页数：53页文件大小：4.07 MB来源： 食品生物化学ppt课件
本课件讲生物系统中的能流与自由能概念，介绍ATP等高能化合物的结构与作用，梳理呼吸链的组成、电子传递顺序与氧化磷酸化的偶联机理，并讨论能量代谢的调节与ATP的生成计量。
西昌学院食品科学系《食品生物化学》第十二章：能量代谢。
本章主要内容和要求：重点讨论线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理，对非线粒体氧化体系作一般介绍。
第一节 生物氧化概述
本节包括：生物氧化的特点；生物氧化过程中 CO₂ 的生成和 H₂O 的生成；有机物在体内氧化释能的三个阶段。
本节末引自谢达平《食品生物化学》p138。
示例：
代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD⁺、NADP⁺、FAD、FMN 等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成 H₂O。
示例：CH₃CH₂OH → CH₃CHO，NAD⁺ → NADH + H⁺（乙醇脱氢酶）；1/2 O₂ 经电子传递链生成 H₂O（2e⁻、2H⁺）。
二、生物能学简介
生物系统中的能流：营养物质所含化学能经分解代谢与电子传递逐步释放，一部分以热能散失，一部分通过氧化磷酸化转化为 ATP 中的化学能，供生命活动利用。
自由能的变化能预示某一过程能否自发进行：
a. 利用化学反应平衡常数计算
基本公式：ΔG′ = ΔG°′ + RT ln Qc（Qc 为浓度商）；ΔG°′ = −RT ln Keq。例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化。
b. 利用标准氧化还原电位（E°′）计算（限于氧化还原反应）
基本公式：ΔG°′ = −nFΔE°′（ΔE°′ = E⁺°′ − E⁻°′）。例：计算 NADH 氧化反应的 ΔG°′。
例题：反应 G-1-P ⇌ G-6-P，在 38℃ 达到平衡时 G-1-P 占 5%、G-6-P 占 95%，求 ΔG°′。若反应未达平衡，设 [G-1-P] = 0.01 mol·L、[G-6-P] = 0.001 mol·L，求 ΔG′。
三、高能化合物
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。
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（ΔG°′ = −30.5 千焦/摩尔）。
ATP⁴⁻ + H₂O → ADP³⁻ + Pi²⁻ + H⁺，ΔG = −30.5 kJ·mol⁻¹。
ATP³⁻ + H₂O → ADP²⁻ + Pi³⁻ + H⁺，ΔG = −33.1 kJ·mol⁻¹。
图中比较各物质的磷酸基团转移能：ATP、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。
三、高能化合物：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。
ATP 酶作用机理：ADP + Pi → ATP + H₂O，伴随质子（H⁺）流与蛋白质构象变化；图中示意 Protein Flux、H₂O、H⁺ 参与酶催化过程。
线粒体 ATP 酶（F₀F₁-ATP 酶）位于线粒体内膜，由嵌于膜中的 F₀ 质子通道与突出于基质的 F₁ 催化头部组成，利用质子回流驱动 ATP 合成。
旋转催化理论认为：质子流通过 F₀ 引起亚基 III 寡聚体与 γ、ε 亚基一起转动，这种旋转配置 α/β 亚基之间不对称的相互作用，引起催化位点性质的转变。γ 亚基的中心 α-螺旋被认为是转子；亚基 I 和 II 与 δ 亚基组合在一起组成定子，它压住 α/β 异质六聚体。
第二节 线粒体电子传递体系
线粒体由外膜、内膜（向内折叠形成嵴）、膜间隙与基质组成；内膜上嵌有呼吸链复合体与 ATP 合酶，基质是有氧氧化与三羧酸循环的场所。
线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的 NADH 和 FADH₂ 将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给 O₂ 生成 H₂O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链（electron transfer chain），因其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。
三、呼吸链的组成
路径：NADH → 辅酶 Q（CoQ）→ Fe-S → Cyt c1 → O₂；Cyt b → Cyt c → Cyt aa3 → O₂；琥珀酸等 → 黄素蛋白（FAD）→ 黄素蛋白（FMN）→ 细胞色素类；Fe-S 多次参与传递。
铁硫蛋白的 Fe₂S₂ 与 Fe₄S₄ 中心结构：Fe 与 S 构成铁硫簇，并通过与 4 个 Cys 残基的巯基相连结而锚定于蛋白质。
传递电子机理：Fe³⁺ + e⁻ ⇌ Fe²⁺（可逆得失电子）。
辅酶 Q（CoQ，泛醌）结构：苯醌母核带聚异戊二烯侧链；递氢原理为 CoQ + 2H⁺ ⇌ CoQH₂。
细胞色素以血红素（铁卟啉）为辅基；递电子机理：Fe³⁺ + e⁻ ⇌ Fe²⁺。
NADH 呼吸链：还原型代谢底物（MH₂）→ FMN → Fe-S → CoQ → 细胞色素 b-c-c1-aa3 → 1/2 O₂ → H₂O。
FADH₂ 呼吸链：氧化型代谢底物（M）→ FAD → FADH₂；琥珀酸 → Fe-S → 细胞色素 b-c1-c-aa3 → CoQ → 1/2 O₂ → H₂O。
NADH 呼吸链：FADH₂ → Fe-S → NADH → FMN → Fe-S → CoQ → Cyt b → Fe-S → Cyt c1 → Cyt c → Cyt aa3 → O₂。
FADH₂ 呼吸链：以 FADH₂ 为起点进入同一电子传递体系。
电子传递链中各中间体的顺序：NADH → FMN → CoQ → Fe-S → Cyt b → Cyt c1 → O₂；Cyt c 与 Cyt aa3 依次传递；Fe-S 多次参与。
复合体：复合物 I（NADH 脱氢酶）、复合物 II（琥珀酸-辅酶 Q 还原酶）、复合物 III（辅酶 Q-细胞色素还原酶 / 细胞色素 C 还原酶）、复合物 IV。
呼吸链中电子传递时自由能的下降：NADH 与 FADH₂ 作为电子供体进入呼吸链，电子沿电位逐步升高的载体传递，自由能逐级下降，释放的能量用于驱动质子跨膜转运。
NADH 呼吸链总反应：NADH + H⁺ + 1/2 O₂ → NAD⁺ + H₂O；ΔG°′ = −nFΔE°′ = −2×96.5×[0.82 − (−0.32)] = −220.07 千焦·mol⁻¹。
FADH₂ 呼吸链总反应：FADH₂ + 1/2 O₂ → FAD + H₂O；ΔG°′ = −nFΔE°′ = −2×96.5×[0.82 − (−0.18)] = −193.0 千焦·mol⁻¹。
电子传递抑制剂及作用位点：鱼藤酮、安密妥抑制复合物 I 区段；抗霉素 A 抑制复合物 III（Cyt b-c1）；氰化物（CN⁻）、CO 抑制复合物 IV（Cyt aa3），阻断电子向氧的传递。
第三节 氧化磷酸化作用
代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成 ATP（即 ADP + Pi → ATP），这种氧化放能和 ATP 生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。
磷氧比（P/O）：呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量与分子氧（O₂）消耗量的比值。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 ATP 消耗一分子 Pi，因此 P/O 的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的 ATP 分子数。
二、氧化磷酸化的偶联机理
化学渗透假说：NADH + H⁺ 脱氢，电子经传递链传递（2e⁻），同时把 H⁺ 泵到膜间隙，形成内膜外侧高质子浓度（跨膜质子梯度）。质子经 F₀F₁-ATP 酶回流驱动 ADP + Pi → ATP；寡霉素可抑制该过程。
线粒体外 NADH 的氧化磷酸化作用：
两者将胞液酵解产生的 NADH 所携带的还原当量送入线粒体，用于氧化磷酸化。
α-磷酸甘油穿梭：在线粒体内膜两侧，磷酸二羟丙酮与 3-磷酸甘油相互转换；胞液中 NADH 将还原当量转交给 FAD 生成 FADH₂，进入呼吸链（NADH → FMN → CoQ → b → c1 → c → aa3 → O₂），最终在线粒体基质中氧化。
苹果酸-草酰乙酸（苹果酸-天冬氨酸）穿梭：胞液中 NADH + H⁺ 将草酰乙酸还原为苹果酸，苹果酸经膜转运进入线粒体基质，经苹果酸脱氢酶重新生成 NADH + H⁺ 进入呼吸链；谷氨酸、α-酮戊二酸、天冬氨酸与草酰乙酸参与转氨与转运（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 为膜上的转运载体）。
2,4-二硝基苯酚（DNP）为脂溶性弱酸，可在质子化（OH）与解离（O⁻）形式间互变，携带 H⁺ 跨越线粒体内膜，破坏跨膜质子梯度，使电子传递（产热）与 ATP 合成解偶联。
能荷影响 ATP 的生成途径与 ATP 的利用途径的相对速率。
通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、植物、微生物主要氧化途径，它与 ATP 的生成紧密相关。除此以外，生物体内还存在非线粒体氧化系统，其特点是从底物脱氢到 H₂O 的生成经过其它末端氧化酶完成，与 ATP 的生成无关，但各自具有重要的生理功能。
主要非线粒体氧化系统：
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