生物化學(xué)簡明教程第四版08新陳代謝總論和生物氧化

1、8 8 新陳代謝總論與生物氧化新陳代謝總論與生物氧化 主要內(nèi)容：介紹新陳代謝的概念和研究方法，主要內(nèi)容：介紹新陳代謝的概念和研究方法，生物能力學(xué)的基本內(nèi)容和高能化合物的概念和特生物能力學(xué)的基本內(nèi)容和高能化合物的概念和特點。點。重點討論線粒體電子傳遞體系的組成、電子重點討論線粒體電子傳遞體系的組成、電子傳遞機理和氧化磷酸化機理。傳遞機理和氧化磷酸化機理。1 新陳代謝的概念新陳代謝的概念 新陳代謝新陳代謝（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛）是生命最基本的特征之一，泛指生物與周圍環(huán)境進行指生物與周圍環(huán)境進行物質(zhì)交換物質(zhì)交換、能量交換能量交換和和信息交換信息交換的的過程。生物一方面不斷

2、地從周圍環(huán)境中攝取能量和物質(zhì)，過程。生物一方面不斷地從周圍環(huán)境中攝取能量和物質(zhì)，通過一系列生物反應(yīng)轉(zhuǎn)變成自身組織成分，即所謂同化作通過一系列生物反應(yīng)轉(zhuǎn)變成自身組織成分，即所謂同化作用（用（assimilation）；另一方面，將原有的組成成份經(jīng)過）；另一方面，將原有的組成成份經(jīng)過一系列的生化反應(yīng)，分解為簡單成分重新利用或排出體外一系列的生化反應(yīng)，分解為簡單成分重新利用或排出體外，即所謂異化作用（，即所謂異化作用（dissimilation ），通過上述過程不斷），通過上述過程不斷地進行自我更新。地進行自我更新。 特點：特異、有序、高度適應(yīng)和靈敏調(diào)節(jié)、代謝途特點：特異、有序、高度適應(yīng)和靈敏調(diào)節(jié)、

3、代謝途徑逐步進行。徑逐步進行。28.1 8.1 新陳代謝總論新陳代謝總論 材料材料: : 活細胞-單細胞生物、多細胞生物的細胞、病毒、 噬菌體。 常用的材料： 大腸桿菌 大腸桿菌噬菌體 大腸桿菌噬菌體T4 枯草桿菌 四膜蟲 酒酵母 紅色面包霉 小球藻 玉米 果蠅 海膽 爪蟾 鴿 小鼠 大鼠 兔 黑猩猩8.1.1 新陳代謝的研究方法新陳代謝的研究方法38.1 8.1 新陳代謝總論新陳代謝總論 常用的材料：4 整體方法整體方法純化合物排泄物的化學(xué)分析建立動物模型（脂肪酸的建立動物模型（脂肪酸的氧化）氧化）（1 1）in vivo，“在體內(nèi)”和（in vitro，“在體外”） 在體內(nèi):用生物整體進行

4、研究在體外：用組織切片、勻漿、或提取液作為研究材料進行研究5 組織提取法組織提取法各類組織細胞各類組織細胞各種破碎方法各種破碎方法碎片置于碎片置于試管試管中中向該向該試管試管中加入純化合物（如葡萄糖）分析各類代中加入純化合物（如葡萄糖）分析各類代謝中間產(chǎn)物及酶，或加入阻斷物，邏輯推斷。謝中間產(chǎn)物及酶，或加入阻斷物，邏輯推斷。6 （2 2）示蹤法）示蹤法 1)1) 19041904年年Franz KnoopFranz Knoop以以苯苯基作為基作為示蹤物示蹤物，研究脂肪酸，研究脂肪酸的代謝。的代謝。 2)2)同位素示蹤法同位素示蹤法 例如例如1 1，用，用1414C C標記乙酸喂飼動物，如標記乙

5、酸喂飼動物，如COCO2 2中發(fā)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)1414C C，說，說明乙酸的羧基轉(zhuǎn)變成了明乙酸的羧基轉(zhuǎn)變成了COCO2 2。 例如例如2 2，氨基用同位素標記后成為氨基用同位素標記后成為1515NHNH2 2, , 用質(zhì)用質(zhì)譜測定儀測定含有譜測定儀測定含有1515N N的化合物。的化合物。 3)3)放射性同位素示蹤法。常用的有放射性同位素示蹤法。常用的有氚（氚（3 3H H）、碳）、碳1414（1414C C）、磷）、磷3232（3232P P）、硫）、硫3434（3434S S）35(35(3535S) S) 碘碘131131（131131I I）等。等。7 （3 3）代謝途徑阻斷法）代謝途徑阻斷

6、法 使用抗代謝物或酶的抑制劑使用抗代謝物或酶的抑制劑 碘乙酸抑制甘油醛-3-磷酸脫氫酶； 丙二酸抑制琥珀酸脫氫酶。 （4 4）突變體或遺傳缺欠癥研究法：）突變體或遺傳缺欠癥研究法： 大腸桿菌利用乳糖基因突變-半乳糖苷酶缺失乳糖堆積 遺傳缺欠癥（先天性基因突變）缺乏某種酶 前體物的積累 在血液或隨尿排出 測定（如：苯丙酮尿癥）88.1.2 生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律 能量代謝能量代謝- 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律- 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律- 熱力學(xué)第二定律和熵?zé)崃W(xué)第二定律和熵(entropy) 能的兩種形式能的兩種形式 熱與功熱與功 自由能自由能，總熱能的變化

7、，總熱能的變化HH，總體熵的變化，總體熵的變化SS =H-TS=H-TS9物理意義：物理意義：* * ( (體系中能對環(huán)境作功的能量體系中能對環(huán)境作功的能量) ) 自由能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)進行，即：自由能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)進行，即： G0 G0 G0，反應(yīng)不能自發(fā)進行，反應(yīng)不能自發(fā)進行 G=0 G=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。 自由能的概念對于研究生物化學(xué)過程的力能學(xué)具有很重要的意義，生物自由能的概念對于研究生物化學(xué)過程的力能學(xué)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，

8、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)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)。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)。10badCCBADCQ R(R(氣體常數(shù)氣體常數(shù))=8.315 )=8.315 kJ/(mol.k),TkJ/(mol.k),T為熱力學(xué)溫度為熱力學(xué)溫度 badCBADCKeq GG 標準條件（標準條件（T=298K,T=298K,大氣壓為大氣壓為101325Pa,101325Pa,反應(yīng)物和生成物濃度為反應(yīng)物和生成物濃度為1

9、mol/L,pH=7.01mol/L,pH=7.0）下，化學(xué)反應(yīng)自由能的變化）下，化學(xué)反應(yīng)自由能的變化, ,單位單位kJ/molkJ/mol。 假設(shè)有一個化學(xué)反應(yīng)式：假設(shè)有一個化學(xué)反應(yīng)式：aA + bB = cC + dDaA + bB = cC + dD 恒溫恒壓下：恒溫恒壓下：G=G=GG+ RTlnQc + RTlnQc 式中：式中：GG= - RTlnKeq=-= - RTlnKeq=-2.303-2.303RTlgKeqRTlgKeq11例例：計算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化計算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化達平衡時達平衡時 =Keq=19解：解：GG= - RTlnKeq=

10、- RTlnKeq =-2.303 =-2.303 8.314 8.314 311 311 log19 log19 =-7.6kJ.mol-1G=GG=G+ RTlnQc (+ RTlnQc (Qc-Qc-濃度商濃度商) ) =-7.6+ 2.303 =-7.6+ 2.303 8.314 8.314 311 311 log0.1 log0.1 =-13.6 =-13.6kJ.mol-1未達平衡時未達平衡時 =Qc=0.1反應(yīng)G-1-PG-6-P在380C達到平衡時， G-1-P占5%，G-6-P占95%，求GG。如果反應(yīng)未達到平衡，設(shè)G-1- P=0.01mol/L， G-6-P=0.001m

11、ol/L，求反應(yīng)的G是多少？例題：例題：128.1.3 8.1.3 高能化合物高能化合物（1 1）生物體中常見的高能磷酸化合物（）生物體中常見的高能磷酸化合物（303060 kJ.mol-1） 高能磷酸鍵，鍵能高能磷酸鍵，鍵能 生化反應(yīng)中，在水解時或基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由生化反應(yīng)中，在水解時或基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由能的化合物稱為能的化合物稱為高能化合物高能化合物。1314ATP+H2O ADP+ PiG -30.5 kJ/摩爾摩爾ADP+H2O AMP+ Pi G -33. 1 kJ/摩爾摩爾ATP與高能磷酸鍵OOOPOOPOO-ATPADPAMPOOPNNNNNH2OOHOH

12、CH2O（2 2）ATPATP是生物細胞內(nèi)能量代謝的偶聯(lián)劑是生物細胞內(nèi)能量代謝的偶聯(lián)劑 15ATPATP在能量轉(zhuǎn)運中地位和作用在能量轉(zhuǎn)運中地位和作用 ATPATP是細胞內(nèi)的是細胞內(nèi)的“能量通貨能量通貨” ATPATP是細胞內(nèi)磷酸基團轉(zhuǎn)移的中間載體是細胞內(nèi)磷酸基團轉(zhuǎn)移的中間載體PPPPATPP02108641214磷磷酸酸基基團團轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移能能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘磷酸甘油酸磷酸油酸磷酸磷酸肌酸磷酸肌酸（磷酸基團儲備物）（磷酸基團儲備物）6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖3-磷酸甘油磷酸甘油16 從低等的單細胞生物到高等的人類，能量的釋放、從低等的單細胞生物到高等的人類，能量的釋放、貯存

13、和利用都是以貯存和利用都是以ATPATP為中心的。為中心的。 ATPATP是生物細胞內(nèi)能量代謝的偶聯(lián)劑是生物細胞內(nèi)能量代謝的偶聯(lián)劑把分解代把分解代謝的放能反應(yīng)與合成代謝的吸能反應(yīng)偶聯(lián)。謝的放能反應(yīng)與合成代謝的吸能反應(yīng)偶聯(lián)。 體內(nèi)有些反應(yīng)不一定都直接利用體內(nèi)有些反應(yīng)不一定都直接利用ATPATP供能：多供能：多糖合成（糖合成（UTPUTP），），磷脂合成（磷脂合成（CTPCTP）、）、蛋白質(zhì)合成蛋白質(zhì)合成（GTPGTP） 但物質(zhì)氧化釋放的能量大都是必須先合成但物質(zhì)氧化釋放的能量大都是必須先合成ATPATP，然后由然后由ATPATP合成合成UTP/CTP/GTPUTP/CTP/GTP。 ATPATP

14、是能量的攜帶者或傳遞者，不是能量的貯存者。是能量的攜帶者或傳遞者，不是能量的貯存者。 ATPATP是磷酸基團的傳遞者。是磷酸基團的傳遞者。1718ATPATP在能量代謝的偶聯(lián)作用在能量代謝的偶聯(lián)作用糖類分解脂質(zhì)分解蛋白質(zhì)分解核苷酸分解ADPATPl 8.1.4 8.1.4 肌酸磷酸是高能磷酸鍵的貯存形式肌酸磷酸是高能磷酸鍵的貯存形式19l 8.1.5 8.1.5 輔酶輔酶A A的遞能作用的遞能作用20 生物氧化生物氧化-有機物在生物體內(nèi)氧的作用下，生成有機物在生物體內(nèi)氧的作用下，生成COCO2 2和水并釋放能量的過程。和水并釋放能量的過程。8.2 8.2 生物氧化生物氧化21在在pH pH 接

15、近中性，體溫條件下，一系列酶的催化作用接近中性，體溫條件下，一系列酶的催化作用下進行。下進行。能量逐步釋放，以能量逐步釋放，以 ATP ATP 捕獲能量，既不會因氧化過捕獲能量，既不會因氧化過程中能量驟然釋放而傷害機體，又能使釋放的能量盡可程中能量驟然釋放而傷害機體，又能使釋放的能量盡可得到有效的利用。得到有效的利用。以脫羧基的形式生成以脫羧基的形式生成COCO2 2 。水是代謝物脫下來的氫經(jīng)過一系列的傳遞體與氧結(jié)合水是代謝物脫下來的氫經(jīng)過一系列的傳遞體與氧結(jié)合生成。生成。生物氧化有嚴格的細胞定位。生物氧化有嚴格的細胞定位。8.2.1 8.2.1 生物氧化的特點生物氧化的特點22（1 1）呼吸

16、鏈的概念）呼吸鏈的概念 代謝物上的氫原子被脫氫代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)過一系列的酶激活脫落后，經(jīng)過一系列的傳遞體，最后傳遞給被激活的傳遞體，最后傳遞給被激活的氧分子，并與之結(jié)合生成水的氧分子，并與之結(jié)合生成水的全部體系稱全部體系稱呼吸鏈呼吸鏈，也稱電子，也稱電子傳遞鏈。傳遞鏈。8.2.2 8.2.2 呼吸鏈的組成及電子傳遞順序呼吸鏈的組成及電子傳遞順序23 NADH NADH 氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈 琥珀酸氧化呼吸鏈（琥珀酸氧化呼吸鏈（ FADHFADH2 2 氧化呼吸鏈）氧化呼吸鏈）體內(nèi)的兩條主要的呼吸鏈：體內(nèi)的兩條主要的呼吸鏈：（2 2）呼吸鏈的中傳遞體的順序）呼吸鏈的中傳遞體

17、的順序241. NADH 氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈NADH 復(fù)合體復(fù)合體 Q 復(fù)合體復(fù)合體 Cyt c 復(fù)合體復(fù)合體 O22. 琥珀酸氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈琥珀酸琥珀酸復(fù)合體復(fù)合體 Q 復(fù)合體復(fù)合體 Cyt c 復(fù)合體復(fù)合體 O225NADH 氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈FADH2 氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈Cytc26（2 2）呼吸鏈的組成）呼吸鏈的組成四種具有傳遞電子功能的酶復(fù)合體四種具有傳遞電子功能的酶復(fù)合體 ( (合成物合成物) )* *泛醌和泛醌和 Cyt c Cyt c 均不包含在上述四種復(fù)合體中。均不包含在上述四種復(fù)合體中。復(fù)合體復(fù)合體酶名稱酶名稱復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合

18、體NADH-C CO OQ Q氧化還原酶氧化還原酶琥珀酸琥珀酸-輔基輔基FMN，F(xiàn)e-S，F(xiàn)e-S鐵卟啉，鐵卟啉，F(xiàn)e-S鐵卟啉，鐵卟啉， Cu多肽鏈數(shù)多肽鏈數(shù)41113復(fù)合體復(fù)合體酶名稱酶名稱復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體NADH-琥珀酸琥珀酸- C CO OQ Q氧化還原酶氧化還原酶C CO OQ Q-Cytc氧化氧化還原酶還原酶輔基輔基FMN，F(xiàn)e-SFAD ，F(xiàn)e-S鐵卟啉，鐵卟啉，F(xiàn)e-S鐵卟啉，鐵卟啉， Cu多肽鏈數(shù)多肽鏈數(shù)42413Cytc氧化氧化酶酶2728CytcQNADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液側(cè)胞

19、液側(cè)基質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè)線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜e-e-e-e-e-29線粒體呼吸鏈復(fù)合體FMN,Fe-S復(fù)合體復(fù)合體FAD,Fe-S,Cytb復(fù)合體復(fù)合體Cytb,Fe-S,Cytc1復(fù)合體復(fù)合體Cytaa3,Cu復(fù)合體復(fù)合體30遞氫體遞電子體遞氫體遞電子體 煙酰胺煙酰胺 （ NAD+, NADP+ ） 黃素蛋白黃素蛋白 (flavoprotein) （ FMN,FAD） 鐵硫蛋白（鐵硫蛋白（ Fe- S ） 泛醌泛醌 (Ubiquinone) （ CoQ ） 細胞色素類細胞色素類 (Cytochrome) （ Cyt ）31遞氫體遞氫體32遞氫體遞氫體33Fe2+Fe3+電子電子傳遞電子方式：傳遞電子

20、方式：遞電子體遞電子體34遞氫體遞氫體35CytbCytb，CytcCytc1 1，Cytc, CytaaCytc, Cytaa3 3組成呼吸鏈的細胞色素組成呼吸鏈的細胞色素:Fe2+Fe3+ 電子電子遞電子體遞電子體3637細胞色素系統(tǒng)傳遞電子的過程細胞色素系統(tǒng)傳遞電子的過程2 Fe2+2 Fe3+2 Fe3+2 Fe2+2 Fe3+2 Fe2+2 Fe3+2 Fe2+1/2 O2O2- H2O2 H+2 e2 e2 e2 e2 e b c1 cCu2+aa3,38呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降FADH22 個個電電子子NADH（3）呼吸鏈中傳遞體的順序39標準

21、氧化還原電位40 原電池示意圖原電池示意圖 E0=E0正極正極- E0 負極負極=+0.34 V-(-0.76 V)=+1.10 V負極反應(yīng)負極反應(yīng): Zn=Zn2+2 e E0 Zn2+/Zn= - 0.76 V正極反應(yīng)正極反應(yīng): Cu=Cu2+2 e E0 Cu2+/Cu=+0.34 V41從電子供體到電子受體的從電子供體到電子受體的4 4種電子轉(zhuǎn)移方式種電子轉(zhuǎn)移方式42 4344利用特異性呼吸鏈抑制劑研究傳遞體的順序 45電子傳遞體的體外重組實驗確定傳遞體的順序8.2.3 8.2.3 氧化磷酸化氧化磷酸化 代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用于合成代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用

22、于合成 ATP （即即 ADP+Pi ATP ）,這種氧化放能和這種氧化放能和 ATP 生成（生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化 (生物體通過磷酸化生物體通過磷酸化作用，將化合物在氧化過程中所釋放的能量一部分轉(zhuǎn)移到作用，將化合物在氧化過程中所釋放的能量一部分轉(zhuǎn)移到 ATP 分子中形成高能磷酸鍵的過程分子中形成高能磷酸鍵的過程) 。ADP + Pi ATP + H ATP + H2 2O O生物氧化過程中生物氧化過程中釋放出的自由能釋放出的自由能46（1）底物水平磷酸化）底物水平磷酸化 有機物氧化過程中由于底物分子內(nèi)部能量重新分布形有機物氧化過程中由于底物分子

23、內(nèi)部能量重新分布形成高能磷酸鍵，轉(zhuǎn)給成高能磷酸鍵，轉(zhuǎn)給ADP形成形成ATP。47呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降（2）電子傳遞水平磷酸化電子傳遞水平磷酸化484950(3)(3)呼吸鏈與呼吸鏈與ATPATP生成量的關(guān)系生成量的關(guān)系（磷氧比：（磷氧比： P/O P/O ）2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)作用二硝基苯酚的解偶聯(lián)作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜內(nèi)內(nèi)外外51化學(xué)滲透假說原理示意圖化學(xué)滲透假說原理示意圖4 H+2 H+2 H+4 H+NADH+H+2 H+2 H+2 H+ ADP+PiATP高高質(zhì)質(zhì)子子

24、濃濃度度H2O2 個個電電子子+_質(zhì)子流質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜磷酸化磷酸化 氧化氧化 52例題：計算下反應(yīng)式例題：計算下反應(yīng)式GGNADH+HNADH+H+ +1/2O+1/2O2 2=NAD=NAD+ +H+H2 2O O正極反應(yīng)：正極反應(yīng)：1/2O1/2O2 2+2H+2H+ +2e +2e H H2 2O O E E+ + 0.820.82負極反應(yīng)：負極反應(yīng)：NADNAD+ +H+H+ +2e +2e NADH NADH E E- - -0.3 -0.3GG -nFE-nFE -2-296485964850.82-(-0.32)0.82-(-0.32) -220 KJ-220 KJm

25、olmol-1-1 53（4 4）氧化磷酸化的機制）氧化磷酸化的機制 1 1、線粒體、線粒體ATPATP合酶合酶（mitochondrial ATPasemitochondrial ATPase）2 2、能量偶聯(lián)假說、能量偶聯(lián)假說 19531953年年 Edward Slater Edward Slater 化學(xué)偶聯(lián)假說化學(xué)偶聯(lián)假說 19641964年年 Paul Boyer Paul Boyer 構(gòu)象偶聯(lián)假說構(gòu)象偶聯(lián)假說 19611961年年 Peter Mitchell Peter Mitchell 化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說19781978年獲諾貝爾化學(xué)獎年獲諾貝爾化學(xué)獎54內(nèi)膜內(nèi)膜F F0 0F F1 1 ATPATP酶酶e e- -ADP+PiADP+Pi底物底物H H+ +ATPATPH H+ +H H+ +H H+ +基質(zhì)基質(zhì)膜間隙膜間隙電子傳遞鏈電子傳遞鏈化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說 (chemiosmotic hypothasis) 電子傳