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(diǎn)，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(diǎn)、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(jī)制。第一節(jié) 新陳代謝總論一、新陳代謝的概念與特點(diǎn) 生物體是一個(gè)與環(huán)境保持著物質(zhì)、 能量和信息交換的開放體系。 通過(guò)物質(zhì)交換建造和修 復(fù)生物體 (按人的一生計(jì) ,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

2、一半 )。通過(guò)能量交換推動(dòng)生命運(yùn)動(dòng)， 通過(guò)信息交換進(jìn)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(jìn)行物質(zhì)交換和能量交換的全過(guò)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(dòng)物的物質(zhì)代謝分為三個(gè)階段：食物、水、空氣進(jìn)入機(jī)體(攝取營(yíng)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(guò)程，合成是 吸能反應(yīng)，分解是放能反應(yīng)。它們是矛盾對(duì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì) ;將營(yíng)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

3、的生物分子;提供機(jī)體生命活動(dòng)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(dòng)物與人是異養(yǎng)生物，同化作用必須從外界攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)， 通過(guò)消化吸收進(jìn)入中間代謝。 同一生物體的各個(gè)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(guò)程雖然復(fù)雜，卻有共同的特點(diǎn)：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(jìn)行的。2. 物質(zhì)代謝通過(guò)代謝途徑，在一定的部位，嚴(yán)格有序地進(jìn)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(duì)內(nèi)外環(huán)境條件有高度的適應(yīng)性和靈敏的自動(dòng)調(diào)節(jié)。二、新

4、陳代謝的研究方法代謝途徑的研究比較復(fù)雜， 可從不同水平， 主要對(duì)中間代謝進(jìn)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(shí)驗(yàn)成果。如 1904年德國(guó)化學(xué)家 Knoop 提出的脂肪酸的 氧化學(xué)說(shuō)， 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(shí)驗(yàn)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(jī)體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)朝著達(dá)到其平衡點(diǎn)的方向進(jìn)行。2. 生化反應(yīng)最重要的熱力學(xué)函數(shù)是吉布斯自由

5、能G 。自由能是在恒溫、恒壓下，一個(gè)體系作有用功的能力的度量。用于判斷反應(yīng)可否自發(fā)進(jìn)行，是放能或耗能反應(yīng)。G<0，表示體系自由能減少，反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行，但是不等于說(shuō)該反應(yīng)一定發(fā)生或以 能覺(jué)察的速率進(jìn)行，是放能反應(yīng)。G>0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，吸收能量才推動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行。G=0，體系處在平衡狀態(tài)。自由能與另外兩個(gè)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(duì)溫度 )。標(biāo)準(zhǔn)自由能變化用 GO表' 示(25OC，1個(gè)大氣壓， pH 為7，反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度為 1mol/L時(shí)所測(cè)得，單位是 kJ/mol) 。3. GO和' 化學(xué)平衡的關(guān)系G = G

6、O'+ RT lnCD/ABG=0時(shí)， GO'= - RTlnCD/AB= -RTlnK= -2.303RTlgK(R 為氣體常數(shù)， lnK 為平衡常數(shù)的自然對(duì)數(shù)。 K>1 ，GO為' 負(fù)值，反應(yīng)趨于生成物的 方向進(jìn)行 ;K<1 ，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(wú)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(lái)推動(dòng)以保持代 謝途徑一連串反應(yīng)的進(jìn)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，

7、且隨水解反應(yīng)或基團(tuán)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(shí)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。 “鍵能”指斷裂一個(gè)化學(xué)鍵需提供的能量。ATP 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(tuán)的化合物中處于 中間位置，這使 ATP 在機(jī)體起作中間傳遞能量的作用，稱

8、之能量的共同中間體。機(jī)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(jìn)行。 所以說(shuō)， 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(chǔ)存和利用都是以 ATP 為中心。 ATP 是整個(gè)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(chǔ)存者。在 脊椎動(dòng)物中起能量?jī)?chǔ)存的是磷酸肌酸 (phosphoccreatine，PC) ，在無(wú)脊椎動(dòng)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(tuán)的

9、轉(zhuǎn)移的平衡常數(shù)接近1.0，所以計(jì)算物質(zhì)代謝能量時(shí)，消耗的其他核苷三磷酸用等價(jià)的 ATP 表示。第二節(jié) 生物氧化一、生物氧化的概念、特點(diǎn)和部位1. 概念：有機(jī)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(guò) 程稱為生物氧化 (biological oxidation) 。又稱細(xì)胞呼吸或組織呼吸。2. 特點(diǎn)：生物氧化和有機(jī)物質(zhì)體外燃燒在化學(xué)本質(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(jìn)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(chǔ)存供 生命活動(dòng)能量之需 (約 40%

10、) 。(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(jī)酸脫羧產(chǎn)生。(4) 生物氧化的速度由細(xì)胞自動(dòng)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(jìn)行，原核生物則在細(xì)胞膜上進(jìn) 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)， 能激活分子氧， 促進(jìn)氧對(duì)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(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶等。脫氫酶分需氧脫氫酶和不

11、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(guò)氧化氫。在無(wú)分子氧時(shí)，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(wú)氧或缺氧環(huán)境下促進(jìn)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(jiǎn)單， 在微粒體、 過(guò)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(guò)氧化氫。其特點(diǎn)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

12、系催化，即通過(guò)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(jī)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(qǐng)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(guò)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(guò)程與細(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

13、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 (2H 2H+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(guò) 該呼吸鏈來(lái)完成的。琥珀酸氧化呼吸鏈在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

14、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(gè) 氮原子能可逆地進(jìn)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(duì)酸不穩(wěn)定的硫， 因而常簡(jiǎn)寫為 FeS形式

15、。 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(guò) Fe與 4 個(gè)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(dòng)物，這個(gè)長(zhǎng)鏈為 10 個(gè)單位，故常以 Q10 表示。5. 細(xì)胞色素類細(xì)胞色素 (cytochrome, 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

16、 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(jī)制是以輔基中鐵價(jià)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(jī)體不能利用氧而窒息死亡。E O' 值愈低的氧還對(duì)(三) 呼吸鏈中傳遞體的順序 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(shì)E 是物質(zhì)對(duì)電子親和力的量度，電極電位的高

17、低反映電子得失的傾向，（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(qiáng)，氧分子的氧化能力最強(qiáng)。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(guò) 3個(gè)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(guò)琥珀酸 -輔酶 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

18、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(wú)機(jī)磷酸酯化先形成一個(gè)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(guò)程中偶聯(lián)ATP 的生成。生物體內(nèi) 95%的 ATP 來(lái)自這種方式。2.偶聯(lián)部位：根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定氧的消耗量與ATP 的生成數(shù)之間的關(guān)系以及計(jì)算氧化還原

19、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(shí)每消耗 1 摩爾氧原子所消耗的無(wú)機(jī)磷原子的摩爾數(shù)， 即合成 ATP 的摩爾數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明， NADH 在呼吸鏈被氧化為水時(shí)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(shì)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段電位差約 0.36V ，從 Q到Cytc為0.21V，從 aa3 到分子氧為 0.53V ，計(jì)算出相應(yīng)的 GO'分別

20、為 69.5、40.5、102.3kJ/mol 。于是普遍認(rèn)為下述3個(gè)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 aa3 O2二、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(guò)電子傳遞鏈進(jìn)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(guò)穿梭系統(tǒng) （shuttle system）使 NADH 的氫進(jìn)入線粒體內(nèi)膜氧化。（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，

21、使磷酸二羥丙酮還原為-磷酸甘油，后者通過(guò)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(jìn)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(jìn)入線粒體，又在線粒體內(nèi)蘋果酸脫氫酶的催化下重新生成草酰乙酸和 NADH 。NADH 進(jìn)入 NADH 氧化呼吸鏈，生成 3分子 ATP 。草酰乙酸經(jīng)

22、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(yùn)出線粒體轉(zhuǎn)變成草酰乙酸。三、氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制（一 ）化學(xué)滲透假說(shuō) （chemiosmotic hypothesis）1961年，英國(guó)學(xué)者 Peter Mitchell 提出化學(xué)滲透假說(shuō) （1978 年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) ），說(shuō)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(dòng) ATP的合成。這一過(guò)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(gè) 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(guò)內(nèi)膜泵入膜間隙。2.H+ 泵出，在膜間隙產(chǎn)生一高的 H+