是做功。任何一种功都伴随着体系质点的定向移动。这是一种有序的运动。三、内能和焓的概念 内能是体系内部质点能量的总和，通常用符号U(或E)表示。体系内部每个质点的能量都与体系的性质、结构、运动状态及其相互作用等情况有关。因此内能U是体系的一个状态函数。 内能是由分子的平动能、转动能、振动能、电子能、电子与核的相对静止质量能、分子间相互作用的势能等等所组成。因此，内能的绝对值是无法测量的，但一个体系的状态发生变化时，其内能的改变量却是可以测量的。 焓也是体系的一个状态函数，它代表体系的内能与该体

38、系的压力(P)、体积(V)乘积之和称为热焓，简称焓。用符号H表示。焓的公式可表示如下： H=U+PV (1)式中H代表热焓，U代表内能，P代表压力，V代表体积。四、热力学第一定律 热力学第一定津就是能量守恒定律，这一定律指出，在一个孤立体系中的能量可以变换其形式，但其总能量不变。这一定律说明能的形式只能互相转变不能消灭。热力学第一定律可用数学表达式以热和功的关系表示如下：UQW (2) 这就是说，恒容(体积不变)过程中吸收的热量，在数值上等于体系内能的改变量；在恒压过程中吸收的热量，在数值上等于体系焓的改变量。 生物体系是一个开放体系，这种体系的特点是体系和周围环境既有物质交换又有能量交换。

39、在生物体内，绝大多致生物化学过程都是在压力近似不变的条件下发生的，所以在这些过程中，体系所吸收或放出的热量就是该体系的焓变； 而且绝大多数生物化学过程都是在液体或固体中进行的，所以体积变化很小。因此可把生物化学过程近似地看成恒压恒容过程。即dP0，dV0，因而HU。在生物化学中往往忽略H和U的差别，而简称与某一反应伴随的“能量变化”。五、化学能的转化 在生命活动中，生物体所利用的能量主要来源于光能。光合生物将光能转化为化学能并贮存于所合成的化学物质中。其他生物通过分解代谢将化学物质中贮存的能量释放出来，用以做机械功或进行合成反应。生物体又将未被利用的能转化为热能、含低能的化合物和热。 不同化学

40、物质含有不同的化学能，在完全氧化(燃烧)时，化学能大量转变为热能，称为燃烧热，燃烧热定义为一摩尔有机化合物完全氧化时所释放出的最大能量。 氧化作用所释放的能量等于这一物质所含的化学键能与其氧化产物所含化学键能之差。放出总能量的多少与该物质氧化的途径无关。只要在氧化后所生成的产物相同，放出的总能量必然相等。六、热力学第二定律和熵的概念 热力学第二定律指出：热的传导只能由高温物体传至低温物体。热的自发地逆向传导是不可能的。第二定律的实质是说明热力学体系的过程有一定的方向性，自高温流向低温。 生活经验告诉我们，有许多过程在一定条件下可以自发地进行。 例如热从高温物体自动传给低温环境；金刚石与氧气有可

41、能自发地反应生成二氧化碳气体。以上的相反过程都不能自发地进行。这些能够自发进行的过程称为自发过程。 当热自高温物体传给低温环境时，即把原来集中于高温物体的能量分散到与它相联系的环境中。这表明，能量分散的程度增大；相反的过程是不可能自发发生的。金刚石生成二氧化碳的过程就是一个能量分散程度增大的过程。 自发过程的共同特征就是所有这些过程都向着能量分散程度增大的方向进行。 一个体系中能量分散的程度是该体系中大量微观质点进行各种运动的综合表现，汇集成一种宏观性质。这种性质随体系的状态而变化，称为该体系的状态函数。这个代表体系能量分散程度的状态函数笼统地称为熵，用符号S表示。熵值也可以说是代表一个体系散

42、乱无序的程度。一个体系当变为更混乱时，它的熵值增加。熵的变化用S表示。则S为正值。还可将第二定律作如下的叙述：在隔离体系中、一个过程只有当其体系和周围环境的熵值总和增加时，才能自发进行。隔离体系的熵变可用下式表示：式中等号表示可逆过程，可逆过程的熵变等于零。此时体系处于平衡状态。不等号大于零表示不可逆过程，体系的熵增加。事实上所有实际发生的自发过程都是不可逆的，其熵总是增加的，直至增加到最大可能值时，过程才停止进行。 生物体如何遵循热力学规律驱动体内化学反应的进行，并依靠化学反应所释放的能量维持生命活动?正是生物化学所要揭示的问题。 用熵作为衡量一个生物化学过程是否能够自发进行的困难是化学反应

43、的熵变不易测量，因为它需要环境熵变和体系熵变两个值求得。 用自由能作为衡量标准就可以排除这个困难。七、自由能的概念 自由能对生物体有特别重要的意义，因为它不仅可用来判断机体内一过程能否自发进行，而且生物体用以作功的能也正是体内生物化学反应释放出的自由能。生物氧化所提供的能量正是可为机体利用的自由能。 1878年Josiah Willard Gibbs提出关于自由能的公式,他把热力学第一定律和第二定律结合在一起运用，并假设过程是在恒温恒压下进行，得到如下的公式：G=HTS (12)上式G代表体系的自由能变化，H是体系的热焓变化，S是体系熵的变化。（二） 化学反应中自由能的变化和意义 为了阐明自由

44、能在化学反应中的意义，有必要进一步分析在化学反应中自由能的变化。一、化学反应的自由能变化公式 设有一化学反应： A十B C十D十H (24) 上式A十B含有的总能量大于C十D含有的总能量，所超过的量就是反应中释放出的能量(H)，如果把A十B和C十D作为一个体系，则可看出，体系由A十B状态进入C十D状态是一个放能过程。 可以推测出A十B所含的总能量和熵不同于C十D所含的总能量和熵。A十B和C十D所含的总能量和熵都是不易测得的。而且A十B和C十D的能值本身对生物机体的意义并不是直接的。因此，一般并不必特别注意A十B或C十D的能值。值得注意的是由A十B转变为C十D时能量的变化。特别是自由能的变化。

45、热力学第二定律应用于化学反应，可得到关于化学反应的如下规律：一个在恒温但压下自发进行的化学反应，总伴有自由能的降低(Go)，亦即在发生反应时，必然放出自由能。自由能降低越多，反应进行的推动力就越大，反应进行得也完全。从(28)式可看出，一个化学反应的热焓变化并不完全代表其自由能变化。自由能的变化往往小于热焓的变化，其差即为TS。在有些情况下，熵的改变可能很小，G可与H约略相等。但在另一些情况下，熵的改变也可能很大，若So而且TS值超过H，即有可能使G0，则反应不能自发进行。 热力学第二定律主要解决方向和在一定条件下该过程的限度问题。从热力学第二定律导出的自由能变化G值就是判断一个化学反应能否向

46、某个方向进行的根据。G是负值只表示这个反应可以自发进行，但它不能提示将以怎样的速度进行。G和反应的速度无关。二、标准自由能变化及其与平衡常数的关系 标准自由能变化是在规定的标准条件下自由能的变化。标准条件是指参加反应的物质如(24)式中的A、B、C、D的浓度都是一摩尔浓度，若为气体，则是一大气压。标准自由能变化符号用G0表示。对于生物化学反应，标准状况还规定反应进行的环境为pH7。这时用G0表示。 由于G值可用于衡量一个化学反应趋向平衡(G=0)倾向的大小。用标准自由能变化(G0)就可以定量地反应与平衡常数之间的关系。 从以上举例可清楚地看到G和G0是两个全然不同的值。在自发进行的化学反应中，

47、自由能总是在降低。G总是负值。 而每一化学反应都有其特定的标准自由能变化，即G0值。G0可能是正值、负值或等于零，此值依赖于反应的平衡常数。从标准自由能变化G0可得知当化学反应在标准状况下发生时，此反应在何处达到平衡。也就是说，当反应物的起始为1.0摩尔浓度，PH7，温度为25时，G0是一个常数，是一个特定值。 而G是一给定化学反应实际的自由能变化。G值是浓度、pH、温度的函数，随着这些条件的改变而变化。而且G对于所有趋向平衡的反应都是负值。而且此绝对值逐渐缩小直至达到零为止，这时反应即达到平衡点。三、自由能变化的可加性及其在生物化学反应中的意义 在偶联的几个化学反应中，自由能的总变化等于每一

48、步反应自由能变化的总和： 在标准状况下，A不可能自发地转变为B和C，因G是正值。然而B变为D在标准状况下是容易进行的，因G为负值。因自由能变化是可加和的，由A变为C和D其G03千卡摩尔，于是此变化可以自发进行。这样，一个热力学上不能进行的反应，可以由与它偶联的，热力学上容易进行的反应驱动，这种情况在生物化学反应中是很多的。四、化学反应和自由能及嫡之间关系 在化学反应中，只有自由能降低(即Go)的反应才能自发地进行。反应进行的推动力与自由能降低的多少成正比。当G为正值时(Go)即反应产物的标准生成自由能，大于反应物的标准生成自由能，这种反应不能自发地进行。需要外界提供能量反应才能进行。这种反应称为需能反应。 当一个反应处于平衡态时，没有自由能的变化(Go)。所以从处于平衡态的反应，不可能得到能够做功的能。 热力学第二定