新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训

新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第1页第一节新陈代谢总论一新陈代谢概念新陈代谢

合成代谢（同化作用）

分解代谢（异化作用）生物小分子合成为生物大分子需要能量释放能量生物大分子分解为生物小分子能量代谢物质代谢新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第2页二、新陈代谢共同特点：1.由酶催化，反应条件温和。2.很多反应有严格次序，彼此协调。3.对周围环境高度适应。三、新陈代谢调整

三个水平调整：分子水平------酶浓度和数量调整（包含基因水平上调整）细胞水平------细胞区域化调整整体水平------激素和神经调整新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第3页四、生物体内能量代谢基础规律自由能：生物体（或恒温恒压）用以作功能量。在没有作功条件时，自由能转变为热能丧失。熵：混乱度或无序性，是一个无用能。ΔG=ΔH-TΔS对于A+B←→C+DΔG°=-2.303RTlgKK=[C][D]/[A][B]新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第4页

生物体中T2=T1

所以热不能作功，能作功能量是自由能。通常大家能够把能量分为两种。一个是热能，热能做功只能引发温度和压力改变；另一个是自由能可在恒温恒压下做功。自由能公式为：

△G＝△H－T△S△G－－－在恒温、恒压下，体系发生改变时自由能改变△H－－体系焓改变；T－－体系绝对温度；△S-----体系墒变。

生物能学(Bioenergetics)

生物能性质1.自由能概念：热机作功公式为：

W=QT2–T1T2

W：所做功Q：吸收热量T1：作功前温度T2：作功后温度新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第5页自由能能够简单看成是用于做功能量在热力学中对自由能有严格定义，在生化中，生物体用以做功能量正是体内化学反应释放自由能，或者说，在生物体内表达自由能改变是一个能量逐步浓缩过程：光能－－－ATP－－－碳水化合物这个过程用最简练热力学语言描述为：“自由能不停增加，熵值不停减小过程”。2、什么是生物能生物能主要是指生物分子化学能，也包含一些形式物理能如：动能、电能、辐射能、热能等。生命活动中能量形式同自然界能量形式一样，一样遵照热力学第一定律即一个能量形式产生，必定有另一个能量消失。

新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第6页3.生物能性质

1)生物能起源；

比如光合碳素循环作用（植物能量生成〕

光能－－－电能－－－活跃化学能－－－稳定化学能

（ATP、NADPH〕(碳水化合物)

活跃化学能转变为稳定化学能过程：

CO2＋NADPH(ATP)－－－CH2O2)标准生成自由能

标准生成自由能-----在标准状态下，由稳定单质生成1摩尔纯化合物ΔG°就等于该化合物标准自由能生成。见表20-2

新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第7页3)偶联反应自由能改变可加性及其意义例两个相偶联反应：

A-----B+CΔG°=+5kcal/mol(+20.92kj/mol)B-----DΔG°=-8kcal/mol(-33.47kj/mol)A-----C+DΔG°=-3kcal/mol(-12,55kj/mol)

偶联反应自由能是能够加和加和结果是A生成C和D反应能够自发进行。一个热力学上不利反应,能够由热力学上有利反应所驱动。新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第8页

4、能量学用于生物化学反应一些要求

1)自由能:

物理化学中标准自由能（G）为25℃、一个大气压，参加反应物质均为1个mol时能量改变。不过在生物体系中，其氧化还原反应经常有H+

参加，假如按物理化学标准自由能计算，则这个标准条件pH值为0

，显然，不符合生物体系反应条件。生物体系中，其标准自由能是指pH＝7.0时自由能，用G°'

表示，自由能改变用ΔG°'

表示2)氧化还原电位：生物体系中为pH＝7.0时电位（ΔE°'

）3)自由能与氧化还原电位关系：ΔG°'=-nFΔE°'

n：转移电子数目F：法拉第常数96.4914kJ/mol·V

新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第9页

概念：水解自由能在20.92kJ/mol（5千卡/mol）以上化合物。高能化合物中被水解基团称为“高能基团”，被水解键称为“高能键”用“～”表示

以磷酸作为高能基团高能化合物称为“高能磷酸化合物”

五、高能化合物PEPPPi1磷氧键型，其高能键是由磷和氧原子组成即“—O～P—”如：磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）、焦磷酸（PPi）等。高能化合物类型：新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第10页2氮磷键型，高能键是由氮和磷组成，如磷酸肌酸3硫酯键型，高能键是属于硫酯键，如脂酰辅酶A新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第11页常见磷酸化合物标准水解自由能ATPAMPADP

ATP结构特征1.结构水解自由能：每个高能键水解自由能为30.5kJ/mol或7.3kcar/mol新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第12页

细胞内影响ATP自由能释放原因

ATP水解释放自由能受到许多原因影响,主要包含:1.pH值

2.ATP浓度多数细胞ATP、ADP和无机磷酸浓度大约在2-10mmol/L之间.ATP4–+H2O——ADP3–+HPO4

2–+H+

负电荷集中，共振杂化，H+浓度低

2.产生高水解自由能原因新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第13页

ATP在能量转换中地位和作用作为能量通货原因：能量居中，可作为大多数能量转换酶能量供体或受体磷酸烯醇式丙酮酸~P~P~P~PATP甘油酸－1,3－2P18161412108642新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第14页

生物能流：化学能太阳光能呼吸作用能量通货损失：热、熵光合作用CO2+H2O有机物化学能渗透能电能机械能热能……ATP

新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第15页高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型硫酯键化合物甲硫键化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第16页六、、能量代谢与物质代谢关系

异氧生物分解有机营养物质并产生ATP三个阶段：乙酰辅酶A三羧酸循环脂肪酸

多糖蛋白质脂肪单糖甘油氨基酸第一阶段第二阶段第三阶段乙酰辅酶A新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第17页生物氧化方式及特点一、生物氧化概念

有机物在生物体内氧化分解成二氧化碳和水并释放和贮存能量过程如葡萄糖——6CO2+6H2O+能量（2870.22kJ/mol）

碳成为二氧化碳，氢成为水，能量以热形式释放或贮存于ATP二、生物氧化方式

1加氧氧化第二节生物氧化与氧化磷酸化(Biologicaloxidationandoxidativephosparylation)新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第18页

2脱氢氧化

①加水脱氢:Fe2+————Fe3++e－（3）脱电子：HOOC-CH2-CH2-COOH————HOOC-CH=CH-COOH+2H++2e－

琥珀酸琥珀酸脱氢酶延胡索酸②直接脱氢：新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第19页三、生物氧化特点：生物氧化是生物体在热力学允许条件下有序、可控氧化过程，因为生物氧化场所是细胞，其基础过程是大分子分解为CO2和H2O，并产生能量。生物氧化又称细胞呼吸（cellularrespiration)

1)逐步氧化，有序可控；

2)条件温和，多步酶促反应;3)能量逐步释放并以ATP方式贮存。

4）分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系。

新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第20页四、CO2生成方式（1）直接脱羧（2）氧化脱羧:R-CH(NH2)-COOH——————RCH2-NH2+CO2

氨基酸氨基酸脱羧酶胺

苹果酸

丙酮酸苹果酸酶苹果酸

丙酮酸苹果酸酶HOOCCH2CHOHCOOHCH3CCOOH+CO2NADP+NADPH+H+OCH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脱羧酶（α-脱羧）生物体内CO2生成起源于有机物转变为含羧基化合物脱羧作用新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第21页AH2AH2O1/2O2酶

一酶体系H2O1/2O2AH2A酶1……酶2酶3酶n多酶体系五、H2O生成方式新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第22页H2O生成代谢物脱下氢经生物氧化作用和吸入氧结合生成水。生物体主要以脱氢酶、传递体及氧化酶组成生物氧化体系，以促进水生成。MH2M递氢体递氢体H2NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ还原型氧化型Cyt递电子体

b,c1,c,aa32H+2e½

O2O2-H2O脱氢酶氧化酶新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第23页六、氧化酶类

1.电子转移酶如：细胞色素类，这是一类催化氧化还原反应酶，其辅基是血红素，作用部位是血红素中铁离子，接收电子和释放电子催化反应2.氧化酶：（1）普通氧化酶：单独使底物脱氢，并把氢交给氧酶类，如一酶体系中多酚氧化酶。新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第24页（3）末端氧化酶：处于一系列氧化还原酶末端，直接将递体电子交给氧生成水酶，如上述多酶体系中最终一个酶（2）黄素氧化酶：接收底物氢，并把它交给氧分子而生成过氧化氢酶。辅基通常是FAD。如黄嘌呤氧化酶3.脱氢酶：催化底物脱氢，脱下氢交给递氢体酶。辅基通常FAD或FMN。如：琥珀酸脱氢酶：4.加氧酶：加双氧酶和加单氧酶新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第25页一、电子传递链

指线粒体内膜上电子传递系统，即电子从NADH到O2传递经过路径类别：NADH呼吸链：NADH脱氢酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cytb、

Cytc1、Cytc、Cyta.a3

FADH2呼吸链：琥珀酸脱氢酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cytb、

Cytc1

、Cytc、Cyta.a3

呼吸链主要由蛋白质复合体组成份为四个别：

NADH－－－－Q还原酶；

琥珀酸－－－Q还原酶；细胞色素还原酶；细胞色素氧化酶

电子传递和氧化呼吸链

NAD－NADH－Q还原酶－Q－细胞色素还原酶－细胞色素C－细胞色素氧化酶－O2

琥珀酸－Q还原酶

黄素蛋白中FADH2新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第26页

二、组成呼吸链组员2.琥珀酸－Q还原酶（复合酶II）：与铁硫蛋白形成复合体，是膜内侧一个嵌入蛋白，活性中心在膜内侧，可催化琥珀酸氧化为延胡索酸，无质子泵功效。1.NADH脱氢酶（复合酶I〕：辅基为FMN，是一个跨膜蛋白，其活性中心在膜内侧，可催化NADH脱氢，并含有质子泵功效，其与铁-硫蛋白形成复合体内膜外内内膜外内新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第27页3.CoQ：是醌式化合物，可接收一对质子和一对电子，是呼吸链上唯一有机分子，在膜中比较自由。其反应以下：新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第28页（1）Cytb：Cytb是膜嵌入蛋白，可接收CoQ电子，且含有质子泵功效（2）Cytc1:膜嵌入蛋白，与Cytb组成一个复合体，它可接收b电子，并把它传给Cytc4.细胞色素还原酶（复合酶III）全部细胞色素类都是蛋白质，都含有辅基—血红素，如Cytc辅基与蛋白质结合。Fe2+Fe3++e－其中铁离子可接收电子和释放电子内膜外内新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第29页5.细胞色素氧化酶（复合酶IV）主要催化细胞色素C到细胞色素a·a3

电子传递：a·a3是两个细胞色素复合体，是一个跨膜蛋白，含有Cu离子。在膜外部，Cyta接收Cytc电子，经过Cu传给a3，a3活性中心在膜内侧，能够将其电子直接传给氧分子而生成水。该复合体也有质子泵功效。

该复合体又称呼吸链末端氧化酶。（3）Cytc：是膜上唯一外周蛋白，处于膜外侧，可接收Cytc1电子，并传给Cyta·a3。Cytc2e-内膜外内2H+内膜外内新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第30页NADH→FMN→CoQ→b→c1

→

c→aa3

→

O2

-0.32–0.300～0.1+0.07+0.22+0.25+0.29+0.816

琥珀酸→

FAD→CoQ→b→c1→

c→aa3

→

O2

+0.06三、工作机理：1.呼吸链组分排列次序及氧化还原电位：2.工作机理：

复合酶III复合酶I复合酶IV复合酶II新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第31页内外IIIIIIIVc内膜QNADH琥珀酸1/2O2四、存在状态

四个复合体：

复合体I：NADH脱氢酶、铁硫蛋白复合体II：琥珀酸脱氢酶、铁硫蛋白

复合体III：细胞色素b、c1

复合体IV：细胞色素氧化酶

新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第32页IIIIIIIVcQ内膜内外外膜FP2FP3FP4b5

NADH→FP2（内膜内侧）→Q→b→c1→c→aa3→O2NADH→FP3（内膜外侧）→Q→b→c1→c→aa3→O2NADH→FP4（外膜）→b5→c→aa3→O2五、植物中呼吸支路NADHNADH1/2O2琥珀酸NADH新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第33页NADH

→

FMN→CoQ→b→c1

→

c→aa3

→

O2六、电子传递抑制剂：鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶素抗霉素ACN–、N3–CO、H2S

抑制部位1.抑制NADH→Q还原酶内电子传递抑制部位2.抑制CoQ→c1

所在传递抑制部位3.抑制细胞色素氧化酶中电子传递新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第34页

氧化磷酸化

一、概念:伴随生物氧化放能反应并由ADP与Pi合成ATP过程。二、类型:底物水平磷酸化：高能磷酸化合物在酶作用下将高能磷酸基团转移给ADP合成ATP过程。丙酮酸激酶新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第35页氧化磷酸化：与呼吸链电子传递相偶联合成ATP过程

,又叫偶联磷酸化。

NADHO2呼吸链能量ADP+PiATP三、偶联部位:

1.电位：电位差在0.158伏以上部位能够偶联产生ATP0.53V0.22V0.32VNADHQbcaO2新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第36页

每消耗1原子氧同时消耗几原子磷，即每传递1对电子可偶联产生几分子ATP

底物 NADH 琥珀酸 CoQ 细胞色素cP/O 3 2 2 1ATP2.51.51.512.P/O：NADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cyta.a3→O2ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPIIIIIV琥珀酸→FADII呼吸主链产能部位:第一部位NADH------CoQ产生1个ATP

第二部位CoQ-------CytC产生0.5个ATP

第三部位CytC1--------O2产生1个ATP

新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第37页四、氧化磷酸化机理:1.氧化磷酸化细胞结构基础线粒体（mitochondria）外膜（outermembrane）内膜（innermembrane）嵴（sterility）新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第38页2.F1-F0因子：结构膜bdgebabaadgeF1F0F1：3a、3b、g、d、e5种共9个亚基，亚基为ATP合成部位F0：多个疏水亚基，嵌入膜内，为质子通道和F1基底。g亚基突出与F0结合新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第39页ATPADP+Pigaaabbb内膜bdgebaADP+PiATP2H+F1-F0工作机理新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第40页IIIIIIIVcQ内膜内外FMNbc1aa3F1F0

（1）化学偶联假说（Chemicalcouplinghypothesis)

（2）构象偶联假说(conformationalcouplinghypothesis)

（3）化学渗透学说（Chemicalosmotictheory）（Mitchell1961）1/2O2H2O2H+2H+2H+ADP+PiATPNADH+H+NAD+琥珀酸2H+电子传递泵出质子，内膜内外侧形成质子浓度梯度和电位梯度，总称为质子电化学梯度2H+2.氧化磷酸化机理化学渗透学说机理新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第41页化学渗透学说要点线粒体内膜是完整封闭系统。电子传递过程中，释放能量将质子由内膜内侧泵到内膜外侧。内膜两侧形成质子电化学梯度，蕴藏了进行磷酸化能量。4.质子经F1—F0复合体回到内膜内侧，推进ADP磷酸化形成ATP。新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第42页化学渗透学说试验依据—

氧化磷酸化重建试验（只传递电子）（水解ATP）（电子传递、氧化磷酸化）（电子传递、氧化磷酸化）外膜内膜新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第43页MH2MNAD+2H+FeS2e2H+FMN2H+Cytb2H+2eCoQ2H+Cytc1CytcCytaa32e½O2O2-X-+IO-XHIOHH2OX~IX~IX~I

头部ATP合酶ADP+PiATP2H+X-+IO-H2O化学渗透学说新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第44页设A、B为呼吸链邻近两个电子传递体AH2+B+I→A~I+BH2

（可进行下一轮传递）A~I+X→X~I+AX~I+Pi→X~P+IX~P+ADP→ATP+X新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第45页作用机理：将内膜外侧质子转移到内膜内侧，从而瓦解质子电化学梯度。解偶联(uncoupling)—使相互偶联电子传递放能过程和ATP合成需能过程分离现象称为解偶联。能够解偶联物质叫解偶联剂。

解偶联剂有各种物质，如：解偶联蛋白、2.4-二硝基苯酚、双香豆素等经典解偶联剂2，4—二硝基苯酚作用机理。外内内膜五、氧化磷酸化解偶联剂(uncoupler)和抑制剂新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第46页氧化磷酸化抑制剂(oxidativephosphorylationinhibitor)：直接作用于F1—F0复合体，抑制ATP合成物质。如寡霉素，其作用机理使堵塞了质子通道。内膜bdgebab内膜aadge2H+2H+2H+2H+2H+寡新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第47页Q→b→c1→c→a.a3内膜外膜细胞质六、氧化磷酸化物质运输III1.外源NADH运输

（1）动物：穿梭系统：磷酸甘油穿梭组成：两种磷酸甘油脱氢酶O2磷酸二羟丙酮-磷酸甘油磷酸二羟丙酮-磷酸甘油酶II嵌入蛋白功效：将磷酸甘油电子传给CoQ，而使外源NADH电子进入呼吸链。外源NADH电子被转移到呼吸链，这种系统中，NADH能够产生2个ATP。酶I：可溶性酶，存在于细胞质中-磷酸甘油磷酸二羟丙酮FADFADH2新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第48页①①②②呼吸链C2内膜外膜C1苹果酸穿梭:

该系统由两种苹果酸脱氢酶（①，存在于细胞质和线粒体），两种谷草转氨酶（②，存在于细胞质和线粒体）和C1、C2两个载体组成外源NADH被转移到线粒体内，这种系统中，NADH能够产生3个ATP。-酮戊二酸天冬氨酸谷氨酸-酮戊二酸谷氨酸天冬氨酸苹果酸草酰乙酸NADH+H+NAD+苹果酸草酰乙酸NAD+NADH+H+新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第49页酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+苹果酸苹果酸NAD+草酰乙酸NADH天冬氨酸NADH呼吸链苹果酸-天冬氨酸转运NADH系统新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第50页（2）植物植物能够经过其呼吸支路将外源NADH转移到呼吸链，当然这种方式每个NADH只能产生2个ATPIIIIIVcQ1/2O2内膜内外外膜NADHFP3FP4b52.ATP、ADP和无机磷酸运输（1）ATP、ADP交换运输

ATP、ADP是由同一个载体叫ATP/ADP交换体，也叫腺苷酸载体膜蛋白进行交换运输。这个载体为二聚体，其机理见图。新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第51页

属于主动运输（2）无机磷酸运输由线粒体膜上磷酸载体进行交换运输，属于主动运输线粒体内膜细胞质H2PO4－HO－线粒体内膜细胞质ADP3－ATP4－ATP4－ADP3－ATP4－新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第52页

1.ATP能量利用其主要方式是水解，以释放其高水解自由能，催化方式有两种：ATP+H2O→ADP+PiATP水解高能磷酸基团往往使底物磷酸化，使有机分子提升能位或蛋白质分子发生变构。ATP+H2O→AMP+PPi

这种水解方式产生PPi快速被焦磷酸酶水解，所以该过程消耗了ATP两个高能键，是高度供能过程。

2.ATP能量贮存七、ATP能量利用与贮存肌酸磷酸肌酸新陈代谢总论与生物氧化专业知识培训第53页八、细胞内ATP含量调整

能荷（energycharge）：总腺苷酸中所负荷ATP百分比正常条件下，细胞中能荷在0.8左右。