第八章新陳代謝總論與生物氧化

第八章

新陳代謝總論與生物氧化第一節(jié)新陳代謝總論一、新陳代謝的概念

生物與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換和能量交換的過程。生物體內(nèi)進(jìn)行的所有化學(xué)變化的總稱。二、新陳代謝的特點(diǎn)

1.絕大多數(shù)代謝反應(yīng)在溫和條件下，由酶催化進(jìn)行；代謝反應(yīng)的區(qū)室化

2.酶催化的化學(xué)反應(yīng)是連續(xù)的，前一種酶的作用產(chǎn)物往往是后一種酶的作用底物；

3.物質(zhì)代謝過程中伴隨著能量的代謝。新陳代謝分解代謝（異化）：機(jī)體將復(fù)雜的代謝物分解為較小的、較簡單的物質(zhì)的過程。合成代謝（同化）：利用小分子合成復(fù)雜的生物大分子過程。三、分解代謝與合成代謝能量代謝：光合自養(yǎng)生物通過光合作用將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能?；墚愷B(yǎng)生物通過生物氧化作用將有機(jī)物質(zhì)（主要是各種光合作用產(chǎn)物）存儲的化學(xué)能釋放出來，這種能量可貯存在ATP中，也可形成NADH、NADPH以及FADH2四、分解代謝的一般過程（三個階段）第一階段：大分子物質(zhì)降解成構(gòu)件分子，無能量產(chǎn)生；第二階段：構(gòu)件分子進(jìn)一步代謝生成少數(shù)分子，兩個重要化合物：丙酮酸和乙酰CoA

NH3

產(chǎn)生少量能量第三階段：乙酰CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)和電子傳遞和氧化磷酸化，乙?；谎趸蒀O2和H2O，產(chǎn)能的主要階段。合成代謝不是分解代謝的簡單逆反應(yīng)。丙酮酸氨基酸脂肪酸甘油葡萄糖蛋白質(zhì)

脂肪多糖糖酵解檸檬酸循環(huán)乙酰CoANADH，H+或FADH2電子傳遞和氧化磷酸化NH3H2OCO2共同中間代謝物終產(chǎn)物第一階段第二階段第三階段少量能量大量能量（一）自由能的概念1.化學(xué)反應(yīng)中的自由能自由能：在一個體系中，能夠用來做有用功的那一部分能量稱自由能，用符號G表示。在恒溫、恒壓下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)生有用功的能力可以用反應(yīng)前后自由能的變化來衡量。自由能的變化：△G=G

產(chǎn)物

—G反應(yīng)物

=△H—T△S

△G:體系的自由能變化，△H代表體系的焓變化，T:絕對溫度，△S代表體系的熵變化。五、生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律2.△G是判斷一個過程能否自發(fā)進(jìn)行的根據(jù)△G<0，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，體系未達(dá)平衡?！鱃>0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，必須供給能量?！鱃=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)△G為正值時，反應(yīng)體系為吸能反應(yīng)，此時只有與放能反應(yīng)相偶聯(lián)，反應(yīng)才能進(jìn)行。（二）

標(biāo)準(zhǔn)自由能變化及其與化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)的關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)自由能變化：在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下的自由能變化，用△GΘ表示。標(biāo)準(zhǔn)條件：25℃，參加反應(yīng)的物質(zhì)的濃度都是1mol∕L（氣體則是1大氣壓）。若同時定義pH=7.0，則標(biāo)準(zhǔn)自由能變化用△G′Θ表示。對于一個溶液中的化學(xué)反應(yīng)

aA+bB→cC+dD當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時，△G=0K′是化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)，因此，△G′Θ也是一個常數(shù)。

自由能變化的可加和性。

在偶聯(lián)的幾個化學(xué)反應(yīng)中，自由能的總變化等于每一步反應(yīng)自由能變化的總和。例如：Glc+ATP→G—6—P+ADP（總反應(yīng)）第一步，Glc+Pi→G—6—P+H2O,

此反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行第二步，ATP+H2O→ADP+Pi

總反應(yīng)：Glc+ATP→G—6—P+ADP.

因此，一個熱力學(xué)上不能進(jìn)行的反應(yīng)，可與其它反應(yīng)偶聯(lián)，驅(qū)動整個反應(yīng)進(jìn)行。此類反應(yīng)在生物體內(nèi)是很普遍的。＋13.8－30.5－16.7高能化合物在生物體的能量轉(zhuǎn)換過程中起重要作用。許多磷酸酯類化合物在水解過程中都能夠釋放出自由能。高能鍵：在生化中常將那些結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，很容易發(fā)生水解或基團(tuán)轉(zhuǎn)移，同時釋放出大量自由能的化學(xué)鍵稱為高能鍵。

一般將水解時能夠釋放25kJ/mol以上自由能的化合物稱為高能化合物。

六、高能化合物與ATP的作用ATP酸酐鍵磷酯鍵ATP是生物細(xì)胞中最重要的高能磷酸酯類化合物。ATP含一個磷酸酯鍵和兩個高能磷酸鍵。

UTP、CTP、GTPATP水解時，一個高能磷酸鍵斷裂的同時釋放出能量

ATP+H2O——>ADP+Pi

G=-30.5KJ/mol

ATP+H2O——>AMP+PiPi

G=-32.2KJ/mol

磷酸烯醇式丙酮酸

1,3-二磷酸甘油酸乙酰CoA（1）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸－61.9kJ/mol

1.磷氧鍵型（—O~P)根據(jù)生物體內(nèi)高能化合物鍵的特性可以把他們分成以下幾種類型。（2）?；姿峄衔?,3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸－49.4kJ/mol－42.3kJ/mol氨甲酰磷酸氨?；佘账幔?）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸2.氮磷鍵型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩爾7.7千卡/摩爾這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲存能量的作用。3.硫酯鍵型3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基輔酶A第二節(jié)生物氧化的概念和特點(diǎn)一、概念

生物細(xì)胞將糖、脂、蛋白質(zhì)等氧化分解，最終生成二氧化碳和水，并釋放出能量的過程。包括細(xì)胞呼吸作用中的一系列氧化還原反應(yīng)，又稱為細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸。二、特點(diǎn)1.在體溫下進(jìn)行，接近中性pH值和多水環(huán)境中進(jìn)行，能量逐步釋放，一部分轉(zhuǎn)化為熱能，一部分與磷酸化相偶聯(lián)；2.在化能營養(yǎng)生物的能量代謝中，最終的電子受體是氧，但被氧化的代謝物分子很少將電子直接傳遞給氧，大多數(shù)氧化反應(yīng)的直接受體是NAD+和FAD，被還原的NADH和FADH2再通過一系列的電子傳遞體，最后將電子傳遞給氧；3.進(jìn)行生物氧化的物質(zhì)，在氧化時除了失去電子外，還要失去質(zhì)子，一個電子和一個質(zhì)子相當(dāng)于一個氫原子，所以生物氧化反應(yīng)往往也是脫氫反應(yīng)；4.生物氧化有嚴(yán)格的細(xì)胞定位。三、生物氧化還原反應(yīng)中的自由能變化1.標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位

Zn+Cu2+=Zn2++Cu氧化還原反應(yīng)可分成兩個半反應(yīng)，也稱氧化還原電對

Zn=Zn2++2e-（氧化）

Cu2++2e-=Cu（還原）氧化還原電位：一個氧化還原電對失去電子或得到電子的傾向。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，每一個氧化還原對都有一個標(biāo)準(zhǔn)的氧化還原電位（E°）標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位：是樣品半電池在標(biāo)準(zhǔn)條件下相對于標(biāo)準(zhǔn)參考半電池所具有的電動勢，V標(biāo)準(zhǔn)條件是指氧化型和還原型的濃度都是1mol/L,溫度為25℃的條件，若有氣體參加，還需在101KPa下。標(biāo)準(zhǔn)參考半電池是標(biāo)準(zhǔn)氫半電池，在25℃下，[H+]為1mol/L（pH=0）101KPa的H2，人為規(guī)定它的氧化還原電位為0。生物體內(nèi)的氧化還原反應(yīng)在生理pH下進(jìn)行，所以生物體內(nèi)的氧化還原對的標(biāo)準(zhǔn)電位用E°′表示，標(biāo)準(zhǔn)條件pH=7反應(yīng)中半反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位數(shù)值越小，失去電子的傾向越大。2.標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位與反應(yīng)的自由能變化的關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)條件下，電子從氧化還原電位較低的電子供體流向氧化還原電位較高的電子受體的傾向是自由能降低的結(jié)果。兩電對之間的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原反應(yīng)的變化可表示為：△E′°=E′

°電子受體-E′

°電子供體

氧化還原反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化△G′°與△E′°的關(guān)系：△G′°=-nF△E′°n為轉(zhuǎn)移電子的數(shù)目，F(xiàn)為法拉第常數(shù)(96.485KJ/V/mol)例：NAD++2H++2eNADH+H+E′°=-0.32V

1/2O2+2H++2eH2O

E′°=0.82VNADH+H+NAD++H2O

△E′°=0.82V-(-0.32V)=1.14V

△G′°=-2*（96.48KJ/V/mol)*（1.14V）

=-220KJ/mol

一、呼吸鏈呼吸鏈：電子從NADH和FADH2經(jīng)過一系列的傳遞體，最后傳遞給氧分子所經(jīng)過的途徑。部位：線粒體內(nèi)膜組成：煙酰胺脫氫酶類（以NAD+）、黃素脫氫酶類（以FAD或FMN為輔基）、鐵硫蛋白、輔酶Q、細(xì)胞色素類呼吸鏈類型：NADH呼吸鏈、FADH2呼吸鏈第三節(jié)生物氧化安密妥復(fù)合物Ⅰ:

NADH-Q

還原酶

NADH

+H++

FMN←→NAD++FMNH2

鐵-硫簇是鐵硫蛋白的輔基，作用是借鐵離子電價的變化而進(jìn)行電子傳遞。

Fe3++e←→Fe2+輔酶Q又稱CoQ（泛醌），其分子結(jié)構(gòu)中的苯醌結(jié)構(gòu)與對苯二酚結(jié)構(gòu)之間相互轉(zhuǎn)變時，起到遞氫作用。

CoQ+2H++2e←→CoQH2Ⅱ琥珀酸脫氫酶ⅢCoQ-細(xì)胞色素c氧化還原酶琥珀酸+FAD←→延胡索酸+FADH2琥珀酸延胡索酸細(xì)胞色素（Cyt）是一類以鐵卟啉為輔基的色素蛋白。其作用是在呼吸鏈中依靠鐵離子可逆的氧化還原反應(yīng)，起傳遞電子的作用。Fe3++e←→Fe2+游離的電子載體－－細(xì)胞色素c細(xì)胞色素c氧化酶二、氧化磷酸化氧化磷酸化：在細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)分子經(jīng)過氧化分解形成CO2和H2O，并釋放能量使ADP

和Pi合成ATP的過程。P/O比：氧化磷酸化過程中每2個電子通過電子傳遞鏈傳遞給氧（1/2O2）所產(chǎn)生的ATP的分子數(shù)。

1961P.Mitchell19781964P.BoyerJ.Walke1997氧化磷酸化機(jī)理——化學(xué)滲透學(xué)說1.