生物化学 代谢总论与生物氧化

1、第七章新陈代谢总论和生物氧化、新陈代谢总论，一、新陈代谢总论，(一)新陈代谢的概念： (metabolism )生命的基本特征是在生物体内发生的所有化学变化(合成和分解作用)，新陈代谢的功能1 )从周围的环境中获得营养物质。 2 )把从外部导入的营养物质变成自己需要的结构要素(building blocks )。 3 )把结构单位组装成自己的大分子。 4 )形成或分解生物功能所需的生物分子。 5 )提供生命活动所需的全部能量。 分解代谢和合成代谢、生物小分子合成大分子合成代谢需要能量新陈代谢，将能量分解代谢生物大分子分解成小分子，能量代谢、物质代谢、新陈代谢的共同特征，1 .酶催化，反应条件温

2、和。 2、许多反应有严格的顺序，相互协调。 3 .高度适应周围环境。 生物体内和体外的实验生物体内的实验生物研究：“体内”:以整个生物、器官或微生物细胞群为对象的代谢研究称为生物研究。 1904年德国化学家Knoop提出了脂肪酸的氧化学说。 生物体外实验的离体研究：“体外”:以组织切片、匀浆或组织提取液等为对象的代谢研究称为离体研究。 如糖解、三羧酸循环、氧化磷酸化、(二)新陈代谢的研究方法，2 .同位素示踪法稳定同位素和放射性同位素在用35S、32P、14C、3H标记代谢物后，追踪某一生的去向，知道该代谢物在生物体内的代谢情况的生物研究。 在醋酸的羧基上加上14C，饲养动物，在吐出的CO2中

3、发现14C的话，就知道醋酸的羧基变成了CO2。 3 .酶抑制剂和拮抗物质的应用代谢途径阻断法在体外研究中，知道某些反应被抑制的结果，推测某些物质的体内代谢变化。 (三)生物体内能量代谢的基本规律，1 .能量代谢伴随物质代谢2 .生物是开放系统，生物体内能量代谢遵循热力学规律2.1热力学第一定律2.2热力学第二定律熵：指混乱和无序，是无用的能量。 自由能和标准自由能(g ) :在生物恒温恒电压下发挥功能。 标准自由能(G0 ) :在1摩尔/l、1个btm k1 (101.325 pa )、25(298K )、pH=7的条件下反应的自由能。 生物体内化学反应的自由能变化(G)=总热能变化H (焓)

4、-TS (总熵的变化)； 根据能量学生化应用的某一规定，A B C D根据G=G0 RTlnCD/AB自由能变化(G )来判断反应的方向和倾向，在g？0时，向反应释放自由能，释放能量，反应自发G0表示反应不释放自由能，吸收能量，反应不自发进行。 G=0时，表示反应没有自由能的变化，反应处于平衡状态。 ii、标准自由能的变化和平衡常数的关系反应处于平衡状态时，G=0、k= c d / a b G0=rt lnk=-2.303 RTL GK，一个反应体系的自由能仅依赖于产物和反应物的自由能之差，与反应历史无关。 偶联化学反应go 变化的加成性，在偶联化学反应中，各反应的标准自由能的变化不能相加：例

5、如： a=b=cg =20.92 kj/molb=dg =33.47 kj/mol，a=cg =12.55 kj 这在生物化学反应中很常见。(四)高能化合物和ATP的作用，高能化合物：通过生化反应，水解时和基转移反应能释放大量自由能的化合物称为高能化合物。 高能磷酸化合物：将自由能非常多的磷酸化合物水解的话，会出现 P或 P、磷酸键型(-o-p )、1， 3-二磷酸甘油酸、ATP (三磷酸腺苷)、ADP (三磷酸腺苷)、磷酸键型(-o-p )、磷酸烯醇式丙酮酸(PEP )、磷酸键型(-o-p )、磷酸氮键型(胍磷酸化合物)、肌酸、磷硫酯键型、3-磷酸腺苷- 5-磷酸酰基硫酸、酰基coa、S-腺

6、苷蛋氨酸、蛋氨酸键型、高能化合物的类型、最重要的高能化合物ATP、ATP的特征是在pH=7环境下， ATP分子中的三个磷酸基完全解离为带负电荷的离子(ATP4- )，有很大的势头，水解产物稳定，因此水解自由能大(g=30.5千焦/摩尔)。 ATP4- h2o=ADP3- pi2- Hg=-30.5 kj mol-1、ADP3- h2o=amp2- pi3- Hg=-33.1 kj mol-1、ATP的生成和利用、ATP、ADP、机械能(肌肉收缩)渗透能(物质能动运输)化学能ATP在能量运输中的地位和作用ATP是细胞内“能量货币”ATP是细胞内磷酸基转移的中间载体，6-磷酸葡萄糖、3-磷酸甘油、

7、二生物氧化、有机物质(糖、脂肪和蛋白质)在生物细胞内氧化分解生成CO2和H2O 由于生物氧化通常消耗氧气，所以也被称为呼吸作用。 二、生物氧化、生物氧化中物质的氧化方式脱氢脱电子氧，(一)生物氧化和体外氧化的比较1，共同点(一)最终产物为CO2和H2O；(2)总能量变化相同；(3)氧消耗量相同。 (1)发生在细胞内温和的环境中，在接近体温、中性的含水环境中被酶催化。 (2)能量逐渐释放，一部分存在于ATP中。 (3)水的生成方式是代谢物脱离的h和o结合的。 2、差异点：(4) CO2的生成方式取决于有机酸脱羧。 (3)有机物被CO2和H2O氧化时，释放的能量如何转换成ATP，能量是如何产生的？

8、 基质水平磷酸化、生物氧化的内容，(1)细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的c转化为CO2CO2？ 脱羧反应是(2)在酶的作用下细胞如何利用分子氧将有机化合物中的h氧化为H2OH2O？ 电子传递链，(1)直接脱羧，生物体内的CO2的生成来自于有机物向含有羧基的化合物的脱羧作用。 (二)生物氧化中CO2的生成，(二)氧化脱碳酸，脱碳酸过程中伴有氧化(脱氢)的HOOCCH2CHOHCOOH、NADP、NADP、o、苹果酸、苹果酸酶，(三)生物氧化中的H2O的生成，生物氧化作用主要代谢物脱离的氢与生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。 生物主要由脱氢酶、传递体和氧化酶构成生物氧化系统，促进水的生成。 代

9、谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列传递体最后将质子和电子传递给氧生成水的全系称为呼吸链(respiratory chain )，也称为电子传递系统或电子传递链(electron transfer chain )。 由于参与这一系列催化作用的酶、辅酶和中间转运体在膜(原核细胞膜、真核线粒体内膜)上相继构成连锁反应，因此通常将这种形式的氧化过程称为呼吸链。 1、呼吸链、ATP合成酶、呼吸链的发生地点、呼吸链的种类因代谢物脱离的氢的初始受体而异，在具有线粒体的生物中，典型的呼吸链是2种： NADH呼吸链：分解代谢的脱氢氧化反应通过该呼吸链完成。 FADH2呼吸链：只能催化某种代谢物的脱氢，

10、不能使NADH和NADPH脱氢。 2、构成呼吸链的呼吸链由多种成分组成，参与呼吸链的氧化还原酶有烟酰胺脱氢酶类、黄素脱氢酶类、铁硫蛋白质类、细胞色素类、辅酶q类等。 在电子传递过程中释放大量自由能，使ADP磷酸化生成ATP，是生物合成ATP的基本途径之一。 (1)以烟草(尼克)酰胺脱氢酶类NAD或NADP为辅酶的脱氢酶该酶不需要氧脱氢酶，即氧不直接作为氢受体。 在烟(尼克)酰胺脱氢酶的作用下，代谢物脱氢的氢被该辅酶接受，如果存在转换成NADH或NADPH的h体，NADH或NADPH上的h就会脱离，被氧化成NAD或NADP。 既是脱氢酶，也是还原酶。 辅酶接受代谢物脱落的2H，传递给黄素。 (4

11、，(2)以黄素脱氢酶类-FMN或FAD为辅助基的脱氢酶类也不需要氧脱氢酶，催化剂代谢物脱离一对h原子，将fmn或FAD还原成FMNH2或FADH2。 FMN和FAD是比NAD和NADP更强的氧化剂。 另外，FMNH2或FADH2还可向辅酶q转发电子。 还原型还原型、氧化型、存在于生物体内的形式有：1、5、4、3、2、7、6、9、8、10、(3)铁硫蛋白质类(简称Fe-S )铁硫蛋白质(Fe-S )是与电子传递相关的非血红素铁蛋白质，其作用是铁的价数的变化铁硫蛋白在生物界广泛存在，在线粒体内膜上与黄素酶和细胞色素结合，以复合体的形式存在。 从NADH到氧的呼吸链中，有几个不同的铁硫的中心，如NA

12、DH脱氢酶中，有些与细胞色素b和c-1有关。 铁硫蛋白质有几种不同的类型，fes2fe-2s4fe-4s、2fe-2s、4fe-4s、辅酶q类是脂溶性醌系化合物，别名简称泛醌、CoQ或q。 q (醌型结构)容易接受电子和质子，还原为QH2 (还原型)的QH2也容易给予电子和质子，重新氧化为q。 因此，它在线粒体的呼吸链中成为电子和质子的传递体。 不能从基质中接收氢，是中间传递体呼吸链中唯一不与蛋白质结合的传递体(辅酶)，在黄素类和细胞色素类之间可以作为特殊柔软的电子载体发挥功能。 (5)细胞色素是含有细胞色素类血红素辅助基的电子转移蛋白的总称，细胞色素主要起着通过Fe3 e Fe2的相互变化来

13、转移电子的作用。 线粒体电子传递链中含有a、a3、b、c、c1的亚基结构稍有不同的：血红素acyta、a3血红素- Cyt b、血红素C- Cyt c1、c这5种细胞色素，在典型的线粒体呼吸链中，细胞色素的顺序为bC1。 a和a-3之间的两个铜离子发挥电子传递的作用： CuCu2的相互变化将Cytc所具有的电子传递给o-2。 因为只有Cyt aa3可以直接以O2为电子受体，所以aa3也被称为细胞色素c氧化酶。 3 .呼吸链中传输体的顺序，测定各电子传输体的标准氧化还原电位的数值按氧化还原电位从低到低的顺序排列，确定呼吸链中的各传输体的顺序的依据：b .利用电子传输抑制剂确定其顺序，c .通过电

14、子传输体的体外重组实验来验证，从d .线粒体分离的传输MH2、NADH、-0.32、FMN、-0.30、CoQ、0.1、b、0.07、c1、0.25、c、0.25、aa3、0.25、o2、0.816、FAD，-0.18、富士康安全，抑制剂：抗生素a、氰化物、c各组的e:低高电子转移方向：低电位高电位，g:释放能量逐渐降低，呼吸链中的电子载体作为酶复合体发挥功能，氧化磷酸化：代谢物脱离的对氢原子通过呼吸链逐渐传递，最终与氧结合生成水的过程中， 同时释放能量使ADP磷酸化生成ATP的过程称为氧化磷酸化，(4)氧化磷酸化作用，伴随放射能氧化作用的磷酸化，ADP Pi能量 ATP，AMP PPi能量

15、ATP，1. ATP的生成，氧化磷酸化，基质水平磷酸化电子传递系磷酸化，(1)基质水平磷酸化-基质被氧化后，随着分子内部能量的再分布，形成某高能磷酸化合物的中间产物，在酶的作用下磷酸基转移到ADP上形成ATP的作用。 X ADP ATP X，p，是捕获能量的一种方式，是在发酵作用(无氧呼吸)中进行生物氧化获得能量的唯一方式。 与有无氧无关，氧分子不参与ATP生成，电子不通过导电链传递。 特征：底物水平磷酸化反应例：(2)电子传递系统磷酸化，电子从NADH或FADH2经由电子传递系统(呼吸链)传递到氧形成水时，是伴随ADP磷酸化的ATP，这一全过程称为电子传递系统磷酸化。 1、基质、产物、fadfadh2nadnadnadnadh、H2O、电子传递系磷酸化：能量、是需要氧的生物获得ATP的主要方式，是生物体内能量转移的主要一环，需要氧分子参与。 真核生物的氧化磷酸化过程在线粒体内膜进行，原核生物在细胞质膜进行。 特征：发生ATP的部位都有大的电位差变化，例如N