生物化學簡明教程 第八章 新陳代謝與生物氧化課件

第八章代謝與氧化新陳代謝（metabolism）是生物與外界環(huán)境進行物質(zhì)與能量交換的全過程，包括生物體內(nèi)所發(fā)生的一切合成和分解作用。包括合成代謝和分解代謝，前者為吸能反應，后者為放能反應。

分解代謝：將從外界攝取或機體原有的物質(zhì)物質(zhì)通過一系列的反應步驟變?yōu)檩^小的、較簡單的物質(zhì)的過程。

合成代謝：生物利用小分子或大分子結(jié)構(gòu)元件構(gòu)建自身大分子的過程。物質(zhì)代謝能量代謝新陳代謝

小分子

→大分子合成代謝（同化作用）

需要能量

釋放能量分解代謝（異化作用）

大分子

→小分子8.1新陳代謝總論獲得生命活動所需要的能量和物質(zhì)構(gòu)造單元建造和修復生物有機體實現(xiàn)遺傳信息的貯存、傳遞和表達過程并使得生物種世代繁衍、生生不息8.1.1新陳代謝的研究方法活體內(nèi)與活體外實驗同位素示蹤法代謝途徑阻斷法突變體研究法（1）活體內(nèi)與活體外實驗活體內(nèi)實驗結(jié)果代表生物體在正常生理條件下，神經(jīng)、體液等調(diào)節(jié)機制下的整體代謝情況，比較接近生物體的實際?；铙w外實驗是用從生物體分離出來的組織切片，組織勻漿或體外培養(yǎng)的細胞、細胞器及細胞抽提物研究代謝過程。（2）同位素示蹤法同位素示蹤技術(shù)是研究代謝過程的最有效方法。追蹤代謝過程中，被標記的中間代謝物，產(chǎn)物及標記位置，可獲得代謝途徑的豐富資料。例如：將14C標記在乙酸的羧基上，同時喂飼動物，如動物呼出的CO2中發(fā)現(xiàn)14C，說明乙酸的羧基轉(zhuǎn)變成CO2。（3）代謝途徑阻斷用抗代謝物或酶的抑制劑來阻抑中間代謝的某一環(huán)節(jié)，觀察這些反應被抑制或改變以后的結(jié)果，以推測代謝情況在整體實驗動物的代謝研究方面，也可以應用藥物來造成異常的實驗動物，進行研究。（4）突變體研究法基因的突變，造成某一種酶的缺失，導致相應產(chǎn)物的缺失和酶作用底物的堆積。對這些突變生物體的研究有助子鑒別代謝途徑的酶及中間代謝物例如：能夠在乳糖培養(yǎng)基上生長的大腸桿菌基因突變后，因β-半乳糖苷酶的缺失，造成了乳糖的堆積，通過對這種大腸桿菌突變體的研究，最終闡明了乳糖的代謝過程。8.1.2高能化合物與ATP機體內(nèi)存在著各種磷酸化合物，它們所含的自由能不等，其中含自由能特多的磷酸化合物稱為高能磷酸化合物。高能磷酸化合物是最多最常見的高能化合物。ATP的作用最重要，能量的釋放、貯存和利用都是以ATP為中心的。水解自由能在20.92kJ/mol（5千卡/mol）以上的化合物稱為高能化合物。被水解的鍵稱為“高能鍵”用“～”表示結(jié)構(gòu)元件以磷酸作為高能基團的高能化合物稱為“高能磷酸化合物”高能鍵與普通鍵的區(qū)別。ATP結(jié)構(gòu)特性

（1）分子間的靜電斥力,在生理條件下,,帶有4個負電荷,互相排斥,是決定了分子的不穩(wěn)定性的一個原因（2）在分子共振過程,磷原子會缺失電子,使P-O-P之間爭奪電子,使氧橋穩(wěn)定性下降

（3）當水解掉一個或兩個磷酸基，使產(chǎn)物更穩(wěn)定ATPAMPADP

ATP的生成和利用ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P機械能（肌肉收縮）滲透能（物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運）化學能（合成代謝）電能（生物電）熱能（維持體溫）生物體內(nèi)能量的儲存和利用都以ATP為中心8.1.3肌酸磷酸是～的貯存形式ATP是能量的攜帶者或傳遞者，不是能量的貯存者肌酸磷酸是高能磷酸鍵的貯存形式，但不能直接為生物體利用磷酸精氨酸是某些無脊椎動物，如蟹和龍蝦等肌肉中的貯能物質(zhì)；有些微生物以聚偏磷酸作為貯能物質(zhì)。神經(jīng)和肌肉等細胞活動的直接供能物質(zhì)是ATP，但ATP在細胞中的含量很低。而磷酸肌酸在大腦中大約相當ATP的1.5倍；在肌肉中則相當ATP的4倍。所以,磷酸肌酸可以與ATP的能量互相轉(zhuǎn)化。當細胞大量需能時,磷酸肌酸是細胞內(nèi)首先供應ADP使再合成ATP的能源物質(zhì)。例：運動員具有爆發(fā)力和耐力，是因為肌肉發(fā)達，貯存磷酸肌酸多。該物質(zhì)是ATP的緩沖劑。當機體處于休息狀態(tài)時，合成的ATP再轉(zhuǎn)化成磷酸肌酸，把能量貯存起來。

肌酸激酶ATP+肌酸?磷酸肌酸+ADP

ΔG=+12.6kJ/mol（ΔG約等于0）；反過來ΔG=-41.1kJ/mol磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式8.1生物氧化有機物在體內(nèi)分解時逐步釋放能量，最終生成CO2和H2O的過程。此過程需耗氧、排出CO2，又在活細胞內(nèi)進行，故又稱細胞呼吸（cellularrespiration）。8.2.1生物氧化的特點生物氧化是在37℃，近于中性水溶液環(huán)境中進行的，是在一系列酶的催化作用下逐步進行的生物氧化的能量是逐步釋放的，并以ATP的形式捕獲能量生物氧化中CO2的生成是有機酸脫羧生成的生物氧化中水的生成是代謝物脫下的氫經(jīng)一系列的傳遞體與氧結(jié)合而生成的。生物氧化有嚴格的細胞定位生物體內(nèi)電子轉(zhuǎn)移主要形式（1）直接進行電子轉(zhuǎn)移Fe2++Cu2+?Fe3++Cu+（2）氫原子的轉(zhuǎn)移AH2+B

?A+BH2（3）有機還原劑直接加氧

RH+O2

+H++2e-?

ROH+H2O8.2.2呼吸鏈及電子傳遞需氧細胞內(nèi)的糖、脂和蛋白的分解代謝都有各自的代謝途徑，在代謝的過程所形成的還原性輔酶NADH和FADH2，需轉(zhuǎn)移到線粒體內(nèi)膜徹底氧化，這個過程稱為電子傳遞線粒體內(nèi)膜上的、由一些電子遞體組成的氧化還原反應稱為電子傳遞鏈，也稱為呼吸鏈遞氫體和電子傳遞體（2H2H++2e）呼吸鏈的組成復合體INADH脫氫酶、鐵硫蛋白,也叫NADH-Q還原酶；復合體II

琥珀酸脫氫酶、鐵硫蛋白，也叫琥珀酸-Q還原酶復合體III

細胞色素b、c1，也叫細胞色素（Cytb、c1

）還原酶復合體IV

細胞色素（Cyta、a3）氧化酶兩個游離載體

輔酶Q、細胞色素c遞氫體與遞電子體（1）煙酰胺（NAD+、NADP+）（2）黃素蛋白（FMN、FAD）（3）鐵硫蛋白（Fe-S）（4）泛醌（CoQ）（5）細胞色素類（Cyt）（1）煙酰胺脫氫酶類在復合物I上，將電子從NADH傳遞給泛醌（CoQ）NADH→FMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2→CoQ氧化還原反應時變化發(fā)生在五價氮和三價氮之間復合體Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+FMNFMNH2還原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2（2）黃素蛋白類在復合物Ⅱ上，將電子從琥珀酸傳遞給泛醌（CoQ）琥珀酸→Fe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3→CoQFMN結(jié)構(gòu)中含核黃素，發(fā)揮功能的部位是異咯嗪環(huán)，氧化還原反應時不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN?（3）鐵硫蛋白類在接受電子時由Fe3+狀態(tài)變?yōu)镕e2+狀態(tài)。當電子轉(zhuǎn)移到其他電子載體時，鐵原子又恢復其Fe3+狀態(tài)（4）泛醌（輔酶Q，CoQ，Q）

由多個異戊烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），脂溶性,在膜中可流動。不固定于復合體，呈游離狀態(tài)。氧化還原反應時可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。Q（醌型結(jié)構(gòu)）

很容易接受電子和質(zhì)子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出電子和質(zhì)子，重新氧化成Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。（5）細胞色素類

細胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。血紅素中的鐵原子可進行Fe2+?Fe3++e-反應傳遞電子，屬單電子傳遞體。Cytb→Cytc1→Cytc→Cyta→Cyta3→1/2O22Fe2+2Fe3+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+1/2O2O2-

H2O2H+2e2e2e2e2ebc1cCu2+aa3、在復合物Ⅳ上，將電子從泛醌傳遞給細胞色素QH2→b562;b566;Fe-S;c1→Cytc在復合物Ⅲ上，將電子從細胞色素c傳遞給氧Cytc→CuA→a→a3→CuB→O2其中Cyta3

和CuB形成的活性部位將電子交給O2呼吸鏈成分的排列順序?qū)嶒灧椒ǎ?）標準氧化還原電位（2）特異抑制劑阻斷（3）拆開和重組（4）還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧-0.32-0.30+0.1+0.07+0.22+0.25+0.29+0.82FADH2氧化呼吸鏈NADH氧化呼吸鏈（1）標準氧化還原電位（2）用抑制劑方法抑制劑阻斷呼吸鏈后前為還原態(tài)，后為氧化態(tài)（3）拆開和重組在體外將呼吸鏈拆開和重組，鑒定四種復合體的組成與排列。測定重組后的呼吸鏈傳遞電子的功能，確定它們各自的排列位置。（4）還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧細胞色素，F(xiàn)MN，NAD+

還原時有特異的吸收峰，氧化時改變，故可根據(jù)各物質(zhì)的形態(tài)排列。在全還原狀態(tài)下通氧，最先氧化的在后，按氧化的順序：后氧化組分→先氧化組分FMNFe?S魚藤酮、阿米妥抗霉素A氰化物，CO

NADHCoQbC1Caa3O28.2.3氧化磷酸化在生物氧化過程中，氧化放能反應常常有吸能的磷酸化反應偶聯(lián)發(fā)生。偶聯(lián)反應將氧化釋放的一部分自由能用于無機磷參加的高能磷酸鍵生成反應。這種氧化放能反應與磷酸化吸能反應的偶聯(lián)，稱為氧化磷酸化作用。底物水平磷酸化、電子傳遞體系磷酸化（1）底物水平磷酸化是在被氧化的底物上發(fā)生磷酸化作用。即底物被氧化的過程中，形成了某些高能磷酸化合物的中間產(chǎn)物，通過酶的作用可使ADP生成ATP。（2）電子傳遞體系磷酸化是指當電子從NADH或FADH2經(jīng)過電子傳遞體系傳遞給氧形成水時，同時伴有ADP磷酸化為ATP的全過程。通常所說的氧化磷酸化是指電子傳遞體系磷酸化。（3）呼吸鏈與ATP生成量的關(guān)系研究氧化磷酸化最常用的方法是測定線粒體或其制劑的P/O比值和電化學實驗。①呼吸鏈結(jié)構(gòu)和ATP生成量的關(guān)系從NADH到分子氧的呼吸鏈中，有三處能使氧他還原過程釋放的能量轉(zhuǎn)化為ATP，從FADH2到分子氧的呼吸鏈中有兩處能生成ATP，因此，NADH呼吸鏈可以比FADH2呼吸鏈生成更多的ATP。每消耗1mol氧原子，所消耗的無機磷摩爾數(shù)一對電子通過呼吸鏈1個氧原子2e-+OO2-ADP+PiATP無機磷個數(shù)生成ATP的個數(shù)

P/O比值

根據(jù)消耗的無機磷酸摩爾數(shù)，可間接測出ATP生成量②P/O比值和ATP生成量的關(guān)系NADH呼吸鏈的P/O值是2.5，即每消耗一摩爾氧原子就可形成2.5摩爾ATP，F(xiàn)ADH2呼吸鏈的P/O值是1.5，即消耗一摩爾氧原子可形成1.5摩爾ATP。③ΔG和ATP生成量的關(guān)系ΔG=－nFΔE氧化磷酸化的機制（１）化學偶聯(lián)假說認為電子傳遞和ATP生成的偶聯(lián)是一系列化學反應，而形成一個高能共價中間物，隨后裂解將其能量供給ATP合成，但這種高能共價中間物得不到驗證。NADHO2呼吸鏈高能量化合物ADP+PiATP（2）構(gòu)象偶聯(lián)學說認為電子傳遞使線立體內(nèi)膜蛋白質(zhì)組分發(fā)生了構(gòu)象變化形成一種高能形式，這種高能形式將能量傳遞給合成ATP的酶。F1：（3β3δε亞基）F0：（a1b2c9～12亞基）ATP合酶亞基變構(gòu)：亞基由于亞基的轉(zhuǎn)動而改變構(gòu)象，從而改變對ADP及ATP的親和力在獲得能量時：合成ATP，釋放ATP能量：H+順梯度流向基質(zhì)時釋放當H+順濃度遞度經(jīng)F0中a亞基和c亞基之間回流時，γ亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個β亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。PiADPATPH+HOHH+H+ATPADPPiATP第三步第一步LT第二步O（3）化學滲透學說①呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜之上；②當氧化進行時，呼吸鏈起質(zhì)子泵作用；③質(zhì)子被泵出線粒體內(nèi)膜之外側(cè)，造成了膜內(nèi)外兩側(cè)間跨膜的化學電位差；④后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP與Pi合成ATP線粒體基質(zhì)

線粒體膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP電子傳遞過程復合體Ⅰ（4H+）

、Ⅲ（4H+）和Ⅳ（2H+）有質(zhì)子泵每驅(qū)動合成一分子ATP需要4個H+ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液側(cè)

基質(zhì)側(cè)++++++++