第七章-2013新存代谢与生物氧化课件

第七章

新存代谢和生物氧化第一节概述⒈定义：是活细胞进行的化学反应总称。生物与环境进行物质和能量交换的过程，包括合成和分解代谢。⒉特点：⑴合成与分解反应同时进行生物不断从环境摄取物质，转变为自己的组分；同时，将组分或废物分解并排出，不断自我更新。

⑵内容包含物质和能量代谢;即合成和分解两方面将外界摄取的低能量或简单的化合物，转化成高能量或复杂细胞组分的过程叫合成代谢；是吸能反应。将高能量、复杂的生物物质转化成低能量、简单物质的过程叫分解代谢；是放能反应。⑶代谢间的关系合成代谢中包含有分解反应；分解代谢中也包含有合成反应，能量代谢也是如此。两者相互联系、相互依存、相互制约。例如，嘌呤碱基是由CO2，Asp、甲酸、Gln、Gly为原料合成，其中PRPP+ATP+Gln磷酸核糖胺焦磷酸+Pｐi+Glu。分解产生的小分子物质及释放的能量，可作为合成反应的原料和能量。

生命的不同阶段及状态，代谢种类及形式有差异：生命萌发、发育期间以合成代谢为主；成熟期间合成与分解基本平衡；衰老及消亡期间，分解为主。⑷新陈代谢受到严格调控调控方法多种，严格又可变，使生命高度适应环境变化。生命就是在新陈代谢中存在和发展的。⒊新陈代谢的过程分为营养物质消化吸收、中间代谢、废物排泄三个阶段。中间代谢就是指物质和能量在细胞中的合成与分解。本章重点讨论中间代谢。⑶呼吸商：物质在体内氧化分解要消耗氧，并放出CO２；将其吸收氧与放出CO２的比值称为呼吸商（R.Q.），R.Q.=O2/CO2。呼吸商可表征不同物质氧化分解的耗氧状况。各种营养物质C、H、O比例不同，所以耗氧量不同。如糖类R.Q.=1；脂肪R.Q.=0.7；蛋白质R.Q.=0.8。通过R.Q.的测定，可判断不同生理、病理情况下的能量消耗状态。

⑷卡价(值）：在代谢研究中，常用卡价来衡量产能状况。卡价是指单位重量营养物氧化产生的总能量。1Kcal=4.18kj。实际测得；糖类为4.1；脂肪为9.4；蛋白质为4.4。二、新陈代谢的研究方法⒈活体内或活体外实验；活体实验就是利用活的生命体进行实验研究。即饲喂一段时间后，杀死动物，取各组织分析物质种类或含量等。此法非常残忍，现在已不多用。《保护生物多样性国际公约》。国际上普遍承认世界卫生组织所定义的动物有五大自由：享有不受饥渴的自由；享有生活舒适的自由；享有不受痛苦伤害和疾病威胁的自由；享有生活无恐惧和悲伤感的自由；享有表达天性的自由。体外实验：指利用动物组织或切片或体外培养细胞进行实验以获取相关信息的方法。体外实验条件易控制，可多次重复。但最终应在活体内进行验证。⒉同位素示踪法同位素是指原子序数及化学性质相同，但中子数、质量且核物理性质不同的原子。例如14C，35P，32S等。放射性同位素放出特征射线，用核探测器探测。利用同位素的该性质作为标记，制成标记化合物（如标记食物，药物和代谢物质等），代替相应的非标记化合物。这样就可以用随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等。放射性同位素作为示踪剂具有灵敏度，测量简便易行，能准确地定量，准确地定位及符合所研究对象的生理条件等特点。

⒊代谢途径阻断利用营养缺陷型营养缺陷型菌株：野生型菌株经过人工诱变或者自然突变失去合成某种营养（氨基酸，维生素，核酸等）的能力，只有在基本培养基中补充所缺乏的营养因子才能生长，成为营养缺陷型。药物阻断三、生物能量代谢的基本规律服从热力学定律注意生物体内标准自由能变化（标准状态指0.1Mpa、25℃、pH=7,以△G0′表示）,区别非生物体内的标准自由能变化（△G。），G。＇=-2.303RTlgK;关于自由能公式推导等，应化专业早学过，略。体系的△G只取决于产物与反应物自由能的差值，而与反应历程无关。如葡萄糖在体内体外氧化成二氧化碳和水。四、高能化合物与ATP高能化合物：指在生化反应中，随水解反应或基团转移放出大量自由能的化合物。在体内，高能化合物多以高能磷酸化合物的形式存在，把含有5千卡/mol（Gˊ<-21kj/mol)以上能量的磷酸化合物称为高能磷酸化合物。高能磷酸键用～P。主要的高能磷酸化合物

磷酸烯醇式丙酮酸-61.9

葡萄糖-1-磷酸-20.91，3-二磷酸甘油酸磷-49.3果糖-6-磷酸-15.9磷酸肌酸-43.1葡萄糖-6-磷酸-13.8乙酰磷酸-42.3甘油-1-磷酸-9.2磷酸精氨酸-32.2ATP-30.5ATP在磷酸化合物中处于中间，它在细胞的酶促磷酸基团转移中起“共同中间体”的作用，ADP可以接受表中它以上的化合物的磷酸基团，形成ATP,ATP也可将磷酸基团转移给它以下的受体，例如葡萄糖，形成磷酸化物。

⒈磷氧键型（—O~P)(1)酰基磷酸化合物氨酰基腺苷酸或磷酸（2）焦磷酸化合物（3）烯醇式磷酸化合物⒉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。ATP只是能量的携带者或者传递者,其在细胞内的含量只能在比较短暂的时间内供给细胞需要；不是化学能量的储存库。脊椎动物是以磷酸肌酸为储存能量的“磷酸库”，当ATP浓度高时，肌酸即通过酶的作用直接接受ATP的高能磷酸基团形成磷酸肌酸。ATP浓度低时，磷酸肌酸将高能磷酸键转移给ADP。磷酸肌酸存在于骨骼肌、平滑肌、神经细胞等中，在肝脏及其他组织中其含量却很少。磷酸肌酸贮能系统对于骨骼肌有特殊的意义，可以在几分钟内保证肌肉收缩所需的化学能。细菌缺少磷酸肌酸，尚不清楚其磷酸库。无脊椎动物则以磷酸精氨酸作为磷酸库。

固定化磷酸肌酸激酶合成磷酸肌酸提高肌肉力量的高能化合物，与蛋白合成激素结合使用可达到最佳效果⒊硫酯键型酰基辅酶A腺苷-5’-磷酸硫酸⒋甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸第二节、生物氧化的方式和特点指有机物在体内或细胞内加氧或脱氢的过程。生物氧化要吸收氧气，放出二氧化碳，与呼吸紧密相关，因此又称呼吸作用或细胞呼吸。一、生物氧化的方式在一系列氧化-还原酶催化下分步进行，每一步反应，都由特定的酶催化。在生物氧化中，主要包括如下几种氧化方式。1．脱氢氧化（1）脱氢在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位；它是许多有机物质氧化的重要步骤；催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。A烷基脂肪酸脱氢琥珀酸脱氢B醛酮脱氢乳酸脱氢酶（2）加水脱氢酶催化醛氧化成酸的反应即属于这一类。2．直接加氧包括：加氧酶催化加氧反应和氧化酶催化生成水的反应。加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如，甲烷单加氧酶CH4+NADH+O2

CH3-OH+NAD++H2O氧化酶催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水。各种脱氢反应中产生的质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。3．生成二氧化碳（1）直接脱羧羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如氨基酸的脱羧。（2）氧化脱羧有机羧酸（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。例如苹果酸的氧化脱羧生成丙酮酸。二、生物氧化的特点⒈在细胞内进行，条件温和（水溶液，pH7和常温）。⒉水是许多生物氧化反应的氧供体，通过加水脱氢作用直接参予氧化反应。⒊生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化非同步进行。⒋氧化脱下的质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。⒌逐步释放能量生物氧化是分步进行的，每一步都由特殊的酶催化，产物都可以分离出来。这种反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。⒍与ATP相偶联生物氧化释放的能量与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。第三节、线粒体呼吸链和ATP合成线粒体是生物氧化的主要场所，主要功能是将代谢物脱下的氢，通过多种酶及辅酶组成的传递体系进行传递，并最终与氧结合生成水。由供氢体、递氢体、受氢体以及相应酶组成的这种代谢途径称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，称为呼吸链。一、线粒体呼吸链的组成线粒体呼吸链还原型辅酶NADH是由NAD+接受代谢物脱氢形成的还原产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。②铁硫蛋白（Fe-S）是一种与电子传递有关的蛋白质,含有非血红素铁和酸不稳定硫，铁与肽类半胱氨酸的硫原子配位结合。它与NADHQ还原酶结合成复合物存在。铁硫蛋白它的形式主要有(2Fe-2S)或(4Fe-4S)。铁硫蛋白通过Fe3+

Fe2+

变化起传递电子的作用③NADHQ还原酶简写为NADHQ还原酶,即复合物I，催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。NADHQ还原酶NADH+Q+H+=========NAD++QH2它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶，最少含有16个亚基，其活性部位含有辅基FMN和铁硫蛋白。FMN接受NADH脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2进一步将电子转移给Q。

NADH泛醌还原酶④泛醌（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。辅酶-Q的功能Q接受电子和质子，还原成QH2；QH2也容易给出电子和质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。泛醌细胞色素c还原酶简写为QH2-cytc还原酶,即复合物III,它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，催化QH2的氧化和细胞色素c（cytc）的还原。QH2-cytc还原酶QH2+2cytC(Fe3+)====Q+2cytc(Fe2+)+2H+QH2-cytc还原酶由9个亚基组成，活性部位主要包括细胞色素b和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。细胞色素（简写为cyt）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a,b,c和c1等，细胞色素a,b,c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。通过Fe3+

Fe2+互变起传递电子的作用。细胞色素c（Cytc）它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成有所不同。在电子传递过程中，Cytc通过Fe3+

Fe2+的互变起电子传递中间体作用。细胞色素c氧化酶简写为Cytc氧化酶，即复合物IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个亚基组成。活性部分主要包括Cyta和a3。Cyta和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜离子，Cytaa3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+

Cu2+的互变，将Cytc所携带的电子传递给O2。细胞色素c氧化酶琥珀酸-Q还原酶琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸-Q还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子传递给Q。再通过QH2-Cytc还原酶和Cytc氧化酶将电子传递到O2。琥珀酸-Q还原酶也是复合物，存在于线粒体内膜上,由4个不同的亚基组成。其活性部位含有辅基FAD和铁硫蛋白。琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原。二、氧化-还原电势与自由能的变化在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物(氧化剂）接受电子。在线粒体呼吸链中，推动电子从NADH传递到O2的力量，是NAD+/NADH+H+和1/2O2/H2O两个半反应之间存在的巨大电势差。(a)½O2+2H++2e-

H2OE0’=+0.82V(b)NAD++H++2e-

NADHE0’=-0.322V

将(a)减去(b)，即得(c)式：(c)½O2+NADH+2H+

H2O+NAD+△E0’=+1.14VG’=-nFE0’=-2965001.14=-220kJ/mol三、电子传递和ATP的合成

NADH+H+或FADH2的高能电子通过线粒体呼吸链传递到O2的过程中，释放出大量的能量。这种高能电子传递过程的释能反应与ADP和磷酸合成ATP的吸能反应相偶联，导致ATP的合成。⒈ATP酶复合体线粒体内膜的表面有一层规则、间隔排列着的球状颗粒，称为ATP酶复合体，是ATP合成的场所。旋转结合ADP和ATP亚基质子控制阀门

膜连接亚基调节亚基

寡霉素敏感蛋白

线粒体内膜基质侧有许多球状颗粒突起，就是ATP合成酶。其中球状的头与颈是F1部分，分子量为350kD～380kD，由α3、β3、γ、δ、ε等5种亚基组成，β与α亚基上有ADP和ATP结合部位；γ亚基是控制质子通过的闸门；δ亚基使F1与膜相连，其中心部分为质子通路；ε亚基是酶的调节调节，F0由3种不同的亚基组成，一个亚基称为寡霉素敏感蛋白质(OSCP)，另一个蛋白质为分子量28kD的因子，F0主要构成质子通道。⒉ATP合成反应-氧化磷酸化生物氧化的放能反应与ADP的磷酰化反应相偶联，合成ATP的过程，称为氧化磷酸化。根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的G’超过30.5kJ/mol。FMNH2

Q；cytbcytc1；Cytaa3

O2G’=-55.6kJ/mol；-34.7kJ/mol；-102.1kJ/moL三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联，产生3个ATP。从琥珀酸O2只产生2个ATP.ATP生成有两种方式⑴底物水平磷酸化底物分子中的高能键直接转移给ADP生成ATP，称为底物水平磷酸化，在胞浆和线粒体中进行，包括：⑵氧化磷酸化指呼吸链电子传递过程中偶联ATP生成。A.氧化磷酸化偶联部位的测定表征指标：P/0值P/0值指氧化磷酸化过程中消耗1mol原子氧所消耗的无机磷的mol数，或者说消耗1mol氧所生成的ATP的mol数。P/0值实质上指的是呼吸过程中磷酸化的效率。测定P/0值及偶联部位的方法通常是：a.在一密闭的容器中加入待氧化的底物、ADP、Pi、氧饱和的缓冲液；最后加入线粒体制剂，就会发生有氧化磷酸化反应；反应终了时测定O2消耗量(可用氧电极法)和Pi消耗量(或ATP生成量)；计算出P/0值。加入不同的底物，可测得各自的P/0值，结合呼吸链的传递顺序，可以分析出大致的偶联部位。离体线粒体的P/0比值底物呼吸链的组成P/0比ATP数β-羟丁酸NAD+→FMN→CoQ→Cyt→O22.4-2.83琥珀酸FAN→CoQ→Cytc→O21.72抗坏血酸Cytc→Cytaa3→O20.881细胞色素cCytaa3→O20.61-0.681b.根据氧化还原电位计算电子传递释放的能量氧化还原反应中释放的自由能△G'O与反应底物和产物标准氧化还原电位差值(△E'O)之间存在下述关系：△G'O=nF△E'O式中n为氧化还原反应中电子转移数目，F为法拉弟常数(23.062Kcal/mol·v，或96500库仑/mol)。

1molATP水解生成ADP与Pi所释放的能量为7.3Kcal，从理论上讲，凡氧化过程中释放的能量大于7.3Kcal者，均可能生成1molATP。根据上式计算，当n=2时，△E‘O=0.1583V时可释放7.3千卡能量，所以反应底物与生成物的标准氧化还原电位的变化大于0.1583V的部位均可能存在着一个偶联形成ATP的机会。呼吸链中电子对传递时自由能的变化

呼吸链磷酸化的全过程可用下述方程式表示

NADH+H++3ADP+3Pi+1/2O2→NAD++3ATP+4H2OFADH2+2ADP+2Pi+1/2O2→FAD+2ATP+3H2O⑶偶联机制化学渗透学说化学渗透假说的要点是：a.线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；b.在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧（膜对H+是不通透的）。这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度(pH)和电位梯度（）；膜外侧pH较膜基质pH约低1.0单位，因此，底物氧化释放的自由能就储存于△ψ和△pH中，若以△P表示总的质子移动力，那么三者的关系为：△P=△ψ-59△pHc.在膜内外势能差（pH和）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP。⒋氧化磷酸化抑制剂(略）氧化磷酸化抑制剂可分为三类，即呼吸抑制剂、磷酸化抑制剂和解偶联剂。⑴呼吸抑制剂抑制呼吸链的电子传递，即抑制氧化。呼吸链某一特定部位被抑制后，其底物一侧均为还原状态，其氧一侧均为氧化态。重要的呼吸抑制剂有鱼藤酮(rotenone)系从植物中分离到的呼吸抑制剂，专一抑制NADH→CoQ的电子传递。抗霉素A(actinomycinA)由霉菌中分离得到，专一抑制CoQ→Cytc的电子传递。CN、CO、NaN3和H2S均抑制细胞色素氧化酶。⑵磷酸化抑制剂（略）抑制ATP合成，通过抑制磷酸化而抑制氧化。寡霉素可与F0的OSCP结合，阻塞氢离子通道，从而抑制ATP合成。二环己基碳二亚胺(DCC)可与F0的DCC结合蛋白结合，阻断H+通道，抑制ATP合成。栎（li)皮酮直接抑制参与ATP合成的ATP酶。⑶解偶联剂（略）解偶联剂使氧化和磷酸化脱偶联，氧化可以继续进行，但无磷酸化发生。解偶联剂的本质是增大线粒体内膜对H+的通透性，消除H+的跨膜梯度，因而无ATP生成，解偶联剂只影响氧化磷酸化而不干扰底物水平磷酸化，使氧化释放出来的能量全部以热的形式散发。常用的解偶联剂有2，4-二硝基酚(DNP)，羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼(FCCP)，双香豆素等，过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温升高。过量的甲状腺素