新陳代謝總論與生物氧化

1、新陳代謝總論與生物氧化教學(xué)目標(biāo)：1. 掌握新陳代謝的概念與特點，了解新陳代謝研究方法。了解生物體內(nèi)能量代謝的基 本規(guī)律。2. 掌握生物氧化的概念、特點、部位，主要酶類和體系。熟悉生物氧化中二氧化碳、 水的生成，掌握呼吸鏈的組成、類型和傳遞體順序。3. 掌握氧化磷酸化的概念、類型、偶聯(lián)部位和 p/o 比值，熟悉影響氧化磷酸化因素、 胞液中 nadh 的氧化和偶聯(lián)機制。第一節(jié) 新陳代謝總論一、新陳代謝的概念與特點生物體是一個與環(huán)境保持著物質(zhì)、能量和信息交換的開放體系。通過物質(zhì)交換建造和修 復(fù)生物體(按人的一生計,交換物質(zhì)的總量約為體重的 1200 倍,人體所含的物質(zhì)平均每 10 天更 新一半)。通

2、過能量交換推動生命運動，通過信息交換進行調(diào)控，保持生物體和環(huán)境的適應(yīng)。新陳代謝(metabolism)是指生物與外界環(huán)境進行物質(zhì)交換和能量交換的全過程。包括生 物體內(nèi)所發(fā)生的一切合成和分解作用(即同化作用和異化作用)。人和動物的物質(zhì)代謝分為三個階段：食物、水、空氣進入機體(攝取營養(yǎng)物的消化和吸 收)、中間代謝和代謝產(chǎn)物的排泄。中間代謝是指物質(zhì)在細(xì)胞中的合成與分解過程，合成是 吸能反應(yīng)，分解是放能反應(yīng)。它們是矛盾對立和統(tǒng)一的。所以，新陳代謝的功能是：從周圍 環(huán)境中獲得營養(yǎng)物質(zhì);將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨硇枰慕Y(jié)構(gòu)元件;將結(jié)構(gòu)元件裝配成自身的大 分子;形成或分解生物體特殊功能所需的生物分子;提供機體生命

3、活動所需的一切能量。各種生物具有各自特異的新陳代謝類型，這決定于遺傳和環(huán)境條件。綠色植物及某些細(xì) 菌有光合作用，若干種細(xì)菌有固氮作用，是自養(yǎng)型的;動物與人是異養(yǎng)生物，同化作用必須 從外界攝取營養(yǎng)物質(zhì)，通過消化吸收進入中間代謝。同一生物體的各個器官或不同組織還具 有不同的代謝方式。各種生物的新陳代謝過程雖然復(fù)雜，卻有共同的特點：1. 生物體內(nèi)的絕大多數(shù)代謝反應(yīng)是在溫和條件下，由酶催化進行的。2. 物質(zhì)代謝通過代謝途徑，在一定的部位，嚴(yán)格有序地進行。各種代謝途徑彼此協(xié)調(diào)組 成有規(guī)律的反應(yīng)體系(網(wǎng)絡(luò))。3. 生物體對內(nèi)外環(huán)境條件有高度的適應(yīng)性和靈敏的自動調(diào)節(jié)。二、新陳代謝的研究方法代謝途徑的研究比較

4、復(fù)雜，可從不同水平，主要對中間代謝進行研究。新陳代謝途徑的 闡明凝集了許多科學(xué)家的智慧與實驗成果。如 1904 年德國化學(xué)家 knoop 提出的脂肪酸的 氧化學(xué)說，1937 年 krebs 提出的檸檬酸循環(huán)。1. 活體內(nèi)(in vivo)和活體外(in vitro)實驗2. 同位素示蹤法和核磁共振波譜法(nmr)3. 代謝途徑阻斷法三、生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律1. 服從熱力學(xué)原理。熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律，熱力學(xué)第二定律指出，熱的傳導(dǎo) 自高溫流向低溫。機體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)朝著達(dá)到其平衡點的方向進行。2. 生化反應(yīng)最重要的熱力學(xué)函數(shù)是吉布斯自由能 g 。自由能是在恒溫、恒壓下，一個 體系作有用

5、功的能力的度量。用于判斷反應(yīng)可否自發(fā)進行，是放能或耗能反應(yīng)。g0，反應(yīng)不能自發(fā)進行，吸收能量才推動反應(yīng)進行。g=0，體系處在平衡狀態(tài)。自由能與另外兩個函數(shù)有關(guān)，g=h - ts(h 是總熱量的變化，s 是總熵的改變，t 是體系的絕對溫度)。標(biāo)準(zhǔn)自由能變化用 go表示(25oc，1 個大氣壓，ph 為 7，反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度為 1mol/l 時所測得，單位是 kj/mol)。3.go和化學(xué)平衡的關(guān)系g = go+ rt lncd/abg=0 時，go= - rtlncd/ab= -rtlnk= -2.303rtlgk(r 為氣體常數(shù)，lnk 為平衡常數(shù)的自然對數(shù)。k1，go為負(fù)值，反應(yīng)趨于生成物的

6、 方向進行;k1，go為正值。)注意：g 只取決于產(chǎn)物與反應(yīng)物的自由能之差，與反應(yīng)歷程無關(guān)?？傋杂赡茏兓扔?各步反應(yīng)自由能變化的代數(shù)和。熱力學(xué)上不利的吸能反應(yīng)可以偶聯(lián)放能反應(yīng)來推動以保持代 謝途徑一連串反應(yīng)的進行。四、高能化合物與 atp 的作用高能化合物(high-energy compound)指化合物含有的自由能特多，且隨水解反應(yīng)或基團轉(zhuǎn) 移反應(yīng)釋放。最重要的有高能磷酸化合物，還有硫酯類和甲硫類高能化合物。高能磷酸化合 物的酸酐鍵常用p 表示，水解時釋放的自由能大于 20kj，稱為高能磷酸鍵。生化中“高能 鍵”的含義與化學(xué)中的“鍵能”完全不同?！版I能”指斷裂一個化學(xué)鍵需提供的能量。at

7、p 是細(xì)胞內(nèi)特殊的自由能載體。在標(biāo)準(zhǔn)狀況，atp 水解為 adp 和 pi 的 go=-30kj/mol， 水解為 amp 和 ppi 的 go=-32kj/mol。atp 的 go在所有的含磷酸基團的化合物中處于 中間位置，這使 atp 在機體起作中間傳遞能量的作用，稱之能量的共同中間體。機體內(nèi)一 些在熱力學(xué)上不可能發(fā)生的反應(yīng)，只需與 atp 分子的水解相偶聯(lián)，就可使其進行。所以說， atp 又是生物細(xì)胞能量代謝的偶聯(lián)劑。從低等的單細(xì)胞生物到高等的人類，能量的釋放、儲存和利用都是以 atp 為中心。atp 是整個生命世界能量交換的通用貨幣。atp 是能量的攜帶者或傳遞者，而不是儲存者。在 脊

8、椎動物中起能量儲存的是磷酸肌酸(phosphoccreatine，pc)，在無脊椎動物中是磷酸精氨酸。atp 和其他的核苷三磷酸gtp、utp、ctp 常稱作富含能量的代謝物。它們幾乎有 相同的水解(或形成)的標(biāo)準(zhǔn)自由能，核苷酸之間的磷?；鶊F的轉(zhuǎn)移的平衡常數(shù)接近 1.0，所 以計算物質(zhì)代謝能量時，消耗的其他核苷三磷酸用等價的 atp 表示。第二節(jié) 生物氧化一、生物氧化的概念、特點和部位1. 概念：有機物質(zhì)在生物體細(xì)胞內(nèi)氧化分解產(chǎn)生二氧化碳、水，并釋放出大量能量的過 程稱為生物氧化(biological oxidation)。又稱細(xì)胞呼吸或組織呼吸。2. 特點：生物氧化和有機物質(zhì)體外燃燒在化學(xué)本

9、質(zhì)上是相同的，遵循氧化還原反應(yīng)的一 般規(guī)律，所耗的氧量、最終產(chǎn)物和釋放的能量均相同。(1) 在細(xì)胞內(nèi)，溫和的環(huán)境中經(jīng)酶催化逐步進行。(2) 能量逐步釋放。一部分以熱能形式散發(fā)，以維持體溫，一部分以化學(xué)能形式儲存供 生命活動能量之需(約 40%)。(3) 生物氧化生成的 h2o 是代謝物脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生，h2o 也直接參與生物氧化反 應(yīng);co2 由有機酸脫羧產(chǎn)生。(4) 生物氧化的速度由細(xì)胞自動調(diào)控。3.部位：在真核生物細(xì)胞內(nèi)，生物氧化都是在線粒體內(nèi)進行，原核生物則在細(xì)胞膜上進 行。二、生物氧化的酶類和體系1.酶類：重要的為氧化酶和脫氫酶兩類，脫氫酶尤為重要。氧化酶為含銅或鐵的蛋白質(zhì)，能激活

10、分子氧，促進氧對代謝物的直接氧化，只能以氧為 受氫體，生成水。重要的有細(xì)胞色素氧化酶，可使還原型氧化成氧化型，亦可將氫放出的電 子傳遞給分子氧使其活化。心肌中含量甚多。此外還有過氧化物酶、過氧化氫酶等。脫氫酶分需氧脫氫酶和不需氧脫氫酶。前者可激活代謝物分子中的氫，與分子氧結(jié)合， 產(chǎn)生過氧化氫。在無分子氧時，可利用亞甲藍(lán)為受氫體。需氧脫氫酶皆以 fma 或 fad 為 輔酶。不需氧脫氫酶可激活代謝物分子中的氫，使脫出的氫轉(zhuǎn)移給遞氫體或非分子氧。一般 在無氧或缺氧環(huán)境下促進代謝物氧化。大部分以 nad 或 nadp 為輔酶。2.體系：有不需傳遞體和需傳遞體的兩種體系。不需傳遞體的最簡單，在微粒體、

11、過氧化酶體及胞液中代謝物經(jīng)氧化酶或需氧脫氫酶作 用后脫出的氫給分子氧生成水或過氧化氫。其特點是不伴磷酸化，不生成 atp，主要與體 內(nèi)代謝物、藥物和毒物的生物轉(zhuǎn)化有關(guān)。需傳遞體的最典型的是呼吸鏈。是在線粒體經(jīng)多酶體系催化，即通過電子傳遞鏈完成， 與 atp 的生成相關(guān)。三、生物氧化中二氧化碳的生成生物氧化中 co2 的生成是代謝中有機酸的脫羧反應(yīng)所致。有直接脫羧和氧化脫羧兩種 類型。按脫羧基的位置又有 -脫羧和 -脫羧之分。請判斷以下脫羧反應(yīng)的類型?四、生物氧化中水的生成(一)呼吸鏈的概念和類型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，最后與激活的氧結(jié)合生 成水的全部體系，此過程

12、與細(xì)胞呼吸有關(guān)，所以將此傳遞鏈稱為呼吸鏈(respiratory chain)或 電子傳遞鏈(electron transfer chain)。在呼吸鏈中，酶和輔酶按一定順序排列在線粒體內(nèi)膜上。其中傳遞氫的酶或輔酶稱為遞 氫體，傳遞電子的酶或輔酶稱為電子傳遞體。遞氫體和電子傳遞體都起著傳遞電子的作用 (2h2h+2e)。生物體內(nèi)的呼吸鏈有多種型式。人體細(xì)胞線粒體內(nèi)最重要的有兩條，即 nadh 氧化呼 吸鏈和琥珀酸氧化呼吸鏈。它們的初始受氫體、生成 atp 的數(shù)量及應(yīng)用有差別。nadh 氧 化呼吸鏈應(yīng)用最廣，糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)分解代謝中的脫氫氧化反應(yīng)，絕大多數(shù)是通過 該呼吸鏈來完成的。琥珀酸

13、氧化呼吸鏈在 q 處與上述 nadh 氧化呼吸鏈途徑交匯。其脫氫 黃酶只能催化某些代謝物脫氫，不能催化 nadh 或 nadph 脫氫。(二)呼吸鏈的組成組成呼吸鏈的成分已發(fā)現(xiàn) 20 余種，分為 5 大類。1.輔酶和輔酶輔酶(nad+或 co)為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸。輔酶(nadp+或 co)為煙酰胺腺 嘌呤二核苷酸磷酸。它們是不需氧脫氫酶的輔酶，分子中的煙酰胺部分，即維生素pp 能可 逆地加氫還原或脫氫氧化，是遞氫體。以 nad+作為輔酶的脫氫酶占多數(shù)。2.黃素酶黃素酶的種類很多，輔基有 2 種，即 fmn 和 fad。fmn 是 nadh 脫氫酶的輔基，fad 是琥珀酸脫氫酶的輔基，都是以

14、核黃素為中心構(gòu)成的，其異咯嗪環(huán)上的第 1 位及第 5 位兩個 氮原子能可逆地進行加氫和脫氫反應(yīng)，為遞氫體。3.鐵硫蛋白分子中含有非血紅素鐵和對酸不穩(wěn)定的硫，因而常簡寫為 fes 形式。在線粒體內(nèi)膜上， 常與其他遞氫體或遞電子體構(gòu)成復(fù)合物，復(fù)合物中的鐵硫蛋白是傳遞電子的反應(yīng)中心，亦稱 鐵硫中心，與蛋白質(zhì)的結(jié)合是通過 fe 與 4 個半胱氨酸的 s 相連接。4.泛醌(又名輔酶 q)一類廣泛分布于生物界的脂溶性醌類化合物。分子中的苯醌為接受和傳遞氫的核心，其 c-6 上帶有異戊二烯為單位構(gòu)成的側(cè)鏈，在哺乳動物，這個長鏈為 10 個單位，故常以 q10 表示。5.細(xì)胞色素類細(xì)胞色素(cytochrom

15、e, cyt)是一類以鐵卟啉為輔基的結(jié)合蛋白質(zhì)，存在于生物細(xì)胞內(nèi)， 因有顏色而得名。已發(fā)現(xiàn)的有 30 多種，按吸收光譜分 a、b、c 三類，每類又有好多種。cyta 和 a3 結(jié)合緊，迄今尚未分開，故寫成 aa3，位于呼吸鏈的終末部位，其輔基為血 紅素 a，傳遞電子的機制是以輔基中鐵價的變化 fe3+ fe2+，a3 還含有銅離子，把電子直 接交給分子氧 cu+ cu2+，所以 a3 又稱細(xì)胞色素氧化酶。a3 中的鐵原子可以與氧結(jié)合， 也可以與氰化物離子(cn)、co 等結(jié)合，這種結(jié)合一旦發(fā)生，a3 便失去使氧還原的能力， 電子傳遞中止，呼吸鏈阻斷，導(dǎo)致機體不能利用氧而窒息死亡。(三)呼吸鏈中

16、傳遞體的順序呼吸鏈中氫和電子的傳遞有著嚴(yán)格的順序和方向。根據(jù)氧化還原原理，氧化-還原電勢 e 是物質(zhì)對電子親和力的量度，電極電位的高低反映電子得失的傾向，e o值愈低的氧還對(a/ah2)釋放電子的傾向愈大，愈容易成為還原劑而排在呼吸鏈的前面。所以 nadh 還原能 力最強，氧分子的氧化能力最強。電子的自發(fā)流向是從電極電位低的物質(zhì)(還原態(tài))到電位高 的氧化態(tài)，目前一致認(rèn)可的是按標(biāo)準(zhǔn)氧還電位遞增值依次排列。電子由 nadh 的傳遞到氧分子通過 3 個大的蛋白質(zhì)復(fù)合體，即 nadh 脫氫酶、細(xì)胞色 素 bc1 復(fù)合體和細(xì)胞色素氧化酶到氧(又稱復(fù)合體、)。電子從 fadh2 的傳遞是通 過琥珀酸-輔

17、酶 q 還原酶(復(fù)合體)經(jīng) q、復(fù)合體、到氧(琥珀酸-輔酶 q 還原酶催化的 反應(yīng)的自由能變化太小)。第三節(jié) 氧化磷酸化一、氧化磷酸化的概念和偶聯(lián)部位1. 概念：氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指在生物氧化中伴隨著 atp 生成的作 用。有代謝物連接的磷酸化和呼吸鏈連接的磷酸化兩種類型。即 atp 生成方式有兩種。一 種是代謝物脫氫后，分子內(nèi)部能量重新分布，使無機磷酸酯化先形成一個高能中間代謝物， 促使 adp 變成 atp。這稱為底物水平磷酸化。如 3-磷酸甘油醛氧化生成 1，3-二磷酸甘油 酸，再降解為 3-磷酸甘油酸。另一種是在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)

18、atp 的生成。生物體 內(nèi) 95%的 atp 來自這種方式。2. 偶聯(lián)部位：根據(jù)實驗測定氧的消耗量與 atp 的生成數(shù)之間的關(guān)系以及計算氧化還原 反應(yīng)中 go和電極電位差 e 的關(guān)系可以證明。p/o 比值是指代謝物氧化時每消耗 1 摩爾氧原子所消耗的無機磷原子的摩爾數(shù)，即合成 atp 的摩爾數(shù)。實驗表明， nadh 在呼吸鏈被氧化為水時的 p/o 值約等于 3，即生成 3 分 子 atp;fadh2 氧化的 p/o 值約等于 2，即生成 2 分子 atp。氧-還電勢沿呼吸鏈的變化是每一步自由能變化的量度。根據(jù) go= - nfe o(n 是電子 傳遞數(shù),f 是法拉第常數(shù))，從 nadh 到 q

19、 段電位差約 0.36v，從 q 到 cytc 為 0.21v，從 aa3 到分子氧為 0.53v，計算出相應(yīng)的 go分別為 69.5、40.5、102.3kj/mol。于是普遍認(rèn)為下述 3 個部位就是電子傳遞鏈中產(chǎn)生 atp 的部位。nadhnadh 脫氫酶q 細(xì)胞色素 bc1 復(fù)合體cytc aa3o2二、胞液中 nadh 的氧化糖代謝中的三羧酸循環(huán)和脂肪酸 -氧化是在線粒體內(nèi)生成 nadh(還原當(dāng)量)，可立即通 過電子傳遞鏈進行氧化磷酸化。在細(xì)胞的胞漿中產(chǎn)生的 nadh ，如糖酵解生成的 nadh 則 要通過穿梭系統(tǒng)(shuttle system)使 nadh 的氫進入線粒體內(nèi)膜氧化。(

20、一)-磷酸甘油穿梭作用這種作用主要存在于腦、骨骼肌中，載體是 -磷酸甘油。胞液中的 nadh 在 -磷酸甘油脫氫酶的催化下，使磷酸二羥丙酮還原為 -磷酸甘油， 后者通過線粒體內(nèi)膜，并被內(nèi)膜上的 -磷酸甘油脫氫酶(以 fad 為輔基)催化重新生成磷酸 二羥丙酮和 fadh2，后者進入琥珀酸氧化呼吸鏈。葡萄糖在這些組織中徹底氧化生成的 atp 比其他組織要少，1 摩爾 g36 摩爾 atp。(二)蘋果酸-天冬氨酸穿梭作用主要存在肝和心肌中。1 摩爾 g38 摩爾 atp胞液中的 nadh 在蘋果酸脫氫酶催化下，使草酰乙酸還原成蘋果酸，后者借助內(nèi)膜上 的 -酮戊二酸載體進入線粒體，又在線粒體內(nèi)蘋果酸

21、脫氫酶的催化下重新生成草酰乙酸和 nadh。nadh 進入 nadh 氧化呼吸鏈，生成 3 分子 atp。草酰乙酸經(jīng)谷草轉(zhuǎn)氨酶催化生 成天冬氨酸，后者再經(jīng)酸性氨基酸載體轉(zhuǎn)運出線粒體轉(zhuǎn)變成草酰乙酸。三、氧化磷酸化偶聯(lián)機制(一)化學(xué)滲透假說(chemiosmotic hypothesis)1961 年，英國學(xué)者 peter mitchell 提出化學(xué)滲透假說(1978 年獲諾貝爾化學(xué)獎)，說明了 電子傳遞釋出的能量用于形成一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度(h+梯度)，這種梯度驅(qū)動 atp 的合成。這一過程概括如下：1. nadh 的氧化，其電子沿呼吸鏈的傳遞，造成 h+ 被 3 個 h+ 泵，即 nadh 脫氫酶、 細(xì)胞色素 bc1 復(fù)合體和細(xì)胞色素氧化酶從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜泵入膜間隙。2. h+ 泵出，在膜間隙產(chǎn)生一高的 h+ 濃度，這不僅使