新陈代谢与生物氧化讲解

（ ΔG是总自由能的变化， ΔH 是总热 能的变化，ΔS是熵的变化）
当ΔG＞0，反应不能自发进行。当给体系补充自由能 时，才能推动反应进行（为吸能反应）。 当ΔG＜0，体系的反应能自发进行(为放能反应)。 当ΔG＝0，表明体系已处于平衡状态。
自由能：
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。 熵：混乱度或无序性，是一种无用的能。
二、生物氧化的方式
（一）CO2的生成 生物体内CO2的生成来源于有机物转变为 含羧基化合物的脱羧作用。 A 直接脱羧作用
CH3CCOOH O HOOCCβ H2C COOH α
丙酮酸羧化酶 （β -脱羧） 丙酮酸脱羧酶 （α-脱羧）
CH3CHO + CO2
CH3CCOOH + CO2 O
O
B 氧化脱羧作用：在脱羧过程中伴随着氧化 （脱氢）。
氧化型
2H+
1、呼吸链
定义 呼吸链是代谢物上氢原子被脱氢酶激活脱 落后，经一系列电子传递体，最后传递给被激 活的氧分子而生成水的过程，又称电子传递体 系或电子传递链。 组 成 ： 递 氢 体 和 电 子 传 递 体 （ 2H 2H+ + 2e），存在于线粒体内膜上 。
内膜
脊膜
2、呼吸链中包括5类电子载体： ①烟酰胺核苷酸类：
-
CoQH 2
O2-
H2O
2+ C yt-Fe Fe -S b Fe -S 3+ CoQH2 e - C yt-Fe 2
CoQ
2e
3+ C yt-Fe
2+ 2 e C yt-Fe
-
3+ C yt-Fe
2+ C yt-Fe
2e
1 O2 － 2
c1
c
a
-
a3 O2- H2O
2+ 2 e - C yt-Fe C yt-Fe 3+
（四）H2O的生成
－－代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。 生物体主要以脱氢酶、传递体及氧化酶组成生物氧化体系， 以促进水的生成。
脱氢酶
MH 2
M
氧化酶
递氢体
NAD+、NADP+、 FMN、FAD、COQ
还原型
Cyt递电子体 b, c1, c, aa3
½ O2
O2H2O
递氢体H2
2e
新陈代谢与生物氧化
Metabolism and biological oxidation
第一节 新陈代谢总论
一、新陈代谢的概念 活细胞中全部有序的化学变化的总称。
合成代谢 生物小分子（简单）合 （同化作用） 成为生物大分子（复杂） 需要能量 新陈代谢 释放能量 分解代谢 （异化作用） 生物大分子分解为 生物小分子 能量 代谢 物质代谢
复合体Ⅲ: QH2（泛醌）-细胞色素c还原酶 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c
复合体Ⅲ
QH2→ b562; b566; Fe-S; c1 →Cyt c
复合体Ⅳ: 细胞色素c氧化酶

功能：将电子从细胞色素c传递给氧
复合体Ⅳ
还原型Cyt c → CuA→a→a3→CuB → O2
COOH
2H
MH2 NADH -0.32 FMN CoQ b c1 -0.30 +0.10 +0.07 +0.22 FAD -0.18 c aa3 +0.25 +0.29 O2 +0.816
抑制剂：
鱼藤酮 安密妥
抗霉素A
氰化物， CO，叠氮 化合物
1．NADH氧化呼吸链：
丙 酮 酸
α -酮戊二酸
硫辛酸 FAD 2e
四、高能化合物分类
烯醇磷酸化合物 磷氧型 磷酸化合物 常用～P 或～ ﹝P﹞ 表示。 磷氮型 酰基磷酸化合物
焦磷酸化合物：ATP
高能化合物 －－释放 自由能特 别多的化 合物。
硫酯键化合物 非磷酸化合物 甲硫键化合物
烯醇式磷酸化合物
COOH O C O CH2 P O O
磷酸烯醇式丙酮酸
14.8千卡/摩尔
O
7.3千卡/摩尔
OH
ATP（三磷酸腺苷）
氮磷键型
O NH C N NH CH3 P O O
NH N CH3 O P O NH2 C NH O CH2CH2CH2CHCOOH
磷酸精氨酸 7.7千卡/摩尔
CH2COOH
磷酸肌酸 10.3千卡/摩尔
这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。
硫酯键型
NH2
O R C SCoA
O O S O
-
N O O P O
-
N N N H H OH
OCH2 H H
O
酰基辅酶A
OH
3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸
甲硫键型
COO
S-腺苷甲硫氨酸
+ NH3
CH CH2 CH2 H3C S
+
A
第二节 生物氧化
生命能量来源
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： 通过生物氧化作用 将有机物质存储的化学能释放 出来，并转变成生物能。
传递体 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 （NAD+） 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+） 黄素蛋白（辅基为 FAD和 FMN）
作用 递氢体 递氢体 递氢体
铁硫蛋白（Fe-S）
辅酶Q 细胞色素类
单电子传递体
递氢体 单电子传递体
由以上五种电子传递体组成4个复合体
复合体Ⅰ: NADH-Q（泛醌）还原酶
功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone)
Ⓢ 表示无机硫
④辅酶Q类
又称泛醌（CoQ)，可接受多种脱氢酶脱下的 氢和电子转变为泛醇（ CoQH2），处在呼吸 链的中心地位。泛醇将电子传给细胞色素 bc1复合体，H+释出。
⑤细胞色素类（cytochromes)
是一类以铁卟啉（血红素）为辅基的 蛋白质。广泛分布于生物细胞，由于呈现 颜色，故称细胞色素。 其作用靠铁的变价传递电子由CoQ传到氧。 a、cytbc1复合体：含ctyb 、ctyc1及铁-硫 蛋白。 b、cyt氧化酶：含ctya和ctya3 。 除含铁还含铜（ Cu2+→Cu+） c、cytc：在ctybc1复合体和cty氧化酶间传 递电子。
异柠檬酸 苹 果 酸 谷氨酸 β -羟丁酸
β -羟脂酰CoA
NAD+→[ FMN (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3 2H 1/2O2
2H+
H2O
2.FADH2氧化呼吸链
α -磷酸甘油 [FAD(FP)] 脂肪酰CoA 琥珀酸 FAD (Fe-S) Cytb →CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2
P
P
P
3ADP
3ATP
P/O比值：在电子传递体系磷酸化中，在一定时间内，每消 耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。根据所消耗的无机 磷酸摩尔数，可间接测出ATP生成量。
NADH的P/O=3
FADH2的P/O=2
2. 氧化磷酸化作用机理(mechanism)
化学渗透学说(chemiosmotis hypothesis)
3+ 2+ 2 e C yt-Fe C yt-Fe
2H+ 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） －
3、体内两条重要的呼吸链：根据接受氢的初始受体不同 1. NADH氧化呼吸链
NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2 糖、脂、蛋白质等有机物在氧化分解过程中脱下的氢，大部 分经此呼吸链氧化为水。例如丙酮酸、异柠檬酸、乳酸、酮 戊二酸、苹果酸、谷氨酸等。
酰基磷酸化合物
O R C O
O P O
-
O
A
O H3N+ C O
O
O P
酰基腺苷酸
O RCH C O N H3
+
O P O A O
-
O
氨甲酰磷酸
-
氨酰基腺苷酸
焦磷酸化合物
O O P O
-
O O P O
-
NH2
OO O P O
-
N O O P O
-
N N N H H OH
O O P O
-
焦磷酸
OCH2 H H
有机物质在生物体内的氧化作用，称为 生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以 又称为呼吸作用。
糖
脂肪
蛋白质
O2
CO2和H2O
ADP+Pi
能量
ATP
热能
一、生物氧化的特点
1、反应条件温和 2、伴随生物还原反应的发生 3、水是许多生物氧化反应的氧供体 4、碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。 5、分步进行的过程 6、生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联， 转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。
2. FADH2氧化呼吸链
琥珀酸 →复合体Ⅱ →Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2 一般情况下琥珀酸、a-磷酸甘油氧化脱氢生成FADH2作为这 条呼吸链的最初供体。
呼吸链的组成及传递体的顺序
各组分在链上的位置次序与其得失电子趋势的 强度有关。电子总是从低氧化还原电位向高的电 位上流动的，氧化还原电位的数值愈低，即供电 子的倾向愈大，愈易成为还原剂，而处在呼吸链 的前面。
（2）电子传递体系磷酸化(electron transport system)
电子传递过程和磷酸化作用相耦联的部位，从 NADH 即：电子从 NADH或FADH2经过电子传递体系传递 到分子氧的呼吸链中，有三处能使氧化还原过程释放的能 给氧形成水，同时伴有ADP磷酸化为ATP。 量转化为ATP。 NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→a→a3→O2
复合体Ⅰ
NADH→ FMN; Fe-S →CoQ N-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2
NADH+H+ NAD+
FMN FMNH2
还原型Fe-S 氧化型Fe-S
Q QH2
复合体Ⅰ的功能
复合体Ⅱ: 琥珀酸-Q（泛醌）还原酶
功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌
复合体Ⅱ
琥珀酸→ Fe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 →CoQ
H R C O H 2O H R C OH OH ø O R C OH + 2H + + 2e -
（三）氧直接参加的氧化反应
加氧酶 能够催化氧分子直接加入到有机分子 中。例如，
甲烷单加氧酶
CH4 + NADH + O2 CH3-OH + NAD+ + H2O
氧化酶 主要催化以氧分子为电子受体的氧化 反应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产 生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进 行氧化的。
主要作为一类不需氧脱氢酶的的辅酶。有 NAD+和NADP+，大多脱氢酶以NAD +为辅酶。
电子和氢离子一起被接受，还原型CoⅠ 将氢移到NADH脱氢酶（黄素）上。
NAD+和NADP+的结构
R=H: NAD+;
R=H2PO3:NADP+
NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变
氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。
新陈代谢的共同特点： 1. 由酶催化，反应条件温和。
2. 诸多反应有严格的顺序，彼此协调。
3. 对周围环境高度适应。
新陈代谢的研究方法
1. 2. 3. 活体内(in vivo)与活体外实验(in vitro) 同位素示踪法 代谢途径阻断
二、生物体内能量代谢的基本规律
化学反应自由能方程式
ΔG =ΔH –TΔS
CH2CH2COOH 2H
SH 2 NAD
+
FMNH 2 2H CoQ Fe S
FAD Fe*S 复合物 II Cytb - （琥珀酸脱氢酶） 2e
2+ 2C yt-Fe
2e
1 O － 2 2
S
FMN NADH + H 2H Fe S
-
3+ 2C yt-Fe 2e 2H+ 复合物 I （NADH- 泛醌还原酶）
NADP+ NADPH + H+
HOOCCH2CHOHCOOH
（二）脱氢氧化反应 A 脱氢 琥珀酸脱氢
COOH CH2 CH2 COOH COOH CH CH COOH +
CH3CCOOH + CO2 O
2H+ + 2e-
乳酸脱氢酶
OH CH3CHCOOH NAD
+
O CH3CCOOH NADH
B 加水脱氢 酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。
NADH氧Baidu Nhomakorabea呼吸链
FADH2氧化呼吸链
电子传递链
三、氧化磷酸化作用
——伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化。P240 ADP + Pi + 能量 → ATP AMP + PPi + 能量 →ATP 1. ATP的生成 （1）底物水平磷酸化：在被氧化的底物上发生磷酸化作用。 －－即底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化 合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP 生成ATP。 X~ P + ADP → ATP + X
②黄素脱氢酶类
黄素酶（NADH脱氢酶）是黄素蛋白，其辅 基FMN（ FAD ）接受2个氢原子成还原型的 黄素单核苷酸。
FMN 结构中含核黄素，发挥功能的部位 是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产 物是FMN• 。
③铁硫蛋白类 NADH脱氢酶还有几个非血红素铁原子与酸不稳定 的硫原子结合，组合成铁-硫中心。铁硫蛋白中辅 基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中 铁原子可进行Fe2+Fe3+反应传递电子。