新陈代谢总论与生物氧化

1、新陈代谢总论与生物氧化教学目标：1. 掌握新陈代谢的概念与特点，了解新陈代谢研究方法。了解生物体内能量代谢的基 本规律。2. 掌握生物氧化的概念、特点、部位，主要酶类和体系。熟悉生物氧化中二氧化碳、 水的生成，掌握呼吸链的组成、类型和传递体顺序。3. 掌握氧化磷酸化的概念、类型、偶联部位和 p/o 比值，熟悉影响氧化磷酸化因素、 胞液中 nadh 的氧化和偶联机制。第一节 新陈代谢总论一、新陈代谢的概念与特点生物体是一个与环境保持着物质、能量和信息交换的开放体系。通过物质交换建造和修 复生物体(按人的一生计,交换物质的总量约为体重的 1200 倍,人体所含的物质平均每 10 天更 新一半)。通

2、过能量交换推动生命运动，通过信息交换进行调控，保持生物体和环境的适应。新陈代谢(metabolism)是指生物与外界环境进行物质交换和能量交换的全过程。包括生 物体内所发生的一切合成和分解作用(即同化作用和异化作用)。人和动物的物质代谢分为三个阶段：食物、水、空气进入机体(摄取营养物的消化和吸 收)、中间代谢和代谢产物的排泄。中间代谢是指物质在细胞中的合成与分解过程，合成是 吸能反应，分解是放能反应。它们是矛盾对立和统一的。所以，新陈代谢的功能是：从周围 环境中获得营养物质;将营养物质转变为自身需要的结构元件;将结构元件装配成自身的大 分子;形成或分解生物体特殊功能所需的生物分子;提供机体生命

3、活动所需的一切能量。各种生物具有各自特异的新陈代谢类型，这决定于遗传和环境条件。绿色植物及某些细 菌有光合作用，若干种细菌有固氮作用，是自养型的;动物与人是异养生物，同化作用必须 从外界摄取营养物质，通过消化吸收进入中间代谢。同一生物体的各个器官或不同组织还具 有不同的代谢方式。各种生物的新陈代谢过程虽然复杂，却有共同的特点：1. 生物体内的绝大多数代谢反应是在温和条件下，由酶催化进行的。2. 物质代谢通过代谢途径，在一定的部位，严格有序地进行。各种代谢途径彼此协调组 成有规律的反应体系(网络)。3. 生物体对内外环境条件有高度的适应性和灵敏的自动调节。二、新陈代谢的研究方法代谢途径的研究比较

4、复杂，可从不同水平，主要对中间代谢进行研究。新陈代谢途径的 阐明凝集了许多科学家的智慧与实验成果。如 1904 年德国化学家 knoop 提出的脂肪酸的 氧化学说，1937 年 krebs 提出的柠檬酸循环。1. 活体内(in vivo)和活体外(in vitro)实验2. 同位素示踪法和核磁共振波谱法(nmr)3. 代谢途径阻断法三、生物体内能量代谢的基本规律1. 服从热力学原理。热力学第一定律是能量守恒定律，热力学第二定律指出，热的传导 自高温流向低温。机体内的化学反应朝着达到其平衡点的方向进行。2. 生化反应最重要的热力学函数是吉布斯自由能 g 。自由能是在恒温、恒压下，一个 体系作有用

5、功的能力的度量。用于判断反应可否自发进行，是放能或耗能反应。g0，反应不能自发进行，吸收能量才推动反应进行。g=0，体系处在平衡状态。自由能与另外两个函数有关，g=h - ts(h 是总热量的变化，s 是总熵的改变，t 是体系的绝对温度)。标准自由能变化用 go表示(25oc，1 个大气压，ph 为 7，反应物和产物浓度为 1mol/l 时所测得，单位是 kj/mol)。3.go和化学平衡的关系g = go+ rt lncd/abg=0 时，go= - rtlncd/ab= -rtlnk= -2.303rtlgk(r 为气体常数，lnk 为平衡常数的自然对数。k1，go为负值，反应趋于生成物的

6、 方向进行;k1，go为正值。)注意：g 只取决于产物与反应物的自由能之差，与反应历程无关。总自由能变化等于 各步反应自由能变化的代数和。热力学上不利的吸能反应可以偶联放能反应来推动以保持代 谢途径一连串反应的进行。四、高能化合物与 atp 的作用高能化合物(high-energy compound)指化合物含有的自由能特多，且随水解反应或基团转 移反应释放。最重要的有高能磷酸化合物，还有硫酯类和甲硫类高能化合物。高能磷酸化合 物的酸酐键常用p 表示，水解时释放的自由能大于 20kj，称为高能磷酸键。生化中“高能 键”的含义与化学中的“键能”完全不同。“键能”指断裂一个化学键需提供的能量。at

7、p 是细胞内特殊的自由能载体。在标准状况，atp 水解为 adp 和 pi 的 go=-30kj/mol， 水解为 amp 和 ppi 的 go=-32kj/mol。atp 的 go在所有的含磷酸基团的化合物中处于 中间位置，这使 atp 在机体起作中间传递能量的作用，称之能量的共同中间体。机体内一 些在热力学上不可能发生的反应，只需与 atp 分子的水解相偶联，就可使其进行。所以说， atp 又是生物细胞能量代谢的偶联剂。从低等的单细胞生物到高等的人类，能量的释放、储存和利用都是以 atp 为中心。atp 是整个生命世界能量交换的通用货币。atp 是能量的携带者或传递者，而不是储存者。在 脊

8、椎动物中起能量储存的是磷酸肌酸(phosphoccreatine，pc)，在无脊椎动物中是磷酸精氨酸。atp 和其他的核苷三磷酸gtp、utp、ctp 常称作富含能量的代谢物。它们几乎有 相同的水解(或形成)的标准自由能，核苷酸之间的磷酰基团的转移的平衡常数接近 1.0，所 以计算物质代谢能量时，消耗的其他核苷三磷酸用等价的 atp 表示。第二节 生物氧化一、生物氧化的概念、特点和部位1. 概念：有机物质在生物体细胞内氧化分解产生二氧化碳、水，并释放出大量能量的过 程称为生物氧化(biological oxidation)。又称细胞呼吸或组织呼吸。2. 特点：生物氧化和有机物质体外燃烧在化学本

9、质上是相同的，遵循氧化还原反应的一 般规律，所耗的氧量、最终产物和释放的能量均相同。(1) 在细胞内，温和的环境中经酶催化逐步进行。(2) 能量逐步释放。一部分以热能形式散发，以维持体温，一部分以化学能形式储存供 生命活动能量之需(约 40%)。(3) 生物氧化生成的 h2o 是代谢物脱下的氢与氧结合产生，h2o 也直接参与生物氧化反 应;co2 由有机酸脱羧产生。(4) 生物氧化的速度由细胞自动调控。3.部位：在真核生物细胞内，生物氧化都是在线粒体内进行，原核生物则在细胞膜上进 行。二、生物氧化的酶类和体系1.酶类：重要的为氧化酶和脱氢酶两类，脱氢酶尤为重要。氧化酶为含铜或铁的蛋白质，能激活

10、分子氧，促进氧对代谢物的直接氧化，只能以氧为 受氢体，生成水。重要的有细胞色素氧化酶，可使还原型氧化成氧化型，亦可将氢放出的电 子传递给分子氧使其活化。心肌中含量甚多。此外还有过氧化物酶、过氧化氢酶等。脱氢酶分需氧脱氢酶和不需氧脱氢酶。前者可激活代谢物分子中的氢，与分子氧结合， 产生过氧化氢。在无分子氧时，可利用亚甲蓝为受氢体。需氧脱氢酶皆以 fma 或 fad 为 辅酶。不需氧脱氢酶可激活代谢物分子中的氢，使脱出的氢转移给递氢体或非分子氧。一般 在无氧或缺氧环境下促进代谢物氧化。大部分以 nad 或 nadp 为辅酶。2.体系：有不需传递体和需传递体的两种体系。不需传递体的最简单，在微粒体、

11、过氧化酶体及胞液中代谢物经氧化酶或需氧脱氢酶作 用后脱出的氢给分子氧生成水或过氧化氢。其特点是不伴磷酸化，不生成 atp，主要与体 内代谢物、药物和毒物的生物转化有关。需传递体的最典型的是呼吸链。是在线粒体经多酶体系催化，即通过电子传递链完成， 与 atp 的生成相关。三、生物氧化中二氧化碳的生成生物氧化中 co2 的生成是代谢中有机酸的脱羧反应所致。有直接脱羧和氧化脱羧两种 类型。按脱羧基的位置又有 -脱羧和 -脱羧之分。请判断以下脱羧反应的类型?四、生物氧化中水的生成(一)呼吸链的概念和类型代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后与激活的氧结合生 成水的全部体系，此过程

12、与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链(respiratory chain)或 电子传递链(electron transfer chain)。在呼吸链中，酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜上。其中传递氢的酶或辅酶称为递 氢体，传递电子的酶或辅酶称为电子传递体。递氢体和电子传递体都起着传递电子的作用 (2h2h+2e)。生物体内的呼吸链有多种型式。人体细胞线粒体内最重要的有两条，即 nadh 氧化呼 吸链和琥珀酸氧化呼吸链。它们的初始受氢体、生成 atp 的数量及应用有差别。nadh 氧 化呼吸链应用最广，糖、脂、蛋白质三大物质分解代谢中的脱氢氧化反应，绝大多数是通过 该呼吸链来完成的。琥珀酸

13、氧化呼吸链在 q 处与上述 nadh 氧化呼吸链途径交汇。其脱氢 黄酶只能催化某些代谢物脱氢，不能催化 nadh 或 nadph 脱氢。(二)呼吸链的组成组成呼吸链的成分已发现 20 余种，分为 5 大类。1.辅酶和辅酶辅酶(nad+或 co)为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。辅酶(nadp+或 co)为烟酰胺腺 嘌呤二核苷酸磷酸。它们是不需氧脱氢酶的辅酶，分子中的烟酰胺部分，即维生素pp 能可 逆地加氢还原或脱氢氧化，是递氢体。以 nad+作为辅酶的脱氢酶占多数。2.黄素酶黄素酶的种类很多，辅基有 2 种，即 fmn 和 fad。fmn 是 nadh 脱氢酶的辅基，fad 是琥珀酸脱氢酶的辅基，都是以

14、核黄素为中心构成的，其异咯嗪环上的第 1 位及第 5 位两个 氮原子能可逆地进行加氢和脱氢反应，为递氢体。3.铁硫蛋白分子中含有非血红素铁和对酸不稳定的硫，因而常简写为 fes 形式。在线粒体内膜上， 常与其他递氢体或递电子体构成复合物，复合物中的铁硫蛋白是传递电子的反应中心，亦称 铁硫中心，与蛋白质的结合是通过 fe 与 4 个半胱氨酸的 s 相连接。4.泛醌(又名辅酶 q)一类广泛分布于生物界的脂溶性醌类化合物。分子中的苯醌为接受和传递氢的核心，其 c-6 上带有异戊二烯为单位构成的侧链，在哺乳动物，这个长链为 10 个单位，故常以 q10 表示。5.细胞色素类细胞色素(cytochrom

15、e, cyt)是一类以铁卟啉为辅基的结合蛋白质，存在于生物细胞内， 因有颜色而得名。已发现的有 30 多种，按吸收光谱分 a、b、c 三类，每类又有好多种。cyta 和 a3 结合紧，迄今尚未分开，故写成 aa3，位于呼吸链的终末部位，其辅基为血 红素 a，传递电子的机制是以辅基中铁价的变化 fe3+ fe2+，a3 还含有铜离子，把电子直 接交给分子氧 cu+ cu2+，所以 a3 又称细胞色素氧化酶。a3 中的铁原子可以与氧结合， 也可以与氰化物离子(cn)、co 等结合，这种结合一旦发生，a3 便失去使氧还原的能力， 电子传递中止，呼吸链阻断，导致机体不能利用氧而窒息死亡。(三)呼吸链中

16、传递体的顺序呼吸链中氢和电子的传递有着严格的顺序和方向。根据氧化还原原理，氧化-还原电势 e 是物质对电子亲和力的量度，电极电位的高低反映电子得失的倾向，e o值愈低的氧还对(a/ah2)释放电子的倾向愈大，愈容易成为还原剂而排在呼吸链的前面。所以 nadh 还原能 力最强，氧分子的氧化能力最强。电子的自发流向是从电极电位低的物质(还原态)到电位高 的氧化态，目前一致认可的是按标准氧还电位递增值依次排列。电子由 nadh 的传递到氧分子通过 3 个大的蛋白质复合体，即 nadh 脱氢酶、细胞色 素 bc1 复合体和细胞色素氧化酶到氧(又称复合体、)。电子从 fadh2 的传递是通 过琥珀酸-辅

17、酶 q 还原酶(复合体)经 q、复合体、到氧(琥珀酸-辅酶 q 还原酶催化的 反应的自由能变化太小)。第三节 氧化磷酸化一、氧化磷酸化的概念和偶联部位1. 概念：氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指在生物氧化中伴随着 atp 生成的作 用。有代谢物连接的磷酸化和呼吸链连接的磷酸化两种类型。即 atp 生成方式有两种。一 种是代谢物脱氢后，分子内部能量重新分布，使无机磷酸酯化先形成一个高能中间代谢物， 促使 adp 变成 atp。这称为底物水平磷酸化。如 3-磷酸甘油醛氧化生成 1，3-二磷酸甘油 酸，再降解为 3-磷酸甘油酸。另一种是在呼吸链电子传递过程中偶联

18、atp 的生成。生物体 内 95%的 atp 来自这种方式。2. 偶联部位：根据实验测定氧的消耗量与 atp 的生成数之间的关系以及计算氧化还原 反应中 go和电极电位差 e 的关系可以证明。p/o 比值是指代谢物氧化时每消耗 1 摩尔氧原子所消耗的无机磷原子的摩尔数，即合成 atp 的摩尔数。实验表明， nadh 在呼吸链被氧化为水时的 p/o 值约等于 3，即生成 3 分 子 atp;fadh2 氧化的 p/o 值约等于 2，即生成 2 分子 atp。氧-还电势沿呼吸链的变化是每一步自由能变化的量度。根据 go= - nfe o(n 是电子 传递数,f 是法拉第常数)，从 nadh 到 q

19、 段电位差约 0.36v，从 q 到 cytc 为 0.21v，从 aa3 到分子氧为 0.53v，计算出相应的 go分别为 69.5、40.5、102.3kj/mol。于是普遍认为下述 3 个部位就是电子传递链中产生 atp 的部位。nadhnadh 脱氢酶q 细胞色素 bc1 复合体cytc aa3o2二、胞液中 nadh 的氧化糖代谢中的三羧酸循环和脂肪酸 -氧化是在线粒体内生成 nadh(还原当量)，可立即通 过电子传递链进行氧化磷酸化。在细胞的胞浆中产生的 nadh ，如糖酵解生成的 nadh 则 要通过穿梭系统(shuttle system)使 nadh 的氢进入线粒体内膜氧化。(

20、一)-磷酸甘油穿梭作用这种作用主要存在于脑、骨骼肌中，载体是 -磷酸甘油。胞液中的 nadh 在 -磷酸甘油脱氢酶的催化下，使磷酸二羟丙酮还原为 -磷酸甘油， 后者通过线粒体内膜，并被内膜上的 -磷酸甘油脱氢酶(以 fad 为辅基)催化重新生成磷酸 二羟丙酮和 fadh2，后者进入琥珀酸氧化呼吸链。葡萄糖在这些组织中彻底氧化生成的 atp 比其他组织要少，1 摩尔 g36 摩尔 atp。(二)苹果酸-天冬氨酸穿梭作用主要存在肝和心肌中。1 摩尔 g38 摩尔 atp胞液中的 nadh 在苹果酸脱氢酶催化下，使草酰乙酸还原成苹果酸，后者借助内膜上 的 -酮戊二酸载体进入线粒体，又在线粒体内苹果酸

21、脱氢酶的催化下重新生成草酰乙酸和 nadh。nadh 进入 nadh 氧化呼吸链，生成 3 分子 atp。草酰乙酸经谷草转氨酶催化生 成天冬氨酸，后者再经酸性氨基酸载体转运出线粒体转变成草酰乙酸。三、氧化磷酸化偶联机制(一)化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)1961 年，英国学者 peter mitchell 提出化学渗透假说(1978 年获诺贝尔化学奖)，说明了 电子传递释出的能量用于形成一种跨线粒体内膜的质子梯度(h+梯度)，这种梯度驱动 atp 的合成。这一过程概括如下：1. nadh 的氧化，其电子沿呼吸链的传递，造成 h+ 被 3 个 h+ 泵，即 nadh 脱氢酶、 细胞色素 bc1 复合体和细胞色素氧化酶从线粒体基质跨过内膜泵入膜间隙。2. h+ 泵出，在膜间隙产生一高的 h+ 浓度，这不仅使