1、Charpter 6 metabolism outline and biologic oxidation一一 Metabolism outline（一）（一）definition 新陈代谢新陈代谢anabolism（同化作用）（同化作用）catabolism（异化作用（异化作用）生物小分子合成为生物小分子合成为生物大分子生物大分子需要能量需要能量释放能量释放能量生物大分子分解为生物大分子分解为生物小分子生物小分子能量能量代谢代谢物质代谢物质代谢Common characteristics of metabolism reactions：1.由酶催化，反应条件温和。由酶催化，反应条件温和。2.诸
2、多反应有严格的顺序，彼此协调。诸多反应有严格的顺序，彼此协调。3.对周围环境高度适应。对周围环境高度适应。（二）（二）research methonds1.活体内(in vivo)与活体外实验(in vitro)2.同位素示踪 isotopic tracing3.代谢途径阻断 blocking up（三）（三）thermodynamic lawFree energy：生物体（或恒温恒压）用以作功的能量。在：生物体（或恒温恒压）用以作功的能量。在没有作功条件时，自由能转变为热能丧失。没有作功条件时，自由能转变为热能丧失。熵熵entropy：混乱度或无序性，是一种无用的能：混乱度或无序性，是一种无
3、用的能。G=H-TS对于对于 A+B C+DG=-2.303RTlgK K=CD/AB（四）四）高能化合物高能化合物energy-rich compound高能化合物高能化合物磷酸化合物磷酸化合物phosphate非磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氧型磷氮型磷氮型硫酯键化合物硫酯键化合物甲硫键化合物甲硫键化合物烯醇磷酸化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物焦磷酸化合物二、二、高能化合物高能化合物energy-rich compoundn磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起者重要磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起者重要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放作
4、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。出自由能。n一般将水解时能够释放一般将水解时能够释放21 kJ/mol21 kJ/mol（5 5千卡千卡/mol)/mol)以上以上自由能（自由能（G G -21 kJ/mol-21 kJ/mol）的化合物称为高能化）的化合物称为高能化合物。合物。1,磷氧键型（OP)COCHOCH2OHOPOO-O-POO-O-(1)酰基acyl 磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸CH3COOPOO-O-乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔H3N+COOPOO-O-氨甲酰磷酸R COOPOOO-A酰基腺苷酸RCH COOPOOO-AN+H3氨酰基腺苷酸（
5、2）焦磷酸化合物焦磷酸化合物pyrophosphateO-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）O-POO-O POO-O-焦磷酸焦磷酸7.3千卡/摩尔（3 3）烯醇式磷酸化合物）烯醇式磷酸化合物OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸PEP14.8千卡/摩尔2,2,氮磷键型氮磷键型(N(NP)OPOONHCNHNCH3CH2COOHOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸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
6、,3,硫酯键型硫酯键型(C(CS)RCOSCoA酰基辅酶A4,4,甲硫键型（甲硫键型（H H3 3C CS）COO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸2 2、biologic reactionbiologic reaction一、一、typestypes1 1脱氢脱氢dehydrogenizationdehydrogenization氧化反应氧化反应 （1 1）直接脱氢）直接脱氢n在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。催化脱氢
7、反应的是各种类型的脱氢酶。烷基烷基脂肪酸脂肪酸fatty acid 脱氢脱氢 n琥珀酸琥珀酸succinate 脱氢脱氢+2H+2e-+COOHCHCHCOOHCOOHCH2CH2COOH醇醇alcohol脱氢脱氢n乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶lactate dehydrogenaseCH3CHCOOHOHNAD+NADHCH3CCOOHO（2 2）water as reatantwater as reatant n酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。+2H+2e-+RCOHO 酶RCOHHOH H2ORCOH2 oxygen as reactant2 oxyg
8、en as reactantn加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化的生成水的反应。加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化的生成水的反应。(1),(1),加氧酶催化氧分子直接加入到有机分子中。加氧酶催化氧分子直接加入到有机分子中。例如，例如，甲烷单加氧酶甲烷单加氧酶 CHCH4 4+NADH +O+NADH +O2 2 CH CH3 3-OH +NAD-OH +NAD+H +H2 2O O (2),(2),氧化酶催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应氧化酶催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水。各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后产物为水。各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进行
9、氧化的。都是以这种形式进行氧化的。3 3生成二氧化碳的氧化反应生成二氧化碳的氧化反应（1 1）直接脱羧作用）直接脱羧作用 羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。例如丙酮酸的脱羧。（2 2）氧化脱羧作用）氧化脱羧作用 有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化有机羧酸（主要是酮酸）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。下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧例如苹果酸的氧化脱羧直接脱羧CH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脱羧酶（-脱羧）HOOCC H2C COOH 丙酮酸羧化
10、酶CH3CCOOH+CO2OO（-脱羧）氧化脱羧：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）。HOOCCH2CHOHCOOHCH3CCOOH+CO2NADP+NADPH+H+O二、二、Characteristics of BOCharacteristics of BO1 1，inside living cell,mild environmentinside living cell,mild environment。2 2，protons and electrons are carried and protons and electrons are carried and transported to ox
11、ygen to produce watertransported to oxygen to produce water3 3，energy release step by step and are energy release step by step and are availableavailable。4 4，ATP are producedATP are produced 3 mitochondria and ATP generation一、一、respiratory chain n线粒体是生物氧化的主要场所，主要功能是将代线粒体是生物氧化的主要场所，主要功能是将代谢物脱下的氢通过多种酶
12、及辅酶所组成的传递体谢物脱下的氢通过多种酶及辅酶所组成的传递体系的传递，最终与氧结合生成水。系的传递，最终与氧结合生成水。n由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成的这种代谢途径一般称为生物氧化还原链，统组成的这种代谢途径一般称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，称为呼吸链当受氢体是氧时，称为呼吸链。SH2SNAD+NADH+HFMNH2Fe SFMNFe SCoQCoQH2 Fe-SFe-S2Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+O212O2-2H2H2H2H+e-22e-H2OCoQCoQH2Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe3+Cyt
13、-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+bc1aa3cH2OO2-1O22e-2e-2e-2e-2e-2e-22H+CH2CH2COOHCOOHFADFe*SCytb2He-2 复合物I（NADH-泛醌还原酶）复合物III（泛醌细胞色素c还原酶）复合物IV（细胞色素c氧化酶）复合物II（琥珀酸脱氢酶）呼吸链（电子传递链呼吸链（电子传递链electron transport chain）根据接受氢的初受体不同，典型的呼吸链有两种：根据接受氢的初受体不同，典型的呼吸链有两种：NADHNADH呼呼吸链和吸链和FADHFADH2 2呼吸
14、链。呼吸链。呼吸链中传递体的顺序呼吸链中传递体的顺序MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FAD-0.18鱼藤酮安密妥抑制剂抑制剂：抗霉素A氰化物，CO，叠氮化合物FADH2NADHNADH Q reductaseQ reductase complex I complex In催化催化NADHNADH的氧化脱氢以及的氧化脱氢以及Q Q的还原。既是脱氢酶，又是的还原。既是脱氢酶，又是还原酶。还原酶。含有辅基含有辅基FMNFMN和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。n该酶的作用是先与该酶的作用是先与NADHNADH结合并将结
15、合并将NADHNADH上的上的H H 和电子转和电子转移给移给FMNFMN，形成还原型，形成还原型FMNHFMNH。还原型。还原型FMNHFMNH进一步将电子进一步将电子转移给转移给Q Q。Components of respiratory chain Coenzyme QCoenzyme Qn电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。又称泛醌，是脂溶性醌类又称泛醌，是脂溶性醌类quinonequinonen在呼吸链中作为电子和质子的传递体。在呼吸链中作为电子和质子的传递体。OOCH3OCH3OCH3(CH2CH C CH2)nHCH3n=6-10succinate-
16、Q reductasesuccinate-Q reductase complex II complex II 催化琥珀酸的脱氢氧化和催化琥珀酸的脱氢氧化和Q Q的还原。琥珀酸将两个高能电的还原。琥珀酸将两个高能电子传递给子传递给Q Q，再通过，再通过QHQH2 2-cyt.c-cyt.c还原酶、还原酶、cyt.ccyt.c和和cyt.ccyt.c氧化氧化酶将电子传递到酶将电子传递到O O2 2。活性部分含有辅基活性部分含有辅基FADFAD和铁硫蛋白和铁硫蛋白iron-sulfur proteiniron-sulfur protein。cytochromecytochrome complex I
17、II complex III 催化还原型催化还原型QHQH2 2的氧化和细胞色素的氧化和细胞色素c c（cyt.ccyt.c）的还原。）的还原。QHQH2 2-cyt.c-cyt.c 还原酶还原酶 QHQH2 2 +2 cyt.c+2 cyt.c(Fe(Fe3+3+)=Q +2 cyt.c)=Q +2 cyt.c(Fe(Fe2+2+)+2H)+2H+主要包括细胞色素主要包括细胞色素b b 和和c c1 1，铁硫蛋白（，铁硫蛋白（2Fe-2S2Fe-2S）。）。cytochromecytochrome 细胞色素是一类含有血红素辅基细胞色素是一类含有血红素辅基(heme(heme)的电子传的电子传
18、递蛋白质的总称递蛋白质的总称.线粒体呼吸链中主要含有细胞色素线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a,b,c a,b,c 和和c c1 1 还原型细胞色素具有明显的可见光谱吸收。还原型细胞色素具有明显的可见光谱吸收。细胞色素主要是通过细胞色素主要是通过FeFe3+3+Fe Fe2+2+的互变起传递的互变起传递电子的作用的。电子的作用的。细胞色素细胞色素c c（cyt.ccyt.c）n电子传递链中一个独立的蛋白电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，了解最透彻的细质电子载体，了解最透彻的细胞色素蛋白质。胞色素蛋白质。n在复合体在复合体（细胞色素还原酶）（细胞色素还原酶）和复合体和复合体（细胞色素氧化酶）（
19、细胞色素氧化酶）之间传递电子。之间传递电子。n通过通过FeFe3+3+Fe Fe2+2+的互变起电的互变起电子传递中间体作用。子传递中间体作用。cyt.c oxidasecyt.c oxidase complex IV complex IVn位于线粒体呼吸链末端位于线粒体呼吸链末端主要包括主要包括cyt.acyt.a和和a a3 3。ncyt.acyt.a和和a a3 3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。有铜原子。cyt.aacyt.aa3 3可以直接以可以直接以O O2 2为电子受体。为电子受体。n通过电子传递将通过电子传递将cyt.ccy
20、t.c所携带的电子传递给所携带的电子传递给O O2 2。二、二、E E0 0&G G 生物氧化中，氧化与还原偶联。生物氧化中，氧化与还原偶联。呼吸链中，推动电子从呼吸链中，推动电子从NADHNADH传递到传递到O O2 2的力，是由于的力，是由于NADNAD+/NADH+HNADH+H+和和1/2 O1/2 O2 2/H/H2 2O O两个半反应之间存在很大的电势两个半反应之间存在很大的电势差。差。(1)(1)O O2 2+2 H+2 H+2 e+2 e-H H2 2O EO E0 0=+0.82 V=+0.82 V(2)NAD(2)NAD+H+H+2 e+2 e-NADH E NADH E0
21、 0=-0.322 V=-0.322 V 将将 (1)(1)减去减去 (2)(2)，即得，即得 (3)(3)式：式：O O2 2 +NADH+2H+NADH+2H+H H2 2O+NADO+NAD+E E0 0=+1.14 V=+1.14 V G G =-nF=-nF E E0 0=-2 =-2 96500 96500 1.14=-220 kJ/mol 1.14=-220 kJ/mol三、三、electron transport&ATP generationn NADHNADH或琥珀酸或琥珀酸(两条呼吸链）所携带的高能电子通过线粒两条呼吸链）所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到体呼吸链传递到
22、O O2 2的过程中，释放出大量的能量。的过程中，释放出大量的能量。n高能电子传递过程的释能反应与高能电子传递过程的释能反应与ADPADP和磷酸合成和磷酸合成ATPATP的需能的需能反应相偶联，是反应相偶联，是ATPATP形成的基本机制。形成的基本机制。1 1、ATP synthaseATP synthase complex complexn 线粒体内膜的表面规则地排列着的球状颗粒，线粒体内膜的表面规则地排列着的球状颗粒，称为称为ATPATP酶复合体，是酶复合体，是ATPATP合成的场所合成的场所。nATPATP酶，含有酶，含有5 5种不同的种不同的亚基（按亚基（按3 3、3 3、1 1、1
23、1 和和1 1 的比例结合）。的比例结合）。是能量转换的通道。是能量转换的通道。n与线粒体电子传递系统与线粒体电子传递系统直接连接直接连接2 2、oxidative phosphorylationoxidative phosphorylationn生物氧化的释能反应与生物氧化的释能反应与ADPADP的磷酸化反应偶联合成的磷酸化反应偶联合成ATPATP的过的过程，称为氧化磷酸化。程，称为氧化磷酸化。n根据氧化根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算出在还原电势与自由能变化关系式，计算出在NADHNADH氧化过程中（第一条呼吸链），氧化过程中（第一条呼吸链），有三个反应有三个反应的的 G G 的
24、绝对值大于的绝对值大于30.5 kJ/mol30.5 kJ/mol。FMNHFMNH2 2 Q Q G G -55.6kJ/mol -55.6kJ/mol cyt.b cyt.b cyt.c cyt.c1 1 -34.7 kJ/mol -34.7 kJ/mol cyt.aa cyt.aa3 3 O O2 2 -102.1kJ/moL-102.1kJ/moLn 这三个反应分别与这三个反应分别与ADPADP的磷酸化反应偶联，产生的磷酸化反应偶联，产生3 3个个ATPATP。这些反应称为呼吸链的偶联部位。这些反应称为呼吸链的偶联部位。n从琥珀酸从琥珀酸 O O2 2只产生只产生2 2个个ATPATP
25、（第二条呼吸链）（第二条呼吸链）.types of ATP generationADP+Pi+能量 ATPAMP+PPi+能量 ATP（1）底物水平磷酸化底物水平磷酸化 substrate level phosphorylationATP的形成直接由一个代谢中间产物上的磷酸基团转移的形成直接由一个代谢中间产物上的磷酸基团转移到到ADP分子上的作用。分子上的作用。X +ADP ATP+XP推动以上反应进行的两种方式：（2）氧化磷酸化氧化磷酸化伴随电子从底物到氧的传递，伴随电子从底物到氧的传递，ADP被磷酸化形成被磷酸化形成ATP的过程。的过程。NADHFMNCoQbc1caa3O2PPP3ADP
26、3ATPP/O比值：在氧化磷酸化中，在一定时间内所消耗的氧（以克原子计）与所产生的ATP数目的比值。NADH的的P/O=3FADH2的的P/O=2FADH2此外，此外，ATP的形成方式还有光合磷酸化，通过的形成方式还有光合磷酸化，通过光激发导致电子传递与磷酸化相偶联合成光激发导致电子传递与磷酸化相偶联合成ATP的过程的过程3 3、coupling mechanismcoupling mechanism化学渗透假说化学渗透假说chemical osmosis theorychemical osmosis theory要点要点1 1）线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；）线粒体内膜的电子传递链是一
27、个质子泵；2 2）在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的放出来的能量，用于驱动膜内侧的H H+迁移到膜外侧（膜迁移到膜外侧（膜对对H H+是不通透的）。这样，在膜的内侧与外侧就产生了是不通透的）。这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度跨膜质子梯度 (pH)pH)和电位梯度（和电位梯度（）；）；3 3）在膜内外势能差的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊在膜内外势能差的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（通道（ATPATP酶），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的酶），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能
28、量，直接驱动能量，直接驱动ADPADP和磷酸合成和磷酸合成ATPATP。nUncoupling and inhibition 有些物质使电子传递和ATP形成的这两个过程分离，失去它们的紧密联系，叫解偶联剂（uncouplers）。解偶联剂只抑制ATP的形成过程，不抑制电子传递过程 如2，4二硝基苯酚（DNP）、是常见的解偶联剂。解偶联剂破坏质子跨膜梯度，使电子传递释放的能量不再以ATP的形式贮存起来，而代之以热的形式释放出去。电子传递失去正常的控制，造成过分地利用氧和燃料底物 氧化磷酸化抑制剂如寡霉素抑制ATP 的形成，也影响电子传递。Oxidation of NADH generated in cytosolIncomplete reduce of oxygenn氧由细胞色素氧化酶彻底还原需要4个电子。如果氧发生不完全还原，就形成氧的自由基 一个电子使氧还原形成超氧阴离子 O O2 2-.-.两个电子使氧还原形成过氧化氢，H2O2 三个电子使氧还原形成羟自由基 OH.n不完全还原形式的氧反应性很强，对机体非常有害n机体的自我保护机制：酶（超氧化物歧化酶SOD,过氧化氢酶，过氧化物酶）抗氧化剂（维生素E,维生素C，beta胡萝卜素）
