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1、第六章 新陈代谢总论与生物氧化,7.1 新陈代谢总论,营养物质在生物体内所经历的一切化学变化总称为新陈代谢。 分解代谢则是将复杂的大分子物质转变成小分子物质的过程；合成代谢一般是指将简单的小分子物质转变成复杂的大分子物质的过程。,分解代谢与合成代谢采取不同的途径，甚至同一种物质的两种过程在细胞的不同部位进行。 ATP的合成是在线粒体内进行，而ATP的供能（分解）在细胞溶胶中进行； 脂肪酸分解成乙酰辅酶A是在线粒体内进行，乙酰辅酶A合成脂肪酸却是在细胞溶胶中进行。,糖、脂肪、蛋白质 CO2+H2O+能量,生物氧化,ATP,1、高能合物的概念 一般将水解时能够释放21 kJ/mol（5 Kcal/
2、mol)以上自由能的化合物称为高能化合物。 在高能化合物分子中，释放出大量自由能时水解断裂的活泼共价键称为高能键*。 高能磷酸化合物：水解每摩尔磷酸基能释放5 Kcal/mol或以上能量的磷酸化合物,7.2 生物能学,按其分子结构特点及所含高能键的特征分： 磷氧键型 磷氮键型 硫酯键型 甲硫键型,2、高能化合物的类型,(1) 磷氧键型(O-P),(A)酰基磷酸化合物,1,3-二磷酸甘油酸,乙酰磷酸,(A)酰基磷酸化合物,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰基腺苷酸,（B）焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,ADP（二磷酸腺苷）,（C）烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）,磷氧键型：酰基
3、磷酸化合物、焦磷酸化合物、烯醇式磷酸化合物,（2） 磷氮键型（如胍基磷酸化合物）,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,磷酸肌酸是易兴奋组织（如肌肉、脑、神经）唯一的能起暂时储能作用的物质。 磷酸精氨酸是无脊椎动物肌肉中的储能物质,（3）硫酯键型,3-磷酸腺苷-5 -磷酰硫酸,酰基辅酶A,(4)甲硫键型,S-腺苷甲硫氨酸,2、最重要的高能磷酸化合物ATP,（1）ATP的分子结构特点与水解自由能的关系,G= -30.5千焦/摩尔,三个磷酸基团,A、ATP是生物体通用的能量货币（是产能反应和需能反应的重要能量介质）。 B、ATP是磷酸基团转移反应的中间载体（ATP在传递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和
4、转运者，但不是能量的贮存者) 。,（2）ATP在能量转化中的作用,ATP是通用的能量货币,ATP将分解代谢的产能反应和合成代谢的需能反应偶联在一起，被生物界普遍用作“能量货币”。 有机物氧化分解产生的能量并不直接用于活细胞的生理活动，而是将ADP磷酸化生成ATP。 ATPH2O ADP + Pi时，释放出的自由能，为生命活动提供能量；即构成了ATP / ADP循环。,磷酸基团转移势能（kcal/mol),2,4,6,8,10,12,14,16,ATP,PEP,1，3-二P甘油酸,6-P-葡萄糖,3-P-甘油,ATP是磷酸基团转移反应的中间载体,ATP的G0处于磷酸化合物的中间,某些磷酸化合物磷
5、酸基团的转移势能,（3）ATP的其他功能,ATP可以转变为其他核苷三磷酸如：CTP（参与磷脂合成）；UTP（多糖的合成）；GTP（蛋白质的合成） ATP是某些酶和代谢途径的调节因子 ATP断裂形成AMP和焦磷酸的特殊作用,（4）能荷(energy charge),ATP是生命活动中能量的主要直接供体，因此ATP不断产生又不断消耗， ATP、ADP和AMP的转换率非常高。但他们在机体内总能保持相应的平衡状态，以适应细胞对能量的需求。 例如：一个静卧的人24小时内消耗约40公斤ATP。 细胞所处的能量状态用ATP、ADP和AMP之间的关系式来表示，称为能荷，公式如下： 能荷=,ATP+1/2ADP
6、,ATP+ADP+AMP,腺苷酸库,能荷是细胞所处能量状态的一个指标，当细胞内的ATP全部转变为AMP时能荷值为0，当AMP全部转变为ATP时，能荷值为1。 高能荷抑制ATP的生成，促进ATP的应用，即促进机体内的合成代谢。 大多数细胞的能荷处于0.8-0.95之间。进一步说明细胞内ATP的产生和利用都处于一个相对稳定的状态。,ATP+1/2ADP,ATP+ADP+AMP,能荷=,按其分子结构特点及所含高能键的特征分,高能化合物的类型,胍基磷酸化合物,A、ATP是生物体通用的能量货币。 B、ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。ATP在传递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和转运者，但不
7、是能量的贮存者。 ATP的其他功能： ATP可以转变为其他核苷三磷酸如：CTP（参与磷脂合成）；UTP（多糖的合成）；GTP（蛋白质的合成） ATP是某些酶和代谢途径的调节因子 ATP断裂形成AMP和焦磷酸的特殊作用,ATP在能量转化中的作用,7.3 生物氧化电子传递和氧化磷酸化作用,维持生命活动的能量，主要有两个来源： 光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。 化学能：动物和大多数的微生物，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，并转变成生物能。,1、生物氧化的含义,生物氧化：有机物在生物体内氧化分解，产生CO2和H2O，并释放出能量
8、的过程。 在真核生物细胞内生物氧化都是在线粒体内进行；在原核生物内，生物氧化则在细胞膜上进行。 生物氧化结果是产生二氧化碳、水和能量。,2、生物氧化作用的特点, 条件温和 酶促反应 释放能量并转换成ATP 必然伴随生物还原反应 碳氢氧化不同步,3、生物氧化的方式,脱氢反应 加氧反应 脱电子反应,琥珀酸脱氢, 脱氢反应,乳酸脱氢酶, 加氧反应,加氧酶催化氧分子直接加入到有机分子中。 CH4+NADH+O2 CH3OH+NAD+H2O 这种氧化方式主要存在于微粒体中。与体内的某些代谢物、外来毒物、药物的生物转化有关。,甲烷单加氧酶,A2+,A3+,B3+,B2+,e-, 脱电子反应,从底物分子中脱
9、去电子，使化合价改 变的过程。,AH2,A,B,BH2,2H,生物体内不存在游离的电子或氢原子。 A 供电子体或供氢体：失去电子或氢原子的物质。 B 受电子体或受氢体：接受电子或氢原子的物质。 C 递氢体或递电子体：既能接受氢（或电子）又能供给氢（或电子）的物质，起传递氢（或电子）的作用。, 直接脱羧作用,羧酸在脱羧酶的催化作用下，直接从分子中脱去羧基。 Mg2+,TPP(焦磷酸硫胺素),酮酸脱羧酶 CH3COCOOH CH3CHO + CO2,酮酸脱羧酶,Mg2+,TPP,4、二氧化碳的生成, 氧化脱羧作用,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。 HOOC-CHOH-
10、CH2-COOH + NADP+ HOOC-CO-CH3 + CO2 + NADPH + H+,苹果酸酶,5、生物氧化的酶类,氧化酶类 脱氢酶类 A 需氧脱氢酶 B 不需氧脱氢酶, 氧化酶类,氧化酶的辅基常含有铁、铜等金属离子。 作用特点催化底物脱氢的同时激活氧原子，活化的氧（O2）与从底物脱下来的氢离子化合成水。 此类酶常见的有细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶、酚氧化酶等。,AH2,A,2Cu2+,2Cu+,氧化酶,O2-,1/2 O2,2e-,2e-,H2O,2H+,氧化酶催化的反应(P140),(还原型代谢物),(氧化型代谢物), 脱氢酶类 A 需氧脱氢酶,需氧脱氢酶的辅基为FMN(黄素单
11、核苷酸)，属于黄素酶类。 作用特点催化底物脱氢，以氧为受氢体，生成过氧化氢。 常见的这类酶有氨基酸氧化酶、黄嘌呤氧化酶、醛氧化酶。,AH2,A,FAD,FADH2,H2O2,O2,2H,2H,需氧脱氢酶催化的反应,B 不需氧脱氢酶,根据直接受氢体的不同分为：以吡啶核苷酸（NAD+、NADP+）为辅酶和以黄素核苷酸（FMN、FAD）为辅基。 作用特点催化底物脱氢后，以辅酶或辅基作为受氢体，再经一系列氢和电子的传递作用，最后将氢传递给氧而生成水。 常见的不需氧脱氢酶见表61。,AH2 NAD+ 或 FAD X2H,A NADH+H+ 或 FADH2 X,2H,2H,不需氧脱氢酶催化的反应,1/2O
12、2,H2O,二、呼吸链,1、 呼吸链及其存在形式 2、呼吸链的主要组成成分 3、呼吸链的类型及电子传递顺序 4、线粒体外NADH的氧化,1、呼吸链及其存在形式, 呼吸链的含义 呼吸链的存在形式, 呼吸链含义,在线粒体内膜上，底物脱下的氢和电子沿着按特定顺序排列的一系列递氢体和递电子体传递给氧生成水，并放出大量能量的体系称为呼吸链。, 呼吸链的存在形式,呼吸链以镶嵌于线粒体内膜的4种电子传递蛋白复合体及2种游离组分的形式存在。 复合体I，NADH-泛醌还原酶 复合体II，琥珀酸-泛醌还原酶 复合体III，泛醌-细胞色素c还原酶 复合体IV，细胞色素c氧化酶 两种游离成分分别是泛醌和细胞色素c,2
13、、呼吸链的主要组成成分, 辅酶和辅酶 黄素蛋白 铁硫蛋白 辅酶Q 细胞色素体系,尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)，又称辅酶I(CoI), 辅酶和辅酶,尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+), 又称辅酶II（CoII）,NAD+和NADP+分子中的尼克酰胺在生理的pH条件下，其吡啶氮为五价，能可逆地接受电子而成三价氮，其对侧的碳原子能可逆地加氢还原，所以一般将它们看作递氢体，但尼克酰胺只是接受一个氢原子和一个电子，而将另一个质子留在介质中，作用方式见图65。, 黄素蛋白,黄素蛋白的辅基有两种： 黄素单核苷酸（FMN） 黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）,FMN和FAD分子中都含维生素B2，维生素B
14、2的异咯嗪部分可以进行加氢和脱氢反应，即FMN和FAD接受代谢物脱下的氢转变为还原型FMNH2和FADH2，此过程可逆。,与辅酶、不同，它们能传递两个氢原子。, 铁硫蛋白,铁硫蛋白含有是非卟啉（血红素）铁原子和对酸不稳定的硫原子。每一个铁硫蛋白分子分别有四个或两个铁硫中心（Fe-S）。其作用是借铁的变价进行电子可逆传递， Fe3+e- Fe2+ ，每次传递一个电子，Fe-S为单电子传递体。,在电子传递链中的铁硫蛋白，已发现有9种，作为电子传递体，它们与其它呼吸链传递体如黄素蛋白、NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶和细胞色素b等结合成复合物存在。, 辅酶Q,辅酶Q(CoQ),是一种脂溶性的醌类化合物，
15、醌分子侧链是由几个异戊二烯单位构成，广泛存在于生物界，故又称泛醌(UQ或Q)。 UQ分子中的苯醌结构能可逆地加氢和脱氢，即由泛醌和二氢泛醌互变，一次传递两个氢。,不同生物的CoQ的n值为610，高等动物CoQ的n=10。,醌型或氧化型,氢醌型或还原型, 细胞色素体系,细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的电子传递蛋白质。,细胞色素的功能是传递电子，通过铁原子的价态变化（Fe3+e- Fe2+）进行电子传递。 细胞色素有很多种，根据吸收光谱的不同将Cyt分成a、b、c三类，呼吸链中含有5种Cyt（b、c、c1、a和a3）。 Cyta和Cyta3以复合物形式Cytaa3存在，在各种细胞色素中，只有细胞色素
16、aa3直接以分子氧为受电子体，故又称为细胞色素氧化酶。 在线粒体的呼吸链中各种细胞色素传递电子顺序大致如下：Cyt b Cyt c1 Cyt c Cyt aa3, 呼吸链的类型,在线粒体的内膜上，由4种具有相对独立功能的复合物及2种游离成分组成一个完整的呼吸链体系。,3、呼吸链的类型及电子传递顺序,根据代谢物脱落的氢的初始受体来区分，线粒体典型的呼吸链有两条： NADH呼吸链（比FADH2呼吸链作用普遍） FADH2呼吸链（琥珀酸呼吸链）,NADH呼吸链, 电子传递顺序,FADH2 呼吸链, 穿梭作用,线粒体外胞液中的NADH不能自由通过线粒体膜而进入线粒体内的呼吸链进行氧化，必须将2H+交给
17、能自由通过线粒体内膜的中间物，中间物将2H+带入线粒体内，交给线粒体内的NAD+或FAD，中间物又穿出线粒体重新携带线粒体外NADH的氢。这一转运机制称为穿梭作用。 穿梭作用主要有两种方式：-磷酸甘油穿梭作用和苹果酸天冬氨酸穿梭作用。,4、线粒体外NADH的氧化, -磷酸甘油穿梭作用,在胞液中生成的NADH可在胞液的以NAD+为辅酶的-磷酸甘油脱氢酶的催化下，使磷酸二羟丙酮还原成-磷酸甘油。 后者进入线粒体，在线粒体内的以FAD为辅酶的-磷酸甘油脱氢酶的作用下，生成磷酸二羟丙酮和FADH2。 FADH2进入呼吸链氧化产生ATP（每一分子FADH2产生2分子ATP）。 该穿梭作用将线粒体外的NA
18、DH变为线粒体内的FADH2。, 苹果酸天冬氨酸穿梭作用,胞液中的NADH在苹果酸脱氢酶催化下，使草酰乙酸还原为苹果酸，后者进入线粒体，又在苹果酸脱氢酶作用下，重新生成草酰乙酸和NADH。 在两个可逆反应中，苹果酸起到将胞液中NADH+H+的两个氢带入线粒体的作用。 线粒体内生成的草酰乙酸则经谷草转氨酶作用生成天冬氨酸，然后穿出线粒体，再转变为草酰乙酸继续穿梭作用。 一个NADH+H+可产生3个ATP。,1、高能键和高能化合物,生物体内一些化合物分子中的某些化学键随着水解或基团转移反应可放出大量能量（大于20 kJ/mol），称为高能键。 高能键常以符号“”表示。 生物体内的高能键有高能磷酸键
19、、高能硫酯键、高能甲硫键等，而以高能磷酸键最为普遍。 含高能磷酸键的化合物称为高能磷酸化合物。,三、生物氧化中能量的转变, 底物水平磷酸化,一些代谢中间产物含有高能键，这些物质在代谢过程中可以将自身高能键的能量直接转给ADP，ADP再结合一个磷酸分子生成ATP，该过程称为底物水平磷酸化。,2、ATP的生成,在厌氧发酵过程中，下述情况是唯一可以从底物上获得能量的方式。 1,3-二磷酸甘油酸ADP （3-磷酸甘油酸激酶）3-磷酸甘油酸ATP 磷酸烯醇式丙酮酸ADP （丙酮酸激酶 丙酮酸ATP 又如在三羧酸循环中： 琥珀酸单酰CoAH3PO4 GDP （琥珀酸单酰CoA合成酶）琥珀酸CoASHGTP
20、,A 氧化磷酸化含义,代谢物脱下的氢经呼吸链传递给氧生成水，氧化释出的能量驱动ADP磷酸化生成ATP，这种呼吸链的氧化反应与ADP的磷酸化的偶联过程称为氧化磷酸化。, 氧化磷酸化,B 氧化磷酸化偶联部位,其中可通过测定呼吸链氧化的P/O比值的方法分析偶联部位。 P/O比值即消耗氧原子与消耗无机磷的摩尔数之比。 由该法确定的呼吸链偶联部位有三个： NADH UQ UQ Cytc Cytaa3 O2,C 氧化磷酸化偶联机制,呼吸链中复合物I、II、III具有质子泵功能，在呼吸链传递电子过程中释放能量，将质子从线粒体内膜的基质侧泵到内外膜间隙中。 由于内膜对质子的不通透特性，造成膜内外质子电化学梯度
21、（包括氢离子浓度梯度和跨膜电位梯度），从而贮存呼吸链氧化释放的能量。 当该质子电化学梯度驱动质子通过特殊途径回流时，释放能量供给ADP与Pi生成ATP。,A) 化学渗透学说,B) ATP合酶学说,ATP合酶是线粒体内膜蛋白复合体，图613所示。主要由嵌入内膜的疏水的Fo部分和突出于线粒体基质中亲水的F1部分组成，又称Fo F1复合体。 F1部分的功能是催化ATP合成。 Fo部分的功能是起H通道的作用。,A) ADP,ADP为氧化磷酸化的底物，当机体利用ATP增多时，ADP浓度增高，转运入线粒体后,使氧化磷酸化速度加快；反之，ADP不足，氧化磷酸化速度减慢。这种调节作用使ATP的生成速度适应生理
22、需要，防止能源浪费。,D 氧化磷酸化影响因素,B) 甲状腺素,甲状腺激素是调节机体能量代谢的重要激素，它可诱导细胞膜上Na+-K+-ATP酶的生成，使ATP加速分解为ADP和Pi。ADP进入线粒体数量增多，促进氧化磷酸化反应。因ATP合成和分解速度均增加，引起机体耗氧量和产热量增加，基础代谢率增加。 甲状腺功能亢进患者基础代谢率增高，产热量也增加。（消瘦）,C) 抑制剂,抑制剂以其作用部位不同，可分为3类： (a) 电子传递抑制剂 (b) 氧化磷酸化抑制剂 (c) 解偶联剂,(a) 电子传递抑制剂,此类抑制剂可在特异部位阻断呼吸链的电子传递，也称呼吸链抑制剂，因此都是毒性物质。 鱼藤酮、异戊巴
23、比妥、粉蝶霉素A等，可与复合体I中的Fe-S结合，阻断电子传递到UQ。 抗霉素A、二巯基丙醇（BAL）等，能抑制复合体中Cytb到Cytc1的电子传递。 CO、-CN、H2S等，抑制Cytc氧化酶，阻断电子由Cytaa3到O2的传递。这些抑制剂均为毒性物质，可使细胞内呼吸停止，机体死亡。（苦杏仁、白果、木薯、煤气）,(b) 氧化磷酸化抑制剂,此类抑制剂可同时抑制电子传递和ADP磷酸化。如： 寡霉素可与ATP合酶柄部OSCP结合，阻断质子通道回流，抑制ATP生成； H+在线粒体内膜外积累，影响呼吸链质子泵的功能，从而抑制电子传递。,(c) 解偶联剂,在呼吸链中，能使电子传递照样进行但不发生ADP
24、磷酸化产生ATP的试剂称为解偶联剂。 较有效的解偶联剂如2,4-二硝基苯酚（DNP），其它解偶联剂如水杨酰替苯胺等。 解偶联剂使电子传递失去正常的控制，造成过分的氧和底物消耗，而能量却得不到贮存并以热的形式散失。 在冬眠动物和适应寒冷的哺乳动物中，正是利用这种氧化磷酸化的解偶联作用能产生热的方法以维持体温。 人摄入解偶联剂会引起大量出汗和体温升高，也是这种作用。 二硝基苯酚曾被用作减肥药。,D) 线粒体DNA突变,线粒体DNA呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，易受多种因素的影响发生突变，突变率为核DNA的10-20倍。mtDNA编码呼吸链复合体中13条多肽链及线粒体蛋白质生
25、物合成所需的22个tRNA和2 个rRNA。因此， mtDNA突变可影响氧化磷酸化，使ATP生成减少而引起mtDNA病。 mtDNA病的症状取决于mtDNA突变的严重程度和各组织器官结ATP的需求情况，耗能较多的组织先出现功能障碍，包括线粒体脑病、线粒体肌病。 常见症状有盲、聋、痴呆、肌无力等。,3、ATP循环,ATP循环也称ATP-ADP循环，是指体内ATP生成和利用所形成的循环。 糖、脂肪等物质分解代谢中产生的能量很大部分用来合成ATP，ATP是机体所需能量的直接供给者。 ATP分解时释放出的能量，可与体内各种吸能反应相偶联，从而完成各种生理活动，如生物合成反应、肌肉收缩、信息传递、离子转
26、运等。,4、磷酸肌酸和磷酸精氨酸的储能作用, ATP动态平衡系统 能量储存库, ATP动态平衡系统,ATP直接提供机体活动所需能量（也有以其它三磷酸核苷作为能量的直接来源），为保证细胞中的ATP含量维持在相对恒定的水平，需有一个动态平衡系统，这要借助于磷酸原。 磷酸原是起储存能量的一类物质。 脊椎动物的磷酸原是磷酸肌酸。 当ATP浓度高时，肌酸即通过酶（肌酸磷酸激酶）的作用接受ATP的高能磷酸基团形成磷酸肌酸储存于体内。 当ATP浓度低而机体又需要能量时，磷酸肌酸又将高能磷酸基团转移给ADP形成ATP。, 能量储存库,磷酸肌酸的高能磷酸键不能直接应用，需要时，磷酸肌酸把高能磷酸基团转给ADP生
27、成ATP再应用。 磷酸肌酸只是通过上述唯一的途径转移磷酸基团，因此，它是ATP高能基团的储存库。 无脊椎动物则以磷酸精氨酸作为磷酸原。,思考题：,1.什么是生物氧化？生物氧化有何特点？ 2.最常见的生物氧化方式是哪种？什么是供电子体或供氢体、受电子体或受氢体、递电子体或递氢体？ 3.生物氧化由哪两种作用方式产生二氧化碳？ 4.不需氧脱氢酶催化脱下的氢最后受氢体是氧吗？为什么称它为不需氧脱氢酶？ 5.什么是呼吸链？呼吸链以什么形式存在？有哪些主要组成成分？这些组成成分各是如何传递氢或电子的？ 6.典型的呼吸链是指哪两种类型？它们的顺序有何差异？,7.线粒体外NADH是如何进入线粒体内氧化的？-磷酸甘油穿梭作用和苹果酸天冬氨酸穿梭作用有何差异? 8.什么是高能键和高能（磷酸）化合物？常见的高能磷酸化合物有哪几种类型？它们在化学结构上有何共同点？ 9.什么是底物水平磷酸化和氧化磷酸化？ 10.ATP在呼吸链中什么部位形成？为什么？在典型的两条呼吸链中一般情况下各能产生多少个ATP？ 11.什么是磷酸原？为什么说它能保证ATP系统的动态平衡？,