生物化學(xué)課件

代謝總論(GeneralIntroductionofMetabolism)一、分解代謝與合成代謝二、能量代謝在新陳代謝中的重要地位三、輔酶Ⅰ和輔酶Ⅱ的遞能作用四、FMN和FAD的遞能作用五、輔酶A在能量代謝中的作用六、新陳代謝的調(diào)節(jié)七、代謝中常見的有機(jī)反應(yīng)機(jī)制八、新陳代謝的研究方法新陳代謝的功能

新陳代謝簡(jiǎn)稱代謝。人們將代謝的功能概括為5個(gè)方面：①從周圍環(huán)境中獲得營養(yǎng)物質(zhì)。②將外界引入的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨硇枰慕Y(jié)構(gòu)元件，即大分子的組成前體。③將結(jié)構(gòu)元件裝配成自身的大分子。④合成或降解執(zhí)行生物體特殊功能所需的生物分子。⑤提供生命活動(dòng)所需的一切能量。代謝途徑

雖然新陳代謝包括數(shù)以千計(jì)的不同酶催化的反應(yīng)，但仍可以從錯(cuò)綜複雜的代謝網(wǎng)路中總結(jié)歸納成一些具有共同規(guī)律的途徑，並將這些途徑稱為主要代謝途徑。這些主要代謝途徑在千差萬別的生物界具有相當(dāng)?shù)钠毡樾浴Ｒ弧⒎纸獯x與合成代謝

通過一系列的反應(yīng)，將有機(jī)營養(yǎng)物分解成較小的、較簡(jiǎn)單的物質(zhì)的過程稱為分解代謝（catabolism），分解代謝的同時(shí)，將蘊(yùn)藏在有機(jī)大分子中的能量逐步釋放出來，提供給生命活動(dòng)使用，同時(shí)，分解代謝的中間產(chǎn)物也可用於合成生命活動(dòng)所需的新的物質(zhì)。利用小分子或大分子的結(jié)構(gòu)元件合成生物大分子或其他所需分子的過程稱為合成代謝。合成代謝需要提供能量。分解代謝途徑與合成代謝途徑一般是不同的，但不同的代謝途徑之間也可以有重疊的部分。二、能量代謝在新陳代謝中的重要地位

各種分子之間的互相轉(zhuǎn)變稱為物質(zhì)代謝，而伴隨著物質(zhì)代謝發(fā)生的能量的吸收、轉(zhuǎn)移、釋放、利用稱為能量代謝。太陽能是所有生物最根本的能量來源，能進(jìn)行光合作用的植物將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，這些化學(xué)能提供了植物生命活動(dòng)所需的全部能量（有少數(shù)特殊情況），動(dòng)物和大多數(shù)微生物直接或間接依靠植物光合作用貯存的化學(xué)能生活。ATP是能量代謝的中心物質(zhì)

生物體直接利用的能量物質(zhì)主要是ATP，在分解代謝中，釋放出的能量主要用於合成ATP，在需要提供能量的反應(yīng)或其他生命活動(dòng)中，主要是由ATP水解來提供能量的，所以ATP是能量代謝的中心物質(zhì)。ATP不是一種能量貯存物質(zhì)，而是一種傳遞能量的分子，因?yàn)樵谝话闱闆r下，ATP分子合成後，在1分鐘之內(nèi)就被利用。

生物體對(duì)能量的消耗是驚人的。據(jù)計(jì)算，一個(gè)處於安靜狀態(tài)的成年人，一日內(nèi)需消耗40kg的ATP。在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，ATP的利用可達(dá)到每分鐘0.5kg。三、輔酶Ⅰ和輔酶Ⅱ的遞能作用

由營養(yǎng)物質(zhì)的分解代謝釋放出的化學(xué)能，除了通過合成ATP的途徑捕獲外，還有另外一種途徑，就是以氫原子和電子的形式將自由能轉(zhuǎn)移給生物合成的需能反應(yīng)。這種具有高能的氫原子是由脫氫反應(yīng)形成的。脫氫反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子和電子可由輔酶Ⅰ或輔酶Ⅱ接受。當(dāng)這些輔酶被氧化時(shí)，能量又被釋放出來。

四、FMN和FAD的遞能作用

（略）五、輔酶A在能量代謝中的作用

酯醯CoA中有一個(gè)高能的硫酯鍵，這也可以看成是醯基的一種活化形式。ATP的酸酐鍵水解時(shí)釋放出30.54kJ/mol的自由能，而乙醯CoA的硫酯鍵水解時(shí)釋放出31.38kJ/mol的自由能。六、新陳代謝的調(diào)節(jié)

新陳代謝的調(diào)節(jié)主要是靠酶數(shù)量和活性的調(diào)節(jié)，細(xì)胞中有許多由膜分割的部位，特定的代謝途徑在特定的細(xì)胞部位進(jìn)行。物質(zhì)需要在細(xì)胞不同的部位間運(yùn)輸，有時(shí)還需要在細(xì)胞間或整個(gè)機(jī)體內(nèi)運(yùn)輸。物質(zhì)運(yùn)輸?shù)姆较颉⒘考八俣纫灿绊懘x。七、代謝中常見的有機(jī)反應(yīng)機(jī)制（略）八、新陳代謝的研究方法

（一）使用酶的抑制劑

酶的抑制劑可使代謝途徑受到阻斷，結(jié)果造成其底物積累，為測(cè)定該代謝物提供條件。利用酶的抑制劑可以研究代謝途徑，從最初的反應(yīng)物經(jīng)過哪些中間代謝產(chǎn)物，最終形成產(chǎn)物的。

（二）利用遺傳缺陷癥研究代謝途徑

某些個(gè)體由於遺傳缺陷，先天就缺少某種酶。餘同前。（三）氣體測(cè)量法

用瓦氏呼吸計(jì)測(cè)定反應(yīng)過程中吸收的氣體量或釋放的氣體量。這不是一種研究方法，而是一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

（四）同位素示蹤法

用放射性同位素示蹤，可以跟蹤某一原子的去向，從而得知代謝途徑。放射性強(qiáng)度測(cè)定放射自顯影常用放射性同位素表同位素名稱符號(hào)放射線類型半衰期氫3（氚）3H,TΒ－12.26年碳1414Cβ－

5730天磷3232Pβ－

14.3天碘131131Iβ－8.070天硫3535Sβ－87.1天（五）核磁共振波譜法

這也是一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)。第20章生物能學(xué)(Bioenergetics)一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義三、高能磷酸化合物一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念(自由能的概念

)凡是能夠用於做功的能量稱為自由能。

二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義（二）標(biāo)準(zhǔn)自由能變化和化學(xué)平衡的關(guān)係

化學(xué)反應(yīng)中的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化

在化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物和產(chǎn)物各自都有特定的自由能。產(chǎn)物自由能的總和與反應(yīng)物自由能的總和之差，就是該反應(yīng)的自由能變化。為了計(jì)算的方便，人們總是規(guī)定一些條件作為標(biāo)準(zhǔn)條件，並將在此條件下所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的自由能變化稱為標(biāo)準(zhǔn)自由能變化。計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)自由能變化時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)條件

標(biāo)準(zhǔn)條件指的是，反應(yīng)的溫度為25℃，即298K，大氣壓為101,325Pa（1atm），反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度都是1mol/L。標(biāo)準(zhǔn)自由能變化的符號(hào)用ΔG0表示。對(duì)於生物化學(xué)反應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)狀況還規(guī)定反應(yīng)進(jìn)行的環(huán)境為pH=7，這時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化用ΔG0’表示。ΔG0和ΔGΔG0是在標(biāo)準(zhǔn)條件下，一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的常數(shù)，而ΔG是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)在某一實(shí)際條件下的自由能變化，ΔG隨著反應(yīng)的溫度、反應(yīng)物及產(chǎn)物的濃度、反應(yīng)介質(zhì)的pH等的變化而變化。標(biāo)準(zhǔn)自由能變化的計(jì)算公式

假設(shè)有如下的一個(gè)化學(xué)反應(yīng)式：

aA+bBcC+dD在恒溫和恒壓下，這一反應(yīng)的自由能變化公式是：式中ΔG0是該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化，R是氣體常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，[A]、[B]、[C]、[D]代表4種物質(zhì)的摩爾濃度，嚴(yán)格地應(yīng)為活度。

從以上的公式可以看出，一個(gè)化學(xué)反應(yīng)自由能的變化值ΔG，由兩部分決定，一部分是不變因素，即由反應(yīng)本身的性質(zhì)所決定；另一部分是可變因素，即各物質(zhì)的濃度、反應(yīng)的化學(xué)當(dāng)量以及反應(yīng)的溫度。

反應(yīng)的平衡常數(shù)與ΔG0

當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，自由能變化為零，即ΔG=0，而反應(yīng)的平衡常數(shù)代入上式得當(dāng)pH為7時(shí)根據(jù)測(cè)得的反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度，可以計(jì)算出反應(yīng)的平衡常數(shù)，代入上式可以計(jì)算出反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化值。

注意，生化反應(yīng)很多都是可逆反應(yīng)，正反兩個(gè)方向反應(yīng)的ΔG0’不同。

ΔG是反應(yīng)能否進(jìn)行的判據(jù)ΔG可用來判斷一個(gè)反應(yīng)是否能夠自發(fā)進(jìn)行，當(dāng)ΔG＜0時(shí)，反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行，ΔG負(fù)值的絕對(duì)值越大，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的趨勢(shì)越大，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，ΔG負(fù)值的絕對(duì)值越來越小，當(dāng)ΔG=0時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡；當(dāng)ΔG＞0時(shí)，反應(yīng)不能進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)生成自由能的概念

每一種有機(jī)化合物都有自己的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能，用符號(hào)ΔG0f表示。標(biāo)準(zhǔn)生成自由能ΔG0f的定義是，由處在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的最穩(wěn)定單質(zhì)合成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)當(dāng)量化合物時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化值。由於各種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)自由能都無法測(cè)得，人們規(guī)定，在1個(gè)大氣壓下，一定溫度時(shí)，最穩(wěn)定的單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)自由能為零。這樣，由最穩(wěn)定的單質(zhì)反應(yīng)生成某一種物質(zhì)的反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化值就是這種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能。標(biāo)準(zhǔn)生成自由能的應(yīng)用

利用各種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能，也能計(jì)算出一個(gè)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化量ΔG0，即用各產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能之和減去各反應(yīng)物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能之和。進(jìn)一步還可以計(jì)算出反應(yīng)的平衡常數(shù)。偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)自由能變化的可加性及其意義

在互相聯(lián)繫或稱為偶聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)中，這些相互聯(lián)繫的化學(xué)反應(yīng)的總的自由能變化等於各步反應(yīng)自由能變化的總和。當(dāng)其中一個(gè)反應(yīng)的自由能變化為正值時(shí)，只要總反應(yīng)的自由能變化為負(fù)值，這個(gè)反應(yīng)也是能夠進(jìn)行的。在生化反應(yīng)中，常有自由能變化為正值的反應(yīng)與ATP的水解反應(yīng)相偶聯(lián)，也就是說，ATP水解釋放出的能量驅(qū)動(dòng)了某一反應(yīng)。

化學(xué)反應(yīng)和自由能關(guān)係的進(jìn)一步說明1．ΔG<0是反應(yīng)能夠自發(fā)進(jìn)行的判據(jù)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，ΔG逐漸趨向於零，其反應(yīng)的限度是ΔG=0，這時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡。2．ΔG只提示化學(xué)反應(yīng)的方向和限度，不預(yù)示反應(yīng)過程的速率，實(shí)際上許多ΔG<0的反應(yīng)速度非常緩慢，幾乎無法察覺。在生物體內(nèi)，這些反應(yīng)需要催化劑催化才能進(jìn)行。對(duì)於ΔG>0的反應(yīng)，即使有催化劑也不能進(jìn)行。3．不穩(wěn)定的基團(tuán)自由能高，容易發(fā)生反應(yīng)。能量學(xué)用於生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定1．一個(gè)稀的水溶液系統(tǒng)，如果有水作為反應(yīng)物或產(chǎn)物時(shí)，水的濃度規(guī)定為1.0。2．在生物化學(xué)能量學(xué)中，通常把標(biāo)準(zhǔn)狀況的pH規(guī)定為7.0。而在物理化學(xué)中，標(biāo)準(zhǔn)狀況規(guī)定為pH0.0（即H+濃度為1.0mmol/L）。不同pH下ΔG0不同。3．標(biāo)準(zhǔn)自由能的單位為kj/mol或kcal/mol。三、高能磷酸化合物(高能磷酸化合物的概念)

機(jī)體內(nèi)有許多含磷酸的化合物，當(dāng)其磷醯基水解時(shí)，釋放出大量的自由能，這類含磷酸的化合物稱為高能磷酸化合物。當(dāng)這些磷醯基水解時(shí)，能釋放出20.92kj/mol（5kcal/mol）以上的能量，因此將這些磷酸基團(tuán)與其它基團(tuán)之間的鍵稱為“高能鍵”（high-energybond），並用符號(hào)~表示。注意生物化學(xué)中的“高能鍵”的含義與化學(xué)中使用的“鍵能”含義是完全不同的。

高能磷酸化合物及其它高能化合物的類型

這些高能磷酸化合物中的磷酸大多數(shù)是與另一個(gè)酸形成酸酐，與之形成酸酐的酸有羧酸、磷酸、硫酸等。還有磷酸與胍基、烯醇式羥基之間結(jié)合的化合物也是高能磷酸化合物。除了含磷酸的高能化合物外，還有不含磷酸的高能化合物，如醯基CoA中的硫酯鍵、S-腺苷蛋氨酸中甲基與S之間的硫醚鍵也是高能鍵。

磷氧鍵型高能磷酸化合物乙醯磷酸氨甲醯磷酸1,3-二磷酸甘油酸磷氧鍵型高能磷酸化合物焦磷酸氨醯腺苷酸醯基腺苷酸磷氧鍵型高能磷酸化合物ATP磷酸烯醇式丙酮酸氮磷鍵型高能磷酸化合物磷酸精氨酸磷酸肌酸硫酯鍵型高能化合物3’-腺苷磷酸5’-磷醯硫酸醯基CoA甲硫鍵型高能化合物S-腺苷甲硫氨酸一些磷酸化合物水解的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化化合物ΔG0’磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢(shì)能磷酸烯醇式丙酮酸-61.9kj/mol61.9kj/mol氨甲醯磷酸-51.46kj/mol51.46kj/mol磷酸肌酸-49.3kj/mol49.3kj/molATP+H2O→AMP+PPi-32.2kj/mol32.2kj/molATP+H2O→ADP+Pi-30.5kj/mol30.5kj/molADP+H2O→AMP+Pi-30.5kj/mol30.5kj/molPPi+H2O→2Pi-28.8kj/mol28.8kj/mol葡萄糖-1-磷酸-20.9kj/mol20.9kj/mol葡萄糖-6-磷酸-13.8kj/mol13.8kj/mol注意ATP位於所列磷酸化合物的中間位置細(xì)胞內(nèi)影響ATP自由能釋放的因素

在細(xì)胞內(nèi)環(huán)境條件下，在pH7時(shí)，ATP及ADP的全部磷酸基團(tuán)都處於解離狀態(tài)。細(xì)胞內(nèi)有大量的Mg2+，Mg2+與ATP4－及ADP3－形成Mg2+－ATP2－及Mg2+－ADP－的形式，而實(shí)際上Mg2+－ATP2－才是ATP的活性形式。所以Mg2+濃度、pH、ATP、無機(jī)磷酸的濃度都能影響ATP水解時(shí)釋放的自由能的量。

ATP濃度和pH環(huán)境對(duì)ATP水解時(shí)自由能釋放的影響ATP濃度ATP濃度ATP濃度ATP濃度pH1mol/L0.1mol/L0.01mol/L0.001mol/Lkcal/molkcal/molkcal/molkcal/mol6.0-7.896.4-8.016.8-8.26-9.78-11.75-12.527.2-8.597.6-9.068.0-9.56ATP在能量轉(zhuǎn)運(yùn)中的地位和作用1．它可以在磷酸轉(zhuǎn)移中起到“共同中間傳遞體”的作用。ATP在能量轉(zhuǎn)運(yùn)中的地位和作用2．在偶聯(lián)反應(yīng)中提供能量。磷酸肌酸的作用

神經(jīng)和肌肉等細(xì)胞活動(dòng)的直接供能物質(zhì)是ATP，但ATP在細(xì)胞中的含量很低。在哺乳動(dòng)物的腦和肌肉中約3～8mmol/kg。這些ATP只能提供肌肉劇烈活動(dòng)1s左右的消耗。而肌肉和腦中磷酸肌酸的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過ATP，在腦中大約為ATP的1.5倍，在肌肉中則為ATP的4倍。受過良好訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)員其肌肉中磷酸肌酸的含量可高達(dá)30mmol/kg。磷酸肌酸可以看成是ATP的後備軍，磷酸肌酸中貯存的能量可以很快轉(zhuǎn)移到ATP中。磷酸肌酸的作用

上述反應(yīng)式正向反應(yīng)的ΔG0’為-12.6kj/mol，逆向反應(yīng)的ΔG0’為+12.6kj/mol，反應(yīng)的平衡常數(shù)為160。磷酸肌酸+ADP----------→肌酸+ATP肌酸激酶磷酸肌酸及其它貯能物質(zhì)的作用

當(dāng)細(xì)胞處於靜息狀態(tài)時(shí)，ATP的濃度較高，反應(yīng)向合成磷酸肌酸的方向進(jìn)行。當(dāng)細(xì)胞處於活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，ATP的濃度下降，反應(yīng)即轉(zhuǎn)向合成ATP的方向進(jìn)行，因此磷酸肌酸有“ATP緩衝劑”之稱。

磷酸精氨酸是某些無脊椎動(dòng)物如蟹和龍蝦等肌肉中的貯能物質(zhì)，其作用與磷酸肌酸相似。

有些微生物以聚偏磷酸作為貯能物質(zhì)。聚偏磷酸的結(jié)構(gòu)ATP以外的其他核苷三磷酸的遞能作用

除了ATP外，其他核苷三磷酸也在某些情況下為反應(yīng)提供能量。

ATP系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡細(xì)胞內(nèi)的能量狀態(tài)可用能荷或磷酸化勢(shì)能來表示。

糖酵解作用(Glycolysis)一、糖酵解作用的研究歷史二、糖酵解過程概述三、糖酵解和酒精發(fā)酵的全過程圖解四、糖酵解第一階段的反應(yīng)機(jī)制五、糖酵解第二階段——放能階段的反應(yīng)機(jī)制六、由葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞肿颖崮芰哭D(zhuǎn)變的估算七、丙酮酸的去路八、糖酵解作用的調(diào)節(jié)九、其他六碳糖進(jìn)入糖酵解途徑糖酵解作用

糖酵解是葡萄糖通過一系列的生化反應(yīng)，逐步氧化成小分子化合物，並釋放出能量合成ATP的過程。糖酵解途徑從葡萄糖開始，到生成2分子丙酮酸為止，在途徑的前期消耗2分子ATP，後期合成4分子ATP，所以途徑運(yùn)行的結(jié)果，1分子葡萄糖可以產(chǎn)生2分子ATP。

無氧呼吸

糖酵解途徑是呼吸途徑的一部分，其產(chǎn)物丙酮酸有多種去向，在酵母菌中，丙酮酸轉(zhuǎn)變成乙醇和CO2；在肌肉中，丙酮酸轉(zhuǎn)變成乳酸。從丙酮酸到乙醇及從丙酮酸到乳酸的代謝途徑是在無氧條件下進(jìn)行的，所以把糖酵解途徑加上丙酮酸轉(zhuǎn)變成乙醇或乳酸稱為無氧呼吸。有氧呼吸

在有氧條件下，丙酮酸進(jìn)入檸檬酸迴圈途徑，在檸檬酸途徑中徹底氧化成CO2。檸檬酸途徑中產(chǎn)生的NADH進(jìn)入呼吸電子傳遞鏈，在呼吸電子傳遞鏈中產(chǎn)生大量的ATP，最終將NADH中的電子交給O2，生成H2O。所以把糖酵解途徑、檸檬酸迴圈加上呼吸電子傳遞鏈合稱為有氧呼吸途徑。呼吸途徑示意圖二、糖酵解過程概述

由葡萄糖經(jīng)歷丙酮酸最後生成乳酸，稱為酵解過程，其碳原子的變化可作如下概括：

C－C－C－C－C－C→C－C－C+C－C－C123456123456葡萄糖（六碳糖）三碳糖三碳糖→CH3CH(OH)COO－

+CH3CH(OH)COO－

1

23

65

4

乳酸乳酸（酵解過程）發(fā)酵過程

由葡萄糖經(jīng)歷丙酮酸最後生成乙醇，稱為發(fā)酵過程，其碳原子的變化可作如下概括：

C－C－C－C－C－C→C－C－C+C－C－C123456123456葡萄糖（六碳糖）三碳糖三碳糖→CH3CH2OH+CO2+CH3CH2OH+CO2

1

23

6

5

4

乙醇乙醇酵解途徑的能量代謝

從能量的觀點(diǎn)出發(fā)，可以將酵解過程劃分為兩個(gè)方面，一方面從葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗崾俏镔|(zhì)的分解過程，伴有自由能的釋放。另一方面有ATP的合成，這是吸收能量的過程。葡萄糖

→

2乳酸ΔG10’=－196.7kj/mol2ADP+2Pi→2ATP+2H2OΔG20’=＋61.1kj/mol總能量變化為ΔG0’=ΔG10’+ΔG20’=－135.6kj/mol其中由ATP捕獲的能量的比例為

61.1/196.7×100%=31%

糖酵解途徑中磷酸化中間產(chǎn)物的意義

應(yīng)該引起注意的是，糖酵解過程中由葡萄糖到所有的中間產(chǎn)物都是以磷酸化合物的形式反應(yīng)的。中間產(chǎn)物磷酸化至少有三種意義：①帶有負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)使中間產(chǎn)物具有極性，從而使這些產(chǎn)物不易透過脂膜而失散；②磷酸基團(tuán)在各反應(yīng)步驟中，對(duì)酶來說，起到信號(hào)基團(tuán)的作用，有利於與酶結(jié)合而被催化；③磷酸基團(tuán)經(jīng)酵解作用後，最終形成ATP的末端磷酸基團(tuán)，因此具有保存能量的作用。

三、糖酵解和酒精發(fā)酵的全過程圖解四、糖酵解第一階段的反應(yīng)（一）葡萄糖的磷酸化己糖激酶Mg2+葡萄糖葡萄糖—6-磷酸（二）葡萄糖-6-磷酸異構(gòu)化形成果糖-6-磷酸

磷酸葡萄糖異構(gòu)酶葡萄糖-6-磷酸果糖-6-磷酸（三）果糖-6-磷酸形成果糖-1,6-二磷酸磷酸果糖激酶Mg2+果糖-6-磷酸果糖-1,6-二磷酸（四）果糖-1,6-二磷酸轉(zhuǎn)變?yōu)楦视腿?3-磷酸和二羥丙酮磷酸醛縮酶果糖-1,6-二磷酸

二羥丙酮磷酸甘油醛-3-磷酸（五）二羥丙酮磷酸轉(zhuǎn)變?yōu)楦视腿?3-磷酸丙糖磷酸異構(gòu)酶五、酵解第二階段的反應(yīng)（一）甘油醛-3-磷酸氧化成1,3-二磷酸甘油酸甘油醛-3-磷酸脫氫酶

砷酸鹽是磷酸的類似物，可以代替磷酸結(jié)合到甘油酸的1位，並很快水解，使得不能形成1,3-二磷酸甘油酸，不能產(chǎn)生ATP，導(dǎo)致解偶聯(lián)。

甘油醛-3-磷酸1,3-二磷酸甘油酸（二）1,3-二磷酸甘油酸轉(zhuǎn)移高能磷酸基團(tuán)形成ATP

磷酸甘油酸激酶Mg2+1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸（三）3-磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸變位酶

（四）2-磷酸甘油酸脫水生成磷酸烯醇式丙酮酸

烯醇化酶2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸Mg2+或Mn2+（五）磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸醽K產(chǎn)生一個(gè)ATP分子磷酸烯醇式丙酮酸

丙酮酸丙酮酸激酶Mg2+或Mn2+六、由葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞肿颖崮芰哭D(zhuǎn)變的估算總反應(yīng)式為：葡萄糖

+2Pi+2ADP+2NAD+→

2丙酮酸

+2ATP+2NADH+2H++2H2O

糖酵解過程中各步反應(yīng)的能量變化反應(yīng)內(nèi)容酶ΔG（kj/mol）1.G＋ATP→G-6-P+ADP己糖激酶－33.472.G-6-P→F-6-P磷酸葡糖異構(gòu)酶－2.513.F-6-P+ATP→F-1,6-2P+ADP磷酸果糖激酶－22.184.F-1,6-2P→DHAP+GAP醛縮酶－1.255.DHAP→GAP丙糖磷酸異構(gòu)酶＋2.516.GAP+Pi+NAD+→1,3-BPG+NADH+H+甘油醛-3-磷酸脫氫酶－1.677.1,3-BPG+ADP→3-PG+ATP磷酸甘油酸激酶＋1.268.3-PG→2-PG磷酸甘油酸變位酶＋0.849.2-PG→PEP+H2O烯醇化酶－3.3510.PEP+ADP→pyruvate+ATP丙酮酸激酶－16.74七、丙酮酸的去路（一）生成乳酸

動(dòng)物包括人，在激烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，或由於呼吸、循環(huán)系統(tǒng)障礙而供氧不足時(shí)，缺氧的細(xì)胞必需用糖酵解產(chǎn)生的ATP分子暫時(shí)滿足對(duì)能量的需要。為了使甘油醛-3-磷酸繼續(xù)氧化，必須源源不斷地提供氧化型的NAD+，由乳酸脫氫酶催化的丙酮酸還原，正好使NADH氧化，丙酮酸還原成乳酸。丙酮酸生成乳酸的反應(yīng)乳酸脫氫酶

丙酮酸乳酸酵解的總反應(yīng)式

在無氧條件下，每分子葡萄糖代謝形成乳酸的總反應(yīng)方程式如下：C6H12O6+2ADP+2Pi→2C3H6O3+2ATP+2H2O（二）生成乙醇丙酮酸脫羧酶

丙酮酸乙醛1.丙酮酸脫羧形成乙醛（二）生成乙醇1.乙醛還原成乙醇乙醇脫氫酶

乙醛乙醇發(fā)酵的總反應(yīng)式

在無氧條件下，每分子葡萄糖代謝形成乙醇的總反應(yīng)方程式如下：C6H12O6+2ADP+2Pi→2C2H5O+2ATP+2H2O+2CO2八、糖酵解作用的調(diào)節(jié)

在代謝途徑中，催化基本上不可逆反應(yīng)的酶所處的部位是控制代謝反應(yīng)的有力部位。在糖酵解途徑中，由己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反應(yīng)實(shí)際上都是不可逆反應(yīng)，因此，這三種酶都具有調(diào)節(jié)糖酵解途徑的作用。

磷酸果糖激酶是關(guān)鍵酶

磷酸果糖激酶受高濃度ATP的抑制，ATP是磷酸果糖激酶的別構(gòu)抑制劑。

檸檬酸抑制磷酸果糖激酶

糖酵解除了為生命活動(dòng)提供能量外，還有為合成各種物質(zhì)提供碳骨架的作用。檸檬酸含量高時(shí)，意味著有豐富的生物合成前體存在。檸檬酸通過加強(qiáng)ATP的抑制效應(yīng)來抑制磷酸果糖激酶的活性，從而使糖酵解過程減慢。

果糖-2,6-二磷酸對(duì)酵解的調(diào)節(jié)作用

果糖-2,6-二磷酸是磷酸果糖激酶強(qiáng)有力的變構(gòu)啟動(dòng)劑。在肝臟中，果糖-2,6-二磷酸提高磷酸果糖激酶與果糖-6-磷酸的親和力，並降低ATP的抑制效應(yīng)。

果糖-2,6-二磷酸對(duì)磷酸果糖激酶的啟動(dòng)作用磷酸果糖激酶2和果糖二磷酸酶2

果糖-2,6-二磷酸是由磷酸果糖激酶2催化果糖-6-磷酸在2位磷酸化形成的。果糖-2,6-二磷酸水解成果糖-6-磷酸是由果糖二磷酸酶2催化的。這兩種酶實(shí)際上是同一個(gè)單鏈蛋白，這種蛋白稱為雙功能酶。當(dāng)此蛋白被磷酸化後，果糖二磷酸酶2活性啟動(dòng)，而磷酸果糖激酶2活性受到抑制；脫磷酸後則相反。當(dāng)葡萄糖缺乏時(shí)，血液中的胰高血糖素啟動(dòng)cAMP的級(jí)聯(lián)效應(yīng)，使此蛋白磷酸化，果糖-2,6-二磷酸減少，導(dǎo)致糖酵解減慢。

己糖激酶對(duì)糖酵解的調(diào)節(jié)作用

己糖激酶受葡萄糖-6-磷酸的抑制。當(dāng)磷酸果糖激酶受抑制時(shí)，果糖-6-磷酸積累，使得葡萄糖-6-磷酸也積累，從而抑制己糖激酶的活性。但也不完全是這樣，因?yàn)槠咸烟?6-磷酸還可以轉(zhuǎn)變成糖原，或經(jīng)五碳糖磷酸途徑氧化。當(dāng)磷酸果糖激酶受抑制時(shí)，葡萄糖-6-磷酸不一定積累，己糖激酶也就不一定受抑制，所以己糖激酶不是糖酵解途徑的限制酶。

丙酮酸激酶對(duì)糖酵解的調(diào)節(jié)作用九、其他六碳糖進(jìn)入糖酵解途徑四種六碳糖構(gòu)型比較

D-葡萄糖D-甘露糖D-半乳糖D-果糖果糖進(jìn)入糖酵解途徑己糖激酶

果糖果糖-6-磷酸

（肌肉中）果糖進(jìn)入糖酵解途徑果糖激酶（肝臟中）

果糖

果糖-1-磷酸①果糖進(jìn)入糖酵解途徑果糖-1-磷酸（肝臟中）②

甘油醛二羥丙酮磷酸果糖-1-磷酸醛縮酶

甘油醛甘油醛-3-磷酸甘油醛激酶③果糖進(jìn)入糖酵解途徑（肝臟中）

甘油醛甘油醇脫氫酶甘油激酶甘油磷酸脫氫酶

甘油甘油-3-磷酸

甘油-3-磷酸二羥丙酮磷酸④⑤⑥半乳糖進(jìn)入糖酵解途徑半乳糖激酶半乳糖-1-磷酸尿苷醯轉(zhuǎn)移酶

半乳糖半乳糖-1-磷酸半乳糖-1-磷酸UDP-半乳糖①②半乳糖進(jìn)入糖酵解途徑UDP-半乳糖4差向異構(gòu)酶UDP-半乳糖中間體UDP-葡萄糖③半乳糖進(jìn)入糖酵解途徑UDP-葡萄糖焦磷酸化酶UDP-葡萄糖葡萄糖-1-磷酸④葡萄糖-1-磷酸葡萄糖-6-磷酸磷酸葡萄糖變位酶⑤甘露糖進(jìn)入糖酵解途徑己糖激酶①甘露糖甘露糖-6-磷酸磷酸甘露糖異構(gòu)酶②甘露糖-6-磷酸果糖-6-磷酸

檸檬酸迴圈(Citricacidcycle)一、丙酮酸進(jìn)入檸檬酸迴圈的準(zhǔn)備階段

——形成乙醯CoA二、檸檬酸迴圈概貌三、檸檬酸迴圈的反應(yīng)機(jī)制四、檸檬酸迴圈的化學(xué)總結(jié)算五、檸檬酸迴圈的調(diào)控六、檸檬酸迴圈的雙重作用七、檸檬酸迴圈的發(fā)現(xiàn)歷史檸檬酸迴圈

檸檬酸迴圈也叫三羧酸迴圈，因?yàn)榈聡茖W(xué)家HansKrebs在闡明檸檬酸迴圈中作出了突出貢獻(xiàn)，又將此途徑稱為Krebs迴圈。

在有氧條件下，糖酵解途徑產(chǎn)生的丙酮酸進(jìn)入線粒體，先轉(zhuǎn)變成乙醯CoA，乙醯CoA再進(jìn)入檸檬酸迴圈徹底氧化成CO2。在真核細(xì)胞中，檸檬酸迴圈是線上粒體中進(jìn)行的。一、丙酮酸進(jìn)入檸檬酸迴圈的準(zhǔn)備階段——形成乙醯CoA

丙酮酸脫氫酶複合體的組成組分縮寫肽鏈數(shù)輔基催化的反應(yīng)丙酮酸脫氫酶組分E124TPP丙酮酸氧化脫羧二氫硫辛醯轉(zhuǎn)乙醯基酶E224硫辛醯胺將乙醯基轉(zhuǎn)移到CoA二氫硫辛酸脫氫酶E312FAD將還原型硫辛醯胺轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸捅岬揭阴礐oA的總反應(yīng)式CH3COCOO－

+HS－CoA+NAD+→CH3CO－SCoA+CO2+NADH丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴礐oA的反應(yīng)步驟

（丙酮酸脫羧反應(yīng)）E1

丙酮酸TPP丙酮酸TPP加成化合物丙酮酸TPP加成化合物羥乙基-TPP共振形式丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴礐oA的反應(yīng)步驟（丙酮酸脫羧反應(yīng)）E2的硫辛醯胺輔基羥乙基-TPP乙醯二氫硫辛醯胺TPP-E1E2丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴礐oA的反應(yīng)步驟乙醯二氫硫辛醯胺乙醯CoA二氫硫氫醯胺（乙醯基轉(zhuǎn)移到CoA分子上形成乙醯CoA）丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴礐oA的反應(yīng)步驟（還原型E2被氧化反應(yīng)）

氧化型E3還原型E2還原型E3

氧化型E2

還原型E3還原型E2氧化型E3E3丙酮酸脫氫酶複合體結(jié)構(gòu)

丙酮酸脫氫酶複合體由60條肽鏈組成，總分子量為50,000kD，直徑約30nm，在電子顯微鏡下可以看到。E2是複合體的核心，E1及E3結(jié)合在E2的外面。E2有一個(gè)由賴氨酸殘基與硫辛醯胺相連的長(zhǎng)鏈，這個(gè)長(zhǎng)臂伸長(zhǎng)後可達(dá)1.4nm，它具有極大的轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性，可將底物從一個(gè)酶轉(zhuǎn)送到另一個(gè)酶。丙酮酸脫氫酶複合體硫辛醯賴氨醯臂丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴礐oA的總圖砷化物對(duì)硫辛醯胺的毒害作用丙酮酸脫氫酶複合體的調(diào)控

丙酮酸脫氫酶複合體催化的這個(gè)反應(yīng)是哺乳動(dòng)物體內(nèi)使丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴礐oA的唯一途徑。乙醯CoA既是檸檬酸迴圈的入口，又是脂類生物合成的起始物質(zhì)。1．產(chǎn)物控制

產(chǎn)物NADH抑制E3，乙醯CoA抑制E2。2．磷酸化和去磷酸化的調(diào)控

E2分子上結(jié)合著兩種特殊的酶，一種稱為激酶，另一種稱為磷酸酶，它們分別使E1磷酸化和去磷酸化，去磷酸化形式是E1的活性形式。Ca2+通過啟動(dòng)磷酸酶的作用，也能使E1活化。二、檸檬酸迴圈概貌檸檬酸迴圈總圖三、檸檬酸迴圈的反應(yīng)草醯乙酸與乙醯CoA縮合形成檸檬酸

草醯乙酸乙醯CoA

檸檬醯CoA

檸檬酸CoA檸檬酸合酶①112212檸檬酸異構(gòu)化形成異檸檬酸

檸檬酸順-烏頭酸異檸檬酸烏頭酸酶烏頭酸酶②222111烏頭酸酶中的Fe-S聚簇異檸檬酸氧化形成α∣酮戊二酸異檸檬酸脫氫酶

異檸檬酸草醯琥珀酸α－酮戊二酸③1212琥珀酸脫氫形成延胡索酸異檸檬酸異檸檬酸裂解酶琥珀酸

乙醛酸分支α－酮戊二酸氧化脫羧形成琥珀醯CoA

α－酮戊二酸琥珀醯CoAα-酮戊二酸脫氫酶複合體

④1122琥珀醯CoA轉(zhuǎn)化成琥珀酸

烯醇化酶

琥珀醯CoA琥珀酸琥珀醯CoA合成酶⑤1122FAD與琥珀酸脫氫酶的共價(jià)結(jié)合線粒體結(jié)構(gòu)示意圖琥珀酸脫氫酶嵌合線上粒體的內(nèi)膜上。

琥珀酸脫氫形成延胡索酸琥珀酸脫氫酶琥珀酸

延胡索酸⑥延胡索酸水合形成L-蘋果酸延胡索酸酶

延胡索酸

L-蘋果酸⑦L-蘋果酸脫氫形成草醯乙酸蘋果酸脫氫酶

L-蘋果酸草醯乙酸⑧四、檸檬酸迴圈的化學(xué)總結(jié)算檸檬酸迴圈的總反應(yīng)式

乙醯CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3NADH+FADH2+GTP+3H++CoAATP的產(chǎn)量

從丙酮酸開始，檸檬酸迴圈中迴圈一圈，共產(chǎn)生4個(gè)NADH，1個(gè)FADH2，1個(gè)GTP（ATP），按每個(gè)NADH可以產(chǎn)生2.5個(gè)ATP、每個(gè)FADH2可以產(chǎn)生1.5個(gè)ATP計(jì)算，共產(chǎn)生

2.5×4+1×1.5+1=12.5

個(gè)ATP

每個(gè)葡萄糖分子（2個(gè)丙酮酸）在進(jìn)入檸檬酸迴圈後可以產(chǎn)生25個(gè)ATP。

每個(gè)葡萄糖分子在糖酵解中可以產(chǎn)生2個(gè)ATP和2個(gè)NADH，共產(chǎn)生

2+2×2.5=7個(gè)ATP

每個(gè)葡萄糖分子徹底氧化後共產(chǎn)生32個(gè)ATP。五、檸檬酸迴圈的調(diào)控

在檸檬酸迴圈中，雖然有8種酶參加反應(yīng)，但在調(diào)節(jié)迴圈速度中起關(guān)鍵作用的有3種酶：檸檬酸合酶、異檸檬酸脫氫酶和α－酮戊二酸脫氫酶複合體。其調(diào)控可以分為兩個(gè)方面：①檸檬酸迴圈本身各種物質(zhì)對(duì)酶活性的調(diào)控；②ADP、ATP和Ca2+的調(diào)控。

檸檬酸迴圈本身制約系統(tǒng)的調(diào)節(jié)1．乙醯CoA和草醯乙酸的供應(yīng)情況。乙醯CoA來源於丙酮酸，受到丙酮酸脫氫酶複合體活性的控制；草醯乙酸的供應(yīng)取決於迴圈是否運(yùn)行暢通，以及中間產(chǎn)物離開迴圈的速率和補(bǔ)充的速率。2．[NADH]/[NAD+]的比值。檸檬酸合酶和異檸檬酸脫氫酶都受到NADH的抑制，但異檸檬酸脫氫酶對(duì)NADH更為敏感。α－酮戊二酸脫氫酶複合體也受NADH的抑制。3．產(chǎn)物的回饋抑制。檸檬酸合酶受高濃度檸檬酸的抑制；α－酮戊二酸脫氫酶複合體受琥珀醯CoA的抑制。

ATP、ADP和Ca2+對(duì)檸檬酸迴圈的調(diào)節(jié)1．[ATP]/[ADP]的比值。

[ATP]/[ADP]的比值對(duì)檸檬酸迴圈中的酶有調(diào)節(jié)作用，ADP是異檸檬酸脫氫酶的別構(gòu)促進(jìn)劑，可降低該酶的Km值，促進(jìn)酶與底物的結(jié)合；而ATP抑制該酶。2．Ca2+濃度。

Ca2+可啟動(dòng)丙酮酸脫氫酶的磷酸酶，使丙酮酸脫氫酶去磷酸化而活化，從而增加乙醯CoA的供應(yīng)。同時(shí)Ca2+也能啟動(dòng)異檸檬酸脫氫酶和α－酮戊二酸脫氫酶。

乙醯CoA形成和檸檬酸迴圈中的啟動(dòng)和抑制部位示意圖·

啟動(dòng)×抑制····→回饋抑制六、檸檬酸迴圈的雙重作用

許多合成代謝都利用檸檬酸迴圈的中間產(chǎn)物作為生物合成的前體來源。檸檬酸迴圈中由於參與其他代謝而失去的中間產(chǎn)物，必須及時(shí)補(bǔ)充，才能保持檸檬酸迴圈順利地、不間斷地運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)檸檬酸迴圈中間產(chǎn)物有補(bǔ)充作用的反應(yīng)稱為填補(bǔ)反應(yīng)。檸檬酸迴圈是新陳代謝的中心環(huán)節(jié)。檸檬酸迴圈雙重作用示意圖丙酮酸羧化酶

生物氧化——電子傳遞和氧化磷酸化作用(Biologicaloxidation——electrontransportandoxidativephosphorylation)一、氧化－還原電勢(shì)二、電子傳遞和氧化呼吸鏈三、氧化磷酸化作用一、氧化－還原電勢(shì)能斯特方程

兩個(gè)電極組成電池的電動(dòng)勢(shì)

F:法拉弟常數(shù)

96.5kj/V·mol反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度與電動(dòng)勢(shì)的關(guān)係式

對(duì)於一個(gè)氧化還原反應(yīng)

aAr+bBocAo+dBr

氧化還原反應(yīng)的ε判據(jù)

對(duì)於氧化還原反應(yīng)來說，反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行，是反應(yīng)進(jìn)行的限度。如果已知兩個(gè)氧還電對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)，可以根據(jù)ΔG0’=－nFΔE0’計(jì)算出該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化值。二、電子傳遞和氧化磷酸化

檸檬酸迴圈及其它降解代謝途徑產(chǎn)生還原型輔酶，包括NADH和FADH2，將其攜帶的電子經(jīng)過電子傳遞，最終交給分子O2，形成H2O。在電子傳遞過程中釋放出大量的自由能，這些自由能被用來推動(dòng)ATP的合成。在呼吸電子傳遞鏈中，總反應(yīng)式為NADH+H++1/2O2

→NAD++H2O

ΔG0’=－220.07kj/molFADH2+1/2O2→FAD+H2O

ΔG0’=－181.58kj/mol

線粒體結(jié)構(gòu)圖

檸檬酸迴圈線上粒體基質(zhì)中進(jìn)行，電子傳遞和氧化磷酸化線上粒體內(nèi)膜上進(jìn)行。還原型輔酶中的能量

在糖酵解和檸檬酸迴圈中，1分子葡萄糖完全氧化可以生成10個(gè)NADH和2個(gè)FADH2，它們氧化後可以釋放出的自由能為

kj/mol

1分子葡萄糖完全氧化釋放的自由能為2870.23kj/mol

還原型輔酶中貯存的能量比例為

（2563.86/2870.23）×100%=89.3%電子傳遞的方向

在電子傳遞鏈中，有一系列電子傳遞體，這些電子傳遞體的排列順序是根據(jù)它們的電極電位決定的。電子由電極電位低的氧還電對(duì)中的還原態(tài)電子傳遞體傳向電極電位高的氧還電對(duì)中的氧化態(tài)電子傳遞體。

電子傳遞形成跨膜的質(zhì)子梯度

在電子傳遞過程中，還伴隨有H+從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)，向內(nèi)膜的外側(cè)運(yùn)輸，結(jié)果造成跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度，這樣在膜內(nèi)外既造成質(zhì)子的濃度梯度，又造成電勢(shì)梯度，這種電化學(xué)勢(shì)梯度貯存有能量，當(dāng)質(zhì)子由膜的外側(cè)向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)ATP合成。

電子傳遞鏈

呼吸電子傳遞鏈主要由蛋白質(zhì)複合體組成，線上粒體內(nèi)膜上有4種參與電子傳遞的蛋白質(zhì)複合體，分別為

NADH－Q還原酶（NADH-Qreductase）

琥珀酸－Q還原酶（succinate-Qreductase）

細(xì)胞色素還原酶（cytochromereductase）

細(xì)胞色素氧化酶（cytochromeoxidase）

電子傳遞鏈標(biāo)準(zhǔn)氧還電勢(shì)、自由能變化和ATP形成部位示意圖上半圖下半圖ProteinComplexesofthe

MitochondrialElectron-TransportChainComplexMass(kD)Sub-unitsProstheticGroupBindingSitefor:NADH-UQreductase850>30FMNFe-SNADH(matrixside)UQ(lipidcore)Succinate-UQreductase1404FADFe-SSuccinate(matrixside)UQ(lipidcore)UQ-Cytcreductase24811HemebLHemebHHemec1Fe-SCytc(intermembranespaceside)Cytochromecoxidase162>10HemeaHemea3CuACuBCytc(intermembranespaceside)電子傳遞鏈各個(gè)成員1.NADH－Q還原酶

NADH－Q還原酶又稱為NADH脫氫酶，簡(jiǎn)稱為複合體Ⅰ。該酶含有FMN輔基和Fe-S聚簇，催化反應(yīng)時(shí)，先將NADH的電子傳遞到FMN上，再傳給Fe-S聚簇，最後傳給輔酶Q。Fe-S聚簇有幾種類型，含有Fe-S聚簇的蛋白質(zhì)稱為鐵硫蛋白，又稱為非血紅素鐵蛋白。

Fe-S聚簇通過其中的Fe2+和Fe3+的變化來傳遞電子。三種類型的Fe-S

clusterFeFe2-S2Fe4-S4半胱氨酸的巰基硫NADH-Q還原酶催化的電子傳遞每傳遞2個(gè)電子，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)H+從膜內(nèi)側(cè)運(yùn)到膜外側(cè)。電子傳遞鏈各個(gè)成員2.輔酶Q

輔酶Q（CoenzymeQ）又稱泛醌（ubiquinone），有時(shí)簡(jiǎn)稱為Q或UQ，是一種脂溶性物質(zhì)，它可以接受1個(gè)電子還原成半醌中間體，再接受1個(gè)電子還原成對(duì)苯二酚形式。由於其脂溶性強(qiáng)，可以線上粒體內(nèi)膜中擴(kuò)散。它有一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的碳?xì)鋫?cè)鏈，哺乳動(dòng)物中最常見的是具有10個(gè)異戊二烯單位的側(cè)鏈，簡(jiǎn)寫為Q10，在非哺乳動(dòng)物中這個(gè)側(cè)鏈可能只有6~8個(gè)異戊二烯單位。輔酶Q的結(jié)構(gòu)和氧化還原態(tài)輔酶Q的space-filling模型電子傳遞鏈各個(gè)成員3.琥珀酸－Q還原酶

琥珀酸－Q還原酶又稱為複合體Ⅱ，完整的此酶包括檸檬酸迴圈中的琥珀酸脫氫酶，琥珀酸氧化為延胡索酸時(shí)脫下的氫還原了FAD，F(xiàn)ADH2將電子傳遞給琥珀酸－Q還原酶的Fe-S聚簇，再傳遞給輔酶Q。

琥珀酸－Q還原酶催化的電子傳遞電子傳遞鏈各個(gè)成員4.細(xì)胞色素還原酶

細(xì)胞色素還原酶又稱複合體Ⅲ、輔酶Q－細(xì)胞色素c還原酶。它的作用是將還原型輔酶Q的電子傳遞給細(xì)胞色素c。細(xì)胞色素還原酶中含有細(xì)胞色素b，也含有2Fe-2S聚簇。

細(xì)胞色素（cytochrome)

細(xì)胞色素是一類含有血紅素輔基的電子傳遞蛋白質(zhì)的總稱。還原型細(xì)胞色素具有明顯的可見光吸收，可以看到α、β和γ三個(gè)吸收峰，其中α峰的波長(zhǎng)隨細(xì)胞色素種類的不同而各有特異的變化，可用來區(qū)分不同的細(xì)胞色素。氧化型細(xì)胞色素在可見光區(qū)看不到吸收峰。細(xì)胞色素中的血紅素有三種，分別稱為細(xì)胞色素a、b和c，同一種細(xì)胞色素血紅素因結(jié)合的蛋白質(zhì)不同，其α吸收峰的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生小的變化，如細(xì)胞色素還原酶中含有的細(xì)胞色素b就分為bH（b562）和bL（b566）兩種。B型和C型血紅素的結(jié)構(gòu)b型血紅素c型血紅素還原型細(xì)胞色素c的光吸收峰幾種細(xì)胞色素的最大吸收峰波長(zhǎng)/nm細(xì)胞色素αβγa600439bL566bH562532429c550521415c1554524418細(xì)胞色素還原酶催化的電子傳遞前半個(gè)Q迴圈，運(yùn)出去2個(gè)質(zhì)子。細(xì)胞色素還原酶催化的電子傳遞後半個(gè)Q迴圈，運(yùn)出去2個(gè)質(zhì)子。電子傳遞鏈各個(gè)成員

細(xì)胞色素c是一個(gè)分子量13000的單鏈球形蛋白質(zhì)，直徑3.4nm，由104個(gè)氨基酸殘基組成，含有一個(gè)血紅素輔基。它是唯一能溶於水的細(xì)胞色素，並且是瞭解最為透徹的蛋白質(zhì)之一。

5.細(xì)胞色素c細(xì)胞色素c的三維結(jié)構(gòu)電子傳遞鏈各個(gè)成員

細(xì)胞色素氧化酶又稱為複合體Ⅳ、細(xì)胞色素c氧化酶。它的作用是將還原型細(xì)胞色素c的電子傳遞給分子O2，生成H2O。

6.細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶的傳遞電子作用

每傳遞2個(gè)電子可以運(yùn)出2個(gè)質(zhì)子。氧與a3及CuB結(jié)合的關(guān)係示意圖電子傳遞給氧生成水電子傳遞的抑制效應(yīng)電子傳遞鏈中的抑制劑

三、氧化磷酸化作用

伴隨著電子傳遞，ADP與Pi合成ATP的過程稱為氧化磷酸化作用（oxidativephosphorylation）。相應(yīng)地，我們將在代謝途徑中由含磷酸的底物直接把磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)到ADP上形成ATP，稱為底物水準(zhǔn)磷酸化。

P/O比

用組織勻漿以及組織切片做的實(shí)驗(yàn)表明，組織利用O2的同時(shí)，ATP含量隨之增加，每消耗1個(gè)O原子約合成3個(gè)ATP分子。這個(gè)比例稱為P/O比。P/O比又可以看作是一對(duì)電子通過呼吸電子傳遞鏈傳至O2所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。根據(jù)P/O比為3，人們認(rèn)為在電子傳遞鏈中，ATP是在3個(gè)不連續(xù)的部位生成的，根據(jù)電子傳遞鏈中各環(huán)節(jié)釋放的能量，也確實(shí)有3個(gè)部位釋放的能量大於合成ATP所需的能量。FADH2進(jìn)入電子傳遞鏈後的P/O比為2，說明它繞過了1個(gè)生成ATP的部位。

ATP的合成部位

線粒體內(nèi)膜上有許多球形突起，稱為內(nèi)膜球體（innermembranesphere）。這些球體通過一個(gè)柄連接到內(nèi)膜中的基座上，我們把球體和柄合稱為F1，基座稱為Fo，F(xiàn)1和Fo合稱複合體Ⅴ。在離體條件下，這種複合體有水解ATP的活性，所以開始稱它為ATP酶，後來發(fā)現(xiàn)在完整的線粒體中它的功能是合成ATP，現(xiàn)在稱它為ATP合酶。

亞線粒體的電鏡照片ATP合酶簡(jiǎn)圖ATP合酶重組實(shí)驗(yàn)?zāi)芰颗悸?lián)假說Ⅰ（1）化學(xué)偶聯(lián)假說

化學(xué)偶聯(lián)假說是1953年EdwardSlater最先提出來的。他認(rèn)為電子傳遞過程中產(chǎn)生一種活潑的高能共價(jià)中間物，它隨後的裂解驅(qū)動(dòng)合成ATP，就像底物水準(zhǔn)磷酸化那樣。但是在氧化磷酸化中一直沒有找到任何一種活潑的高能中間產(chǎn)物。

能量偶聯(lián)假說Ⅱ（2）構(gòu)象偶聯(lián)假說

這一假說是1964年P(guān)aulBoyer最先提出來的。他認(rèn)為電子沿電子傳遞鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)發(fā)生了構(gòu)象變化，形成一種高能態(tài)。通過合成ATP使蛋白質(zhì)恢復(fù)到原來的構(gòu)象。這一假說至今也未能找到有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。但是在ATP的合成過程中仍可能包含有不同形式的構(gòu)象偶聯(lián)現(xiàn)象。

能量偶聯(lián)假說Ⅲ（3）化學(xué)滲透假說

這一假說是1961年由英國生物化學(xué)家PeterMithell最先提出的。他認(rèn)為電子傳遞釋放出的自由能及ATP合成是與一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度相偶聯(lián)的。也就是說，電子傳遞釋放的自由能驅(qū)動(dòng)H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙，從而形成跨線粒體內(nèi)膜的H+電化學(xué)梯度。這個(gè)梯度的電化學(xué)勢(shì)驅(qū)動(dòng)ATP合成。

化學(xué)滲透假說的原理圖化學(xué)滲透假說的實(shí)驗(yàn)證據(jù)①

氧化磷酸化作用需要封閉的線粒體內(nèi)膜存在。②

線粒體內(nèi)膜對(duì)H+、OH－、K+、Cl－等離子都是不通透的。③破壞H+濃度梯度的形成都必將破壞氧化磷酸化作用的進(jìn)行。④線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞能夠?qū)+從基質(zhì)運(yùn)輸?shù)侥らg隙。⑤人造的脂質(zhì)小泡上重組細(xì)菌紫膜質(zhì)和F1FoATP合酶後，在照光時(shí)有ATP的合成。質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)合成ATP的實(shí)驗(yàn)證明細(xì)菌紫膜質(zhì)脂質(zhì)小泡線粒體F1FoATP合酶PeterMitchell

PeterMitchell因提出了化學(xué)滲透假說而獲得了1978年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。質(zhì)子泵出是需能過程

一個(gè)質(zhì)子逆電化學(xué)梯度跨過線粒體內(nèi)膜的自由能變化可以用下式表示ΔG=2.3RT[pH(膜內(nèi))－pH(膜外)]＋ZFΔΨ

式中，ΔΨ是膜電勢(shì)，即膜內(nèi)外的電勢(shì)差。

ΔΨ=Ψ(膜外)－Ψ(膜內(nèi))質(zhì)子轉(zhuǎn)移的兩種假設(shè)機(jī)制（1）氧化－還原回路機(jī)制

該機(jī)制由Mitchell提出。他認(rèn)為電子傳遞鏈中有一些電子傳遞體既可以傳遞電子，也可以結(jié)合H+，當(dāng)它們被還原時(shí)，在膜內(nèi)側(cè)結(jié)合H+，而被氧化時(shí)，在膜外側(cè)釋放H+，這樣就把H+從膜內(nèi)運(yùn)到了膜外。

氧還－回路機(jī)制示意圖質(zhì)子轉(zhuǎn)移的兩種假設(shè)機(jī)制（2）質(zhì)子泵機(jī)制

這個(gè)機(jī)制的內(nèi)容是，電子傳遞導(dǎo)致複合體構(gòu)象的變化，氨基酸殘基在膜內(nèi)側(cè)結(jié)合H+，構(gòu)象變化後在膜外側(cè)釋放H+，從而把H+從膜內(nèi)側(cè)運(yùn)到膜外。

合成ATP與跨膜質(zhì)子的數(shù)量關(guān)係

在生理?xiàng)l件下合成1個(gè)ATP所需的自由能大約為40～50kj/mol。至少需要兩個(gè)質(zhì)子跨膜回流釋放的能量才夠合成1個(gè)ATP。因?yàn)檗D(zhuǎn)移出膜外的質(zhì)子有一部分漏回膜內(nèi)，測(cè)定的結(jié)果表明，每合成1個(gè)ATP需要泵出2～3個(gè)質(zhì)子。

電子傳遞與質(zhì)子泵出相偶聯(lián)線粒體跨內(nèi)膜的質(zhì)子梯度F1和Fo的亞基組成

F1由5種肽鏈組成，α3β3γδε。Fo由3種疏水亞基組成，a1b2c9-12。Fo形成跨膜的管道，質(zhì)子通過此管道流回到膜內(nèi)側(cè)時(shí)驅(qū)動(dòng)ATP合成。F1的α、β、γ、δ和ε亞基分別由510、482、272、146和50個(gè)氨基酸殘基組成，F(xiàn)1的總分子量為371kD。α、β亞基是同源的，每一個(gè)亞基結(jié)合有1個(gè)ATP，催化位點(diǎn)在β亞基上，α亞基上ATP結(jié)合位點(diǎn)的功能還不清楚，因?yàn)槿笔н@個(gè)位點(diǎn)並不影響F1的活性。

ATP合成與蛋白質(zhì)構(gòu)象變化

JohnWalker及其同事測(cè)定了F1的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)1－ATP合酶是一個(gè)不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，3個(gè)β亞基有3種不同的構(gòu)象。Walker研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)β亞基ATP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合有AMP-PNP（一種不能被水解的ATP類似物），另一個(gè)結(jié)合有ADP，第三個(gè)位點(diǎn)是空的。這個(gè)發(fā)現(xiàn)與PaulBoyer提出的關(guān)於ATP合成的結(jié)合變化機(jī)制（bindingchangemechanism）相符，結(jié)合變化機(jī)制認(rèn)為，3個(gè)反應(yīng)位點(diǎn)協(xié)調(diào)地依次通過ATP合成的3種中間狀態(tài)進(jìn)行迴圈。

α3β3的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)側(cè)面觀頂面觀分子馬達(dá)

Fo的c亞基排列成環(huán)，c亞基的構(gòu)像是一對(duì)反平行的跨膜螺旋，在胞質(zhì)溶膠側(cè)由一個(gè)短的髮卡環(huán)連接。c亞基環(huán)形成一個(gè)轉(zhuǎn)子（rotor），相對(duì)於a亞基旋轉(zhuǎn)，a亞基作為定子（stater），a亞基由5個(gè)跨膜的α螺旋組成，在膜的每一側(cè)有質(zhì)子流動(dòng)的通道（protonaccesschannels）。γ亞基將F1和Fo連接起來，在ATP合成時(shí)γ亞基也相對(duì)於(αβ)3複合體旋轉(zhuǎn)。如果γ亞基固著在c亞基轉(zhuǎn)子上，它們就可以一起轉(zhuǎn)動(dòng)。b亞基有1個(gè)跨膜片段和1個(gè)長(zhǎng)的親水頭部，完整的定子由b亞基固著在a亞基的一端，並通過δ亞基與(αβ)3結(jié)合在一起。

ATP合酶的結(jié)構(gòu)和工作原理Rotationoftheg

subunitandtheringofcsubunitsintheFoF1complexwasobservedbyinvitrostudiesusingfluorescenceMicroscopy(K.Kinosita,1997)FluorescencetlylabeledTheworld’ssmallestmolecularmotor:rotationalcatalysis.RotationofthegsubunitandtheringofcsubunitsinintheFoF1complexasdirectlyobservedbyinvitrostudiesusingfluorescencemicroscopy:theyrotatein120-degreeincrements,witheachstepconsumeoneATP;operationefficiencynear100%.質(zhì)子從膜外側(cè)返回內(nèi)側(cè)的通道

c轉(zhuǎn)子每一個(gè)亞基上有一個(gè)重要的殘基Asp61，將這個(gè)Asp突變成Asn將失去ATP合酶活性。c轉(zhuǎn)子相對(duì)於定子的旋轉(zhuǎn)可能依賴於Asp61上負(fù)電荷的中和。質(zhì)子從a亞基的胞質(zhì)溶膠側(cè)的通道進(jìn)入，質(zhì)子化Asp61，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，直到到達(dá)a亞基的基質(zhì)側(cè)質(zhì)子通道，Asp61上的質(zhì)子再解離通過此通道進(jìn)入膜內(nèi)側(cè)。這樣的旋轉(zhuǎn)能夠引起γ亞基相對(duì)於(αβ)3複合體旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致3個(gè)β亞基依次發(fā)生構(gòu)象變化。

ModeloftheE.coliATPsynthase:theprotongradientdrivestherotationofthecringusingtwohalf-channelsontheasubunit.(3ATPmadeper10-14protonstransported:~3H+/ATP.)ATP合酶的β亞基構(gòu)象迴圈變化與ATP合成ADP+PiADP+PiEnergy

PaulBoyer和JohnWalker因上述發(fā)現(xiàn)共用了1997年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

F1FoATP合酶的抑制劑

在ATP合酶的柄部有一種寡黴素敏感性授予蛋白（oligomycin-sensitivity-conferringprotein，OSCP），這種蛋白使複合體對(duì)寡黴素敏感，使得寡黴素抑制ATP的合成。Fo的名稱即來自於此。二環(huán)己基碳二亞胺（dicyclohexylcarbodi-imide，DCCD）能夠修飾Fo蛋白中某亞基的Glu殘基，導(dǎo)致抑制質(zhì)子通過Fo，這種能被DCCD修飾的蛋白又稱為DCCD－結(jié)合蛋白。

氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制1．解偶聯(lián)劑（uncouplers）

解偶聯(lián)劑的作用是將膜外側(cè)的質(zhì)子運(yùn)到膜內(nèi)側(cè)，破壞質(zhì)子梯度，導(dǎo)致不能合成ATP，但不影響電子傳遞。

氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制2．氧化磷酸化抑制劑（inhibitors）

這類試劑的作用是既抑制ATP的合成，又抑制氧的利用，但不直接抑制電子傳遞鏈上的電子傳遞體。寡黴素就是屬於這類抑制劑,它阻止H+通過Fo。寡黴素對(duì)線粒體氧消耗的抑制作用氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制3．離子載體（ionophores）

這是一類脂溶性物質(zhì)，如纈氨黴素，它們能與除H+外的其他一價(jià)陽離子結(jié)合，從膜外側(cè)運(yùn)到膜內(nèi)側(cè)，破壞由質(zhì)子梯度造成的電勢(shì)梯度，從而抑制ATP的合成。

細(xì)胞溶膠內(nèi)NADH的再氧化甘油-3-磷酸穿梭途徑細(xì)胞溶膠內(nèi)NADH的再氧化蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑氧化磷酸化的調(diào)控

電子傳遞受可用底物量和ADP量的調(diào)控。既無可氧化的底物又無ADP時(shí)為狀態(tài)Ⅰ，加入ADP後為狀態(tài)Ⅱ（無可用的底物），加入底物後為狀態(tài)Ⅲ，ADP用完後為狀態(tài)Ⅳ，再加入ADP後為狀態(tài)Ⅲ，氧耗盡後為狀態(tài)Ⅴ。狀態(tài)Ⅲ的耗氧速率與狀態(tài)Ⅳ的耗氧速率之比為呼吸控制的定量表示法。

線粒體呼吸的幾種狀態(tài)呼吸控制值的意義

完整的線粒體其呼吸控制值可高達(dá)10以上，而受損傷或衰老的線粒體此比值可低至1，這表明電子傳遞已與ATP的合成失去了偶聯(lián)，雖然電子傳遞仍保持最大速度，但失去了磷酸化作用。

1分子葡萄糖徹底氧化產(chǎn)生的ATP數(shù)

當(dāng)細(xì)胞溶膠中的NADH通過甘油-3-磷酸穿梭途徑進(jìn)入電子傳遞鏈時(shí)，為30個(gè)ATP；

當(dāng)細(xì)胞溶膠中的NADH通過蘋果酸－天冬氨酸穿梭途徑進(jìn)入電子傳遞鏈時(shí)，為32個(gè)ATP。

詳見P142表24-5

戊糖磷酸途徑和糖的其他代謝途徑(Pentosephosphatepathwayandothermetabolismpathwayofcarbohydrates)一、戊糖磷酸途徑二、糖的其他代謝途徑三、葡萄糖出入動(dòng)物細(xì)胞的特殊運(yùn)載機(jī)構(gòu)四、乙醛酸途徑五、寡糖類的生物合成和分解一、戊糖磷酸途徑

戊糖磷酸途徑（pentosephosphatepathway，PPP）又稱己糖單磷酸途徑（hexosemonophosphatepathway，HMP），這些名稱強(qiáng)調(diào)的是從磷酸化己糖形成磷酸化戊糖的過程。

戊糖磷酸途徑的發(fā)現(xiàn)

向供研究糖酵解使用的組織勻漿中添加碘乙酸（甘油醛-3-磷酸脫氫酶的抑制劑）和氟化鈉（烯醇化酶的抑制劑）等糖酵解途徑的抑制劑，發(fā)現(xiàn)葡萄糖的利用仍在繼續(xù)。這個(gè)結(jié)果說明葡萄糖的利用除了經(jīng)過糖酵解途徑外，還有其他途徑。戊糖磷酸途徑的發(fā)現(xiàn)

1931年，OttoWarburg及其同事，還有FritzLipman，發(fā)現(xiàn)了葡萄糖-6-磷酸脫氫酶和6-磷酸葡糖酸脫氫酶，這兩種酶催化的反應(yīng)都可以利用葡萄糖，他們還發(fā)現(xiàn)NADP+是這兩種酶的輔酶。通過對(duì)這條途徑的詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)葡萄糖轉(zhuǎn)變成了多種五碳糖、七碳糖、四碳糖、三碳糖、六碳糖的磷酸酯。在這條途徑中，有CO2的釋放和NADPH的合成，但沒有ATP的合成。

戊糖磷酸途徑概貌Ⅰ戊糖磷酸途徑概貌Ⅱ戊糖磷酸途徑概貌Ⅲ戊糖磷酸途徑的氧化階段6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸核酮糖葡萄糖-6-磷酸6-磷酸葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯葡萄糖-6-磷酸脫氫酶內(nèi)酯酶6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶戊糖磷酸途徑的非氧化階段Ⅰ核酮糖-5-磷酸異構(gòu)酶核酮糖-5-磷酸烯二醇中間物核糖-5-磷酸戊糖磷酸途徑的非氧化階段Ⅱ

核酮糖-5-磷酸木酮糖-5-磷酸

核酮糖-5-磷酸差向異構(gòu)酶戊糖磷酸途徑的非氧化階段Ⅲ轉(zhuǎn)酮酶木酮糖-5-磷酸核糖-5-磷酸甘油醛-3-磷酸景天庚酮糖-7-磷酸戊糖磷酸途徑的非氧化階段Ⅳ景天庚酮糖-7-磷酸甘油醛-3-磷酸赤蘚糖-4-磷酸果糖-6-磷酸轉(zhuǎn)醛酶戊糖磷酸途徑的非氧化階段Ⅴ轉(zhuǎn)酮酶赤蘚糖-4-磷酸甘油醛-3-磷酸果糖-6-磷酸木酮糖-5-磷酸戊糖磷酸途徑的總反應(yīng)式

6葡萄糖-6-磷酸＋7H2O＋12NADP+→5葡萄糖-6-磷酸＋6CO2＋12NADPH＋12H+＋Pi葡萄糖-6-磷酸＋7H2O＋12NADP+→6CO2＋12NADPH＋12H+＋Pi戊糖磷酸途徑的調(diào)控

戊糖磷酸途徑主要是為其他代謝途徑提供NADPH和核糖。細(xì)胞中NADP+/NADPH的比值是決定戊糖磷酸途徑運(yùn)行強(qiáng)度的重要因素，當(dāng)NADPH濃度很高時(shí)，抑制葡萄糖-6-磷酸脫氫酶及6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶的活性，使該途徑的氧化階段無法進(jìn)行。

對(duì)NADPH和核糖-5-磷酸的需求決定戊糖磷酸途徑的運(yùn)行1．當(dāng)機(jī)體對(duì)核糖-5-磷酸的需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對(duì)NADPH的需要時(shí)，大量的葡萄糖-6-磷酸通過糖酵解途徑轉(zhuǎn)變?yōu)楣?6-磷酸和甘油醛-3-磷酸，這兩種物質(zhì)進(jìn)入戊糖磷酸途徑，以逆反應(yīng)的途徑生成核糖-5-磷酸。2．當(dāng)機(jī)體對(duì)NADP