代谢总论与生物氧化

1、第18章 代谢总论与生物氧化,第一节 新陈代谢的有关概念 第二节 代谢的发生过程 第三节 中间代谢的实验研究方法 第四节 生物氧化概述 第五节 ATP与其它高能化合物 第六节 呼吸链与氧化磷酸化,第一节 新陈代谢的有关概念,一、新陈代谢的概念：,新陈代谢是生物体最基本的特征，是生命存在的前提。,1.狭义概念：是指细胞内所发生的酶促反应过程，称为中间代谢。这是代谢活动的主体，也是代谢研究的主要内容。,2.广义概念：是生物与外界环境进行物质与能量交换的全过程。即：生物体内所经历的一切化学变化。包括消化、吸收、中间代谢及排泄等阶段。,新陈代谢包括生物体内所发生的一切合成和分解作用。 一方面，生物体不

2、断从周围环境中摄取物质，通过一系列生化反应，转变为自己的组成部分；另一方面，将原有的组成成分经过一系列生化反应，分解成不能在利用的物质排出体外，不断地进行自我更新。 生物体通过新陈代谢所产生的生命现象是建立在合成代谢与分解代谢矛盾对立和统一的基础上的，它们之间既相互联系、相互依存，又相互制约。,合成代谢 分解代谢,物质代谢,能量代谢,新陈代谢,新陈代谢图解,（同化作用）,（异化作用）,小分子 大分子,需要能量,释放能量,大分子 小分子,细胞内的代谢途径和代谢网络,分解代谢和合成代谢,代谢的三种途径,酶的三种组织方式,代谢的基本特征,反应条件温和 高度调控 每一个代谢途径都是不可逆的 一个代谢途

3、径至少存在1个限速步骤 各种生物在基本的代谢途径上是高度保守的 代谢途径在细胞内特别在真核细胞是高度分室化的 不同的生物使用不同的途径获取能量和碳源,代谢途径的分室化,动物细胞膜结构和物质代谢的联系图解,（质膜、核及核仁、内质网、线粒体）,二、新陈代谢的内容,确定参与每一个代谢反应的酶与辅酶的结构与功能，这需要对有关的酶进行分离、纯化和定性的研究。 确定一条代谢途径之中的底物、中间代谢物和终产物的结构、名称和反应的类型。 确定一个酶促反应的调节机制。,1.物质代谢和能量代谢 （1）物质代谢：各种生理活性物质（如糖、蛋白质、脂类、核酸等）在细胞内发生酶促反应的途径及调控机理，包含旧分子的分解和新

4、分子的合成； （2）能量代谢：光能或化学能在细胞内向生物能（ATP）转化的原理和过程，以及生命活动对能量的利用。,细胞需要持续不断的能量供应 NADH, NADPH和 ATP ATP 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,（1）合成代谢：活细胞从外环境中取得原料合成自身的结构物质、贮存物质、生理活性物质及各种次生物质的过程是合成代谢，也叫生物合成。是需要供应能量的过程。,（2）分解代谢有机物质在细胞内发生分解的作用过程。分解过程中的许多中间产物可供作生物合成的原料。伴随分解代谢释放出化学能并转化为细胞能够

5、利用的生物能（ATP）。,2.合成代谢与分解代谢,3.代谢途径,无论物质代谢还是能量代谢，分解代谢还是合成代谢，一般都是由多种酶催化的连续反应过程。 所谓代谢途径就是细胞中由相关酶类组成的完成特定代谢功能的连续反应体系。细胞中具有某种代谢途径也就是指具有其酶系。代谢途径的组成可简单示意如下：,S：代谢底物，P：产物，E：酶。 从S到P之间的一系列过渡产物称为中间产物。底物、中间产物、终产物统称为代谢物。不同代谢途径所具有的相同的中间产物称为公共中间产物。 通过公共中间产物可实现途径间的互相联系，调节代谢物质的流向，维持细胞中各种物质的代谢平衡。,4.生物的营养类型,自然界中的生物根据其所利用的

6、碳源和能源，可分为不同的营养类型。,（1）自养与异养： 碳源是为细胞生物合成提供碳素营养的物质。有些生物利用无机物二氧化碳作为碳源，这类生物称为自养生物。有些生物需要现成的有机物作为碳源，称之为异养生物。,（2）光能与化能： 生物体能够利用的能源主要有光能和化学能。根据不同生物对能源的要求，可分为光能营养型和化能营养型。 光能营养型是直接利用光能，通过光合磷酸化作用合成ATP；化能营养型是利用现成有机物或无机物，通过氧化磷酸化反应合成ATP。,生物营养类型,四种营养类型中，光能自养型和化能异养型占绝大多数。另两种营养类型相对较少。 还有些高等生物的所有细胞并非都属于同一营养类型。例如，高等植物

7、叶子是光能自养，而根部则为化能异养型。叶绿细胞在日光中为光能自养型，在黑暗中又为化能异养型。,（3）需氧与厌氧： 不同生物对分子氧的依赖关系也有很大区别，据此可分为需氧生物、厌氧生物和兼性生物。,需氧生物是在有氧条件下才能维持代谢的生物。其代谢活动需要以分子氧（O2）作为有机物氧化反应的电子受体。,厌氧生物是在无分子氧的环境中生活的，以无机物或有机物为电子受体，不能用O2作为电子受体，而且分子氧（O2）对绝对厌氧生物会有毒害作用。,兼性生物在有氧、无氧条件下都能生存，有氧时利用氧，无氧时能利用某些氧化型有机物作为电子受体。,第二节 代谢的发生过程,一、分解代谢的一般过程 几乎所有生物都具有分解

8、利用有机物的能力。有机营养物质（糖、脂、蛋白质）分解代谢的发生过程，可以分为四个阶段。,生物大分子的降解阶段 单体分子初步分解阶段 乙酰基完全分解阶段 氢的燃烧阶段,1.生物大分子的降解阶段。 外源生物大分子通过消化作用降解，内源生物大分子通过胞内酶催化降解，分解为其单体分子，即多糖分解为己糖或戊糖，蛋白质分解为氨基酸，脂肪分解为甘油和脂肪酸等。 这些降解反应途径都很短，仅有几种酶催化，不产生可利用的能量。,2.单体分子初步分解阶段。 细胞都具有特定的分解代谢途径，分别将单糖、氨基酸、脂肪酸等单体分子进行不完全分解。 如糖的EMP途径、脂肪酸的-氧化等等。各种单体分子不管其结构和性质差别多大，

9、经过第二阶段的有关代谢途径都能巧妙地被降解成少数几种中间产物，主要是乙酰CoA。 因此，第二阶段起到了殊路同归、把多形性的底物分子向一体化结构集中的作用，为最后纳入同一代谢途径进行完全分解创造了条件。,3.乙酰基完全分解阶段。 三羧酸循环途径是各种营养物质分解所生成的乙酰基集中燃烧的公共途径。 经过三羧酸循环，乙酰基完全分解，碳原子氧化成二氧化碳，并有少量能量释放，生成ATP。 大量的化学能以氢原子对2H（2H+ 2e）的形式转入还原型辅酶分子。还原型辅酶再将氢原子对送入呼吸链进行氧化放能。,4.氢的燃烧阶段。这是有机物氧化分解的最后一个环节。主要包括电子传递过程和氧化磷酸化作用。在线粒体内膜

10、上由多种色素蛋白组成的呼吸链是使第二、三阶段生成的氢原子对（2H + 2e）完全氧化的组织体系，也是细胞中有机物氧化分解释放能量的主要部位。,二、合成代谢的一般过程,生物合成包括组建生物大分子所需单体分子的合成、生物大分子的合成、细胞结构的组建、生理活性物质及次生物质的合成等。 所有生物合成都是需能酶促反应过程。需要由核苷三磷酸，主要是用ATP供能，所有生物合成过程都需还原型辅酶（NADPH）供应还原力。,除了营养贮存物质的合成之外，一般正常生理状态下的生物合成都遵守细胞经济学的原理，用多少，合成多少。合成途径的启、闭、快、慢都受细胞调节系统调节。 不同生物类群的生物合成能力有所不同，所用的原

11、材料和能量来源也不尽相同。但是，一切活细胞都需要自行合成本身所需要的种种生物大分子。,合成代谢一般可以分成三个阶段：原料准备、单体分子合成、生物大分子合成。 生物合成所需的碳源、氮源、能量和还原力（NADPH）主要通过分解代谢供应。从这种意义上来讲，分解代谢可以视为合成代谢的原料准备阶段。,自养生物所需要的单糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸等各种单体分子及其他生理活性物质，生物自身都能合成。 高等动物和人体有几种氨基酸和脂肪酸及维生素等生理活性物质，自身不能合成，需要靠植物和微生物供给。 微生物的生物合成能力差别很大。凡自身不能合成的单体分子则为其生长限制因子，必须由外界供给。,对于异养生物而言，分

12、解代谢是生物合成的先决条件。只有充足的营养源被分解，才能为生物合成供应必需的原料和能量。,第三节 中间代谢的实验研究方法,同位素示踪：经常使用的同位素有放 射性同位素和稳定同位素两类，前者包括14C、32P、35S和3H等，后者有18O和15N等。 代谢抑制剂的使用 代谢遗传缺陷型突变体的使用 基因操作和生物信息学,中间代谢的研究内容很多，研究目的不同，所用的生物材料和实验方法也不相同。为探讨代谢途径及其调节机理，动物、植物、微生物材料都可以作为实验对象。 根据实验材料的水平，常将实验分为活体内实验和活体外实验。,1.活体内实验（整体实验） 用整体生物材料或高等动物离体器官或微生物细胞群体进行

13、中间代谢实验研究称为活体内实验。,（一）活体内实验和活体外实验,实验结果代表生物体在正常生理条件下整体代谢情况，比较接近生物体的实际。 典型例子：1904年，德国化学家Knoop提出的脂肪酸-氧化学说。,2.活体外实验 用从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进行中间代谢实验研究称为活体外实验表示。 典型例子：糖酵解、三羧酸循环、氧化磷酸化等。,探讨物质代谢途径的常用方法有：代谢平衡实验、代谢障碍实验、代谢物质标记追踪实验、特征性酶鉴定实验、核磁共振波实验等。 其中最有效的是代谢物质标记追踪实验和核磁共振实验。,（二）代谢途径的探讨方法,1.代谢平衡实验 通过

14、活体内实验研究代谢物摄入和产出排出的平衡关系，可以了解对代谢物的利用能力及产物生成情况。 例如测定“呼吸商”（R.Q.）可以判断体内能量利用情况。 R.Q.=产CO2量（升）/耗O2量（升）,糖类物质R.Q为1，脂肪R.Q为0.7，蛋白质R.Q为0.8。人体正常代谢时，R.Q介于0.85-0.95之间，说明三大营养物质同时发生了氧化分解。 饥饿状态下：R.Q？ 糖尿病人：R.Q？ 问题：若测得生物材料的R.Q接近1，则表明能量主要来自于何类物质分解？,2.代谢障碍实验（代谢途径阻断实验） 正常生物体的中间代谢过程中，中间产物不会过多积累，不容易进行分析研究；若用适当方法造成代谢障碍，阻断代谢途

15、径，则使中间产物积累，便于进行分析研究。 阻断代谢途径的方法有：造成微生物营养缺陷性、使用抗代谢物、专一性抑制剂等。,使用代谢抑制剂确定代谢途径,(1)微生物营养缺陷性（微生物基因突变型） 采取诱变剂使微生物的基因发生突变，从而造成某种酶缺损，代谢途径中断，缺损酶前面的中间产物会大量积累，致使细胞中该种物质含量增高，便于进行分析研究。,应用实例：乳糖的代谢机理。 优点：容易突变；经济；简便等,（2）使用抗代谢物 抗代谢物，又叫代谢拮抗物，或代谢物结构类似物。其分子结构与代谢物的分子结构类似。 实质：竞争性抑制剂。,例子：丙二酸是琥珀酸的抗代谢物，能对琥珀酸脱氢酶发生很强的竞争性抑制作用，造成代

16、谢中间产物“琥珀酸”积累，从而证明了TCA循环中有生成琥珀酸这一反应步骤。,（3）酶的专一性抑制剂 例子：碘乙酸是巯基酶的专一性抑制剂，可抑制酵母的酒精发酵，造成3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮积累。由此证明了酵解途径中1，6-二磷酸果糖是三三裂解生成了三碳糖。,（4）利用药物造成异常动物实验（病变动物法） 用人工方法使动物发生某一过程的代谢障碍，然后给以一定量受试物质，研究其中间代谢过程。,例子1：研究维生素缺乏症，可给以缺乏某种维生素的饲料，若干天后观察其病变情况，在加入该种维生素，观察其症状有否好转，从而确定该种维生素的功能。 例子2： “人工糖尿病”。 例子3：生糖氨基酸；生酮氨基酸,3.

17、代谢物标记追踪实验 将代谢底物分子适当“标记”，然后追踪“标记”在细胞中的去向，就可以了解底物分子在中间代谢中经过什么中间产物，生成了什么终产物。这是探索代谢途径最有效的方法。 标记方法：化学标记法、同位素标记法。,（1）化学标记法 1904年，德国F.Knoop首次用苯环标记脂肪酸探讨中间代谢途径，提出著名的脂肪酸-氧化学说。 缺点：化学标记法使天然代谢物分子结构和理化性质发生了改变，这可能给正常代谢途径造成某些影响。,（2）同位素标记法 1941年，Rudolf Schoenheimer首次采用同位素标记法进行实验。 同位素种类：稳定同位素和放射性同位素。 二者区别：是否衰变、是否有射线。

18、 常用的稳定同位素有：重氢（2H或D）、15N、13C、18O等。,用“稳定性同位素”标记的化合物可用质谱仪定量测定，也可用超离心法分离鉴定。 根据放射线同位素衰变时放出的射线性质，可以用专门仪器或专用方法测定。常用的放射性同位素有氘（T或3H）、14C、32P、34S、131I。,优点： 1）同位素标记法特异性强，灵敏度高，测定 方法简便。 2）放射性同位素分析方法比稳定同位素更方 便、灵敏，应用更普遍。 缺点：放射性同位素对人体有毒害，某些同位 素的半衰期长，容易造成环境污染，所以 需要在专门的同位素实验时进行。,4.测定特征性酶 每条代谢途径都有其特征性酶，它的存在就表明该代谢途径存在。

19、 例如：糖代谢途径中的特征酶 EMP途径：醛缩酶 HMP途径：6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶 TCA途径：柠檬酸合成酶,5.核磁共振波谱法（ NMR） 核磁共振谱可反映分子中各个原子所处的状态。由布洛赫和巴塞尔于1948年建立，因此获得1952年诺贝尔奖。 应用最多的有13C谱、19F谱、31P谱和15N谱。 特点：样品不受破坏，且能最真实地反映机体内的化学反应情况。,代谢组和代谢组学,代谢组和代谢组学是随着基因组学和蛋白质组学的发展而产生的两个与代谢有关的新名词。 代谢组也叫做小分子清单，是指反映细胞状态的各种小分子的样式，包括所有代谢过程的总和以及相关的细胞过程。它是基因组和蛋白质组表达对细胞环境

20、的反应。 代谢组学就是研究单个细胞或组织内所有小分子成分及其波动规律的一门学科。,基 因 组：可能是什么？ 蛋白质组：表达的是什么？ 代 谢 组：细胞或组织的当前状况是什么？,第四节 生物能学,生物能学也称为生化热动力学它专门研究生命系统内的能量流动和能量转化的规律。通过这门分支学科，我们可以解释在生命现象之中很多与能量有关的问题。,一、几个基本概念和两个热力学定律,（1）系统和环境 系统为宇宙之中我们感兴趣的任何部分，环境是指一个系统周围的任何事物。 系统又可以分为孤立系统、封闭系统和开放系统。其中，孤立系统与环境之间不发生任何形式的物质交换和能量交换，封闭系统则可以与环境之间进行能量的交换

21、，开放系统和环境之间既可以进行能量交换也可以进行物质交换。 生命系统应该属于开放系统。,孤立系统、封闭系统和开放系统,（2）能量是指做功的本领。 （3）自由能是指一个系统的总能量之中用 来做功的那一部分能量， 即有用能。 （4）熵是指一个系统的无序状态。一个系 统越有序，它的熵就越低。,（5）焓是指系统的总热能。 （6）热力学第一定律即能量守恒定律。 （7）热力学第二定律是指一个系统的熵倾 向于增加或者一个系统做功的能力趋 于下降。 （8）Gibbs-Helmholtz方程： GHTS,标准条件,压强 = 101kPa (1atm) 温度 = 298K (25) 底物 & 产物 = 1M pH

22、 = 0 (GO ) 或7.0 (GO ),二、生化反应的方向性与自由能之间的关系,G0，则该反应可以自发地进行，此反应为放能反应。需要特别注意的是：如果G为一个非常大的负值，则表明此反应趋于完全，为不可逆反应。 G0，则反应处于平衡状态，反应物和产物的浓度维持不变。,G0，则此反应不能自发地进行，除非向此反应提供能量，因此该反应为需能反应。如果G是一个非常大的正值，则意味着整个反应物处于一种非常稳定的状态，反应几乎没有发生的可能。,自发意味着一个反应能发生（可能性），并不是就发生（现实性）。 G 是状态函数：与途径无关 反应速率：依赖于途径,千万不要混淆 !,三、自由能 G与氧化还原电位 E

23、的关系, G0nF E0 n为转移电子数； F为法拉第常数，等于96.5kj / V.mol E0 含有氧化剂的半反应的 E0 含有还原剂的半反应的 E0,G与氧化还原电位（E）之间的关系,一个氧化还原反应的G0与其标准氧化还原电位（标准条件与自由能的标准条件一样）的变化值E0可用公式G0nFE0表示， n为电子转移数，F是法拉第常数，为96.48kJ/Vmol，,G与氧化还原电位（E）之间的关系,E0含有氧化剂或电子受体的半反应E0含有还原剂或电子供体的半反应的E0。 而非标准条件下的G与同样条件下的E之间的关系为：GnFE。,一个完整的氧化还原反应方程式可以拆开写成两个“半反应式”，一个是

24、“氧化反应”式，一个是“还原反应”式 如2Fe3+Cu2Fe2+Cu2+的拆写结果是：氧化反应为：Cu-2e-Cu2+； 还原反应为：2Fe3+2e-2Fe2+,四、细胞内的偶联反应,假定一个反应AB，G1GBGA0，则此反应不能自发地进行， 但如果此反应通过某种机制与另外一个G2GDGC 0的反应CD偶联在一起，而且总的自由能变化GG1G20，则AB的反应照样可以进行， 在这里第二个反应释放出的能量被用来驱动第一个反应。,G是可以叠加的,二、自由能和氧化还原电位,1.自由能,自由能(G)：指一个反应体系中能够做功的那部分能量。 自由能的变化(G)：产物的自由能与反应物的自由能之差，与反应转变

25、过程无关。 标准自由能的变化(G0)：298K，101.3KPa，反应物浓度为1mol/L，pH=0。 生化反应中标准自由能的变化(G0)：298K，101.3KPa，反应物浓度为1mol/L，pH=7。,自由能的概念对于研究生物化学过程具有很重要的意义，生物体用于作功的能量正是体内化学反应释放的自由能，生物氧化释放的能量也正是为有机体利用的自由能。 它不仅可以用来判断机体内某一过程能否自发进行，而且还可以利用自由能这个函数来计算反应的其它有用参数。,2.自由能与平衡常数,当反应达到平衡时， G=0，那么，,3.自由能与氧化还原电位的关系,pH7， 101.3KPa，25， 反应物浓度为1mo

26、l/L，氧化态与还原态物质与标准氢电极组成原电池测定得到的氧化还原电位。, E0 E0电子受体 E0电子供体 电子从E0较小的物质转移到E0较大的物质是自由能降低的结果。其关系为：,第五节 ATP与其它高能化合物,（一）高能化合物的类型,1.高能键（high-energy bond） 高能键是1941年提出的一个概念，用“”表示，是指其结构不稳定，性质活泼，自发水解或基团转移的趋势很强，当其发生水解或基团转移反应时，释放的自由能很多。 高能键中的“高能”是指其自由能高，并非键能高。,“高能键”与“键能”（energy bond）区别：化学中的“键能”是指断裂一个化学键所需要的能量；“高能键”是

27、指水解或转移该键所释放的能量。 细胞中重要的高能键： 高能磷酸键和高能硫脂键。,2.高能化合物：分子结构中含有高能键的化合物称为高能化合物。,（二）ATP的结构特点及其重要意义,ATP（三磷酸腺苷，腺苷三磷酸，adenosine triphosphate）是一种很重要的高能磷酸化合物。 生物体每天要消耗大量ATP，安静状态的成年人：每天消耗40kgATP；激烈运动时：每分钟就消耗0.5kg。 ATP是一分子腺嘌呤、一分子核糖和三个相连的磷酸基团构成的核苷酸，其结构：,意义：,（1）ATP是产能反应和需能反应之间最主要的能量介质 放能反应通过氧化磷酸化反应合成ATP，贮存能量；需能反应，则通过A

28、TP水解供应之。,a.当ATP提供能量时，在ATP远端的-磷酸基团水解为无机磷酸分子，ATP失掉一个磷酰基而变成腺苷二磷酸。 ATP+H2OADP+Pi （标准自由能变化G0= -30.514kJ/mol）,b.在某些情况下，ATP的和磷酸基团之间的高能键被水解（即同时水解和-磷酸基团），形成AMP和焦磷酸。 ATP+H2OAMP+PPi （G0= -32.19kJ/mol）,（2）作为磷酸基团供体参与磷酸化反应 生化反应中，无论是分解代谢还是合成代谢，常常需要先将反应底物分子活化，其中，磷酸化是一种普遍活化方式。ATP具有很活泼的磷酸基团，可作为磷酸基的供体参与细胞中的磷酸化反应，此类反应由

29、激酶催化。,反应生成的磷酸化葡萄糖分子具有较高的自由能，易进一步参加反应。,（3）ATP参加高能磷酸基团转移反应 ATP在磷酸基团转移中起“中间传递体”的作用，故称“磷酸基团传递者”。,磷酸烯醇式丙酮酸和1，3-二磷酸甘油酸是葡萄糖的分解的中间产物，葡萄糖分解为乳酸时所释放的大部分自由能，几乎都保留在这两个化合物中。 在细胞中这两个化合物并不直接水解，而是通过特殊激酶作用，以转移磷酸基团的形式，将捕捉的自由能传递给ADP从而形成ATP。 而ATP分子又倾向于将它的磷酸基团转移给具有较低磷酸基团转移势能的化合物，例如葡萄糖和甘油，从而生成6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油。,其中，磷酸烯醇式丙酮酸和1

30、，3-二磷酸甘油酸叫做“超高能化合物”（superhigh-energy compound），它们水解所释放的自由能比ATP高；同理，6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油叫做“低能磷酸化合物”。,GTP、UTP、CTP。 其中，GTP对G蛋白的活化、蛋白质生物合成、蛋白质的寻靶、蛋白质的转运等作为推动力提供自由能； UTP在糖原合成中起活化葡萄糖分子的作用； CTP在合成磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺以及合成纤维素中起推动作用等。,（三）其他供能核苷酸,ATP作为自由能的贮存分子，其产生和利用处于动态平衡中。 一般情况下，ATP在形成后一分钟内就会被利用，故严格说来ATP不是能量的贮存形式，而是传递能量的物

31、质。细胞能量状态的表示方法：能荷（energy charge）。,（四） ATP系统的动态平衡,第六节 生物氧化与氧化磷酸化,生物氧化与非生物氧化反应的比较 生物体内发生的氧化反应通称为生物氧化。 两者的共同之处： 反应的本质都是脱氢、失电子或加氧； 被氧化的物质相同，终产物和释放的能量也相同。 两者的主要差别： 生物氧化的主要方式为脱氢； 生物氧化在酶的催化下进行，因此条件比较温和； 生物氧化是在一系列酶、辅酶（辅基）和电子传递体的作用下逐步进行的，每一步释放一部分能量。,一、生物氧化,1.定义：有机物在生物细胞内进行氧化分解而生成CO2和H2O并释放能量的过程。又称细胞氧化或细胞呼吸。,2

32、.本质：生物氧化是发生在生物体内的氧化还原反应,因而具有氧化还原反应的共同特征。并且物质被氧化时总伴随能量的释放。,3.特点：生物氧化是在活细胞内进行的,它与体外的直接氧化相比又有许多不同的特点:,有机物在生物体内完全氧化与在体外燃烧而被彻底氧化,在本质上是相同的,最终的产物都是CO2和H2O,同时所释放能量的总值也相等；, 生物氧化在常温、常压、接近中性的pH和多水环境中进行；是在一系列酶、辅酶和中间传递体的作用下逐步进行的；,氧化反应分阶段进行,能量逐步释放,既避免了能量骤然释放对机体的损害,又使得生物体能充分、有效地利用释放的能量；,生物氧化过程中释放的化学能通常被偶联的磷酸化反应所利用

33、,贮存于高能磷酸化合物(如ATP)中,当生命活动需要时再释放出来。,4.类型：生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化。在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化类型：,5.酶类：催化生物氧化的酶习惯上分为不需氧脱氢酶、需氧脱氢酶、氧化酶、过氧化氢酶和电子递体。,（1）不需氧脱氢酶类：直接作用于底物，使之脱氢氧化，但不以氧作为直接受氢体的酶。是生物氧化反应中的主要酶类。,（2）需氧脱氢酶类：直接作用于底物，使之脱氢氧化，并且需要以氧作为直接受氢体的酶。反应生成过氧化氢。,（3）氧化酶类：不能从底物上脱氢，只能夺取底物上的电子对，并激活氧分子生成水。,（4）电子递

34、体：专门负责传递不需氧脱氢酶脱下来的电子（有的也传递质子）的酶类（详见呼吸链）。,6. CO2的生成：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。 类型：-脱羧和-脱羧 氧化脱羧和单纯脱羧,7.H2O的生成：代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O 。,二、呼吸链,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

35、核生物中，它位于细胞膜上。,线粒体,2.呼吸链的组成, NADH （还原型辅酶） 黄素蛋白酶类 （flavoproteins, FP） 铁-硫蛋白类 （ironsulfur proteins) 辅酶 （ubiquinone,亦写作CoQ） 细胞色素类 （简写作Cyt）,NADH呼吸链,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FAD,Fe-S,琥珀酸等,复合物 II,复合物 IV,复合体 I,复合物 III,NADH脱氢酶,细胞色素还原酶,细胞色素氧化酶,琥珀酸-辅酶Q还原酶,FADH2呼吸链,电子传递链标准氧化还原自由能变化,N

36、ADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸等,复合物 II,复合物 IV,复合体 I,复合物 III,NADH脱氢酶,细胞色素还原酶,细胞色素氧化酶,琥珀酸-辅酶Q还原酶,细胞色素还原酶部分结构模式,细胞色素氧化酶结构示意图,铁-硫蛋白,Cyt b,NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化,总反应: NADH+H+1/2O2NAD+H2O G=-nFE =-296.50.82-(-0.32) =-220.07千焦mol-1,（1）NADH：还原型辅酶 它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带

37、的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。,（2）黄素蛋白酶类,以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为膜的组成蛋白， 递氢机理： FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2 如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶,（3）铁-硫蛋白类,含铁硫络合物的蛋白，又称非血红铁蛋白。通过铁的价态变化而传递电子。,（4）辅酶,是电子传递链上唯一的非蛋白组分，是脂溶性小分子化合物。位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。,（5）细胞色素类,是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a, a3、b, c 和c1等。 cyt b和c

38、ytc1、cytc在呼吸链中的中为电子传递体，a和a3以复合物物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu ，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。,Cytc和c1,细胞色素氧化酶,3.电子传递链的顺序及其抑制剂,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,细胞色素 b- c1- c -aa3,2H+,FADH2呼吸链电子传递和水的生成,2e,NADH呼吸链电子传递和水的生成,电子传递链的抑制剂,几种呼吸链抑制剂的作用位点,电子传递 抑制剂,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c

39、,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,抗霉素 A的抑制部位,NAD FP Q b c aa3,NAD FP Q b c aa3,呼吸链的比拟图解,三、氧化磷酸化作用,1. 氧化磷酸化的概念 2.磷氧比（P/O）的概念 3.电子传递链中生成ATP的部位 4.氧化磷酸化的偶联机理 5.氧化磷酸化的解偶联和抑制,1.氧化磷酸化,代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP，即 ADP+PiATP 这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。类别有底物水平磷酸化、电子传递水平磷酸化。,底物水平磷酸化是在被氧化

40、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ADP生成ATP。,电子传递体系磷酸化是指当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系(呼吸链)传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP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。,电子传递体系磷酸化,2.磷氧比（P/O）,呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。,3.电子传递链中生成AT

41、P的部位,（1）电子传递链的顺序,电子传递链中各组分的顺序由还原电位 决定。 电子传递方向：(还原电位) 低 高,电子传递链各组分的标准氧化还原电位,G0=-nFE0 合成ATP需自由能30.54KJ/mol，经计算可以得知，NADH呼吸链上有三个部位可以满足这个条件，FADH2呼吸链上有两个部位可以满足。,（2）ATP产生的部位,4.氧化磷酸化的偶联机理,（1）能量偶联假说 1953年 Edward Slater 化学偶联假说 1964年 Paul Boyer 构象偶联假说 1961年 Peter Mitchell 化学渗透假说,1978年获诺贝尔化学奖,（2）ATP合成的机制,化学渗透假说(chemiosmotic hypothasis),电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成H+跨线粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化学势( H+ )驱动ATP的合成。,质子驱动力,化学渗透学说