代谢导论和生物氧化

第 5 章代 谢 导 论 和 生 物 氧 化 第 1节 代 谢 导 论l 新 陈 代 谢 （ metabolism） 是 生 命 最 基 本 的 特 征 一 ， 泛 指 生物 与 周 围 环 境 进 行 物 质 交 换 、 能 量 交 换 的 过 程 。l 一 方 面 ， 生 物 体 不 断 地 从 周 围 环 境 中 摄 取 能 量 和 物 质 ， 通过 一 系 列 生 物 反 应 转 变 成 自 身 组 成 成 份 ， 即 所 谓 同 化 作 用（ 合 成 代 谢 ） ； 另 一 方 面 ， 将 原 有 的 组 成 成 份 经 过 一 系 列的 生 化 反 应 ， 分 解 为 简 单 成 分 重 新 利 用 或 排 出 体 外 ， 即 所谓 异 化 作 用 （ 分 解 代 谢 ） ， 通 过 上 述 过 程 不 断 地 进 行 自 我更 新 。一 、 新 陈 代 谢 的 一 般 概 念 小 分 子 大 分 子合 成 代 谢 （ 同 化 作 用 ） 需 要 能 量 释 放 能 量分 解 代 谢 （ 异 化 作 用 ） 大 分 子 小 分 子 物质代谢能量代谢新陈代谢 第 2节 生 物 氧 化一 、 生 物 氧 化 的 概 念 、 特 点1.生 物 氧 化 的 概 念广 义 的 生 物 氧 化 ： 糖 类 、 脂 肪 、 蛋 白 质 等 有 机 物 质 在 细 胞 中进 行 氧 化 分 解 生 成 CO2和 H2O并 释 放 出 能 量 的 过 程 称 为 生 物 氧化 （ 呼 吸 作 用 ） 。 其 实 质 是 需 氧 细 胞 在 呼 吸 代 谢 过 程 中 所 进 行的 一 系 列 氧 化 还 原 反 应 过 程 。狭 义 的 生 物 氧 化 ： 代 谢 中 间 物 脱 氢 生 成 的 还 原 型 辅 酶（ NADH和 FADH 2） 经 电 子 传 递 链 （ 呼 吸 链 ） 传 递 给 分 子 氧生 成 水 ， 电 子 传 递 过 程 伴 随 着 ADP磷 酸 化 生 成 ATP。 脂 肪 葡 萄 糖 、其 它 单 糖 三 羧 酸循 环 电 子 传 递（ 氧 化 ） 蛋 白 质脂 肪 酸 、 甘 油 多 糖 氨 基 酸乙 酰 CoAe -磷 酸 化 +Pi 小 分 子 化 合 物分 解 成 共 同 的中 间 产 物 （ 如丙 酮 酸 、 乙 酰CoA等 ） 共 同 中 间 物 进入 三 羧 酸 循 环 ,氧 化 脱 下 的 氢 由电 子 传 递 链 传 递生 成 H2O， 释 放出 大 量 能 量 ， 其中 一 部 分 通 过 磷酸 化 储 存 在 ATP中 。 大 分 子 降 解成 基 本 结 构单 位 生 物 氧 化 的 三个 阶 段 在 细 胞 内 进 行 ， 是 在 体 温 、 常 压 、 近 中 性 及 有 水 的 环 境 中进 行 的 。 是 在 一 系 列 酶 、 辅 酶 、 和 中 间 传 递 体 的 作 用 下 逐 步 进 行 的 ，每 一 步 都 放 出 一 部 分 的 能 量 ， 逐 步 释 放 能 量 的 总 和 则 与 同一 氧 化 反 应 在 体 外 进 行 时 相 同 。 释 放 的 能 量 通 常 都 先 贮 存 在 一 些 特 殊 的 高 能 化 合 物 如 ATP中 ， 以 后 通 过 这 些 物 质 的 转 移 作 用 ， 以 满 足 机 体 各 种 需 能及 反 应 的 需 要 。 部 位 ： 真 核 生 物 ： 在 线 粒 体 内 膜 内 进 行 。 原 核 生 物 ： 在 细 胞 膜 上 进 行 。 CO2通 过 有 机 酸 脱 羧 产 生 ， H2O通 过 呼 吸 链 产 生 。2.生 物 氧 化 的 特 点 线 粒 体 的 结 构 :外 膜 ： 含 孔 蛋 白 (porin)， 通 透性 较 高 。 内 膜 ： 高 度 不 通 透 性 ， 向 内 折叠 形 成 嵴 （ cristae ） 。 含 有 与生 物 氧 化 和 能 量 转 换 相 关 的 蛋白 。膜 间 隙 ： 含 许 多 可 溶 性 酶 、 底物 及 辅 助 因 子 。基 质 ： 含 三 羧 酸 循 环 酶 系 、 线粒 体 基 因 表 达 酶 系 等 以 及 线 粒 体 DNA, RNA， 核 糖 体 。 CO2的 生 成 方 式 ： 糖 、 脂 、 蛋 白 质 等 有 机 物 转 变 成 含羧 基 的 中 间 化 合 物 ， 然 后 在 酶 催 化 下 脱 羧 而 生 成CO2。 CH 3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O 丙 酮 酸 脱 氢 酶 系NAD+ NADH+H+CoASH例 ： +CO2H2N-CH-COOHR 氨 基 酸 脱 羧 酶 CH2-NH2R H2O的 生 成 代 谢 物 在 脱 氢 酶 催 化 下 脱 下 的 氢 由 相 应 的 氢 载 体（ NAD+、 FAD、 FMN等 ） 所 接 受 ， 再 通 过 一 系 列递 氢 体 或 递 电 子 体 传 递 给 氧 而 生 成 H2O 。CH3CH2OH CH3CHONAD + NADH+H+ 乙 醇 脱 氢 酶例 ： 1/2 O2NAD+ 电 子 传 递 链 H2O2e O=2H+ 二 、 生 物 能1.生 物 能 和 ATP生 物 能 ： 指 能 够 被 生 物 细 胞 直 接 利 用 的 特 殊 能 量 形 式 。l ATP是 生 物 能 存 在 的 主 要 形 式l ATP是 生 物 体 通 用 的 能 量 货 币 。 生 物 能 存 储 于 ATP的 焦 磷 酸键 中 ， ATP通 过 水 解 反 应 为 细 胞 提 供 能 量 。 l ATP水 解 即 可 生 成 ADP也 可 生 成 AMP但 释 放 能 量 一 样 。 n ADP+Pi ATPn ATP+H2O ADP+Pi G=-30.5kJ/moln ATP+H2O AMP+PPi G=-30.5kJ/moln PPi+H2O 2Pi G=-29kJ/mol 2.高 能 磷 酸 化 合 物 高 能 化 合 物 ： 水 解 时 释 放 5000卡 /mol及 以 上 自 由 能 的 化 合 物 。l 一 般 将 水 解 时 能 够 释 放 20.92 kJ （ 5000cal)以 上 自 由 能 的 键 称高 能 键 ,用 “ ” 表 示 。l 许 多 磷 酸 酯 类 化 合 物 在 水 解 过 程 中 都 能 够 释 放 出 大 量 自 由 能( 5000卡 /mol) 称 为 高 能 磷 酸 化 合 物 。 磷 酸 酯 类 化 合 物 在 生物 体 的 能 量 转 换 过 程 中 起 着 重 要 作 用 。 l ATP是 生 物 细 胞 中 最 重 要 的 高 能 磷 酸 酯 类 化 合 物 。 ATP是 细 胞 内 产 能 反 应 和 需 能 反 应 的 化 学 偶 联 剂 ,在 传 递 能 量方 面 起 着 转 运 站 的 作 用 ， 它 是 能 量 的 携 带 者 和 转 运 者 ， 但不 是 能 量 的 贮 存 者 (磷 酸 肌 酸 、 磷 酸 精 氨 酸 )。磷 酸 肌 酸 （ C P） 是 肌 肉 和 脑 组 织 中 能 量 的 贮 存 形 式 。 但 磷 酸肌 酸 中 的 高 能 磷 酸 键 不 能 被 直 接 利 用 ， 而 必 须 先 将 其 高 能磷 酸 键 转 移 给 ATP， 才 能 供 生 理 活 动 之 需 。 这 一 反 应 过 程由 肌 酸 磷 酸 激 酶 （ CPK） 催 化 完 成 。 CPK C P + ADP C + ATP 在 磷 酸 基 转 移 中 的 作 用 : ATP是 磷 酸 基 团 转 移 反 应 的 中 间 载 体 。 ATP在 生 化 反 应 中 的 特 殊 作 用 ： 第 3节 电 子 传 递 和 氧 化 磷 酸 化一 、 电 子 传 递 链 在 生 物 氧 化 过 程 中 ， 代 谢 物 上 的 氢 原 子 被 脱 氢 酶激 活 脱 落 后 ， 经 过 一 系 列 的 传 递 体 ， 最 后 交 给 被 激 活的 氧 分 子 而 生 成 水 的 全 部 体 系 称 为 电 子 传 递 链 (ETS)或电 子 传 递 体 系 ， 又 称 呼 吸 链 。部 位 ： 线 粒 体 内 膜 （ 真 核 生 物 ） 或 细 胞 膜 （ 原 核 生物 ） 。 NADH呼 吸 链 和 FADH2呼 吸 链 FADH2 FeS NADH FMN FeS CoQ Cytb FeS Cytc1 Cytc Cytaa3 O2NADH呼 吸 链FADH2呼 吸 链1.电 子 传 递 链 的 组 成 ： (1)烟 酰 胺 脱 氢 酶 类(2)黄 素 脱 氢 酶 类（ flavoproteins, FP）(3)铁 -硫 蛋 白 类（ ironsulfur proteins)(4)辅 酶 （ 亦 写 作 CoQ）(5)细 胞 色 素 类（ cytochromes） NADH辅 酶 Q（ CoQ）Fe-SCyt c 1O2Cyt bCyt cCyt aa3 琥 珀 酸 等黄 素 蛋 白（ F AD） 黄 素 蛋 白（ FMN）细 胞 色 素 类铁 硫 蛋 白（ Fe-S） 铁 硫 蛋 白（ Fe-S）电 子 传 递 链 的 组 成 ： (1)烟 酰 胺 脱 氢 酶 类 特 点 ： 以 NAD+ 或 NADP+为 辅 酶 ， 存 在 于 线粒 体 基 质 或 胞 液 中 。 传 递 氢 机 理 : NAD(P) + + 2H NAD(P)H + H+ (2)黄 素 脱 氢 酶 类 特 点 ： 以 FAD或 FMN为 辅 基 ， 酶 蛋 白 为 细 胞 膜 组 成 蛋 白 。类 别 ： NADH脱 氢 酶 、 琥 珀 酸 脱 氢 酶递 氢 机 理 ： FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2 (3)铁 硫 蛋 白 （ 铁 硫 中 心 ） 类 +e 传 递 电 子 机 理 ： Fe3+ Fe2+ -e 特 点 ： 含 有 Fe和 对 酸 不 稳 定 的 S原 子 ， Fe和 S常 以等 摩 尔 量 存 在 （ 如 Fe2S2, Fe4S4 )， 构 成 FeS中 心， Fe通 过 与 蛋 白 质 分 子 中 的 4个 Cys残 基 的 巯 基 与蛋 白 质 相 连 结 。 (4)辅 酶 Q （ CoQ ） 特 点 ： 又 名 泛 醌 ， 为 带 有 聚 异 戊 二 烯 侧 链 的 苯 醌 ，脂 溶 性 ， 位 于 膜 双 脂 层 中 ， 能 在 膜 脂 中 自 由 泳 动 。不 同 来 源 的 CoQ基 本 结 构 相 同 ， 只 是 在 侧 链 上 的 异戊 二 烯 单 位 的 数 目 存 在 差 别 ， 动 物 线 粒 体 的 CoQ有10个 异 戊 二 烯 单 位 ， 用 CoQ10表 示 。 +2H 传 递 氢 机 理 ： CoQ CoQH 2 2H CoQ的 结 构 和 递 氢 原 理CoQ+2H CoQH 2 (5)细 胞 色 素 类 传 递 电 子 机 理 ： +e +e Fe 3+ Fe2+ Cu2+ Cu+ e e 特 点 ： 以 血 红 素 （ 铁 卟 啉 ） 的 衍 生 物 为 辅 基 。 类 别 : 根 据 吸 收 光 谱 分 成 a、 b、 c三 类 ， 呼 吸 链 中含 5种 （ b、 c、 c1、 a和 a3)， a和 a3以 复 合 物 形 式 存 在， 称 细 胞 色 素 C氧 化 酶 ， 其 分 子 中 除 含 Fe外 还 含 有Cu ， 可 将 电 子 传 递 给 氧 ， 因 此 亦 称 其 为 末 端 氧 化 酶。 l 这 些 递 氢 体 和 递 电 子 体 往 往 以 复 合 体 的 形 式 存 在 于线 粒 体 内 膜 上 。l电 子 传 递 有 严 格 顺 序 ， 只 能 从 氧 化 还 原 势 较 低 的 载体 传 递 到 氧 化 还 原 势 较 高 的 载 体 。2.电 子 传 递 链 的 电 子 传 递 顺 序 电子传递链中各传递体的顺序 NADHFMNCoQFe-S Cyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFAD Fe-S琥 珀 酸 等 复 合 物 II 复 合 物 IV 复 合 物 I复 合 物 IIINADH-泛 醌 还 原 酶泛 醌 -细 胞 色 素 c还原 酶 细 胞 色 素 c氧 化 酶琥 珀 酸 -泛 醌 还原 酶 NADH呼 吸 链 H2O12O2O2-MH2还 原 型 代 谢 底 物 FMNFMNH2 CoQH2CoQNAD+NADH+H+ 2Fe2+2Fe3+ 细 胞 色 素b- c1 - c-aa3 Fe S 2H+M氧 化 型 代 谢 底 物 FADH2呼 吸 链FAD FADH2琥 珀 酸 Fe S 2Fe2+2Fe3+ 细 胞 色 素b- c1 - c-aa3CoQH2CoQ 12O2O2- 2H+H2O延 胡 索 酸 21SH2 NAD+2H S NADH FMNH2 CoQ Fe2+ Cyt Fe3+Cyt O22e CytFe2+CytFe3+ CytFe3+ O2+(a-a3) Fe2+Cyt2e CoQH2FMN H2O2HH+ 2e 2H+ 2e图 14-3 呼 吸 链 氧 化 -还 原 反 应 示 意 图 (1) (2) (3) (4)(b c1) c 2H 代 谢 物 在 生 物 氧 化 过 程 中 释 放 出 的 自 由 能 用 于合 成 ATP（ 即 ADP+Pi ATP） ,这 种 氧 化 放 能 和 ATP生 成 （ 磷 酸 化 ） 相 偶 联 的 过 程 称 氧 化 磷 酸 化 。ADP + Pi ATP + H2O生 物 氧 化 过 程 中释 放 出 的 自 由 能二 、 氧 化 磷 酸 化 生 物 系 统 中 的 能 流D l 底 物 水 平 磷 酸 化 :代 谢 物 在 氧 化 脱 氢 或 脱 水 时 ， 能量 在 分 子 内 部 重 排 ， 形 成 某 些 高 能 中 间 代 谢 物 ，这 些 高 能 中 间 代 谢 物 中 的 高 能 键 ， 可 以 通 过 酶 促磷 酸 基 团 转 移 反 应 ， 直 接 使 ADP磷 酸 化 生 成 ATP，这 种 作 用 称 为 底 物 水 平 磷 酸 化 。l 电 子 传 递 体 系 磷 酸 化 :当 电 子 从 NADH2或 FADH2经过 电 子 传 递 体 系 传 递 给 氧 形 成 水 时 ， 同 时 伴 随 着ADP磷 酸 化 为 ATP， 也 叫 氧 化 磷 酸 化 。1.氧 化 磷 酸 化 作 用 类 型 : 底 物 水 平 磷 酸 化 仅 见 于 下 列 三 个 反 应 ： 3-磷 酸 甘 油 酸 激 酶 1,3-二 磷 酸 甘 油 酸 +ADP 3-磷 酸 甘 油 酸 +ATP 丙 酮 酸 激 酶 磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 +ADP 烯 醇 式 丙 酮 酸 +ATP 琥 珀 酰 硫 激 酶 琥 珀 酰 CoA+H 3PO4+GDP 琥 珀 酸 +CoA+GTP 高 能 磷 酸 化合 物 高 能 磷 酸 化合 物 丙 酮 酸 激 酶 TCA第 二 阶 段 ： 氧 化 脱 羧CO2 GDP Pi GTPNAD+ NADH+H+ NAD+ NADH+H+CoASH异 柠 檬 酸 脱 氢 酶 CO2 酮 戊 二 酸脱 氢 酶琥 珀 酸硫 激 酶CoASH 呼 吸 链 中 电 子 传 递 时 自 由 能 的 下 降 与 ATP的 生 成FADH2 2e- NADH2.氧 化 磷 酸 化 的 偶 联 部 位 和 磷 氧 比 （ P/O ） 磷 氧 比 （ P/O ） 每 消 耗 1mol氧 原 子 所 消 耗 无 机 磷 酸 的 摩 尔 数称 为 磷 氧 比 。 P/O的 数 值 反 映 了 一 对 电 子 经 呼 吸链 传 递 至 氧 原 子 所 产 生 的 ATP分 子 数 。NADHFADH 2 O212H2OH2O 实 测 得 NADH呼 吸 链 ： P/O 3ADP+Pi ATP实 测 得 FADH2呼 吸 链 ： P/O 2 O2122e-2e-ADP+Pi ATPADP+Pi ATP ADP+Pi ATPADP+Pi ATP 3.氧 化 磷 酸 化 的 细 胞 结 构 基 础 线 粒 体 内 膜 的 表 面 有 一 层 规 则 地 排 列 着 的 球 状 颗 粒 ， 称 为基 粒 ， 也 叫 “ 三 联 体 ” 或 “ ATP酶 复 合 体 ” ， 是 ATP合 成 的 场 所 。 (1)F1（ 头 部 ） ： 含 有 5种 不 同 的 亚 基 （ 3 3 ） ， 其 功 能 是催 化 生 成 ATP。 (2)柄 部 ： 含 有 OSCP(寡 霉 素 敏 感 性 蛋 白 )， 使 ATP合 成 酶 在 寡 霉素 存 在 时 不 能 生 成 ATP。(3)Fo（ 基 部 ） ： 是 镶 嵌 在 线 粒 体 内 膜 中 的 质 子 通 道 ,与 线 粒 体 电子 传 递 系 统 连 接 的 部 位 。 线 粒 体 的 结 构 :外 膜 ： 含 孔 蛋 白 (porin)， 通 透性 较 高 。 内 膜 ： 高 度 不 通 透 性 ， 向 内 折叠 形 成 嵴 （ cristae ） 。 含 有 与生 物 氧 化 和 能 量 转 换 相 关 的 蛋白 。膜 间 隙 ： 含 许 多 可 溶 性 酶 、 底物 及 辅 助 因 子 。基 质 ： 含 三 羧 酸 循 环 酶 系 、 线粒 体 基 因 表 达 酶 系 等 以 及 线 粒 体 DNA, RNA， 核 糖 体 。 化 学 渗 透 假 说 （ chemiosmotic hypothesis） ： 是 20世 纪 60年 代 初 由 Peter Mitchell提 出 的 ， 1978年 获 诺贝 尔 化 学 奖 。基 本 要 点 ： 电 子 经 呼 吸 链 传 递 时 ， 可 将 质 子 (H+)从线 粒 体 内 膜 的 基 质 侧 泵 到 内 膜 外 侧 （ 膜 间 隙 侧 ） ，产 生 膜 内 外 质 子 电 化 学 梯 度 （ H+浓 度 梯 度 和 跨 膜 电位 差 ） ， 以 此 储 存 能 量 。 当 质 子 顺 浓 度 梯 度 回 流 时驱 动 ADP与 Pi生 成 ATP。 电 子 传 递 链 在 线 粒 体 内 膜 中 共 构 成 3个 回 路 ， 每 个 回 路 均 有质 子 泵 的 作 用 。第 一 个 回 路 ： 由 NADH提 供 1个 H+和 2个 e， 加 上 线 粒 体 基 质内 1个 H+使 FMN还 原 成 FMNH2， FMNH2向 内 膜 胞 液 侧 释 出 2个 H+， 将 2个 e还 原 铁 硫 蛋 白 （ Fe-S） 。第 二 个 回 路 ： 开 始 时 Fe-S放 出 2个 e重 新 被 氧 化 ， 将 2个 e加 上基 质 内 的 2个 H+传 递 给 泛 醌 ， 使 泛 醌 还 原 成 CoQH2。 CoQH2移 至 内 膜 胞 液 侧 释 出 2个 H+， 而 将 2个 e交 给 Cyt b。第 三 个 回 路 ： 还 原 型 Cyt b将 2个 e交 还 给 泛 醌 ， 加 上 基 质 内的 2个 H +又 使 泛 醌 还 原 成 CoQH2 。 CoQH2 将 2个 H+从 胞 液 侧释 出 ， 2个 e依 次 通 过 Fe-S、 C1、 C、 a、 a3传 递 给 氧 ， 并 与 基质 内 的 2个 H+生 成 H2O。 化 学 渗 透 假 说 示 意 图 2H+2H+2H +2H+NADH+H+ 2H+2H+2H+ ADP+Pi ATP 高质子浓度H2O 2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 质 子 流线 粒 体 内 膜磷 酸 化 氧 化 能 够 切 断 呼 吸 链 中 某 一 部 位 电 子 传 递 的 物 质 ， 称为 电 子 传 递 抑 制 剂 。 经 典 的 抑 制 剂 有 以 下 几 种 ： (1) 鱼 藤 酮 、 安 密 妥 以 及 杀 粉 蝶 菌 素 (2) 抗 霉 素 A： 是 由 链 霉 菌 分 离 出 的 抗 菌 素 (3) 氰 化 物 、 硫 化 物 、 叠 氮 化 物 和 一 氧 化 碳 等 电子传递 抑制剂 NADHFMNCoQFe-SCyt c1 O2Cyt bCyt cCyt aa3 Fe-SFMN Fe-S琥 珀 酸 复 合 物 II 复 合 物 IV复 合 物 I复 合 物 III鱼 藤 酮安 密 妥抗 霉 素 A 氰 化 物CO 在 完 整 线 粒 体 内 ， 电 子 传 递 与 磷 酸 化 之 间 紧 密 偶联 ， 但 这 两 个 过 程 可 被 解 偶 联 剂 ， 如 2,4-二 硝 基酚 (DNP)解 偶 联 ， 这 时 虽 然 能 进 行 电 子 传 递 ， 但不 能 发 生 ADP的 磷 酸 化 作 用 。 这 一 过 程 称 为 解 偶联 作 用 。 解 偶 联 效 应 的 生 物 利 用 ： 如 在 冬 眠 动 物 和 适 应 寒冷 的 哺 乳 动 物 中 ， 它 是 一 种 能 够 产 生 热 以 维 持 体温 的 方 法 。