2024/8/51第八章第八章 代谢作用概论代谢作用概论 主主要要内内容容：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、电电子子传传递递机机理理和和氧氧化磷酸化机理。化磷酸化机理。2024/8/52 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2024/8/53新陈代谢的概念及内涵新陈代谢的概念及内涵 小分子小分子 大分子大分子合成代谢合成代谢（同化作用）（同化作用） 需要能量需要能量 释放能量释放能量分解代谢分解代谢（异化作用）（异化作用） 大分子大分子 小分子小分子物物质质代代谢谢能能量量代代谢谢新新陈陈代代谢谢信信息息交交换换2024/8/54生生物物界界能能量量传传递递及及转转化化总总过过程程太太 阳阳电子传递电子传递合成合成分解分解电子传递电子传递光光合合作作用用呼呼吸吸作作用用生生命命现现象象自自养养细细胞胞异异养养细细胞胞ATPADP(CH2O)+O2(CO2)+H2OATPADP（光光 能）能）（电电 能）能）（化化 学学 能）能）（化化 学学 能）能）（电电 能）能）（化化 学学 能）能）生物合成生物合成机机 械械 功功主动运输主动运输生物发光生物发光生物发电生物发电生物发热生物发热2024/8/55脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它单糖其它单糖三羧酸三羧酸循环循环电子传递电子传递（氧化）（氧化）蛋白质蛋白质脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAe-磷酸化磷酸化+Pi 小分子化合物小分子化合物分解成共同的分解成共同的中间产物（如中间产物（如丙酮酸、乙酰丙酮酸、乙酰CoA等）等） 共同中间物进共同中间物进入三羧酸循环入三羧酸循环,氧化脱下的氢由氧化脱下的氢由电子传递链传递电子传递链传递生成生成H2O，释放释放出大量能量，其出大量能量，其中一部分通过磷中一部分通过磷酸化储存在酸化储存在ATP中。中。大分子降解大分子降解成基本结构成基本结构单位单位第一节 代谢的一般过程一、分解代谢与一、分解代谢与合成代谢合成代谢2024/8/561、酶抑制剂的应用、酶抑制剂的应用2、利用遗传缺陷症研究代谢途径、利用遗传缺陷症研究代谢途径3、气体测量法、气体测量法4、同位素示踪法、同位素示踪法二、中间代谢二、中间代谢2024/8/57三、微生物代谢与发酵工程（略）2024/8/58一、生物氧化的本质与特点（ P302 ） 在在活活的的细细胞胞中中（ pH pH 接接近近中中性性，体体温温条条件件下下），有有机机物物的的氧氧化化在在一一系系列列酶酶, ,辅辅酶酶和和中中间间传传递递体体参参与与下下进进行行，其其途途径径迂迂回回曲曲折折，有有条条不不紊紊, ,氧氧化化过过程程中中能能量量逐逐步步释释放放，其其中中一一部部分分由由一一些些高高能能化化合合物物（如如 ATP ATP ）截截获获，再再供供给给机机体体所所需需. .在在此此过过程程中中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尽可得到有效的利用。量尽可得到有效的利用。第二节 生物氧化2024/8/59 在无氧条件下，兼性生物或厌气生物能利用细在无氧条件下，兼性生物或厌气生物能利用细胞中的氧化型物质作为电子受体，将燃料分子氧胞中的氧化型物质作为电子受体，将燃料分子氧化分解，这称为化分解，这称为无氧氧化无氧氧化。这些生物有的以有机。这些生物有的以有机物分子作为最终的氢受体物分子作为最终的氢受体( (如厌氧发酵如厌氧发酵) )，有的则，有的则以无机物分子作为氢受体以无机物分子作为氢受体( (如微生物中的化能自养如微生物中的化能自养菌对菌对NONO3-3-、SOSO4 42-2-的利用的利用) )。1. 1. 无氧氧化无氧氧化二、有氧氧化和无氧氧化二、有氧氧化和无氧氧化（ P303 ）2024/8/510 2. 2. 有氧氧化有氧氧化 生物氧化在有氧和无氧条件下都能进行。在有生物氧化在有氧和无氧条件下都能进行。在有氧条件下，好气生物或兼性生物吸收空气中的氧作氧条件下，好气生物或兼性生物吸收空气中的氧作为为电子受体电子受体，可将燃料分子完全氧化分解，这称为，可将燃料分子完全氧化分解，这称为有氧氧化有氧氧化。因为有氧氧化燃烧完全，产能多，所以，。因为有氧氧化燃烧完全，产能多，所以，只要有氧气存在，细胞都优先进行有氧氧化。只要有氧气存在，细胞都优先进行有氧氧化。2024/8/511三、生物氧化与生物能三、生物氧化与生物能（一）氧化还原电势（一）氧化还原电势2024/8/512 原电池示意图原电池示意图 E0=E0正极正极- E0 负极负极=+0.34 V-(-0.76 V)=+1.10 V负极反应负极反应: Zn=Zn2+2 e E0 Zn2+/Zn= - 0.76 V正极反应正极反应: Cu=Cu2+2 e E0 Cu2+/Cu=+0.34 V2024/8/5132024/8/5141 、标准氧化还原电势2024/8/5152024/8/516Nernst(Nernst(能斯特能斯特) )方程方程则非标准状态下的可通过能斯特方程进行计算：R为气体常数，其值为8.314JK-1mol-1，F为法拉第常数，其值为96.485kJ/(V.mol)，T为热力学温度，当T=298K时2、非标准状态下的氧化还原电势（、非标准状态下的氧化还原电势（ P305 ）EE0电子受体电子供体EE0电子受体电子供体0.032024/8/517（二）自由能的变化（二）自由能的变化（ P306 P306 ）氧化氧化- 还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下： G=nFE例题：计算下反应式例题：计算下反应式 G G （ P306 P306 ） G = - nFE=-296.4850.123 =- 23.74kJ/mol2024/8/518（三）高能键和高能化合物（三）高能键和高能化合物 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能（21 21 千千焦焦/ /摩摩尔尔）的的化化合合物称为高能化合物。物称为高能化合物。2024/8/5191 、高能键和高能化合物的概念2024/8/5202 2、ATP ATP 在能量代谢中的作用在能量代谢中的作用 在在 pH=7 pH=7 环环境境中中， ATP ATP 分分子子中中的的三三个个磷磷酸酸基基团团完完全全解解离离成成带带 4 4 个个负负电电荷荷的的离离子子形形式式（ ATPATP4 4- -），具具有有较较大大势势能能，加加之之水水解解产产物物稳稳定定，因因而而水水解解自自由由能能很大（很大（ G =-30.5 G =-30.5 千焦千焦/ / 摩尔）。摩尔）。腺嘌呤腺嘌呤核糖核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O- + + +Mg2+2024/8/521ATP+H2O ADP+ PiG -30.5 kJ/摩尔摩尔ADP+H2O AMP+ Pi G -33. 1 kJ/摩尔摩尔2024/8/522ATP ATP 在能量转运中地位和作用在能量转运中地位和作用 ATP 是细胞内的是细胞内的 能量通货能量通货 ATP 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2024/8/523代谢物代谢物分分解解氧氧化化CO2 H2O能能热能（散发）热能（散发）化学能化学能（储能）（储能）ATPADP PiCCP+能能机械能（肌肉收缩）机械能（肌肉收缩）化学能（合成代谢）化学能（合成代谢）渗透能（吸收分泌）渗透能（吸收分泌）电能（神经传导生物电）电能（神经传导生物电）热能（维持体温）等热能（维持体温）等ATP 的生成和利用2024/8/524四、生物氧化酶类1 、不需氧脱氢酶（表、不需氧脱氢酶（表 8-3 ）2024/8/5252 2 、需氧脱氢酶和氧化酶、需氧脱氢酶和氧化酶2024/8/526第三节 生物氧化体系一、生物氧化体系的类型一、生物氧化体系的类型不需传递体的生物氧化体系不需传递体的生物氧化体系需传递的生物氧化体系需传递的生物氧化体系2024/8/527 1、不需传递体体系是最简单的生物氧化体系。从底物脱下来的氢不需传递，是最简单的生物氧化体系。从底物脱下来的氢不需传递，直接在酶作用下与分子氧结合。这种酶可分为直接在酶作用下与分子氧结合。这种酶可分为 2024/8/528( (见见P310)P310)氧化酶类它是含它是含CuCu+或或FeFe+的金属蛋白，不能从底物上脱氢，只能的金属蛋白，不能从底物上脱氢，只能夺取底物上的电子对夺取底物上的电子对(2(2e)e)，用于激活分子氧用于激活分子氧(O(O2 2) )，从而促进从而促进氧与底物的化合。氰化物、硫化氢对氧化酶有抑制作用。氧与底物的化合。氰化物、硫化氢对氧化酶有抑制作用。(1) 氧化酶类催化的反应模式氧化酶类催化的反应模式 2024/8/529(2) (2) 需氧脱氢酶类催化的反应模式需氧脱氢酶类催化的反应模式2024/8/530（一）呼吸链的概念（一）呼吸链的概念（ P311 ）二、呼吸链 线粒体内膜上一线粒体内膜上一组排列有序的递氢体组排列有序的递氢体和递电子体（酶与辅和递电子体（酶与辅酶）构成的功能单位，酶）构成的功能单位，也称电子传递链。也称电子传递链。2024/8/531（二）呼吸链的组成（二）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 CytCyt c 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- 泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸- 泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌- 细胞色素细胞色素C 还原酶还原酶细胞色素细胞色素c 氧化酶氧化酶辅基辅基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- 泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸- 泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌- 细胞色素细胞色素C 还原酶还原酶细胞色素细胞色素c 氧化酶氧化酶辅基辅基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424132024/8/532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2024/8/533CytcQNADH+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-2024/8/534呼吸链主要成分和作用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 ）2024/8/535烟酰胺核苷酸类（烟酰胺核苷酸类（ NAD+,NADP+）递氢体递氢体2024/8/536黄素蛋白 (flavoprotein) 类（ FMN,FAD）递氢体递氢体2024/8/537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2024/8/538泛醌（ CoQ ）(Ubiquinone)递氢体递氢体2024/8/539细胞色素 (Cytochrome) 类CytbCytb ， Cytc1 Cytc1 ， Cytc,Cytaa3 Cytc,Cytaa3组成呼吸链的细胞色素组成呼吸链的细胞色素:细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶Fe2+Fe3+ 电子电子递电子体递电子体2024/8/540NNNNFe3+H3C-CH3-CH-CH3CH3CH2CH2COO-CH2CH2COO-H3C- Cys SH3C-CH Cys S蛋蛋 白白 质质细胞色素 c辅基2024/8/541细胞色素系统传递电子的过程2 Fe2+2 Fe3+2 Fe3+2 Fe2+2 Fe3+2 Fe2+2 Fe3+2 Fe2+1/2 O2O2- H2O2 H+2 e2 e2 e2 e2 e b c1 cCu2+aa3,2024/8/542（三）呼吸链主要成分的排列顺序 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）体内的两条呼吸链：（体内的两条呼吸链：（ P315 ）2024/8/5431. 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 Cyt c 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 Cyt c 复合体复合体 O22024/8/544NADH 氧化呼吸链氧化呼吸链FADH2 氧化呼吸链氧化呼吸链2024/8/545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NADH2024/8/546三、 细胞质中的 NADH 的氧化胞液中生成的胞液中生成的 NADH NADH 不能自由通透线粒体内膜，不能自由通透线粒体内膜，必须经过转运机制进入线粒体必须经过转运机制进入线粒体1 1 、磷酸二羟丙酮、磷酸二羟丙酮- -磷酸甘油穿梭系统（神经组磷酸甘油穿梭系统（神经组织和骨骼肌）织和骨骼肌）2 2 、苹果酸、苹果酸- -天冬氨酸穿梭作用（肝和心肌）天冬氨酸穿梭作用（肝和心肌） 酵解酵解（细胞质）（细胞质）氧化磷酸化氧化磷酸化 （线粒体）（线粒体）2024/8/547磷酸二羟丙酮-磷酸甘油穿梭机制示意图1.5ATP2 H-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭1.5 ATP神经组织和骨骼肌神经组织和骨骼肌2024/8/548苹果酸天冬氨酸穿梭系统2.5ATP2 H苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭2.5 ATP肝和心肌肝和心肌2024/8/549第四节第四节 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+Pi ATP ）,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 P320) 。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2024/8/550一、ATP 的生成类别：底物水平磷酸化类别：底物水平磷酸化 电子传递水平磷酸化电子传递水平磷酸化2024/8/551二、电子传递过程中自由能的变化二、电子传递过程中自由能的变化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2024/8/5522024/8/553三、氧化磷酸化的偶联机理三、氧化磷酸化的偶联机理 1 1、线粒体、线粒体ATPATP合酶合酶（mitochondrial mitochondrial ATPaseATPase）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3 3、质子梯度质子梯度的形成的形成4 4、ATPATP合成的机制合成的机制19781978年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖2024/8/5541、线粒体、线粒体 ATP 合酶（合酶（ P324 ）氧化磷酸化重建示意图氧化磷酸化重建示意图2024/8/555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2, 2,化学渗透假说化学渗透假说 ( (chemiosmoticchemiosmotic hypothasishypothasis) ) 电子传递的自由能电子传递的自由能驱动驱动H H+ +从线粒体基质从线粒体基质跨过内膜进入到膜间跨过内膜进入到膜间隙，从而形成隙，从而形成H H+ +跨线跨线粒体内膜的电化学梯粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化度，这个梯度的电化学势学势( ( H H+ + ) )驱动驱动ATPATP的合成。的合成。2024/8/556化学渗透假说原理示意图化学渗透假说原理示意图4 H+2 H+2 H+4 H+NADH+H+2 H+2 H+2 H+ 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2024/8/557BoyerBoyer和和WalkerWalker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假说，认为，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。2024/8/5582024/8/559ATP ATP ATP ATP 酶作用机理酶作用机理酶作用机理酶作用机理ADP+PiADP+PiProtenProten FluxFluxHH+ +ATP ATP + +HH2 2OO ATPATPADP+PiADP+PiProtenProten FluxFlux有于有于有于有于 ADP ADP 与与与与 Pi Pi 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 ADP ADP 与与与与 Pi Pi 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 ATP ATP 释放释放释放释放的构象的构象的构象的构象2024/8/560五、磷氧比（五、磷氧比（ P/O P/O ）2024/8/561六、氧化磷酸化作用的抑制和解偶联2024/8/5622,4-二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线线粒粒体体内内膜膜内内外外2024/8/563葡萄糖完全氧化产生的葡萄糖完全氧化产生的 ATPATP酵解阶段：酵解阶段： 2 ATP 2 1 NADH兑换率兑换率 1:2.5 (或或1.5)2 ATP2 (1.5或或2.5 ATP )三羧酸循环：三羧酸循环：2 1 GTP 2 3 NADH 2 1 FADH22 1 ATP2 7.5 ATP2 1.5 ATP兑换率兑换率 1:2.5兑换率兑换率 1:1.5丙酮酸氧化：丙酮酸氧化：2 1NADH兑换率兑换率 1：2.52 2.5 ATP总计：总计： 30 ATP 或或 32 ATP2024/8/564思考题思考题3（1）、）、 （5）名词解释名词解释生物氧化氧化磷酸化底物水平磷酸化呼吸链生物氧化氧化磷酸化底物水平磷酸化呼吸链 磷氧比（磷氧比（ P/0 ）