第七章代謝總論與生物氧化

第七章代謝總論與生物氧化第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)新陳代謝總論一、新陳代謝的概念生物體與外界環(huán)境之間的物質(zhì)和能量交換以及生物體內(nèi)物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)變過程，是生物體內(nèi)全部有序化學(xué)變化的總稱。物質(zhì)代謝：生物體與外界環(huán)境之間物質(zhì)的交換和生物體內(nèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)變過程。能量代謝：生物體與外界環(huán)境之間能量的交換和生物體內(nèi)能量的轉(zhuǎn)變過程。第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一新陳代謝

合成代謝（同化作用）

分解代謝（異化作用）生物小分子合成為生物大分子需要能量釋放能量生物大分子分解為生物小分子能量代謝物質(zhì)代謝第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一新陳代謝中有關(guān)的能源物質(zhì)直接能源物質(zhì)--ATP：各種生命活動(dòng)所需要的能量都是由ATP直接提供的，細(xì)胞的分裂、肌肉收縮等。主要能源物質(zhì)--糖類：生物體內(nèi)的能量有70%由糖類氧化分解提供。主要儲(chǔ)能物質(zhì)--脂肪：在動(dòng)物的皮下等處儲(chǔ)存有大量的脂肪，在植物體內(nèi)也有脂類，如花生油等。能量最終來源--太陽能：太陽能通過光合作用進(jìn)入植物和部分微生物體內(nèi)，再進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)。第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一新陳代謝的特點(diǎn)由酶催化，反應(yīng)條件溫和；諸多反應(yīng)有嚴(yán)格的順序，彼此協(xié)調(diào)；對周圍環(huán)境高度適應(yīng)。第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一二、生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律生物化學(xué)反應(yīng)與普通的化學(xué)反應(yīng)一樣，也服從熱力學(xué)規(guī)律。自由能：生物體在恒溫恒壓下用以做功的能量；可判定反應(yīng)是否進(jìn)行，是吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng)。在沒有做功條件時(shí)，自由能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軉适?。熵：混亂度或無序性，是一種無用的能。ΔG=ΔH-TΔS對于A+B←→C+DΔG°=-2.303RTlgKK=[C][D]/[A][B]第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一三、高能化合物與ATP的作用高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型硫酯鍵化合物甲硫鍵化合物烯醇磷酸化合物?；姿峄衔锝沽姿峄衔锔吣芑衔铮弘S水解反應(yīng)或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)能釋放出大量自由能的化合物，一般指釋放21kJ/mol以上自由能（G′<-21kJ/mol）的化合物。對酸、堿、熱敏感。第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一-28.84kJ/mol-30.5kJ/mol焦磷酸化合物烯醇磷酸化合物磷酸化合物磷氧型高能磷酸化合物-61.9kJ/mol?；姿峄衔?42.3kJ/mol第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一磷氮型高能磷酸化合物硫酯鍵高能化合物非磷酸高能化合物乙酰輔酶A–31.4kJ/mol甲硫鍵高能化合物S-腺苷蛋氨酸–41.8kJ/mol磷酸肌酸-43.1kJ/mol第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一能量的貯存形式脊椎動(dòng)物肌酸磷酸：無脊椎動(dòng)物：磷酸精氨酸ATP的特殊作用-30.5kJ/mol第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一生物體內(nèi)能量的直接供給者；ATP是生物細(xì)胞內(nèi)能量代謝的偶聯(lián)劑；ATP作用：能量的攜帶者或傳遞者，而非貯存者，能量貨幣。

葡萄糖+ATP葡萄-6-磷酸+ADP第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一輔酶A的遞能作用在代謝中起樞紐作用的重要物質(zhì)第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一生物氧化（BiologicalOxidation）：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)氧的作用下，生成CO2和H2O并釋放能量的過程。有機(jī)物質(zhì)+O2

H2O+CO2+能量（ATP+熱量）生物氧化是需氧細(xì)胞呼吸代謝過程中的一系列氧化還原作用，又稱細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸或組織呼吸。生物氧化有嚴(yán)格的細(xì)胞定位：真核細(xì)胞的線粒體內(nèi)膜，原核細(xì)胞的細(xì)胞膜。氫的氧化和碳的氧化是非同步進(jìn)行的。第二節(jié)生物氧化一、生物氧化的含義第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一直接脫羧CH3CCOOHOCH3CHO+

CO2丙酮酸脫羧酶

CO2的生成：生物體內(nèi)CO2的生成來源于有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)楹然衔锏拿擊茸饔?。氧化脫羧：在脫羧過程中伴隨著氧化（脫氫）HOOCCH2CHOHCOOHNADP+NADPH+H+CH3CCOOH+CO2O蘋果酸酶第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

H2O的生成主要通過脫氫反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，代謝物脫下的氫經(jīng)生物氧化作用和激活的氧結(jié)合生成水。生物體主要以脫氫酶、傳遞體及氧化酶組成生物氧化體系，以促進(jìn)水的生成。第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一生物氧化體外氧化反應(yīng)溫度37℃高溫反應(yīng)環(huán)境近中性水環(huán)境干燥催化劑酶無能量釋放的速度緩慢、逐步快速能量釋放的形式主要以生成ATP等高能化合物的形式釋放熱產(chǎn)生CO2與H2O的方式進(jìn)行廣泛的脫氫反應(yīng)，間接得氧，脫下的氫與氧結(jié)合成水；有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生CO2。氧直接與碳、氫結(jié)合，生成CO2與H2O。生物氧化的特點(diǎn)第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一呼吸鏈（respiratorychain）：脫氫酶激活脫去代謝物上的氫原子經(jīng)一系列傳遞體的傳遞，最后將質(zhì)子和電子傳遞給激活氧而生成水的全部體系。由于參與這一系列催化作用的酶和輔酶及中間傳遞體在膜（原核細(xì)胞膜、真核線粒體內(nèi)膜）上，一個(gè)接一個(gè)地構(gòu)成了鏈狀反應(yīng)，故常將這種形式的氧化過程稱為呼吸鏈。也被稱電子傳遞體系或電子傳遞鏈（electrontransferchain）。二、呼吸鏈第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一ATP合成酶線粒體的結(jié)構(gòu)第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一主要類型：NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈。琥珀酸-CoQ還原酶ⅡFADH2NADHNADH-CoQ還原酶ⅠCoQ細(xì)胞色素c還原酶Ⅲ細(xì)胞色素cO2細(xì)胞色素c氧化酶Ⅳ甘油-3-磷酸脫氫酶FADH2脂酰輔酶A脫氫酶（FADH2）黃素蛋白ETF--ETF-CoQ還原酶第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一呼吸鏈的組成煙（尼克）酰胺脫氫酶類：以NADH為輔酶的脫氫酶類；黃素脫氫酶類：以FMN或FAD為輔基的脫氫酶類；鐵硫蛋白類（簡寫Fe-S）：一類與電子傳遞有關(guān)的非血紅素鐵蛋白，其作用是借助鐵的價(jià)態(tài)互變進(jìn)行電子傳遞：Fe3++eFe2+因鐵硫蛋白的活性部位含有活潑的硫和鐵原子（鐵硫中心）。第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一輔酶Q類（Q，UQ，CoQ）：電子傳遞鏈中唯一非蛋白電子載體，它不能從底物接受氫，是一種中間傳遞體；也是呼吸鏈中唯一一個(gè)和蛋白質(zhì)結(jié)合松散的傳遞體（輔酶），使它在黃素蛋白類和細(xì)胞色素類之間能夠作為一種特殊靈活的電子載體起作用。第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一細(xì)胞色素（cytochrome）類：一類含有血紅素輔因子的電子傳遞蛋白的總稱。A、B中的輔基與蛋白質(zhì)非共價(jià)結(jié)合，C中的輔基與蛋白質(zhì)以硫醚鍵共價(jià)結(jié)合。第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一主要通過Fe3++eFe2+

的互變起傳遞電子的作用。典型的線粒體呼吸鏈中，細(xì)胞色素的順序是：

b→c1→

c→

aa3→

O2a和a3組成一個(gè)復(fù)合體，無法分開，除含鐵卟啉外，還有銅原子，Cu+

Cu2+

的互變，將Cytc所攜電子直接傳遞給O2。

Cytaa3可直接以O(shè)2為電子受體，又被稱細(xì)胞色素c氧化酶。第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一呼吸鏈中各傳遞體的順序依據(jù)測定各電子傳遞體氧化還原電位的數(shù)值，按氧化還原電位由低到高順序排列；利用電子傳遞抑制劑確定其順序；通過電子傳遞體的體外重組實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證；根據(jù)從線粒體中分離到的傳遞體復(fù)合體進(jìn)行排序。第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.04b+0.07c1

+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FAD-0.18電子傳遞抑制劑：能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子傳遞的物質(zhì)。各組分Eo：低高電子遷移方向：低電位高電位

?Go′：逐步降低放能魚藤酮安密妥抑制劑：抗霉素A氰化物，CO,疊氮化合物第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一分離組分的體外催化反應(yīng)

第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一電子傳遞鏈各組份的排列順序第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一呼吸鏈中的電子載體以多酶復(fù)合體形式發(fā)揮功能第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一NADH泛醌還原酶（NADH-CoQ還原酶，NADH脫氫酶，復(fù)合體Ⅰ）第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一作用:

催化NADH氧化脫氫及Q還原，它既是1種脫氫酶，也是1種還原酶。NADHQ還原酶是線粒體內(nèi)膜上最大的1個(gè)蛋白質(zhì)復(fù)合物，含有42條不同多肽鏈，其活性部位含有FMN輔基和鐵硫蛋白。FMN的作用：接受脫氫酶脫下的電子和質(zhì)子形成還原型FMNH2；還原型FMNH2通過鐵硫蛋白可進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)移給Q。第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

琥珀酸-CoQ還原酶（琥珀酸脫氫酶，復(fù)合體II）電子傳遞的方向?yàn)椋虹晁帷鶩AD→Fe-S→Q復(fù)合體II是存在于線粒體內(nèi)膜上的蛋白復(fù)合體，僅含4種不同蛋白質(zhì)，活性部位含有FAD輔基和鐵硫蛋白，催化琥珀酸的脫氫氧化和輔酶Q的還原。第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

泛醌細(xì)胞色素c還原酶（QH2-Cytc還原酶，復(fù)合體III

）第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一作用：

催化還原型QH2氧化和細(xì)胞色素c還原。QH2+2Cytc(Fe3+)Q+2Cytc(Fe2+)+2H+復(fù)合體III是線粒體內(nèi)膜上的1種跨膜蛋白復(fù)合體，是由2個(gè)相同單體組成的二聚體。每個(gè)單體由11種亞基組成?；钚圆课恢饕?xì)胞色素b和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。b566b562Fe-Sc1QH2CytcCoQH2+復(fù)合體Ⅲ

4H++2eCytc第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

細(xì)胞色素c氧化酶（Cytc氧化酶，復(fù)合體IV）第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一位于線粒體呼吸鏈末端，由13個(gè)亞基組成?；钚圆课恢饕–yta和a3，兩者組成一個(gè)復(fù)合體，除含鐵卟啉外，還含銅原子。Cytaa3可以直接以O(shè)2為電子受體。在電子傳遞過程中，銅離子可以發(fā)生Cu+

Cu2+

的互變，將Cytc所攜帶的電子傳遞給O2。復(fù)合體Ⅳ+2H+CytcCuAaa3CuBCytcO2第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一呼吸鏈電子傳遞示意圖NADHFMN(Fe-S)Qbc1caa3O2琥珀酸FAD(Fe-S)Qbc1caa3O2ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸

琥珀酸

1/2O2+2H+H2O膜間隙側(cè)

基質(zhì)側(cè)

線粒體內(nèi)膜

e-e-e-e-e-4H+4H+2H+第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一三、氧化磷酸化作用氧化磷酸化（Oxidativephosphorylation）：隨著放能的氧化作用而進(jìn)行的磷酸化作用。ATP的生成

ADP+Pi+能量→ATPAMP+PPi+能量→ATP氧化磷酸化底物水平磷酸化電子傳遞體系磷酸化第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一底物水平磷酸化：底物被氧化時(shí)伴隨著分子內(nèi)部能量的重新分布形成含高能磷酸鍵的中間產(chǎn)物，并通過酶的作用使這些中間產(chǎn)物中的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到ADP上形成ATP的作用。X~+ADP→ATP+XP特點(diǎn)：捕獲能量的一種方式，在無氧呼吸中是進(jìn)行生物氧化取得能量的唯一方式。和氧的存在與否無關(guān)，在ATP生成中沒有氧分子參與，也不經(jīng)過電傳遞鏈傳遞電子。第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一電子傳遞體系磷酸化：當(dāng)電子從NADH或FADH2通過電子傳遞體系傳遞給氧形成水時(shí)，同時(shí)伴有ADP磷酸化生成ATP的過程，也稱偶聯(lián)磷酸化。

在電子傳遞過程中釋放出大量的自由能，使ADP磷酸化生成ATP，這是生物合成ATP的基本途徑之一。生物體中能量獲得的本質(zhì)正是氫的氧化。第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一P/O比：物質(zhì)氧化時(shí)，每消耗1mol氧原子所消耗的無機(jī)磷酸的mol數(shù)（或ADP的mol數(shù)），即生成ATP的mol數(shù)。NADH呼吸鏈：P/O比值≈2.5FADH2呼吸鏈：P/O比值≈1.5故推斷從NADH到分子氧、FADH2到分子氧的呼吸鏈中，可分別合成2.5個(gè)、1.5個(gè)ATP。

特點(diǎn)：需氧生物獲得ATP的一種主要方式，是生物體內(nèi)能量轉(zhuǎn)移的主要環(huán)節(jié)，需要氧分子的參與。真核生物氧化磷酸化過程在線粒體內(nèi)膜進(jìn)行，原核生物在細(xì)胞質(zhì)膜上進(jìn)行。第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一復(fù)合體I：NADH→CoQE0’=0.360VG0’=-69.5kJ/mol復(fù)合體III：

CoQ→Cytc

E0’=0.190VG0’=-36.7kJ/mol復(fù)合體IV：Cytaa3→O2E0’=0.580VG0’=-112kJ/mol復(fù)合體II：FADH2→CoQE0’=0.085VG0’=-16.4kJ/mol呼吸鏈電子傳遞過程中的自由能變化第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)一對電子相繼經(jīng)過復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ時(shí)，每一步都釋放出足以合成一分子ATP的自由能；但當(dāng)一對電子經(jīng)過復(fù)合體Ⅱ時(shí)，釋放的能量不足以合成ATP，其作用僅僅是將電子由FADH2注入電子傳遞鏈。研究表明：復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ不能直接合成ATP，但能通過電子傳遞產(chǎn)生自由能，將質(zhì)子由線粒體基質(zhì)泵出至膜間隙，形成跨膜的質(zhì)子梯度。電子轉(zhuǎn)移所釋放的能量能有效地貯存在質(zhì)子梯度中，跨膜質(zhì)子梯度所蘊(yùn)含的自由能是推動(dòng)ATP合成的驅(qū)動(dòng)力。第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一跨膜質(zhì)子轉(zhuǎn)移胞質(zhì)溶膠中NADH的氧化磷酸化在胞質(zhì)溶膠中代謝產(chǎn)生的NADH，不能直接穿過線粒體內(nèi)膜進(jìn)入呼吸鏈進(jìn)行有氧氧化。兩種精妙的“穿梭”系統(tǒng)：甘油-α-磷酸穿梭系統(tǒng)和蘋果酸-天冬氨酸穿梭系統(tǒng)。第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一甘油-α-磷酸穿梭系統(tǒng)NADH+H+線粒體內(nèi)膜甘油-α-磷酸FAD二羥丙酮磷酸FADH2NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2二羥丙酮磷酸CH2OHC=OCH2O－NAD+甘油-α-磷酸CH2OHCHOHCH2O－①②①胞質(zhì)溶膠甘油-α-磷酸脫氫酶②線粒體甘油-α-磷酸脫氫酶(黃素蛋白脫氫酶)第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一蘋果酸-天冬氨酸穿梭系統(tǒng)①胞質(zhì)溶膠蘋果酸脫氫酶，②線粒體蘋果酸脫氫酶蘋果酸草酰乙酸

谷氨酸天冬氨酸a-酮戊二酸蘋果酸

谷氨酸草酰乙酸a-酮戊二酸天冬氨酸線粒體胞質(zhì)溶膠內(nèi)膜NADHNADHNADNADⅠⅡⅢⅣ①②第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一四、氧化磷酸化作用的機(jī)制（ATP的合成機(jī)制）氧化作用（電子傳遞）與ADP的磷酸化作用如何偶聯(lián)？三種假說：化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說、化學(xué)滲透學(xué)說和構(gòu)象變化學(xué)說?；瘜W(xué)偶聯(lián)學(xué)說（chemicalcouplinghypothesis）：1953年E.Slater最先提出。電子傳遞產(chǎn)生一種高能共價(jià)中間物，隨后該中間物裂解釋放的能量驅(qū)動(dòng)ATP合成。但在電子傳遞體系的磷酸化作用中一直未找到任何一種活潑的高能中間物。第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一化學(xué)滲透學(xué)說（chemiosmotichypothesis）：

1961年P(guān).Mitchell首先提出，1978年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。電子傳遞的結(jié)果把H+從線粒體的基質(zhì)泵到膜間隙中形成一個(gè)跨內(nèi)膜的H+梯度，這種H+梯度的滲透能（質(zhì)子推動(dòng)力，質(zhì)力）用于ATP的生成。Z是質(zhì)子電荷，F(xiàn)是法拉第常數(shù)?ψ是膜電位差第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一第49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一構(gòu)象變化學(xué)說（conformationalhypothesis）：1964年P(guān).Boyer最先提出。電子沿呼吸鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)組分發(fā)生構(gòu)象變化，推動(dòng)了ATP的生成。

ATP合酶（復(fù)合體Ⅴ）

1994年J.Walke等解析出了牛心線粒體F1-ATP酶的晶體結(jié)構(gòu)。闡明了ATP的合成機(jī)制：結(jié)合變構(gòu)模型。共享1997年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。第50頁