第六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新陳代謝

合成代謝（同化作用）

分解代謝（異化作用）生物小分子合成為生物大分子需要能量釋放能量生物大分子分解為生物小分子能量代謝物質(zhì)代謝目前一頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點二、新陳代謝的共同特點：1.由酶催化，反應(yīng)條件溫和。2.諸多反應(yīng)有嚴格的順序，彼此協(xié)調(diào)。3.對周圍環(huán)境高度適應(yīng)。三、新陳代謝的調(diào)節(jié)三個水平調(diào)節(jié)：分子水平------酶濃度和數(shù)量的調(diào)節(jié)（包括基因水平上的調(diào)節(jié)）細胞水平------細胞區(qū)域化調(diào)節(jié)整體水平------激素和神經(jīng)的調(diào)節(jié)目前二頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點四、生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律自由能：生物體（恒溫恒壓）用以作功的能量。在沒有作功條件時，自由能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軉适?。熵：混亂度或無序性，是一種無用的能。ΔG=ΔH-TΔS對于aA+bB←→cC+dDΔG°=-RTlnKK=[C]c[D]d/[A]a[B]b△G－－－在恒溫、恒壓下，體系發(fā)生變化時的自由能變化△H－－體系焓的變化；T－－體系的絕對溫度；△S-----體系的熵變。目前三頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點

自由能用于生物化學反應(yīng)的規(guī)定

物理化學中的標準自由能（G）為25℃、一個大氣壓，參與反應(yīng)的物質(zhì)濃度均為1mol/L時能量的變化。但是在生物體系中，其氧化還原反應(yīng)經(jīng)常有H+

參加，如果按物理化學的標準自由能計算，則這個標準條件的pH值為0，顯然，不符合生物體系反應(yīng)條件。生物體系中，其標準自由能是指pH＝7.0時的自由能，用G°’表示，自由能的變化用ΔG°’

表示。目前四頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點

概念：水解自由能在20.92kJ/mol（5千卡/mol）以上的化合物。高能化合物中被水解的基團稱為“高能基團”，被水解的鍵稱為“高能鍵”用“～”表示

以磷酸作為高能基團的高能化合物稱為“高能磷酸化合物”

五、

高能化合物PEPPPi1磷氧鍵型，其高能鍵是由磷和氧原子構(gòu)成即“—O～P—”如：磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）、焦磷酸（PPi）等。高能化合物類型：目前五頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點2氮磷鍵型，高能鍵是由氮和磷構(gòu)成，如磷酸肌酸3硫酯鍵型，高能鍵是屬于硫酯鍵，如脂酰輔酶A目前六頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點常見磷酸化合物標準水解自由能ATPAMPADP

ATP的結(jié)構(gòu)特性結(jié)構(gòu)水解自由能：每個高能鍵的水解自由能為30.5kJ/mol或7.3kcar/mol目前七頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點第二節(jié)生物氧化一、生物能流：化學能太陽光能呼吸作用能量通貨損失：熱、熵光合作用CO2+H2O有機物化學能滲透能電能機械能熱能……二、生物氧化

1.概念：有機物在生物體內(nèi)氧化分解成二氧化碳和水并釋放和貯存能量的過程葡萄糖——6CO2+6H2O+能量（2870.22kJ/mol）2.內(nèi)容：碳成為二氧化碳，氫成為水，能量以熱的形式釋放或貯存于ATP3.方式：（1）加氧：ATP目前八頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點

（2）脫氫:①加水脫氫:Fe2+————Fe3++e－（3）脫電子：HOOC-CH2-CH2-COOH————HOOC-CH=CH-COOH+2H++2e－

琥珀酸琥珀酸脫氫酶延胡索酸②直接脫氫：目前九頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點4.生物氧化的特點

體內(nèi)氧化體外氧化1）物質(zhì)氧化方式：加氧、脫氫、失電子2）物質(zhì)氧化時消耗的氧量、得到的產(chǎn)物和能量相同。相同點不同點1）反應(yīng)條件：溫和劇烈2）反應(yīng)過程：分步反應(yīng)一步反應(yīng)能量逐步釋放能量突然釋放3）產(chǎn)物生成：間接生成直接生成4）能量形式：熱能、ATP熱能、光能

體內(nèi)氧化體外氧化目前十頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點生物氧化的特點：生物氧化是生物體在熱力學允許的條件下的有序、可控的氧化過程，因為生物氧化的場所是細胞，其基本過程是大分子分解為CO2和H2O，并產(chǎn)生能量。生物氧化又稱細胞呼吸（cellularrespiration)

1)

逐步氧化，有序可控；2)條件溫和，多步酶促反應(yīng);3)能量逐步釋放并以ATP的方式貯存。4）分為線粒體氧化體系和非線粒體氧化體系。目前十一頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點5.CO2生成方式糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2

（1）直接脫羧（2）氧化脫羧:R-CH(NH2)-COOH——————RCH2-NH2+CO2

氨基酸氨基酸脫羧酶胺

蘋果酸

丙酮酸蘋果酸酶蘋果酸

丙酮酸蘋果酸酶CH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脫羧酶（α-脫羧）目前十二頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點

代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O。6.H2O的生成方式AH2AH2O1/2O2酶一酶體系H2O1/2O2AH2A酶1……酶2酶3酶n多酶體系目前十三頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點目前十四頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點三、氧化酶類：1.電子轉(zhuǎn)移酶如：細胞色素類，這是一類催化氧化還原反應(yīng)的酶，其輔基是血紅素，作用部位是血紅素中的鐵離子，接受電子和釋放電子催化反應(yīng)2.氧化酶：（1）一般氧化酶：單獨使底物脫氫，并把氫交給氧的酶類，如一酶體系中的多酚氧化酶。（2）黃素氧化酶：接受底物的氫，并把它交給氧分子而生成過氧化氫的酶。輔基通常是FAD。如黃嘌呤氧化酶目前十五頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點（3）末端氧化酶：處于一系列氧化還原酶末端，直接將遞體的電子交給氧生成水的酶，如上述多酶體系中的最后一個酶3.脫氫酶：催化底物脫氫，脫下的氫交給遞氫體的酶。輔基通常FAD或FMN。如：琥珀酸脫氫酶：4.加氧酶：加雙氧酶和加單氧酶目前十六頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點一、概念：線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞系統(tǒng)。

類別：

NADH呼吸鏈：NADH脫氫酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cytb、Cytc1、Cytc、Cyta.a3

FADH2呼吸鏈：琥珀酸脫氫酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cytb、Cytc1、Cytc、Cyta.a3二、組分：第三節(jié)呼吸鏈1.NADH脫氫酶：輔基為FMN，是一個跨膜蛋白，其活性中心在膜的內(nèi)側(cè)，可催化NADH脫氫，并具有質(zhì)子泵功能，其與鐵-硫蛋白形成復合體內(nèi)膜外內(nèi)2.琥珀酸脫氫酶（FAD）：與鐵硫蛋白形成復合體，是膜內(nèi)側(cè)的一個嵌入蛋白，活性中心在膜的內(nèi)側(cè)，可催化琥珀酸氧化為延胡索酸，無質(zhì)子泵功能內(nèi)膜外內(nèi)目前十七頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點3.Fe-S蛋白：含有等量的鐵和硫，二者形成配位鍵，鐵還和肽鏈的半胱氨酸形成配位鍵。有Fe2-S2、Fe4-S4幾種形式。但只有一個鐵可以接受和放出電子SFe—S(半胱)SSS(半胱)S—Fe(半胱)S—FeFe—S(半胱)肽SSSSSS肽FeFe4.CoQ：是醌式化合物，脂溶性,由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈，可接受一對質(zhì)子和一對電子，是呼吸鏈上唯一的非蛋白電子載體，在膜中比較自由。氧化還原反應(yīng)時可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。其反應(yīng)如下：Fe2+Fe3++e－目前十八頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點（1）Cytb：Cytb是膜的嵌入蛋白，可接受CoQ的電子，且具有質(zhì)子泵功能（2）Cytc1:膜的嵌入蛋白，與Cytb組成一個復合體，它可接受b的電子，并把它傳給Cytc5.細胞色素（Cyt）類:共有5種，分別為Cytb、Cytc1Cytc、Cyta.a3所有的細胞色素類都是蛋白質(zhì)，都含有輔基—血紅素，如Cytc的輔基與蛋白質(zhì)的結(jié)合。Fe2+Fe3++e－其中的鐵離子可接受電子和釋放電子內(nèi)膜外內(nèi)目前十九頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點（4）Cyta·a3：主要催化細胞色素C到細胞色素a·a3的電子傳遞：這是兩個細胞色素的復合體，是一個跨膜蛋白，含有Cu離子。在膜的外部，Cyta接受Cytc的電子，經(jīng)過Cu傳給a3，a3的活性中心在膜的內(nèi)側(cè)，可以將其電子直接傳給氧分子而生成水。該復合體也有質(zhì)子泵功能。

該復合體又稱為細胞色素c氧化酶、呼吸鏈末端氧化酶。（3）Cytc：是膜上唯一的外周蛋白，處于膜的外側(cè)，可接受Cytc1的電子，并傳給Cyta·a3。Cytc2e-內(nèi)膜外內(nèi)2H+內(nèi)膜外內(nèi)前三者都屬于細胞色素還原酶目前二十頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點NADH→FMN→CoQ→b→c1

→

c→aa3

→

O2

-0.32–0.300～0.1+0.07+0.22+0.25+0.29+0.816

琥珀酸→

FAD→CoQ→b→c1→

c→aa3

→

O2

+0.06三、工作機理：1.呼吸鏈組分排列順序及氧化還原電位：2.工作機理：目前二十一頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點氧化還原反應(yīng):電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)化學電池：Zn=Zn2++2e-Cu2++2e-=Cu氧化還原電勢:還原劑失電子；氧化劑得電子傾向GreensolutionofZn2+ionsCu目前二十二頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點生物體內(nèi)的氧化還原反應(yīng)原理與化學電池相同目前二十三頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點內(nèi)外IIIIIIIVc內(nèi)膜QNADH琥珀酸1/2O2四、存在狀態(tài)

四個復合體：復合體I：NADH脫氫酶、鐵硫蛋白

復合體II：琥珀酸脫氫酶、鐵硫蛋白

復合體III：細胞色素b、c1

復合體IV：細胞色素氧化酶

兩個游離載體：輔酶Q、細胞色素c目前二十四頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點

（1）復合體Ⅰ：NADH一泛醌還原酶：該復合體將電子從NADH經(jīng)FMN及鐵硫蛋白傳給泛醌。（2）復合體Ⅱ：琥珀酸一泛醌還原酶：該復合體將電子從琥珀酸經(jīng)FAD及鐵硫蛋白傳遞給泛醌。（3）復合體Ⅲ：泛醌一細胞色素C還原酶：該復合體將電子從泛醌經(jīng)Cytb、Cytc1傳給Cytc。（4）復合體Ⅳ：細胞色素C氧化酶：該復合體將電子從Cytc經(jīng)Cytaa3傳遞給氧。

目前二十五頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點外IIIIIIIVc內(nèi)膜Q魚藤酮、安密妥、殺粉蝶素STOPSTOP抗霉素ACN–、N3–CO、H2SNADH→復合體I→Q→復合體III→Cytc→復合體IV→O2STOP五、電子傳遞抑制劑：目前二十六頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點第四節(jié)氧化磷酸化一、概念:伴隨生物氧化放能反應(yīng)由ADP與Pi合成ATP的過程。二、類型:底物水平磷酸化：高能磷酸化合物在酶的作用下將高能磷酸基團轉(zhuǎn)移給ADP合成ATP的過程。丙酮酸激酶氧化磷酸化：是指呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，即將電子傳遞過程中產(chǎn)生的自由能用于ATP合成又稱為偶聯(lián)磷酸化。NADHO2呼吸鏈能量ADP+PiATP目前二十七頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點三、偶聯(lián)部位:1.電位：電位差在0.158伏以上的部位可以偶聯(lián)產(chǎn)生ATP0.53V0.22V0.32VNADHQbcaO2目前二十八頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點每消耗1原子氧同時消耗幾分子無機磷酸，即每傳遞1對電子可偶聯(lián)產(chǎn)生幾分子ATP底物 NADH 琥珀酸 CoQ 細胞色素cP/O 3 2 2 12.P/O：NADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cyta.a3→O2ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPIIIIIV琥珀酸→FADII呼吸過程中無機磷酸（Pi）消耗量和原子氧（O）消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過程中，每傳遞一對電子消耗一個氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的數(shù)值相當于一對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至原子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。目前二十九頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點根據(jù)氧化-還原電位與自由能變化關(guān)系式，計算出在NADH氧化過程中，有三個反應(yīng)的G’<-30.5kJ/mol。FMNH2

Qcytbcytc1cytaa3

O2G’-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/moL這三個反應(yīng)分別與ADP的磷酰化反應(yīng)偶聯(lián)，產(chǎn)生3個ATP。目前三十頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點四、氧化磷酸化機理:1.氧化磷酸化的細胞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)線粒體（mitochondria）外膜（outermembrane）內(nèi)膜（innermembrane）嵴（sterility）線粒體內(nèi)膜的表面有一層規(guī)則地間格排列著的球狀顆粒，稱為ATP酶復合體，是ATP合成的場所。目前三十一頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點2.ATP合成酶(ATPsynthase）)

F1-F0因子：結(jié)構(gòu)膜bdgebabaadgeF1F0F1：3a、3b、g、d、e5種共9個亞基亞基為ATP合成部位F0：多個疏水亞基，嵌入膜內(nèi)，為質(zhì)子通道和F1的基底g亞基突出與F0結(jié)合

F1：催化ATP合成F0：穿膜質(zhì)子通道目前三十二頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點ATPADP+Pigaaabbb內(nèi)膜bdgebaADP+PiATP2H+F1-F0的工作機理目前三十三頁\總數(shù)三十八頁\編于十七點IIIIIIIVcQ內(nèi)膜內(nèi)外FMNbc1aa3F1F01/2O2H2O2H+2H+2H+ADP+PiATPNADH+H+NAD+琥珀酸2H+電子傳遞泵出質(zhì)子，內(nèi)膜的內(nèi)外側(cè)形成質(zhì)子的濃度梯度和電位梯度，總稱為質(zhì)子的電化學梯度2H+化學滲透學說機理（1）化學偶聯(lián)假說（Chemicalcouplinghypothesis)（2）構(gòu)象偶聯(lián)假說(conformationalcoupli