第八章新陈代谢总论

和生物氧化

1 新陈代谢总论2 生物氧化

8.1 新陈代谢总论8.1.1 新陈代谢的研究方法（ 1 ）活体内与活体外实验

活体内实验“ in vivo”：

以生物整体、整体器官或微生物细胞群为对象进行的代谢研究称为活体内实验；

活体外实验：“ 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活体外实验。

（ 2 ）同位素示踪法： 用35S 、 32P 、 14C 、 3H标记代谢物后，跟踪代谢物在某一生物体的去向，了解该代谢物在该生物体内的代谢情况。 （ 3 ）代谢途径阻断法：

应用抗代谢物或酶的抑制剂，阻断中间代谢的某一环节，了解反应被抑制的结果，以推测代谢情况。

8.1.2 生物体内能量代谢的基本规律

• 热力学第一定律：即能量守恒定律，指能量既不能创造也不能消失，只能从一种形式转变为另一种形式。

• 热力学第二定律：任何一种物理或化学变化的过程都自发的趋向于增加体系和环境的总熵。

• 熵：混乱度或无序性，是一种无用能。

8.1.3 高能化合物与 ATP 的作用

高能化合物：在生化反应中，某些化合物随水解反应或基团转移反应可放出大量自由能，称之。（水解时能够释放 20.9 kJ /mol ）

高能键：在高能化合物分子中，水解时放出大量自由能的键称之。

高能磷酸化合物：含自由能高的磷酸化合物。

（ 1 ）高能磷酸化合物的类型

磷氧键型 氮磷键型 硫酯键型 甲硫键型

磷氧键型

• （－ O ～ P ） 属于这种键型的化合物：

（ 1 ）焦磷酸化合物

（ 2 ）烯醇式磷酸化合物

（ 3 ）酰基磷酸化合物

（ 1 ）焦磷酸化合物

（ 2 ）烯醇式磷酸化合物

（ 3 ）酰基磷酸化合物

氮磷键型 胍基磷酸化物属于此类。

硫酯键型

甲硫键型

（ 2 ） ATP 是能量代谢的偶联剂

ATP AMP + PPi

• 合成反应不一定都直接利用 ATP 供能，而可以用其他三磷酸核苷。如 UTP 用于多糖合成、 CTP 用于磷脂合成、 GTP

用于蛋白质合成等。但物质氧化时释放的能量通常是必须先合成 ATP ，然后 ATP 可使 UDP 、 CDP 或 GDP 生成相应的 UTP 、 CTP 或 GTP ，而 ATP 又转化为 ADP 。

• 在蛋白质、核酸和脂肪酸的生物合成中，许多反应是使ATP 转化生成 AMP ：

ATP AMP + PPi

• ATP 、 AMP 及 ADP 可以互相转变，腺苷酸激酶催化此反应：

ATP + AMP ADP + ADP

糖类

脂质

蛋白质

核苷酸

ATP

ADP

机械能

电能

热能

光能

UTP—— 多糖合成

GTP—— 蛋白质合成

RNA

DNA

8.1.4 肌酸磷酸是高能磷酸键的贮存形式

肌酸激酶

8.1.5 辅酶 A 的递能作用

8.2.1 生物氧化的概念、方式、特点

8.2.2 呼吸链的组成及电子传递顺序

8.2.3 氧化磷酸化作用

8.2.4 胞液中 NADH 的跨膜运转

8.2 生物氧化

8.2.1 生物氧化的概念、方式、特点

1 、概念 有机物在生物体内氧的作用下，生成 CO2和 H2O ，并释放能量的过程。（高等动物通过肺部进行呼吸，吸入 O2 ，排出 CO2 ，故生物氧化又称组织呼吸、细胞呼吸。）

2 、方式： 脱氢、脱电子、加氧

加氧反应

物质分子中直接加入氧分子或氧原子，该物质即被氧化。

脱氢反应

从作用物分子中脱下一对质子和一对电子。

加水脱氢反应

向作用物分子中加入水分子，同时脱去两个质子和两电

子，其结果是底物分子中加入一个来自水分子的氧原子

脱电子（ e ）反应

从作用物分子中脱下一个电子。

• 代谢物在体内的氧化可以分为 3 个阶段：

– 糖、脂肪、蛋白质经分解代谢生成乙酰 CoA 的乙酰基

– 乙酰辅酶 A 进入三羧酸循环，脱氢，生成 CO2 并使 NAD

和 FAD 还原成 NADH 、 FADH2 。

– NADH 和 FADH2 中的氢经呼吸链将电子传递给氧生成水，

氧化过程中释放出来的能量用于 ATP 合成。

3 、生物氧化的特点

• 在活细胞内、体温、常压、近中性 pH 及水介质中进行，须

一系列酶、辅酶和中间传递体的作用；

• 反应逐步进行，能量逐步释放，以 ATP 的形式捕获。

• CO2 的生成是有机酸的脱羧生成的。

• 水的生成是代谢物脱下的氢经一系列传递体与氧结合而成。

• 有严格的细胞定位。（线粒体、细胞膜）

8.2.2 呼吸链的组成及电子传递顺序

1 、呼吸链的概念： 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，传给被激活的氧生成水的连锁反应体系。又称电子传递链或电子传递体系。

2 、组成： NADH 脱氢酶复合物（Ⅰ），琥珀酸 -辅酶 Q 复合物（Ⅱ）细胞色素 bc1 （Ⅲ）复合物，细胞色素氧化酶（Ⅳ）。

呼吸链主要由下列 5 类电子传递体组成：(1) 烟酰胺脱氢酶类（递氢体）(2) 黄素脱氢酶类（递氢体）(3) 铁硫蛋白类（递电子体）(4) 辅酶 Q （又称泛醌） （递氢体）(5) 细胞色素类（递电子体）

(1) 烟酰胺脱氢酶类（递氢体）

以 NAD+ 和 NADP+ 为辅酶，有 200

多种。 (NADP+)

+2H==NADH(NADPH)+H+

(2) 黄素脱氢酶类（递氢体）

以 FMN 或 FAD 作为辅基，

FMN(FAD)+2H== FMNH2 (FADH2)

递氢机制： FMN 或 FAD 的异咯嗪环上第 1 及第10 位 2 个氮原子反复地进行加氢和脱氢反应，其反应表示如下：

SH2 + E-FMN====S + E-FMNH2

SH2 + E-FAD===S + E-FADH2

(3) 铁硫蛋白类（递电子体）

(4) 辅酶 Q （又称泛醌） （递氢体）脂溶性，其苯醌结构可加氢和脱氢。

5 、细胞色素类 ( 单电子传递体）

细胞色素种类：

线粒体中有： cytb 、 cytc1 、 cytc 、 cyta 、cyta3 。 Cytaa3 又叫细胞色素氧化酶。

典型的呼吸链中，细胞色素的顺序是：

cytb→cytc1 → cytc → cyta → cyta3

3 、呼吸链中传递体的顺序：

呼吸链种类：NADH 呼吸链

FADH2 呼吸链

氧化还原电位较高的体系，氧化（得电子）能力较强；较低的体系，还原（失电子）能力较强。 电子总是从对电子亲和力小的低氧化还原电位流向高电位。氧化还原电位数值越低，失电子倾向越大，越易成为还原剂，处在呼吸链的前面。

电位值与电子传递链组分排列顺序不完全一致

多数经 NADH 呼吸链，琥珀酸、 α-磷酸甘油、脂肪酰 CoA 经 FADH2 进行

8.2.3 氧化磷酸化

概念： 伴随放能的氧化作用而进行的磷酸化作用。

氧化磷酸化主要方式： ⑴底物水平磷酸化 ; ⑵ 氧化磷酸化( 电子传递链磷酸化 );

概念：代谢物由于脱氢或脱水，引起分子内部能量的聚集或重排，所形成的高能键直接使 ADP 磷酸化生成 ATP 的过程即底物水平磷酸化。

X ～ P + ADP XH + ATP

（是发酵作用中取得能量的唯一方式。与氧的存在与否无关，氢和电子不经电子传递链。）

（ 1 ）底物水平磷酸化

概念：电子由NADH 或 FADH2

经电子传递呼吸链传递给氧，最终形成水的过程中伴有ADP 磷酸化为ATP 的过程。是机体产生 ATP 的主要形式。

（ 2 ）电子传递体系磷酸化：

NADH 呼吸链中氧化与磷酸化相偶联的部位：部位Ⅰ— NADH 和 CoQ 之间；部位Ⅱ— CoQ 和细胞色素 c 之间；部位Ⅳ—细胞色素 c 和氧之间。

P/O 与 ATP 形成量的关系：

P/O比值是指每消耗 1mol 氧原子所消耗无机磷酸的摩尔数。

NADH 呼吸链应形成2.5molATP ， FADH2 呼吸链应形成 1.5molATP 。

三个学说，即化学偶联学说、构象变化学说、化学渗透学说。

化学渗透学说于 1961 年提出，得到较多支持：呼吸链存在于线粒体内膜之上。当氧化进行时，呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜的外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的质子电化学梯度（即质子浓度梯度和电位梯度，合称为质子移动力），这种跨膜梯度具有的势能被膜上 ATP合成酶所利用，使 ADP 与 Pi 合成 ATP 。

（ 4 ）氧化磷酸化的机制

化学渗透学说

线粒体偶联因子

（ 5 ）氧化磷酸化的抑制剂

1. 呼吸链阻断剂：鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素、氰化物、叠氮化物、 CO 、 H2S 、抗霉素 A 等

2. 解偶联剂： 2.4- 二硝基苯酚、阿司匹林

3.离子载体类抑制剂：颉氨霉素

4. 质子通道阻断剂。

8.2.4 胞液中 NADH 的跨膜运转

动物细胞内有两个穿梭系统：1 、甘油 -α-磷酸穿梭系统 2 、苹果酸穿梭系统

1 、 甘油 -α- 磷酸穿梭系统

2.6.2 苹果酸穿梭系统