第7章 新陈代谢总论和生物氧化-1

脱氢酶
传递体
氧化酶
MH2 M
递氢体
NAD+、FMN、 FAD、COQ
递氢体H2
2e
还原型
Cyt递电子体 b, c1, c, aa3
氧化型
½ O2
O2- H2O
2H+
线粒体
2.3.1 呼吸链(respiratory chain)
代谢物上的氢被脱氢酶激活脱下后,经过一系列传递 体,最后传递给被激活的氧而生成水的全部体系称呼吸 链或电子传递链(electron transport chain)。 在具有线粒体的生物中，呼吸链分布在线粒体内膜 上——线粒体呼吸链。 典型的呼吸链有两种:
1、复合物I—— NADH泛醌还原酶
• 简写为NADHQ还原酶, 又称NADH脱氢酶。它的作 用是先与NADH结合并将NADH上的两个高势能电子 转移到FMN辅基上，使NADH氧化，并使FMN还原。 所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。 NADH＋H+＋FMN→FMNH2＋NAD+
• 它的活性部分含有辅基FMN和铁硫聚族——电子载体。 • 电子传递顺序：NADH→FMN→铁硫聚族→泛醌
NDP+ATP→NTP+ADP (N:U,C,或G)
dNTP由dNDP的生成过程也需要ATP供能：
dNDP+ATP→dNTP+ADP
(4) 其它贮能物质：磷酸肌酸
在肌肉、神经组织，磷酸肌酸是主要的贮能物质， 但是它含有的能量需转化成ATP后再利用。
二、生物氧化(Biological oxidation)
较小的化合物，从而将分解代谢的放能反应与合成代谢的
吸能反应偶联在一起，它本身是代谢的共同中间体。
底物
产物
分解代谢
PPi + AMP
ADP + Pi
ATP
合成代谢
组织成分 前体物质
(3) ATP能量的转移
体内还有一些反应需要UTP(多糖合成)、CTP(磷脂合成) 或GTP(蛋白质合成)作供能物质。作为供能物质所需要的 UTP、CTP和GTP可经下述反应再生：
2.1 概述 2.2 生物氧化中CO2的生成 2.3 生物氧化中H2O的生成
2.3.1 呼吸链 2.3.2 呼吸链的组成 2.3.3 呼吸链中传递体的顺序 2.4 氧化磷酸化 2.4.1 ATP的生成 2.4.2 胞浆中NADH的氧化磷酸化 2.4.3 氧化磷酸化中ATP的合成部位 2.4.4 氧化磷酸化的偶联机制
❖ 铁硫聚族(Iron-sulfur clusters, Fe-S)
• 又称铁硫中心(Iron-sulfur Centers)，含有非卟啉铁 和无机硫。
• 作用是通过铁的变价互变进行电子传递。 • 铁硫聚族与蛋白质相结合称为铁硫蛋白。在线粒体呼
吸链中，有多个铁硫聚族，存在于NADH脱氢酶、琥 珀酸-泛醌还原酶及细胞色素c还原酶中。
第二篇
代谢
第七章 新陈代谢总论与生物氧化
一、新陈代谢总论
新陈代谢的概念 新陈代谢的研究方法 生物体内能量代谢的基本规律 高能化合物与ATP的作用
二、生物氧化
生物氧化的特点 生物氧化中CO2的生成 生物氧化中水的生成 氧化磷酸化作用
一、新陈代谢总论
1.1 新陈代谢的概念:新陈代谢是生物与外界环境进行物质交换
2.1 概述
• 一切生物都靠能量维持生存，生物体所需的能 量大都来自体内糖、脂肪、蛋白质等有机物的 氧化。
• 有机分子在机体内氧化分解成H2O和CO2，并释 放出能量的过程称为生物氧化。
• 生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系 列氧化-还原反应，所以又称为呼吸作用或细 胞呼吸(cellular respiration) 。
NH2
酸酐键 磷酯键
N
N
O
O
O- P O P O-
O-
O-
焦磷酸
O
O- P O-
O
OP O-
O
OP O-
N
N
OCH2 O
HH
H
H
ATP
OH OH
❖ ATP的“共同中间体”作用
ATP水解时的标准自由能变化位于多种物质水解时标准自
由能变化的中间位置，它能从具有更高能量的化合物中接
受高能磷酸键，也能将～Pi转移给水解时标准自由能变化
❖ 自由能变化的可加性及其在生物化学反应中的意义
在偶联的几个化学反应中，自由能的总变化等于每一 步反应自由能变化的总和。
例如﹕A
B+C G0' ＝+20.92kJ/mol
B
D
G0' ＝-33.47 kJ/mol
A
C+D G0' ＝-12.55 kJ/mol
在标准状况下, A→B+C不能自发进行，B→D容易 进行，因自由能变化是可加的，则A→C+D可自发 进行。这样，一个热力学上不能进行的反应，可由 与它偶联的、热力学上容易进行的反应驱动，这种 情况在生物化学反应中是很多的。
1.4 高能化合物与ATP的作用
(1) 高能化合物
生物体内有许多化合物，随水解或基团转移反应可释放出大 量的自由能,这类化合物称为高能化合物。
烯醇磷酸化合物
高能化合物
磷酸化合物
磷氧型 磷氮型
酰基磷酸化合物 焦磷酸化合物
非磷酸化合物
硫酯键化合物 O R C SCoA
甲硫键化合物
高能磷酸化合物﹕含自由能较多的磷酸化合物。水解时释放 出自由能超过30～67 kJ·mol-1，常用～～P 来表示。
2.电子载体(或电子传递体)
复合体 I
FMN
NADH-泛醌还原酶 (NADH脱氢酶)
FeS
FAD
FeS
Ubiquinone
复合体II 琥珀酸-泛醌还原酶 Cyt b
ubiquinone
细胞色素c 氧化酶
FeS
Cyt c1 Cyt c Cyt a
Cyt a3
复合体III
复合体IV
细胞色素c 还原酶
1/2 O2
• Electrons transfer through the chain - from complexes I and II to complex IV.
Electron transport chain Mitochondrial Complexes
2.3.2 呼吸链的组成
NADH
1.蛋白质复合体 (酶蛋白和电子载体)
下进行。
• 生物氧化是逐步氧化、逐步释放能量。释放的能量一 般都先贮存在ATP中,然后再通过ATP的转移作用，将 能量释放。
• 真核生物的生物氧化在线粒体内进行，不含线粒体的 原核生物则在细胞膜上进行。
❖ 生物氧化主要包括三方面的内容:
1、细胞如何在酶的催化下，把代谢物分子的 C→CO2？
2、细胞如何将代谢物分子脱下的H2交给O2生成 水?
• The electron transport chain in the inner mitochondrial membrane can be isolated in four proteins complexes(I, II, III, IV).
• A lipid soluble coenzyme (Q) and a water soluble protein (cyt c) shuttle between protein complexes.
NADH氧化呼吸链 MH2：作用物；(Fe-S)：铁硫中心；
2.琥珀酸氧化呼吸链
琥珀酸在琥珀酸脱氢酶作用下脱氢生成延胡索酸，FAD接受 两个氢原子生成FADH2，然后再将氢传递给CoQ，生成CoQH2， 此后的传递和NADH氧化呼吸链相同。
Electron Transport chain (ETC) (respiratory chain)
❖ 生物氧化的特点：
1. 在生物体内,电子转移主要有以下三种形式:
(1)直接的电子转移:
Fe2++Cu2+＝Fe3++Cu+
(2)氢原子的转移(H=H++e): AH2+B＝A+BH2
(3)有机还原剂直接加O2: •RH在+O活2细+2胞H内++、2体e→温R、O近H于+H中2性O 的含水环境中由酶催化
• 氧化脱羧：在脱羧过程中伴随着氧化(脱氢)。 NADP+ NADPH + H+
HOOCCH2CHCOOH 苹果酸酶 OH
CH3CCOOH + CO2 O
2.3 生物氧化中H2O的生成
• 生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢，经生物氧 化作用和吸入的氧结合而成的。
• 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。
❖ 黄素单核苷酸(FMN) FMN既可以接受2 e-形成FMNH2，又可以接受1 e-，或由 FMNH2给出1 e- 形成一个稳定的半醌中间产物。
O
H
C
N
C
H3C C
C 10 C
NH
O
H
H
C
N
C
H3C C
C
C
NH
O
H
H
C
N
C
H3C C
C
C
NH
H3C C
C
C 1 C O H3C C
C
C
C O H3C C
3、细胞通过什么方式将氧化过程中释放的能量 转变为ATP的高能键?
2.2 生物氧化中CO2的生成
生物体内CO2的生成来源于含羧基的有机化合物的脱羧作用。
• 直接脱羧
丙酮酸脱羧酶 CH3CCOOH (-脱羧)
O
CH3CHO + CO2
丙酮酸羧化酶
HOOCCH2CCOOH O
(-脱羧)
CH3CCOOH + CO2 O
C
C
CO
C
N
N
C
N
N
C
N
N
H
H
H
H
CH2
e + H+
CH2
e + H+
CH2
HC OH
HC OH
HC OH
HC OH
HC OH
HC OH
HC OH O
HC OH O
HC OH O
H2C O P O-
FMN O-
H2C O P O-
FMNH· O-
H2C O P O-
FMNH2 O-
NADH + H+ + FMN → NAD+ + FMNH2 FMNH2 + Fe3+ → FMNH·+ Fe2+ + H+
与能量交换的全过程。这是生物最基本的特征，也是生命存在
的前提。
生物小分子合成为
生物大分子 合成代谢
(同化作用)
Anabolism
新陈代谢 Metabolism
需要能量 释放能量
能量 代谢
物质代谢
分解代谢 (异化作用)
Catabolism
生物大分子分解为 生物小分子
1.2 新陈代谢的研究方法
1. 活体内(用生物整体或整体器官研究,in vivo)与活 体外实验(用器官组织切片、匀浆或体外培养的细 胞、细胞器研究, in vitro)
2. 使用酶的抑制剂(可使代谢途径受到阻断，结果造 成某一种代谢中间物的积累，从而为测定该中间 代谢物提供可能)
3. 同位素示踪法(稳定同位素2H、15N和放射性同位 素32P、125I)
4. 核磁共振波谱法(13C谱、31P谱、15N谱)
1.3 生物体内能量代谢的基本规律
生物体内能量代谢同样服从热力学定律,最重要的热力学 函数是自由能(ΔG )。
k A+B
C+D G Go RT ln [C][D] [ A][B]
当反应处于平衡时，G0 ＝–2.303RT lgk
在生物体系内，pH接近7，水的活度规定为1.0，用G0'代 替G0 ,则:
G0'＝–2.303RT lgk
一个反应系统的G0只取决于产物与反应物的自由能之差, 而与反应历程无关。
Iron-sulfur clusters transfer only one electron, even if they contain two or more iron atoms.
E.g., a 4-Fe center might cycle between redox states: Fe+++3, Fe++1 (oxidized) + 1 e Fe+++2, Fe++2 (reduced)
1.NADH呼吸链 2.FADH2呼吸链(琥珀酸氧化呼吸链)
Mitochondrion
Impermeable to ions and most other compounds
1. NADH氧化呼吸链
体内大多数脱氢酶都是以NAD+为辅酶，在脱氢酶催化下,底 物MH2脱下的氢交给NAD+生成NADH+H+；在NADH脱氢 酶作用下，NADH+H+将两个氢原子传递给FMN生成 FMNH2,再将氢传递至CoQ生成CoQH2，此时两个氢原子解 离成2H++2e-,2H+游离于介质中，2e-经Cyt b、c1、c、aa3 传递，最后将2e-传递给1/2O2，生成O2-, O2-与介质中游离的 2H+结合生成水。
如： ATP → ADP+Pi
pH7.0，25℃条件，G0‘=－30.5 kJ·mol-1
高能化合物释放的能量除一部分以热的形式散失于周围环 境中之外，其余部分大多直接生成ATP，以高能磷酸键的 形式存在。
(2) ATP在能量转运中的地位和作用
ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物，作为 细胞的主要供能物质参与体内的许多代谢反应。无论从 低等的单细胞生物到高等的人类，能量的释放、贮存和 利用都是以ATP为中心。