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1、第六章代谢导论与生 物 氧 化Chapter 6 Biological Oxidation,新陈代谢通论 生物能学 生物氧化的概念及类型 生成ATP的氧化体系 氧化磷酸化的作用机制及影响因素 高能磷酸键的储存与释放 线粒体外NADH的穿梭,教学目的: 1.掌握新陈代谢的概念，生物能学的基本内容和高能化合物的概念和特点 2.掌握生物氧化的概念及特点 3.掌握氧化磷酸化的机制 4.呼吸链的组成及各部分的作用特点 教学重点难点: 氧化磷酸化的作用机制; 呼吸链的作用特点 教学课时:6,Section 1 新陈代谢通论,1、新陈代谢的概念 新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征一，泛指生物
2、与周围环境进行物质交换、能量交换和信息传导的过程。 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，即所谓同化作用（assimilation）；另一方面，将原有的组成成份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，即所谓异化作用（dissimilation ），通过上述过程不断地进行自我更新。 特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行,新陈代谢的概念及内涵,小分子 大分子 合成代谢（同化作用） 需要能量 释放能量 分解代谢（异化作用） 大分子 小分子,物质代谢,能量代谢,新陈代谢,信息传导,2、新陈代谢的调节,生物机体的新陈代谢是一个完整
3、的整体，机体代谢的协调配合，关键在于它存在有精密的调节机制。代谢的调节使生物机体能适应其内、外复杂的变化环境，从而得以生存。这种精密的调节机制是生物在长期演化中获得的。 代谢调节可分为三个不同水平： 分子水平 细胞水平 整体水平,3、代谢中常见的有机化学反应机制,基团转移反应 氧化-还原反应 消除、异构化和重排反应 碳-碳键的形成与断裂反应,5、 新陈代谢研究方法,1）、追踪代谢物支向 同位素示踪法是研究代谢的最有效和最常用的方法。一般都是向制备的组织、细胞或亚细胞成分中加入同位素标记的底物，然后追踪生成的中间产物和终产。绘制出代谢物的转换图。2）、酶抑制剂的应用 3）、气体测量法 4）、核磁
4、共振波谱法 5）、利用遗传缺陷症研究代谢途径,维持生命活动的能量，主要有两个来源： 光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。 化学能：动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。 有机物质在生物体内的氧化作用，称为生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧化成CO2和水，并释放出能量。,Section 2 生物能学,一、生物能转换服从热力学定律,(一)几个概念 1.内能(internal energy;U):是体系内部质点能量的总和. 是体系状态的函数
5、2.焓(enthalpy;H)是一个体系的内能与其全部分子的压力和体积总变化之和 H = U + PV 3.熵(entropy;S):代表体系能量分散程度的状态函数,即一个体系质点散乱无序的程度 4.自由能(free energy;G):指在一个体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量 G = H - TS,(二)热力学第一定律: 能量守恒定律 U=Q-W,(三)热力学第二定律:在隔离体系中,只有当其体系 和周围环境的熵值总和增加时才能自发进行 S ,Q,T,1.化学反应中的自由能 在恒温、恒压下进行的化学反应，其产生有用功的能力可以用反应前后自由能的变化来衡量。 自由能的变化：
6、G = G 产物 G反应物 = H _ TS G、H 、S分别代表体系的自由能变化，焓变化，熵变化。 T代表体系的绝对温度。 焓与熵都是体系的状态函数。 焓代表体系的内能与压力P*体积V之和：H = U + P*V 熵代表体系中能量的分散程度，也就是体系的无序程度：S = dQT ，S = S体系+S环境 ，只有S0，过程才能自发进行。,二、生物化学反应的自由能变化及其意义,2、G是衡量反应自发性的标准。 G0，反应不能自发进行，必须供给能量。 G=0，反应处于平衡状态。 一个放热反应(或吸热反应)的总热量的变化（H），不能作为此反应能否自发进行的判据，只有自由能的变化才是唯一准确的指标。 G
7、0仅是反应能自发进行的必要条件，有的反应还需催化剂才能进行，催化剂（酶）只能催化自由能变化为负值的反应，如果一个反应的自由能变化为正值，酶也无能为力。 当G为正值时，反应体系为吸能反应，此时只有与放能反应相偶联，反应才能进行。,三、 标准自由能变化及其与化学反应平衡常数的关系 aA+bB cC+dD 标准自由内能变化：在规定的标准条件下的自由能变化，用G表示。 标准条件：25，参加反应的物质的浓度都是1molL（气体则是1大气压）。若同时定义pH =7.0，则标准自由能变化用G表示。 对于一个溶液中的化学反应： aA + bB cC + dD,当反应达到平衡时，G = 0,K/是化学反应的平衡
8、常数，因此，G/ 也是一个常数。 常见物质的标准生成自由能G已经列在各种化学手册中，可以根据G= -RT lnK的公式求出平衡常数K。,P33举例说明如何用K求出Go 和G 从例子可以看出Go 和G实际上是两个不同条件下的自由能变化值。 （1） Go是标准条件下的自由能变化，既反应物A、B、C、D的起始浓度都为1mol/L，温度为25，pH=7.0时的G。每一个化学反应都有其特定的标准自由能变化（既Go），是一个固定值， G是任意给定条件下的自由能变化，它是反应物A、B、C、D的起始浓度、温度、pH的状态函数，在一个自发进行的化学反应中，自由能总是在降低，G总是负值，随着反应向平衡点的趋近，G
9、的绝对值逐渐缩小，直到为0。 （2）从Go= -RTlnK，可以求出K及Go，根据Go、G 与K可以判断任何条件下反应进行的方向及程度。,四、自由能变化的可加和性 在偶联的几个化学反应中，自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和。 例如：Glc+ATPG6P+ADP（总反应） 第一步，Glc+PiG6P+H2O,此反应不能自发进行。 第二步，ATP+H2OADP+Pi 总反应：Glc+ATPG6P+ADP. 因此，一个热力学上不能进行的反应，可与其它反应偶联，驱动整个反应进行。此类反应在生物体内是很普遍的。,（一）、生物体内的高能磷酸化合物,高能化合物：水解时释放5000卡/mol及以上自
10、由能的化合物。 磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起者重要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放出大量自由能(5000卡/mol) 称为高能磷酸化合物。 一般将水解时能够释放20.92 kJ （5cal)以上自由能的键称高能键。 ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。,五、ATP在生物能学中的作用,（二）ATP的分子结构特点与水解自由能的关系 ATP是生物能存在的主要形式 ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。 ATP是生物体通用的能量货币。生物能存储于ATP的焦磷酸键中，ATP通过水解与磷酰化反应为细胞提供能量。 ATP水解即可生成ADP也可生成AMP但释放能量一样。
11、 ADP+Pi ATP ATP+H2O ADP+Pi G=-31kJ/mol ATP+H2O AMP+PPi G=-31kJ/mol PPi+H2O 2Pi G=-29kJ/mol,ATP是细胞内产能反应和需能反应的化学偶联剂,在传递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和转运者，但不是能量的贮存者(磷酸肌酸、磷酸精氨酸)。 磷酸肌酸（CP）是肌肉和脑组织中能量的贮存形式。但磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用，而必须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理活动之需。这一反应过程由肌酸磷酸激酶（CPK）催化完成。 CPK CP + ADP C + ATP 在磷酸基转移中的作用 : ATP是
12、磷酸基团转移反应的中间载体。,（三）ATP在生化反应中的特殊作用, ATP是磷酸基团转移反应的中间载体 磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物质向势能 低的物质转移。 磷酸基团转移势能在数值上等于其水解反应G0。,磷酸基团转移势能（kcal/mol),2,4,6,8,10,12,14,16,ATP,PEP,1，3-二P甘油酸,6-P葡萄糖,3-P甘油,磷酸烯醇式丙酮酸,（四）多磷酸核苷间的能量转移：,在生物体内，除了可直接使用ATP供能外，还用使用其他形式的高能磷酸键供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白质的合成等。 核苷单磷酸激酶 NMP + ATP NDP + A
13、DP 核苷二磷酸激酶 NDP + ATP NTP + ADP,六、生物体内的高能化合物,根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型。,1、磷氧键型（OP),(1)酰基磷酸化合物,3-磷酸甘油酸磷酸,乙酰磷酸,10.1千卡/摩尔,11.8千卡/摩尔,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰基腺苷酸,（2）焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,7.3千卡/摩尔,（3）烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,14.8千卡/摩尔,2, 氮磷键型,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,10.3千卡/摩尔,7.7千卡/摩尔,这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。,3,硫酯键型,3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸,酰基辅
14、酶A,4、实例：,乙酰CoA：含一个高能键 还原型的NAD：NADH+H+ 相当于3个高能键，当它氧化成氧化型的NAD时，可以制造3分子ATP（ADP+PATP） 还原型的NADP：NADPH+H+ 相当于3个高能键，当它氧化成氧化型的NAD时，可以制造3分子ATP（ADP+PATP） FADH2：相当于2个高能键，当它氧化成氧化型的FAD时，可以制造2分子ATP（ADP+PATP）,有机分子在生物体内氧化分解成二氧化碳和水并释放出能量形成ATP的过程称为生物氧化。 生物氧化的特点：1）生物体内的生物氧化过程是在体温条件下，近于中性的含水环境中，由酶催化进行的；2）反应逐步释放出能量，相当一部
15、分能量以高能磷酸酯键的形式储存在一些特殊的化合物中，主要是ATP。,Section 3 生物氧化（biological oxidation）,一、 生成ATP的氧化体系,（一）线粒体氧化呼吸链 在生物体内，有机物氧化时脱下的电子和质子不是直接交给分子氧，而是转移到脱氢酶的辅酶NAD+和FAD上，形成NADH和FADH2形式，再经过一系列电子、质子传递体，最终传递给O2导致水及ATP的生成。 这些递氢体或递电子体往往以复合体的形式存在于线粒体内膜上。 在线粒体中，递氢体或递电子体按一定顺序排列，组成与细胞呼吸过程有关的链式反应体系称为呼吸链(respiratory chain)。 电子传递有严格顺序，只能从氧化还原势较低的载体传递到氧化还原势较高的载体,线粒体的结构,外膜：含孔蛋白(porin)， 通透性较高。 内膜：高度不通透性，向内折叠形成嵴（cristae ）。含有与能量转换相关的蛋白 膜间隙：含许多可溶 性酶、底物及辅助因子。 基质：含三羧酸循环酶系、线粒体基因 表达酶系等以及线粒体 DNA, RNA，核糖体。,(二)主要的电子传递复合体及电子的传递： 1Complex（NADH-泛醌还原酶；NADH脱氢酶）： FMN + 2（Fe-S） CoQ,作用：催化NADH氧化，从中获得2高能电子辅酶Q 泵出4 H+(既是电子传递体又是质子移位体）,
