新陈代谢总论与生物氧化

1、新陈代谢总论与生物氧化教学目标：1. 掌握新陈代谢的概念与特点，了解新陈代谢研究方法。了解生物体内能量代谢的基 本规律。2. 掌握生物氧化的概念、特点、部位，主要酶类和体系。熟悉生物氧化中二氧化碳、 水的生成，掌握呼吸链的组成、类型和传递体顺序。3. 掌握氧化磷酸化的概念、类型、偶联部位和 P/O 比值，熟悉影响氧化磷酸化因素、 胞液中 NADH 的氧化和偶联机制。第一节 新陈代谢总论一、新陈代谢的概念与特点 生物体是一个与环境保持着物质、 能量和信息交换的开放体系。 通过物质交换建造和修 复生物体 (按人的一生计 ,交换物质的总量约为体重的 1200 倍,人体所含的物质平均每 10 天更 新

2、一半 )。通过能量交换推动生命运动， 通过信息交换进行调控， 保持生物体和环境的适应。新陈代谢 (metabolism) 是指生物与外界环境进行物质交换和能量交换的全过程。包括生 物体内所发生的一切合成和分解作用 (即同化作用和异化作用 )。人和动物的物质代谢分为三个阶段：食物、水、空气进入机体(摄取营养物的消化和吸收)、中间代谢和代谢产物的排泄。中间代谢是指物质在细胞中的合成与分解过程，合成是 吸能反应，分解是放能反应。它们是矛盾对立和统一的。所以，新陈代谢的功能是：从周围 环境中获得营养物质 ;将营养物质转变为自身需要的结构元件;将结构元件装配成自身的大分子 ;形成或分解生物体特殊功能所需

3、的生物分子;提供机体生命活动所需的一切能量。各种生物具有各自特异的新陈代谢类型， 这决定于遗传和环境条件。 绿色植物及某些细 菌有光合作用，若干种细菌有固氮作用，是自养型的;动物与人是异养生物，同化作用必须从外界摄取营养物质， 通过消化吸收进入中间代谢。 同一生物体的各个器官或不同组织还具 有不同的代谢方式。各种生物的新陈代谢过程虽然复杂，却有共同的特点：1. 生物体内的绝大多数代谢反应是在温和条件下，由酶催化进行的。2. 物质代谢通过代谢途径，在一定的部位，严格有序地进行。各种代谢途径彼此协调组 成有规律的反应体系 (网络 )。3. 生物体对内外环境条件有高度的适应性和灵敏的自动调节。二、新

4、陈代谢的研究方法代谢途径的研究比较复杂， 可从不同水平， 主要对中间代谢进行研究。 新陈代谢途径的 阐明凝集了许多科学家的智慧与实验成果。如 1904年德国化学家 Knoop 提出的脂肪酸的 氧化学说， 1937 年 Krebs 提出的柠檬酸循环。1. 活体内 (in vivo) 和活体外 (in vitro) 实验2. 同位素示踪法和核磁共振波谱法 (NMR)3. 代谢途径阻断法三、生物体内能量代谢的基本规律1. 服从热力学原理。热力学第一定律是能量守恒定律，热力学第二定律指出，热的传导 自高温流向低温。机体内的化学反应朝着达到其平衡点的方向进行。2. 生化反应最重要的热力学函数是吉布斯自由

5、能G 。自由能是在恒温、恒压下，一个体系作有用功的能力的度量。用于判断反应可否自发进行，是放能或耗能反应。G<0，表示体系自由能减少，反应可以自发进行，但是不等于说该反应一定发生或以 能觉察的速率进行，是放能反应。G>0，反应不能自发进行，吸收能量才推动反应进行。G=0，体系处在平衡状态。自由能与另外两个函数有关，G=H - TS(H是总热量的变化， S是总熵的改变， T是体系的绝对温度 )。标准自由能变化用 GO表' 示(25OC，1个大气压， pH 为7，反应物和产物浓度为 1mol/L时所测得，单位是 kJ/mol) 。3. GO和' 化学平衡的关系G = G

6、O'+ RT lnCD/ABG=0时， GO'= - RTlnCD/AB= -RTlnK= -2.303RTlgK(R 为气体常数， lnK 为平衡常数的自然对数。 K>1 ，GO为' 负值，反应趋于生成物的 方向进行 ;K<1 ，GO为' 正值。 )注意： G只取决于产物与反应物的自由能之差，与反应历程无关。总自由能变化等于 各步反应自由能变化的代数和。 热力学上不利的吸能反应可以偶联放能反应来推动以保持代 谢途径一连串反应的进行。四、高能化合物与 ATP 的作用高能化合物 (high-energy compound) 指化合物含有的自由能特多，

7、且随水解反应或基团转 移反应释放。 最重要的有高能磷酸化合物， 还有硫酯类和甲硫类高能化合物。 高能磷酸化合 物的酸酐键常用 P 表示，水解时释放的自由能大于 20kJ，称为高能磷酸键。生化中 “高能 键”的含义与化学中的 “键能 ”完全不同。 “键能”指断裂一个化学键需提供的能量。ATP 是细胞内特殊的自由能载体。 在标准状况， ATP 水解为 ADP 和 Pi 的 GO'=-30kJ/mol ， 水解为 AMP 和 PPi 的 GO'=-32kJ/mol。 ATP 的 GO在' 所有的含磷酸基团的化合物中处于 中间位置，这使 ATP 在机体起作中间传递能量的作用，称

8、之能量的共同中间体。机体内一 些在热力学上不可能发生的反应， 只需与 ATP 分子的水解相偶联， 就可使其进行。 所以说， ATP 又是生物细胞能量代谢的偶联剂。从低等的单细胞生物到高等的人类， 能量的释放、 储存和利用都是以 ATP 为中心。 ATP 是整个生命世界能量交换的通用货币。 ATP 是能量的携带者或传递者，而不是储存者。在 脊椎动物中起能量储存的是磷酸肌酸 (phosphoccreatine，PC) ，在无脊椎动物中是磷酸精氨酸。ATP 和其他的核苷三磷酸 GTP、UTP 、CTP 常称作富含能量的代谢物。 它们几乎有 相同的水解 (或形成 )的标准自由能，核苷酸之间的磷酰基团的

9、转移的平衡常数接近1.0，所以计算物质代谢能量时，消耗的其他核苷三磷酸用等价的 ATP 表示。第二节 生物氧化一、生物氧化的概念、特点和部位1. 概念：有机物质在生物体细胞内氧化分解产生二氧化碳、水，并释放出大量能量的过 程称为生物氧化 (biological oxidation) 。又称细胞呼吸或组织呼吸。2. 特点：生物氧化和有机物质体外燃烧在化学本质上是相同的，遵循氧化还原反应的一 般规律，所耗的氧量、最终产物和释放的能量均相同。(1) 在细胞内，温和的环境中经酶催化逐步进行。(2) 能量逐步释放。一部分以热能形式散发，以维持体温，一部分以化学能形式储存供 生命活动能量之需 (约 40%

10、) 。(3) 生物氧化生成的 H2O 是代谢物脱下的氢与氧结合产生， H2O 也直接参与生物氧化反 应 ;CO2 由有机酸脱羧产生。(4) 生物氧化的速度由细胞自动调控。3. 部位：在真核生物细胞内，生物氧化都是在线粒体内进行，原核生物则在细胞膜上进 行。二、生物氧化的酶类和体系1. 酶类：重要的为氧化酶和脱氢酶两类，脱氢酶尤为重要。氧化酶为含铜或铁的蛋白质， 能激活分子氧， 促进氧对代谢物的直接氧化， 只能以氧为 受氢体，生成水。重要的有细胞色素氧化酶， 可使还原型氧化成氧化型，亦可将氢放出的电 子传递给分子氧使其活化。心肌中含量甚多。此外还有过氧化物酶、过氧化氢酶等。脱氢酶分需氧脱氢酶和不

11、需氧脱氢酶。前者可激活代谢物分子中的氢，与分子氧结合， 产生过氧化氢。在无分子氧时，可利用亚甲蓝为受氢体。需氧脱氢酶皆以 FMA 或 FAD 为 辅酶。 不需氧脱氢酶可激活代谢物分子中的氢， 使脱出的氢转移给递氢体或非分子氧。 一般 在无氧或缺氧环境下促进代谢物氧化。大部分以 NAD 或 NADP 为辅酶。2. 体系：有不需传递体和需传递体的两种体系。不需传递体的最简单， 在微粒体、 过氧化酶体及胞液中代谢物经氧化酶或需氧脱氢酶作 用后脱出的氢给分子氧生成水或过氧化氢。其特点是不伴磷酸化，不生成ATP ，主要与体内代谢物、药物和毒物的生物转化有关。需传递体的最典型的是呼吸链。是在线粒体经多酶体

12、系催化，即通过电子传递链完成，与 ATP 的生成相关。三、生物氧化中二氧化碳的生成生物氧化中 CO2 的生成是代谢中有机酸的脱羧反应所致。有直接脱羧和氧化脱羧两种 类型。按脱羧基的位置又有 -脱羧和 -脱羧之分。请判断以下脱羧反应的类型?四、生物氧化中水的生成(一) 呼吸链的概念和类型代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后， 经过一系列的传递体， 最后与激活的氧结合生 成水的全部体系，此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链 (respiratory chain) 或 电子传递链 (electron transfer chain) 。在呼吸链中， 酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜上。 其中

13、传递氢的酶或辅酶称为递 氢体，传递电子的酶或辅酶称为电子传递体。递氢体和电子传递体都起着传递电子的作用 (2H 2H+2e)。生物体内的呼吸链有多种型式。人体细胞线粒体内最重要的有两条，即 NADH 氧化呼 吸链和琥珀酸氧化呼吸链。它们的初始受氢体、生成 ATP 的数量及应用有差别。 NADH 氧 化呼吸链应用最广， 糖、脂、蛋白质三大物质分解代谢中的脱氢氧化反应， 绝大多数是通过 该呼吸链来完成的。琥珀酸氧化呼吸链在Q 处与上述 NADH 氧化呼吸链途径交汇。其脱氢黄酶只能催化某些代谢物脱氢，不能催化NADH 或 NADPH 脱氢。(二) 呼吸链的组成组成呼吸链的成分已发现 20余种，分为

14、5 大类。1. 辅酶和辅酶辅酶 (NAD+ 或 Co) 为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。辅酶 (NADP+ 或 Co )为烟酰胺腺 嘌呤二核苷酸磷酸。它们是不需氧脱氢酶的辅酶，分子中的烟酰胺部分，即维生素PP 能可逆地加氢还原或脱氢氧化，是递氢体。以 NAD+ 作为辅酶的脱氢酶占多数。2. 黄素酶黄素酶的种类很多， 辅基有 2种，即FMN和FAD。FMN 是NADH 脱氢酶的辅基， FAD 是琥珀酸脱氢酶的辅基， 都是以核黄素为中心构成的， 其异咯嗪环上的第 1位及第 5 位两个 氮原子能可逆地进行加氢和脱氢反应，为递氢体。3. 铁硫蛋白分子中含有非血红素铁和对酸不稳定的硫， 因而常简写为 FeS形式

15、。 在线粒体内膜上， 常与其他递氢体或递电子体构成复合物， 复合物中的铁硫蛋白是传递电子的反应中心， 亦称 铁硫中心，与蛋白质的结合是通过 Fe与 4 个半胱氨酸的 S相连接。4. 泛醌 (又名辅酶 Q)一类广泛分布于生物界的脂溶性醌类化合物。 分子中的苯醌为接受和传递氢的核心， 其 C-6 上带有异戊二烯为单位构成的侧链，在哺乳动物，这个长链为 10 个单位，故常以 Q10 表示。5. 细胞色素类细胞色素 (cytochrome, Cyt) 是一类以铁卟啉为辅基的结合蛋白质，存在于生物细胞内， 因有颜色而得名。已发现的有 30多种，按吸收光谱分 a、b、c 三类，每类又有好多种。Cyta 和

16、 a3 结合紧，迄今尚未分开，故写成 aa3，位于呼吸链的终末部位，其辅基为血 红素 A ，传递电子的机制是以辅基中铁价的变化Fe3+ Fe2+，a3还含有铜离子，把电子直接交给分子氧 Cu+ Cu2+ ，所以 a3 又称细胞色素氧化酶。 a3中的铁原子可以与氧结合， 也可以与氰化物离子 (CN)、CO 等结合，这种结合一旦发生， a3 便失去使氧还原的能力， 电子传递中止，呼吸链阻断，导致机体不能利用氧而窒息死亡。E O' 值愈低的氧还对(三) 呼吸链中传递体的顺序 呼吸链中氢和电子的传递有着严格的顺序和方向。根据氧化还原原理，氧化-还原电势E 是物质对电子亲和力的量度，电极电位的高

17、低反映电子得失的倾向，（A/AH2） 释放电子的倾向愈大，愈容易成为还原剂而排在呼吸链的前面。所以 NADH 还原能力最强，氧分子的氧化能力最强。电子的自发流向是从电极电位低的物质（还原态 ）到电位高的氧化态，目前一致认可的是按标准氧还电位递增值依次排列。电子由 NADH 的传递到氧分子通过 3个大的蛋白质复合体， 即 NADH 脱氢酶、细胞色 素 bc1 复合体和细胞色素氧化酶到氧 （又称复合体、 ）。电子从 FADH2 的传递是通 过琥珀酸 -辅酶 Q 还原酶 （复合体 ）经 Q、复合体、到氧 （琥珀酸 -辅酶 Q 还原酶催化的 反应的自由能变化太小 ）。第三节氧化磷酸化一、氧化磷酸化的概

18、念和偶联部位1.概念：氧化磷酸化 （oxidative phosphorylation） 是指在生物氧化中伴随着 ATP 生成的作用。有代谢物连接的磷酸化和呼吸链连接的磷酸化两种类型。即 ATP 生成方式有两种。一 种是代谢物脱氢后，分子内部能量重新分布，使无机磷酸酯化先形成一个高能中间代谢物， 促使 ADP 变成 ATP 。这称为底物水平磷酸化。如 3-磷酸甘油醛氧化生成 1，3-二磷酸甘油 酸，再降解为 3-磷酸甘油酸。另一种是在呼吸链电子传递过程中偶联ATP 的生成。生物体内 95%的 ATP 来自这种方式。2.偶联部位：根据实验测定氧的消耗量与ATP 的生成数之间的关系以及计算氧化还原

19、反应中GO和' 电极电位差 E的关系可以证明。P/O 比值是指代谢物氧化时每消耗 1 摩尔氧原子所消耗的无机磷原子的摩尔数， 即合成 ATP 的摩尔数。实验表明， NADH 在呼吸链被氧化为水时的 P/O 值约等于 3，即生成 3 分 子 ATP;FADH2 氧化的 P/O 值约等于 2，即生成 2分子 ATP。氧-还电势沿呼吸链的变化是每一步自由能变化的量度。根据GO'= - nFE O'（n是电子传递数,F是法拉第常数 ），从 NADH 到Q段电位差约 0.36V ，从 Q到Cytc为0.21V，从 aa3 到分子氧为 0.53V ，计算出相应的 GO'分别

20、为 69.5、40.5、102.3kJ/mol 。于是普遍认为下述3个部位就是电子传递链中产生ATP 的部位。NADHNADH 脱氢酶Q 细胞色素bc1 复合体Cytc aa3 O2二、胞液中 NADH 的氧化糖代谢中的三羧酸循环和脂肪酸-氧化是在线粒体内生成 NADH（ 还原当量 ），可立即通过电子传递链进行氧化磷酸化。 在细胞的胞浆中产生的 NADH ，如糖酵解生成的 NADH 则 要通过穿梭系统 （shuttle system）使 NADH 的氢进入线粒体内膜氧化。（一） -磷酸甘油穿梭作用这种作用主要存在于脑、骨骼肌中，载体是-磷酸甘油。胞液中的 NADH 在-磷酸甘油脱氢酶的催化下，

21、使磷酸二羟丙酮还原为-磷酸甘油，后者通过线粒体内膜，并被内膜上的-磷酸甘油脱氢酶 （以 FAD 为辅基 ）催化重新生成磷酸二羟丙酮和 FADH2 ，后者进入琥珀酸氧化呼吸链。 葡萄糖在这些组织中彻底氧化生成的 ATP 比其他组织要少， 1摩尔 G36 摩尔 ATP。（二）苹果酸 -天冬氨酸穿梭作用主要存在肝和心肌中。 1 摩尔 G38 摩尔 ATP胞液中的 NADH 在苹果酸脱氢酶催化下，使草酰乙酸还原成苹果酸，后者借助内膜上 的 - 酮戊二酸载体进入线粒体，又在线粒体内苹果酸脱氢酶的催化下重新生成草酰乙酸和 NADH 。NADH 进入 NADH 氧化呼吸链，生成 3分子 ATP 。草酰乙酸经

22、谷草转氨酶催化生 成天冬氨酸，后者再经酸性氨基酸载体转运出线粒体转变成草酰乙酸。三、氧化磷酸化偶联机制（一 ）化学渗透假说 （chemiosmotic hypothesis）1961年，英国学者 Peter Mitchell 提出化学渗透假说 （1978 年获诺贝尔化学奖 ），说明了 电子传递释出的能量用于形成一种跨线粒体内膜的质子梯度（H+梯度 ），这种梯度驱动 ATP的合成。这一过程概括如下：1.NADH 的氧化，其电子沿呼吸链的传递， 造成 H+ 被 3个 H+ 泵，即 NADH 脱氢酶、 细胞色素 bc1 复合体和细胞色素氧化酶从线粒体基质跨过内膜泵入膜间隙。2.H+ 泵出，在膜间隙产生一高的 H+