1、第六章 代谢总论 主要内容主要内容1.新陈代谢，中间代谢概念：分解代谢与合成代谢，新陈代谢的作用；2.高能化合物：高能化合物类型及ATP作用；3.生物氧化：生物氧化的概念，呼吸链的概念与组成；呼吸链的类型与顺序；4.氧化磷酸化：氧化磷酸化的偶联部位；细胞产生ATP的方式；线粒体外NADH的氧化磷酸化。重点重点1.ATP的结构特点和作用；2.生物氧化；3.氧化磷酸化。难点难点1.呼吸链；2.氧化磷酸化。代谢总论代谢总论概念：活细胞中所有化学变化的总称，由酶催化，同时活细胞中所有化学变化的总称，由酶催化，同时伴随着能量的变化。是生物生存的基本条件，生伴随着能量的变化。是生物生存的基本条件，生命的基
2、本特征。命的基本特征。小分子合成生物大分子小分子合成生物大分子新陈代谢新陈代谢 合成代谢合成代谢（同化作用）（同化作用）分解代谢分解代谢（异化作用）（异化作用）大分子分解为生物小分子大分子分解为生物小分子消耗能量消耗能量产生能量产生能量能量代谢能量代谢物质代谢物质代谢1.1 1.1 概念概念共共性性1.代谢途径相似代谢途径相似 2.反应复杂（步骤多）反应复杂（步骤多），具有严格的顺序性，具有严格的顺序性3 3、过程温和、酶催化、过程温和、酶催化 4 4、灵敏自我调节、灵敏自我调节葡萄糖CO2+H2O乳酸乙醇醋酸酵母醋酸菌有氧有氧无氧无氧有氧有氧1.2 1.2 特点特点1.3 1.3 功能功能（
3、1）从周围环境中获得营养物质。（2）将外界引入的营养物质转变为自身需要的结构元件（building blocks）。（3）将结构单元装配成自身的大分子。（4）形成或分解生物体功能所需的生物分子。（5）提供生命活动所需的一切能量新陈代谢的功能概念生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（出大量自由能（21千焦千焦/摩尔）的化合物称为摩尔）的化合物称为高高能化合物能化合物。2.1 2.1 概念概念高能键并不是这个键集中了大量的能量，而是指水解这个键前后高能键并不是这个键集中了大量的能量，而是指水解这个键前后的分子结构存在着很大的自由能的改变。
4、的分子结构存在着很大的自由能的改变。“高能键高能键”“键能高键能高”高能键高能键P342.2 2.2 高能化合物类型高能化合物类型磷氮键型磷氮键型磷氧键型磷氧键型硫碳键型硫碳键型种类2.3 ATP-2.3 ATP-最重要的高能化合物最重要的高能化合物ATP作用作用生物界的“能量货币”磷酸基团转移反应的中间载体PPPPATPP02108641214磷磷酸酸基基团团转转移移能能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘磷酸甘油酸磷酸油酸磷酸磷酸肌酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖3-磷酸甘油磷酸甘油P36ATP中高能磷酸键的水解中高能磷酸键的水解 ATP ADP
5、 +Pi G0=-7.3kcal/mol ADP AMP +Pi G0=-7.3kcal/mol ATP AMP +PPi G0=-7.7kcal/mol PPi 2Pi G0=-6.9kcal/mol ATP AMP+2Pi ATP AMP+2Pi G G00=-14.6kcal/mol-14.6kcal/mol 3.1 3.1 概念概念什么是生物氧化？物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程，又称细胞呼吸作用。P1143.2 3.2 特点特点与体外氧化之相同点（1）生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循
6、氧化还原反应的一般规律。（2）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。糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O 能量ADP+PiATP热能热能与体外氧化之不同点生物氧化体外氧化进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。能量是突然释放的。产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。呼吸链3.2 3.2 呼吸链呼吸链代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶
7、和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratory chain)，又称电子传递链(electron transfer chain)。定义递氢体：呼吸链中参与传递递氢体：呼吸链中参与传递H的辅酶或辅基（的辅酶或辅基（NAD、FMN、FAD、CoQ）。）。递电子体：呼吸链中参与传递电子的辅酶或辅基递电子体：呼吸链中参与传递电子的辅酶或辅基（Fe-S、血红素、血红素、Fe、Cu）。）。P118S.NAD+FMN CoQ bc1c(a+a3)1/2O2 FAD S.两种呼吸链NADH呼吸链FADH2呼吸链电子传递链在电子传递链在原核原核细胞细胞质膜质
8、膜上，上，真核真核细胞细胞线粒体内膜线粒体内膜上。上。3.2 3.2 呼吸链各组分呼吸链各组分（1）NAD+和NADP+氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。P121详见上册详见上册P444（2）黄素蛋白FAD&FMN详见上册详见上册P446（3）铁硫蛋白（Fe-S）Fe2+Fe3+e传递电子v铁硫蛋白铁硫蛋白(简写为简写为Fe-S)Fe-S)是一种与电子传递有关的是一种与电子传递有关的蛋白质，它与蛋白质，它与NADHNADH Q Q还原酶的其它蛋白质组分结还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。它主要以合成复合物形式存在。它主要以 (2Fe-2S)(2Fe-2S)或或 (4Fe-4
9、S)(4Fe-4S)形式存在。形式存在。(2Fe-2S)(2Fe-2S)含有两个活泼的含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过 FeFe3+3+e-+e-Fe Fe2+2+变化起传递电子的作用变化起传递电子的作用半胱半胱S S SFe FeS S S半胱半胱v（简写为（简写为Q Q）或辅酶）或辅酶-Q-Q（CoQCoQ）：它是电子传）：它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。性醌类化合物。（4）辅酶Q（CoQ）又称：泛醌OOCH3CH3OCH3ORH+2e+2OHOHCH3CH3OCH3OR脂溶性
10、异戊二烯异戊二烯人：CoQ10（简写为（简写为cyt.cyt.）是含铁的电子传递体，辅基为）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a,b,c a,b,c 和和c1c1等，组成它们的辅基分别为血红素等，组成它们的辅基分别为血红素A A、B B和和C C。细胞色素细胞色素a,b,ca,b,c可以通过它们的紫外可以通过它们的紫外-可见吸可见吸收光谱来鉴别。收光谱来鉴别。细胞色素主要是通过
11、细胞色素主要是通过FeFe3+3+e +e Fe Fe2+2+的互变起的互变起传递电子作用的。传递电子作用的。（5）细胞色素（Cyt）v 它是电子传递链中一个它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素水。它与细胞色素c c1 1含含有相同的辅基，但是蛋有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在白组成则有所不同。在电子传递过程中，电子传递过程中，cyt.cyt.c c通过通过FeFe3+3+Fe Fe2+2+的互的互变起电子传递中间体作变起电子传递中间体作用。用。细胞色素细胞色素c
12、（cyt.c）以铁卟啉为辅基各类吸收光谱不同电子传递有着严格的方向和顺序！Eo低低Eo高高四个复合体分布在线粒体内膜上除NADHQ Cytc e-e-e-e-e-NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+H2O 基质侧基质侧 胞液侧胞液侧 线粒体内膜线粒体内膜 O2NADH FMNFe-S FADFe-SCoQ Cytb Fe-S Cytc1Cytc Cytaa3复合物复合物I：NADH-Q还原酶还原酶复合物复合物II：琥珀酸：琥珀酸-Q还原酶还原酶复合物复合物III：细胞色素还原酶：细胞色素还原酶复合物复合物IV：细胞色素氧化酶：细胞色素氧化酶（1）复合体:NA
13、DH-Q还原酶NADH+H+NAD+FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2复合体复合体NADH CoQ FMN;Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3;Fe-SN-2 NADH泛醌e功能（2）复合体:琥珀酸-Q还原酶复合体复合体琥珀酸琥珀酸 CoQFe-S1;b560;FAD;Fe-S2;Fe-S3 琥珀酸泛醌功能e（3）复合体复合体:细胞色素还原酶或泛醌细胞色素还原酶或泛醌-Cytc还原酶还原酶复合体复合体QH2 Cyt c b562;b566;Fe-S;c1功能泛醌CytcCoQ循环循环eP125（4）复合体复合体:细胞色素细胞色素c氧化酶氧化
14、酶复合体复合体还原型还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 功能CytcO2eNADH呼吸链呼吸链FADH2呼吸链呼吸链CNCN-、N N3-3-、COCO等等v电子传递的抑制电子传递的抑制(oxidative phosphorylation)4.1 概念又称为偶联磷酸化，在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP。实际上是氧化作用与氧化作用过程释放的能量用于形成ATP过程（磷酸化作用）两种作用的偶联反应。底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程。的过程。底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substrate l
15、evel phosphorylation)区别于呼吸链中的电子传递是如何推动ADP磷酸化形成ATP的？化学偶联假说构象偶联假说化学渗透假说化学渗透假说4.2 化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)电子经呼吸链传递时，可将质子（电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。这种能量被称为质子推动力或。这种能量被称为质子推动力或质力质力(Proton-
16、motive force)。1961Peter Mitchell提出提出1978诺贝尔奖诺贝尔奖化学渗透学说模型F1-F0-ATP合成合成酶复合物酶复合物4.3 FoF1-ATP合成酶复合物合成酶复合物球形头部，伸入线粒体基质，由五种亚基组成33,是ATP合酶的催化部分。横贯线粒体内膜，含有质子通道，由十多种亚基组成。位于F1与Fo之间的柄含有寡霉素敏感性蛋白。F1FoATP合酶的工作机制T site(Tight):与与S结合紧密结合紧密,催化活性。催化活性。L site(Loose):与与S结合松弛，无催化活性。结合松弛，无催化活性。O site(Open)：与与S 的亲和力极低。的亲和力极
17、低。产生多少产生多少ATP?P/O4.4 P/O代谢物脱下的氢经呼吸链氧化生成水，一对电子经呼吸链传递到O2生成水所产生的ATP分子的数目。磷氧比2e2eO2O2NADH呼吸链FADH2呼吸链H2OH2O P/O=2.5 P/O=1.5P1314.5 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 直接作用于ATP合酶复合体，从而抑制ATP的合成。（1）ATP合酶的抑制剂寡霉素(oligomycin)（2）解偶联剂既不作用于电子传递体，也不作用于ATP合酶复合体，只消除跨膜的质子浓度梯度，使电子传递与磷酸化的偶联解除，ATP不能合成。热能热能 QCyt c解偶解偶联联 蛋白蛋白胞液侧 基质侧 ADP+Pi
18、ATP 2,4-二硝基苯酚二硝基苯酚(DNP)解偶联蛋白解偶联蛋白解偶联蛋白作用机制解偶联蛋白作用机制4.6 穿梭系统穿梭系统 穿梭系统有些NADH是在胞液中产生的，而呼吸链位于线粒体的内膜上，线粒体的内膜对NADH不能透过，必须通过一定的转运机制才能保证底物分子脱下的H可以通过呼吸链递氢和递电子被彻底氧化，释放能量。这种转运机制称之为穿梭系统。（1）动物细胞两种肌细胞肝细胞苹果酸穿梭系统(malate-asparate shuttle)磷酸甘油穿梭系统(glycerophosphate shuttle)P1394.6.1 磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统 不通过复合物不通过复合物P/O=1.
19、54.6.2 苹果酸穿梭系统苹果酸穿梭系统 通过复合物通过复合物P/O=2.5v氧化氧化-还原电势还原电势 氧化氧化-还原反应中，还原剂失去电子的倾向或氧化剂还原反应中，还原剂失去电子的倾向或氧化剂得到电子的倾向被称为氧化得到电子的倾向被称为氧化-还原电势（还原电势（oxidation-reduction potential），用），用E E表示。表示。标准氧化标准氧化-还原电势为：还原电势为：2525，1 1个标准大气压，摩个标准大气压，摩尔浓度为尔浓度为1M1M，pH=0pH=0时的氧化时的氧化-还原电势，用还原电势，用E E0 0表示。表示。A An+n+氧化型氧化型 A A 还原型还原
20、型+ne+neP115 生物氧化的本质是电子的得失，失去电子是生物氧化的本质是电子的得失，失去电子是氧化，失电子者为还原剂，是电子供体；得到电氧化，失电子者为还原剂，是电子供体；得到电子是还原，得电子者为氧化剂，是电子受体。在子是还原，得电子者为氧化剂，是电子受体。在生物体内，生物体内，生物氧化是在一系列氧化生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化它。它。对生物体来说，它的生理条件接近对生物体来说，它的生理条件接近pH=7pH=7，所，所以常用以常用E E0 0表示。标准氢电极的氧还电位被规定为表示。标准氢
21、电极的氧还电位被规定为零，而生化中零，而生化中pH=7pH=7时氢电极氧还电位为时氢电极氧还电位为-0.42-0.42。E E0 0值越小（负值越大），对电子的亲和力越小，越容值越小（负值越大），对电子的亲和力越小，越容易失去电子，其本身为较强的还原剂；易失去电子，其本身为较强的还原剂；E E0 0值越大（负值值越大（负值越小或正值越大），对电子的亲和力越大，越容易得到电越小或正值越大），对电子的亲和力越大，越容易得到电子，其本身是较强的氧化剂。因此，从标准氧化还原电位子，其本身是较强的氧化剂。因此，从标准氧化还原电位我们可以预知在标准情况下电子的我们可以预知在标准情况下电子的流动方向，流动方
22、向，电子总是从电子总是从较较低低氧还电位的氧还对氧还电位的氧还对流向流向较较高高氧还电位的氧还对。氧还电位的氧还对。v 参看课本下册参看课本下册P117P117，表，表24-124-1生物体中某些氧还体系的标准氧还电势值。生物体中某些氧还体系的标准氧还电势值。典型例题典型例题v1、线粒体呼吸链的磷酸化部位可能位于下列哪些、线粒体呼吸链的磷酸化部位可能位于下列哪些物质之间？物质之间？vA 辅酶辅酶Q和细胞色素和细胞色素b；B 细胞色素细胞色素b和细胞色素和细胞色素c；C 丙酮酸和丙酮酸和NAD+；D FAD和黄素蛋白和黄素蛋白vE 细胞色素细胞色素C和细胞色素和细胞色素aa3。vBv2、代谢中产
23、物每脱下两个氢原子经典型呼吸链时、代谢中产物每脱下两个氢原子经典型呼吸链时产生产生vA 水和释放能量；水和释放能量；B 一分子水和三分子一分子水和三分子ATP；vC 一分子水和两分子一分子水和两分子ATP；D 一分子水和两分子一分子水和两分子ATP或三分子或三分子ATP。vDv3、烟酰氨脱氢酶的辅酶是、烟酰氨脱氢酶的辅酶是vA FMN或或FAD；B NAD+或或NADP+；C 含铁的扑含铁的扑啉衍生物；啉衍生物；D TPP。vB4、在下列的氧化还原系统中，哪个氧化还原电位最、在下列的氧化还原系统中，哪个氧化还原电位最高？高？A、延胡索酸、延胡索酸/琥珀酸琥珀酸 B、氧化型辅酶、氧化型辅酶Q/还原型辅酶还原型辅酶Q C、细胞色素、细胞色素aFe3+/细胞色素细胞色素aFe2+D、细胞色素、细胞色素bFe3+/细胞色素细胞色素bFe2+E、NAD+/NADHCv 何为氧化磷酸化作用？何为氧化磷酸化作用？NADH呼呼吸链中有几个氧吸链中有几个氧化磷酸化偶联部位？化磷酸化偶联部位？v 在底物被氧化的过程中伴随有在底物被氧化的过程中伴随有ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的作用为氧化磷酸化作用。的作用为氧化磷酸化作用。v 在在NADH呼吸链中有三个偶联部位：（呼吸链中有三个偶联部位：（1）FMNCoQ（2）CytbCytc（3）Cytaa3O
