生物氧化与能量代谢

1、第一节第一节 生物氧化与能量代谢生物氧化与能量代谢 新陈代谢是生物体最基本的特征， 是生命存在的前提。 1.狭义概念：是指细胞内所发生的酶 促反应过程，称为中间代谢。这是代 谢活动的主体，也是代谢研究的主要 内容。 合成代谢 分解代谢 物 质 代 谢 能 量 代 谢 新 陈 代 谢 新陈代谢图解 （同化作用） （异化作用） 小分子 大分子 需要能量 释放能量 大分子 小分子 P S 1 E A 2 E B 3 E C 4 E D 5 E 式中S代表代谢底物，P代表产物，E 代表酶。从S到P之间的一系列过渡产 物称为中间产物。底物、中间产物、 终产物统称为代谢物。不同代谢途径 所具有的相同的中间

2、产物称为公共中 间产物。通过公共中间产物可实现途 径间的互相联系，调节代谢物质的流 向，维持细胞中各种物质的代谢平衡。 本本本课课课件件件由由由西西西华华华大大大学学学生生生物物物工工工程程程学学学院院院车车车振振振明明明制制制作作作 1.活体内实验（整体实验） 用整体生物材料或高等动物离体 器官或微生物细胞群体进行中间代谢 实验研究称为活体内实验。 实验结果代表生物体在正常生理 条件下整体代谢情况，比较接近生物 体的实际。 典型例子：1904年，德国化学家 Knoop提出的脂肪酸-氧化学说。 O O2 2 （2）同位素标记法 1941年，Rudolf Schoenheimer首 次采用同位素

3、标记法进行实验。 同位素种类：稳定同位素和放射 性同位素。 二者区别：是否衰变、是否有射线。 常用的稳定同位素有：重氢（2H 或D）、15N、13C、18O等。 用“稳定性同位素”标记的化合物 可用质谱仪定量测定，也可用超离心 法分离鉴定。 根据放射线同位素衰变时放出的射 线性质，可以用专门仪器或专用方法 测定。常用的放射性同位素有氘（T或 3H）、14C、32P、34S、131I。 优点： 1）同位素标记法特异性强，灵敏度高， 测定方法简便。 2）放射性同位素分析方法比稳定同位 素更方便、灵敏，应用更普遍。 缺点：放射性同位素对人体有毒害， 某些同位素的半衰期长，容易造成环 境污染，所以需要

4、在专门的同位素实 验时进行。 4.测定特征性酶 每条代谢途径都有其特征性酶， 它的存在就表明该代谢途径存在。 例如：糖代谢途径中的特征酶： EMP途径：醛缩酶 HMP途径：6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶 TCA途径：柠檬酸合成酶 5.核磁共振波谱法（nuclear magnetic resonance spectroscopy，简称NMR） 核磁共振谱可反映分子中各个原 子所处的状态。由布洛赫和巴塞尔于 1948年建立，因此获得1952年诺贝尔 奖。 应用最多的有13C谱、19F谱、31P 谱和15N谱。 特点：样品不受破坏，且能最真 实地反映机体内的化学反应情况。 四 ATP与其它高能化合物 腺嘌呤

5、核苷酸（腺嘌呤核苷酸（AMP） 二磷酸腺苷二磷酸腺苷 ADP 三磷酸腺苷三磷酸腺苷 ATP 22 a.当ATP提供能量时，在ATP远端的 -磷酸基团水解为无机磷酸分子， ATP失掉一个磷酰基而变成腺苷二磷 酸。 ATP+H2OADP+Pi （标准自由能变化G0= -30.514kJ/mol） b.在某些情况下，ATP的和磷酸 基团之间的高能键被水解（即同时水 解和-磷酸基团），形成AMP和焦 磷酸。 ATP+H2OAMP+PPi （G0= -32.19kJ/mol） （2）作为磷酸基团供体参与磷酸化 反应 生化反应中，无论是分解代谢还是 合成代谢，常常需要先将反应底物分 子活化，其中，磷酸化是

6、一种普遍活 化方式。ATP具有很活泼的磷酸基团， 可作为磷酸基的供体参与细胞中的磷 酸化反应，此类反应由激酶催化。 反应生成的磷酸化葡萄糖分子具有较 高的自由能，易进一步参加反应。 （3）ATP参加高能磷酸基团转移反应 ATP在磷酸基团转移中起“中间 传递体”的作用，故称“磷酸基团传 递者”。 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间产物，葡萄糖分 解为乳酸时所释放的大部分自由能，几乎 都保留在这两个化合物中。在细胞中这两 个化合物并不直接水解，而是通过特殊激 酶作用，以转移磷酸基团的形式，将捕捉 的自由能传递给ADP从而形成ATP。而 ATP分子又倾向于将它的磷酸基团转移

7、给 具有较低磷酸基团转移势能的化合物，例 如葡萄糖和甘油，从而生成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-energy compound），它 们水解所释放的自由能比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”。 GTP、UTP、CTP。 其中，GTP对G蛋白的活化、蛋白 质生物合成、蛋白质的寻靶、蛋白质 的转运等作为推动力提供自由能； UTP在糖原合成中起活化葡萄糖分 子的作用； CTP在合成磷脂酰胆碱、磷脂酰乙 醇胺以及合成纤维素中起推动作用等。 （三）其他供能核苷酸 ATP作为自

8、由能的贮存分子，其产 生和利用处于动态平衡中。 一般情况下，ATP在形成后一分钟 内就会被利用，故严格说来ATP不是 能量的贮存形式，而是传递能量的物 质。细胞能量状态的表示方法：能荷 （energy charge）。 （四） ATP系统的动态平衡 AMPADPATP ADPATP 5 . 0 能荷 本本本课课课件件件由由由西西西华华华大大大学学学生生生物物物工工工程程程学学学院院院车车车振振振明明明制制制作作作 H2O 1 2O2 O2- MH2 还原型代还原型代 谢底物谢底物 FMN FMNH2 CoQH2 CoQNAD+ NADH+H+ 2Fe2+ 2Fe3+ 细胞色素细胞色素 b- c

9、- c1 -aa3 Fe S 2H+ M 氧化型代氧化型代 谢底物谢底物 2e -脱羧脱羧 （羧基位置）（羧基位置） -脱羧脱羧 分类分类 单纯脱羧单纯脱羧（不伴氧化）（不伴氧化） 氧化脱羧氧化脱羧（伴氧化）（伴氧化） 节节 1. 1. -单纯脱羧单纯脱羧 COOH C =O CH2 COOH 2. 2. -单纯脱羧单纯脱羧 COOH C =O + CO2 CH3 O CH3 C H + CO2 1 1）单纯脱羧）单纯脱羧 O CH3 C COOH 返回返回 1. 1. -氧化脱羧氧化脱羧 2.2.-氧化脱羧氧化脱羧 O CH3CCOOH + CoASH + NAD+ O CH3C SCoA

10、+ NADH + H+ + CO2 COOH C =O + CO2 +NADPH + H+ CH3 COOH CHOH + NADP+ CH2 COOH 2 2）氧化脱羧）氧化脱羧 返回返回 CH3CH2OHCH3CHO NAD+ ADH+H+ 乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶 例：例： NAD + 电子传递链电子传递链 H2O 2e O= 2H + 12 O2 本本本课课课件件件由由由西西西华华华大大大学学学生生生物物物工工工程程程学学学院院院车车车振振振明明明制制制作作作 NADH 辅辅 酶酶 Q （CoQ） Fe-S Cyt c1 O2 Cyt b Cyt c Cyt aa3 琥珀酸等琥珀酸等 黄素

11、蛋白黄素蛋白 （F AD） 黄素蛋白黄素蛋白 （FMN） 细胞色素类细胞色素类 铁硫蛋白铁硫蛋白 （Fe-S） 铁硫蛋白铁硫蛋白 （Fe-S） NADH （还原型辅酶） 黄素蛋白酶类 （flavoproteins, FP） 铁-硫蛋白类 （ironsulfur proteins) 辅酶 （ubiquinone,亦写作CoQ） 细胞色素类 （简写作Cyt） （2）黄素蛋白酶类 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为 膜的组成蛋白， 递氢机理： FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2 如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶 铁-硫蛋白类 Fe S S S Fe Fe Fe S SC S S C C Fe3

12、+ +e -e Fe2+ 辅酶 H3CO H3CO CH3 R O O CoQ (醌型或氧化型) H3CO H3CO CH3 R O OH H H H3CO H3CO CH3 R OH OH CoQH (半醌型) CoQH2 (氢醌型或还原型) 细胞色素类 是含铁的电子传递体，辅基为铁 卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的 中心，构成血红素。各种细胞色素的 辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中 主要含有细胞色素a, a3 3、b, c 和c1 1等。 cyt b和cytc1 1、cytc在呼吸链中的中为电 子传递体，a和a3 3以复合物物存在，称 细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外 还含有Cu ，可将

13、电子传递给氧，因此 亦称其为末端氧化酶。 传递电子机理传递电子机理： +e +e Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+ e e H2O 1 2O2 O2- MH2 还原型代还原型代 谢底物谢底物 FMN FMNH2 CoQH2 CoQNAD+ NADH+H+ 2Fe2+ 2Fe3+ 细胞色素细胞色素 b- c- c1 -aa3 Fe S 2H+ M 氧化型代氧化型代 谢底物谢底物 FADH2呼吸链电子传递和水的生成呼吸链电子传递和水的生成 2e H2OFAD FADH2 琥珀酸琥珀酸 Fe S 2Fe2+ 2Fe3+ 细胞色素细胞色素 b- c1 - c-aa3 CoQH2 CoQ 1 2O2

14、 O2- 2H+ 延胡索酸延胡索酸 2e NADH呼吸链电子传递和水的生成呼吸链电子传递和水的生成 111111 4） 生物氧化中能量的生成生物氧化中能量的生成 (1).氧化磷酸化 代谢物在生物氧化过程中释放出的自 由能用于合成ATP，即 ADP+PiATP） 这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相 偶联的过程称氧化磷酸化。类别有底物水 平磷酸化、电子传递水平磷酸化。 ADP + Pi ATP + H ATP + H2 2O O 生物氧化过程中生物氧化过程中 释放出的自由能释放出的自由能 AH 2 A 2H NADH+H + (或 FADH 2) NAD + (或 FAD) 电 子 传 递 链

15、H 2O 1/2 O 2 释 放 能 量 ADP + Pi ATP合 成 酶 ATP 氧 化 过 程 磷 酸 化 过 程 氧 化 磷 酸 化 呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗 量和分子氧（O2）消耗量的比值称为 磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中， 每传递一对电子消耗一个氧原子，而 每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因 此P/O的数值相当于一对电子经呼吸 链传递至分子氧所产生的ATP分子数。 NADHNADH FADHFADH2 2 O O2 2 1 2 H H2 2O O H H2 2O O 例例 实测得实测得NADHNADH呼吸链呼吸链： P/O 3 ADP+ADP+PiPi ATP ATP

16、实测得实测得FADHFADH2 2呼吸链呼吸链： P/O 2 O O2 2 1 2 2e- 2e- ADP+ADP+PiPi ATP ATP ADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATP ADP+ADP+PiPi ATP ATP 半反应半反应E0（V） G0=-nFE0 合成ATPATP需自由能51.6KJ/mol，经计 算可以得知，NADP呼吸链上有三个部位可 以满足这个条件，FADH2 2呼吸链上有两个 部位可以满足。 NADH CoQ：G0=-296.5 0.33=-63.7KJ/mol Coc Cytc1：G0= -296.5 0.31=-59.8K

17、J/mol Cyta3 O2：G0= -296.5 0.58=-111.9KJ/mol NADHFMNCoQ CytbCytc1 CytcCytaa3O2 FADH 2 P ADP ATP P ADP ATP P ADP ATP A A 能量偶联假说能量偶联假说 19531953年年 Edward Slater Edward Slater 化学偶联化学偶联 假说假说 19641964年年 Paul Boyer Paul Boyer 构象偶联假说构象偶联假说 19611961年年 Peter Mitchell Peter Mitchell 化学渗透假说化学渗透假说 19781978年获诺贝尔化学

18、奖年获诺贝尔化学奖 （2 2）ATPATP合成的机制合成的机制 化学渗透假说化学渗透假说 ( (chemiosmotic hypothasis)chemiosmotic hypothasis) 电子传递的自由能 驱动H+从线粒体基 质跨过内膜进入到膜 间隙，从而形成H+ 跨线粒体内膜的电化 学梯度，这个梯度的 电化学势( H+ )驱 动ATP的合成。 内膜内膜 F F0 0F F1 1 ATP ATP酶酶 e e- - ADP+PiADP+Pi 底物底物 H H+ + ATPATP H H+ + H H+ + H H+ + 基质基质 膜间隙膜间隙 电子传递链电子传递链 4H+ 2H+ 2H+

19、4H+ NADH+H+ 2H+ 2H+ 2H+ ADP+PiATP 高高 质质 子子 浓浓 度度 H2O 2e- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 质子流质子流 线粒体内膜线粒体内膜 磷酸化磷酸化 氧化氧化 + + + + + + + + + H H2 2O O 2 2H H+ + CytcCytc CytcCytc CytcCytc Q Q FMNFMN FeSFeS FeSFeS CytcCytc 1 1 CytbCytbK K CytbCytbr r CytaCyta FeSFeS CytaCyta3 3 2 2e e- -2 2e e- - NADH+HNADH+H+ + NADNAD+ + O O2 2 +2H +2H+ + H H2 2O O 4 4H H+ + 2 2H H+ + 2 2H H+ + 复合物复合物 III 1 2 美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理 ,提出旋转催化假说，认为ATP合成酶亚 基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于 ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的 ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成 的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程 中，三个亚基依次进行上述三种构象的 交替变化，所需能量由跨膜H+提供。 NO2 NO2 O- NO2 NO2 OH NO2 NO2 O- NO2 NO2 OH H+ H+ 线