生物氧化第八章生物化学

1、第八章 代谢与生物氧化,本 章 要 点,代谢总论：基本概念、原理、特点 生物氧化的特点、体系 电子传递链的定义、组成、特点及作用 氧化磷酸化的定义、偶联机制及意义 教材：第19、20、24、39章,第一节 代谢总论,一、基本概念,新陈代谢(Metabolism) ：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/异化作用（catabolism）：指细胞从环境中摄取的或是本身所含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。 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。 物质代谢：指糖类、脂类、蛋白质、核酸等的合成和分解代

2、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）：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

3、一个反应物，中间物或产物。 新陈代谢的研究方法（P15,二、代谢的特点 (P538第39章,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,代谢途径是由一系列酶促反应构成,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,合成代谢：利用各种小分子为原料合成中间物（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

4、（阶段3）。 如：乙酰CoA 脂肪酸 脂类,代谢过程一般分为三阶段进行,ATP是代谢反应中能量转移的重要载体，称为“能量通用货币,分解代谢与相应的合成代谢途径通常是不重合的，存在差别,NADPH以还原力形式携带能量,NADPH将能量供给还原性的生物合成需要，而NADH和FADH2 是作为生物氧化过程中氢和电子携带者，经电子传递链，用于产生ATP,各种代谢途径定位于细胞不同区域（区室化,表：主要代谢途径（多酶体系）在细胞内的分布,DNA及RNA合成 细胞核 糖酵解 胞液 蛋白质合成 胞液，内质网 磷酸戊糖途径 胞液 糖原合成 胞液 糖异生 胞液，线粒体 脂肪酸合成 胞液 脂肪酸-氧化 线粒体 胆

5、固醇合成 胞液，内质网 三羧酸循环 线粒体 磷脂合成 内质网 氧化磷酸化 线粒体 血红素合成 胞液，线粒体 尿素合成 胞液，线粒体,P552 图3916,细胞代谢是一个经济的、精密的调节过程,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,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。 UUf

6、 Ui = QW U：内能变化 Uf ，Ui：状态起始和终末的内能 Q：体系从环境吸收的热量 W：体系对环境所做的功 2、热力学第二定律：任何一个自发进行的过程总是趋向使其 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,三、热力学原理是代谢研究的基础 （p23第20章,GHTS H：热焓变化，代表总能量的变化 G0：反应不可能自发进行（ S 0） G0：反应自发进行（ S0） G0：反应处于平衡状态（ HTS） （1） G是状态函数，与变化途径、反应机理无关，仅决定于起始反应物和终

7、产物浓度和性质。 （2） G与反应速度无关,3、自由能：某一系统总能量中，能够在恒定压力和温度下做功的能量。(p27,4、反应的标准自由能变化与反应的平衡常数的关系,标准自由能变化的应用与意义 P31-33,An+ + ne- A B B n+ + ne- An+ + B A + B n+ 标准氧化还原电势（标准还原势，EX+/X）：表示一种物质得失电子能力，通过一定的化学原电池可以测定。 （P115,以标准氢电极为参比电极 （ E H+/H2= 0） E ：25，1大气压，pH =0， 氧化型=还原型=1M E ：pH =7 E 数值越负，失电子能力越强， 强还原剂。 E 数值越正，得电子能

8、力越强， 强氧化剂。 E正极 E负极 ：电动势 E：电极势,5、生物氧化中的自由能变化 （p114,P117,标准还原电势与标准自由能变化的关系： GnFE n：转移的电子数 F：法拉第常数（96.48kJV1mol-1） E：氧化和还原的标准还原电势差,例： NAD2H2e NADHH E0.32V 1/2O22H2e H2O E=0.82V 净反应方程式为： NADH1/2O2HNADH2O E1.14V 标准自由能的变化： G（2）（96.48kJV1mol-1）（1.14V）220kJmol-1 由ADPPi生成ATP的自由能变化是30.5kJ mol-1，在生理条件下NADH氧化释放

9、出的能量足可以驱动几个ATP分子的形成,四、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。（P34） 2、类型： （1）磷氧键型（-OP）；（2）磷氮键型（-HNP）； （3）硫酯键型：如酰基辅酶A；（4）甲硫键型：如S-腺苷甲硫氨酸,ATP在细胞内的功能： 作为磷酸基团传递体 驱动合成反应 细胞运动或肌肉收缩 跨膜逆浓度剃度主动转运营养物质 DNA、RNA、蛋白质生物合成过程中传递遗传信息,3、ATP,其它高能化合物的能量可以与ATP的合成耦联（p39图20-2,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） ，在激酶催

10、化下磷酰基团转移到ADP上，形成ATP,第二节 生物氧化的方式和特点,一、生物氧化(Biological oxidation)基本概念,1、定义：又称细胞氧化或细胞呼吸，指生物体内有机物进行的氧化分解，生成CO2和H2O，并释放能量的过程。 2、生物氧化过程： 糖类葡萄糖 脂类脂肪酸 乙酰CoA等中间物 蛋白质氨基酸 乙酰CoA等 TCA Cycle 碳骨架 CO2 NADH、NADPH、FADH2 还原型辅酶进入氧化呼吸链，将电子最终传给氧，生成H2O，同时释放能量,二、生物氧化的特点,1、有机分子发生的一系列化学变化是酶促反应。是在常温、常压、中性pH和有水的环境中进行。 2、采取分次逐步

11、释放能量的方式，使能量得到充分贮存和利用。 3、能量绝大部分以ATP形式暂时贮存，电子从还原型辅酶O2过程释放的能量占全部氧化产能的大部分。 4、碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体传递。 5、水的作用：提供环境、参与反应过程、加水脱氢产生能量,三、生物氧化的方式,1脱氢氧化反应,1）直接脱氢 催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶,例：烷基脂肪酸脱氢,琥珀酸脱氢酶,醛酮脱氢,乳酸脱氢酶,2）加水脱氢,例：醛氧化成酸,2氧直接参加的氧化反应,加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中,氧化酶： 通过激活氧，从而催化代谢物的氢传给活化氧生成水,O2 2O2-

12、对苯二酚 + 1/2O2 醌 + H2O,3脱电子,1）直接脱羧作用,脱羧,脱羧,2）氧化脱羧作用,在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢,四二氧化碳的生成,五、H2O的生成,代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水,MH2,M,递氢体,递氢体H2,NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ,还原型,氧化型,Cyt递电子体 b, c1, c, aa3,2H,2e,O2,O2,H2O,脱氢酶,氧化酶,六、参与生物氧化的物质,1、脱氢酶：使代谢物一定部位的氢活化并脱落。 （1）以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶（黄素酶/黄酶,FAD(黄素-腺嘌呤二核苷酸)和FMN(黄素单核苷酸)是核黄素(维生素B2)的衍

13、生物,根据受氢体不同，分为两类： 需氧黄酶：激活代谢物分子中的氢，并以分子氧为直接受氢体，生成H2O2，与能量产生关系不大。如：胺氧化酶（FAD）、黄嘌呤氧化酶（FAD）、L-氨基酸氧化酶（FMN）。 不需氧黄酶：不以氧为直接受氢体，代谢物脱下的氢先传给中间传递体，最后才传给氧生成H2O，与能量生成有关。如：琥珀酸脱氢酶（FAD）、脂酰CoA脱氢酶（FAD）、NADH脱氢酶（FMN）、磷酸甘油脱氢酶（FAD,脱氢作用方式,2）以烟酰胺核苷酸为辅酶的脱氢酶（不需氧脱氢酶,NAD+ (烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸，又称为辅酶I) 和NADP+(烟酰胺-腺嘌呤磷酸二核苷酸,又称为辅酶II )是维生素烟酰胺

14、（VPP）的衍生物,如：异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶、3-磷酸甘油醛脱氢酶、 脂酰CoA脱氢酶等,表 一些重要的烟酰胺核苷酸脱氢酶,是含铜或铁的蛋白质，通过激活分子氧，把代谢物的氢 传给氧生成水。在无氧情况下不能发挥作用。 如：细胞色素氧化酶、酚氧化酶、抗坏血酸氧化酶。 特点：1）不能直接催化底物脱氢，而是接受中间体传递 的电子；2）以O2作为直接受氢体，生成H2O； 3）辅因子：含铜离子、铁卟啉； 4）抑制剂：受呼吸抑制剂影响，CO、CN-、N3,3、加氧酶,2、氧化酶,是生物氧化中起中间传递氢或传递电子作用的物质。（存在于 不需氧脱氢酶氧化体系,P121,黄素蛋白（FP）（又称黄酶，即黄素

15、核苷酸脱氢酶） 以FMN或FAD为辅基，接受NADH + H+ 脱氢。 辅酶Q，又称泛醌(P122) 是电子传递链中唯一的非蛋白载体,4、传递体,1）递氢体,Q (醌型结构) 很容易接受电子和质子，还原成QH2（还原型）；QH2是一个双电子载体，也容易给出电子和质子，重新氧化成Q,细胞色素体系（含铁卟啉的色蛋白） 种类：细胞色素a、a3、b、c、c1。可以通过吸收光谱来鉴别。主要是通过Fe3+ Fe2+ 的互变传递电子，是单电子传递体。(p124表24-3） 细胞色素c是电子传递链中唯一能溶于水的细胞色素，是独立的蛋白质电子载体。 Cytaa3又称细胞色素氧化酶，除铁卟啉外，还含铜离子。在电子

16、传递过程中，可以发生Cu+ Cu2+ 的互变。直接以氧分子为电子受体生成O2,2）递电子体,细胞色素C1的结构,铁硫蛋白（Fe-S） P122 在线粒体内膜上，常与黄酶、细胞色素结合成复合物，又称铁-硫中心，通过Fe3+ Fe2+ 变化传递电子,一、线粒体膜结构的特点,1948年，Eugene Kennedy等发现：真核细胞线粒体内膜上进行 电子传递和氧化磷酸化，故线粒体内膜是生物氧化呼吸的重要场所,第三节 氧化呼吸链与氧化磷酸化,1、外膜：平滑、富有弹性，允许各种离子、小分子通过，特有单胺氧化酶。 2、内膜：嵴、内膜球体、生物活性蛋白，Cytaa3是标志酶。 3、基质：内膜内部分隔中的液体，

17、胶状，含50%蛋白质。含TCA的酶和脂肪酸氧化的酶，苹果酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶是标志酶,二、生物氧化体系,1）呼吸链：是以氧作为最终受氢体的由一系列传递体以及相应酶组成的并按一定顺序排列的生物氧化还原链,又叫电子传递链。原核生物存在于质膜，真核生物存在于线粒体内膜,1、线粒体氧化体系,组成成分： 以NAD或NADP为辅酶的脱氢酶。 以FMN或FAD为辅基的黄素酶。 铁硫蛋白：与传递电子有关。 辅酶Q：递氢体 细胞色素：电子传递体,两条呼吸链：NADH氧化呼吸链（主要） 琥珀酸氧化呼吸链（FADH2呼吸链,排列顺序,2）呼吸链的组成及排列顺序 P120,呼吸链中各传递体的顺序是有专一性，不能颠倒

18、 由O2生成H20的反应是不可逆的 辅酶Q和Cytc是呼吸链中不同复合物间可流动的氢或电子传递体 呼吸链的传递体复合物(P121图24-3,说明,复合物I，NADH脱氢酶（NADHQ还原酶）, 催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原，活性部分含有辅基FMN/FAD和铁硫蛋白。是第一个质子泵。 NADHQ还原酶 NADH + H+ + Q = NAD+ + QH2,NADH还原酶（FMN/FAD） + 2（Fe-S）+ CoQ,复合物III,泛醌-细胞色素C还原酶（QH2-cytc还原酶），催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（cytc）的还原。活性部分主要包括细胞色素b 和c1，以及铁硫蛋白（2Fe

19、-2S,QH2-cytc 还原酶 QH2 + 2 cytc (Fe3+) = Q + 2 cytc (Fe2+) + 2H,2Cytb + Cytc1 +（Fe-S,Q循环（p126,复合物IV，细胞色素氧化酶（cytc 氧化酶），活性部分主要包括cyta和a3，除了含有铁卟啉外，还含有铜离子。将cytc所携带的电子传递给O2,细胞色素氧化酶 1/2O2 + 2 cytaa3 (Cu+) = O2- + 2 cytaa3 (Cu2,O2- + 2H+ = H2O,Cyta + Cyta3,复合物II，琥珀酸脱氢酶（又称琥珀酸-Q还原酶），催化琥珀酸脱氢，并将两个高能电子传递给Q。再通过QH2-

20、cytc还原酶、细胞色素氧化酶将电子传递到O2。活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白,琥珀酸Q还原酶 琥珀酸 + Q = 延胡索酸 + QH2,琥珀酸脱氢酶（FAD） + 2（Fe-S,NADH氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,加氧体系（微粒体氧化体系，内质网片段） 过氧化体氧化体系（微体中处理H2O2） 多酚氧化酶体系、抗坏血酸氧化酶体系、乙醇酸氧化酶体系（叶绿体,2、其他生物氧化体系,三、氧化磷酸化,定义：在线粒体中，底物分子脱下的氢经电子传递链传给氧，在此过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP，这种氧化与磷酸化相偶联的反应称为氧化磷酸化，是生物体合成ATP的主要方式。 电子传递与ATP形成耦联

21、三个部位:NADHCoQ ；CoQCytc；Cytaa3O2,G0 = -nFE0 n:电子数 ：96.5 KJ/molNADHCoQ E0 = 0.36V G0 = - 69.5kJ/molCoQCytc E0 = 0.19V G0 = -36.7 kJ/molCytaa3O2 E0 =0.53V G0 = - 102.3 kJ/molFADH2 CoQ E0 =0.01V G0 = -2kJ/molNADH链： 2.5ATP FADH2链：1.5ATP,计算各阶段释放的自由能,0.03,P/O：每消耗1mol原子氧时ADP磷酸化摄取无机磷酸的摩尔数(即合成ATP的摩尔数,P/O比值测定,通

22、过测定氧化磷酸化过程中氧的消耗与无机磷酸消耗的比例关系，可以反映底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系,丙酮酸乙酰辅酶A P：O=2.5， 苹果酸草酰乙酸 P：O=2.5， -酮戊二酸琥珀酸 P：O=3.5 异柠檬酸-酮戊二酸 P：O=2.5,氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。这种形式的“势能”被存在于线粒体内膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP,质子的转移主要通过氧化呼吸链在递氢或递电子过程中所形成的氧化还原电势来完成。 每传递一对电子，就可向膜间腔释放10个质子。

23、 复合物泵出4个质子、复合物泵出4个质子、复合物泵出2个质子,1）质子梯度的形成,3、氧化磷酸化的偶联机制: 化学渗透学说(1961, Mitchell,2ATP的合成,当质子从膜间腔返回基质中时，这种“势能”可被位于线粒体内膜上的ATP合酶（复合物）利用以合成ATP，合成1ATP需4H+（3H+用于生成ATP，H+用于运送底物。,ATP合酶的分子结构（表244，P136,3、氧化磷酸化的影响因素,ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；反之，当ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢。 甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的速度,通过激活细胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。 药物和毒物,1）呼吸链的抑制剂： 能够抑制第一位点的有异戊巴比妥、粉蝶霉素A、鱼藤酮等； 能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇； 能够抑制第三位点的有CO、H2S和CN-、N3-。 （2）解偶联剂