1、第八章 代謝總論與生物氧化,第一節(jié) 新陳代謝的有關(guān)概念,一、新陳代謝的概念：,新陳代謝是生物體最基本的特征，是生命存在的前提。,1.狹義概念：是指細(xì)胞內(nèi)所發(fā)生的酶促反應(yīng)過(guò)程，稱為中間代謝。這是代謝活動(dòng)的主體，也是代謝研究的主要內(nèi)容。,新陳代謝包括生物體內(nèi)所發(fā)生的一切合成和分解作用。一方面，生物體不斷從周?chē)h(huán)境中攝取物質(zhì)，通過(guò)一系列生化反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)樽约旱慕M成部分；另一方面，將原有的組成成分經(jīng)過(guò)一系列生化反應(yīng)，分解成不能在利用的物質(zhì)排出體外，不斷地進(jìn)行自我更新。生物體通過(guò)新陳代謝所產(chǎn)生的生命現(xiàn)象是建立在合成代謝與分解代謝矛盾對(duì)立和統(tǒng)一的基礎(chǔ)上的，它們之間既相互聯(lián)系、相互依存，又相互制約。,合成代謝

2、 分解代謝,物質(zhì)代謝,能量代謝,新陳代謝,新陳代謝圖解,（同化作用）,（異化作用）,小分子 大分子,需要能量,釋放能量,大分子 小分子,二、新陳代謝的內(nèi)容,1.物質(zhì)代謝和能量代謝 （1）物質(zhì)代謝：重點(diǎn)討論各種生理活性物質(zhì)（如糖、蛋白質(zhì)、脂類、核酸等）在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生酶促反應(yīng)的途徑及調(diào)控機(jī)理，包含舊分子的分解和新分子的合成； （2）能量代謝：重點(diǎn)討論光能或化學(xué)能在細(xì)胞內(nèi)向生物能（ATP）轉(zhuǎn)化的原理和過(guò)程，以及生命活動(dòng)對(duì)能量的利用。 能量代謝和物質(zhì)代謝是同一過(guò)程的兩個(gè)方面，能量轉(zhuǎn)化寓于物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程之中，物質(zhì)轉(zhuǎn)化必然伴有能量轉(zhuǎn)化。,（1）合成代謝活細(xì)胞從外環(huán)境中取得原料合成自身的結(jié)構(gòu)物質(zhì)、貯存物質(zhì)、生理

3、活性物質(zhì)及各種次生物質(zhì)的過(guò)程是合成代謝，也叫生物合成。是需要供應(yīng)能量的過(guò)程。,（2）分解代謝有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生分解的作用過(guò)程。分解過(guò)程中的許多中間產(chǎn)物可供作生物合成的原料。伴隨分解代謝釋放出化學(xué)能并轉(zhuǎn)化為細(xì)胞能夠利用的生物能（ATP）。 合成代謝和分解代謝相輔相成，有機(jī)地聯(lián)系在一起，構(gòu)成中間代謝的統(tǒng)一整體。,2.合成代謝與分解代謝,3.代謝途徑,無(wú)論物質(zhì)代謝還是能量代謝，分解代謝還是合成代謝，一般都是由多種酶催化的連續(xù)反應(yīng)過(guò)程。所謂代謝途徑就是細(xì)胞中由相關(guān)酶類組成的完成特定代謝功能的連續(xù)反應(yīng)體系。細(xì)胞中具有某種代謝途徑也就是指具有其酶系。代謝途徑的組成可簡(jiǎn)單示意如下：,式中S代表代謝底物，P

4、代表產(chǎn)物，E代表酶。從S到P之間的一系列過(guò)渡產(chǎn)物稱為中間產(chǎn)物。底物、中間產(chǎn)物、終產(chǎn)物統(tǒng)稱為代謝物。不同代謝途徑所具有的相同的中間產(chǎn)物稱為公共中間產(chǎn)物。通過(guò)公共中間產(chǎn)物可實(shí)現(xiàn)途徑間的互相聯(lián)系，調(diào)節(jié)代謝物質(zhì)的流向，維持細(xì)胞中各種物質(zhì)的代謝平衡。,4.生物的營(yíng)養(yǎng)類型,自然界中的生物根據(jù)其所利用的碳源和能源，可分為不同的營(yíng)養(yǎng)類型。,（1）自養(yǎng)與異養(yǎng)： 碳源是為細(xì)胞生物合成提供碳素營(yíng)養(yǎng)的物質(zhì)。有些生物利用無(wú)機(jī)物二氧化碳作為碳源，這類生物稱為自養(yǎng)生物。有些生物需要現(xiàn)成的有機(jī)物作為碳源，稱之為異養(yǎng)生物。,（2）光能與化能： 生物體能夠利用的能源主要有光能和化學(xué)能。根據(jù)不同生物對(duì)能源的要求，可分為光能營(yíng)養(yǎng)型和

5、化能營(yíng)養(yǎng)型。 光能營(yíng)養(yǎng)型是直接利用光能，通過(guò)光合磷酸化作用合成ATP；化能營(yíng)養(yǎng)型是利用現(xiàn)成有機(jī)物或無(wú)機(jī)物，通過(guò)氧化磷酸化反應(yīng)合成ATP。,生物營(yíng)養(yǎng)類型,四種營(yíng)養(yǎng)類型中，光能自養(yǎng)型和化能異養(yǎng)型占絕大多數(shù)。另兩種營(yíng)養(yǎng)類型相對(duì)較少。還應(yīng)指出，有些高等生物的所有細(xì)胞并非都屬于同一營(yíng)養(yǎng)類型。例如，高等植物葉子是光能自養(yǎng)，而根部則為化能異養(yǎng)型。葉綠細(xì)胞在日光中為光能自養(yǎng)型，在黑暗中又為化能異養(yǎng)型。,（3）需氧與厭氧： 不同生物對(duì)分子氧的依賴關(guān)系也有很大區(qū)別，據(jù)此可分為需氧生物、厭氧生物和兼性生物。,需氧生物是在有氧條件下才能維持代謝的生物。其代謝活動(dòng)需要以分子氧（O2）作為有機(jī)物氧化反應(yīng)的電子受體。,厭氧

6、生物是在無(wú)分子氧的環(huán)境中生活的，以無(wú)機(jī)物或有機(jī)物為電子受體，不能用O2作為電子受體，而且分子氧（O2）對(duì)絕對(duì)厭氧生物會(huì)有毒害作用。,兼性生物在有氧、無(wú)氧條件下都能生存，有氧時(shí)利用氧，無(wú)氧時(shí)能利用某些氧化型有機(jī)物作為電子受體。,第二節(jié) 代謝的發(fā)生過(guò)程,一、分解代謝的一般過(guò)程 幾乎所有生物都具有分解利用有機(jī)物的能力?？傆[有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（糖、脂、蛋白質(zhì)）分解代謝的發(fā)生過(guò)程，可以分為四個(gè)階段。,生物大分子的降解階段 單體分子初步分解階段 乙酰基完全分解階段 氫的燃燒階段,1.生物大分子的降解階段。外源生物大分子通過(guò)消化作用降解，內(nèi)源生物大分子通過(guò)胞內(nèi)酶催化降解，分解為其單體分子，即多糖分解為己糖或戊糖，

7、蛋白質(zhì)分解為氨基酸，脂肪分解為甘油和脂肪酸等。這些降解反應(yīng)途徑都很短，僅有幾種酶催化，不產(chǎn)生可利用的能量。,2.單體分子初步分解階段。細(xì)胞都具有特定的分解代謝途徑，分別將單糖、氨基酸、脂肪酸等單體分子進(jìn)行不完全分解。如糖的EMP途徑、脂肪酸的-氧化，等等。各種單體分子不管其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)差別多大，經(jīng)過(guò)第二階段的有關(guān)代謝途徑都能巧妙地被降解成少數(shù)幾種中間產(chǎn)物，主要是乙酰CoA。因此，第二階段起到了殊路同歸、把多形性的底物分子向一體化結(jié)構(gòu)集中的作用，為最后納入同一代謝途徑進(jìn)行完全分解創(chuàng)造了條件。,3.乙酰基完全分解階段。三羧酸循環(huán)途徑是各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解所生成的乙?；腥紵墓餐緩健＝?jīng)過(guò)三羧酸循環(huán)，

8、乙酰基完全分解，碳原子氧化成二氧化碳，并有少量能量釋放，生成ATP。大量的化學(xué)能以氫原子對(duì)2H（2H+ 2e）的形式轉(zhuǎn)入還原型輔酶分子。還原型輔酶再將氫原子對(duì)送入呼吸鏈進(jìn)行氧化放能。,4.氫的燃燒階段。這是有機(jī)物氧化分解的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。主要包括電子傳遞過(guò)程和氧化磷酸化作用。在線粒體內(nèi)膜上由多種色素蛋白組成的呼吸鏈?zhǔn)鞘沟诙?、三階段生成的氫原子對(duì)（2H + 2e）完全氧化的組織體系，也是細(xì)胞中有機(jī)物氧化分解釋放能量的主要部位。,二、合成代謝的一般過(guò)程,生物合成包括組建生物大分子所需單體分子的合成、生物大分子的合成、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組建、生理活性物質(zhì)及次生物質(zhì)的合成等。所有生物合成都是需能酶促反應(yīng)過(guò)程。需

9、要由核苷三磷酸，主要是用ATP供能，所有生物合成過(guò)程都需還原型輔酶（NADPH）供應(yīng)還原力。,除了營(yíng)養(yǎng)貯存物質(zhì)的合成之外，一般正常生理狀態(tài)下的生物合成都遵守細(xì)胞經(jīng)濟(jì)學(xué)的原理，用多少，合成多少。合成途徑的啟、閉、快、慢都受細(xì)胞調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)。 不同生物類群的生物合成能力有所不同，所用的原材料和能量來(lái)源也不盡相同。但是，一切活細(xì)胞都需要自行合成本身所需要的種種生物大分子。,合成代謝一般可以分成三個(gè)階段：原料準(zhǔn)備、單體分子合成、生物大分子合成。 生物合成所需的碳源、氮源、能量和還原力（NADPH）主要通過(guò)分解代謝供應(yīng)。從這種意義上來(lái)講，分解代謝可以視為合成代謝的原料準(zhǔn)備階段。,自養(yǎng)生物所需要的單糖、脂

10、肪酸、氨基酸、核苷酸等各種單體分子及其他生理活性物質(zhì)，生物自身都能合成。高等動(dòng)物和人體有幾種氨基酸和脂肪酸及維生素等生理活性物質(zhì)，自身不能合成，需要靠植物和微生物供給。微生物的生物合成能力差別很大。凡自身不能合成的單體分子則為其生長(zhǎng)限制因子，必須由外界供給。,對(duì)于異養(yǎng)生物而言，分解代謝是生物合成的先決條件。只有充足的營(yíng)養(yǎng)源被分解，才能為生物合成供應(yīng)必需的原料和能量。,第三節(jié) 中間代謝的實(shí)驗(yàn)研究方法,中間代謝的研究?jī)?nèi)容很多，研究目的不同，所用的生物材料和實(shí)驗(yàn)方法也不相同。為探討代謝途徑及其調(diào)節(jié)機(jī)理，動(dòng)物、植物、微生物材料都可以作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料的水平，常將實(shí)驗(yàn)分為活體內(nèi)實(shí)驗(yàn)和活體外實(shí)驗(yàn)

11、。,1.活體內(nèi)實(shí)驗(yàn)（整體實(shí)驗(yàn)） 用整體生物材料或高等動(dòng)物離體器官或微生物細(xì)胞群體進(jìn)行中間代謝實(shí)驗(yàn)研究稱為活體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。,（一）活體內(nèi)實(shí)驗(yàn)和活體外實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果代表生物體在正常生理?xiàng)l件下整體代謝情況，比較接近生物體的實(shí)際。 典型例子：1904年，德國(guó)化學(xué)家Knoop提出的脂肪酸-氧化學(xué)說(shuō)。,2.活體外實(shí)驗(yàn) 用從生物體分離出來(lái)的組織切片，組織勻漿或體外培養(yǎng)的細(xì)胞、細(xì)胞器及細(xì)胞抽提物進(jìn)行中間代謝實(shí)驗(yàn)研究稱為活體外實(shí)驗(yàn)表示。 典型例子：糖酵解、三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化等。,探討物質(zhì)代謝途徑的常用方法有：代謝平衡實(shí)驗(yàn)、代謝障礙實(shí)驗(yàn)、代謝物質(zhì)標(biāo)記追蹤實(shí)驗(yàn)、特征性酶鑒定實(shí)驗(yàn)、核磁共振波實(shí)驗(yàn)等。其中最有效的是代謝

12、物質(zhì)標(biāo)記追蹤實(shí)驗(yàn)和核磁共振實(shí)驗(yàn)。,（二）代謝途徑的探討方法,1.代謝平衡實(shí)驗(yàn) 通過(guò)活體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究代謝物攝入和產(chǎn)出排出的平衡關(guān)系，可以了解對(duì)代謝物的利用能力及產(chǎn)物生成情況。 例如測(cè)定“呼吸商”（R.Q.）可以判斷體內(nèi)能量利用情況。 R.Q.=產(chǎn)CO2量（升）/耗O2量（升）,糖類物質(zhì)R.Q為1，脂肪R.Q為0.7，蛋白質(zhì)R.Q為0.8。人體正常代謝時(shí)，R.Q介于0.85-0.95之間，說(shuō)明三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)同時(shí)發(fā)生了氧化分解。 饑餓狀態(tài)下：R.Q？ 糖尿病人：R.Q？ 問(wèn)題：若測(cè)得生物材料的R.Q接近1，則表明能量主要來(lái)自于何類物質(zhì)分解？,2.代謝障礙實(shí)驗(yàn)（代謝途徑阻斷實(shí)驗(yàn)） 正常生物體的中間代謝過(guò)程

13、中，中間產(chǎn)物不會(huì)過(guò)多積累，不容易進(jìn)行分析研究；若用適當(dāng)方法造成代謝障礙，阻斷代謝途徑，則使中間產(chǎn)物積累，便于進(jìn)行分析研究。 阻斷代謝途徑的方法有：造成微生物營(yíng)養(yǎng)缺陷性、使用抗代謝物、專一性抑制劑等。,(1)微生物營(yíng)養(yǎng)缺陷性（微生物基因突變型） 采取誘變劑使微生物的基因發(fā)生突變，從而造成某種酶缺損，代謝途徑中斷，缺損酶前面的中間產(chǎn)物會(huì)大量積累，致使細(xì)胞中該種物質(zhì)含量增高，便于進(jìn)行分析研究。,應(yīng)用實(shí)例：乳糖的代謝機(jī)理。 優(yōu)點(diǎn)：容易突變；經(jīng)濟(jì)；簡(jiǎn)便等,（2）使用抗代謝物 抗代謝物，又叫代謝拮抗物，或代謝物結(jié)構(gòu)類似物。其分子結(jié)構(gòu)與代謝物的分子結(jié)構(gòu)類似。 實(shí)質(zhì)：競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。,例子：丙二酸是琥珀酸的抗代

14、謝物，能對(duì)琥珀酸脫氫酶發(fā)生很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用，造成代謝中間產(chǎn)物“琥珀酸”積累，從而證明了TCA循環(huán)中有生成琥珀酸這一反應(yīng)步驟。,（3）酶的專一性抑制劑 例子：碘乙酸是巰基酶的專一性抑制劑，可抑制酵母的酒精發(fā)酵，造成3-磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮積累。由此證明了酵解途徑中1，6-二磷酸果糖是三三裂解生成了三碳糖。,（4）利用藥物造成異常動(dòng)物實(shí)驗(yàn)（病變動(dòng)物法） 用人工方法使動(dòng)物發(fā)生某一過(guò)程的代謝障礙，然后給以一定量受試物質(zhì)，研究其中間代謝過(guò)程。,例子1：研究維生素缺乏癥，可給以缺乏某種維生素的飼料，若干天后觀察其病變情況，在加入該種維生素，觀察其癥狀有否好轉(zhuǎn)，從而確定該種維生素的功能。 例子2：

15、“人工糖尿病”。例子3：生糖氨基酸；生酮氨基酸,3.代謝物標(biāo)記追蹤實(shí)驗(yàn) 將代謝底物分子適當(dāng)“標(biāo)記”，然后追蹤“標(biāo)記”在細(xì)胞中的去向，就可以了解底物分子在中間代謝中經(jīng)過(guò)什么中間產(chǎn)物，生成了什么終產(chǎn)物。這是探索代謝途徑最有效的方法。 標(biāo)記方法有：化學(xué)標(biāo)記法、同位素標(biāo)記法。,（1）化學(xué)標(biāo)記法 1904年，德國(guó)F.Knoop首次用苯環(huán)標(biāo)記脂肪酸探討中間代謝途徑，提出著名的脂肪酸-氧化學(xué)說(shuō)。 缺點(diǎn)：化學(xué)標(biāo)記法使天然代謝物分子結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)發(fā)生了改變，這可能給正常代謝途徑造成某些影響。,（2）同位素標(biāo)記法 1941年，Rudolf Schoenheimer首次采用同位素標(biāo)記法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 同位素種類：穩(wěn)定同

16、位素和放射性同位素。 二者區(qū)別：是否衰變、是否有射線。 常用的穩(wěn)定同位素有：重氫（2H或D）、15N、13C、18O等。,用“穩(wěn)定性同位素”標(biāo)記的化合物可用質(zhì)譜儀定量測(cè)定，也可用超離心法分離鑒定。 根據(jù)放射線同位素衰變時(shí)放出的射線性質(zhì)，可以用專門(mén)儀器或?qū)Ｓ梅椒y(cè)定。常用的放射性同位素有氘（T或3H）、14C、32P、34S、131I。,優(yōu)點(diǎn)： 1）同位素標(biāo)記法特異性強(qiáng)，靈敏度高，測(cè)定方法簡(jiǎn)便。 2）放射性同位素分析方法比穩(wěn)定同位素更方便、靈敏，應(yīng)用更普遍。 缺點(diǎn)：放射性同位素對(duì)人體有毒害，某些同位素的半衰期長(zhǎng)，容易造成環(huán)境污染，所以需要在專門(mén)的同位素實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行。,4.測(cè)定特征性酶 每條代謝途徑

17、都有其特征性酶，它的存在就表明該代謝途徑存在。 例如：糖代謝途徑中的特征酶： EMP途徑：醛縮酶 HMP途徑：6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶 TCA途徑：檸檬酸合成酶,5.核磁共振波譜法（nuclear magnetic resonance spectroscopy，簡(jiǎn)稱NMR） 核磁共振譜可反映分子中各個(gè)原子所處的狀態(tài)。由布洛赫和巴塞爾于1948年建立，因此獲得1952年諾貝爾獎(jiǎng)。 應(yīng)用最多的有13C譜、19F譜、31P譜和15N譜。 特點(diǎn)：樣品不受破壞，且能最真實(shí)地反映機(jī)體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)情況。,第四節(jié) 生物氧化概述,一、生物氧化,1.定義：有機(jī)物在生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行氧化分解而生成CO2和H2O并釋放能量

18、的過(guò)程。又稱細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸。,2.本質(zhì)：生物氧化是發(fā)生在生物體內(nèi)的氧化還原反應(yīng),因而具有氧化還原反應(yīng)的共同特征。并且物質(zhì)被氧化時(shí)總伴隨能量的釋放。,3.特點(diǎn)：生物氧化是在活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的,它與體外的直接氧化相比又有許多不同的特點(diǎn):,有機(jī)物在生物體內(nèi)完全氧化與在體外燃燒而被徹底氧化,在本質(zhì)上是相同的,最終的產(chǎn)物都是CO2和H2O,同時(shí)所釋放能量的總值也相等；, 生物氧化在常溫、常壓、接近中性的pH和多水環(huán)境中進(jìn)行；是在一系列酶、輔酶和中間傳遞體的作用下逐步進(jìn)行的；,氧化反應(yīng)分階段進(jìn)行,能量逐步釋放,既避免了能量驟然釋放對(duì)機(jī)體的損害,又使得生物體能充分、有效地利用釋放的能量；,生物氧化過(guò)程中釋放

19、的化學(xué)能通常被偶聯(lián)的磷酸化反應(yīng)所利用,貯存于高能磷酸化合物(如ATP)中,當(dāng)生命活動(dòng)需要時(shí)再釋放出來(lái)。,4.類型：生物氧化是在一系列氧化-還原酶催化下分步進(jìn)行的。每一步反應(yīng)，都由特定的酶催化。在生物氧化過(guò)程中，主要包括如下幾種氧化類型：,5.酶類：催化生物氧化的酶習(xí)慣上分為不需氧脫氫酶、需氧脫氫酶、氧化酶、過(guò)氧化氫酶和電子遞體。,（1）不需氧脫氫酶類：直接作用于底物，使之脫氫氧化，但不以氧作為直接受氫體的酶。是生物氧化反應(yīng)中的主要酶類。,（2）需氧脫氫酶類：直接作用于底物，使之脫氫氧化，并且需要以氧作為直接受氫體的酶。反應(yīng)生成過(guò)氧化氫。,（3）氧化酶類：不能從底物上脫氫，只能奪取底物上的電子對(duì)

20、，并激活氧分子生成水。,（4）電子遞體：專門(mén)負(fù)責(zé)傳遞不需氧脫氫酶脫下來(lái)的電子（有的也傳遞質(zhì)子）的酶類（祥見(jiàn)呼吸鏈）。,6. CO2的生成：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。 類型：-脫羧和-脫羧 氧化脫羧和單純脫羧,7.H2O的生成：代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通過(guò)一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O 。,二、自由能和氧化還原電位,1.自由能,自由能(G)：指一個(gè)反應(yīng)體系中能夠做功的那部分能量。 自由能的變化(G)：產(chǎn)物的自由能與反應(yīng)物的自由能之差，與反應(yīng)轉(zhuǎn)變過(guò)程無(wú)關(guān)。 標(biāo)準(zhǔn)自

21、由能的變化(G0)：298K，101.3KPa，反應(yīng)物濃度為1mol/L，pH=0。 生化反應(yīng)中標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化(G0)：298K，101.3KPa，反應(yīng)物濃度為1mol/L，pH=7。,自由能的概念對(duì)于研究生物化學(xué)過(guò)程具有很重要的意義，生物體用于作功的能量正是體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的自由能，生物氧化釋放的能量也正是為有機(jī)體利用的自由能。它不僅可以用來(lái)判斷機(jī)體內(nèi)某一過(guò)程能否自發(fā)進(jìn)行，而且還可以利用自由能這個(gè)函數(shù)來(lái)計(jì)算反應(yīng)的其它有用參數(shù)。,2.自由能與平衡常數(shù),當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)， G=0，那么，,3.自由能與氧化還原電位的關(guān)系,pH7， 101.3KPa，25，反應(yīng)物濃度為1mol/L，氧化態(tài)與還原態(tài)

22、物質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成原電池測(cè)定得到的氧化還原電位。, E0 E0電子受體 E0電子供體 電子從E0較小的物質(zhì)轉(zhuǎn)移到E0較大的物質(zhì)是自由能降低的結(jié)果。其關(guān)系為：, G0nF E0 n為轉(zhuǎn)移電子數(shù)； F為法拉第常數(shù)，等于96.5kj / V.mol,第五節(jié) ATP與其它高能化合物,（一）高能化合物的類型,1.高能鍵（high-energy bond） 高能鍵是1941年提出的一個(gè)概念，用“”表示，是指其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，性質(zhì)活潑，自發(fā)水解或基團(tuán)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)很強(qiáng)，當(dāng)其發(fā)生水解或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)時(shí)，釋放的自由能很多。 高能鍵中的“高能”是指其自由能高，并非鍵能高。,“高能鍵”與“鍵能”（energy bond）區(qū)

23、別：化學(xué)中的“鍵能”是指斷裂一個(gè)化學(xué)鍵所需要的能量；“高能鍵”是指水解或轉(zhuǎn)移該鍵所釋放的能量。,細(xì)胞中重要的高能鍵：高能磷酸鍵和高能硫脂鍵。,2.高能化合物：分子結(jié)構(gòu)中含有高能鍵的化合物稱為高能化合物。,（二）ATP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其重要意義,ATP（三磷酸腺苷，腺苷三磷酸，adenosine triphosphate）是一種很重要的高能磷酸化合物。 生物體每天要消耗大量ATP，安靜狀態(tài)的成年人：每天消耗40kgATP；激烈運(yùn)動(dòng)時(shí)：每分鐘就消耗0.5kg。 ATP是一分子腺嘌呤、一分子核糖和三個(gè)相連的磷酸基團(tuán)構(gòu)成的核苷酸，其結(jié)構(gòu)：,意義：,（1）ATP是產(chǎn)能反應(yīng)和需能反應(yīng)之間最主要的能量介質(zhì) 放能

24、反應(yīng)通過(guò)氧化磷酸化反應(yīng)合成ATP，貯存能量；需能反應(yīng)，則通過(guò)ATP水解供應(yīng)之。,a.當(dāng)ATP提供能量時(shí)，在ATP遠(yuǎn)端的-磷酸基團(tuán)水解為無(wú)機(jī)磷酸分子，ATP失掉一個(gè)磷酰基而變成腺苷二磷酸。 ATP+H2OADP+Pi （標(biāo)準(zhǔn)自由能變化G0= -30.514kJ/mol）,b.在某些情況下，ATP的和磷酸基團(tuán)之間的高能鍵被水解（即同時(shí)水解和-磷酸基團(tuán)），形成AMP和焦磷酸。 ATP+H2OAMP+PPi （G0= -32.19kJ/mol）,（2）作為磷酸基團(tuán)供體參與磷酸化反應(yīng) 生化反應(yīng)中，無(wú)論是分解代謝還是合成代謝，常常需要先將反應(yīng)底物分子活化，其中，磷酸化是一種普遍活化方式。ATP具有很活潑的

25、磷酸基團(tuán)，可作為磷酸基的供體參與細(xì)胞中的磷酸化反應(yīng)，此類反應(yīng)由激酶催化。,反應(yīng)生成的磷酸化葡萄糖分子具有較高的自由能，易進(jìn)一步參加反應(yīng)。,（3）ATP參加高能磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng) ATP在磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移中起“中間傳遞體”的作用，故稱“磷酸基團(tuán)傳遞者”。,磷酸烯醇式丙酮酸和1，3-二磷酸甘油酸是葡萄糖的分解的中間產(chǎn)物，葡萄糖分解為乳酸時(shí)所釋放的大部分自由能，幾乎都保留在這兩個(gè)化合物中。在細(xì)胞中這兩個(gè)化合物并不直接水解，而是通過(guò)特殊激酶作用，以轉(zhuǎn)移磷酸基團(tuán)的形式，將捕捉的自由能傳遞給ADP從而形成ATP。而ATP分子又傾向于將它的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給具有較低磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢(shì)能的化合物，例如葡萄糖和甘油，從而生成

26、6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油。,其中，磷酸烯醇式丙酮酸和1，3-二磷酸甘油酸叫做“超高能化合物”（superhigh-energy compound），它們水解所釋放的自由能比ATP高；同理，6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油叫做“低能磷酸化合物”。,GTP、UTP、CTP。 其中，GTP對(duì)G蛋白的活化、蛋白質(zhì)生物合成、蛋白質(zhì)的尋靶、蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)等作為推動(dòng)力提供自由能； UTP在糖原合成中起活化葡萄糖分子的作用； CTP在合成磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺以及合成纖維素中起推動(dòng)作用等。,（三）其他供能核苷酸,ATP作為自由能的貯存分子，其產(chǎn)生和利用處于動(dòng)態(tài)平衡中。 一般情況下，ATP在形成后一分鐘內(nèi)就會(huì)被

27、利用，故嚴(yán)格說(shuō)來(lái)ATP不是能量的貯存形式，而是傳遞能量的物質(zhì)。細(xì)胞能量狀態(tài)的表示方法：能荷（energy charge）。,（四） ATP系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡,第六節(jié) 三羧酸循環(huán),又叫檸檬酸循環(huán)或Krebs循環(huán)。由草酰乙酸和乙酰CoA的乙酰基縮合生成檸檬酸開(kāi)始，經(jīng)一系列反應(yīng)又生成草酰乙酸的循環(huán)過(guò)程。三羧酸酶循環(huán)一周進(jìn)行兩次脫羧反應(yīng)和四次脫氫反應(yīng)，分子的乙酰基被氧化生成分子CO2、3分子的NADHH+ 、1分子的FADH2 和1分子的GTP。,三羧酸循環(huán)是由德國(guó)科學(xué)家Hans Krebs于年提出，生物化學(xué)領(lǐng)域的重大成就（當(dāng)時(shí)還沒(méi)有同位素示蹤法）。Krebs于年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。,一、反應(yīng)歷程,分為3個(gè)階段

28、，共8步反應(yīng)：,草酰乙酸,CoASH,檸檬酸合成酶,順烏頭酸酶,1.檸檬酸生成階段,順烏頭酸酶,第一步反應(yīng)不可逆，檸檬酸合成酶是三羧酸循環(huán)的第一個(gè)限速酶。 重要抑制劑：氟乙酸（機(jī)理：檸檬酸合成酶催化氟乙酰CoA與草酰乙酸發(fā)生縮合作用生成氟檸檬酸，阻礙TCA循環(huán)）。 應(yīng)用：有毒植物葉子中含有氟乙酸；殺蟲(chóng)劑；滅鼠藥。,2.氧化脫羧階段,異檸檬酸脫氫酶具有脫氫和脫羧兩種功能，脫羧反應(yīng)需要Mn2+； ADP是激活劑；ATP和NADH是抑制劑。是TCA循環(huán)的又一個(gè)限速酶，此步反應(yīng)為一分界點(diǎn)，之前為三羧酸轉(zhuǎn)化，之后為二羧酸變化。,三羧酸循環(huán)中唯一一次底物水平磷酸化。GTP可直接利用，也可在二磷酸核苷激酶催

29、化下，將高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ADP，從而生成ATP。,-酮戊二酸脫氫酶系特性：1）包含三種酶（-酮戊二酸脫羧酶、硫辛酸琥珀酰轉(zhuǎn)移酶和二氫硫辛酸脫氫酶）和六種輔助因子（TPP、硫辛酸、CoASH、FAD、NAD+、Mg2+）。2）限速酶：受ATP、NADH和琥珀酰輔酶A的抑制。,3.草酰乙酸再生階段,草酰乙酸,可進(jìn)入下一個(gè)循環(huán),二、三羧循環(huán)的化學(xué)計(jì)量和能量計(jì)量,1.總反應(yīng)式: CH3COSCoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+CoASH+3NADH+3H+ +FADH2+GTP,2.三羧酸循環(huán)的能量計(jì)量,是有機(jī)體獲得生命活動(dòng)所需能量的主要途徑； 是糖、脂、蛋白質(zhì)等物質(zhì)代謝和轉(zhuǎn)化

30、的中心樞紐； 形成多種重要的中間產(chǎn)物。,三、三羧循環(huán)的生物學(xué)意義,第七節(jié) 呼吸鏈與氧化磷酸化,一、呼吸鏈,1.概念及位置 呼吸鏈又叫電子傳遞體系或電子傳遞鏈，它是代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)過(guò)一系列的傳遞體，最后傳遞給被激活的氧原子，而生成水的全部體系。在真核生物細(xì)胞內(nèi)，它位于線粒體內(nèi)膜上，原核生物中，它位于細(xì)胞膜上。,線粒體,2.呼吸鏈的組成, NADH （還原型輔酶） 黃素蛋白酶類 （flavoproteins, FP） 鐵-硫蛋白類 （ironsulfur proteins) 輔酶 （ubiquinone,亦寫(xiě)作CoQ） 細(xì)胞色素類 （簡(jiǎn)寫(xiě)作Cyt）,（1）NADH：還原型輔酶

31、 它是由NAD+接受多種代謝產(chǎn)物脫氫得到的產(chǎn)物。NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。,（2）黃素蛋白酶類,以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為膜的組成蛋白， 遞氫機(jī)理： FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2 如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶,（3）鐵-硫蛋白類,含鐵硫絡(luò)合物的蛋白，又稱非血紅鐵蛋白。通過(guò)鐵的價(jià)態(tài)變化而傳遞電子。,（4）輔酶,是電子傳遞鏈上唯一的非蛋白組分，是脂溶性小分子化合物。位于膜雙脂層中，能在膜脂中自由泳動(dòng)。,（5）細(xì)胞色素類,是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環(huán)的中心，構(gòu)成血紅素。各種細(xì)胞色素的輔基結(jié)構(gòu)略有不同。線粒體呼吸鏈中主

32、要含有細(xì)胞色素a, a3、b, c 和c1等。 cyt b和cytc1、cytc在呼吸鏈中的中為電子傳遞體，a和a3以復(fù)合物物存在，稱細(xì)胞色素氧化酶，其分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu ，可將電子傳遞給氧，因此亦稱其為末端氧化酶。,Cytc和c1,細(xì)胞色素氧化酶,3.電子傳遞鏈的順序及其抑制劑,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,細(xì)胞色素 b- c- c1 -aa3,2H+,FADH2呼吸鏈電子傳遞和水的生成,2e,NADH呼吸鏈電子傳遞和水的生成,電子傳遞鏈的抑制劑,二、氧化磷酸化作用,1. 氧化磷酸化的概念 2.磷氧比（P/O

33、）的概念 3.電子傳遞鏈中生成ATP的部位 4.氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理 5.氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制,1.氧化磷酸化,代謝物在生物氧化過(guò)程中釋放出的自由能用于合成ATP，即 ADP+PiATP） 這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過(guò)程稱氧化磷酸化。類別有底物水平磷酸化、電子傳遞水平磷酸化。,底物水平磷酸化是在被氧化的底物上發(fā)生磷酸化作用。即底物被氧化的過(guò)程中，形成了某些高能磷酸化合物的中間產(chǎn)物，通過(guò)酶的作用可使ADP生成ATP。,電子傳遞體系磷酸化是指當(dāng)電子從NADH或FADH2經(jīng)過(guò)電子傳遞體系(呼吸鏈)傳遞給氧形成水時(shí)，同時(shí)伴有ADP磷酸化為ATP的全過(guò)程。通常所說(shuō)的氧化磷酸化是指電子

34、傳遞體系磷酸化。,電子傳遞體系磷酸化,2.磷氧比（P/O）,呼吸過(guò)程中無(wú)機(jī)磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過(guò)程中，每傳遞一對(duì)電子消耗一個(gè)氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的數(shù)值相當(dāng)于一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。,3.電子傳遞鏈中生成ATP的部位,（1）電子傳遞鏈的順序,電子傳遞鏈中各組分的順序由還原電位。 決定電子傳遞方向：(還原電位) 低 高,電子傳遞鏈各組分的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位,G0=-nFE0 合成ATP需自由能51.6KJ/mol，經(jīng)計(jì)算可以得知，NADP呼吸鏈上有三個(gè)部位可以滿足這個(gè)條件，F(xiàn)ADH2呼吸鏈上有兩個(gè)部位可以滿足。,（2）ATP產(chǎn)生的部位,4.氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理,（1）能量偶聯(lián)假說(shuō) 1953年 Edward Slater 化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō) 1964年 Paul Boyer 構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō) 1961年 Peter Mitchell 化學(xué)滲透假說(shuō),1978年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),（2）ATP合成的機(jī)