第八章能量代谢与生物能的利用

第八章能量代谢与生物能的利用目前一页\总数七十四页\编于十六点第一节概述Introduction目前二页\总数七十四页\编于十六点物质在生物体内进行的氧化称为生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等有机物质在生物体内氧化分解并逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。亦称“组织氧化”、“组织呼吸”或“细胞氧化”。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能一、生物氧化的概念

目前三页\总数七十四页\编于十六点*生物氧化与体外氧化之相同点:生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。二、生物氧化的特点目前四页\总数七十四页\编于十六点不同点

体内氧化体外氧化（1）反应条件：温和剧烈（2）反应过程：分步反应一步反应

能量逐步释放能量突然释放（3）产物生成：间接生成直接生成（4）能量形式：热能、ATP热能、光能目前五页\总数七十四页\编于十六点一、生物氧化中CO2生成的方式1.单纯脱羧:NH2

︱

RCHCOOHRCH2NH2+CO2

氨基酸脱羧酶

代谢过程产生的有机酸不经过氧化过程，在特异性脱羧酶作用下，直接从分子中脱去羧基的过程。目前六页\总数七十四页\编于十六点2.氧化脱羧:氧化脱羧作用：代谢过程产生的有机酸在酶系统的作用下，脱羧和氧化（脱氢）同时发生。目前七页\总数七十四页\编于十六点糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂肪酸+甘油氨基酸乙酰CoATCA2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2*生物氧化的一般过程目前八页\总数七十四页\编于十六点2、生物氧化中的物质氧化方式氧化失电子脱氢加氧还原得电子加氢脱氧电子受体/氢受体电子供体/氢供体氧化剂：还原剂：氢供体电子供体还原剂氢受体电子供体氧化剂目前九页\总数七十四页\编于十六点3、参与生物氧化的酶（1）脱氢酶(dehydrogenase)辅因子类型FMN/FADNAD/NADP(琥珀酸脱氢酶)需氧黄酶不需氧黄酶(氨基酸脱氢酶)不需氧脱氢酶(NADH脱氢酶)目前十页\总数七十四页\编于十六点代谢物－2H氧化的代谢物FMNH2/FADH2O2FMN/FADH2O2需氧黄酶代谢物－2H氧化的代谢物FMNH2/FADH2传递体H2OFMN/FAD传递体－2HO2不需氧黄酶目前十一页\总数七十四页\编于十六点代谢物－2H氧化的代谢物NADH2/NADPH2传递体H2ONAD/NADP传递体－2HO2目前十二页\总数七十四页\编于十六点(2)氧化酶(oxidase)代谢物－2H氧化的代谢物2Cu＋/2Fe2＋O22Cu2＋/2Fe3＋O2-H2O2e2e2H+传递体－2H氧化的传递体目前十三页\总数七十四页\编于十六点(3)加氧酶(oxygenase)苯丙氨酸酪氨酸苯丙氨酸单加氧酶目前十四页\总数七十四页\编于十六点(4)传递体(carrier)黄素蛋白辅酶Q递氢体细胞色素铁硫蛋白递电子体目前十五页\总数七十四页\编于十六点第二节呼吸链

目前十六页\总数七十四页\编于十六点定义在生物氧化过程中，从代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶按照一定顺序组成的连锁传递体系称为电子传递链(electrontransferchain)。呼吸链：代谢物上氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的过程。组成：供氢体、传递体、受氢体递氢体和电子传递体（2H2H++2e），存在于线粒体内膜上。一、呼吸链的定义目前十七页\总数七十四页\编于十六点二、呼吸链的组成1、以NAD/NADP为辅酶的脱氢酶2、黄素酶（FMN/FAD)3、铁硫蛋白4、辅酶Q5、细胞色素四个蛋白复合体：复合体I～IV两个可灵活移动的成分：泛醌（Q）和细胞色素C目前十八页\总数七十四页\编于十六点R=H:NAD+R=H2PO3:NADP+

①以烟酰胺核苷酸为辅酶的脱氢酶呼吸链中包括5类电子载体：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶Ⅰ，CoⅠ）尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶Ⅱ，CoⅡ）尼克酰胺腺苷尼克酰胺苷目前十九页\总数七十四页\编于十六点主要作为一类不需氧脱氢酶的辅酶。电子和氢离子一起被接受，还原型CoⅠ将氢移到FAD（黄素）脱氢酶上。氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。+5+3目前二十页\总数七十四页\编于十六点②黄素酶R＝磷酸根：FMNR＝腺嘌呤二核苷酸：FAD核糖醇黄素单核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸目前二十一页\总数七十四页\编于十六点

黄素脱氢酶是黄素蛋白，其辅基FMN（FAD）接受2个氢原子成还原型的黄素单核苷酸。目前二十二页\总数七十四页\编于十六点③铁硫蛋白含有非血红素铁原子与酸不稳定的硫原子，通过铁的变价（Fe3

+→Fe2

+）传递电子。通常与其他递氢体和递电子体结合成复合物，因此又叫做铁-硫中心。目前二十三页\总数七十四页\编于十六点④辅酶Q又称泛醌（ubiquinone，CoQ)，是脂溶性醌类化合物，由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链。CoQ10目前二十四页\总数七十四页\编于十六点泛醌处在呼吸链的中心地位：可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇（CoQH2）。它与蛋白质结合不紧，可在黄素脱氢酶类与细胞色素类之间起载体作用。

目前二十五页\总数七十四页\编于十六点⑤细胞色素（cytochromes)是一类以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质。广泛分布于生物细胞，由于呈现颜色，故称细胞色素。目前二十六页\总数七十四页\编于十六点电子传递体：通过铁的变价传递电子，由CoQ传到氧。cytbc1复合体：含ctyb、ctyc1及铁-硫蛋白。cytc：在ctybc1复合体和cty氧化酶间传递电子。目前二十七页\总数七十四页\编于十六点细胞色素氧化酶：含ctya和ctya3。除含铁还含铜（Cu2

+→Cu+）直接以氧分子为电子受体目前二十八页\总数七十四页\编于十六点传递体作用NADH脱氢酶递氢体、递电子体NADPH脱氢酶递氢体、递电子体黄素蛋白（辅基为FAD和FMN）递氢体、递电子体铁硫蛋白（Fe-S）单电子传递体辅酶Q递氢体、递电子体细胞色素单电子传递体目前二十九页\总数七十四页\编于十六点3、呼吸链的排列顺序：（氧还电位）

物质的氧还电位越低，越容易失去电子，传给氧还电位高的物质呼吸链的排列顺序：严格的顺序和方向性低氧还电位→高氧还电位电子传递方向：低氧还电位→高氧还电位（释放能量）目前三十页\总数七十四页\编于十六点目前三十一页\总数七十四页\编于十六点NADH氧化呼吸链:主要的呼吸链琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）体内两条重要的呼吸链目前三十二页\总数七十四页\编于十六点1、NADH氧化呼吸链目前三十三页\总数七十四页\编于十六点2、琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸延胡索酸目前三十四页\总数七十四页\编于十六点目前三十五页\总数七十四页\编于十六点一、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代表体系的自由能变化，△H代表体系的焓变化，T代表体系的绝对温度，△S代表体系的熵变化。第三节生物氧化过程中能量的转移与利用目前三十六页\总数七十四页\编于十六点

△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，能做有用功。△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。△G<0仅是反应能自发进行的必要条件，有的反应还需催化剂才能进行，催化剂（酶）只能催化自由能变化为负值的反应，如果一个反应的自由能变化为正值，酶也无能为力。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。目前三十七页\总数七十四页\编于十六点目前三十八页\总数七十四页\编于十六点2、氧化还原电位与自由能的变化氧化还原电位：用来相对表示各种化合物对电子的亲和力1、氧化还原反应自发进行的条件：自由能降低，氧化还原电位升高2、生物氧化过程中，释放能量目前三十九页\总数七十四页\编于十六点线粒体内膜上的酶与辅酶组成的复合体复合物酶名称辅酶ⅠNAD+-CoQ还原酶（NADH脱氢酶）FMN、铁硫蛋白、CoQⅡ琥珀酸-CoQ还原酶（琥珀酸脱氢酶）FAD、铁硫蛋白ⅢCoQH2-细胞色素C还原酶铁卟啉、铁硫蛋白Ⅳ细胞色素C氧化酶铁卟啉、Cu目前四十页\总数七十四页\编于十六点NADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-（1）NADH-泛醌还原酶：将电子从NADH经FMN及铁硫蛋白传给泛醌。（2）琥珀酸-泛醌还原酶：将电子从琥珀酸经FAD及铁硫蛋白传递给泛醌。（3）泛醌-细胞色素C还原酶：将电子从泛醌经Cytb、Cytc1传给Cytc。（4）细胞色素C氧化酶：将电子从Cytc经Cytaa3传递给氧。目前四十一页\总数七十四页\编于十六点高能化合物的共同特点是含有容易断裂的“活泼键”，水解时可释放大于21KJ/mol（或5Kcal/mol）的能量，常用符号表示。二、高能化合物

生物体内的放能反应与吸能反应偶联，最基本的形式是通过高能化合物实现的。1、高能化合物的概念：指含有高能键，在标准条件下发生水解时可释放大量自由能的化合物。高能磷酸键水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，常表示为P。目前四十二页\总数七十四页\编于十六点2、高能化合物的类型：根据分子中是否含有磷酸可分为磷酸类高能化合物和非磷酸类高能化合物。目前四十三页\总数七十四页\编于十六点三、ATP目前四十四页\总数七十四页\编于十六点生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。

是细胞内产能反应和需能反应的化学偶联剂

ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)目前四十五页\总数七十四页\编于十六点一般情况下，ATP将磷酸基团转移给肌酸生成磷酸肌酸将能量贮存起来。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。目前四十六页\总数七十四页\编于十六点

体内所需能量大多由ATP直接供给，有些合成反应不直接利用ATP供能，而是由ATP将高能磷酸键转给UDP、CDP和GDP，生成UTP、CTP、GTP，作为能量的直接来源参与合成反应。如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂合成，GTP用于蛋白质合成等。核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP目前四十七页\总数七十四页\编于十六点氧化磷酸化：1）定义：在生物氧化过程中，底物脱氢经呼吸链传递，氧化生成水的同时，所释放的自由能用于偶联ADP磷酸化生成ATP，这种通过氧化呼吸链的电子传递与磷酸化合成ATP相偶联的作用称为氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)，又称为偶联磷酸化。目前四十八页\总数七十四页\编于十六点2)氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、ⅣATP形成以电子传递为前提，而呼吸链只有生成ATP才能推动电子的传递，此为偶联。呼吸链上磷酸化位点：NAD—FMN；Cytb—Cytc；Cyta—O2目前四十九页\总数七十四页\编于十六点氧化磷酸化的大小用P/O表示磷氧比（P/O)是指每消耗1mol原子氧时有多少摩尔原子的无机磷被酯化为有机磷，即产生多少摩尔的ATP。可间接测ATP生成量：P/O比值即一对电子通过呼吸链时生成ATP的个数NADH呼吸链：P/O=3FADH呼吸链：P/O=2（kj/mol）52.140.5102.3NADH：3ATPFADH2：2ATP目前五十页\总数七十四页\编于十六点化学渗透学说1.质子泵：线粒体的内膜中电子传递与线粒体释放H+是偶联的。即呼吸链在传递电子过程中释放出来的能量不断地将线粒体基质内的H+逆浓度梯度泵出线粒体内膜，主动运输到膜间隙。复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ目前五十一页\总数七十四页\编于十六点H+不能自由透过线粒体内膜线粒体内膜外侧H+浓度增高，基质内H+浓度降低，在线粒体内膜两侧形成一个质子跨膜梯度（浓度差），线粒体内膜外侧带正电荷，内膜内侧带负电荷，这就是跨膜电位差△ψ。由于线粒体内膜两侧H+浓度不同，内膜两侧还有一个pH梯度△pH，膜外侧pH较基质pH约低1.0单位，质子动力势：底物氧化过程中释放的自由能就储存于△ψ和△pH中目前五十二页\总数七十四页\编于十六点3.线粒体外的H+可以通过线粒体内膜上的ATP酶复合体，顺着浓度梯度进入线粒体基质中，这相当于一个特异的质子通道，H+顺浓度梯度方向运动所释放的自由能用于ATP的合成。目前五十三页\总数七十四页\编于十六点ATP酶复合体位于线粒体内膜质子通道ATP合成酶ATP水解酶F1：α3β3γδε复合体具有三个ATP合成的催化位点（每个β亚基具有一个）γ贯穿αβ复合体（相当于发电机的转子），并与F0接触ε帮助γ与F0结合δ与F0的两个b亚基形成固定αβ复合体的结构（相当于发电机的定子）F0：ab2c12复合体嵌入内膜12个c亚基组成一个环形结构，具有质子通道，可使质子由膜间隙流回基质。线粒体基质内膜膜间隙目前五十四页\总数七十四页\编于十六点质子运输中间物X-和IO-X~O含有来自H+浓度差的能量：合成ATP线粒体基质内膜膜间隙目前五十五页\总数七十四页\编于十六点质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动γ亚基旋转，由于γ亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起β亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP。构象耦联假说L（疏松）T（紧密）T（紧密）O（开放）O（开放）目前五十六页\总数七十四页\编于十六点目前五十七页\总数七十四页\编于十六点三、影响氧化磷酸化的因素1、抑制剂（1）呼吸链抑制剂：抑制氢或电子传递阿米妥、异戊巴比妥鱼藤酮、粉蝶霉素ACO、H2SCN-、N3-抗霉素A、二巯基丙醇（BAL）目前五十八页\总数七十四页\编于十六点（2）解偶联剂：脂溶性，破坏膜的不通透性，抑制磷酸化H＋膜内外电化学梯度电子传递使H＋跨膜转移H＋经从其它途径回流能量以热能散失，不能合成ATP常见的解偶联剂包括：2,4－二硝基苯酚，解偶联蛋白。目前五十九页\总数七十四页\编于十六点（3）氧化磷酸化抑制剂

寡霉素与Fo单元的亚基结合阻止H+从Fo单元回流抑制ATP合成H+

电化学梯度异常增高抑制磷酸化过程抑制电子传递的氧化过程目前六十页\总数七十四页\编于十六点（4）离子载体抑制剂

缬氨霉素、短杆菌肽与Na+、K+形成脂溶性复合物，将其从线粒体内跨膜转运到胞浆，消耗电子传递产生的能量目前六十一页\总数七十四页\编于十六点2、ADPADP增加，氧化磷酸化速度加快，ADP减少，氧化磷酸化速度减慢。3、甲状腺素（T3）

T3活化Na＋-K＋泵→消耗ATP→ADP增加→氧化磷酸化速度加快。目前六十二页\总数七十四页\编于十六点底物水平磷酸化代谢物脱氢氧化过程中分子内部能量重新分配，形成高能磷酸键，使ADP磷酸化生成ATP3－磷酸甘油醛1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸NAD+NADH+H+磷酸甘油醛脱氢酶ADPATP磷酸甘油酸激酶目前六十三页\总数七十四页\编于十六点线粒体外的氧化转运载体：运输相应物质通过线粒体膜线粒体外物质脱氢产生的NADH和NADPH不能直接透过线粒体膜，需通过穿梭机制进入二羧酸载体：转运苹果酸、琥珀酸、谷氨酸、α-酮戊二酸三羧酸载体：转运柠檬酸、异柠檬酸丙酮酸载体：转运丙酮酸ADP-ATP转运酶：转运ATP、ADP目前六十四页\总数七十四页\编于十六点1、异柠檬酸穿梭：NADPH＋H+NADP+α-酮戊二酸异柠檬酸α-酮戊二酸异柠檬酸NADH＋H+NAD+呼吸链胞液线粒体内膜基质NADH的转运机制：

异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶目前六十五页\总数七十四页\编于十六点2、-磷酸甘油穿梭：NADH＋H＋内膜线粒体内线粒体外NAD＋磷酸二羟丙酮-磷酸甘油EFADFADH2E磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶磷酸二羟丙酮-磷酸甘油