第九章 新陈代谢总论与生物氧化

成的关系，为此提出P/O比的概念。（同位素实验）
当一对电子经呼吸链传给O2的过程中所产生的ATP分子数。 实质是伴随ADP磷酸化所消耗的无机磷酸的分子数与消耗 分子氧的氧原子数之比,称为P/O比。
线粒体NADH+H+经呼吸链氧化P/O比为2.5（3），FADH2经 呼吸链氧化P/O比为1.5（2）。
✓离体研究：“in vitro”：以组织切片、 匀浆或组织提取液为对象进行的代谢研究 称为离体研究（又称体外研究）。
新陈代谢的研究方法 ➢研究方法
✓同位素示踪法： ✓酶的抑制剂和拮抗物的应用： ✓整体水平的研究 ✓器官水平的研究 ✓细胞、亚细胞水平的研究
第二节 生物氧化
生物氧化的特点 生物氧化中二氧化碳的生成 生物氧化中水的生成 生物氧化中ATP的生成 高能化合物
（3）当有机物被氧化成C2O和H2O时，释放的能 量怎样转化成ATP—能量如何产生？——底物水平 磷酸化、氧化磷酸化
生物氧化的特点
➢特点：生物氧化和有机物在体外氧化（燃 烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与 氧结合，消耗氧气，都生成C2O和H2O， 所释放的能量也相同。但二者进行的方式 和历程却不同：
➢合成代谢：生物体内由小分子物质转化成大分子物 质的过程，属同化作用的范畴。
➢分解代谢：生物体内由大分子物质转变成小分子物 质的过程，属异化作用的范畴。
能量代谢
➢任何物质的变化都伴随着能量的变化，生物 体内能量的变化过程称为能量代谢。能量代谢 与物质代谢同时存在，不存在无物质代谢的能 量代谢，也不存在无能量代谢的物质代谢。
✓FO是膜外质子返回膜内的通道，F1是催化ATP 合成的部位，当膜外的质子经FO质子通道到达F1 时便推动ATP的合成。
高能化合物 糖、脂肪、蛋白质
生物氧化
CO2+H2O+能量
ATP
高能化合物
➢高能化合物的概念
一般将水解时能够释放20.92 kJ /mol （5Kcal/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。
HH
H
H
OH OH
ATP（三磷酸腺苷）
ADP（二磷酸腺 苷）
✓磷氧键型（—O-P)
COOH O
CO PO
CH2 O
磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）
✓氮磷键型（如胍基磷酸化合物）
O
O
NH
P O NH
认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜 的通过ATP的合成而恢 复其原来的构象。
迄今未能分离出这种高能蛋白质。但在电子 传递过程中蛋白质组分的构象变化还是存在 的。
化学渗透假说（1961） chemiosmotic hypothesis
1961年由英国生物化学家Peter Mitchell最先提出。 认为电子传递释放的自由能和ATP的合成是 与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。 即电子传递释放的自由能驱动H+从线粒体基 质跨过内膜进入膜间隙，从而形成跨线粒体 内膜的H+离子梯度，及一个电位梯度。这个 跨膜的电化学电势驱动ATP的合成。
生物氧化中二氧化碳的生成 ➢基本方式： 底物脱羧脱羧基作用 ➢分类: α-脱羧 （羧基位置） β-脱羧
单纯脱羧 （不伴随脱氢）
氧化脱羧 （伴随脱氢）
✓α-单纯脱羧
O ‖ CH3 C COOH
✓β-单纯脱羧
COOH
α C =O β CH2
COOH
O ‖ CH3 C H + CO2
COOH C =O + CO2 CH3
H+如何通过电子传递链“泵”出的？
➢ ATP的合成机制— FOF1-ATP合酶
✓线粒体内膜的表面有一层规则地间隔排列着的 球状颗粒，称为FOF1-ATP合酶，也叫ATP合酶复 合体或ATP合酶，是ATP合成的场所。
✓它由FO、F1两部分组成，其中FO由4种6条不同 的肽链组成，是复合体的柄（含质子通道），镶 嵌到内膜中.F1由5种9条肽链组成，呈球状，是复 合体的头，与FO结合后这个头伸向膜内基质。
各类代谢间的关系 环境物质 体内物质
同化作用
生物小分子 大分子 合成代谢
新
吸能反应
陈
代
放能反应 能量代谢
谢
异化作用 生物大分子分解代小谢分子
物 质 代 谢
体内物质 环境物质
呼吸熵（R.Q）与卡价
➢呼吸熵：营养物质在体内氧化分解时要消耗氧气，并 放出二氧化碳，二者的比值称为呼吸熵。 ➢三大类营养物质的呼吸熵：葡萄糖: R.Q=1.0 脂肪: R.Q=0.7 蛋白质: R.Q=0.8
✓氧化磷酸化作用的机理
•化学偶联假说 •构象偶联假说 •化学渗透假说
化学偶联假说（1953年）（掌握要点） chemical coupling hypothesis
认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续 的化学反应形成高能共价中间物，最后将其能 量转移到ADP中形成ATP。
构象偶联假说（1964） conformational coupling hypothesis
呼吸链
呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成： NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、细胞色素还
原酶、细胞色素氧化酶。
NADHN还A原D酶H-QQ
细胞色素 还原酶
琥珀酸-Q还原酶
FADH2
细胞 色素C
细胞色素 氧化酶
O2
呼吸链
NADH+H+ FMN Fe S CoQ Cytb Fe-S cytc1 cytc cytaa3 O2
NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→a→a3→O2
P
P
P
3ADP
3ATP
P/O比值：在电子传递体系磷酸化中，在一定时间内所消耗 的氧（以克原子计）与所产生的ATP数目的比值。
NADH的P/O=3 FADH2的P/O=2
✓氧化磷酸化偶联部位及P/O比
P/O比： 1940年，S Ochoa测定了在呼吸链中O2的消耗与ATP生
➢底物水平磷酸化
✓底物水平磷酸化指ATP的形成直接与一 个代谢中间物（PEP）上的磷酸基团转移 相偶联的作用。 ✓特点：ATP的形成直接与中间代谢物进 行的反应相偶联；在有O2或无O2条件下 均可发生底物水平的磷酸化。
生物氧化中ATP的生成
➢氧化磷酸化
✓是与电子传递过程偶联的磷酸化过程。即伴随电子 从底物到O2的传递，ADP被磷酸化生成ATP的酶促过 程，这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷酸化。 ✓这是需氧生物合成ATP的主要途径。 ✓真核生物的电子传递和氧化磷酸化均在线粒体内膜 上进行。原核生物则在质膜上进行。
因提出氧化 磷酸化偶联 机制：化学 渗透学说而 在1978年获 诺贝尔化学 奖的Peter D Mitchell
支持化学渗透假说的实验证据：
(1) 氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。 (2) 线粒体内膜对H+ OH- K+ Cl-都是不通透的。 (3) 破坏H+ 浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑制
NADH呼吸链中的三个复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ起着质子 泵的作用，将H+ 从线粒体基质跨过内膜进入膜 间隙。
H+不断从内膜内侧泵至内膜外侧，而又不能自由返 回内膜内侧，从而在内膜两侧建立起质子浓度梯 度和电位梯度即电化学梯度，也称为质子动力。
当存在足够的跨膜电化学梯度时，强大的质子流通 过嵌在线粒体内膜的F0F1-ATP合酶返回基质，质 子电化学梯度蕴藏的自由能释放，推动ATP的合 成。
✓α-氧化脱羧
O ‖ CH3－C－COOH + CoASH + NAD+
O ‖ CH3－C～ SCoA + NADH + H+ + CO2
✓β-氧化脱羧
COOH
α C =O + NADP+ β CH2
COOH
COOH C =O + CO2 +NADPH + H+ CH3
（三生）物H氧2O的化生中成水的生成
化学渗透假说示意图
化学渗透学说
2H+ 2H+ 2H+
NAD+
FeS 2e FMN Cytb 2e CoQ
MH2 M 2H+
2H+
H2O
Cytc1 Cytc Cytaa3 2e
½ O2 O2-
X- + IO-
XH IOH
X~I
X- +IOX~I
X~I
H2O ATP
2H+
头部
ATP合酶
ADP +Pi
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
氧化酶
MH2 M
递氢体
NAD+、NADP+、 FMN、FAD、COQ
递氢体H2
还原型
Cyt递电子体 b, c1, c, aa3
氧化型
½ O2 O2- H2O
2e
2H+
生物氧化中ATP的生成
剂）必然破坏氧化磷酸化作用的进行。 (4) 线粒体的电子传递所形成的电子流能够将H+ 从线粒体
内膜逐出到线粒体膜间隙。 (5) 大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质子，
并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。 (6) 迄今未能在电子传递过程中分离出一个与ATP形成有
关的高能中间化合物，亦未能分离出电子传递体的高 能存在形式。
第九章新陈代谢总论与生物氧化
一.新陈代谢总论 二.生物氧化
第一节 新陈代谢总论
新陈代谢一般概念 同化作用与异化作用 能量代谢 各类代谢间的关系 呼吸熵与卡价 新陈代谢研究方法