生物化学代谢总论能量代谢与生物氧化

1、第八章 代谢总论与生物氧化教学目的和要求： . 生物氧化的特点 . 掌握呼吸链的类型和组成； .弄清呼吸链中电子的传递途径； .理解磷酸偶联作用与ATP的生成。第一节 代谢总论一、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。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：磷氧键型C

2、OC HOC H2O HOPOO-O-POO-O-a) 酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸C H3COOPOO-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RCOOPOOO-A酰基腺苷酸RC HCOOPOOO-AN+H3氨酰基腺苷酸b)b)焦磷酸化合物O-POO-NNNNN H2OHHO HHO HHO C H2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）O-POO-OPOO-O-焦磷酸7.3千卡/摩尔c)c)烯醇式磷酸化合物OPOOC O O HCOC H2磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔氮磷键型OPOON HCN HNC H3C H2C O O HO

3、POON HCN HNC H3C H2C H2C H2C HC O O HN H2磷酸肌酸磷酸精氨酸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。硫酯键型OSOO-O C H2OHHO HHO HHNNN H2NNOPOO-3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸RCOSC oA酰基辅酶A甲硫键型C O O-C HN H3+C H2C H2S+H3CAS-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） 光能（生物发光）第二节 生物氧化一、生物氧化概念 有

4、机物在生物体内的氧化包括物质分解和产能呼吸作用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。二、线粒体的膜相结构三、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程，反应条件温和（水溶液，中性pHpH和常温）。 2.2.氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的 发生。 3.3.水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱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NADHNADH等传递到

5、氧并生成水。 5. 5.生物氧化是一个分步进行的过程。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。 6.6.生物氧化释放的能量，通过与ATPATP合成相偶联，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：u 加氧氧化u 电子转移 四、生物氧化的本质O2u脱氢氧化乳酸脱氢酶CH3CHCOOHOHNAD+ 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

6、进行脱羧反应所致。六.生物氧化中H2O的生成呼吸传递链 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 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。线粒体呼吸链2.呼吸链的类型 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原酶有烟酰胺脱氢酶类、黄素脱氢酶类、铁硫蛋白类、细胞色素类、辅酶Q Q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

7、间传递体，不能从底物上接受H Cyto 类:Cytob 、CytoC1、 CytoC 、Cytoaa3 （1）组成: （2）排列SH2SN A D+N A D H+ HFM N H2FeSFM NFeSC o QC o Q H2 Fe-SFe-S2Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+O212O2-2H2H2H2H+e-22e-H2OC oQC oQ H2Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+bc1aa3cH2OO2-1O22e-2e-2e-2e-2e-2e-22H+C H2C

8、 H2C O O HC O O HFA DFe *SC yt b2He-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） NADH NADH：还原型辅u它是由NADNAD+ +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供体之一。u 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。它主要以 (2Fe-2S) (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)(2Fe-2S)含有两个

9、活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过FeFe3+3+ Fe Fe2+2+ 变化起传递电子的作用半胱半胱S S SFe FeS S S半胱半胱简写为Fe-S NADH NADH Q Q还原酶（复合物I I）u 特点： 最少含有1616个多肽亚基。其活性部分含有辅基FMNFMN和铁硫蛋白；u作用： 是催化NADHNADH的氧化脱氢以及Q Q的还原。既是一种脱氢酶，又是还原酶。FMNFMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNHFMNH2 2。还原型FMNHFMNH2 2可以进一步将电子转移给Q Q。 NADHNADH Q Q还原酶 NADH + Q + HNADH + Q + H

10、+ + = NAD = NAD+ + + QH + QH2 2u（简写为Q Q）或辅酶-Q-Q（CoQCoQ）：它是电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。OOC H3OC H3OC H3(C H2C HCC H2)nHC H3n=6-10u特点： 是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，由9 9个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素b b 和c c1 1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S2Fe-2S）。u作用： 是催化还原型QHQH2 2的氧化和细胞色素c c（cyt. ccyt. c）的还原。 QHQH2 2-cyt. c -cyt. c 还原酶 QHQH2 2 + 2 cyt.

11、 c (Fe + 2 cyt. c (Fe3+3+) = Q + 2 cyt. c (Fe) = Q + 2 cyt. c (Fe2+2+) + 2H) + 2H+ +复合物III）u 特点： 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u类型： 线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a, b, c a, b, c 和c c1 1等，组成它们的辅基分别为血红素A A、B B和C C。细胞色素a, b, ca, b, c可以通过它们的紫外- -可见吸收光谱来鉴别。u 作用： 通过FeFe3+3+ Fe Fe2+2+ 的互变传递电子。*细胞色素（ cyto ） 是一个

12、独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。通过 FeFe3+3+ Fe Fe2+2+ 的互变起电子传递中间体作用。 位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由1212个多肽亚基组成。活性部分主要包括cytoacytoa和a a3 3。复合物IVucytoacytoa和a a3 3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cytoa acytoa a3 3可以直接以O O2 2为电子受体。u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cyt.ccyt.c所携带的电子传递给O O2 2。u存在部位： 线粒体内膜上的蛋白复合物, ,

13、 它比NADH-QNADH-Q还原酶的结构简单，由4 4个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FADFAD和铁硫蛋白。u作用： 催化琥珀酸的脱氢氧化和Q Q的还原。琥珀酸-Q还原酶(复合物II)3.作用 (1)(1)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； （3 3）使氧负离子(O(O2-2-) )与质子对(2H(2H+ +) )结合，生成水。 （4 4）电子对在传递过程中逐步氧化放能，驱动ADPADP和无机磷发生磷酸化反应，生成ATPATP。七、能量的生成（即生成ATP）u 底物上脱下的氢，经呼吸链的传递，其能量逐渐释放出来

14、，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，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADPADP生成ATPATP。u电子传递体系磷酸化是指当电子从NADHNAD

15、H或FADHFADH2 2经过电子传递体系( (呼吸链) )传递给氧形成水时，同时伴有ADPADP磷酸化为ATPATP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。 最常用的方法是测定线粒体或其制剂存在时的P/OP/O比值和电化学实验。 P/OP/O比值：指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间接测出ATPATP生成量。 实验指出NADHNADH呼吸链的P/OP/O值是3 3，即每消耗一摩尔氧原子就可形成3 3摩尔ATPATP，FADHFADH2 2呼吸链的P/OP/O值是2 2，即消耗一摩尔氧原子可形成2 2摩尔ATPATP。(1)ATP(1)ATP产

16、生的数量产生的数量 ATPATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，NADHNADH呼吸链生成ATPATP的三个部位是：E0E0值在此三个部位有大的“跳动”，都在0.20.2伏以上。(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，目前主要有三个学说： 化学耦联学说、结构耦联学说与化学渗透学说， 化学渗透学说的主要论点 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，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上ATPATP合成酶所利用，使ADPADP与PiPi合成ATPATP。(3)(3)氧化磷酸化生成氧化磷酸

17、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 catalytic subunit;The F0 particle attaches to F1 and is embedded in the inner membrane.F1: 5 subunits in the

18、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（4）.线粒体外的氧化磷酸化（胞液中NADH的氧化磷酸化） 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. - 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.

19、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本章小结1.生物氧化的概念与作用2.NADH，FADH2的彻底氧化3.呼吸链（电子传递链）4.磷酸化组成与存在位点，作用机制，抑制剂底物水平磷酸化，氧化磷酸化，ATP产生底数量与位置，解偶联剂 在无

20、氧条件下，兼性生物或厌气生物能利用细胞中的氧化型物质作为电子受体，将燃料分子氧化分解，这称为无氧氧化。这些生物有的以有机物分子作为最终的氢受体( (如厌氧发酵) )，有的则以无机物分子作为氢受体( (如微生物中的化能自养菌对NONO3-3-、SO4SO42-2-的利用) )。2. 2. 无氧氧化 3. 3. 有氧氧化 生物氧化在有氧和无氧条件下都能进行。在有氧条件下，好气生物或兼性生物吸收空气中的氧作为电子受体，可将燃料分子完全氧化分解，这称为有氧氧化。因为有氧氧化燃烧完全，产能多，所以，只要有氧气存在，细胞都优先进行有氧氧化。1. 在生物体内NADH和FADH2的彻底氧化可以产生大量的能量，

21、这一过程是通过呼吸链来完成的。(1)概念及位置 呼吸链又叫电子传递体系或电子传递链，它是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，最后传递给被激活的氧原子，而生成水的全部体系。在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上，原核生物中，它位于细胞膜上。H3N+COOPOO-O-氨甲酰磷酸RCOOPOOO-A酰基腺苷酸RC HCOOPOOO-AN+H3氨酰基腺苷酸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） 光能（生物发光）第二节 生物氧化一、生物氧化概念 有机物在生物体内的氧化包括物质分解和产能呼吸作用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。2.呼吸链的类型SH2SN A D+N A D