代謝總論與生物氧化

1、第八章 代謝總論與生物氧化第一節(jié) 新陳代謝的有關(guān)概念第二節(jié) 代謝的發(fā)生過(guò)程第三節(jié) 中間代謝的實(shí)驗(yàn)研究方法第四節(jié) 生物氧化概述 第五節(jié) ATP與其它高能化合物 第六節(jié) 三羧酸循環(huán)第七節(jié) 呼吸鏈與氧化磷酸化第一節(jié) 新陳代謝的有關(guān)概念一、新陳代謝的概念： 新陳代謝是生物體最基本的特征，是生命存在的前提。1.狹義概念：是指細(xì)胞內(nèi)所發(fā)生的酶促反應(yīng)過(guò)程，稱為中間代謝。這是代謝活動(dòng)的主體，也是代謝研究的主要內(nèi)容。2.廣義概念：是生物與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的全過(guò)程。即：生物體內(nèi)所經(jīng)歷的一切化學(xué)變化。包括消化、吸收、中間代謝及排泄等階段。新陳代謝包括生物體內(nèi)所發(fā)生的一切合成和分解作用。一方面，生物體不斷從

2、周圍環(huán)境中攝取物質(zhì)，通過(guò)一系列生化反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)樽约旱慕M成部分；另一方面，將原有的組成成分經(jīng)過(guò)一系列生化反應(yīng)，分解成不能在利用的物質(zhì)排出體外，不斷地進(jìn)行自我更新。生物體通過(guò)新陳代謝所產(chǎn)生的生命現(xiàn)象是建立在合成代謝與分解代謝矛盾對(duì)立和統(tǒng)一的基礎(chǔ)上的，它們之間既相互聯(lián)系、相互依存，又相互制約。 合成代謝 分解代謝 物質(zhì)代謝能量代謝新陳代謝新陳代謝圖解（同化作用）（異化作用）小分子 大分子需要能量釋放能量大分子 小分子二、新陳代謝的內(nèi)容1.物質(zhì)代謝和能量代謝（1）物質(zhì)代謝：重點(diǎn)討論各種生理活性物質(zhì)（如糖、蛋白質(zhì)、脂類、核酸等）在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生酶促反應(yīng)的途徑及調(diào)控機(jī)理，包含舊分子的分解和新分子的合成；（2）

3、能量代謝：重點(diǎn)討論光能或化學(xué)能在細(xì)胞內(nèi)向生物能（ATP）轉(zhuǎn)化的原理和過(guò)程，以及生命活動(dòng)對(duì)能量的利用。 能量代謝和物質(zhì)代謝是同一過(guò)程的兩個(gè)方面，能量轉(zhuǎn)化寓于物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程之中，物質(zhì)轉(zhuǎn)化必然伴有能量轉(zhuǎn)化。（1）合成代謝活細(xì)胞從外環(huán)境中取得原料合成自身的結(jié)構(gòu)物質(zhì)、貯存物質(zhì)、生理活性物質(zhì)及各種次生物質(zhì)的過(guò)程是合成代謝，也叫生物合成。是需要供應(yīng)能量的過(guò)程。（2）分解代謝有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生分解的作用過(guò)程。分解過(guò)程中的許多中間產(chǎn)物可供作生物合成的原料。伴隨分解代謝釋放出化學(xué)能并轉(zhuǎn)化為細(xì)胞能夠利用的生物能（ATP）。 合成代謝和分解代謝相輔相成，有機(jī)地聯(lián)系在一起，構(gòu)成中間代謝的統(tǒng)一整體。 2.合成代謝與分解代

4、謝3.代謝途徑 無(wú)論物質(zhì)代謝還是能量代謝，分解代謝還是合成代謝，一般都是由多種酶催化的連續(xù)反應(yīng)過(guò)程。所謂代謝途徑就是細(xì)胞中由相關(guān)酶類組成的完成特定代謝功能的連續(xù)反應(yīng)體系。細(xì)胞中具有某種代謝途徑也就是指具有其酶系。代謝途徑的組成可簡(jiǎn)單示意如下：PSABCD 式中S代表代謝底物，P代表產(chǎn)物，E代表酶。從S到P之間的一系列過(guò)渡產(chǎn)物稱為中間產(chǎn)物。底物、中間產(chǎn)物、終產(chǎn)物統(tǒng)稱為代謝物。不同代謝途徑所具有的相同的中間產(chǎn)物稱為公共中間產(chǎn)物。通過(guò)公共中間產(chǎn)物可實(shí)現(xiàn)途徑間的互相聯(lián)系，調(diào)節(jié)代謝物質(zhì)的流向，維持細(xì)胞中各種物質(zhì)的代謝平衡。4.生物的營(yíng)養(yǎng)類型 自然界中的生物根據(jù)其所利用的碳源和能源，可分為不同的營(yíng)養(yǎng)類型。

5、（1）自養(yǎng)與異養(yǎng)：碳源是為細(xì)胞生物合成提供碳素營(yíng)養(yǎng)的物質(zhì)。有些生物利用無(wú)機(jī)物二氧化碳作為碳源，這類生物稱為自養(yǎng)生物。有些生物需要現(xiàn)成的有機(jī)物作為碳源，稱之為異養(yǎng)生物。（2）光能與化能： 生物體能夠利用的能源主要有光能和化學(xué)能。根據(jù)不同生物對(duì)能源的要求，可分為光能營(yíng)養(yǎng)型和化能營(yíng)養(yǎng)型。 光能營(yíng)養(yǎng)型是直接利用光能，通過(guò)光合磷酸化作用合成ATP；化能營(yíng)養(yǎng)型是利用現(xiàn)成有機(jī)物或無(wú)機(jī)物，通過(guò)氧化磷酸化反應(yīng)合成ATP。生物營(yíng)養(yǎng)類型營(yíng)養(yǎng)類型碳源能源電子供體生物舉例自養(yǎng)型光能自養(yǎng)CO2光H2O等植物化能自養(yǎng)CO2無(wú)機(jī)物氧化H2、S氫細(xì)菌異養(yǎng)型光能異養(yǎng)有機(jī)物光有機(jī)物藻類化能異養(yǎng)有機(jī)物有機(jī)物氧化有機(jī)物動(dòng)物 四種營(yíng)養(yǎng)類

6、型中，光能自養(yǎng)型和化能異養(yǎng)型占絕大多數(shù)。另兩種營(yíng)養(yǎng)類型相對(duì)較少。還應(yīng)指出，有些高等生物的所有細(xì)胞并非都屬于同一營(yíng)養(yǎng)類型。例如，高等植物葉子是光能自養(yǎng)，而根部則為化能異養(yǎng)型。葉綠細(xì)胞在日光中為光能自養(yǎng)型，在黑暗中又為化能異養(yǎng)型。（3）需氧與厭氧： 不同生物對(duì)分子氧的依賴關(guān)系也有很大區(qū)別，據(jù)此可分為需氧生物、厭氧生物和兼性生物。 需氧生物是在有氧條件下才能維持代謝的生物。其代謝活動(dòng)需要以分子氧（O2）作為有機(jī)物氧化反應(yīng)的電子受體。 厭氧生物是在無(wú)分子氧的環(huán)境中生活的，以無(wú)機(jī)物或有機(jī)物為電子受體，不能用O2作為電子受體，而且分子氧（O2）對(duì)絕對(duì)厭氧生物會(huì)有毒害作用。 兼性生物在有氧、無(wú)氧條件下都能生

7、存，有氧時(shí)利用氧，無(wú)氧時(shí)能利用某些氧化型有機(jī)物作為電子受體。第二節(jié) 代謝的發(fā)生過(guò)程一、分解代謝的一般過(guò)程 幾乎所有生物都具有分解利用有機(jī)物的能力?？傆[有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（糖、脂、蛋白質(zhì)）分解代謝的發(fā)生過(guò)程，可以分為四個(gè)階段。生物大分子的降解階段單體分子初步分解階段乙酰基完全分解階段氫的燃燒階段1.生物大分子的降解階段。外源生物大分子通過(guò)消化作用降解，內(nèi)源生物大分子通過(guò)胞內(nèi)酶催化降解，分解為其單體分子，即多糖分解為己糖或戊糖，蛋白質(zhì)分解為氨基酸，脂肪分解為甘油和脂肪酸等。這些降解反應(yīng)途徑都很短，僅有幾種酶催化，不產(chǎn)生可利用的能量。2.單體分子初步分解階段。細(xì)胞都具有特定的分解代謝途徑，分別將單糖、氨基

8、酸、脂肪酸等單體分子進(jìn)行不完全分解。如糖的EMP途徑、脂肪酸的-氧化，等等。各種單體分子不管其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)差別多大，經(jīng)過(guò)第二階段的有關(guān)代謝途徑都能巧妙地被降解成少數(shù)幾種中間產(chǎn)物，主要是乙酰CoA。因此，第二階段起到了殊路同歸、把多形性的底物分子向一體化結(jié)構(gòu)集中的作用，為最后納入同一代謝途徑進(jìn)行完全分解創(chuàng)造了條件。3.乙酰基完全分解階段。三羧酸循環(huán)途徑是各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解所生成的乙酰基集中燃燒的公共途徑。經(jīng)過(guò)三羧酸循環(huán)，乙?；耆纸?，碳原子氧化成二氧化碳，并有少量能量釋放，生成ATP。大量的化學(xué)能以氫原子對(duì)2H（2H+ 2e）的形式轉(zhuǎn)入還原型輔酶分子。還原型輔酶再將氫原子對(duì)送入呼吸鏈進(jìn)行氧化放能。

9、4.氫的燃燒階段。這是有機(jī)物氧化分解的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。主要包括電子傳遞過(guò)程和氧化磷酸化作用。在線粒體內(nèi)膜上由多種色素蛋白組成的呼吸鏈?zhǔn)鞘沟诙?、三階段生成的氫原子對(duì)（2H + 2e）完全氧化的組織體系，也是細(xì)胞中有機(jī)物氧化分解釋放能量的主要部位。二、合成代謝的一般過(guò)程 生物合成包括組建生物大分子所需單體分子的合成、生物大分子的合成、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組建、生理活性物質(zhì)及次生物質(zhì)的合成等。所有生物合成都是需能酶促反應(yīng)過(guò)程。需要由核苷三磷酸，主要是用ATP供能，所有生物合成過(guò)程都需還原型輔酶（NADPH）供應(yīng)還原力。 除了營(yíng)養(yǎng)貯存物質(zhì)的合成之外，一般正常生理狀態(tài)下的生物合成都遵守細(xì)胞經(jīng)濟(jì)學(xué)的原理，用多少，合成

10、多少。合成途徑的啟、閉、快、慢都受細(xì)胞調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)。 不同生物類群的生物合成能力有所不同，所用的原材料和能量來(lái)源也不盡相同。但是，一切活細(xì)胞都需要自行合成本身所需要的種種生物大分子。 合成代謝一般可以分成三個(gè)階段：原料準(zhǔn)備、單體分子合成、生物大分子合成。 生物合成所需的碳源、氮源、能量和還原力（NADPH）主要通過(guò)分解代謝供應(yīng)。從這種意義上來(lái)講，分解代謝可以視為合成代謝的原料準(zhǔn)備階段。 自養(yǎng)生物所需要的單糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸等各種單體分子及其他生理活性物質(zhì)，生物自身都能合成。高等動(dòng)物和人體有幾種氨基酸和脂肪酸及維生素等生理活性物質(zhì)，自身不能合成，需要靠植物和微生物供給。微生物的生物合成能

11、力差別很大。凡自身不能合成的單體分子則為其生長(zhǎng)限制因子，必須由外界供給。 對(duì)于異養(yǎng)生物而言，分解代謝是生物合成的先決條件。只有充足的營(yíng)養(yǎng)源被分解，才能為生物合成供應(yīng)必需的原料和能量。第三節(jié) 中間代謝的實(shí)驗(yàn)研究方法 中間代謝的研究?jī)?nèi)容很多，研究目的不同，所用的生物材料和實(shí)驗(yàn)方法也不相同。為探討代謝途徑及其調(diào)節(jié)機(jī)理，動(dòng)物、植物、微生物材料都可以作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料的水平，常將實(shí)驗(yàn)分為活體內(nèi)實(shí)驗(yàn)和活體外實(shí)驗(yàn)。1.活體內(nèi)實(shí)驗(yàn)（整體實(shí)驗(yàn)） 用整體生物材料或高等動(dòng)物離體器官或微生物細(xì)胞群體進(jìn)行中間代謝實(shí)驗(yàn)研究稱為活體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。（一）活體內(nèi)實(shí)驗(yàn)和活體外實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果代表生物體在正常生理?xiàng)l件下整體代謝情

12、況，比較接近生物體的實(shí)際。 典型例子：1904年，德國(guó)化學(xué)家Knoop提出的脂肪酸-氧化學(xué)說(shuō)。2.活體外實(shí)驗(yàn) 用從生物體分離出來(lái)的組織切片，組織勻漿或體外培養(yǎng)的細(xì)胞、細(xì)胞器及細(xì)胞抽提物進(jìn)行中間代謝實(shí)驗(yàn)研究稱為活體外實(shí)驗(yàn)表示。 典型例子：糖酵解、三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化等。 探討物質(zhì)代謝途徑的常用方法有：代謝平衡實(shí)驗(yàn)、代謝障礙實(shí)驗(yàn)、代謝物質(zhì)標(biāo)記追蹤實(shí)驗(yàn)、特征性酶鑒定實(shí)驗(yàn)、核磁共振波實(shí)驗(yàn)等。其中最有效的是代謝物質(zhì)標(biāo)記追蹤實(shí)驗(yàn)和核磁共振實(shí)驗(yàn)。（二）代謝途徑的探討方法1.代謝平衡實(shí)驗(yàn) 通過(guò)活體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究代謝物攝入和產(chǎn)出排出的平衡關(guān)系，可以了解對(duì)代謝物的利用能力及產(chǎn)物生成情況。 例如測(cè)定“呼吸商”（R.Q

13、.）可以判斷體內(nèi)能量利用情況。R.Q.=產(chǎn)CO2量（升）/耗O2量（升） 糖類物質(zhì)R.Q為1，脂肪R.Q為0.7，蛋白質(zhì)R.Q為0.8。人體正常代謝時(shí)，R.Q介于0.85-0.95之間，說(shuō)明三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)同時(shí)發(fā)生了氧化分解。饑餓狀態(tài)下：R.Q？糖尿病人：R.Q？問(wèn)題：若測(cè)得生物材料的R.Q接近1，則表明能量主要來(lái)自于何類物質(zhì)分解？2.代謝障礙實(shí)驗(yàn)（代謝途徑阻斷實(shí)驗(yàn)） 正常生物體的中間代謝過(guò)程中，中間產(chǎn)物不會(huì)過(guò)多積累，不容易進(jìn)行分析研究；若用適當(dāng)方法造成代謝障礙，阻斷代謝途徑，則使中間產(chǎn)物積累，便于進(jìn)行分析研究。 阻斷代謝途徑的方法有：造成微生物營(yíng)養(yǎng)缺陷性、使用抗代謝物、專一性抑制劑等。(1)微生

14、物營(yíng)養(yǎng)缺陷性（微生物基因突變型） 采取誘變劑使微生物的基因發(fā)生突變，從而造成某種酶缺損，代謝途徑中斷，缺損酶前面的中間產(chǎn)物會(huì)大量積累，致使細(xì)胞中該種物質(zhì)含量增高，便于進(jìn)行分析研究。應(yīng)用實(shí)例：乳糖的代謝機(jī)理。優(yōu)點(diǎn)：容易突變；經(jīng)濟(jì)；簡(jiǎn)便等（2）使用抗代謝物 抗代謝物，又叫代謝拮抗物，或代謝物結(jié)構(gòu)類似物。其分子結(jié)構(gòu)與代謝物的分子結(jié)構(gòu)類似。實(shí)質(zhì)：競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。 例子：丙二酸是琥珀酸的抗代謝物，能對(duì)琥珀酸脫氫酶發(fā)生很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用，造成代謝中間產(chǎn)物“琥珀酸”積累，從而證明了TCA循環(huán)中有生成琥珀酸這一反應(yīng)步驟。（3）酶的專一性抑制劑 例子：碘乙酸是巰基酶的專一性抑制劑，可抑制酵母的酒精發(fā)酵，造成3-

15、磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮積累。由此證明了酵解途徑中1，6-二磷酸果糖是三三裂解生成了三碳糖。（4）利用藥物造成異常動(dòng)物實(shí)驗(yàn)（病變動(dòng)物法） 用人工方法使動(dòng)物發(fā)生某一過(guò)程的代謝障礙，然后給以一定量受試物質(zhì)，研究其中間代謝過(guò)程。例子1：研究維生素缺乏癥，可給以缺乏某種維生素的飼料，若干天后觀察其病變情況，在加入該種維生素，觀察其癥狀有否好轉(zhuǎn)，從而確定該種維生素的功能。例子2： “人工糖尿病”。例子3：生糖氨基酸；生酮氨基酸3.代謝物標(biāo)記追蹤實(shí)驗(yàn) 將代謝底物分子適當(dāng)“標(biāo)記”，然后追蹤“標(biāo)記”在細(xì)胞中的去向，就可以了解底物分子在中間代謝中經(jīng)過(guò)什么中間產(chǎn)物，生成了什么終產(chǎn)物。這是探索代謝途徑最有效的方法。

16、 標(biāo)記方法有：化學(xué)標(biāo)記法、同位素標(biāo)記法。（1）化學(xué)標(biāo)記法 1904年，德國(guó)F.Knoop首次用苯環(huán)標(biāo)記脂肪酸探討中間代謝途徑，提出著名的脂肪酸-氧化學(xué)說(shuō)。 缺點(diǎn)：化學(xué)標(biāo)記法使天然代謝物分子結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)發(fā)生了改變，這可能給正常代謝途徑造成某些影響。（2）同位素標(biāo)記法 1941年，Rudolf Schoenheimer首次采用同位素標(biāo)記法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 同位素種類：穩(wěn)定同位素和放射性同位素。二者區(qū)別：是否衰變、是否有射線。 常用的穩(wěn)定同位素有：重氫（2H或D）、15N、13C、18O等。 用“穩(wěn)定性同位素”標(biāo)記的化合物可用質(zhì)譜儀定量測(cè)定，也可用超離心法分離鑒定。 根據(jù)放射線同位素衰變時(shí)放出的射線性質(zhì)

17、，可以用專門儀器或?qū)Ｓ梅椒y(cè)定。常用的放射性同位素有氘（T或3H）、14C、32P、34S、131I。優(yōu)點(diǎn)：1）同位素標(biāo)記法特異性強(qiáng)，靈敏度高，測(cè)定方法簡(jiǎn)便。2）放射性同位素分析方法比穩(wěn)定同位素更方便、靈敏，應(yīng)用更普遍。缺點(diǎn)：放射性同位素對(duì)人體有毒害，某些同位素的半衰期長(zhǎng)，容易造成環(huán)境污染，所以需要在專門的同位素實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行。4.測(cè)定特征性酶 每條代謝途徑都有其特征性酶，它的存在就表明該代謝途徑存在。例如：糖代謝途徑中的特征酶：EMP途徑：醛縮酶HMP途徑：6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶TCA途徑：檸檬酸合成酶5.核磁共振波譜法（nuclear magnetic resonance spectrosco

18、py，簡(jiǎn)稱NMR） 核磁共振譜可反映分子中各個(gè)原子所處的狀態(tài)。由布洛赫和巴塞爾于1948年建立，因此獲得1952年諾貝爾獎(jiǎng)。 應(yīng)用最多的有13C譜、19F譜、31P譜和15N譜。 特點(diǎn)：樣品不受破壞，且能最真實(shí)地反映機(jī)體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)情況。第四節(jié) 生物氧化概述一、生物氧化1.定義：有機(jī)物在生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行氧化分解而生成CO2和H2O并釋放能量的過(guò)程。又稱細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸。2.本質(zhì)：生物氧化是發(fā)生在生物體內(nèi)的氧化還原反應(yīng),因而具有氧化還原反應(yīng)的共同特征。并且物質(zhì)被氧化時(shí)總伴隨能量的釋放。3.特點(diǎn)：生物氧化是在活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的,它與體外的直接氧化相比又有許多不同的特點(diǎn): 有機(jī)物在生物體內(nèi)完全氧化與在體

19、外燃燒而被徹底氧化,在本質(zhì)上是相同的,最終的產(chǎn)物都是CO2和H2O,同時(shí)所釋放能量的總值也相等； 生物氧化在常溫、常壓、接近中性的pH和多水環(huán)境中進(jìn)行；是在一系列酶、輔酶和中間傳遞體的作用下逐步進(jìn)行的；氧化反應(yīng)分階段進(jìn)行,能量逐步釋放,既避免了能量驟然釋放對(duì)機(jī)體的損害,又使得生物體能充分、有效地利用釋放的能量；生物氧化過(guò)程中釋放的化學(xué)能通常被偶聯(lián)的磷酸化反應(yīng)所利用,貯存于高能磷酸化合物(如ATP)中,當(dāng)生命活動(dòng)需要時(shí)再釋放出來(lái)。4.類型：生物氧化是在一系列氧化-還原酶催化下分步進(jìn)行的。每一步反應(yīng)，都由特定的酶催化。在生物氧化過(guò)程中，主要包括如下幾種氧化類型：5.酶類：催化生物氧化的酶習(xí)慣上分為

20、不需氧脫氫酶、需氧脫氫酶、氧化酶、過(guò)氧化氫酶和電子遞體。（1）不需氧脫氫酶類：直接作用于底物，使之脫氫氧化，但不以氧作為直接受氫體的酶。是生物氧化反應(yīng)中的主要酶類。還原型底物 SH2氧化型底物 S氧化型輔酶還原型輔酶還原型受體氧化型受體不需氧脫氫酶（2）需氧脫氫酶類：直接作用于底物，使之脫氫氧化，并且需要以氧作為直接受氫體的酶。反應(yīng)生成過(guò)氧化氫。還原型底物 SH2氧化型底物 S氧化型輔酶還原型輔酶O22- O2需氧脫氫酶H2O22e2H+ （3）氧化酶類：不能從底物上脫氫，只能奪取底物上的電子對(duì)，并激活氧分子生成水。還原型底物 SH2氧化型底物 S2Cu2+ 2Cu+ 1/2O22- 1/2O

21、2氧化酶H2O2e2H+ （4）電子遞體：專門負(fù)責(zé)傳遞不需氧脫氫酶脫下來(lái)的電子（有的也傳遞質(zhì)子）的酶類（祥見(jiàn)呼吸鏈）。H2O12O2O2-MH2還原型代 謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+ 細(xì)胞色素b- c- c1 -aa3 Fe S2H+M氧化型代 謝底物2e6. CO2的生成：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。 類型：-脫羧和-脫羧 氧化脫羧和單純脫羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脫氫酶系NAD+ NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH

22、2-NH2R7.H2O的生成：代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通過(guò)一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O 。CH3CH2OHCH3CHONAD+ ADH+H+ 乙醇脫氫酶例：NAD+電子傳遞鏈 H2O2eO=2H+12 O2二、自由能和氧化還原電位1.自由能自由能(G)：指一個(gè)反應(yīng)體系中能夠做功的那部分能量。自由能的變化(G)：產(chǎn)物的自由能與反應(yīng)物的自由能之差，與反應(yīng)轉(zhuǎn)變過(guò)程無(wú)關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化(G0)：298K，101.3KPa，反應(yīng)物濃度為1mol/L，pH=0。生化反應(yīng)中標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化(G0)：298K，101.3KP

23、a，反應(yīng)物濃度為1mol/L，pH=7。G0反應(yīng)達(dá)到平衡放能，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行吸能，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行在AB中，G= B A 自由能的概念對(duì)于研究生物化學(xué)過(guò)程具有很重要的意義，生物體用于作功的能量正是體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的自由能，生物氧化釋放的能量也正是為有機(jī)體利用的自由能。它不僅可以用來(lái)判斷機(jī)體內(nèi)某一過(guò)程能否自發(fā)進(jìn)行，而且還可以利用自由能這個(gè)函數(shù)來(lái)計(jì)算反應(yīng)的其它有用參數(shù)。在反應(yīng)ABC+D中自由能變化是標(biāo)準(zhǔn)自由能變化與平衡常數(shù)的函數(shù)：2.自由能與平衡常數(shù)當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)， G=0，那么，3.自由能與氧化還原電位的關(guān)系pH7， 101.3KPa，25，反應(yīng)物濃度為1mol/L，氧化態(tài)與還原態(tài)物質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)氫電

24、極組成原電池測(cè)定得到的氧化還原電位。 E0 E0電子受體 E0電子供體電子從E0較小的物質(zhì)轉(zhuǎn)移到E0較大的物質(zhì)是自由能降低的結(jié)果。其關(guān)系為： G0nF E0n為轉(zhuǎn)移電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)，等于96.5kj / V.mol第五節(jié) ATP與其它高能化合物（一）高能化合物的類型1.高能鍵（high-energy bond）高能鍵是1941年提出的一個(gè)概念，用“”表示，是指其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，性質(zhì)活潑，自發(fā)水解或基團(tuán)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)很強(qiáng)，當(dāng)其發(fā)生水解或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)時(shí)，釋放的自由能很多。高能鍵中的“高能”是指其自由能高，并非鍵能高?！案吣苕I”與“鍵能”（energy bond）區(qū)別：化學(xué)中的“鍵能”是指斷裂一個(gè)化學(xué)

25、鍵所需要的能量；“高能鍵”是指水解或轉(zhuǎn)移該鍵所釋放的能量。細(xì)胞中重要的高能鍵：高能磷酸鍵和高能硫脂鍵。2.高能化合物：分子結(jié)構(gòu)中含有高能鍵的化合物稱為高能化合物。（二）ATP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其重要意義 ATP（三磷酸腺苷，腺苷三磷酸，adenosine triphosphate）是一種很重要的高能磷酸化合物。 生物體每天要消耗大量ATP，安靜狀態(tài)的成年人：每天消耗40kgATP；激烈運(yùn)動(dòng)時(shí)：每分鐘就消耗0.5kg。 ATP是一分子腺嘌呤、一分子核糖和三個(gè)相連的磷酸基團(tuán)構(gòu)成的核苷酸，其結(jié)構(gòu)：腺嘌呤核苷酸（AMP）二磷酸腺苷 ADP三磷酸腺苷 ATP22意義：（1）ATP是產(chǎn)能反應(yīng)和需能反應(yīng)之間最主要

26、的能量介質(zhì) 放能反應(yīng)通過(guò)氧化磷酸化反應(yīng)合成ATP，貯存能量；需能反應(yīng)，則通過(guò)ATP水解供應(yīng)之。a.當(dāng)ATP提供能量時(shí)，在ATP遠(yuǎn)端的-磷酸基團(tuán)水解為無(wú)機(jī)磷酸分子，ATP失掉一個(gè)磷?；兂上佘斩姿?。ATP+H2OADP+Pi （標(biāo)準(zhǔn)自由能變化G0= -30.514kJ/mol）b.在某些情況下，ATP的和磷酸基團(tuán)之間的高能鍵被水解（即同時(shí)水解和-磷酸基團(tuán)），形成AMP和焦磷酸。ATP+H2OAMP+PPi （G0= -32.19kJ/mol）（2）作為磷酸基團(tuán)供體參與磷酸化反應(yīng) 生化反應(yīng)中，無(wú)論是分解代謝還是合成代謝，常常需要先將反應(yīng)底物分子活化，其中，磷酸化是一種普遍活化方式。ATP具有很

27、活潑的磷酸基團(tuán)，可作為磷酸基的供體參與細(xì)胞中的磷酸化反應(yīng)，此類反應(yīng)由激酶催化。反應(yīng)生成的磷酸化葡萄糖分子具有較高的自由能，易進(jìn)一步參加反應(yīng)。（3）ATP參加高能磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng) ATP在磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移中起“中間傳遞體”的作用，故稱“磷酸基團(tuán)傳遞者”。 磷酸烯醇式丙酮酸和1，3-二磷酸甘油酸是葡萄糖的分解的中間產(chǎn)物，葡萄糖分解為乳酸時(shí)所釋放的大部分自由能，幾乎都保留在這兩個(gè)化合物中。在細(xì)胞中這兩個(gè)化合物并不直接水解，而是通過(guò)特殊激酶作用，以轉(zhuǎn)移磷酸基團(tuán)的形式，將捕捉的自由能傳遞給ADP從而形成ATP。而ATP分子又傾向于將它的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給具有較低磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢(shì)能的化合物，例如葡萄糖和甘油，從而生

28、成6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油。其中，磷酸烯醇式丙酮酸和1，3-二磷酸甘油酸叫做“超高能化合物”（superhigh-energy compound），它們水解所釋放的自由能比ATP高；同理，6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油叫做“低能磷酸化合物”。 GTP、UTP、CTP。 其中，GTP對(duì)G蛋白的活化、蛋白質(zhì)生物合成、蛋白質(zhì)的尋靶、蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)等作為推動(dòng)力提供自由能； UTP在糖原合成中起活化葡萄糖分子的作用； CTP在合成磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺以及合成纖維素中起推動(dòng)作用等。（三）其他供能核苷酸 ATP作為自由能的貯存分子，其產(chǎn)生和利用處于動(dòng)態(tài)平衡中。 一般情況下，ATP在形成后一分鐘內(nèi)就會(huì)被利

29、用，故嚴(yán)格說(shuō)來(lái)ATP不是能量的貯存形式，而是傳遞能量的物質(zhì)。細(xì)胞能量狀態(tài)的表示方法：能荷（energy charge）。（四） ATP系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡第六節(jié) 三羧酸循環(huán) 又叫檸檬酸循環(huán)或Krebs循環(huán)。由草酰乙酸和乙酰CoA的乙酰基縮合生成檸檬酸開始，經(jīng)一系列反應(yīng)又生成草酰乙酸的循環(huán)過(guò)程。三羧酸酶循環(huán)一周進(jìn)行兩次脫羧反應(yīng)和四次脫氫反應(yīng)，分子的乙?；谎趸煞肿覥O2、3分子的NADHH+ 、1分子的FADH2 和1分子的GTP。 三羧酸循環(huán)是由德國(guó)科學(xué)家Hans Krebs于年提出，生物化學(xué)領(lǐng)域的重大成就（當(dāng)時(shí)還沒(méi)有同位素示蹤法）。Krebs于年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。一、反應(yīng)歷程分為3個(gè)階段，共8步反

30、應(yīng)：a-酮戊二酸草酰乙酸檸檬酸異檸檬酸琥珀酸輔酶A琥珀酸延胡索酸蘋果酸乙酰輔酶A1.檸檬酸合成酶2.順烏頭酸酶3.異檸檬酸脫氫酶4.酮戊二酸脫氫酶5.琥珀酸硫激酶6.琥珀酸脫氫酶7.延胡索酸酶8.蘋果酸脫氫酶H2O草酰乙酸 OCH3-C-SCoACoASHH2O檸檬酸合成酶順烏頭酸酶1.檸檬酸生成階段順烏頭酸酶 第一步反應(yīng)不可逆，檸檬酸合成酶是三羧酸循環(huán)的第一個(gè)限速酶。 重要抑制劑：氟乙酸（機(jī)理：檸檬酸合成酶催化氟乙酰CoA與草酰乙酸發(fā)生縮合作用生成氟檸檬酸，阻礙TCA循環(huán)）。應(yīng)用：有毒植物葉子中含有氟乙酸；殺蟲劑；滅鼠藥。2.氧化脫羧階段CO2NAD+ NADH+H+ 異檸檬酸脫氫酶NAD+

31、 NADH+H+CO2酮戊二酸脫氫酶GDPPiGTPCoASH琥珀酸硫激酶 異檸檬酸脫氫酶具有脫氫和脫羧兩種功能，脫羧反應(yīng)需要Mn2+； ADP是激活劑；ATP和NADH是抑制劑。是TCA循環(huán)的又一個(gè)限速酶，此步反應(yīng)為一分界點(diǎn)，之前為三羧酸轉(zhuǎn)化，之后為二羧酸變化。 三羧酸循環(huán)中唯一一次底物水平磷酸化。GTP可直接利用，也可在二磷酸核苷激酶催化下，將高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ADP，從而生成ATP。-酮戊二酸脫氫酶系特性：1）包含三種酶（-酮戊二酸脫羧酶、硫辛酸琥珀酰轉(zhuǎn)移酶和二氫硫辛酸脫氫酶）和六種輔助因子（TPP、硫辛酸、CoASH、FAD、NAD+、Mg2+）。2）限速酶：受ATP、NADH和琥珀酰輔

32、酶A的抑制。3.草酰乙酸再生階段草酰乙酸FAD FADH2琥珀酸脫氫酶H2O延胡索酸酶NAD+NADH+H+蘋果酸脫氫酶可進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)二、三羧循環(huán)的化學(xué)計(jì)量和能量計(jì)量1.總反應(yīng)式: CH3COSCoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+CoASH+3NADH+3H+ +FADH2+GTP能量“現(xiàn)金” : 1 GTP 能量“支票”: 3 NADH 1 FADH2兌換率 1：39ATP兌換率 1：22ATP1ATP12ATP2.三羧酸循環(huán)的能量計(jì)量是有機(jī)體獲得生命活動(dòng)所需能量的主要途徑；是糖、脂、蛋白質(zhì)等物質(zhì)代謝和轉(zhuǎn)化的中心樞紐；形成多種重要的中間產(chǎn)物。三、三羧循環(huán)的生物學(xué)意義

33、第七節(jié) 呼吸鏈與氧化磷酸化一、呼吸鏈1.概念及位置 呼吸鏈又叫電子傳遞體系或電子傳遞鏈，它是代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)過(guò)一系列的傳遞體，最后傳遞給被激活的氧原子，而生成水的全部體系。在真核生物細(xì)胞內(nèi)，它位于線粒體內(nèi)膜上，原核生物中，它位于細(xì)胞膜上。線粒體2.呼吸鏈的組成NADH輔 酶 Q（CoQ）Fe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等黃素蛋白（F AD）黃素蛋白（FMN）細(xì)胞色素類鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白（Fe-S） NADH（還原型輔酶）黃素蛋白酶類（flavoproteins, FP）鐵-硫蛋白類（ironsulfur proteins)輔酶（u

34、biquinone,亦寫作CoQ）細(xì)胞色素類（簡(jiǎn)寫作Cyt）（1）NADH：還原型輔酶 它是由NAD+接受多種代謝產(chǎn)物脫氫得到的產(chǎn)物。NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。（2）黃素蛋白酶類 以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為膜的組成蛋白，遞氫機(jī)理：FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶（3）鐵-硫蛋白類 含鐵硫絡(luò)合物的蛋白，又稱非血紅鐵蛋白。通過(guò)鐵的價(jià)態(tài)變化而傳遞電子。（4）輔酶是電子傳遞鏈上唯一的非蛋白組分，是脂溶性小分子化合物。位于膜雙脂層中，能在膜脂中自由泳動(dòng)。（5）細(xì)胞色素類 是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉

35、環(huán)的中心，構(gòu)成血紅素。各種細(xì)胞色素的輔基結(jié)構(gòu)略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有細(xì)胞色素a, a3、b, c 和c1等。 cyt b和cytc1、cytc在呼吸鏈中的中為電子傳遞體，a和a3以復(fù)合物物存在，稱細(xì)胞色素氧化酶，其分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu ，可將電子傳遞給氧，因此亦稱其為末端氧化酶。Cytc和c1細(xì)胞色素氧化酶?jìng)鬟f電子機(jī)理： +e +e Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+ e e 3.電子傳遞鏈的順序及其抑制劑H2O12O2O2-MH2還原型代 謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+ 細(xì)胞色素b- c- c1 -aa3 Fe S2H+M氧化

36、型代 謝底物FADH2呼吸鏈電子傳遞和水的生成2eH2OFADFADH2琥珀酸 Fe S2Fe2+2Fe3+ 細(xì)胞色素b- c1 - c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+延胡索酸2eNADH呼吸鏈電子傳遞和水的生成111111電子傳遞鏈的抑制劑二、氧化磷酸化作用1. 氧化磷酸化的概念2.磷氧比（P/O）的概念3.電子傳遞鏈中生成ATP的部位4.氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理5.氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制1.氧化磷酸化 代謝物在生物氧化過(guò)程中釋放出的自由能用于合成ATP，即 ADP+PiATP） 這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過(guò)程稱氧化磷酸化。類別有底物水平磷酸化、電子傳遞水平磷酸化。

37、ADP + Pi ATP + H2O生物氧化過(guò)程中釋放出的自由能 底物水平磷酸化是在被氧化的底物上發(fā)生磷酸化作用。即底物被氧化的過(guò)程中，形成了某些高能磷酸化合物的中間產(chǎn)物，通過(guò)酶的作用可使ADP生成ATP。 電子傳遞體系磷酸化是指當(dāng)電子從NADH或FADH2經(jīng)過(guò)電子傳遞體系(呼吸鏈)傳遞給氧形成水時(shí)，同時(shí)伴有ADP磷酸化為ATP的全過(guò)程。通常所說(shuō)的氧化磷酸化是指電子傳遞體系磷酸化。電子傳遞體系磷酸化2.磷氧比（P/O） 呼吸過(guò)程中無(wú)機(jī)磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過(guò)程中，每傳遞一對(duì)電子消耗一個(gè)氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的

38、數(shù)值相當(dāng)于一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。NADHFADH2 O212H2OH2O例 實(shí)測(cè)得NADH呼吸鏈： P/O 3ADP+Pi ATP實(shí)測(cè)得FADH2呼吸鏈： P/O 2 O2122e-2e-ADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATP3.電子傳遞鏈中生成ATP的部位（1）電子傳遞鏈的順序 電子傳遞鏈中各組分的順序由還原電位。 決定電子傳遞方向：(還原電位) 低 高半反應(yīng)E0（V）2H+2e H2-0.41NAD+ 2H+2e NADH+H+ -0.32FMN+ 2H+2e FMNH2-0.30FAD+ 2H+2e FADH2-0.0

39、6CoQ+ 2H+2e CoQH2 0.04(或0.10)Cytb(Fe3+)+e Cytb(Fe2+) 0.07Cytc1(Fe3+)+e Cytc1(Fe2+) 0.23Cytc(Fe3+)+e Cytc(Fe2+) 0.25Cyta(Fe3+)+e Cyta(Fe2+) 0.29Cyta3(Fe3+)+e Cyta3(Fe2+) 0.55O2 +2H+2e H2O 0.82電子傳遞鏈各組分的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位 G0=-nFE0 合成ATP需自由能51.6KJ/mol，經(jīng)計(jì)算可以得知，NADP呼吸鏈上有三個(gè)部位可以滿足這個(gè)條件，F(xiàn)ADH2呼吸鏈上有兩個(gè)部位可以滿足。（2）ATP產(chǎn)生的部位NADH CoQ：G0=-296.5 0.33=-63.7KJ/molCoc Cytc1：G0= -296.5 0.31=-59.8KJ/molCyta3 O2：G0= -296.5 0.58=-111.9KJ/mol4.氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理（1）能量偶聯(lián)假說(shuō) 1953年 Edward Slater 化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō) 1964年 Paul Boyer 構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō) 1961年 Peter Mitchell 化學(xué)滲透假說(shuō)1978年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（2）ATP合成的機(jī)制化學(xué)滲透假說(shuō)(chemiosmotic hypothasis) 電子傳遞的自由能驅(qū)動(dòng)H+從線粒體基質(zhì)跨過(guò)內(nèi)膜進(jìn)入到