第八章新陈代谢总论与生物氧化

1、1第八章第八章 新陈代谢总论与生物氧化新陈代谢总论与生物氧化2代谢代谢(metabolism)又称新陈代谢，又称新陈代谢，是生物体内所有化学变化的总称。是生物体内所有化学变化的总称。新陈代谢是生命的基本特征。新陈代谢是生命的基本特征。 第一节第一节 新陈代谢概述新陈代谢概述 一、定义一、定义3合成代谢与分解代谢是相辅相成的，它合成代谢与分解代谢是相辅相成的，它们的平衡使生物体既保持自身的稳定，又能们的平衡使生物体既保持自身的稳定，又能不断更新，以适应环境。不断更新，以适应环境。代谢代谢合成代谢（同化作用）合成代谢（同化作用）分解代谢（异化作用）分解代谢（异化作用）机体从环境中摄取营养物机体从环

2、境中摄取营养物质，把它们转化为自身物质质，把它们转化为自身物质机体将自身物质转化为机体将自身物质转化为代谢产物，排出体外代谢产物，排出体外4代谢过程是通过一系列酶促反代谢过程是通过一系列酶促反应完成的。应完成的。完成完成某一代谢过程某一代谢过程的一组相互的一组相互衔接的酶促反应称为衔接的酶促反应称为代谢途径代谢途径。 二、代谢途径二、代谢途径5代谢途径的特点代谢途径的特点 没有完全可逆的代谢途径；没有完全可逆的代谢途径； 代谢途径的形式是多样的；代谢途径的形式是多样的； 代谢途径有确定的细胞定位；代谢途径有确定的细胞定位； 代谢途径是相互沟通的；代谢途径是相互沟通的； 代谢途径之间有能量关联；

3、代谢途径之间有能量关联； 代谢途径的流量可调控。代谢途径的流量可调控。6每个代谢途径的流量，都受反应速度最每个代谢途径的流量，都受反应速度最慢的步骤的限制，这个步骤称为慢的步骤的限制，这个步骤称为限速步骤限速步骤，或或关键步骤关键步骤，这个酶称为，这个酶称为限速酶限速酶或或关键酶关键酶。限速步骤一般是代谢途径或分支的第一限速步骤一般是代谢途径或分支的第一步，这样可避免有害中间产物的积累。限速步，这样可避免有害中间产物的积累。限速步骤一般是不可逆反应，其逆过程往往由另步骤一般是不可逆反应，其逆过程往往由另一种酶催化。一种酶催化。 7第二节第二节 合成代谢合成代谢 生物分子结构的多层次性决定了合成

4、代谢生物分子结构的多层次性决定了合成代谢的阶段性。首先由简单的无机分子的阶段性。首先由简单的无机分子(CO2、NH3、H2O等等)合成生物小分子（单糖、氨基合成生物小分子（单糖、氨基酸、核苷酸等），再用这些构件合成生物大酸、核苷酸等），再用这些构件合成生物大分子，进而组装成各种生物结构。分子，进而组装成各种生物结构。趋异性趋异性是指随着合成代谢阶段的上升，倾是指随着合成代谢阶段的上升，倾向于产生种类更多的产物。向于产生种类更多的产物。一、阶段性和趋异性一、阶段性和趋异性8人类不能从无到有合成所有的生物分人类不能从无到有合成所有的生物分子。那些不能自己合成，只能从食物中摄子。那些不能自己合成，只

5、能从食物中摄取的物质，称为是取的物质，称为是必需必需的。的。如氨基酸中有如氨基酸中有8种是必需氨基酸，种是必需氨基酸，维维生素生素和某些和某些高不饱和脂肪酸高不饱和脂肪酸也是必需的。也是必需的。严格说，糖是非必需的。严格说，糖是非必需的。 二、营养依赖性二、营养依赖性9合成代谢需要消耗能量。合成代谢需要消耗能量。合成生物小分合成生物小分子的能量直接来自子的能量直接来自ATP和和NADPH，合成生，合成生物大分子直接来自物大分子直接来自核苷三磷酸核苷三磷酸。合成代谢所需的能量主要用于合成代谢所需的能量主要用于活化前体活化前体或构件分子，以及用于还原步骤等。或构件分子，以及用于还原步骤等。三、需要

6、能量推动三、需要能量推动10生物大分子有两种组装模式：生物大分子有两种组装模式：四、信息来源四、信息来源1.模板指导组装模板指导组装 核酸和蛋白质的核酸和蛋白质的合成，都以先在的信息分子为模板。合成，都以先在的信息分子为模板。2.酶促组装酶促组装 有些构件序列简单均一有些构件序列简单均一的大分子通过酶促组装聚合而成。的大分子通过酶促组装聚合而成。11生物大分子的分解有三个阶段：生物大分子的分解有三个阶段：水解水解产生构件分子产生构件分子、氧化分解产生乙酰辅酶氧化分解产生乙酰辅酶A、氧化成二氧化碳和水。氧化成二氧化碳和水。在这个过程中，随着结构层次的降低，在这个过程中，随着结构层次的降低，倾向产

7、生少数共同的分解产物，即具有倾向产生少数共同的分解产物，即具有趋趋同性同性。第三节第三节 分解代谢分解代谢一、阶段性和趋同性一、阶段性和趋同性12分解代谢的各个阶段都是分解代谢的各个阶段都是释放能量的过程释放能量的过程。第一阶段放能很少。第一阶段放能很少。第二阶段约占三分之一，可推动第二阶段约占三分之一，可推动ATP和和NADPH的合成，它们可作为能量载体向体内的的合成，它们可作为能量载体向体内的耗能过程提供能量。耗能过程提供能量。第三阶段通过第三阶段通过三羧酸循环三羧酸循环和和氧化磷酸化氧化磷酸化释放释放其余的能量，主要用于其余的能量，主要用于ATP的合成。的合成。二、意义二、意义13第四节

8、第四节 代谢中的能量与调控代谢中的能量与调控 一、代谢与能量一、代谢与能量热力学第一定律：能量守恒定律热力学第一定律：能量守恒定律热力学第二定律：熵定律热力学第二定律：熵定律自由能：自由能：G=H-TS，2121千焦千焦/ /摩尔）的化合物称为摩尔）的化合物称为高能化合物高能化合物。1、高能化合物的类型、高能化合物的类型15在在pH=7pH=7环境中，环境中，ATPATP分子中的三个磷酸基团完全分子中的三个磷酸基团完全解离成带解离成带4 4个负电荷的离子形式（个负电荷的离子形式（ATPATP4-4-），具有较），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大大势能，加之水解产物稳定，因而水

9、解自由能很大（GG=-30.5=-30.5千焦千焦/ /摩尔）。摩尔）。腺嘌呤腺嘌呤核糖核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O- + + +Mg2+ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-12 2、ATPATP的特点及其特殊作用的特点及其特殊作用16代谢过程是一系列酶促反应，可通过代谢过程是一系列酶促反应，可通过酶活性酶活性和和数量数量进行调节。进行调节。此外，神经和激素的调节也起着重要此外，神经和激素的调节也起着重要作用。作用。代谢是动态的。生物体

10、内总是同时进代谢是动态的。生物体内总是同时进行着分解代谢与合成代谢。即使体重保持行着分解代谢与合成代谢。即使体重保持不变，代谢也在不断地进行。不变，代谢也在不断地进行。二、代谢调节二、代谢调节17第五节第五节 呼吸链呼吸链 一、呼吸链的概念呼吸链的概念二、二、呼吸链的组成呼吸链的组成三、三、机体内两条主要的呼吸链机体内两条主要的呼吸链四、四、电子传递抑制剂电子传递抑制剂18呼吸链呼吸链又称又称电子传递链电子传递链，是由一系列，是由一系列电子载体构成的，从电子载体构成的，从NADH或或FADH2向氧向氧传递电子的系统。传递电子的系统。 一、呼吸链的概念呼吸链的概念其中的氢以质子形式脱下，电子沿呼

11、其中的氢以质子形式脱下，电子沿呼吸链转移到分子氧，形成离子型氧，再与吸链转移到分子氧，形成离子型氧，再与质子结合生成水。放出的能量则使质子结合生成水。放出的能量则使ADP和和磷酸生成磷酸生成ATP。19原核细胞的呼吸链位于原核细胞的呼吸链位于质膜质膜上，真核上，真核细胞则位于细胞则位于线粒体内膜上线粒体内膜上。 20线粒体有两层膜。外膜平滑稍有弹性，线粒体有两层膜。外膜平滑稍有弹性，内膜有许多向内褶叠的嵴，嵴的存在实际上内膜有许多向内褶叠的嵴，嵴的存在实际上增加了内膜的面积。增加了内膜的面积。线粒体内膜具有许多生物活性蛋白质，线粒体内膜具有许多生物活性蛋白质，嵌在双层磷脂系统中，不能自由移动，

12、这些嵌在双层磷脂系统中，不能自由移动，这些蛋白质包括电子传递酶类以及与之蛋白质包括电子传递酶类以及与之有关的蛋有关的蛋白质和白质和ATP合成的酶类、各种脱氢酶类、各合成的酶类、各种脱氢酶类、各种代谢物运转系统蛋白等。种代谢物运转系统蛋白等。21呼吸链包含呼吸链包含15种以上组分，主要由种以上组分，主要由4种酶种酶复合体和复合体和2种可移动电子载体种可移动电子载体构成。构成。其中复合体其中复合体、辅酶辅酶Q(呼吸呼吸链中唯一的非蛋白氧化还原载体链中唯一的非蛋白氧化还原载体)和和细胞色素细胞色素C的的数量比为数量比为1：2：3：7：63：9。 22NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt

13、 bCyt cCyt aa3Fe-SFADH2Fe-S琥珀酸琥珀酸等等复合物复合物 II复合物复合物 IV复合物复合物 I复合物复合物 IIINADH脱氢酶脱氢酶细胞色素还原酶细胞色素还原酶细胞色素氧细胞色素氧化酶化酶琥珀酸琥珀酸-辅酶辅酶Q还原酶还原酶23即即NADH：辅酶：辅酶Q氧化还原酶复合体，氧化还原酶复合体，由由NADH脱氢酶脱氢酶（一种以（一种以FMN为辅基的为辅基的黄素蛋白）和一系列铁硫蛋白组成。黄素蛋白）和一系列铁硫蛋白组成。它从它从NADH得到两个电子，经铁硫蛋得到两个电子，经铁硫蛋白传递给辅酶白传递给辅酶Q。1.复合体复合体24 +e 传递电子机理传递电子机理：Fe3+ F

14、e2+ -e铁硫蛋白含有非血红素铁硫蛋白含有非血红素Fe和和对酸不稳定的对酸不稳定的S原子原子。Fe和和S常以等摩尔量存在（常以等摩尔量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，构成，构成Fe-S中心，中心，Fe与蛋白质分子中的与蛋白质分子中的4个个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。残基的巯基与蛋白质相连结。1Fe0S2-4Cys4Fe4S2-4Cys2Fe2S2-4CysS Fe25由由琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶（一种以（一种以FAD为辅基为辅基的黄素蛋白）和铁硫蛋白组成，将从琥珀的黄素蛋白）和铁硫蛋白组成，将从琥珀酸得到的电子传递给辅酶酸得到的电子传递给辅酶Q。2.复合体复合体26CoQ是带有聚异戊

15、二烯侧链的苯醌，是带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动，是呼吸链中唯一的非蛋白氧化还由泳动，是呼吸链中唯一的非蛋白氧化还原载体。原载体。它在电子传递链中处于中心地位，可它在电子传递链中处于中心地位，可接受各种黄素酶类脱下的氢。接受各种黄素酶类脱下的氢。3.辅酶辅酶Q27CoQ+2H CoQH228细胞色素还原酶复合体，是细胞色素和细胞色素还原酶复合体，是细胞色素和铁硫蛋白的复合体，把来自辅酶铁硫蛋白的复合体，把来自辅酶Q的电子，的电子，依次传递给结合在线粒体内膜外表面的细胞依次传递给结合在线粒体内膜外表面的细胞色素色素c。4.

16、复合体复合体29特点：特点：以血红素为辅基，血红素的主要成份为以血红素为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。铁卟啉。 类别类别: 根据吸收光谱分成根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链三类，呼吸链中含中含5种（种（b、c、c1、a和和a3)，cyt b和和cytc1、cytc在呼吸链中的中为电子传递体，在呼吸链中的中为电子传递体，a和和a3以以复合物存在，称复合物存在，称细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶，其分子中，其分子中除含除含Fe外还含有外还含有Cu ，可将电子传递给氧。，可将电子传递给氧。5.细胞色素类细胞色素类传递电子机理传递电子机理： +e +e Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+ -e

17、-e 30细胞色素氧化酶复合体。细胞色素氧化酶复合体。将电子传递给氧。将电子传递给氧。6.复合体复合体IV31H2O1/2O2O2-MH2FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+ 细胞色素细胞色素b- c- c1 -aa32H+MFeS三、机体内两条主要的呼吸链三、机体内两条主要的呼吸链NADHFMNFeSCoQCytbFeSCytc1CytcCytaa3O232FADH2呼吸链呼吸链FADFADH2琥珀酸琥珀酸2Fe2+2Fe3+ 细胞色素细胞色素b- c1 - c-aa3CoQH2CoQ1/2O2O2-2H+H2O延胡索酸延胡索酸FeSFADH2 FeSC

18、oQCytbFeSCytc1CytcCytaa3O233四、电子传递抑制剂四、电子传递抑制剂34第六节第六节 氧化磷酸化氧化磷酸化 NADH+H+3ADP+3Pi+1/2O2 NAD+4H2O+3ATP一、定义一、定义与生物氧化相偶联的磷酸化作用称为与生物氧化相偶联的磷酸化作用称为氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用。其作用是将生物氧化过程中释放出的其作用是将生物氧化过程中释放出的自由能转移而使自由能转移而使ADP形成高能的形成高能的ATP。氧化磷酸化作用是需氧细胞生命活动氧化磷酸化作用是需氧细胞生命活动的基础，是主要的能量来源。的基础，是主要的能量来源。35氧化磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化底物水平

19、磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化是指是指ATP的形成直接的形成直接与一个代谢中间物（例如磷酸烯醇式丙酮与一个代谢中间物（例如磷酸烯醇式丙酮酸）上的磷酸集团转移相偶联的作用。酸）上的磷酸集团转移相偶联的作用。36呼吸过程中无机磷酸（呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分）消耗量和分子氧（子氧（O2）消耗量的比值称为）消耗量的比值称为磷氧比磷氧比。二、二、P/O比比NADH的的P/O比为比为2.5，ATP是在是在3个不个不连续的部位生成的连续的部位生成的;FADH2的的P/O比为比为1.5，ATP是在是在2个不个不连续的部位生成的连续的部位生成的37电子传递与电子传递与ATP形成在正常细胞内总是形

20、成在正常细胞内总是相偶联的，二者缺一不可。相偶联的，二者缺一不可。ATP的生成必须以电子传递为前提，而的生成必须以电子传递为前提，而呼吸链只有生成呼吸链只有生成ATP才能推动电子的传递。才能推动电子的传递。三、偶联的调控三、偶联的调控（一）呼吸控制（一）呼吸控制38根据化学因素对氧化磷酸化的影响根据化学因素对氧化磷酸化的影响方式，可分为三类：方式，可分为三类：n解偶联剂解偶联剂n氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂n离子载体抑制剂离子载体抑制剂（二）解偶联和抑制（二）解偶联和抑制39使电子传递和使电子传递和ATP形成分离，只抑制后形成分离，只抑制后者，不抑制前者者，不抑制前者。电子传递失去控制，产

21、生。电子传递失去控制，产生的自由能变成热能，能量得不到储存。解偶的自由能变成热能，能量得不到储存。解偶联剂对底物水平磷酸化无影响。联剂对底物水平磷酸化无影响。如如2，4-二硝基苯酚（二硝基苯酚（DNP）能拆散氧）能拆散氧化磷酸化的偶联，成为解偶联剂。化磷酸化的偶联，成为解偶联剂。1. 解偶联剂解偶联剂40感冒或患有某些传染病时，体温升感冒或患有某些传染病时，体温升高，可能是由于细菌或病毒产生一种解高，可能是由于细菌或病毒产生一种解偶联剂，使呼吸作用释放的能量较多地偶联剂，使呼吸作用释放的能量较多地转变成热能，而使体温升高。转变成热能，而使体温升高。抗生素如抗生素如短杆菌肽短杆菌肽和和寡霉素寡霉

22、素也是解也是解偶联剂。偶联剂。41作用特点是直接干扰了由电子传作用特点是直接干扰了由电子传递的高能状态形成递的高能状态形成ATP的过程，结果的过程，结果使电子传递也不能进行。使电子传递也不能进行。如如抗霉素抗霉素A是抑制细胞色素是抑制细胞色素b和和c1之间的电子传递。之间的电子传递。2. 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂42如缬氨霉素（可运送如缬氨霉素（可运送K+）、短杆菌肽）、短杆菌肽（可运送（可运送K+、Na+）等。这些抗生素可与）等。这些抗生素可与K+、Na+形成脂溶性复合物，将形成脂溶性复合物，将K+从线粒从线粒体内转移到胞浆体内转移到胞浆，这种，这种离子的转移消耗生离子的转移消耗生物

23、氧化所释放的能量物氧化所释放的能量，使之不能用于，使之不能用于ATP的生成。的生成。3. 离子载体抑制剂离子载体抑制剂43目前有三种假说：目前有三种假说：化学偶联假说化学偶联假说、结构偶联假说结构偶联假说和和化学渗透假说化学渗透假说，都不，都不够理想。够理想。 四、偶联机制（自学）四、偶联机制（自学）44认为电子传递和认为电子传递和ATP生成的偶联是生成的偶联是通过一系列连续的化学反应，形成一个通过一系列连续的化学反应，形成一个高能共价中间物。这个中间物在电子传高能共价中间物。这个中间物在电子传递中形成，又裂解将其能量供给递中形成，又裂解将其能量供给ATP的的合成。合成。无证据支持。无证据支持。 1.化学偶联假说化学偶联假说45电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生构象变化而形成一种高能白质组分发生构象变化而形成一种高能形式，然后将能量传递给形式，然后将能量传递给F0F1ATP酶分酶分子，酶复原时形成子，酶复原时形成ATP。2.构象偶联假说构象偶联假说46电子传递使质子从线粒体内膜基质泵电子传递使质子从线粒体内膜基质泵到膜外液体中，形成一个跨膜到膜外液体中，形成一个跨膜H