生物能学及生物氧化

1、第八章 生物能学及生物氧化 主要内容：一、有关热力学的一些基本概念二、自由能的概念三、化学反应中自由能的变化和意义四、生物体的能流和能量产生的三个阶段五、 生物氧化的概念 六、呼吸链七、氧化磷酸化 一、有关热力学的一些基本概念体系、环境、状态能的两种形式 热与功热力学第一定律和内能(internal energy)、焓(enthalpy)热力学第二定律和熵(entropy)自由能(free energy)二、自由能（free energy）物理意义：* (体系中能对环境作功的能量) 自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即： G0，反应不能自发进行 G=0，反应处于平衡状态。 自由能的概念对

2、于研究生物化学过程的力能学具有很重要的意义，生物体用于作功的能量正是体内化学反应释放的自由能，生物氧化释放的能量也正是为有机体利用的自由能。它不仅可以用来判断机体内某一过程能否自发进行，而且还可以利用自由能这个函数来计算反应的其它有用参数。三、 化学反应中自由能的变化和意义1、化学反应的自由能变化的基本公式 =H-TS2、化学反应自由能变化与平衡常数和电势的关系3、偶联化学反应G变化的可加性4、能量学用于生物化学反应中的一些规定化学反应自由能的变化和平衡常数的关系 假设有一个化学反应式：aA + bB = cC + dD 恒温恒压下：G=G+ RTlnQc 式中：G= - RTlnKeq例：计

3、算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化 G 某一化学反应随参加化学反应物质的浓度、发生化学反应的pH和温度而改变的自由能变化。 Qc - 浓度商： G 标准条件（T=298OK,大气压为1atm,反应物和生成物浓度为1mol/L,pH=7.0）下，化学反应自由能的变化。 Keq - 平衡常数：化学反应自由能的变化和氧化-还原电势的关系氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下： G=nFE任何一个氧化-还原反应，在理论上都可以构建成一个原电池。氧化-还原物质连在一起，都可以有氧化-还原电势产生，任何氧还电对都有其特定的标准电势原(E0)，电池的标准电动势可用下式计算： 0（ E0 ） = E0

4、正极-E0负极生物体内的氧化还原物质在进行氧化-还原反应时，基本原理和原电池一样。例：计算NADH氧化反应的G氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下： 0（ E0 ） = (RT/nF)lnKeq = 2.3 (RT/nF)lgKeq 原电池示意图E0 = E0正极-E0负极=+0.34V -(-0.76V)=+1.10V 负极反应: Zn=Zn2+2e E0 Zn2+/ Zn= - 0.76V正极反应: Cu=Cu2+2e E0 Cu2+/ Cu=+ 0.34V 检流计盐桥ZnSO4CuSO4e+-计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化达平衡时 =Keq=19解：G= - RTlnKe

5、q =-2.3038.314 311 log19 =-7.6KJ.mol-1G=G+ RTlnQc (Qc-浓度商) =-7.6+ 2.3038.314 311 log0.1 =-13.6KJ.MOL-1未达平衡时 =Qc=0.1反应G-1-PG-6-P在380C达到平衡时， G-1-P占5%，G-6-P占95%，求 G0。如果反应未达到平衡，设G-1- P=0.01mol.L， G-6-P=0.001mol.L，求反应的 G是多少？例题：例题：计算下反应式GNADH+H+1/2O2=NAD+H2O正极反应：1/2O2+2H+2e H2O E+ 0.82负极反应：NAD+H+2e NADH E

6、- -0.3G-nFE -2964850.82-(-0.32) -220 KJmol-1 3、偶联化学反应G变化的可加性 在偶联的化学反应中，各反应的标准自由能变化是可以相加的：例： A = B+C G= + 20.92 KJ/mol B = D G= - 33.47 KJ/mol 则 A = C + D G= - 12.55 KJ/mol 该规则表明一个在热力学上不利的反应，可以与热力学有利的反应偶联进行，即可以被热力学有利的反应所驱动而进行。这在生物化学反应中是很多的。4、能量学用于生物化学反应中的一些规定1、在稀的水溶液系统中，如果有水作为反应物或产物时，水的浓度（近似的即活度）为1.0

7、。2、生物体标准状况的pH规定为7.0。3、 G是 pH为7.0时的标准状况下的的标准自由能。4、根据国际单位制(Le Systeme international Unut ，简称SI单位)，热和能量的单位用焦耳/摩尔(Joules/mol)。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CoAe-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高能

8、化合物一、高能化合物的类型 二、ATP的特点及其特殊作用 生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（21千焦/摩尔）的化合物称为高能化合物。高能化合物类型ATP的特点 在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（G=-30.5千焦/摩尔）。ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1腺嘌呤核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O-+Mg2+A

9、TP在能量转运中地位和作用 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PPPPATPP02108641214磷酸基团转移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油生物氧化一、生物氧化的概念及其与物质代谢的关系 什么是生物氧化（Biological oxidation） 生物氧化与体外氧化的异同 二、呼吸链（Respiratory chain） （一）呼吸链的概念 （二）呼吸链的组成和电子传递顺序 MH2NAD(NADP)FMN(FAD)Fe-SCoQCytO2 Succinate FumarateFADELECTRON CA

10、RRIERS AND REDOX POTENTIAL（三）与呼吸链有关的酶和传递体 1NAD（P）-连接的脱氢酶 2. 黄酶（黄素蛋白Flavoproteins） NADH脱氢酶（NADH-Q还原酶） 琥珀酸脱氢酶（琥珀酸-Q还原酶） 3铁硫蛋白类 Fe3+ + e Fe2+ 4. CoQ（也称泛醌ubiquinone） 4. CoQ（也称泛醌ubiquinone） 5细胞色素类（cytochromes） Cyt是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质 Fe3+ + e Fe2+ Cytb Cytc1CytcCytaCyta3O2 Fe-SComplex INADH Coenzyme Q reductas

11、e2 cofactors1 FMN6-7 Fe-S centers2e- transferred4 protons pumpedAccepts e- from NADHNADH can only participate in 2 e- transfer reactionsComplex IISuccinate Coenzyme Q oxidoreductasesuccinate dehydrogenase.Has FAD and Fe-S cofactors as electron carriers,SuccinatefumarateFADFADH2QH2QNo ATP is generate

12、d, but it gets electrons from FADH2 into the ETC.also cytochrome b.Complex IIICoenzyme Q- Cytochrome c oxidoreductaseCytochrome bc1 complexFe-S centre cytochromesElectron carriersCytochrome bCytochrome c1Can only participate in single e- transfersComplex IVCytochrome c oxidaseFour redox centersCytochrome aCytochrome a3A pair of copper atoms: the CuA centreA copper atom: CuB三、氧化磷酸化（Oxidative phosphorylation） （一）线粒体的结构 （二）氧化磷酸化 1底物水平的磷酸化 2. 呼吸链磷酸化 P/O比值NADH呼吸链P/O=3 （or 2.5）FADH2呼吸链P/O=2（or1.5） 哪些部位可形成ATP ?氧化磷酸化偶联的机理 A 化学偶联（chemical coupling） B. 构象偶联（Conformatio