简明生物化学原理 课件 第8章 代谢总论与生物氧化

MetabolismOverviewandBiologicalOxidation简明生物化学原理第8章代谢总论与生物氧化一、新陈代谢总论二、生物能学三、生物氧化四、氧化磷酸化本章内容一、什么是生物代谢？

新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换的过程。

同化作用（assimilation）；生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身组织成分。

异化作用（dissimilation）：将体内组成物质经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外。

特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行。通过上述过程不断地进行自我更新。第一节新陈代谢总论新陈代谢

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能量代谢物质代谢二、物质代谢和能量代谢分解代谢和合成代谢分解代谢的3个阶段（1）大分子→构件分子（2）构件分子→丙酮酸、乙酰CoA（3）丙酮酸、乙酰CoA——→CO2+H2O分解代谢的终产物：CO2、H2O、NH3能源形式：ATP、NADH

三羧酸循环合成代谢（1）简单的前体→生物大分子例如，CO2+H2O+NH3→氨基酸→蛋白质（2）合成代谢是分解代谢的逆过程？？二者涉及众多反应都有联系，但不是简单的逆过程！三、代谢途径的区室化生物机体的分解代谢与合成代谢是同时发生的，但在细胞的不同部位进行。这称为区室化。代谢途径的分室化代谢途径发生区域三羧酸循环、氧化磷酸化，脂肪酸氧化，氨基酸分解线粒体糖酵解、脂肪酸合成、磷酸戊糖途径、细胞液DNA复制、转录、转录后加工细胞核、线粒体、叶绿体膜蛋白和分泌蛋白的合成粗面内质网脂和胆固醇的合成光面内质网翻译后加工（糖基化）高尔基体尿素循环肝细胞线粒体和细胞液避免两个方向相反的反应抵消区室化将整个代谢途径完全分隔在特定的亚细胞区域，将降解和合成途径分开，可以避免两个方向相反的反应彼此会部分或完全抵消。通过区室的通透性可以调节酶促反应通过区室膜有选择的通透（或转运）可以调控底物进入区室和从区室输出产物，因为区室内底物和产物的相对浓度转而影响酶促反应。区室化与激素的作用紧密相连在哺乳动物中，不同的区室之间都是通过复杂的方式联系在一起的。生物代谢区室化的优越性四、代谢调控整体水平调节多细胞生物的调节。主要有激素调节、神经调节。细胞水平调节细胞的分隔作用分子水平调节反应物和产物的调节反应物/产物浓度酶的调节酶浓度（慢）酶合成的速率酶降解的速率酶活性调节（快）变构调节共价修饰调节基因表达调控五、物质代谢的特点1.整体性：体内各种物质代谢彼此不孤立，同时进行，彼此互相联系，相互转变，相互依存，构成统一的整体。2.代谢调节：正常情况下各种物质代谢存在精细的调节机制，不断调节各种物质代谢的强度、方向和速度，以适应内外环境的变化。3.各组织、器官物质代谢各具特色：各组织、器官的结构不同，所含有的酶系的种类和含量各不相同，代谢途径及功能各异，各具特色。4.各种代谢物均具有各自共同的代谢池。5.ATP是机体能量利用的共同形式。6.NADPH是合成代谢所需的还原当量。六、代谢的研究方法1.活体内与活体外实验活体内（invivo）：生物整体，整体器官，微生物细胞群活体外(invitro)：生物体分离出来的组织切片、组织匀浆或体外培养的细胞、细胞器及细胞抽提物等2.苯环化合物示踪法3.同位素示踪法稳定同位素：2H、15N、13C、18O；放射性同位素：3H、32P、14C4.代谢途径阻断法(利用酶的抑制剂研究代谢途径)5.核磁共振波谱法6.色谱—质谱联用法7.利用遗传缺陷症研究代谢途径一、有关热力学和能的基本概念（一）体系的概念、性质和状态

开放体系、封闭体系、隔离体系

一个体系的性质：压力、体积、温度、比热、表面张力等（二）能的两种形式——热（能量转移）与功（能量转化）（三）内能（U）和焓（H）的概念：H=U+PV第二节生物能学生物体系是一个开放体系：与周围环境既有物质交换，又有能量转换。生物化学过程发生在常温常压下：ΔP≈0生物化学反应发生在固相或液相：ΔV≈0∴ΔH≈ΔU（焓变近似于内能变化）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。ΔG=ΔH-TΔS△G－－－在恒温、恒压下，体系发生变化时的自由能变化△H－－体系总热能的变化；T－－体系的绝对温度；△S-----体系的熵变。二、化学反应中自由能的变化和意义A+B==C+D+⊿H（一）化学反应的自由能变化公式标准自由能变化与平衡常数反应：aA+bB←→cC+dD自由能变化：△G＝G产物－G底物

标准自由能变化(△Gθ)：反应物与产物的浓度都是1M;反应条件：25℃(298K),1atm(101325Pa);稀水溶液系统，如水作为反应物、产物，水的反应浓度以1.0M计算;在生化反应中，[H+]为10-7（pH=7.0)自由能的变化能量单位以焦耳（J/mol)或千焦耳（kJ/mol)表示自由能的变化表示为：△G

Θ’生化反应中标准条件的修正能量学在生物化学应用中的一些规定在一生化反应中：反应达平衡时：△G’＝0∴△G：判断一个过程能否自发进行的根据△G<0：反应能自发进行，有用功△G>0：不能自发进行，供能△G=0：平衡状态总热量的变化（△H），不能作为反应能否自发进行的判据自由能的变化才是唯一准确的指标自由能变化的可加性及其在生物化学反应中的意义在偶联的几个反应中，自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和。意义：一个热力学上不能进行的反应，可以由与它相偶联的，热力学上容易进行的反应驱动。一个放能反应可以与一个吸能反应相偶联ΔGΘ’总＝ΔG1

Θ’＋ΔG2Θ’＋………K’eq总＝Keq1•Keq2•……三、高能磷酸化合物（一）高能化合物的概念

一般将水解时释放20.92kJ/mol（5千卡/mol）以上自由能的化合物称为高能化合物，是含有通过高能键连接的转移势高的基团的化合物。如ATP、ADP、GTP等。

注意：跟键能的区别生物化学中：高能键是指该键在水解或断裂时可以放出大量的自由能，以~表示。在生物体内，最重要和最主要的高能化合物是高能磷酸化合物。按键型分四类磷氧键型氮磷键型硫酯键型甲硫键型酰基磷酸化合物焦磷酸化合物烯醇式磷酸化合物根据生物体内高能化合物键的特性可以分成以下几种类型：（1）酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸ΔGΘ’=-10.1

kCal/mol=-42.2kJ/molΔG

Θ’=-11.8kCal/mol

=-49.3kJ/mol1.磷氧键型（—O~P)氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸（1）酰基磷酸化合物（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸ΔGΘ’=-7.3kCal/mol=-30.5kJ/mol酸酐键磷酯键（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸ΔGΘ’=-14.8kCal/mol=-61.9kJ/mol磷酸肌酸磷酸精氨酸这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。ΔG

Θ’=-10.3kCal/mol=-43.1kJ/molΔGΘ’=-7.7kCal/mol=-32.2kJ/mol2.氮磷键型H3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A3.硫酯键型S-腺苷甲硫氨酸4.甲硫键型甲基的活性供体

某些磷酸化合物水解的标准自由能变化化合物ΔG0/

千卡/摩尔千焦耳/摩尔

磷酸烯醇式丙酮酸－14.80－61.93-磷酸甘油酸磷酸－11.80－49.3

磷酸肌酸－10.30－43.1

乙酰磷酸－10.10－42.3

磷酸精氨酸－7.70－32.2ATP(→ADP+Pi)－7.30－30.5ADP(→AMP+Pi)－7.85－32.8AMP(→腺苷+Pi)－3.40－14.2

葡萄糖-1-磷酸－5.00－20.9

果糖-6-磷酸－3.80－15.9

葡萄糖-6-磷酸－3.30－13.8

甘油-1-磷酸－2.20－9.2（二）ATP是生物能量的载体ATP-ADP系统是化学能转移的媒介

ADP是接受高能磷酸键的受体

ATP是转移高能磷酸键的供体细胞内几乎所有的磷酸基转移反应的酶对ATP-ADP系统是专一性的ATP提供能量时主要是通过基团转移的形式，或转移磷酸基团，或转移AMP

ATP是细胞内的“能量通货”

ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体

～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基团转移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油贮能物质脊椎动物：磷酸肌酸(phosphocreatine)无脊椎动物：磷酸精氨酸(phosphoarginine)细菌：多聚偏磷酸（三）高能磷酸键的贮存●磷酸精氨酸是无脊椎动物肌肉中的贮能物质；●磷酸肌酸主要是脊椎动物肌肉、脑和神经的贮能物质；●磷酸肌酸（cp）和磷酸精氨酸（ap）通过磷酸基团的转移作为贮能物质统称为磷酸原。能荷：指在总的腺苷酸系统中（即ATP,ADP和AMP浓度之和）所负荷的高能磷酸基数量。能荷＝

胞内能荷值：0<能荷<1，大多数0.80-0.95（四）能荷与磷酸化势能MetabolismOverviewandBiologicalOxidation简明生物化学原理第8章代谢总论与生物氧化本章内容一、新陈代谢总论二、生物能学三、生物氧化四、氧化磷酸化第Ⅰ阶段，有机物分解为它们的组成前体物质。第Ⅱ阶段，小的燃料分子分解为几种常见的中间物，主要是丙酮酸和乙酰-CoA，可放出少量能量。第Ⅲ阶段，有一条途径组成，即Krebs循环，又叫柠檬酸循环或三羧酸(TCA)循环。中间物被完全氧化成CO2，生成的电子传递给NAD+或FAD并释放少量能量，其中的中间物又可作为生物合成的原料。第Ⅳ阶段，包括电子传递和氧化磷酸化，电子传递给O2，H2O生成，释放的大量能量用于ATP的生成。所有有机物都有共同的代谢过程-CH→H(载体）→H2O细胞需要持续不断的能量供应NADH,NADPH和ATPATP–通用的能量货币NADPH–生物还原剂葡萄糖-->NADH-->ATP葡萄糖-->NADPH-->生物合成

代谢中的能量考虑（一）生物氧化的方式及特点一、生物氧化的概念

有机物在生物体内氧化分解成二氧化碳和水并释放和贮存能量的过程如葡萄糖——

6CO2+6H2O+能量（2870.22kJ/mol）

碳成为二氧化碳，氢成为水，能量以热的形式释放或贮存于ATP糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能三、生物氧化生物氧化的特点：1、氧化的本质是电子转移(1)直接进行电子转移Fe2+Cu2++Fe3++Cu+(2)氢原子的转移AH2B+A+BH2(3)有机还原剂直接加氧RHO2+ROH+H2O+2H++2e2、在细胞中进行；3、在一系列酶、辅酶和中间传递体的作用下逐步进行；4、能量的释放也是逐步进行的，且转移到一些高能化合物中去；5、生物氧化的部位：在真核细胞中，生物氧化主要在线粒体内进行，在原核生物中，生物氧化在细胞膜上进行。线粒体的基本结构电子传递链：在线粒体内膜上，由递氢体和递电子体组成的、按一定顺序排列的、与细胞利用氧密切相关的链式反应体系，称为呼吸链。又称电子传递链(electrontransferchain)。呼吸链是代谢物上氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列电子传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的过程。递氢体：呼吸链中参与传递H的辅酶或辅基递电子体：呼吸链中参与传递电子的辅酶或辅基（二）线粒体的电子传递链反应部位：真核生物：存在于线粒体内膜上

原核生物：质膜线粒体的电子传递链递氢体递电子体：

1.呼吸链中传递体的排列顺序实验依据：1）根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序，氧化还原电位逐渐增加，该值越大，说明越易构成氧化剂处于呼吸链的末端，越小，说明越易构成还原剂处于呼吸链的始端。2）利用电子传递抑制剂选择性阻断；3）拆开和重组4）还原状态呼吸链缓慢给氧，根据各组分氧化还原状态确定（1）根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序（2）电子传递链的体外重组实验证明电子传递链有顺序，不能越位进行（3）电子传递抑制剂试验ReducedOxidizedReducedOxidizedReduced（4）还原状态呼吸链缓慢给氧利用呼吸链各组分特有的吸收光谱：离体线粒体，无氧而有过量底物（还原状态），缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序。分类NADH途径

FADH2途径

2.电子传递链分类根据H的最初受体NADH呼吸链：NADHFMNCoQCytbCytc1Cytaa3CytcO2FADH2呼吸链FADH2CoQCytbCytc1Cytaa3CytcO2CoQ是电子传递链的枢纽（四）电子传递链组分和作用电子传递链的组成NADH-Q还原酶（NADH脱氢酶、复合体Ⅰ）（1）复合物I：NADH到泛醌 也称NADH：泛醌氧化还原酶，是一个大的酶复合物，由46条不同的多肽链组成，包括含FMN黄素蛋白（辅基）和多个铁硫中心（辅基）。高分辨率电子显微镜显示复合物I为L形，L的一个臂在膜内，另一臂伸展到基质中。(跨膜蛋白)

复合物I催化两个同时发生的偶联过程：

（1）NADH+H++QNAD++QH2

（2）4个质子由基质转到内膜外

因此，复合物I是由电子转移能所驱动的质子泵，结果内膜基质面变负，内膜外侧变正。1.组成呼吸链的成员电子在复合体I上的传递辅酶Q类又称泛醌（ubiquinone，CoQ)，是脂溶性化合物，电子传递链上唯一的非蛋白质成分，可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇（CoQH2）。所以处在呼吸链的中心地位。带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。人类为Q10，聚异戊二烯侧链使CoQ成为脂溶性化合物，可以在线立体内膜迅速扩散。泛醌将电子传给细胞色素bc1复合体，H+释出。辅酶Q的氧化还原2.复合物Ⅱ：琥珀酸到泛醌

也称琥珀酸脱氢酶，是TCA循环中唯一的一个线粒体内膜(标志酶)结合的酶，膜内侧的嵌入蛋白，含有两类辅基（FAD及Fe-S中心）。电子由琥珀酸流向FAD，然后通过Fe-S中心到泛醌。无质子泵功能。呼吸链上还有其他底物的电子流经Q，但不经过复合物II：如脂酰CoA脱氢酶、3-磷酸甘油脱氢酶,往往将这些由FAD作为辅基的脱氢酶统称为琥珀酸脱氢酶类。复合体Ⅱ（琥珀酸-泛醌还原酶）FAD;Fe-S1;

b560;

Fe-S2;

Fe-S3琥珀酸→→CoQ琥珀酸脱氢酶+3×(Fe-S)+Cytb5603.复合物Ⅲ：泛醌到Cytc又称细胞色素bc1复合物：细胞色素c氧化还原酶。作用：偶联催化电子由氢醌到Cytc的转移和质子由膜内基质向膜外空间的运输。质子泵功能：4个质子由基质转到内膜外。

Q循环（1）Cytb：Cytb是膜的嵌入蛋白，可接受CoQ的电子，且具有质子泵功能（2）Cytc1:膜的嵌入蛋白，与Cytb组成一个复合体，它可接受b的电子，并把它传给CytcCytc：是膜上唯一的外周蛋白，处于膜的外侧，是唯一能溶于水的细胞色素，可接受Cytc1的电子，并传给Cyta·a3。Cytc2e-内膜外内4、复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶功能：

a·a3是两个细胞色素的复合体，是一个跨膜蛋白，含有Cu离子。将电子从细胞色素c传递给氧，同时每传递2个电子，泵出2个H+到线粒体内膜外组成：Cyta、Cyta3、Cu，没有铁硫蛋白2H+内膜外内

电子传递的顺序为：Cytc-CuA-a-a3-CuB-O2，每4e通过复合物时，酶从基质中消耗4个“底物”H+，生成2H2O，每通过1e，利用氧化还原反应的能量泵出1H+到内膜外空间。电子在复合体IV上的传递复合物Ⅳ的电子流向细胞色素CCuA血红素a血红素a3CuB，最后交给分子氧形成水Cyta3和CuB形成的活性部位将电子交给O2。电子在各复合体和复合体之间的传递（五）电子传递链的抑制剂能够阻断呼吸链中某部位电子传递过程的药物或毒物称为电子传递抑制剂。能够抑制第一位点的有异戊巴比妥、杀粉蝶菌素、鱼藤酮、安密妥等；能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇；能够抑制第三位点的有CO、H2S和CN-、N3-。其中CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。几种呼吸链抑制剂的作用位点四、氧化磷酸化底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)电子传递体系磷酸化(electrontransportphosphorylation)底物分子首先因脱氢、脱水等作用形成一种高能中间化合物;高能中间化合物是由于底物氧化时底物内分子重排形成的；高能键通过转磷酰基给ADP，转移时有非常大的平衡常数和一个大的ΔGº’

负值；一分子高能中间化合物只能形成一个ATP；基质水平磷酸化是酵解过程中获取能量的唯一方式。底物水平磷酸化

(SubstrateLevelPhosphorylation)（一）氧化磷酸化与呼吸链电子传递相偶联合成ATP的过程

,又叫偶联磷酸化。

偶联部位:

电位：电位差在0.158伏以上的部位可以偶联产生ATP0.53V0.22V0.32VNADHQbcaO2NADHO2呼吸链能量ADP+PiATP

（二）氧化磷酸化的偶联机理1、化学偶联假说

化学偶联假说认为电子传递中所释放的自由能以一个高能共价中间物形式暂时存在，随后裂解将其能量转给ADP以形成ATP。但不能从呼吸链中找到高能中间物的实例。

2、构象偶联假说构象偶联假说认为电子沿呼吸链传递释放的自由能使线粒体内膜蛋白质发生构象变化而形成一种高能形式暂时存在。这种高能形式将能量转给FoF1-ATP酶分子使之发生构象变化，FoF1-ATP酶复原时将能量转给ADP形成ATP。3、化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)

1961由PeterMitchell（1920-1992）（英国生化学家）提出。

完整的线粒体膜是氧化磷酸化必须的 线粒体内膜对H+等离子具不通透性实验证据电子传递时H+由内向外泵出 在ATP形成时，H+由外向内流动

解偶联剂解除H+不通透性，同时解除ATP合成

线粒体膜翻转后，H+由外向囊泡内流动化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)

该学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。

当质子顺浓度梯度回流时，这种形式的“势能”可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶

利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP。化学渗透学说要点线粒体的内膜是完整的封闭系统。电子传递过程中，释放能量将质子由内膜内侧泵到内膜外侧。内膜两侧形成质子电化学梯度，蕴藏了进行磷酸化的能量。4.质子经F1—Fo复合体回到内膜内侧，推动ADP磷酸化形成ATP。氧化和磷酸化的偶联泵出10个H需要200kJ/mol1997年诺贝尔化学奖ATP合酶

自然界最微小的轮轴系统4.ATP合酶由亲水部分F1和疏水部分Fo组成F1主要由α3β3γδε亚基组成

其功能是催化生成ATP，催化部位在β亚基中，但β亚基必须与α亚基结合才有活性。Fo是质子通道.

此外,在Fo和F1之间的柄部存在，其中一个称之为寡霉素敏感蛋白(OSCP)，使

ATP合酶在寡霉素存在时不能生成ATP。ATP合成的机制

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β亚基有三种不同的构象在L构象（loose），ADP、Pi与酶疏松结合在一起；在T（tight）构象底物与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起;在O（open）构象ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。F1Fo-ATP合酶催化的反应的历程ATP4-F0F1胞液侧基质侧腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白ADP3-H2PO4-ATP4-H+H+

H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-5.ATP转运

线粒体利用质子推动力合成ATP，但ADP和Pi必须运到线粒体内，同时合成好的ATP必须能运出线粒体以便在胞质中提供能量。

腺苷酸转位酶是线粒体内膜上的酶，为逆反转运体，可以把ADP和Pi转运到线粒体内，也能把合成的ATP从线粒体运到胞液。腺苷酸和磷酸转位酶6.氧化磷酸化中的P/O比P/O值:代谢物脱下的一对氢和电子经呼吸链氧化生成水，这一过程中所产生的ATP分子的数目（即消耗1个O原子所产生ATP的数目）称为磷氧比（P/O）。

NADH呼吸链：P/O=2.5FADH呼吸链：P/O=1.5一个ATP需要3+1个H+

形成一个ATP需要的4个H+目前被广泛接受的观点是：ATP、ADP和无机磷酸通过线粒体内膜的转运是由ATP-ADP载体和磷酸转位酶催化的。已知每合成1个ATP需要3个质子通过ATP合酶。与此同时，把一个ATP分子从线粒体基质转运到胞液需要消耗1个质子，所以每形成1个分子的ATP就需要4个质子的流动。因此，如果一对电子通过NADH电子传递链可泵出10个质子，则可形成2.5个分子ATP；如果一对电子通过FADH2电子传递链有6个质子泵出，则可形成1.5个ATP分子。每消耗1原子氧同时消耗几原子磷，即每传递1对电子可偶联产生几分子ATP

底物 NADH 琥珀酸 CoQ 细胞色素cP/O 3 2 2 1ATP2.51.51.51P/O：NADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cyta.a3→O2ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPIIIIIV琥珀酸→FADII呼吸主链产能部位:第一部位NADH------CoQ产生1个ATP，4个H+

第二部位CoQ-------CytC产生1个ATP，4个H+

第三部位CytC1--------O2产生1个ATP，2个H+

7.影响氧化磷酸化的因素（1）呼吸链抑制剂阻断呼吸链中某些部位电子传递。如氰化物（2）解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：2，4-二硝基苯酚，解偶联蛋白（3）氧化磷酸化抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素抑制剂呼吸链电子传递抑制剂X氧化磷酸化抑制剂(oxidativephosphorylationinhibitor)：直接作用于F1—Fo复合体，抑制ATP合成的物质。如寡霉素，其作用机理使堵塞了质子通道。内膜bdgebab内膜aad