第八章代謝總論與生物氧化

第八章代謝總論與生物氧化第一節(jié)新陳代謝的有關(guān)概念第二節(jié)代謝的發(fā)生過程第三節(jié)中間代謝的實驗研究方法第四節(jié)生物氧化概述第五節(jié)ATP與其它高能化合物第六節(jié)三羧酸循環(huán)第七節(jié)呼吸鏈與氧化磷酸化第一頁，共八十五頁。第一節(jié)新陳代謝的有關(guān)概念一、新陳代謝的概念：

新陳代謝是生物體最基本的特征，是生命存在的前提。1.狹義概念：是指細(xì)胞內(nèi)所發(fā)生的酶促反應(yīng)過程，稱為中間代謝。這是代謝活動的主體，也是代謝研究的主要內(nèi)容。2.廣義概念：是生物與外界環(huán)境進行物質(zhì)與能量交換的全過程。即：生物體內(nèi)所經(jīng)歷的一切化學(xué)變化。包括消化、吸收、中間代謝及排泄等階段。新陳代謝包括生物體內(nèi)所發(fā)生的一切合成和分解作用。一方面，生物體不斷從周圍環(huán)境中攝取物質(zhì)，通過一系列生化反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)樽约旱慕M成部分；另一方面，將原有的組成成分經(jīng)過一系列生化反應(yīng)，分解成不能在利用的物質(zhì)排出體外，不斷地進行自我更新。生物體通過新陳代謝所產(chǎn)生的生命現(xiàn)象是建立在合成代謝與分解代謝矛盾對立和統(tǒng)一的基礎(chǔ)上的，它們之間既相互聯(lián)系、相互依存，又相互制約。第二頁，共八十五頁。

合成代謝

分解代謝

物質(zhì)代謝能量代謝新陳代謝新陳代謝圖解（同化作用）（異化作用）小分子大分子需要能量釋放能量大分子小分子第三頁，共八十五頁。二、新陳代謝的內(nèi)容1.物質(zhì)代謝和能量代謝（1）物質(zhì)代謝：重點討論各種生理活性物質(zhì)（如糖、蛋白質(zhì)、脂類、核酸等）在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生酶促反應(yīng)的途徑及調(diào)控機理，包含舊分子的分解和新分子的合成；（2）能量代謝：重點討論光能或化學(xué)能在細(xì)胞內(nèi)向生物能（ATP）轉(zhuǎn)化的原理和過程，以及生命活動對能量的利用。能量代謝和物質(zhì)代謝是同一過程的兩個方面，能量轉(zhuǎn)化寓于物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程之中，物質(zhì)轉(zhuǎn)化必然伴有能量轉(zhuǎn)化。第四頁，共八十五頁。（1）合成代謝活細(xì)胞從外環(huán)境中取得原料合成自身的結(jié)構(gòu)物質(zhì)、貯存物質(zhì)、生理活性物質(zhì)及各種次生物質(zhì)的過程是合成代謝，也叫生物合成。是需要供應(yīng)能量的過程。（2）分解代謝有機物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生分解的作用過程。分解過程中的許多中間產(chǎn)物可供作生物合成的原料。伴隨分解代謝釋放出化學(xué)能并轉(zhuǎn)化為細(xì)胞能夠利用的生物能（ATP）。合成代謝和分解代謝相輔相成，有機地聯(lián)系在一起，構(gòu)成中間代謝的統(tǒng)一整體。

2.合成代謝與分解代謝第五頁，共八十五頁。3.代謝途徑

無論物質(zhì)代謝還是能量代謝，分解代謝還是合成代謝，一般都是由多種酶催化的連續(xù)反應(yīng)過程。所謂代謝途徑就是細(xì)胞中由相關(guān)酶類組成的完成特定代謝功能的連續(xù)反應(yīng)體系。細(xì)胞中具有某種代謝途徑也就是指具有其酶系。代謝途徑的組成可簡單示意如下：第六頁，共八十五頁。PSABCD式中S代表代謝底物，P代表產(chǎn)物，E代表酶。從S到P之間的一系列過渡產(chǎn)物稱為中間產(chǎn)物。底物、中間產(chǎn)物、終產(chǎn)物統(tǒng)稱為代謝物。不同代謝途徑所具有的相同的中間產(chǎn)物稱為公共中間產(chǎn)物。通過公共中間產(chǎn)物可實現(xiàn)途徑間的互相聯(lián)系，調(diào)節(jié)代謝物質(zhì)的流向，維持細(xì)胞中各種物質(zhì)的代謝平衡。第七頁，共八十五頁。4.生物的營養(yǎng)類型

自然界中的生物根據(jù)其所利用的碳源和能源，可分為不同的營養(yǎng)類型。（1）自養(yǎng)與異養(yǎng)：碳源是為細(xì)胞生物合成提供碳素營養(yǎng)的物質(zhì)。有些生物利用無機物二氧化碳作為碳源，這類生物稱為自養(yǎng)生物。有些生物需要現(xiàn)成的有機物作為碳源，稱之為異養(yǎng)生物。第八頁，共八十五頁。（2）光能與化能：生物體能夠利用的能源主要有光能和化學(xué)能。根據(jù)不同生物對能源的要求，可分為光能營養(yǎng)型和化能營養(yǎng)型。

光能營養(yǎng)型是直接利用光能，通過光合磷酸化作用合成ATP；化能營養(yǎng)型是利用現(xiàn)成有機物或無機物，通過氧化磷酸化反應(yīng)合成ATP。第九頁，共八十五頁。生物營養(yǎng)類型營養(yǎng)類型碳源能源電子供體生物舉例自養(yǎng)型光能自養(yǎng)CO2光H2O等植物化能自養(yǎng)CO2無機物氧化H2、S氫細(xì)菌異養(yǎng)型光能異養(yǎng)有機物光有機物藻類化能異養(yǎng)有機物有機物氧化有機物動物

四種營養(yǎng)類型中，光能自養(yǎng)型和化能異養(yǎng)型占絕大多數(shù)。另兩種營養(yǎng)類型相對較少。還應(yīng)指出，有些高等生物的所有細(xì)胞并非都屬于同一營養(yǎng)類型。例如，高等植物葉子是光能自養(yǎng)，而根部則為化能異養(yǎng)型。葉綠細(xì)胞在日光中為光能自養(yǎng)型，在黑暗中又為化能異養(yǎng)型。第十頁，共八十五頁。（3）需氧與厭氧：不同生物對分子氧的依賴關(guān)系也有很大區(qū)別，據(jù)此可分為需氧生物、厭氧生物和兼性生物。

需氧生物是在有氧條件下才能維持代謝的生物。其代謝活動需要以分子氧（O2）作為有機物氧化反應(yīng)的電子受體。

厭氧生物是在無分子氧的環(huán)境中生活的，以無機物或有機物為電子受體，不能用O2作為電子受體，而且分子氧（O2）對絕對厭氧生物會有毒害作用。

兼性生物在有氧、無氧條件下都能生存，有氧時利用氧，無氧時能利用某些氧化型有機物作為電子受體。第十一頁，共八十五頁。第二節(jié)代謝的發(fā)生過程一、分解代謝的一般過程幾乎所有生物都具有分解利用有機物的能力?？傆[有機營養(yǎng)物質(zhì)（糖、脂、蛋白質(zhì)）分解代謝的發(fā)生過程，可以分為四個階段。生物大分子的降解階段單體分子初步分解階段乙?；耆纸怆A段氫的燃燒階段第十二頁，共八十五頁。1.生物大分子的降解階段。外源生物大分子通過消化作用降解，內(nèi)源生物大分子通過胞內(nèi)酶催化降解，分解為其單體分子，即多糖分解為己糖或戊糖，蛋白質(zhì)分解為氨基酸，脂肪分解為甘油和脂肪酸等。這些降解反應(yīng)途徑都很短，僅有幾種酶催化，不產(chǎn)生可利用的能量。第十三頁，共八十五頁。2.單體分子初步分解階段。細(xì)胞都具有特定的分解代謝途徑，分別將單糖、氨基酸、脂肪酸等單體分子進行不完全分解。如糖的EMP途徑、脂肪酸的β-氧化，等等。各種單體分子不管其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)差別多大，經(jīng)過第二階段的有關(guān)代謝途徑都能巧妙地被降解成少數(shù)幾種中間產(chǎn)物，主要是乙酰CoA。因此，第二階段起到了殊路同歸、把多形性的底物分子向一體化結(jié)構(gòu)集中的作用，為最后納入同一代謝途徑進行完全分解創(chuàng)造了條件。第十四頁，共八十五頁。3.乙?；耆纸怆A段。三羧酸循環(huán)途徑是各種營養(yǎng)物質(zhì)分解所生成的乙?；腥紵墓餐緩健＝?jīng)過三羧酸循環(huán)，乙?；耆纸猓荚友趸啥趸?，并有少量能量釋放，生成ATP。大量的化學(xué)能以氫原子對2H（2H+

＋2e）的形式轉(zhuǎn)入還原型輔酶分子。還原型輔酶再將氫原子對送入呼吸鏈進行氧化放能。第十五頁，共八十五頁。4.氫的燃燒階段。這是有機物氧化分解的最后一個環(huán)節(jié)。主要包括電子傳遞過程和氧化磷酸化作用。在線粒體內(nèi)膜上由多種色素蛋白組成的呼吸鏈?zhǔn)鞘沟诙?、三階段生成的氫原子對（2H+＋2e）完全氧化的組織體系，也是細(xì)胞中有機物氧化分解釋放能量的主要部位。第十六頁，共八十五頁。二、合成代謝的一般過程生物合成包括組建生物大分子所需單體分子的合成、生物大分子的合成、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組建、生理活性物質(zhì)及次生物質(zhì)的合成等。所有生物合成都是需能酶促反應(yīng)過程。需要由核苷三磷酸，主要是用ATP供能，所有生物合成過程都需還原型輔酶（NADPH）供應(yīng)還原力。除了營養(yǎng)貯存物質(zhì)的合成之外，一般正常生理狀態(tài)下的生物合成都遵守細(xì)胞經(jīng)濟學(xué)的原理，用多少，合成多少。合成途徑的啟、閉、快、慢都受細(xì)胞調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)。不同生物類群的生物合成能力有所不同，所用的原材料和能量來源也不盡相同。但是，一切活細(xì)胞都需要自行合成本身所需要的種種生物大分子。合成代謝一般可以分成三個階段：原料準(zhǔn)備、單體分子合成、生物大分子合成。生物合成所需的碳源、氮源、能量和還原力（NADPH）主要通過分解代謝供應(yīng)。從這種意義上來講，分解代謝可以視為合成代謝的原料準(zhǔn)備階段。自養(yǎng)生物所需要的單糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸等各種單體分子及其他生理活性物質(zhì)，生物自身都能合成。高等動物和人體有幾種氨基酸和脂肪酸及維生素等生理活性物質(zhì)，自身不能合成，需要靠植物和微生物供給。微生物的生物合成能力差別很大。凡自身不能合成的單體分子則為其生長限制因子，必須由外界供給。對于異養(yǎng)生物而言，分解代謝是生物合成的先決條件。只有充足的營養(yǎng)源被分解，才能為生物合成供應(yīng)必需的原料和能量。第十七頁，共八十五頁。第三節(jié)中間代謝的實驗研究方法

中間代謝的研究內(nèi)容很多，研究目的不同，所用的生物材料和實驗方法也不相同。為探討代謝途徑及其調(diào)節(jié)機理，動物、植物、微生物材料都可以作為實驗對象。根據(jù)實驗材料的水平，常將實驗分為活體內(nèi)實驗和活體外實驗。第十八頁，共八十五頁。1.活體內(nèi)實驗（整體實驗）用整體生物材料或高等動物離體器官或微生物細(xì)胞群體進行中間代謝實驗研究稱為活體內(nèi)實驗。（一）活體內(nèi)實驗和活體外實驗實驗結(jié)果代表生物體在正常生理條件下整體代謝情況，比較接近生物體的實際。典型例子：1904年，德國化學(xué)家Knoop提出的脂肪酸β-氧化學(xué)說。第十九頁，共八十五頁。2.活體外實驗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(xì)胞、細(xì)胞器及細(xì)胞抽提物進行中間代謝實驗研究稱為活體外實驗表示。典型例子：糖酵解、三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化等。第二十頁，共八十五頁。探討物質(zhì)代謝途徑的常用方法有：代謝平衡實驗、代謝障礙實驗、代謝物質(zhì)標(biāo)記追蹤實驗、特征性酶鑒定實驗、核磁共振波實驗等。其中最有效的是代謝物質(zhì)標(biāo)記追蹤實驗和核磁共振實驗。（二）代謝途徑的探討方法第二十一頁，共八十五頁。1.代謝平衡實驗通過活體內(nèi)實驗研究代謝物攝入和產(chǎn)出排出的平衡關(guān)系，可以了解對代謝物的利用能力及產(chǎn)物生成情況。例如測定“呼吸商”（R.Q.）可以判斷體內(nèi)能量利用情況。R.Q.=產(chǎn)CO2量（升）/耗O2量（升）糖類物質(zhì)R.Q為1，脂肪R.Q為0.7，蛋白質(zhì)R.Q為0.8。人體正常代謝時，R.Q介于0.85-0.95之間，說明三大營養(yǎng)物質(zhì)同時發(fā)生了氧化分解。饑餓狀態(tài)下：R.Q？糖尿病人：R.Q？問題：若測得生物材料的R.Q接近1，則表明能量主要來自于何類物質(zhì)分解？第二十二頁，共八十五頁。2.代謝障礙實驗（代謝途徑阻斷實驗）正常生物體的中間代謝過程中，中間產(chǎn)物不會過多積累，不容易進行分析研究；若用適當(dāng)方法造成代謝障礙，阻斷代謝途徑，則使中間產(chǎn)物積累，便于進行分析研究。阻斷代謝途徑的方法有：造成微生物營養(yǎng)缺陷性、使用抗代謝物、專一性抑制劑等。第二十三頁，共八十五頁。(1)微生物營養(yǎng)缺陷性（微生物基因突變型）采取誘變劑使微生物的基因發(fā)生突變，從而造成某種酶缺損，代謝途徑中斷，缺損酶前面的中間產(chǎn)物會大量積累，致使細(xì)胞中該種物質(zhì)含量增高，便于進行分析研究。應(yīng)用實例：乳糖的代謝機理。優(yōu)點：容易突變；經(jīng)濟；簡便等第二十四頁，共八十五頁。（2）使用抗代謝物抗代謝物，又叫代謝拮抗物，或代謝物結(jié)構(gòu)類似物。其分子結(jié)構(gòu)與代謝物的分子結(jié)構(gòu)類似。實質(zhì)：競爭性抑制劑。例子：丙二酸是琥珀酸的抗代謝物，能對琥珀酸脫氫酶發(fā)生很強的競爭性抑制作用，造成代謝中間產(chǎn)物“琥珀酸”積累，從而證明了TCA循環(huán)中有生成琥珀酸這一反應(yīng)步驟。第二十五頁，共八十五頁。（3）酶的專一性抑制劑例子：碘乙酸是巰基酶的專一性抑制劑，可抑制酵母的酒精發(fā)酵，造成3-磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮積累。由此證明了酵解途徑中1，6-二磷酸果糖是三三裂解生成了三碳糖。（4）利用藥物造成異常動物實驗（病變動物法）用人工方法使動物發(fā)生某一過程的代謝障礙，然后給以一定量受試物質(zhì)，研究其中間代謝過程。例子1：研究維生素缺乏癥，可給以缺乏某種維生素的飼料，若干天后觀察其病變情況，在加入該種維生素，觀察其癥狀有否好轉(zhuǎn)，從而確定該種維生素的功能。例子2：“人工糖尿病”。例子3：生糖氨基酸；生酮氨基酸第二十六頁，共八十五頁。3.代謝物標(biāo)記追蹤實驗將代謝底物分子適當(dāng)“標(biāo)記”，然后追蹤“標(biāo)記”在細(xì)胞中的去向，就可以了解底物分子在中間代謝中經(jīng)過什么中間產(chǎn)物，生成了什么終產(chǎn)物。這是探索代謝途徑最有效的方法。標(biāo)記方法有：化學(xué)標(biāo)記法、同位素標(biāo)記法。第二十七頁，共八十五頁。（1）化學(xué)標(biāo)記法1904年，德國F.Knoop首次用苯環(huán)標(biāo)記脂肪酸探討中間代謝途徑，提出著名的脂肪酸β-氧化學(xué)說。缺點：化學(xué)標(biāo)記法使天然代謝物分子結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)發(fā)生了改變，這可能給正常代謝途徑造成某些影響。第二十八頁，共八十五頁。（2）同位素標(biāo)記法1941年，RudolfSchoenheimer首次采用同位素標(biāo)記法進行實驗。同位素種類：穩(wěn)定同位素和放射性同位素。二者區(qū)別：是否衰變、是否有射線。常用的穩(wěn)定同位素有：重氫（2H或D）、15N、13C、18O等。

用“穩(wěn)定性同位素”標(biāo)記的化合物可用質(zhì)譜儀定量測定，也可用超離心法分離鑒定。根據(jù)放射線同位素衰變時放出的射線性質(zhì)，可以用專門儀器或?qū)Ｓ梅椒y定。常用的放射性同位素有氘（T或3H）、14C、32P、34S、131I。優(yōu)點：1）同位素標(biāo)記法特異性強，靈敏度高，測定方法簡便。2）放射性同位素分析方法比穩(wěn)定同位素更方便、靈敏，應(yīng)用更普遍。缺點：放射性同位素對人體有毒害，某些同位素的半衰期長，容易造成環(huán)境污染，所以需要在專門的同位素實驗時進行。第二十九頁，共八十五頁。4.測定特征性酶每條代謝途徑都有其特征性酶，它的存在就表明該代謝途徑存在。例如：糖代謝途徑中的特征酶：EMP途徑：醛縮酶HMP途徑：6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶TCA途徑：檸檬酸合成酶第三十頁，共八十五頁。5.核磁共振波譜法（nuclearmagneticresonancespectroscopy，簡稱NMR）核磁共振譜可反映分子中各個原子所處的狀態(tài)。由布洛赫和巴塞爾于1948年建立，因此獲得1952年諾貝爾獎。應(yīng)用最多的有13C譜、19F譜、31P譜和15N譜。特點：樣品不受破壞，且能最真實地反映機體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)情況。第三十一頁，共八十五頁。第四節(jié)生物氧化概述一、生物氧化1.定義：有機物在生物細(xì)胞內(nèi)進行氧化分解而生成CO2和H2O并釋放能量的過程。又稱細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸。2.本質(zhì)：生物氧化是發(fā)生在生物體內(nèi)的氧化還原反應(yīng),因而具有氧化還原反應(yīng)的共同特征。并且物質(zhì)被氧化時總伴隨能量的釋放。第三十二頁，共八十五頁。3.特點：生物氧化是在活細(xì)胞內(nèi)進行的,它與體外的直接氧化相比又有許多不同的特點:有機物在生物體內(nèi)完全氧化與在體外燃燒而被徹底氧化,在本質(zhì)上是相同的,最終的產(chǎn)物都是CO2和H2O,同時所釋放能量的總值也相等；生物氧化在常溫、常壓、接近中性的pH和多水環(huán)境中進行；是在一系列酶、輔酶和中間傳遞體的作用下逐步進行的；氧化反應(yīng)分階段進行,能量逐步釋放,既避免了能量驟然釋放對機體的損害,又使得生物體能充分、有效地利用釋放的能量；生物氧化過程中釋放的化學(xué)能通常被偶聯(lián)的磷酸化反應(yīng)所利用,貯存于高能磷酸化合物(如ATP)中,當(dāng)生命活動需要時再釋放出來。4.類型：生物氧化是在一系列氧化-還原酶催化下分步進行的。每一步反應(yīng)，都由特定的酶催化。在生物氧化過程中，主要包括如下幾種氧化類型：第三十三頁，共八十五頁。5.酶類：催化生物氧化的酶習(xí)慣上分為不需氧脫氫酶、需氧脫氫酶、氧化酶、過氧化氫酶和電子遞體。（1）不需氧脫氫酶類：直接作用于底物，使之脫氫氧化，但不以氧作為直接受氫體的酶。是生物氧化反應(yīng)中的主要酶類。還原型底物

SH2氧化型底物

S氧化型輔酶還原型輔酶還原型受體氧化型受體不需氧脫氫酶第三十四頁，共八十五頁。（2）需氧脫氫酶類：直接作用于底物，使之脫氫氧化，并且需要以氧作為直接受氫體的酶。反應(yīng)生成過氧化氫。還原型底物

SH2氧化型底物

S氧化型輔酶還原型輔酶O22-

O2需氧脫氫酶H2O22e2H+

第三十五頁，共八十五頁。（3）氧化酶類：不能從底物上脫氫，只能奪取底物上的電子對，并激活氧分子生成水。還原型底物

SH2氧化型底物

S2Cu2+

2Cu+

1/2O22-

1/2O2氧化酶H2O2e2H+

第三十六頁，共八十五頁。（4）電子遞體：專門負(fù)責(zé)傳遞不需氧脫氫酶脫下來的電子（有的也傳遞質(zhì)子）的酶類（祥見呼吸鏈）。H2O12O2O2-MH2還原型代謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+

細(xì)胞色素b-c-c1-aa3

FeS2H+M氧化型代謝底物2e第三十七頁，共八十五頁。6.CO2的生成：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。

類型：α-脫羧和β-脫羧氧化脫羧和單純脫羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH

O丙酮酸脫氫酶系NAD+

NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2R第三十八頁，共八十五頁。7.H2O的生成：代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+

ADH+H+

乙醇脫氫酶例：NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO=2H+1\2

O2第三十九頁，共八十五頁。二、自由能和氧化還原電位1.自由能自由能(G)：指一個反應(yīng)體系中能夠做功的那部分能量。自由能的變化(ΔG)：產(chǎn)物的自由能與反應(yīng)物的自由能之差，與反應(yīng)轉(zhuǎn)變過程無關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化(ΔG0)：298K，101.3KPa，反應(yīng)物濃度為1mol/L，pH=0。生化反應(yīng)中標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化(ΔG0’)：298K，101.3KPa，反應(yīng)物濃度為1mol/L，pH=7。ΔG<0ΔG=0ΔG>0反應(yīng)達(dá)到平衡放能，反應(yīng)自發(fā)進行吸能，反應(yīng)不能自發(fā)進行在AB中，ΔG=Δ B－ΔA自由能的概念對于研究生物化學(xué)過程具有很重要的意義，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)。第四十頁，共八十五頁。在反應(yīng)A＋BC+D中自由能變化是標(biāo)準(zhǔn)自由能變化與平衡常數(shù)的函數(shù)：2.自由能與平衡常數(shù)當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時，ΔG=0，那么，第四十一頁，共八十五頁。3.自由能與氧化還原電位的關(guān)系pH＝7，101.3KPa，25℃，反應(yīng)物濃度為1mol/L，氧化態(tài)與還原態(tài)物質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成原電池測定得到的氧化還原電位。?E0’＝E0’電子受體－E0’電子供體電子從E0’較小的物質(zhì)轉(zhuǎn)移到E0’較大的物質(zhì)是自由能降低的結(jié)果。其關(guān)系為：

?G0’＝－nF?E0’n為轉(zhuǎn)移電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)，等于96.5kj/V.mol第四十二頁，共八十五頁。第五節(jié)ATP與其它高能化合物（一）高能化合物的類型1.高能鍵（high-energybond）高能鍵是1941年提出的一個概念，用“~”表示，是指其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，性質(zhì)活潑，自發(fā)水解或基團轉(zhuǎn)移的趨勢很強，當(dāng)其發(fā)生水解或基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)時，釋放的自由能很多。高能鍵中的“高能”是指其自由能高，并非鍵能高?！案吣苕I”與“鍵能”（energybond）區(qū)別：化學(xué)中的“鍵能”是指斷裂一個化學(xué)鍵所需要的能量；“高能鍵”是指水解或轉(zhuǎn)移該鍵所釋放的能量。細(xì)胞中重要的高能鍵：高能磷酸鍵和高能硫脂鍵。第四十三頁，共八十五頁。2.高能化合物：分子結(jié)構(gòu)中含有高能鍵的化合物稱為高能化合物。第四十四頁，共八十五頁。（二）ATP的結(jié)構(gòu)特點及其重要意義ATP（三磷酸腺苷，腺苷三磷酸，adenosinetriphosphate）是一種很重要的高能磷酸化合物。生物體每天要消耗大量ATP，安靜狀態(tài)的成年人：每天消耗40kgATP；激烈運動時：每分鐘就消耗0.5kg。ATP是一分子腺嘌呤、一分子核糖和三個相連的磷酸基團構(gòu)成的核苷酸，其結(jié)構(gòu)：腺嘌呤核苷酸（AMP）二磷酸腺苷ADP三磷酸腺苷ATP22第四十五頁，共八十五頁。意義：（1）ATP是產(chǎn)能反應(yīng)和需能反應(yīng)之間最主要的能量介質(zhì)放能反應(yīng)通過氧化磷酸化反應(yīng)合成ATP，貯存能量；需能反應(yīng)，則通過ATP水解供應(yīng)之。a.當(dāng)ATP提供能量時，在ATP遠(yuǎn)端的γ-磷酸基團水解為無機磷酸分子，ATP失掉一個磷?；兂上佘斩姿帷TP+H2O→ADP+Pi（標(biāo)準(zhǔn)自由能變化ΔG0’=-30.514kJ/mol）b.在某些情況下，ATP的α和β磷酸基團之間的高能鍵被水解（即同時水解γ和β-磷酸基團），形成AMP和焦磷酸。ATP+H2O→AMP+PPi（ΔG0’=-32.19kJ/mol）第四十六頁，共八十五頁。（2）作為磷酸基團供體參與磷酸化反應(yīng)生化反應(yīng)中，無論是分解代謝還是合成代謝，常常需要先將反應(yīng)底物分子活化，其中，磷酸化是一種普遍活化方式。ATP具有很活潑的磷酸基團，可作為磷酸基的供體參與細(xì)胞中的磷酸化反應(yīng)，此類反應(yīng)由激酶催化。反應(yīng)生成的磷酸化葡萄糖分子具有較高的自由能，易進一步參加反應(yīng)。第四十七頁，共八十五頁。（3）ATP參加高能磷酸基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)ATP在磷酸基團轉(zhuǎn)移中起“中間傳遞體”的作用，故稱“磷酸基團傳遞者”。磷酸烯醇式丙酮酸和1，3-二磷酸甘油酸是葡萄糖的分解的中間產(chǎn)物，葡萄糖分解為乳酸時所釋放的大部分自由能，幾乎都保留在這兩個化合物中。在細(xì)胞中這兩個化合物并不直接水解，而是通過特殊激酶作用，以轉(zhuǎn)移磷酸基團的形式，將捕捉的自由能傳遞給ADP從而形成ATP。而ATP分子又傾向于將它的磷酸基團轉(zhuǎn)移給具有較低磷酸基團轉(zhuǎn)移勢能的化合物，例如葡萄糖和甘油，從而生成6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油。其中，磷酸烯醇式丙酮酸和1，3-二磷酸甘油酸叫做“超高能化合物”（superhigh-energycompound），它們水解所釋放的自由能比ATP高；同理，6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油叫做“低能磷酸化合物”。第四十八頁，共八十五頁。

GTP、UTP、CTP。其中，GTP對G蛋白的活化、蛋白質(zhì)生物合成、蛋白質(zhì)的尋靶、蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運等作為推動力提供自由能；

UTP在糖原合成中起活化葡萄糖分子的作用；

CTP在合成磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺以及合成纖維素中起推動作用等。（三）其他供能核苷酸第四十九頁，共八十五頁。ATP作為自由能的貯存分子，其產(chǎn)生和利用處于動態(tài)平衡中。一般情況下，ATP在形成后一分鐘內(nèi)就會被利用，故嚴(yán)格說來ATP不是能量的貯存形式，而是傳遞能量的物質(zhì)。細(xì)胞能量狀態(tài)的表示方法：能荷（energycharge）。（四）ATP系統(tǒng)的動態(tài)平衡第五十頁，共八十五頁。第六節(jié)三羧酸循環(huán)又叫檸檬酸循環(huán)或Krebs循環(huán)。由草酰乙酸和乙酰CoA的乙?；s合生成檸檬酸開始，經(jīng)一系列反應(yīng)又生成草酰乙酸的循環(huán)過程。三羧酸酶循環(huán)一周進行兩次脫羧反應(yīng)和四次脫氫反應(yīng)，１分子的乙?；谎趸桑卜肿覥O2、3分子的NADH＋H+、1分子的FADH2和1分子的GTP。三羧酸循環(huán)是由德國科學(xué)家HansKrebs于１９３７年提出，生物化學(xué)領(lǐng)域的重大成就（當(dāng)時還沒有同位素示蹤法）。Krebs于１９５３年獲得諾貝爾獎。第五十一頁，共八十五頁。一、反應(yīng)歷程分為3個階段，共8步反應(yīng)：a-酮戊二酸草酰乙酸檸檬酸異檸檬酸琥珀酸輔酶A琥珀酸延胡索酸蘋果酸乙酰輔酶A1.檸檬酸合成酶2.順烏頭酸酶3.異檸檬酸脫氫酶4.－酮戊二酸脫氫酶5.琥珀酸硫激酶6.琥珀酸脫氫酶7.延胡索酸酶8.蘋果酸脫氫酶第五十二頁，共八十五頁。H2O草酰乙酸

OCH3-C-SCoACoASHH2O檸檬酸合成酶順烏頭酸酶1.檸檬酸生成階段順烏頭酸酶第一步反應(yīng)不可逆，檸檬酸合成酶是三羧酸循環(huán)的第一個限速酶。重要抑制劑：氟乙酸（機理：檸檬酸合成酶催化氟乙酰CoA與草酰乙酸發(fā)生縮合作用生成氟檸檬酸，阻礙TCA循環(huán)）。應(yīng)用：有毒植物葉子中含有氟乙酸；殺蟲劑；滅鼠藥。第五十三頁，共八十五頁。2.氧化脫羧階段CO2NAD+

NADH+H+

異檸檬酸脫氫酶NAD+

NADH+H+CO2－酮戊二酸脫氫酶GDP＋PiGTPCoASH琥珀酸硫激酶

異檸檬酸脫氫酶具有脫氫和脫羧兩種功能，脫羧反應(yīng)需要Mn2+；ADP是激活劑；ATP和NADH是抑制劑。是TCA循環(huán)的又一個限速酶，此步反應(yīng)為一分界點，之前為三羧酸轉(zhuǎn)化，之后為二羧酸變化。

三羧酸循環(huán)中唯一一次底物水平磷酸化。GTP可直接利用，也可在二磷酸核苷激酶催化下，將高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ADP，從而生成ATP。α-酮戊二酸脫氫酶系特性：1）包含三種酶（α-酮戊二酸脫羧酶、硫辛酸琥珀酰轉(zhuǎn)移酶和二氫硫辛酸脫氫酶）和六種輔助因子（TPP、硫辛酸、CoASH、FAD、NAD+、Mg2+）。2）限速酶：受ATP、NADH和琥珀酰輔酶A的抑制。第五十四頁，共八十五頁。3.草酰乙酸再生階段草酰乙酸FADFADH2琥珀酸脫氫酶H2O延胡索酸酶NAD+NADH+H+蘋果酸脫氫酶可進入下一個循環(huán)第五十五頁，共八十五頁。二、三羧循環(huán)的化學(xué)計量和能量計量1.總反應(yīng)式:

CH3COSCoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+CoASH+3NADH+3H+

+FADH2+GTP能量“現(xiàn)金”:1GTP

能量“支票”:3NADH

1FADH2兌換率1：39ATP兌換率1：22ATP1ATP12ATP2.三羧酸循環(huán)的能量計量第五十六頁，共八十五頁。是有機體獲得生命活動所需能量的主要途徑；是糖、脂、蛋白質(zhì)等物質(zhì)代謝和轉(zhuǎn)化的中心樞紐；形成多種重要的中間產(chǎn)物。三、三羧循環(huán)的生物學(xué)意義第五十七頁，共八十五頁。第七節(jié)呼吸鏈與氧化磷酸化一、呼吸鏈1.概念及位置呼吸鏈又叫電子傳遞體系或電子傳遞鏈，它是代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)過一系列的傳遞體，最后傳遞給被激活的氧原子，而生成水的全部體系。在真核生物細(xì)胞內(nèi)，它位于線粒體內(nèi)膜上，原核生物中，它位于細(xì)胞膜上。線粒體第五十八頁，共八十五頁。2.呼吸鏈的組成NADH輔酶Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黃素蛋白（FAD）黃素蛋白（FMN）細(xì)胞色素類鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白（Fe-S）NADH（還原型輔酶）黃素蛋白酶類（flavoproteins,FP）鐵-硫蛋白類（iron—sulfurproteins)輔酶Ｑ（ubiquinone,亦寫作CoQ）細(xì)胞色素類（簡寫作Cyt）第五十九頁，共八十五頁。（1）NADH：還原型輔酶它是由NAD+接受多種代謝產(chǎn)物脫氫得到的產(chǎn)物。NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。第六十頁，共八十五頁。（2）黃素蛋白酶類以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為膜的組成蛋白，遞氫機理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶第六十一頁，共八十五頁。（3）鐵-硫蛋白類含鐵硫絡(luò)合物的蛋白，又稱非血紅鐵蛋白。通過鐵的價態(tài)變化而傳遞電子。第六十二頁，共八十五頁。（4）輔酶Ｑ是電子傳遞鏈上唯一的非蛋白組分，是脂溶性小分子化合物。位于膜雙脂層中，能在膜脂中自由泳動。第六十三頁，共八十五頁。（5）細(xì)胞色素類是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環(huán)的中心，構(gòu)成血紅素。各種細(xì)胞色素的輔基結(jié)構(gòu)略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有細(xì)胞色素a,a3、b,c和c1等。cytb和cytc1、cytc在呼吸鏈中的中為電子傳遞體，a和a3以復(fù)合物物存在，稱細(xì)胞色素氧化酶，其分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu，可將電子傳遞給氧，因此亦稱其為末端氧化酶。Cytc和c1細(xì)胞色素氧化酶傳遞電子機理：

+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+－e－e

第六十四頁，共八十五頁。3.電子傳遞鏈的順序及其抑制劑H2O12O2O2-MH2還原型代謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+

細(xì)胞色素b-c-c1-aa3

FeS2H+M氧化型代謝底物FADH2呼吸鏈電子傳遞和水的生成2eH2OFADFADH2琥珀酸

FeS2Fe2+2Fe3+

細(xì)胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+延胡索酸2eNADH呼吸鏈電子傳遞和水的生成第六十五頁，共八十五頁。111111電子傳遞鏈的抑制劑第六十六頁，共八十五頁。二、氧化磷酸化作用1.氧化磷酸化的概念2.磷氧比（P/O）的概念3.電子傳遞鏈中生成ATP的部位4.氧化磷酸化的偶聯(lián)機理5.氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制第六十七頁，共八十五頁。1.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ATP，即ADP+Pi→ATP）這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化。類別有底物水平磷酸化、電子傳遞水平磷酸化。ADP+PiATP+H2O生物氧化過程中釋放出的自由能第六十八頁，共八十五頁。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。電子傳遞體系磷酸化是指當(dāng)電子從NADH或FADH2經(jīng)過電子傳遞體系(呼吸鏈)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。電子傳遞體系磷酸化第六十九頁，共八十五頁。2.磷氧比（P/O）呼吸過程中無機磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過程中，每傳遞一對電子消耗一個氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的數(shù)值相當(dāng)于一對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。NADHFADH2O212H2OH2O例實測得NADH呼吸鏈：P/O~3ADP+PiATP實測得FADH2呼吸鏈：P/O~2O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP第七十頁，共八十五頁。3.電子傳遞鏈中生成ATP的部位（1）電子傳遞鏈的順序電子傳遞鏈中各組分的順序由還原電位。決定電子傳遞方向：(還原電位)低高第七十一頁，共八十五頁。半反應(yīng)ΔE0’（V）2H++2eH2-0.41NAD++2H++2eNADH+H+

-0.32FMN+2H++2eFMNH2-0.30FAD+2H++2eFADH2-0.06CoQ+2H++2eCoQH20.04(或0.10)Cytb(Fe3+)+eCytb(Fe2+)0.07Cytc1(Fe3+)+eCytc1(Fe2+)0.23Cytc(Fe3+)+eCytc(Fe2+)0.25Cyta(Fe3+)+eCyta(Fe2+)0.29Cyta3(Fe3+)+eCyta3(Fe2+)0.55O2+2H++2eH2O0.82電子傳遞鏈各組分的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位第七十二頁，共八十五頁。

ΔG0’=-nFΔE0’合成ATP需自由能51.6KJ/mol，經(jīng)計算可以得知，NADP呼吸鏈上有三個部位可以滿足這個條件，F(xiàn)ADH2呼吸鏈上有兩個部位可以滿足。（2）ATP產(chǎn)生的部位NADHCoQ：ΔG0’=-2×96.5×0.33=-63.7KJ/molCocCytc1：ΔG0’=

-2×96.5×0.31=-59.8KJ/molCyta3O2：ΔG0’=

-2×96.5×0.58=-111.9KJ/mol第七十三頁，共八十五頁。4.氧化磷酸化的偶聯(lián)機理（1）能量偶聯(lián)假說

1953年EdwardSlater

化學(xué)偶聯(lián)假說

1964年P(guān)aulBoyer構(gòu)象偶聯(lián)假說1961年P(guān)eterMitchell化學(xué)滲透假說1978年獲諾貝爾化學(xué)獎（2）ATP合成的機制第七十四頁，共八十五頁?；瘜W(xué)滲透假說

(chemiosmotichypothasis)

電子傳遞的自由能驅(qū)動H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進入到膜間隙，從而形成H+跨線粒體內(nèi)膜的電化學(xué)梯度，這個梯度的電化學(xué)勢(ΔH+)驅(qū)動ATP的合成。內(nèi)膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基質(zhì)膜間隙電子傳遞鏈第七十五頁，共八十五頁?；瘜W(xué)滲透假說原理示意圖4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+

ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2e-__________質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜磷酸化

氧化

+++++++++第七十六頁，共八十五頁。H2O2H+CytcCytcCytcQFMNFeSFeSCytc1CytbKCytbrCytaFeSCyta32e-