生物化学101112代谢总论能量代谢与生物氧化

1、教学目的和要求：教学目的和要求： . 生物氧化的特点生物氧化的特点 . 掌握呼吸链的类型和组成；掌握呼吸链的类型和组成； .弄清呼吸链中电子的传递途径；弄清呼吸链中电子的传递途径； .理解磷酸偶联作用与理解磷酸偶联作用与atp的生成。的生成。一、代谢的概念 活体细胞中所有化学变化的总称，包括物质和能量代谢。二、代谢的研究方法 1、活体内、外实验； 2、同位素示踪； 3、代谢途径的阻断。三、生物体内能量代谢的基本规律(能量定恒定律)四、高能化合物与atp的作用（自学） 1.高能化合物 生物体通过生物氧化所产生的能量，除一部分用以维持体温外，大部分可以通过磷酸化作用转移至高能磷酸化合物atp中。l

2、根据生物体内高能化合物键的特性可以把根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型：他们分成以下几种类型：磷氧键型磷氧键型cochoch2ohopoo-o-poo-o-a) 酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸ch3coopoo-o-乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔h3n+coopoo-o-氨甲酰磷酸r coopooo-a酰基腺苷酸rch coopooo-an+h3氨酰基腺苷酸o-poo-nnnnnh2ohhohhohhoch2o-poo-o-poo-atp（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）o-poo-o poo-o-焦磷酸焦磷酸7.3千卡/摩尔opoocoohcoch2磷酸烯醇式

3、丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔opoonhcnhnch3ch2coohopoonhcnhnch3ch2ch2ch2chcoohnh2磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。o soo-och2ohhohhohhnnnh2nno poo-3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸rcoscoa酰基辅酶acoo-chnh3+ch2ch2s+h3cas-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸2.atp的作用（自学） 机械能（运动） 分解代谢 atp 化学能（合成作用） 渗透能（分泌、吸收、离子泵 电能（生物电） 代谢底物 adp 热能（维持体温）

4、 光能（生物发光）第二节 生物氧化一一、生物氧化生物氧化概念概念 有机物在生物体内的氧化包括物质分解分解和产能产能呼吸作用o2co2 + h2o细胞呼吸（微生物）u 真核生物的生物氧化在线粒体膜上进行;u 原核生物的生物氧化在细胞膜上进行。u 故生物氧化也叫细胞氧化或细胞呼吸。三、生物氧化的特点三、生物氧化的特点 1.1.生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应程，反应条件温和条件温和（水溶液，中性（水溶液，中性phph和常温）。和常温）。 2.2.氧化进行过程中，必然伴随氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应生物还原反应的的 发生。发生。 3.3.水

5、是许多生物氧化反应的水是许多生物氧化反应的氧供体氧供体。通过加水脱。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。氢作用直接参予了氧化反应。 4.4.在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如由各种载体，如nadhnadh等传递到氧并生成水。等传递到氧并生成水。 5. 5.生物氧化是一个生物氧化是一个分步分步进行的过程。每一步都由特进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式

6、有利于在温和的条件下释放能种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。量，提高能量利用率。 6.6.生物氧化释放的能量，通过与生物氧化释放的能量，通过与atpatp合成相偶联，合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能转换成生物体能够直接利用的生物能atpatp。 生物氧化的本质是电子的得失，失电子者为还生物氧化的本质是电子的得失，失电子者为还原剂，是电子供体，得电子者为氧化剂，是电子受体原剂，是电子供体，得电子者为氧化剂，是电子受体在生物体内，它有三种方式：在生物体内，它有三种方式：u加氧氧化u电子转移 四、生物氧化的本质四、生物氧化的本质o2乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶ch

7、3chcoohohnad+ nadhch3ccooho五.生物氧化中co2的生成 是糖类、脂类、蛋白质等有机物转变成含羧基的化合物进行脱羧反应所致。六.生物氧化中h2o的生成呼吸传递链l 底物上的h经脱h反应后，再经呼吸链（电子传递链）的传递，最终传给活化的氧而生成水。 1、呼吸链的概念l 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，最后传递给活化的氧分子，而生成 水的全部体系。也叫电子传递体系或电子传递 链。 3. 典型线粒体的呼吸链的组成 由许多个组分组成，参加呼吸链的氧化还由许多个组分组成，参加呼吸链的氧化还原酶有烟酰胺脱氢酶类、黄素脱氢酶类、铁硫原酶有烟酰胺脱氢酶类、黄素脱

8、氢酶类、铁硫蛋白类、细胞色素类、辅酶蛋白类、细胞色素类、辅酶q q类等。即：类等。即： 烟酰胺脱h酶类：辅酶为nad+或nadp+ 黄素脱h酶类：fad、fmn组成 fes类：以fe的价变来传递电子 coq 类：为中间传递体，不能从底物上接受h cyto 类:cytob 、cytoc1、 cytoc 、cytoaa3 （1）组成: l（2）排列sh2snad+nadh+ hfmnh2fe sfmnfe scoqcoqh2 fe-sfe-s2cyt-fe2+2cyt-fe3+o212o2-2h2h2h2h+e-22e-h2ocoqcoqh2cyt-fe2+cyt-fe3+cyt-fe3+cyt-

9、fe2+cyt-fe3+cyt-fe2+cyt-fe3+cyt-fe2+cyt-fe3+cyt-fe2+bc1aa3ch2oo2-1o22e-2e-2e-2e-2e-2e-22h+ch2ch2coohcoohfadfe*scytb2he-2 复合物i（nadh-泛醌还原酶） 复合物iii（泛醌细胞色素c还原酶） 复合物iv（细胞色素c氧化酶） 复合物ii（琥珀酸脱氢酶） nadhnadh：还原型辅：还原型辅u它是由它是由nadnad+ +接受多种代谢产物脱氢得到的产物。接受多种代谢产物脱氢得到的产物。nadhnadh所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供

10、体之一。供体之一。u 是一种与电子传递有关的蛋白质，它与是一种与电子传递有关的蛋白质，它与nadhnadh q q还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。它主要以它主要以 (2fe-2s) (2fe-2s) 或或 (4fe-4s) (4fe-4s) 形式存在。形式存在。(2fe-2s)(2fe-2s)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过铁硫蛋白通过fefe3+3+ fe fe2+2+ 变化起传递电子的作变化起传递电子的作用用半胱半胱s s sfe fes s s半胱半胱简写为简写为fe-s nadhna

11、dh q q还原酶（还原酶（复合物复合物i i）u 特点：特点： 最少含有最少含有1616个多肽亚基。其活性部分含有辅基个多肽亚基。其活性部分含有辅基fmnfmn和铁硫蛋白；和铁硫蛋白；u作用：作用： 是催化是催化nadhnadh的氧化脱氢以及的氧化脱氢以及q q的还原。既是一的还原。既是一种脱氢酶，又是还原酶。种脱氢酶，又是还原酶。fmnfmn的作用是接受脱氢酶的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型脱下来的电子和质子，形成还原型fmnhfmnh2 2。还原型。还原型fmnhfmnh2 2可以进一步将电子转移给可以进一步将电子转移给q q。 nadhnadh q q还原酶还原酶 na

12、dh + q + hnadh + q + h+ + = nad = nad+ + + qh + qh2 2u（简写为（简写为q q）或辅酶）或辅酶-q-q（coqcoq）：它是电）：它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。一种脂溶性醌类化合物。ooch3och3och3(ch2chcch2)nhch3n=6-10u特点：特点： 是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，由由9 9个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素色素b b 和和c c1 1，以及铁硫蛋白（，以及铁硫蛋

13、白（2fe-2s2fe-2s）。）。u作用：作用： 是催化还原型是催化还原型qhqh2 2的氧化和细胞色素的氧化和细胞色素c c（cytcyt. c. c）的还原。）的还原。 qhqh2 2-cyt. c -cyt. c 还原酶还原酶 qhqh2 2 + 2 cyt + 2 cyt. c (fe. c (fe3+3+) = q + 2 cyt) = q + 2 cyt. c (fe. c (fe2+2+) + 2h) + 2h+ +复合物复合物iii）u 特点：特点： 含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同构成

14、血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同u类型：类型： 线粒体呼吸链中主要含有细胞色素线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a, b, c a, b, c 和和c c1 1等，组成它们的辅基分别为血红素等，组成它们的辅基分别为血红素a a、b b和和c c。细。细胞色素胞色素a, b, ca, b, c可以通过它们的紫外可以通过它们的紫外- -可见吸收光谱可见吸收光谱来鉴别。来鉴别。u 作用：作用： 通过通过fefe3+3+ fe fe2+2+ 的互变传递电子。的互变传递电子。*细胞色素（细胞色素（ cyto ）l是一个独立的蛋白是一个独立的蛋白质电子载体，位于质电子载体，位于线粒体内膜外表，线粒体内膜

15、外表，属于膜周蛋白，易属于膜周蛋白，易溶于水。通过溶于水。通过 fefe3+3+ fe fe2+2+ 的互的互变起电子传递中间变起电子传递中间体作用。体作用。l位于线粒体呼吸位于线粒体呼吸链末端的蛋白复链末端的蛋白复合物，由合物，由1212个多个多肽亚基组成。活肽亚基组成。活性部分主要包括性部分主要包括cytoacytoa和和a a3 3。复合物复合物ivucytoacytoa和和a a3 3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。还含有铜原子。cytoacytoa a a3 3可以直接以可以直接以o o2 2为电子受为电子受体。体。u在电子传递过程中

16、，分子中的铜离子可以发生在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生 cucu+ + cu cu2+2+ 的互变，将的互变，将cyt.ccyt.c所携带的电子传递所携带的电子传递给给o o2 2。u存在部位：存在部位： 线粒体内膜上的蛋白复合物线粒体内膜上的蛋白复合物, , 它比它比nadh-qnadh-q还原酶还原酶的结构简单，由的结构简单，由4 4个不同的多肽亚基组成。其活性部个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基分含有辅基fadfad和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。u作用：作用： 催化琥珀酸的脱氢氧化和催化琥珀酸的脱氢氧化和q q的还原的还原。琥珀酸琥珀酸-q还原酶还原酶(复合物复合物ii)3.作

17、用作用 (1)(1)接受还原性辅酶上的氢原子对接受还原性辅酶上的氢原子对(2h(2h+ +2e)+2e)， (2)(2)传递电子给氧分子，形成氧负离子；传递电子给氧分子，形成氧负离子； （3 3）使氧负离子）使氧负离子(o(o2-2-) )与质子对与质子对(2h(2h+ +) )结合，结合，生成水。生成水。 （4 4）电子对在传递过程中逐步氧化放能，）电子对在传递过程中逐步氧化放能，驱动驱动adpadp和无机磷发生磷酸化反应，生成和无机磷发生磷酸化反应，生成atpatp。u 底物上脱下的氢，经呼吸链的传递，其能量逐渐释放出来，除一部分用以维持体温外，大部分可以通过磷酸化生成atp的方式转移至高

18、能磷酸化合物中。 底物水平磷酸化u 生成atp的方式主要有 电子传递体系磷酸化 光合磷酸化 1、底物水平磷酸化 在被氧化的底物上发生磷酸化作用： x p + adp atp + xu *是红细胞或酵解作用下获取能量的主要方式。 2、电子传递体系磷酸化（用p/o来研究）u p/o：每消耗1mol 氧原子所需消耗无机磷的mol 数。u底物水平磷酸化底物水平磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化作用。即底物被氧化的过程中，形成了某些高能作用。即底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使adpadp生生成成at

19、patp。u电子传递体系磷酸化电子传递体系磷酸化是指当电子从是指当电子从nadhnadh或或fadhfadh2 2经经过电子传递体系过电子传递体系( (呼吸链呼吸链) )传递给氧形成水时，同传递给氧形成水时，同时伴有时伴有adpadp磷酸化为磷酸化为atpatp的全过程。通常所说的氧的全过程。通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。l 最常用的方法是测定线粒体或其制剂存在最常用的方法是测定线粒体或其制剂存在时的时的p/op/o比值和电化学实验。比值和电化学实验。l p/op/o比值：指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷比值：指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。根

20、据所消耗的无机磷酸摩尔数，酸的摩尔数。根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间接测出可间接测出atpatp生成量。生成量。l 实验指出实验指出nadhnadh呼吸链的呼吸链的p/op/o值是值是3 3，即每消耗，即每消耗一摩尔氧原子就可形成一摩尔氧原子就可形成3 3摩尔摩尔atpatp，fadhfadh2 2呼吸呼吸链的链的p/op/o值是值是2 2，即消耗一摩尔氧原子可形成，即消耗一摩尔氧原子可形成2 2摩尔摩尔atpatp。(1)atp(1)atp产生的数量产生的数量l atpatp产生的部位都是有大的电位差变化的地方，产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，例如，nadhnadh呼吸链生成呼

21、吸链生成atpatp的三个部位是：的三个部位是：e0e0值在此三个部位有大的值在此三个部位有大的“跳动跳动”，都在，都在0.20.2伏伏以上。以上。(2)atp(2)atp产生的部位产生的部位 氧化与磷酸化作用如何耦联尚不够清楚，目前氧化与磷酸化作用如何耦联尚不够清楚，目前主要有三个学说：主要有三个学说：l化学耦联学说、结构耦联学说与与化学渗透学说化学渗透学说，l化学渗透学说化学渗透学说的主要论点的主要论点l呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜

22、内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上上atpatp合成酶所利用，使合成酶所利用，使adpadp与与pipi合成合成atpatp。(3)(3)氧化磷酸化生成氧化磷酸化生成atpatp的机理的机理atp合酶复合体由头部（cf1）和柄部（cf0）组成。其中cf1在膜的表面，cf0伸入膜内，cf1由3、3、）组成，cf0由a、b、b、c12b. molecular basis of phosphorylation: atp synthasev the structure of the atp synthasef1 particle is the catal

23、ytic subunit;the f0 particle attaches to f1 and is embedded in the inner membrane.f1: 5 subunits in the ratio 3 :3 :1 :1 :1 f f0: 0: 1a1a：2b2b：12c12c vsummary of the major activities during aerobic respiration in a mitochondrionnadho2: 3atp/2e;fadh2 o2 : 2atp/2e 首先要穿梭进入线粒体内，再按上法完成氧化磷酸化，其穿梭的方法有两种：u a

24、. - 磷酸甘油磷酸二羟丙酮 穿梭 胞液中1molnadh经此穿梭进入线粒体后，变成1mol fadh2，经呼吸链后要少生成1molatp。u b. 苹果酸天冬氨酸穿梭（主要在肝、肾和心脏组织的细胞中） 1molnadh经此穿梭后，在线粒体内仍转为 1molnadh。u c. 异柠檬酸-酮戊二酸穿梭 a.抑制剂 u 电子传递链：阿的平，阿米妥（戊巴比妥）；抗霉素a；co、cn、n3u 抑制atp合成： b. 解偶联剂 （uncouplers）u 2,4-二硝基苯酚（2,4-dinitrophenol dnp） (5) 氧化磷酸化的抑制剂和解偶联剂氧化磷酸化的抑制剂和解偶联剂1.生物氧化的概念与作用生物氧化的概念与作用2.nadh，fadh2的彻底氧化的彻底氧化3.呼吸链（电子传递链）呼吸链（电子传递链）4.磷酸化磷酸化组成与存在位点，作用机制，抑制剂底物水平磷酸化，氧化