第八章新陈代谢总论与生物氧化

第八章

新陈代谢总论与生物氧化第一节新陈代谢总论一、新陈代谢的概念

生物与外界环境进行物质交换和能量交换的过程。生物体内进行的所有化学变化的总称。二、新陈代谢的特点

1.绝大多数代谢反应在温和条件下，由酶催化进行；代谢反应的区室化

2.酶催化的化学反应是连续的，前一种酶的作用产物往往是后一种酶的作用底物；

3.物质代谢过程中伴随着能量的代谢。新陈代谢分解代谢（异化）：机体将复杂的代谢物分解为较小的、较简单的物质的过程。合成代谢（同化）：利用小分子合成复杂的生物大分子过程。三、分解代谢与合成代谢能量代谢：光合自养生物通过光合作用将光能转变成化学能。化能异养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，这种能量可贮存在ATP中，也可形成NADH、NADPH以及FADH2四、分解代谢的一般过程（三个阶段）第一阶段：大分子物质降解成构件分子，无能量产生；第二阶段：构件分子进一步代谢生成少数分子，两个重要化合物：丙酮酸和乙酰CoA

NH3

产生少量能量第三阶段：乙酰CoA进入三羧酸循环和电子传递和氧化磷酸化，乙酰基被氧化成CO2和H2O，产能的主要阶段。合成代谢不是分解代谢的简单逆反应。丙酮酸氨基酸脂肪酸甘油葡萄糖蛋白质

脂肪多糖糖酵解柠檬酸循环乙酰CoANADH，H+或FADH2电子传递和氧化磷酸化NH3H2OCO2共同中间代谢物终产物第一阶段第二阶段第三阶段少量能量大量能量（一）自由能的概念1.化学反应中的自由能自由能：在一个体系中，能够用来做有用功的那一部分能量称自由能，用符号G表示。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：△G=G

产物

—G反应物

=△H—T△S

△G:体系的自由能变化，△H代表体系的焓变化，T:绝对温度，△S代表体系的熵变化。五、生物体内能量代谢的基本规律2.△G是判断一个过程能否自发进行的根据△G<0，反应能自发进行，体系未达平衡。△G>0，反应不能自发进行，必须供给能量。△G=0，反应处于平衡状态。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。（二）

标准自由能变化及其与化学反应平衡常数的关系标准自由能变化：在规定的标准条件下的自由能变化，用△GΘ表示。标准条件：25℃，参加反应的物质的浓度都是1mol∕L（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′Θ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=0K′是化学反应的平衡常数，因此，△G′Θ也是一个常数。

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+ATP→G—6—P+ADP（总反应）第一步，Glc+Pi→G—6—P+H2O,

此反应不能自发进行第二步，ATP+H2O→ADP+Pi

总反应：Glc+ATP→G—6—P+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。＋13.8－30.5－16.7高能化合物在生物体的能量转换过程中起重要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放出自由能。高能键：在生化中常将那些结构很不稳定，很容易发生水解或基团转移，同时释放出大量自由能的化学键称为高能键。

一般将水解时能够释放25kJ/mol以上自由能的化合物称为高能化合物。

六、高能化合物与ATP的作用ATP酸酐键磷酯键ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。ATP含一个磷酸酯键和两个高能磷酸键。

UTP、CTP、GTPATP水解时，一个高能磷酸键断裂的同时释放出能量

ATP+H2O——>ADP+Pi

G=-30.5KJ/mol

ATP+H2O——>AMP+PiPi

G=-32.2KJ/mol

磷酸烯醇式丙酮酸

1,3-二磷酸甘油酸乙酰CoA（1）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸－61.9kJ/mol

1.磷氧键型（—O~P)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。（2）酰基磷酸化合物1,3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸－49.4kJ/mol－42.3kJ/mol氨甲酰磷酸氨酰基腺苷酸（3）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸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’-磷酸硫酸酰基辅酶A第二节生物氧化的概念和特点一、概念

生物细胞将糖、脂、蛋白质等氧化分解，最终生成二氧化碳和水，并释放出能量的过程。包括细胞呼吸作用中的一系列氧化还原反应，又称为细胞氧化或细胞呼吸。二、特点1.在体温下进行，接近中性pH值和多水环境中进行，能量逐步释放，一部分转化为热能，一部分与磷酸化相偶联；2.在化能营养生物的能量代谢中，最终的电子受体是氧，但被氧化的代谢物分子很少将电子直接传递给氧，大多数氧化反应的直接受体是NAD+和FAD，被还原的NADH和FADH2再通过一系列的电子传递体，最后将电子传递给氧；3.进行生物氧化的物质，在氧化时除了失去电子外，还要失去质子，一个电子和一个质子相当于一个氢原子，所以生物氧化反应往往也是脱氢反应；4.生物氧化有严格的细胞定位。三、生物氧化还原反应中的自由能变化1.标准氧化还原电位

Zn+Cu2+=Zn2++Cu氧化还原反应可分成两个半反应，也称氧化还原电对

Zn=Zn2++2e­（氧化）

Cu2++2e­=Cu（还原）氧化还原电位：一个氧化还原电对失去电子或得到电子的倾向。在标准条件下，每一个氧化还原对都有一个标准的氧化还原电位（E°）标准氧化还原电位：是样品半电池在标准条件下相对于标准参考半电池所具有的电动势，V标准条件是指氧化型和还原型的浓度都是1mol/L,温度为25℃的条件，若有气体参加，还需在101KPa下。标准参考半电池是标准氢半电池，在25℃下，[H+]为1mol/L（pH=0）101KPa的H2，人为规定它的氧化还原电位为0。生物体内的氧化还原反应在生理pH下进行，所以生物体内的氧化还原对的标准电位用E°′表示，标准条件pH=7反应中半反应的标准氧化还原电位数值越小，失去电子的倾向越大。2.标准氧化还原电位与反应的自由能变化的关系。标准条件下，电子从氧化还原电位较低的电子供体流向氧化还原电位较高的电子受体的倾向是自由能降低的结果。两电对之间的标准氧化还原反应的变化可表示为：△E′°=E′

°电子受体-E′

°电子供体

氧化还原反应的标准自由能变化△G′°与△E′°的关系：△G′°=-nF△E′°n为转移电子的数目，F为法拉第常数(96.485KJ/V/mol)例：NAD++2H++2eNADH+H+E′°=-0.32V

1/2O2+2H++2eH2O

E′°=0.82VNADH+H+NAD++H2O

△E′°=0.82V-(-0.32V)=1.14V

△G′°=-2*（96.48KJ/V/mol)*（1.14V）

=-220KJ/mol

一、呼吸链呼吸链：电子从NADH和FADH2经过一系列的传递体，最后传递给氧分子所经过的途径。部位：线粒体内膜组成：烟酰胺脱氢酶类（以NAD+）、黄素脱氢酶类（以FAD或FMN为辅基）、铁硫蛋白、辅酶Q、细胞色素类呼吸链类型：NADH呼吸链、FADH2呼吸链第三节生物氧化安密妥复合物Ⅰ:

NADH-Q

还原酶

NADH

+H++

FMN←→NAD++FMNH2

铁-硫簇是铁硫蛋白的辅基，作用是借铁离子电价的变化而进行电子传递。

Fe3++e←→Fe2+辅酶Q又称CoQ（泛醌），其分子结构中的苯醌结构与对苯二酚结构之间相互转变时，起到递氢作用。

CoQ+2H++2e←→CoQH2Ⅱ琥珀酸脱氢酶ⅢCoQ-细胞色素c氧化还原酶琥珀酸+FAD←→延胡索酸+FADH2琥珀酸延胡索酸细胞色素（Cyt）是一类以铁卟啉为辅基的色素蛋白。其作用是在呼吸链中依靠铁离子可逆的氧化还原反应，起传递电子的作用。Fe3++e←→Fe2+游离的电子载体－－细胞色素c细胞色素c氧化酶二、氧化磷酸化氧化磷酸化：在细胞内的有机分子经过氧化分解形成CO2和H2O，并释放能量使ADP

和Pi合成ATP的过程。P/O比：氧化磷酸化过程中每2个电子通过电子传递链传递给氧（1/2O2）所产生的ATP的分子数。

1961P.Mitchell19781964P.BoyerJ.Walke1997氧化磷酸化机理——化学渗透学说1.