生物化学课件：7新陈代谢总论与生物氧化

一新陈代谢总论二生物氧化第七章新陈代谢总论与生物氧化一新陈代谢总论(一)新陈代谢的概念(二)新陈代谢的研究方法(三)生物体内能量代谢的基本规律(四)高能化合物与ATP的作用新陈代谢图示新陈代谢

合成代谢（同化作用）

分解代谢（异化作用）生物小分子合成为生物大分子需要能量释放能量生物大分子分解为生物小分子能量代谢物质代谢1.1新陈代谢的概念1.由酶催化，反应条件温和。2.诸多反应有严格的顺序，彼此协调。3.对周围环境高度适应。新陈代谢的共同特点1.2新陈代谢的研究方法活体内(invivo)与活体外实验(invitro)同位素示踪3.代谢途径阻断★自由能：生物体（或恒温恒压）用以作功的能量。在没有作功条件时，自由能转变为热能丧失。★熵：混乱度或无序性，是一种无用的能。ΔG=ΔH-TΔS对于A+B←→C+DΔG°=-2.303RTlgKK=[C][D]/[A][B]1.3生物体内能量代谢的基本规律高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型硫酯键化合物甲硫键化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物1.4高能化合物与ATP的作用1.ATP是生物能存在的主要形式ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。2.生物化学反应的自由能变化生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从热力学的规律。

磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起者重要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放出自由能。一般将水解时能够释放21kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能（

G<-21kJ/mol）的化合物称为高能化合物。ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。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。高能化合物（1）磷氧键型（—O~P)PCOCHOCH2OHOPOO-O-OO-O-①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②酰基磷酸化合物H3N+COOPOO-O-氨甲酰磷酸RCOOPOOO-A酰基腺苷酸RCHCOOPOOO-AN+3H氨酰基腺苷酸③焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔④烯醇式磷酸化合物OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔（2）氮磷键型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。（3）硫酯键型3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A（4）甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸

二、生物氧化★糖，脂，蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解，生成CO2，H2O并释放出能量，这个过程称生物氧化。

★生物氧化是需氧细胞呼吸代谢过程中的一系列氧化还原作用，又称细胞氧化或细胞呼吸。

★生物氧化在活细胞中进行，pH中性，反应条件温和，一系列酶和电子传递体参与氧化过程，逐步氧化，逐步释放能量，转化成ATP。

★真核细胞，生物氧化多在线粒体内进行，在不含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行。（一）生物氧化的特点

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，pH

7和常温）。

2，氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。

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，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NADH等传递到氧并生成水。

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，生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。第一阶段：多糖，脂，蛋白质等分解为构造单位——单糖、甘油与脂肪酸、氨基酸，该阶段几乎不释放化学能。

第二阶段：构造单位经糖酵解、脂肪酸β氧化、氨基酸氧化等各自的降解途径分解为丙酮酸、乙酰CoA等少数几种共同的中间代谢物，这些共同的中间代谢物在不同种类物质的代谢间起着枢纽作用。该阶段释放少量的能量。

第三阶段：丙酮酸、乙酰CoA等经过三羧酸循环彻底氧化为CO2、H2O释放大量的能量。生物氧化的三阶段★生物氧化的终产物是CO2和H2O，CO2的形成是通过三羧酸循环过程，H2O则是在电子传递过程的最后阶段生成。★在第二、第三阶段中，氧化脱下的电子（H—）经过一个氧化的电子传递过程（氧化电子传递链）最终传给O2，并生成ATP，以这种方式生成ATP的作用称为氧化磷酸化作用，它是一种很重要的将生物氧化和能量生成相偶连的机制。电子转移形式2．氢原子的转移因为氢原子可分解为H+与e，因此其本质也是电子转移。AH2+B←→A+BH21．直接进行电子转移Fe2++Cu2+←→Fe3++Cu+3．有机还原剂直接加氧因加氧时，常伴有氧接受质子和电子而被还原成水，其本质也是电子转移。RH+O2+2H++2e→ROH+H2O生物氧化图示直接脱羧CH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脱羧酶（α-脱羧）氧化脱羧：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）。HOOCCH2CHOHCOOHNADP+NADPH+H+（二）生物氧化中CO2的生成CH3CCOOH+CO2O丙酮酸羧化酶

α

βHOOCC

H2CCOOHO（Β-脱羧）CH3CCOOH+CO2O生成二氧化碳的氧化反应（1）直接脱羧作用氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。（2）氧化脱羧作用氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧生成丙酮酸。★代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。★生物体主要以脱氢酶、传递体及氧化酶组成生物氧化体系，以促进水的生成。MH2M递氢体递氢体H2

NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ还原型氧化型Cyt递电子体

b,c1,c,aa32H+2e½O2O2-H2O脱氢酶氧化酶（三）生物氧化中H2O的生成1．呼吸链细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所，主要功能是将代谢物脱下的氢通过多种酶及辅酶所组成的传递体系的传递，最终与氧结合生成水。由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成的这种代谢途径一般称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，称为呼吸链。★根据接受氢的初受体不同，典型的呼吸链有两种：NADH呼吸链和FADH2呼吸链。线粒体呼吸链2．呼吸链的组成细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所，主要功能是将代谢物脱下的氢通过多种酶及辅酶所组成的传递体系的传递，最终与氧结合生成水。由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成的这种代谢途径一般称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，称为呼吸链。（1）烟酰胺脱氢酶类

★脱氢酶分别与NAD+或NADP+结合，催化底物脱氢，这类酶称为与NAD（P）相关的脱氢酶★NADH是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。★多数脱氢酶以NAD+为辅酶，少数NADP+

为辅酶（如G-6-P脱氢酶）少数酶能以NAD+或NADP+两种辅酶（Glu脱氢酶）。

NADH生成图示（2）黄素蛋白酶类★以黄素单核苷酸FMN或黄素嘌呤二核苷酸FAD作为辅基。黄素核苷酸与酶蛋白结合是较稳定的。

★含有核黄素辅基的酶还包括琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶等。

★有些黄素蛋白除含有黄素核苷酸外，还含有Fe、Mo等金属离子，是酶表现催化活性所必要的。

FADH2（FMNH2）生成图（3）铁硫蛋白铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADH

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)

或(4Fe-4S)

形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+

Fe2+变化起传递电子的作用结构示意图（4）辅酶Q（泛醌）★（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电子传递链上唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。广泛存在与动物和细菌的线粒体中，其结构为：★辅酶Q在线粒体中有两种存在形式：膜结合型、游离型。★辅酶Q不仅可以接受FMN上的（NADH脱氢酶），还可以接受线粒体FADH2上的氢（如琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶以及其它黄素酶类）。★辅酶Q的活性部分是它的醌环结构，Q很容易接受电子和质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出电子和质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中主要功能是作为线粒体呼吸链氧化-还原酶的辅酶，在酶与底物分子之间传递电子，是电子和质子的传递体。辅酶-Q的功能（5）细胞色素类★细胞色素类（简写为cyt.）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉的结构中心，构成血红素。★细胞色素类是呼吸链中将电子从辅酶Q传递到O2的专一酶类。★线粒体的电子传递链至少含有5种不同的细胞色素：b、c、c1、a、a3，组成它们的辅基分别为血红素A

、B和C。细胞色素a，b，c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。●细胞色素b有两种存在形式：b562、b566

细胞色素c（cyt.c）●细胞色素c是唯一可溶性的细胞色素，同源性很强，可作为生物系统发生关系的一个指标。

●它是电子传递链中一个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。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，cyt.c通过Fe3+

Fe2+

的互变起电子传递中间体作用。由于QH2是一个双电子载体，而参与上述反应过程的其它组分(如cyt.c)都是单电子传递体，所以，实际反应情况比较复杂。QH2所携带的一个高能电子通过铁硫蛋白，传递给cyt.c，本身形成半醌自由基（QH

）；另一个电子则传递给cyt.b。还原型cyt.b可以将QH

还原成QH2。其结果是通过一个循环，QH2将其中的一个电子传递给cyt.c。●细胞色素a、a3是以复合物的形式存在，又称细胞色素c氧化酶，将电子从细胞色素c传到分子O2。细胞色素c氧化酶

●简写为cyt.c氧化酶，即复合物IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。活性部分主要包括cyt.a和a3。cyt.a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt.a、a3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+

Cu2+

的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。色素的生物合成途径黑色素在一种专门产生色素的黑素细胞中形成。

3.

呼吸链中传递体的顺序MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FAD-0.18鱼藤酮安密妥抑制剂：抗霉素A氰化物，CO，叠氮化合物氧化电子传递过程

★生物氧化过程中形成的还原型辅酶（NADH和FADH2），通过电子传递途径，使其重新氧化，此过程称为电子传递过程。

★在电子传递过程中，还原型辅酶中的氢以负质子（H—

）形式脱下，其电子经一系列的电子传递体（电子传递链）转移，最后转移到分子氧上，质子和离子型氧结合生成H2O。

示意图

氧化电子传递链★由NADH到O2的氧化电子传递链主要包括FMN、辅酶Q（CoQ）、细胞色素b、c1、c、a、a3及一些铁硫蛋白。

★氧化电子传递链位于原核生物的质膜上，真核生物中位于线粒体的内膜上。

★电子载体的标准势能△Go/是逐步下降的，电子沿着电势升高的方向流动。其中有三个部位的势能落差△G较大，足以形成ATP（ADP磷酸化需要的自由能=7.3Kcal/mol.）。★这三个部位正好是氧化磷酸化部位。

细胞内供能物质的彻底氧化产物是CO2、H2O其中CO2主要是在三梭酸循环中产生，水是在电子传递过程的最后阶段产生。示意图

电子传递链的酶和电子载体★呼吸链中的电子载体都是和蛋白质结合存在（包括NAD+、FMN、铁硫中心、细胞色素）。这些蛋白质大都是水不溶性的，嵌在线粒体的内膜上。

★NAD+是许多脱氢酶的辅酶，FMN是NADH脱氢酶的辅酶。

电子传递抑制剂

★阻断呼吸链中某一部位的电子传递。

1、

鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素

都可阻断电子由NADH向CoQ传递。

2、

抗霉素A

抑制电子从细胞色素b向细胞色素c1传递

3、

氰化物、硫化氢、叠氮化物、CO等。

阻断电子从细胞色素aa3向O2传递4.关于生物氧化的几个概念1、

方程式：

NADP+H++3ADP+3Pi+1/2O2→NAD++3H2O+3ATP

三个ATP的形成获取了呼吸链中电子由NADH传递至氧所产生的全部自由能的42%（21.9/52.7×100%）。2、

几个概念：★（1）P/O比

一对电子通过呼吸链传至氧所产生的ATP的分子数。NADH→3ATP，FADH2→2ATP★（2）ATP生成部位：

三个部位由三个酶复合体催化：

部位Ⅰ：NADP与CoQ之间，NADH脱氢酶。

部位Ⅱ：CoQ与CytC之间，CytC还原酶。

部位Ⅲ：Cyta与O2之间，CytC氧化酶。

（3）呼吸控制

ADP作为关键物质，对氧化磷酸化的调节作用称为呼吸控制。

（4）解偶联剂，（2.4—硝基苯酚）

电子传递过程和ATP形成过程相分离，电子传递仍可进行，但不能形成ATP。

（5）氧化磷酸化抑制剂：

抑制O2的利用和ATP的形成。

（四）氧化磷酸化作用

——伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化。ADP+Pi+能量→ATPAMP+PPi+能量→ATP★氧化磷酸化作用：电子沿着氧化电子传递链传递的过程中所伴随的将ADP磷酸化为ATP的作用，或者说是ATP的生成与氧化电子传递链相偶联的磷酸化作用。1.ATP的生成根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的

G

’<-30.5kJ/mol。

FMNH2

Qcyt.b

cyt.c1

cyt.aa3

O2

G

’-55.6kJ/mol

-34.7

kJ/mol

-102.1kJ/moL

这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联，产生3个ATP。这些反应称为呼吸链的偶联部位。从琥珀酸

O2只产生2个ATP。★底物水平磷酸化作用：是指ATP的形成直接与一个代谢中间物（如PEP）上的磷酸基团转移相偶联的作用。糖酵解中1,3-二磷酸甘油酸，磷酸烯醇丙酮酸。

X~+ADP→ATP+XP（1）底物水平磷酸化（2）电子传递体系磷酸化电子从NADH或FADH2经过电子传递体系传递给氧形成水，同时伴有ADP磷酸化为ATP。NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→a→a3→O2P3ADP3ATPP/O比值：在电子传递体系磷酸化中，在一定时间内所消耗的氧（以克原子计）与所产生的ATP数目的比值。NADH的P/O=3FADH2的P/O=2PP2.胞液中NADH的氧化磷酸化NADH

+H+NAD+二