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1、 第 七 章 新陈代谢总论与生物氧化 （metabolism & biological oxidation）本章主要内容一 新陈代谢的基本概念1 新陈代谢新陈代谢的共同特点2 生物体内能量代谢的基本规律3 高能化合物与ATP的作用 二 生物氧化 1 1 生物氧化的概念和特点生物氧化的概念和特点 2 电子传递和氧化呼吸链3 呼吸链的组成 （1）呼吸链概念。 （2）电子传递链。 （3）电子呼吸链的抑制剂。三 氧化磷酸化的概念。1 氧化磷酸化2 氧化磷酸化的机制：3 ATP合成部位4 ATP合成机制。一 新陈代谢总论（一）基本概念新陈代谢：泛指生物与周围环境进行物质和能量交换的过程。分解代谢/异化作
2、用（catabolism）：指细胞从环境中摄取或是 本身所有的各种复杂的大分子降解为小的简单分子的过程，有化学 能释放，如糖、脂肪、蛋白质降解为乳酸、CO2、氨、脲等。合成代谢/同化作用（anabolism）：指从简单的生物小分子合 成细胞的组成成分，需要吸收能量，如合成核酸、糖、脂、蛋白质 等大分子。物质代谢：指糖类、脂类、蛋白质、核酸等的合成和分解代谢 。能量代谢：伴随物质代谢产生的机械能、化学能、热能及光、 电能的相互转化。自养生物（autotroph):从环境中获取CO2、H2O，利用 太阳能合成有机物（糖类）的生物，如高等植物、光合细 菌、蓝绿藻等。异养生物（heterotroph）
3、：依赖自养生物所制造的有 机物为碳源，利用复杂化合物分解释放的化学能维持生命 的生物，如高等动物、人和大多数微生物。代谢途径（metabolic pathway）：每一种物质的分解合 成代谢所经历的一系列酶促反应的总过程。中间代谢（intermediary metabolism）：指代谢途径中 的一系列酶促反应。代谢物（metabolite）：指代谢反应中的任一个反应物 ，中间物或产物。新陈代谢新陈代谢的共同特点1 代谢途径是由一系列酶促反应驱动反应链的形式：线性反应途径、环状反应途径、螺旋形反 应途径多酶系统：溶解状多酶体系多酶复合物（如：脂肪酸合成酶系）膜结合酶系（如：电子传递酶系）2 2
4、 代谢步骤复杂，相互配合，有条不紊彼此协调，具代谢步骤复杂，相互配合，有条不紊彼此协调，具 有严格的顺序性有严格的顺序性分解代谢：蛋白质、多糖、脂类等生物大分子降解为主要构件分子（阶段1）。如：多糖戊糖或己糖，脂肪甘油、脂肪酸构件分子降解为更小、更简单的中间物（阶段2） 。如：戊糖、己糖、甘油丙酮酸乙酰CoA中间产物最终降解为CO2、H2O、NH3等（阶段3）。如：乙酰CoA 三羧酸循环 CO2、H2O释放能量合成代谢：利用分解代谢产生的小分子为合成原料（阶段1 ） 合成各种生物大分子的构件单元（阶段2）。从构件分子合成大分子化合物（阶段3）。如：乙酰CoA 脂肪酸 脂类 需要能量3 细胞代谢
5、是一个经济的、精密的调节过程反馈作用 ：前馈作用 ：表：某些重要代谢途径的关键酶（限速酶）糖原降解 磷酸化酶 糖原合成 糖原合酶 糖酵解 己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶 糖有氧氧化 丙酮酸脱氢酶系、柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶 糖异生 丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸激酶、果糖1，6二磷酸酶 脂肪酸合成 乙酰辅酶A羧化酶 胆固醇合成 HMG辅酶A还原酶（二）新陈代谢的研究方法1 1 1 活体内与活体外实验活体内与活体外实验in vivo in vivo 活体内：活体内： 接近正常条件下，研究物质代谢情况接近正常条件下，研究物质代谢情况 。in vitroin vitro 活体外：组织切片，组织
6、培养，细胞或细胞器活体外：组织切片，组织培养，细胞或细胞器 的提取液研究物质代谢情况。的提取液研究物质代谢情况。2 2 同位素示踪法同位素示踪法同位素示踪法特异性强，灵敏度高，测定方法简便，是同位素示踪法特异性强，灵敏度高，测定方法简便，是 现代生物学研究中，经常采用的方法。使用过程中要注意安现代生物学研究中，经常采用的方法。使用过程中要注意安 全防止研究人员受到伤害和环境污染。全防止研究人员受到伤害和环境污染。（三）生物体内能量代谢的基本规律1、热力学第一定律：在一定状态下系统中的能量可以从 一种形式转变成另一种形式，但总能量保持不变。 2、热力学第二定律：任何一个自发进行的过程总是趋向 使
7、其无序程度（熵值）增加，直到平衡。S总 S 系 S 环S总 0 一切自发过程总的熵变为正值S总 0 非自发过程总的熵变为负值S总 0 平衡过程，可逆过程3、自由能：某一系统总能量中，能在恒定压力和温度下 做功的能量。GHTSH：热焓变化，代表总能量的变化G0：反应不可能自发进行（ S 0）吸（耗）能过程G0：反应处于平衡状态（ S0）G0：反应自发进行（ S0） 放能过程（1） G是状态函数，与变化途径、反映机理无关，仅 决定于起始反应物和终产物浓度和性质。（2） G与反应速度无关4、反应的标准自由能变化与反应的平衡常数的关系：A B C D CD GG RTlnAB R = 8.3110-3
8、kJ/K.mol=1.9810-3kcal/K.mol 气体常数G：pH7,25情况下的标准自由能变化当达到平衡时： C平衡D 平衡0G RTlnA 平衡B 平衡或 G- RTln Keq = -2.303RTlog Keq (Keq：平衡常数)Keq G 反应方向1 0 自发进行1 0 反向进行=1 =0 达到平衡（四）高能化合物与ATP的作用高能化合物1、定义：指含有高能键的化合物，该键水解时释放出大 量的自由能（20.92kJ），用表示。2、类型：（1）磷氧键型（-O-P-）：如乙酰磷酸、 1，3-二磷酸甘油酸、氨甲酰磷酸、焦磷酸、磷酸烯醇式丙酮酸（2）氮磷键型：如磷酸肌酸、磷酸精氨酸（
9、3）硫酯键型：如酰基辅酶A（4）甲硫键型：如S-腺苷甲硫氨酸3、ATP ATP在细胞内的功能（1）作为磷酸基团共同中间传递体（2）驱动合成反应（化学能）（3）细胞运动或肌肉收缩（运动）（4）跨膜逆浓度梯度主动转运营养物质（渗透能）（5） 电能、热能和光能分解代谢过程中放出的能量转 化为ATP，在合成代谢，生物运 动等过程中消耗。ATP将生物体内的放能过程 和吸能过程偶联起来。其它高能化合物的能量可以与ATP的合成耦联动物肌肉细胞中的磷酸肌酸（脊椎动物）和磷酸精氨酸（无脊椎动物） ，在激酶的催化下磷酰基团可以从这种高能分子转移到ADP上，形成ATP。（一）生物氧化的概念和特点氧化还原反应包括：1
10、 电子转移。得到电子物质为氧化剂；失去电子物质为还原剂；2 直接与氢结合为还原。3 直接与氧结合为氧化 生物氧化：糖，脂，蛋白质等燃料分子在细胞中逐步氧化分 解，生成CO2，H2O并释放出能量的过程称为生物氧化。生物氧化是需氧细胞呼吸代谢过程中的一系列氧化还原作用 ，又称细胞氧化或细胞呼吸。二 生物氧化 生物氧化特点：1 反应条件温和，逐步氧化，逐步放能。2 分步进行，多种酶和电子传递体参与氧化过程，释 放的能量以ATP形式储存起来。3 真核生物的生物氧化在线粒体的内膜上进行，原核 生物在细胞膜的内侧进行。（二）二氧化碳的生成糖、脂类和蛋白质等生物大分子分解生成有机酸和氨基 酸脱羧，放出二氧化
11、碳。脱羧过程有直接脱羧和氧化脱羧两种类型。(1）直接脱羧作用氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子 中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。CH3COCOOH CH3COH + CO2丙酮酸脱羧酶（TPP）（2）氧化脱羧作用氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化 脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢 ）作用。例如丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA。丙酮酸乙酰CoA +CO2（三）生物氧化中水的生成水的生成是氧与氢的结合，氢不能与氧直接结合 ，代谢物脱下的氢必须通过一系列的传递体，才能与氧结 合生成水。在电子传递过程中，还原型辅酶中的氢以H形式脱下 ，其电子经一系列的电子传递体（电
12、子传递链）转移， 最后转移到分子氧上，质子和离子型氧结合生成H2O。在电子传递过程伴随有H的结合和释放，形成跨膜 的质子浓度梯度和跨膜的电化学梯度，推动ATP的形成（ 氧化磷酸化）电子传递链在原核生物中位于质膜上，在真核生物 中位于线粒体内膜上。1 呼吸链 ：由NADH、FADH2到O2的电子传递链主要包 括4个酶复合体、两种游离电子载体。M-2HM氧化型还原型一个或多个传递体H2O O2复合体IV：细胞色素氧化酶细胞色素c氧化酶 细胞色素aa3复合体复合体I： NADH-Q还原酶， NADH脱氢酶复合体II： 琥珀酸-Q还原酶复合体III：细胞色素还原酶辅酶Q-细胞色素c还原酶细胞色素bc1
13、复合体两种游离电子载体：CoQ（ubiquinone)、cyt c2 呼吸链的组成电子传递链各个成员（1） NADH-Q还原酶（NADH脱氢酶、复合体I）两种辅基：FMN、Fe-S 聚簇一种辅酶： 辅酶Q2e-（H- ）NADHFMNFe-SCoQ铁硫中心:铁硫聚簇（iron-sulfur clustur，Fe-S)铁硫蛋白非血红素蛋白（nonheme iron proteins)广泛参与生物氧化还原反应：铁硫中心铁的价态变 化（Fe3+Fe2+）可以将电子从FMN辅基上转移 到呼吸链下一成员辅酶Q上2Fe-2S和4Fe-4S两种类型铁-硫簇的结构（2）辅酶Q（泛醌）脂溶性醌类化合物，作为复合
14、体I、II、III的辅 酶，但结合非常疏松，可以沿线粒体内膜的脂 双层扩散。辅酶Q可以接受NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、脂 酰-CoA等黄素酶类脱下的电子和氢原子。复合体I将来自NADH的电子传递给泛醌复合体I NADH-泛醌氧化还原酶（也称之NADH脱氢酶）催 化NADH的两个电子转移给泛醌。复合体I是个非常复杂的酶，下图 给出了在复合体I中依次进行的反应。复合体I中电子转移和质子流（3）琥珀酸-Q还原酶（复合体II）4亚单位：包括 琥珀酸脱氢酶 辅基：FAD、Fe-S 辅酶：CoQ琥珀酸FADH2Fe-SCoQ复合体II将电子由琥珀酸转移到泛醌 复合体II琥珀酸-泛醌氧化还原酶（也称之琥珀
15、酸脱氢酶复合体）接受来自琥珀酸的电子，同时也象复合体I一样催化Q还原为QH2。琥珀酸脱氢酶，它催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸。 来自琥珀酸的两个电子转移给Q。由复合体II催化的反应中释放的自由能很少，它的主要作用是将来自琥珀酸氧化的电子引入到电子传递链中。Q可以接受来自复合体I或II的电子，然后再将电子传给复合体III。通过复合体II的电子流（4）细胞色素还原酶（复合体III）CoQ-细胞色素c还原酶、细胞色素bc1复合体 辅基：血红素b562、b566，血红素c1、Fe-S 辅酶： CoQQH2Cyt bCoQ-细胞色素c还原酶Cytc12Fe-2SCyt c复合体IV中电子传递和质子流动细胞色素细胞色素是
