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8 8 新陈代谢总论与生物氧化新陈代谢总论与生物氧化主主要要内内容容：介介绍绍新新陈陈代代谢谢的的概概念念和和研研究究方方法法，生生物物能能力力学学的的基基本本内内容容和和高高能能化化合合物物的的概概念念和和特特点点。重重点点讨讨论论线线粒粒体体电电子子传传递递体体系系的的组组成成、电电子子传递机理和氧化磷酸化机理。传递机理和氧化磷酸化机理。1新陈代谢的概念新陈代谢的概念新新陈陈代代谢谢（metabolism）是是生生命命最最基基本本的的特特征征之之一一，泛泛指指生生物物与与周周围围环环境境进进行行物物质质交交换换、能能量量交交换换和和信信息息交交换换的的过过程程。生生物物一一方方面面不不断断地地从从周周围围环环境境中中摄摄取取能能量量和和物物质质，通通过过一一系系列列生生物物反反应应转转变变成成自自身身组组织织成成分分，即即所所谓谓同同化化作作用用（assimilation）；另另一一方方面面，将将原原有有的的组组成成成成份份经经过过一一系系列列的的生生化化反反应应，分分解解为为简简单单成成分分重重新新利利用用或或排排出出体体外外，即即所所谓谓异异化化作作用用（dissimilation），通通过过上上述述过过程程不不断断地地进行自我更新。进行自我更新。特特点点：特特异异、有有序序、高高度度适适应应和和灵灵敏敏调调节节、代代谢谢途途径逐步进行。径逐步进行。28.1 8.1 新陈代谢总论新陈代谢总论材材料料:活细胞-单细胞生物、多细胞生物的细胞、病毒、噬菌体。常用的材料：大肠杆菌 大肠杆菌噬菌体大肠杆菌噬菌体T4 枯草杆菌四膜虫 酒酵母红色面包霉 小球藻玉米 果蝇海胆 爪蟾鸽 小鼠大鼠 兔黑猩猩8.1.1新陈代谢的研究方法新陈代谢的研究方法38.1 8.1 新陈代谢总论新陈代谢总论常用的材料：4整体方法整体方法纯化合物排泄物的化学分析建立动物模型（脂肪酸的建立动物模型（脂肪酸的氧化）氧化）（1 1）in vivo，“在体内”和（in vitro，“在体外”）在体内:用生物整体进行研究在体外：用组织切片、匀浆、或提取液作为研究材料进行研究5组织提取法组织提取法各类组织细胞各类组织细胞各种破碎方法各种破碎方法碎片置于碎片置于试管试管中中向该向该试管试管中加入纯化合物（如葡萄糖）分析各类代中加入纯化合物（如葡萄糖）分析各类代谢中间产物及酶，或加入阻断物，逻辑推断。谢中间产物及酶，或加入阻断物，逻辑推断。6（2 2）示踪法）示踪法1)1)19041904年年Franz Franz KnoopKnoop以以苯苯基基作作为为示示踪踪物物，研研究究脂脂肪肪酸酸的代谢。的代谢。2)2)同位素示踪法同位素示踪法 例例如如1 1，用用1414C C标标记记乙乙酸酸喂喂饲饲动动物物，如如COCO2 2中中发发现现1414C C，说说明乙酸的羧基转变成了明乙酸的羧基转变成了COCO2 2。例例如如2 2，氨氨基基用用同同位位素素标标记记后后成成为为1515NHNH2 2,用用质质谱测定仪测定含有谱测定仪测定含有1515N N的化合物。的化合物。3)3)放放射射性性同同位位素素示示踪踪法法。常常用用的的有有氚氚（3 3H H）、碳碳1414（1414C C）、磷磷 3232（3232P P）、硫硫 3434（3434S S）35(35(3535S)S)碘碘131131（131131I I）等。）等。7（3 3）代谢途径阻断法）代谢途径阻断法 使用抗代谢物或酶的抑制剂使用抗代谢物或酶的抑制剂 碘乙酸抑制甘油醛-3-磷酸脱氢酶；丙二酸抑制琥珀酸脱氢酶。（4 4）突变体或遗传缺欠症研究法：）突变体或遗传缺欠症研究法：a)大肠杆菌利用乳糖基因突变-半乳糖苷酶缺失乳糖堆积b)遗传缺欠症（先天性基因突变）缺乏某种酶 前体物的积累 在血液或随尿排出 测定（如：苯丙酮尿症）88.1.2生物体内能量代谢的基本规律生物体内能量代谢的基本规律 能量代谢能量代谢-热力学第一定律热力学第一定律-热力学第二定律热力学第二定律-热力学第二定律和熵热力学第二定律和熵(entropy)能的两种形式能的两种形式热与功热与功 自由能自由能，总热能的变化，总热能的变化HH，总体熵的变化，总体熵的变化SS =H-TS=H-TS9物理意义：物理意义：*(体系中能对环境作功的能量体系中能对环境作功的能量)自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：G0 G0 G0，反应不能自发进行，反应不能自发进行 G=0 G=0，反应处于平衡状态。，反应处于平衡状态。自由能的概念对于研究生物化学过程的力能学具有很重要的意义，生物自由能的概念对于研究生物化学过程的力能学具有很重要的意义，生物体用于作功的能量正是体内化学反应释放的自由能，生物氧化释放的能量也体用于作功的能量正是体内化学反应释放的自由能，生物氧化释放的能量也正是为有机体利用的自由能。它不仅可以用来判断机体内某一过程能否自发正是为有机体利用的自由能。它不仅可以用来判断机体内某一过程能否自发进行，而且还可以利用自由能这个函数来计算反应的其它有用参数。进行，而且还可以利用自由能这个函数来计算反应的其它有用参数。10 R(R(气体常数气体常数)=8.315)=8.315 kJ/(mol.k),TkJ/(mol.k),T为热力学温度为热力学温度 GG 标准条件（标准条件（T=298K,T=298K,大气压为大气压为101325Pa,101325Pa,反应物和生成物浓度为反应物和生成物浓度为1mol/L,pH=7.01mol/L,pH=7.0）下，化学反应自由能的变化）下，化学反应自由能的变化,单位单位kJ/molkJ/mol。假设有一个化学反应式：假设有一个化学反应式：aA+bB=cC+dDaA+bB=cC+dD 恒温恒压下：恒温恒压下：G=G=GG+RTlnQc+RTlnQc 式中：式中：GG=-RTlnKeq=-=-RTlnKeq=-2.303-2.303RTlgKeqRTlgKeq11例例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化达平衡时达平衡时=Keq=19解：解：GG=-RTlnKeq=-RTlnKeq =-2.303 =-2.303 8.314 8.314 311 311 log19 log19=-7.6kJ.mol-1G=G+RTlnQc(G=G+RTlnQc(Qc-Qc-浓度商浓度商)=-7.6+2.303 =-7.6+2.303 8.314 8.314 311 311 log0.1 log0.1 =-13.6 =-13.6kJ.mol-1未达平衡时未达平衡时=Qc=0.1反应G-1-PG-6-P在380C达到平衡时，G-1-P占5%，G-6-P占95%，求GG。如果反应未达到平衡，设G-1-P=0.01mol/L，G-6-P=0.001mol/L，求反应的G是多少？例题：例题：128.1.3 8.1.3 高能化合物高能化合物（1 1）生物体中常见的高能磷酸化合物（）生物体中常见的高能磷酸化合物（303060kJ.mol-1）高能磷酸键，键能高能磷酸键，键能 生生化化反反应应中中，在在水水解解时时或或基基团团转转移移反反应应中中可可释释放放出出大大量量自自由由能的化合物称为能的化合物称为高能化合物高能化合物。1314ATP+H2OADP+PiG-30.5kJ/摩尔摩尔ADP+H2OAMP+PiG-33.1kJ/摩尔摩尔（2 2）ATPATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂是生物细胞内能量代谢的偶联剂 15ATPATP在能量转运中地位和作用在能量转运中地位和作用ATPATP是细胞内的是细胞内的“能量通货能量通货”ATPATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体是细胞内磷酸基团转移的中间载体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16从低等的单细胞生物到高等的人类，能量的释放、从低等的单细胞生物到高等的人类，能量的释放、贮存和利用都是以贮存和利用都是以ATPATP为中心的。为中心的。ATPATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂是生物细胞内能量代谢的偶联剂把分解代把分解代谢的放能反应与合成代谢的吸能反应偶联。谢的放能反应与合成代谢的吸能反应偶联。体内有些反应不一定都直接利用体内有些反应不一定都直接利用ATPATP供能：多供能：多糖合成（糖合成（UTPUTP），），磷脂合成（磷脂合成（CTPCTP）、）、蛋白质合成蛋白质合成（GTPGTP）但物质氧化释放的能量大都是必须先合成但物质氧化释放的能量大都是必须先合成ATPATP，然后由然后由ATPATP合成合成UTP/CTP/GTPUTP/CTP/GTP。ATPATP是能量的携带者或传递者，不是能量的贮存者。是能量的携带者或传递者，不是能量的贮存者。ATPATP是磷酸基团的传递者。是磷酸基团的传递者。17转化转化机械能（运动）机械能（运动）电能（生物电）电能（生物电）热能（体温维持）热能（体温维持）光能（生物发光）光能（生物发光）UTPUTP（合成多糖）（合成多糖）GTPGTP（合成蛋白质）（合成蛋白质）UTP GPTUTP GPTCTP ATPCTP ATP（合成（合成RNA)RNA)dCTP dGPTdCTP dGPTdTTP dATPdTTP dATP（合成（合成DNA)DNA)18ATPATP在能量代谢的偶联作用在能量代谢的偶联作用糖类分解糖类分解脂质分解脂质分解蛋白质分解蛋白质分解核苷酸分解核苷酸分解ADPATPl8.1.4 8.1.4 肌酸磷酸是高能磷酸键的贮存形式肌酸磷酸是高能磷酸键的贮存形式19l8.1.5 8.1.5 辅酶辅酶A A的递能作用的递能作用20 生生物物氧氧化化-有有机机物物在在生生物物体体内内氧氧的的作作用用下下，生生成成COCO2 2和水并释放能量的过程。和水并释放能量的过程。8.2 8.2 生物氧化生物氧化21在在pH pH 接接近近中中性性，体体温温条条件件下下，一一系系列列酶酶的的催催化化作作用用下下进行。进行。能能量量逐逐步步释释放放，以以 ATP ATP 捕捕获获能能量量，既既不不会会因因氧氧化化过过程程中中能能量量骤骤然然释释放放而而伤伤害害机机体体，又又能能使使释释放放的的能能量量尽尽可可得得到有效的利用。到有效的利用。以脱羧基的形式生成以脱羧基的形式生成COCO2 2。水水是是代代谢谢物物脱脱下下来来的的氢氢经经过过一一系系列列的的传传递递体体与与氧氧结结合合生成。生成。生物氧化有严格的细胞定位。生物氧化有严格的细胞定位。8.2.1 8.2.1 生物氧化的特点生物氧化的特点22（1 1）呼吸链的概念）呼吸链的概念 代谢物上的氢原子被脱氢代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的传递体，最后传递给被激活的氧分子，并与之结合生成水的氧分子，并与之结合生成水的全部体系称全部体系称呼吸链呼吸链，也称电子，也称电子传递链。传递链。8.2.2 8.2.2 呼吸链的组成及电子传递顺序呼吸链的组成及电子传递顺序23 NADH NADH 氧化呼吸链氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链（FADHFADH2 2 氧化呼吸链）氧化呼吸链）体内的两条主要的呼吸链：体内的两条主要的呼吸链：（2 2）呼吸链的中传递体的顺序）呼吸链的中传递体的顺序241.NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH复合体复合体Q复合体复合体Cytc复合体复合体O22.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸琥珀酸复合体复合体Q复合体复合体Cytc复合体复合体O225NADH氧化呼吸链氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链Cytc26（2 2）呼吸链的组成）呼吸链的组成四种具有传递电子功能的酶复合体四种具有传递电子功能的酶复合体(合成物合成物)*泛醌和泛醌和 Cyt c Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。均不包含在上述四种复合体中。复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-C CO OQ Q氧化还原酶氧化还原酶琥珀酸琥珀酸-辅基辅基FMN，Fe-S，Fe-S铁卟啉，铁卟啉，Fe-S铁卟啉，铁卟啉，Cu多肽链数多肽链数41113复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-琥珀酸琥珀酸-C CO OQ Q氧化还原酶氧化还原酶C CO OQ Q-Cytc氧化氧化还原酶还原酶辅基辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，铁卟啉，Fe-S铁卟啉，铁卟啉，Cu多肽链数多肽链数42413Cytc氧化氧化酶酶2728CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O 胞液侧胞液侧基质侧基质侧线粒体内膜线粒体内膜e-e-e-e-e-29线粒体呼吸链复合体FMN,Fe-S复合体复合体FAD,Fe-S,Cytb复合体复合体Cytb,Fe-S,Cytc1复合体复合体Cytaa3,Cu复合体复合体30递氢体递电子体递氢体递电子体烟酰胺烟酰胺（NAD+,NADP+）黄素蛋白黄素蛋白(flavoprotein)（FMN,FAD）铁硫蛋白（铁硫蛋白（Fe-S）泛醌泛醌(Ubiquinone)（CoQ）细胞色素类细胞色素类(Cytochrome)（Cyt）311 1、烟酰胺核苷酸类（、烟酰胺核苷酸类（NADNAD+,NADP,NADP+）递氢体递氢体322.2.黄黄素蛋白素蛋白(flavoprotein)flavoprotein)类（类（FMN,FADFMN,FAD）递氢体递氢体333.3.铁硫蛋白铁硫蛋白Fe2+Fe3+电子电子传递电子方式：传递电子方式：递电子体递电子体344.4.泛醌泛醌（CoQCoQ）递氢体递氢体355.5.细胞色素细胞色素(Cytochrome)Cytochrome)类类CytbCytb，CytcCytc1 1，Cytc,CytaaCytc,Cytaa3 3组成呼吸链的细胞色素组成呼吸链的细胞色素:Fe2+Fe3+电子电子递电子体递电子体3637细胞色素系统传递电子的过程细胞色素系统传递电子的过程2Fe2+2Fe3+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+1/2O2O2-H2O2H+2e2e2e2e2ebc1cCu2+aa3,38呼吸链中电子传递时自由能的下降呼吸链中电子传递时自由能的下降FADH22个个电电子子NADH（3）呼吸链中传递体的顺序39标准氧化还原电位40原电池示意图原电池示意图E0=E0正极正极-E0负极负极=+0.34V-(-0.76V)=+1.10V负极反应负极反应:Zn=Zn2+2eE0Zn2+/Zn=-0.76V正极反应正极反应:Cu=Cu2+2eE0Cu2+/Cu=+0.34V41从电子供体到电子受体的从电子供体到电子受体的4 4种电子转移方式种电子转移方式424344利用特异性呼吸链抑制剂研究传递体的顺序45电子传递体的体外重组实验确定传递体的顺序8.2.3 8.2.3 氧化磷酸化氧化磷酸化代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP（即即ADP+PiATP）,这种氧化放能和这种氧化放能和ATP生成生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化(生物体通过磷酸生物体通过磷酸化作用，将化合物在氧化过程中所释放的能量一部分转移化作用，将化合物在氧化过程中所释放的能量一部分转移到到ATP分子中形成高能磷酸键的过程分子中形成高能磷酸键的过程)。ADP+Pi ATP+H ATP+H2 2O O生物氧化过程中生物氧化过程中释放出的自由能释放出的自由能46（1）底物水平磷酸化）底物水平磷酸化有机物氧化过程中由于底物分子内部能量重新分布形有机物氧化过程中由于底物分子内部能量重新分布形成高能磷酸键，转给成高能磷酸键，转给ADP形成形成ATP。47呼吸链中电子传递时自由能的下降呼吸链中电子传递时自由能的下降（2）电子传递水平磷酸化电子传递水平磷酸化484950(3)(3)呼吸链与呼吸链与ATPATP生成量的关系生成量的关系（磷氧比：（磷氧比：P/O P/O）2,4-二硝基苯酚的解偶联作用二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜线粒体内膜内内外外51化学渗透假说原理示意图化学渗透假说原理示意图4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高高质质子子浓浓度度H2O2个个电电子子+_质子流质子流线粒体内膜线粒体内膜磷酸化磷酸化氧化氧化52例题：计算下反应式例题：计算下反应式GGNADH+HNADH+H+1/2O+1/2O2 2=NAD=NAD+H+H2 2O O正极反应：正极反应：1/2O1/2O2 2+2H+2H+2e+2e H H2 2O O E E+0.820.82负极反应：负极反应：NADNAD+H+H+2e+2e NADH NADH E E-0.3-0.3GG-nFE-nFE -2964850.82-(-0.32)-2964850.82-(-0.32)-220 KJ-220 KJmolmol-1-1 53（4 4）氧化磷酸化的机制）氧化磷酸化的机制 1 1、线粒体、线粒体ATPATP合酶合酶（mitochondrial ATPasemitochondrial ATPase）2 2、能量偶联假说、能量偶联假说 19531953年年 Edward Slater Edward Slater 化学偶联假说化学偶联假说 19641964年年 Paul Boyer Paul Boyer 构象偶联假说构象偶联假说 19611961年年 Peter Mitchell Peter Mitchell 化学渗透假说化学渗透假说19781978年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖54内膜内膜F F0 0F F1 1 ATPATP酶酶e e-ADP+PiADP+Pi底物底物H H+ATPATPH H+H H+H H+基质基质膜间隙膜间隙电子传递链电子传递链化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotichypothasis)电子传递的自由能驱电子传递的自由能驱动动H H+从线粒体基质跨过从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从内膜进入到膜间隙，从而形成而形成H H+跨线粒体内膜跨线粒体内膜的的电化学梯度电化学梯度，这个梯，这个梯度的电化学势度的电化学势(H H+)驱动驱动ATPATP的合成。的合成。55线粒体线粒体ATP合酶合酶氧化磷酸化重建示意图氧化磷酸化重建示意图56Boyer和和Walker的工作的工作英国科学家英国科学家Walker通过通过x光衍射获得高分辩率的牛心线光衍射获得高分辩率的牛心线粒体粒体ATP酶晶体的三维结构，酶晶体的三维结构，证明在证明在ATP酶合成酶合成ATP的催化的催化循环中三个循环中三个亚基的确有不同构象，亚基的确有不同构象，从而有力地支持了从而有力地支持了Boyer的假说。的假说。Boyer和和Walker共同获得共同获得1997年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。美国科学家美国科学家Boyer为解释为解释ATP酶作用机理酶作用机理,提出提出旋转催化旋转催化假说，认为假说，认为ATP合成酶合成酶亚基有三种不同的构象，一种构象亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于有利于ADP和和Pi结合，一种构象结合，一种构象(T)可使结合的可使结合的ADP和和Pi合成合成ATP，第三种构象第三种构象(O)使合成的使合成的ATP容易被释放出来。在容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个合成过程中，三个亚基依次进行上述三种构象的交替亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜变化，所需能量由跨膜H+提供。提供。5758ATPATP酶作用机理酶作用机理酶作用机理酶作用机理http:/ 2OO ATPATPADP+PiADP+PiProtenProtenFluxFlux有于有于有于有于 ADPADP与与与与 PiPi结合的构象结合的构象结合的构象结合的构象有于有于有于有于 ADPADP与与与与 PiPi生成的构象生成的构象生成的构象生成的构象有利于有利于有利于有利于 ATPATP释放释放释放释放的构象的构象的构象的构象59（1）-磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统1.5ATP2H-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭1.5ATP神经组织和骨骼肌神经组织和骨骼肌8.2.4 8.2.4 胞液中胞液中NADHNADH的跨膜运转的跨膜运转60（2）苹果酸天冬氨酸穿梭系统2.5ATP2H苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭2.5ATP肝和心肌肝和心肌6162写在最后写在最后成功的基础在于好的学习习惯成功的基础在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits谢谢聆听 学习就是为了达到一定目的而努力去干,是为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard,Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
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