代謝總論與生物氧化

第18章代謝總論與生物氧化目前一頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點第一節(jié)新陳代謝的有關(guān)概念第二節(jié)代謝的發(fā)生過程第三節(jié)中間代謝的實驗研究方法第四節(jié)生物氧化概述第五節(jié)ATP與其它高能化合物第六節(jié)呼吸鏈與氧化磷酸化目前二頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點第一節(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：是指細胞內(nèi)所發(fā)生的酶促反應(yīng)過程，稱為中間代謝。這是代謝活動的主體，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)境進行物質(zhì)與能量交換的全過程。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，生物體不斷從周圍環(huán)境中攝取物質(zhì)，通過一系列生化反應(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，不斷地進行自我更新。生物體通過新陳代謝所產(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。目前三頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點新陳代謝圖解

合成代謝

分解代謝

物質(zhì)代謝能量代謝新陳代謝（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目前四頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點

細胞內(nèi)的所有代謝反應(yīng)都可以匯入到3種代謝途徑，分解代謝(catabolism)

合成代謝(anabolism)

不定向代謝(amphibolicmetabohsm)

不定向代謝是指細胞內(nèi)某些具有雙重功能的代謝途徑，它既可以用于分解代謝，又可以用于合成代謝，例如三羧酸循環(huán)。

目前五頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點分解代謝和合成代謝目前六頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點細胞內(nèi)的代謝途徑和代謝網(wǎng)絡(luò)目前七頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點代謝途徑中酶的三種組織方式目前八頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點一條代謝途徑中的酶可以通過三種方式組織在一起(圖18—2)：(1)分散形式這種方式的效率最低，因為前一個酶釋放的產(chǎn)物在與后一個酶結(jié)合之前已被環(huán)境介質(zhì)所稀釋。

目前九頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點

(2)多酶復(fù)合體或酶系這種方式較為普遍，由于在反應(yīng)之中，前一個酶釋放的產(chǎn)物可以直接與后一個酶的活性中心結(jié)合，因此反應(yīng)效率得以大幅度提高。此外，這種方式還有利于調(diào)控。比較典型的例子有丙酮酸脫氫酶系、α-酮戊二酸脫氫酶系和原核細胞的脂肪酸合成酶系等。目前十頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點(3)與膜結(jié)合的多酶復(fù)合物(membrane-boundmulti-enzymecomplex)

參與這一類代謝途徑的酶按照一定的方向和次序整合在膜上，以膜為平臺，例如生物氧化中的呼吸鏈和光合作用中的光合鏈。

目前十一頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點酶的三種組織方式目前十二頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點有時，某一條代謝途徑上的某幾個酶活性、甚至所有酶活性融合在一條多肽鏈上或者由同一個蛋白質(zhì)的不同亞基承擔(dān)。例如，哺乳動物的脂肪酸合酶由兩條相同的肽鏈組成，每條肽鏈竟然具有7個酶活性!酶以這種方式組織在一起，不僅大大提高了催化的效率，有利于對各個酶活性的調(diào)控，還增加了基因的編碼能力，也方便了對這些酶基因表達的調(diào)控。

目前十三頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點代謝途徑的三種組織方式目前十四頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點按照代謝進行的方向，代謝途徑可以分為(圖18-3)：線狀(1inear)，如糖酵解；環(huán)狀(cyclic)，如三羧酸循環(huán)、卡爾文循環(huán)和尿素循環(huán)；分支狀(branched)，如許多氨基酸的合成(參看第三十一章“氨基酸代謝”)。

目前十五頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點只有在循環(huán)代謝途中，才涉及一種起始代謝物在最后一步反應(yīng)得以再生。例如三羧酸循環(huán)中的草酰乙酸，卡爾文循環(huán)中的l，5-二磷酸核酮糖和尿酸循環(huán)中的鳥氨酸。

目前十六頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點代謝的三種途徑目前十七頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點代謝的基本特征反應(yīng)條件溫和高度調(diào)控每一個代謝途徑都是不可逆的一個代謝途徑至少存在1個限速步驟各種生物在基本的代謝途徑上是高度保守的代謝途徑在細胞內(nèi)特別在真核細胞是高度分室化的不同的生物使用不同的途徑獲取能量和碳源目前十八頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點代謝途徑的分室化代謝途徑發(fā)生區(qū)域三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化、脂肪酸氧化、氨基酸分解線粒體糖酵解、脂肪酸合成、磷酸戊糖途徑、細胞液DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工細胞核、線粒體、葉綠體膜蛋白和分泌蛋白的合成粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脂和膽固醇的合成光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)翻譯后加工（糖基化）高爾基體尿素循環(huán)肝細胞線粒體和細胞液目前十九頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點動物細胞膜結(jié)構(gòu)和物質(zhì)代謝的聯(lián)系圖解（質(zhì)膜、核及核仁、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體）目前二十頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點二、新陳代謝的內(nèi)容確定參與每一個代謝反應(yīng)的酶與輔酶的結(jié)構(gòu)與功能，這需要對有關(guān)的酶進行分離、純化和定性的研究。確定一條代謝途徑之中的底物、中間代謝物和終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、名稱和反應(yīng)的類型。確定一個酶促反應(yīng)的調(diào)節(jié)機制。

目前二十一頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點1.物質(zhì)代謝和能量代謝（1）物質(zhì)代謝：各種生理活性物質(zhì)（如糖、蛋白質(zhì)、脂類、核酸等）在細胞內(nèi)發(fā)生酶促反應(yīng)的途徑及調(diào)控機理，包含舊分子的分解和新分子的合成；（2）能量代謝：光能或化學(xué)能在細胞內(nèi)向生物能（ATP）轉(zhuǎn)化的原理和過程，以及生命活動對能量的利用。

目前二十二頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點細胞需要持續(xù)不斷的能量供應(yīng)NADH,NADPH和ATPATP–通用的能量貨幣NADPH–生物還原劑葡萄糖-->NADH

-->ATP葡萄糖-->NADPH-->生物合成

代謝中的能量考慮目前二十三頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（1）合成代謝：活細胞從外環(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)的過程是合成代謝，也叫生物合成。是需要供應(yīng)能量的過程。（2）分解代謝有機物質(zhì)在細胞內(nèi)發(fā)生分解的作用過程。分解過程中的許多中間產(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)化為細胞能夠利用的生物能（ATP）。2.合成代謝與分解代謝目前二十四頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點3.代謝途徑無論物質(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)過程。所謂代謝途徑就是細胞中由相關(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單示意如下：目前二十五頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點PSABCD

S：代謝底物，P：產(chǎn)物，E：酶。從S到P之間的一系列過渡產(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。通過公共中間產(chǎn)物可實現(xiàn)途徑間的互相聯(lián)系，調(diào)節(jié)代謝物質(zhì)的流向，維持細胞中各種物質(zhì)的代謝平衡。目前二十六頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點4.生物的營養(yǎng)類型分類C源能源電子供體實例光能自養(yǎng)生物CO2光HO2,H2S,S或其它無機物綠色植物、藻類、藍細菌、光合細菌化能自養(yǎng)生物CO2氧化還原反應(yīng)無機化合物如H2,H2S,NH4+Fe2+固氮菌、氫細菌、硫細菌和鐵細菌光能異養(yǎng)生物有機化合物光有機物（葡萄糖）非硫紫細菌化能異養(yǎng)生物有機化合物氧化還原反應(yīng)有機物（葡萄糖）動物、大多數(shù)微生物目前二十七頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點

自然界中的生物根據(jù)其所利用的碳源和能源，可分為不同的營養(yǎng)類型。（1）自養(yǎng)與異養(yǎng)：碳源是為細胞生物合成提供碳素營養(yǎng)的物質(zhì)。有些生物利用無機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)成的有機物作為碳源，稱為異養(yǎng)生物。目前二十八頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（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)不同生物對能源的要求，可分為光能營養(yǎng)型和化能營養(yǎng)型。

光能營養(yǎng)型是直接利用光能，通過光合磷酸化作用合成ATP；化能營養(yǎng)型是利用現(xiàn)成有機物或無機物，通過氧化磷酸化反應(yīng)合成ATP。目前二十九頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點生物營養(yǎng)類型營養(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無機物氧化H2、S氫細菌異養(yǎng)型光能異養(yǎng)有機物光有機物藻類化能異養(yǎng)有機物有機物氧化有機物動物四種營養(yǎng)類型中，光能自養(yǎng)型和化能異養(yǎng)型占絕大多數(shù)。另兩種營養(yǎng)類型相對較少。還有些高等生物的所有細胞并非都屬于同一營養(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。葉綠細胞在日光中為光能自養(yǎng)型，在黑暗中又為化能異養(yǎng)型。目前三十頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（3）需氧與厭氧：不同生物對分子氧的依賴關(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。其代謝活動需要以分子氧（O2）作為有機物氧化反應(yīng)的電子受體。

厭氧生物是在無分子氧的環(huán)境中生活的，以無機物或有機物為電子受體，不能用O2作為電子受體，而且分子氧（O2）對絕對厭氧生物會有毒害作用。

兼性生物在有氧、無氧條件下都能生存，有氧時利用氧，無氧時能利用某些氧化型有機物作為電子受體。目前三十一頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點第二節(jié)代謝的發(fā)生過程一、分解代謝的一般過程幾乎所有生物都具有分解利用有機物的能力。有機營養(yǎng)物質(zhì)（糖、脂、蛋白質(zhì)）分解代謝的發(fā)生過程，可以分為四個階段。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目前三十二頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點1.生物大分子的降解階段。

外源生物大分子通過消化作用降解，內(nèi)源生物大分子通過胞內(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。目前三十三頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點2.單體分子初步分解階段。細胞都具有特定的分解代謝途徑，分別將單糖、氨基酸、脂肪酸等單體分子進行不完全分解。如糖的EMP途徑、脂肪酸的β-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行完全分解創(chuàng)造了條件。目前三十四頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點3.乙酰基完全分解階段。三羧酸循環(huán)途徑是各種營養(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送入呼吸鏈進行氧化放能。目前三十五頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點4.氫的燃燒階段。這是有機物氧化分解的最后一個環(huán)節(jié)。主要包括電子傳遞過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是使第二、三階段生成的氫原子對（2H+

＋2e）完全氧化的組織體系，也是細胞中有機物氧化分解釋放能量的主要部位。目前三十六頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點二、合成代謝的一般過程

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)過程。需要由核苷三磷酸，主要是用ATP供能，所有生物合成過程都需還原型輔酶（NADPH）供應(yīng)還原力。

除了營養(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胞經(jīng)濟學(xué)的原理，用多少，合成多少。合成途徑的啟、閉、快、慢都受細胞調(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源也不盡相同。但是，一切活細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階段：原料準備、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）主要通過分解代謝供應(yīng)。從這種意義上來講，分解代謝可以視為合成代謝的原料準備階段。

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力差別很大。凡自身不能合成的單體分子則為其生長限制因子，必須由外界供給。

對于異養(yǎng)生物而言，分解代謝是生物合成的先決條件。只有充足的營養(yǎng)源被分解，才能為生物合成供應(yīng)必需的原料和能量。目前三十七頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點第三節(jié)中間代謝的實驗研究方法同位素示蹤：經(jīng)常使用的同位素有放射性同位素和穩(wěn)定同位素兩類，前者包括14C、32P、35S和3H等，后者有18O和15N等。代謝抑制劑的使用代謝遺傳缺陷型突變體的使用基因操作和生物信息學(xué)目前三十八頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點中間代謝的研究內(nèi)容很多，研究目的不同，所用的生物材料和實驗方法也不相同。為探討代謝途徑及其調(diào)節(jié)機理，動物、植物、微生物材料都可以作為實驗對象。根據(jù)實驗材料的水平，常將實驗分為活體內(nèi)實驗和活體外實驗。目前三十九頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點1.活體內(nèi)實驗（整體實驗）用整體生物材料或高等動物離體器官或微生物細胞群體進行中間代謝實驗研究稱為活體內(nèi)實驗。（一）活體內(nèi)實驗和活體外實驗實驗結(jié)果代表生物體在正常生理條件下整體代謝情況，比較接近生物體的實際。典型例子：1904年，德國化學(xué)家Knoop提出的脂肪酸β-氧化學(xué)說。目前四十頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點2.活體外實驗用從生物體分離出來的組織切片，組織勻漿或體外培養(yǎng)的細胞、細胞器及細胞抽提物進行中間代謝實驗研究稱為活體外實驗表示。典型例子：糖酵解、三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化等。目前四十一頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點探討物質(zhì)代謝途徑的常用方法有：代謝平衡實驗、代謝障礙實驗、代謝物質(zhì)標記追蹤實驗、特征性酶鑒定實驗、核磁共振波實驗等。其中最有效的是代謝物質(zhì)標記追蹤實驗和核磁共振實驗。（二）代謝途徑的探討方法目前四十二頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點1.代謝平衡實驗

通過活體內(nèi)實驗研究代謝物攝入和產(chǎn)出排出的平衡關(guān)系，可以了解對代謝物的利用能力及產(chǎn)物生成情況。例如測定“呼吸商”（R.Q.）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，R.Q介于0.85-0.95之間，說明三大營養(yǎng)物質(zhì)同時發(fā)生了氧化分解。饑餓狀態(tài)下：R.Q？糖尿病人：R.Q？問題：若測得生物材料的R.Q接近1，則表明能量主要來自于何類物質(zhì)分解？目前四十三頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點2.代謝障礙實驗（代謝途徑阻斷實驗）

正常生物體的中間代謝過程中，中間產(chǎn)物不會過多積累，不容易進行分析研究；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，便于進行分析研究。

阻斷代謝途徑的方法有：造成微生物營養(yǎng)缺陷性、使用抗代謝物、專一性抑制劑等。目前四十四頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點使用代謝抑制劑確定代謝途徑目前四十五頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點(1)微生物營養(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)物會大量積累，致使細胞中該種物質(zhì)含量增高，便于進行分析研究。應(yīng)用實例：乳糖的代謝機理。優(yōu)點：容易突變；經(jīng)濟；簡便等目前四十六頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（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。實質(zhì)：競爭性抑制劑。例子：丙二酸是琥珀酸的抗代謝物，能對琥珀酸脫氫酶發(fā)生很強的競爭性抑制作用，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。目前四十七頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（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-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物實驗（病變動物法）用人工方法使動物發(fā)生某一過程的代謝障礙，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；生酮氨基酸目前四十八頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點3.代謝物標記追蹤實驗

將代謝底物分子適當(dāng)“標記”，然后追蹤“標記”在細胞中的去向，就可以了解底物分子在中間代謝中經(jīng)過什么中間產(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。標記方法：化學(xué)標記法、同位素標記法。目前四十九頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（1）化學(xué)標記法1904年，德國F.Knoop首次用苯環(huán)標記脂肪酸探討中間代謝途徑，提出著名的脂肪酸β-氧化學(xué)說。

缺點：化學(xué)標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。目前五十頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（2）同位素標記法1941年，RudolfSchoenheimer首次采用同位素標記法進行實驗。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”標記的化合物可用質(zhì)譜儀定量測定，也可用超離心法分離鑒定。根據(jù)放射線同位素衰變時放出的射線性質(zhì)，可以用專門儀器或?qū)Ｓ梅椒y定。常用的放射性同位素有氘（T或3H）、14C、32P、34S、131I。優(yōu)點：1）同位素標記法特異性強，靈敏度高，測定方法簡便。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：放射性同位素對人體有毒害，某些同位素的半衰期長，容易造成環(huán)境污染，所以需要在專門的同位素實驗時進行。目前五十一頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點4.測定特征性酶

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：檸檬酸合成酶目前五十二頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點5.核磁共振波譜法（NMR）

核磁共振譜可反映分子中各個原子所處的狀態(tài)。由布洛赫和巴塞爾于1948年建立，因此獲得1952年諾貝爾獎。應(yīng)用最多的有13C譜、19F譜、31P譜和15N譜。

特點：樣品不受破壞，且能最真實地反映機體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)情況。目前五十三頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點代謝組和代謝組學(xué)代謝組和代謝組學(xué)是隨著基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展而產(chǎn)生的兩個與代謝有關(guān)的新名詞。代謝組也叫做小分子清單，是指反映細胞狀態(tài)的各種小分子的樣式，包括所有代謝過程的總和以及相關(guān)的細胞過程。它是基因組和蛋白質(zhì)組表達對細胞環(huán)境的反應(yīng)。代謝組學(xué)就是研究單個細胞或組織內(nèi)所有小分子成分及其波動規(guī)律的一門學(xué)科。目前五十四頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點基因組：可能是什么？蛋白質(zhì)組：表達的是什么？代謝組：細胞或組織的當(dāng)前狀況是什么？目前五十五頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點第四節(jié)生物能學(xué)生物能學(xué)也稱為生化熱動力學(xué)，它是專門研究生命系統(tǒng)內(nèi)能量流動和能量轉(zhuǎn)化的規(guī)律。通過這門分支學(xué)科，我們可以解釋在生命現(xiàn)象之中很多與能量有關(guān)的問題。目前五十六頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點一、幾個基本概念和兩個熱力學(xué)定律

（1）系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)為宇宙之中我們感興趣的任何部分，環(huán)境是指一個系統(tǒng)周圍的任何事物。系統(tǒng)又可以分為孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)。其中，孤立系統(tǒng)與環(huán)境之間不發(fā)生任何形式的物質(zhì)交換和能量交換，封閉系統(tǒng)則可以與環(huán)境之間進行能量的交換，開放系統(tǒng)和環(huán)境之間既可以進行能量交換也可以進行物質(zhì)交換。生命系統(tǒng)應(yīng)該屬于開放系統(tǒng)。目前五十七頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)目前五十八頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（2）能量是指做功的本領(lǐng)。（3）自由能是指一個系統(tǒng)的總能量之中用來做功的那一部分能量，即有用能。（4）熵是指一個系統(tǒng)的無序狀態(tài)。一個系統(tǒng)越有序，它的熵就越低。目前五十九頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（5）焓是指系統(tǒng)的總熱能。（6）熱力學(xué)第一定律即能量守恒定律。（7）熱力學(xué)第二定律是指一個系統(tǒng)的熵傾向于增加或者一個系統(tǒng)做功的能力趨于下降。（8）Gibbs-Helmholtz方程：

ΔG＝ΔH－TΔS目前六十頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點標準條件壓強=101kPa(1atm)溫度=298K(25℃)[底物]&[產(chǎn)物]=1MpH=0(ΔGO

)或7.0(ΔGO＇

)目前六十一頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點二、生化反應(yīng)的方向性與自由能之間的關(guān)系自由能的變化(ΔG)：產(chǎn)物的自由能與反應(yīng)物的自由能之差，與反應(yīng)轉(zhuǎn)變過程無關(guān)。標準自由能的變化(ΔG0)：298K，101.3KPa，反應(yīng)物濃度為1mol/L，pH=0。生化反應(yīng)中標準自由能的變化(ΔG0’)：298K，101.3KPa，反應(yīng)物濃度為1mol/L，pH=7。目前六十二頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點自由能的概念對于研究生物化學(xué)過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體利用的自由能。它不僅可以用來判斷機體內(nèi)某一過程能否自發(fā)進行，而且還可以利用自由能這個函數(shù)來計算反應(yīng)的其它有用參數(shù)。目前六十三頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點在反應(yīng)A＋BC+D中，自由能變化是標準自由能變化與平衡常數(shù)的函數(shù)：

自由能與平衡常數(shù)當(dāng)反應(yīng)達到平衡時，ΔG=0，那么，目前六十四頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點如果一個反應(yīng)的平衡常數(shù)已知，則很容易通過上式計算出該反應(yīng)的標準自由能變化。一個反應(yīng)的ΔG0’確定以后，那么此反應(yīng)在一個給定的非標準條件下的ΔG很容易計算出來。通過計算ΔG，可以判斷一個反應(yīng)在給定條件下進行的方向。目前六十五頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點ΔG<0，則該反應(yīng)可以自發(fā)地進行，此反應(yīng)為放能反應(yīng)。需要特別注意的是：如果ΔG為一個非常大的負值，則表明此反應(yīng)趨于完全，為不可逆反應(yīng)。ΔG＝0，則反應(yīng)處于平衡狀態(tài)，反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度維持不變。目前六十六頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點ΔG>0，則此反應(yīng)不能自發(fā)地進行，除非向此反應(yīng)提供能量，因此該反應(yīng)為需能反應(yīng)。如果ΔG是一個非常大的正值，則意味著整個反應(yīng)物處于一種非常穩(wěn)定的狀態(tài)，反應(yīng)幾乎沒有發(fā)生的可能。目前六十七頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點ΔG<0ΔG=0ΔG>0反應(yīng)達到平衡放能，反應(yīng)自發(fā)進行吸能，反應(yīng)不能自發(fā)進行在AB中，ΔG=ΔB－ΔA目前六十八頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點自發(fā)意味著一個反應(yīng)能發(fā)生（可能性），并不是就發(fā)生（現(xiàn)實性）。G是狀態(tài)函數(shù)：與途徑無關(guān)反應(yīng)速率：依賴于途徑目前六十九頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點三、自由能?G與氧化還原電位?E的關(guān)系一個完整的氧化還原反應(yīng)方程式可以拆開寫成兩個“半反應(yīng)式”，一個是“氧化反應(yīng)”式，一個是“還原反應(yīng)”式．如2Fe3++Cu═2Fe2++Cu2+的拆寫結(jié)果是：氧化反應(yīng)為：Cu-2e-═Cu2+；

還原反應(yīng)為：2Fe3++2e-═2Fe2+．目前七十頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點pH＝7，101.3KPa，25℃，反應(yīng)物濃度為1mol/L，氧化態(tài)與還原態(tài)物質(zhì)與標準氫電極組成原電池測定得到的氧化還原電位。標準氧化還原電位標準氧化還原電位的變化值ΔE0′ΔE0′＝含有氧化劑或電子受體的半反應(yīng)E0′－含有還原劑或電子供體的半反應(yīng)E0′。

?E0’＝E0’電子受體－E0’電子供體目前七十一頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點而非標準條件下的ΔG與同樣條件下的ΔE之間的關(guān)系為：ΔG＝－nFΔE。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：

ΔG0′＝－nFΔE0′

n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)，F(xiàn)是法拉第常數(shù)，為96.48kJ/V·mol，目前七十二頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點目前七十三頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點目前七十四頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點四、細胞內(nèi)的偶聯(lián)反應(yīng)假定一個反應(yīng)A→B，ΔG1＝GB－GA>0，則此反應(yīng)不能自發(fā)地進行，但如果此反應(yīng)通過某種機制與另外一個ΔG2＝GD－GC<0的反應(yīng)C→D偶聯(lián)在一起，而且總的自由能變化ΔG＝ΔG1＋ΔG2<0，則A→B的反應(yīng)照樣可以進行，在這里第二個反應(yīng)釋放出的能量被用來驅(qū)動第一個反應(yīng)。目前七十五頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點G是可以疊加的目前七十六頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點目前七十七頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點偶聯(lián)反應(yīng)的第二種機制是通過特殊的高能生物分子來進行的：其中在第一個反應(yīng)釋放出的自由能中，有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣苌锓肿?如ATP)之中的化學(xué)能貯存起來，而第二個反應(yīng)的進行則由第一個反應(yīng)形成的高能生物分子來驅(qū)動細胞內(nèi)有很多這樣的例子，一般情況是細胞內(nèi)的分解代謝產(chǎn)生生物高能分子，合成反應(yīng)則利用這些高能分子(圖19—2)。目前七十八頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點目前七十九頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點第五節(jié)ATP與其它高能化合物（一）高能化合物的類型1.高能鍵（high-energybond）高能鍵是1941年提出的一個概念，用“~”表示，是指其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，性質(zhì)活潑，自發(fā)水解或基團轉(zhuǎn)移的趨勢很強，當(dāng)其發(fā)生水解或基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)時，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。目前八十頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點“高能鍵”與“鍵能”（energybond）區(qū)別：化學(xué)中的“鍵能”是指斷裂一個化學(xué)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。細胞中重要的高能鍵：高能磷酸鍵和高能硫脂鍵。目前八十一頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點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。目前八十二頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點目前八十三頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點目前八十四頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點目前八十五頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（二）ATP的結(jié)構(gòu)特點及其重要意義ATP（三磷酸腺苷，腺苷三磷酸）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；激烈運動時：每分鐘就消耗0.5kg。ATP是一分子腺嘌呤、一分子核糖和三個相連的磷酸基團構(gòu)成的核苷酸，其結(jié)構(gòu)：目前八十六頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點腺嘌呤核苷酸（AMP）二磷酸腺苷ADP三磷酸腺苷ATP目前八十七頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點意義：（1）ATP是產(chǎn)能反應(yīng)和需能反應(yīng)之間最主要的能量介質(zhì)

放能反應(yīng)通過氧化磷酸化反應(yīng)合成ATP，貯存能量；需能反應(yīng)，則通過ATP水解供應(yīng)之。a.當(dāng)ATP提供能量時，在ATP遠端的γ-磷酸基團水解為無機磷酸分子，ATP失掉一個磷?；兂上佘斩姿?。ATP+H2O→ADP+Pi

（標準自由能變化ΔG0’=-30.514kJ/mol）b.在某些情況下，ATP的α和β磷酸基團之間的高能鍵被水解（即同時水解γ和β-磷酸基團），形成AMP和焦磷酸。ATP+H2O→AMP+PPi（ΔG0’=-32.19kJ/mol）目前八十八頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（2）作為磷酸基團供體參與磷酸化反應(yīng)生化反應(yīng)中，無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具有很活潑的磷酸基團，可作為磷酸基的供體參與細胞中的磷酸化反應(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，易進一步參加反應(yīng)。目前八十九頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（3）ATP參加高能磷酸基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)

ATP在磷酸基團轉(zhuǎn)移中起“中間傳遞體”的作用，故稱“磷酸基團傳遞者”。目前九十頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點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所釋放的大部分自由能，幾乎都保留在這兩個化合物中。在細胞中這兩個化合物并不直接水解，而是通過特殊激酶作用，以轉(zhuǎn)移磷酸基團的形式，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轉(zhuǎn)移給具有較低磷酸基團轉(zhuǎn)移勢能的化合物，例如葡萄糖和甘油，從而生成6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油。目前九十一頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點其中，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-energycompound），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”。目前九十二頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點合成ATP的三種途徑底物水平的磷酸化

—糖酵解氧化磷酸化

—生物氧化光合磷酸化

—光合作用目前九十三頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點目前九十四頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點細胞的正常生理活動需要消耗大量的ATP。所以細胞內(nèi)ATP的周轉(zhuǎn)率非常高。據(jù)估計，一個人在24h內(nèi)水解及再合成的ATP總量相當(dāng)于他的體重。ATP如此高的周轉(zhuǎn)率使得它并不適合充當(dāng)能量的貯存者。例如，肌肉運動時需要消耗大量的ATP，以至于水解ATP的速率遠遠大于重新合成ATP的速率。目前九十五頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點在生物進化的過程中，磷酸肌酸的出現(xiàn)解決了ATP的供需矛盾。在靜息狀態(tài)下，ATP濃度較高，磷酸肌酸作為“黃金儲備”得以大量合成，以備不時之需。當(dāng)ATP水解為ADP和無機磷酸之后，盡管ADP也是高能分子，但機體很少直接使用它作為能量供體．而是通過腺苷酸激酶將ADP轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP。目前九十六頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點磷酸肌酸并不是唯一的貯能物質(zhì)，某些生物(如龍蝦和蟹類)還可以使用磷酸精氨酸代替磷酸肌酸，而某些微生物則使用聚偏磷酸作為貯能物質(zhì)(圖19-4)。一般將磷酸肌酸和磷酸精氨酸通稱為磷酸原。目前九十七頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點磷酸肌酸（哺乳類）磷酸精氨酸（蝦、蟹）磷酸肌酸和磷酸精氨酸這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲存能量的作用目前九十八頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點目前九十九頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點目前一百頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點ATP的合成和利用目前一百零一頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點

GTP、UTP、CTP。其中，GTP對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)運等作為推動力提供自由能；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作用等。（三）其他供能核苷酸目前一百零二頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點目前一百零三頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點

ATP作為自由能的貯存分子，其產(chǎn)生和利用處于動態(tài)平衡中。一般情況下，ATP在形成后一分鐘內(nèi)就會被利用，故嚴格說來ATP不是能量的貯存形式，而是傳遞能量的物質(zhì)。細胞能量狀態(tài)的表示方法：能荷（energycharge）。（四）ATP系統(tǒng)的動態(tài)平衡目前一百零四頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點目前一百零五頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點第六節(jié)生物氧化與氧化磷酸化生物氧化與非生物氧化反應(yīng)的比較生物體內(nèi)發(fā)生的氧化反應(yīng)通稱為生物氧化。兩者的共同之處：⑴反應(yīng)的本質(zhì)都是脫氫、失電子或加氧；⑵被氧化的物質(zhì)相同，終產(chǎn)物和釋放的能量也相同。兩者的主要差別：⑴生物氧化的主要方式為脫氫；⑵生物氧化在酶的催化下進行，因此條件比較溫和；⑶生物氧化是在一系列酶、輔酶（輔基）和電子傳遞體的作用下逐步進行的，每一步釋放一部分能量。

目前一百零六頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點

在需氧生物體內(nèi)，糖類、脂肪和蛋白質(zhì)等代謝物經(jīng)生物氧化的終產(chǎn)物均為H2O和CO2。其中CO2由生物氧化中形成的含有羧基的中間物經(jīng)脫羧反應(yīng)產(chǎn)生。H2O的形成比較復(fù)雜。一般是由代謝物脫下來的氫經(jīng)電子傳遞體先形成質(zhì)子，失去的電子經(jīng)一系列電子傳遞體傳給02形成氧負離子，最后質(zhì)子與氧負離子結(jié)合生成H2O。目前一百零七頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點

以葡萄糖為例，它在細胞內(nèi)需要經(jīng)歷幾十步反應(yīng)才能最終氧化成CO2和

H2O。而在細胞外的非生物氧化即燃燒幾乎是“一蹴而就”的，一把火可在頃刻間將其氧化成CO2和

H2O。生物氧化所具有的這一特征的優(yōu)點在于：既可以防止能量的驟然釋放而損害有機體，又可以讓機體更好地捕獲能量合成ATP。

目前一百零八頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點一、生物氧化1.定義：有機物在生物細胞內(nèi)進行氧化分解而生成CO2和H2O并釋放能量的過程。又稱細胞氧化或細胞呼吸。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)被氧化時總伴隨能量的釋放。目前一百零九頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點3.特點：生物氧化是在活細胞內(nèi)進行的,它與體外的直接氧化相比又有許多不同的特點:有機物在生物體內(nèi)完全氧化與在體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)境中進行；是在一系列酶、輔酶和中間傳遞體的作用下逐步進行的；氧化反應(yīng)分階段進行,能量逐步釋放,既避免了能量驟然釋放對機體的損害,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)生命活動需要時再釋放出來。4.類型：生物氧化是在一系列氧化-還原酶催化下分步進行的。每一步反應(yīng)，都由特定的酶催化。在生物氧化過程中，主要包括如下幾種氧化類型：目前一百一十頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點目前一百一十一頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點5.酶類：催化生物氧化的酶習(xí)慣上分為不需氧脫氫酶、需氧脫氫酶、氧化酶、過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目前一百一十二頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（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+

目前一百一十三頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（3）氧化酶類：不能從底物上脫氫，只能奪取底物上的電子對，并激活氧分子生成水。還原型底物

SH2氧化型底物

S2Cu2+

2Cu+

1/2O22-

1/2O2氧化酶H2O2e2H+

目前一百一十四頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（4）電子遞體：專門負責(zé)傳遞不需氧脫氫酶脫下來的電子（有的也傳遞質(zhì)子）的酶類（詳見呼吸鏈）。H2O12O2O2-MH2還原型代謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+

細胞色素b-c-c1-aa3

FeS2H+M氧化型代謝底物2e目前一百一十五頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點6.CO2的生成：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(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：α-脫羧和β-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CH2-NH2R目前一百一十六頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點7.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，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+

乙醇脫氫酶例：NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO=2H+1/2

O2目前一百一十七頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點二、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。在真核生物細胞內(nèi)，它位于線粒體內(nèi)膜上，原核生物中，它位于細胞膜上。目前一百一十八頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點線粒體目前一百一十九頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點目前一百二十頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點2.呼吸鏈的組成NADH輔酶Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黃素蛋白（FAD）黃素蛋白（FMN）細胞色素類鐵硫蛋白（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（iron—sulfurproteins)輔酶Ｑ（ubiquinone,亦寫作CoQ）細胞色素類（簡寫作Cyt）目前一百二十一頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點NADH呼吸鏈NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等復(fù)合物II復(fù)合物IV復(fù)合體I復(fù)合物IIINADH脫氫酶細胞色素還原酶細胞色素氧化酶琥珀酸-輔酶Q還原酶FADH2呼吸鏈目前一百二十二頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點電子傳遞鏈標準氧化還原電位變化NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等復(fù)合物II復(fù)合物IV復(fù)合體I復(fù)合物IIINADH脫氫酶細胞色素還原酶細胞色素氧化酶琥珀酸-輔酶Q還原酶-0.2-0.400.20.40.60.8E0/V目前一百二十三頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點NADH呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化總反應(yīng):

NADH+H++1/2O2→NAD++H2O

ΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07kJ·mol-1總反應(yīng)：FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.18)]=-193.0kJ·mol-1FADH2呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化目前一百二十四頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（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。目前一百二十五頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（2）黃素蛋白酶類以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為膜的組成蛋白，遞氫機理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶目前一百二十六頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（3）鐵-硫蛋白類含鐵硫絡(luò)合物的蛋白，又稱非血紅鐵蛋白。通過鐵的價態(tài)變化而傳遞電子。目前一百二十七頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點三類鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)和傳遞電子的功能目前一百二十八頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（4）輔酶Ｑ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。目前一百二十九頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點（5）細胞色素類是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環(huán)的中心，構(gòu)成血紅素。各種細胞色素的輔基結(jié)構(gòu)略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有細胞色素a,a3、b,c和c1等。cytb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。目前一百三十頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點Cytc和c1目前一百三十一頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點細胞色素氧化酶傳遞電子機理：

+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+

－e－e

目前一百三十二頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點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+細胞色素b-c1-c-aa3

FeS2H+M氧化型代謝底物FADH2呼吸鏈電子傳遞和水的生成2eH2OFADFADH2琥珀酸

FeS2Fe2+2Fe3+細胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+延胡索酸2eNADH呼吸鏈電子傳遞和水的生成目前一百三十三頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點如何確定呼吸鏈各組分的排列順序測定各成分的標準氧化還原電位（E0＇）根據(jù)在有氧環(huán)境下氧化反應(yīng)達到平衡時各電子傳遞體的還原程度來確定使用特異性呼吸鏈抑制劑和人工電子受體呼吸鏈的拆分和重組目前一百三十四頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點

E0‘值表示一種物質(zhì)的氧化還原能力，

E0’值越小，其還原性越強，更容易被氧化；

E0‘值越大，其氧化性越強，更容易被還原

(表20一1)。呼吸鏈中各種組分的排列順序應(yīng)當(dāng)由低E0＇依次向高E0＇排列。由于各傳遞體在體外測得的E0‘值與它們在內(nèi)膜環(huán)境上實際的E0’值可能有出入，對于此方法得出的結(jié)論必須謹慎對待。目前一百三十五頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點電子傳遞體的標準氧化還原電位

還原反應(yīng)（半反應(yīng)）E0＇/V2H++2e－

→H2－0.414NAD++H++2e－

→NADH

＋－0.320NADH脫氫酶（FMN）+2H++2e－

→NADH脫氫酶（FMNH2）－0.30CoQ+2H++2e－

→

CoQH20.045細胞色素b（Fe3＋）+e－

→細胞色素b（Fe2＋）0.077細胞色素c（Fe3＋）+e－

→細胞色素c（Fe2＋）0.22細胞色素c1（Fe3＋）+e－

→細胞色素c1（Fe2＋）0.254細胞色素a（Fe3＋）+e－

→細胞色素a（Fe2＋）0.29細胞色素a3（Fe3＋）+e－

→細胞色素a3（Fe2＋）0.551/2O2

＋2H++2e－

→H2O0.816目前一百三十六頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點電子傳遞體在呼吸鏈中的位置與其E0'之間的關(guān)系目前一百三十七頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點電子傳遞鏈的抑制劑目前一百三十八頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點幾種呼吸鏈抑制劑的作用位點目前一百三十九頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點電子傳遞抑制劑

NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸復(fù)合物II復(fù)合物IV復(fù)合物I復(fù)合物III魚藤酮安密妥抗霉素A氰化物CO抗霉素A的抑制部位NADFPQbcaa3NADFPQbcaa3呼吸鏈的比擬圖解目前一百四十頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點呼吸鏈是以復(fù)合體的形式組織在一起的。其中NAD+呼吸鏈由復(fù)合體I、Ⅲ、Ⅳ以及兩種流動的電子傳遞體CoQ和細胞色素C共同組成，F(xiàn)AD呼吸鏈則由復(fù)合體Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ以及同樣的兩種流動的電子傳遞體共同組成。CoQ在復(fù)合體I和Ⅲ或復(fù)合體Ⅱ和Ⅲ之間傳遞電子，細胞色素C在復(fù)合體Ⅲ和Ⅳ之問傳遞電子。

目前一百四十一頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點電子到達每一個復(fù)合體以后，先沿著內(nèi)部的環(huán)路進行傳遞，再通過流動的電子傳遞體傳給下一個復(fù)合體。NAD+呼吸鏈電子傳遞的方向是：復(fù)合體I—CoQ—復(fù)合體Ⅲ—細胞色素C—復(fù)合體Ⅳ—O2。FAD呼吸鏈電子傳遞的方向是：復(fù)合體Ⅱ—CoQ—復(fù)合體Ⅲ—細胞色素C—復(fù)合體Ⅳ—O2。目前一百四十二頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點電子在各復(fù)合體之間的傳遞目前一百四十三頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點復(fù)合體I、II、III和IV的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)復(fù)合體別名大小(×106)多肽鏈的數(shù)目輔酶或輔基是非產(chǎn)生質(zhì)子抑制劑在內(nèi)膜上的相對比率INADH-CoQ還原酶或NADH脫氫酶0.7～0.9〉30FMN、鐵硫蛋白是魚藤酮、安米妥、殺粉菌素1II琥珀酸-CoQ還原酶0.144～5FAD、鐵硫蛋白、血紅素b非萎銹靈(carboxin)2IIICoQ-細胞色素c還原酶0.2511血紅素b、血紅素c、鐵硫蛋白是抗霉素A3IV細胞色素c氧化酶0.16～0.1713Cu、血紅素a是CO、H2S、CN－、疊氮化物6～74.復(fù)合體I、II、III和IV的結(jié)構(gòu)與功能

目前一百四十四頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點

NADH-CoQ氧化還原酶接受來自NADH的e-，NADH只能參與雙電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)輔助因子：1FMN，6-7Fe-S蛋白2e-

轉(zhuǎn)移導(dǎo)致4質(zhì)子泵入到膜間隙復(fù)合體I目前一百四十五頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點電子在復(fù)合體I上的傳遞目前一百四十六頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點復(fù)合物II琥珀酸-CoQ氧化還原酶主要成分為琥珀酸脫氫酶FAD和Fe-S蛋白作為電子傳遞體，還有細胞色素b電子來自琥珀酸，最后傳給CoQ電子傳遞不產(chǎn)生跨膜質(zhì)子梯度目前一百四十七頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點目前一百四十八頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點

CoQ—細胞色素c氧化還原酶或細胞色素bc1復(fù)合物主要成分包括：Fe-S蛋白、細胞色素b和c1電子來自CoQH2，最后傳給細胞色素c一對電子可產(chǎn)生4個質(zhì)子梯度復(fù)合體III目前一百四十九頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點目前一百五十頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點復(fù)合體IV

細胞色素c氧化酶有4個氧還中心主要成分為細胞色素a和a3電子來自還原性的細胞色素c，電子的最終受體為氧氣一對電子可產(chǎn)生2個質(zhì)子梯度

目前一百五十一頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點電子在復(fù)合體IV上的傳遞目前一百五十二頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點三、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)機理5.氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制目前一百五十三頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點在正常情況下，線粒體內(nèi)膜上或原核生物質(zhì)膜上的呼吸鏈與氧化磷酸化是緊密偶聯(lián)的。這種偶聯(lián)有兩個方面的含義：一是電子在呼吸鏈上傳遞的時候必然發(fā)生氧化磷酸化；二是只有發(fā)生氧化磷酸化，電子才可能在呼吸鏈上進行傳遞。一旦呼吸鏈被阻斷，氧化磷酸化就被抑制，同樣，氧化磷酸化被抑制，電子也不可能在呼吸鏈上正常地傳遞。目前一百五十四頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點1.氧化磷酸化代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用于合成ATP，即ADP+Pi→ATP這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化。類別有底物水平磷酸化、電子傳遞水平磷酸化。目前一百五十五頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點

底物水平磷酸化是在被氧化的底物上發(fā)生磷酸化作用。即底物被氧化的過程中，形成了某些高能磷酸化合物的中間產(chǎn)物，通過酶的作用可使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)過電子傳遞體系(呼吸鏈)傳遞給氧形成水時，同時伴有ADP磷酸化為ATP的全過程。通常所說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目前一百五十六頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點2.磷氧比（P/O）

呼吸過程中無機磷酸（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程中，每傳遞一對電子消耗一個氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的數(shù)值相當(dāng)于一對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。目前一百五十七頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點3.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)

低高目前一百五十八頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點

ΔG0’=-nFΔE0’合成ATP需自由能30.54KJ/mol，經(jīng)計算可以得知，NADH呼吸鏈上有三個部位可以滿足這個條件，F(xiàn)ADH2呼吸鏈上有兩個部位可以滿足。（2）ATP產(chǎn)生的部位p272NADHCoQ：ΔG0’=-2×96.5×0.36=-69.5KJ/molCoQCytc：ΔG0’=

-2×96.5×0.19=-36.7KJ/molCytcO2：ΔG0’=

-2×96.5×0.58=-112KJ/mol目前一百五十九頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點4.氧化磷酸化的偶聯(lián)機理p275（1）能量偶聯(lián)假說

1953年EdwardSlater化學(xué)偶聯(lián)假說

1964年P(guān)aulBoyer構(gòu)象偶聯(lián)假說1961年P(guān)eterMitchell化學(xué)滲透假說1978年獲諾貝爾化學(xué)獎（2）ATP合成的機制目前一百六十頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點化學(xué)滲透假說

(chemiosmotichypothasis)電子傳遞的自由能驅(qū)動H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進入到膜間隙，從而形成H+跨線粒體內(nèi)膜的電化學(xué)梯度，這個梯度的電化學(xué)勢(ΔH+)驅(qū)動ATP的合成。內(nèi)膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基質(zhì)膜間隙電子傳遞鏈目前一百六十一頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點化學(xué)滲透學(xué)說圖解目前一百六十二頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點化學(xué)滲透學(xué)說：電子在沿著呼吸鏈向下游傳遞的時候，釋放的自由能轉(zhuǎn)化為跨線粒體內(nèi)膜（或跨細菌質(zhì)膜）的質(zhì)子梯度，質(zhì)子梯度中蘊藏的電化學(xué)勢能直接用來驅(qū)動ATP的合成。驅(qū)動ATP合成的質(zhì)子梯度通常被稱為質(zhì)子驅(qū)動力（pmf），它由化學(xué)勢能（質(zhì)子的濃度差）和電勢能（內(nèi)負外正）兩部分組成。目前一百六十三頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點質(zhì)子驅(qū)動力正側(cè)負側(cè)目前一百六十四頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點化學(xué)滲透假說原理示意圖4H+4H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+

ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2e-__________質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜磷酸化

氧化

+++++++++目前一百六十五頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點H2O2H+CytcCytcCytcQFMNFeSFeSCytc1CytbLCytbHCytaFeSCyta32e-2e-NADH+H+NAD+O2+2H+H2O4H+4H+2H+12線粒體電子傳遞和H+排出的數(shù)目和途徑目前一百六十六頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點支持化學(xué)滲透學(xué)說的主要證據(jù)氧化磷酸化的進行需要完整的線粒體內(nèi)膜的存在使用精確的pH計可以檢測到跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度存在。據(jù)測定，一個呼吸活躍的線粒體的膜間隙的pH要比其基質(zhì)的pH低0.75個單位。破壞質(zhì)子驅(qū)動力的化學(xué)試劑能夠抑制ATP的合成從線粒體內(nèi)膜純化得到一種酶能夠直接利用質(zhì)子梯度合成ATP，此酶稱為F1F0-ATP合酶。人工建立的跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度也可驅(qū)動ATP的合成目前一百六十七頁\總數(shù)一百九十一頁\編于一點F1/F0ATP合酶質(zhì)子通過這種蛋白質(zhì)的擴散驅(qū)動ATP合成和釋放

兩個部分:F1和F0

F1

催化單元——由5種亞基組成（a3b3gde）