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1、关于新存代谢与生物氧化第一页，讲稿共九十八页哦n第一节第一节 概述概述n定义：是活细胞进行的化学反应总称。定义：是活细胞进行的化学反应总称。n生物与环境进行物质和能量交换的过程，包括合成生物与环境进行物质和能量交换的过程，包括合成和分解代谢。和分解代谢。n特点：特点：n合成与分解反应同时进行合成与分解反应同时进行n生物不断从环境摄取物质，转变为自己的组分；同生物不断从环境摄取物质，转变为自己的组分；同时，将组分或废物分解并排出，不断自我更新。时，将组分或废物分解并排出，不断自我更新。第二页，讲稿共九十八页哦n内容内容n包含物质和能量代谢包含物质和能量代谢;即合成和分解两方面即合成和分解两方面
2、n将外界摄取的低能量或简单的化合物，转化成高能量或复杂细胞组将外界摄取的低能量或简单的化合物，转化成高能量或复杂细胞组分的过程叫合成代谢；是吸能反应。分的过程叫合成代谢；是吸能反应。n将高能量、复杂的生物物质转化成低能量、简单物质的过程叫分解将高能量、复杂的生物物质转化成低能量、简单物质的过程叫分解代谢；是放能反应。代谢；是放能反应。n代谢间的关系代谢间的关系n合成代谢中包含有分解反应；分解代谢中也包含有合成反应，合成代谢中包含有分解反应；分解代谢中也包含有合成反应，能量代谢也是如此。能量代谢也是如此。n两者相互联系、相互依存、相互制约。两者相互联系、相互依存、相互制约。第三页，讲稿共九十八页
3、哦n例如，嘌呤碱基是由例如，嘌呤碱基是由COCO2 2，AspAsp、甲酸、甲酸、GlnGln、GlyGly为原料合成，其为原料合成，其中中nPRPP+ATP+Gln PRPP+ATP+Gln 磷酸核糖胺焦磷酸磷酸核糖胺焦磷酸 +P+Pi i+Glu+Glu。n分解产生的小分子物质及释放的能量，可作为合成反应的原料和分解产生的小分子物质及释放的能量，可作为合成反应的原料和能量。能量。生命的不同阶段及状态，代谢种类及形式有差异：生命的不同阶段及状态，代谢种类及形式有差异：n生命萌发、发育期间以合成代谢为主；生命萌发、发育期间以合成代谢为主；n成熟期间合成与分解基本平衡；成熟期间合成与分解基本平衡
4、；n衰老及消亡期间，分解为主。衰老及消亡期间，分解为主。第四页，讲稿共九十八页哦n新陈代谢受到严格调控新陈代谢受到严格调控n调控方法多种，严格又可变，使生命高度适应环境变化。调控方法多种，严格又可变，使生命高度适应环境变化。n生命就是在新陈代谢中存在和发展的。生命就是在新陈代谢中存在和发展的。n新陈代谢的过程新陈代谢的过程n分为营养物质消化吸收、中间代谢、废物排泄三个阶段。中间代谢分为营养物质消化吸收、中间代谢、废物排泄三个阶段。中间代谢就是指物质和能量在细胞中的合成与分解。就是指物质和能量在细胞中的合成与分解。n本章重点讨论中间代谢。本章重点讨论中间代谢。第五页，讲稿共九十八页哦n解释几个概
5、念（略）解释几个概念（略）n同化作用：同化作用：n指生命体从环境中摄取物质，经过系列化学反应转变为自身物质的指生命体从环境中摄取物质，经过系列化学反应转变为自身物质的过程。即从环境到体内，由小分子合成大分子的过程，吸能，实际过程。即从环境到体内，由小分子合成大分子的过程，吸能，实际上就是合成代谢。上就是合成代谢。n异化作用：异化作用：n指生物体内物质经过系列化学反应，最终变为排泄物的过程。指生物体内物质经过系列化学反应，最终变为排泄物的过程。该过程是从体内到环境，由大分子分解为小分子，该过程放热，该过程是从体内到环境，由大分子分解为小分子，该过程放热，实际上就是分解代谢。实际上就是分解代谢。第
6、六页，讲稿共九十八页哦n呼吸商：呼吸商：n物质在体内氧化分解要消耗氧，并放出物质在体内氧化分解要消耗氧，并放出COCO；将其吸收氧与放出将其吸收氧与放出COCO的的比值称为呼吸商（比值称为呼吸商（R.Q.R.Q.），），R.Q.=OR.Q.=O2 2/CO/CO2 2。n呼吸商可表征不同物质氧化分解的耗氧状况。呼吸商可表征不同物质氧化分解的耗氧状况。n各种营养物质各种营养物质C C、H H、O O比例不同，所以耗氧量不同。比例不同，所以耗氧量不同。n如糖类如糖类R.Q.=1R.Q.=1；脂肪；脂肪R.Q.=0.7R.Q.=0.7；蛋白质；蛋白质R.Q.=0.8R.Q.=0.8。n通过通过R.Q
7、.R.Q.的测定，可判断不同生理、病理情况下的能量消耗的测定，可判断不同生理、病理情况下的能量消耗状态。状态。第七页，讲稿共九十八页哦n卡价卡价(值）：值）：n在代谢研究中，常用卡价来衡量产能状况。在代谢研究中，常用卡价来衡量产能状况。n卡价是指单位重量营养物氧化产生的总能量。卡价是指单位重量营养物氧化产生的总能量。1Kcal=4.18kj1Kcal=4.18kj。实际测得；糖类为。实际测得；糖类为4.14.1；脂肪为；脂肪为9.49.4；蛋；蛋白质为白质为4.44.4。第八页，讲稿共九十八页哦n二、新陈代谢的研究方法二、新陈代谢的研究方法n活体内或活体外实验；活体内或活体外实验；n活体实验就
8、是利用活的生命体进行实验研究。即饲喂一段时间活体实验就是利用活的生命体进行实验研究。即饲喂一段时间后，杀死动物，取各组织分析物质种类或含量等。此法非常残后，杀死动物，取各组织分析物质种类或含量等。此法非常残忍，现在已不多用。忍，现在已不多用。保护生物多样性保护生物多样性国际公约国际公约。n国际上普遍承认世界卫生组织所定义的动物有五大自由：享有国际上普遍承认世界卫生组织所定义的动物有五大自由：享有不受饥渴的自由；享有生活舒适的自由；享有不受痛苦伤害和不受饥渴的自由；享有生活舒适的自由；享有不受痛苦伤害和疾病威胁的自由；享有生活无恐惧和悲伤感的自由；享有表达疾病威胁的自由；享有生活无恐惧和悲伤感的
9、自由；享有表达天性的自由。天性的自由。第九页，讲稿共九十八页哦n体外实验：指利用动物组织或切片或体外培养体外实验：指利用动物组织或切片或体外培养细胞进行实验以获取相关信息的方法。体外实细胞进行实验以获取相关信息的方法。体外实验条件易控制，可多次重复。但最终应在活体验条件易控制，可多次重复。但最终应在活体内进行验证。内进行验证。第十页，讲稿共九十八页哦第十一页，讲稿共九十八页哦n同位素示踪法同位素示踪法n同位素是指原子序数及化学性质相同，但中子数、质量且核物理性同位素是指原子序数及化学性质相同，但中子数、质量且核物理性质不同的原子。例如质不同的原子。例如1414C C，3535P P，3232S
10、 S等。放射性同位素放出特征射线，等。放射性同位素放出特征射线，用核探测器探测。利用同位素的该性质作为标记，制成标记化合物用核探测器探测。利用同位素的该性质作为标记，制成标记化合物（如标记食物，药物和代谢物质等），代替相应的非标记化合物。这（如标记食物，药物和代谢物质等），代替相应的非标记化合物。这样就可以用随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等。样就可以用随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等。n放射性同位素作为示踪剂具有灵敏度，测量简便易行，能准确放射性同位素作为示踪剂具有灵敏度，测量简便易行，能准确地定量，准确地定位及符合所研究对象的生理条件等特点。地定量，准确地定位及符合所
11、研究对象的生理条件等特点。第十二页，讲稿共九十八页哦第十三页，讲稿共九十八页哦n代谢途径阻断代谢途径阻断n利用营养缺陷型利用营养缺陷型n营养缺陷型菌株：野生型菌株经过人工诱变或者自然突变营养缺陷型菌株：野生型菌株经过人工诱变或者自然突变失去合成某种营养（氨基酸，维生素，核酸等）的能力，失去合成某种营养（氨基酸，维生素，核酸等）的能力，只有在只有在基本培养基基本培养基中补充所缺乏的营养因子才能生中补充所缺乏的营养因子才能生长，成为营养缺陷型。长，成为营养缺陷型。n药物阻断药物阻断第十四页，讲稿共九十八页哦第十五页，讲稿共九十八页哦第十六页，讲稿共九十八页哦n三、生物能量代谢的基本规律三、生物能量
12、代谢的基本规律n服从热力学定律服从热力学定律n注意生物体内标准自由能变化（标准状态指注意生物体内标准自由能变化（标准状态指0.1Mpa0.1Mpa、2525、pH=7,pH=7,以以G G 0 0表示）表示）,区别非生物体内的标准自由能变化区别非生物体内的标准自由能变化（G G。），。），G G。=-2.303RTlgK;=-2.303RTlgK;n关于自由能公式推导等，应化专业早学过，略。关于自由能公式推导等，应化专业早学过，略。n体系的体系的G G只取决于产物与反应物自由能的差值，而与反只取决于产物与反应物自由能的差值，而与反应历程无关。如葡萄糖在体内体外氧化成二氧化碳和水。应历程无关。如
13、葡萄糖在体内体外氧化成二氧化碳和水。第十七页，讲稿共九十八页哦n四、高能化合物与四、高能化合物与ATPATPn高能化合物：指在生化反应中，随水解反应或基高能化合物：指在生化反应中，随水解反应或基团转移放出大量自由能的化合物。团转移放出大量自由能的化合物。n在体内，高能化合物多以在体内，高能化合物多以高能磷酸化合物高能磷酸化合物的形式存的形式存在，把含有在，把含有5 5千卡千卡/mol/mol（G G -21 kj/mol-21 kj/mol)以上以上能量的磷酸化合物称为高能磷酸化合物。高能磷酸键能量的磷酸化合物称为高能磷酸化合物。高能磷酸键用用P P。第十八页，讲稿共九十八页哦主要的高能磷酸化
14、合物主要的高能磷酸化合物 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 -61.9-61.9 葡萄糖葡萄糖-1-1-磷酸磷酸 -20.91 1，3-3-二磷酸甘油酸磷二磷酸甘油酸磷 -49.3 果糖果糖-6-6-磷酸磷酸 -15.9磷酸肌酸磷酸肌酸 -43.1 葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸磷酸 -13.8乙酰磷酸乙酰磷酸 -42.3 甘油甘油-1-1-磷酸磷酸 -9.2磷酸精氨酸磷酸精氨酸 -32.2 ATP -30.5第十九页，讲稿共九十八页哦ATPATP在磷酸化合物中处于中间，它在细胞的酶促磷酸基团转移在磷酸化合物中处于中间，它在细胞的酶促磷酸基团转移中起中起“共同中间体共同中间体”的作用，的作用，AD
15、PADP可以接受表中它以上的化合物可以接受表中它以上的化合物的磷酸基团，形成的磷酸基团，形成ATP,ATPATP,ATP也可将磷酸基团转移给它以下的受体，也可将磷酸基团转移给它以下的受体，例如葡萄糖，形成磷酸化物。例如葡萄糖，形成磷酸化物。第二十页，讲稿共九十八页哦 磷氧键型（磷氧键型（OP)(1)(1)酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物第二十一页，讲稿共九十八页哦氨酰基腺苷酸或磷酸氨酰基腺苷酸或磷酸第二十二页，讲稿共九十八页哦（2 2）焦磷酸化合物）焦磷酸化合物第二十三页，讲稿共九十八页哦（3 3）烯醇式磷酸化合物）烯醇式磷酸化合物第二十四页，讲稿共九十八页哦氮磷键型氮磷键型磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精
16、氨酸磷酸精氨酸10.310.3千卡千卡/摩尔摩尔7.77.7千卡千卡/摩尔摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。第二十五页，讲稿共九十八页哦ATPATP只是能量的携带者或者传递者只是能量的携带者或者传递者,其在细胞内的含量只能其在细胞内的含量只能在比较短暂的时间内供给细胞需要；不是化学能量的储存在比较短暂的时间内供给细胞需要；不是化学能量的储存库。库。脊椎动物是以磷酸肌酸为储存能量的脊椎动物是以磷酸肌酸为储存能量的“磷酸库磷酸库”，当当ATPATP浓度高时，肌酸即通过酶的作用直接接受浓度高时，肌酸即通过酶的作用直接接受ATPATP的高的高能
17、磷酸基团形成磷酸肌酸。能磷酸基团形成磷酸肌酸。ATPATP浓度低时，磷酸肌酸将高能磷酸键转移给浓度低时，磷酸肌酸将高能磷酸键转移给ADPADP。第二十六页，讲稿共九十八页哦磷酸肌酸存在于骨骼肌、平滑肌、神经细胞等中，在磷酸肌酸存在于骨骼肌、平滑肌、神经细胞等中，在肝脏及其他组织中其含量却很少。磷酸肌酸贮能系统肝脏及其他组织中其含量却很少。磷酸肌酸贮能系统对于骨骼肌有特殊的意义，可以在几分钟内保证肌肉对于骨骼肌有特殊的意义，可以在几分钟内保证肌肉收缩所需的化学能。收缩所需的化学能。细菌缺少磷酸肌酸，尚不清楚其磷酸库。细菌缺少磷酸肌酸，尚不清楚其磷酸库。无脊椎动物则以磷酸精氨酸作为磷酸库。无脊椎动
18、物则以磷酸精氨酸作为磷酸库。第二十七页，讲稿共九十八页哦固定化磷酸肌酸激酶合成磷酸肌酸固定化磷酸肌酸激酶合成磷酸肌酸提高肌肉力量的高能化合物，提高肌肉力量的高能化合物，与蛋白合成激素结合使用可达到最与蛋白合成激素结合使用可达到最佳效果佳效果第二十八页，讲稿共九十八页哦硫酯键型硫酯键型酰基辅酶酰基辅酶A A腺苷腺苷-5-5-磷酸硫酸磷酸硫酸第二十九页，讲稿共九十八页哦 甲硫键型甲硫键型S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸第三十页，讲稿共九十八页哦第二节、生物氧化的方式和特点第二节、生物氧化的方式和特点n指有机物在体内或细胞内加氧或脱氢的过程。指有机物在体内或细胞内加氧或脱氢的过程。n生物氧化生物氧化
19、要吸收氧气，放出二氧化碳，与呼吸紧密相关，因此又要吸收氧气，放出二氧化碳，与呼吸紧密相关，因此又称呼吸作用或细胞呼吸。称呼吸作用或细胞呼吸。n一、生物氧化的方式一、生物氧化的方式n在在一一系系列列氧氧化化-还还原原酶酶催催化化下下分分步步进进行行，每每一一步步反反应应，都都由由特特定定的酶催化。的酶催化。n在生物氧化中，主要包括如下几种氧化方式。在生物氧化中，主要包括如下几种氧化方式。第三十一页，讲稿共九十八页哦1 1脱氢氧化脱氢氧化n（1 1）脱氢）脱氢n在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位；它是许多有机物在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位；它是许多有机物质氧化的重要步骤；催化脱氢反应的是各种
20、类型的脱氢酶。质氧化的重要步骤；催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。第三十二页，讲稿共九十八页哦A A 烷基脂肪酸脱氢烷基脂肪酸脱氢n琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢第三十三页，讲稿共九十八页哦B B 醛酮脱氢醛酮脱氢n乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶第三十四页，讲稿共九十八页哦（2 2）加水脱氢）加水脱氢n酶催化醛氧化成酸的反应即属于这一类。酶催化醛氧化成酸的反应即属于这一类。第三十五页，讲稿共九十八页哦2 2直接加氧直接加氧n包括：包括：加氧酶催化加氧反应和氧化酶催化生成水的反应。加氧酶催化加氧反应和氧化酶催化生成水的反应。n加氧酶加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如，。
21、例如，n 甲烷单加氧酶甲烷单加氧酶nCHCH4 4+NADH +O+NADH +O2 2 CH CH3 3-OH +NAD-OH +NAD+H +H2 2O On氧氧化化酶酶催催化化以以氧氧分分子子为为电电子子受受体体的的氧氧化化反反应应，反反应应产产物物为为水水。各各种种脱脱氢氢反反应应中中产产生生的的质质子子和和电电子子，最最后后都都是是以以这这种种形形式式进进行行氧氧化化的。的。第三十六页，讲稿共九十八页哦3 3生成二氧化碳生成二氧化碳n（1 1）直接脱羧）直接脱羧n羧酸在羧酸在脱羧脱羧酶酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如氨的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如氨基酸的脱羧。基酸的脱羧
22、。n（2 2）氧化脱羧）氧化脱羧n有机羧酸（主要是酮酸）在有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系氧化脱羧酶系的催化下，在的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧生成丙酮酸。氧化脱羧生成丙酮酸。第三十七页，讲稿共九十八页哦第三十八页，讲稿共九十八页哦二、生物氧化的特点二、生物氧化的特点n在细胞内进行，条件温和（水溶液，在细胞内进行，条件温和（水溶液，pHpH 7 7和常温）。和常温）。n水水是是许许多多生生物物氧氧化化反反应应的的氧氧供供体体，通通过过加加水水脱脱氢氢作作用用直直接接参予氧化反应。参予氧化反应。n生物氧化中
23、，碳的氧化和氢的氧化非同步进行。生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化非同步进行。n氧氧化化脱脱下下的的质质子子和和电电子子，通通常常由由各各种种载载体体，如如NADHNADH等等传传递递到到氧氧并并生成水。生成水。第三十九页，讲稿共九十八页哦n逐步释放能量逐步释放能量n生物氧化是分步进行的，每一步都由特殊的酶催化，产物都生物氧化是分步进行的，每一步都由特殊的酶催化，产物都可以分离出来。这种反应模式有利于在温和的条件下释放能可以分离出来。这种反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。量，提高能量利用率。n与与ATPATP相偶联相偶联n生物氧化释放的能量与生物氧化释放的能量与ATPATP合成
24、相偶联，转换成生物体能够直合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能接利用的生物能ATPATP。第四十页，讲稿共九十八页哦第三节、线粒体呼吸链和第三节、线粒体呼吸链和ATPATP合成合成n线粒体是生物氧化的主要场所，主要功能是将代谢物脱下线粒体是生物氧化的主要场所，主要功能是将代谢物脱下的氢，通过多种酶及辅酶组成的传递体系进行传递，并最的氢，通过多种酶及辅酶组成的传递体系进行传递，并最终与氧结合生成水。终与氧结合生成水。n由供氢体、递氢体、受氢体以及相应酶组成的这种代谢由供氢体、递氢体、受氢体以及相应酶组成的这种代谢途径称为生物氧化还原链，途径称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，称为呼吸链。
25、当受氢体是氧时，称为呼吸链。一、一、线粒体呼吸链的组成线粒体呼吸链的组成第四十一页，讲稿共九十八页哦第四十二页，讲稿共九十八页哦第四十三页，讲稿共九十八页哦线粒体呼吸链线粒体呼吸链第四十四页，讲稿共九十八页哦第四十五页，讲稿共九十八页哦 还原型辅酶还原型辅酶NADHNADHn是由是由NADNAD+接受代谢物脱氢形成的还原产物。接受代谢物脱氢形成的还原产物。NADHNADH所携带的高能电所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。第四十六页，讲稿共九十八页哦铁硫蛋白（铁硫蛋白（Fe-SFe-S）是一种与电子传递有关的蛋是一种与电子传递有关的蛋白质白质,含有非
26、血红素铁和含有非血红素铁和酸不稳定硫，铁与肽类酸不稳定硫，铁与肽类半胱氨酸的硫原子配位半胱氨酸的硫原子配位结合。它与结合。它与NADHNADH Q Q还原还原酶结合成复合物存在。酶结合成复合物存在。第四十七页，讲稿共九十八页哦铁硫蛋白铁硫蛋白l它的形式主要有它的形式主要有(2Fe-2S)(2Fe-2S)或或 (4Fe-4S)(4Fe-4S)。铁硫蛋白通过。铁硫蛋白通过FeFe3+3+Fe Fe2+2+变变化起传递电子的作用化起传递电子的作用第四十八页，讲稿共九十八页哦第四十九页，讲稿共九十八页哦 NADH NADH Q Q还原酶还原酶n简写为简写为NADHNADH Q Q还原酶还原酶,即复合物
27、即复合物I I，催化，催化NADHNADH的氧化脱氢以及的氧化脱氢以及Q Q的的还原。还原。n NADHNADH Q Q还原酶还原酶nNADH +Q +HNADH +Q +H+=NAD =NAD+QH +QH2 2n它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶，最少含有它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶，最少含有1616个亚基，其活性部个亚基，其活性部位含有辅基位含有辅基FMNFMN和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。nFMNFMN接受接受NADHNADH脱下来的电子和质子，形成还原型脱下来的电子和质子，形成还原型FMNHFMNH2 2。n还原型还原型FMNHFMNH2 2进一步将电子转移给进一步将电子转移给Q Q。n
28、 n 第五十页，讲稿共九十八页哦NADHNADH 泛醌还原酶泛醌还原酶第五十一页，讲稿共九十八页哦 泛醌泛醌n（简写为（简写为Q Q）或辅酶）或辅酶-Q-Q（CoQCoQ）：）：n是是电电子子传传递递链链中中唯唯一一的的非非蛋蛋白白电电子子载载体体。为为一一种种脂脂溶溶性性醌醌类类化化合物。合物。第五十二页，讲稿共九十八页哦辅酶辅酶-Q-Q的功能的功能nQ Q 接接受受电电子子和和质质子子，还还原原成成QHQH2 2；QHQH2 2也也容容易易给给出出电电子子和和质质子子，重重新新氧氧化化成成Q Q。因因此此，它它在在线线粒粒体体呼呼吸吸链链中中作作为为电电子子和和质质子子的的传传递递体。体。
29、第五十三页，讲稿共九十八页哦第五十四页，讲稿共九十八页哦 泛醌泛醌 细胞色素细胞色素c c还原酶还原酶n简简写写为为QHQH2 2-cytc-cytc还还原原酶酶,即即复复合合物物III,III,它它是是线线粒粒体体内内膜膜上上的的一一种种跨膜蛋白复合物，催化跨膜蛋白复合物，催化QHQH2 2的氧化和细胞色素的氧化和细胞色素c c（cytccytc）的还原。）的还原。n QHQH2 2-cytc-cytc 还原酶还原酶nQHQH2 2+2 cytC(Fe+2 cytC(Fe3+3+)=Q +2 cytc(Fe)=Q +2 cytc(Fe2+2+)+2H)+2H+n QHQH2 2-cytc-c
30、ytc还还原原酶酶由由9 9个个亚亚基基组组成成，活活性性部部位位主主要要包包括括细细胞胞色色素素b b 和和c c1 1，以及铁硫蛋白（，以及铁硫蛋白（2Fe-2S2Fe-2S）。）。第五十五页，讲稿共九十八页哦细胞色素细胞色素n（简简写写为为cyt cyt）是是含含铁铁的的电电子子传传递递体体，辅辅基基为为铁铁卟卟啉啉的的衍衍生生物物，铁铁原原子子处处于于卟卟啉啉环环的的中中心心，构构成成血血红红素素。各各种种细细胞胞色色素素的的辅辅基基结结构构略略有有不不同同。线线粒粒体体呼呼吸吸链链中中主主要要含含有有细细胞胞色色素素a,a,b,b,c c 和和c c1 1等等，细细胞胞色色素素a,a
31、,b,b,c c可可以以通通过过它它们们的的紫紫外外-可可见见吸吸收收光光谱谱来来鉴别。鉴别。n 通过通过FeFe3+3+Fe Fe2+2+互变起传递电子的作用。互变起传递电子的作用。第五十六页，讲稿共九十八页哦第五十七页，讲稿共九十八页哦 细胞色素细胞色素c c（CytcCytc）n它它是是电电子子传传递递链链中中一一个个独独立立的的蛋蛋白白质质电电子子载载体体，位位于于线线粒粒体体内内膜膜外外表表，易易溶溶于于水水。它它与与细细胞胞色色素素c c1 1含含有有相相同同的的辅辅基基，但但是蛋白组成有所不同。是蛋白组成有所不同。n在在电电子子传传递递过过程程中中，CytcCytc通通过过FeF
32、e3+3+FeFe2+2+的的互互变变起起电电子子传递中间体作用。传递中间体作用。第五十八页，讲稿共九十八页哦第五十九页，讲稿共九十八页哦 细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶n简写为简写为Cytc Cytc 氧化酶，即复合物氧化酶，即复合物IVIV，它是位于线，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由1212个亚基组成。个亚基组成。活性部分主要包括活性部分主要包括CytaCyta和和a a3 3。第六十页，讲稿共九十八页哦第六十一页，讲稿共九十八页哦nCytaCyta和和a a3 3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜离子，
33、还含有铜离子，Cyta aCyta a3 3可以直接以可以直接以O O2 2为电子受体。为电子受体。n在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生CuCu+Cu Cu2+2+的互变，将的互变，将CytcCytc所携带的电子传递给所携带的电子传递给O O2 2。第六十二页，讲稿共九十八页哦第六十三页，讲稿共九十八页哦细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶第六十四页，讲稿共九十八页哦琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶还原酶n琥琥珀珀酸酸是是生生物物代代谢谢过过程程（三三羧羧酸酸循循环环）中中产产生生的的中中间间产产物物，它它在在琥琥珀珀酸酸-Q-Q还还原原酶酶（复复合合物物
34、IIII）催催化化下下，将将两两个个高高能能电电子子传传递递给给Q Q。再再通通过过QHQH2 2-CytcCytc还原酶和还原酶和CytcCytc氧化酶将电子传递到氧化酶将电子传递到O O2 2。第六十五页，讲稿共九十八页哦n琥琥珀珀酸酸-Q-Q还还原原酶酶也也是是复复合合物物，存存在在于于线线粒粒体体内内膜膜上上,由由4 4个个不不同同的的亚亚基基组组成成。其其活活性性部部位含有辅基位含有辅基FADFAD和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。n琥琥珀珀酸酸-Q-Q还还原原酶酶的的作作用用是是催催化化琥琥珀珀酸酸的的脱脱氢氢氧化和氧化和Q Q的还原。的还原。第六十六页，讲稿共九十八页哦第六十七页，讲稿共九
35、十八页哦二、氧化二、氧化-还原电势与自由能的变化还原电势与自由能的变化n在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个化合物（还原剂）失去电子，必然伴的。一个化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物随另一个化合物(氧化剂）接受电子。在线粒体呼氧化剂）接受电子。在线粒体呼吸链中，吸链中，推动电子从推动电子从NADHNADH传递到传递到O O2 2的力量，是的力量，是NADNAD+/NADH+H/NADH+H+和和1/2 O1/2 O2 2/H/H2 2O O两个半反应之间存在两个半反应之间存在的巨大电势差。的巨大电势差。第六十八页，讲稿共九十八页哦
36、l(a)O(a)O2 2+2 H+2 H+2 e+2 e-H H2 2O EO E0 0=+0.82 V=+0.82 Vl(b)NAD(b)NAD+H+H+2 e+2 e-NADH E NADH E0 0=-0.322 V =-0.322 V l将将 (a)(a)减去减去 (b)(b)，即得，即得 (c)(c)式：式：l(c)O(c)O2 2 +NADH+2H+NADH+2H+H H2 2O+NADO+NAD+E E0 0=+1.14 V=+1.14 Vl G G =-nF=-nF E E0 0=-2 =-2 96500 96500 1.14=-220 kJ/mol 1.14=-220 kJ/
37、mol第六十九页，讲稿共九十八页哦三、电子传递和三、电子传递和ATPATP的合成的合成n NADH+HNADH+H+或或FADHFADH2 2的高能电子通过线粒体呼吸链传递的高能电子通过线粒体呼吸链传递到到O O2 2的过程中，释放出大量的能量。的过程中，释放出大量的能量。n这种高能电子传递过程的释能反应与这种高能电子传递过程的释能反应与ADPADP和磷酸和磷酸合成合成ATPATP的吸能反应相偶联，导致的吸能反应相偶联，导致ATPATP的合成。的合成。第七十页，讲稿共九十八页哦ATPATP酶复合体酶复合体n线线粒粒体体内内膜膜的的表表面面有有一一层层规规则则、间间隔隔排排列列着着的的球球状状颗
38、颗粒，称为粒，称为ATPATP酶复合体，是酶复合体，是ATPATP合成的场所。合成的场所。第七十一页，讲稿共九十八页哦旋转旋转结合结合ADPADP和和ATPATP亚基亚基质子控制阀门质子控制阀门 膜连接亚基膜连接亚基调节亚基调节亚基 寡霉素敏感蛋白寡霉素敏感蛋白 第七十二页，讲稿共九十八页哦线粒体内膜基质侧有许多球状颗粒突起，就是线粒体内膜基质侧有许多球状颗粒突起，就是ATPATP合成合成酶。其中球状的头与颈是酶。其中球状的头与颈是F F1 1部分，分子量为部分，分子量为350kD350kD380kD380kD，由，由33、33、等等5 5种亚基组成，种亚基组成，与与亚基上有亚基上有ADPAD
39、P和和ATPATP结合部位；结合部位；亚基是控制质子亚基是控制质子通过的闸门；通过的闸门；亚基使亚基使F F1 1与膜相连，其中心部分为与膜相连，其中心部分为质子通路；质子通路；亚基是酶的调节调节，亚基是酶的调节调节，F F0 0由由3 3种不同的亚种不同的亚基组成，一个亚基称为寡霉素敏感蛋白质基组成，一个亚基称为寡霉素敏感蛋白质(OSCP)(OSCP)，另，另一个蛋白质为分子量一个蛋白质为分子量28kD28kD的因子，的因子，F F0 0主要构成质子主要构成质子通道。通道。第七十三页，讲稿共九十八页哦ATPATP合成反应合成反应-氧化磷酸化氧化磷酸化n生生物物氧氧化化的的放放能能反反应应与与
40、ADPADP的的磷磷酰酰化化反反应应相相偶偶联联，合合成成ATPATP的的过过程，称为氧化磷酸化。程，称为氧化磷酸化。n根根据据氧氧化化-还还原原电电势势与与自自由由能能变变化化关关系系式式，计计算算出出在在NADHNADH氧氧化化过程中，有三个反应的过程中，有三个反应的 G G 超过超过30.5kJ/mol30.5kJ/mol。n FMNHFMNH2 2 Q Q；cytb cytb cytc cytc1 1；CytaaCytaa3 3 O O2 2n G G=-55.6kJ/mol=-55.6kJ/mol；-34.7 kJ/mol-34.7 kJ/mol；-102.1kJ/moL-102.1
41、kJ/moLn 三个反应分别与三个反应分别与ADPADP的磷酰化反应偶联，产生的磷酰化反应偶联，产生3 3个个ATPATP。n从琥珀酸从琥珀酸 O O2 2只产生只产生2 2个个ATP.ATP.第七十四页，讲稿共九十八页哦ATPATP生成有两种方式生成有两种方式 底物水平磷酸化底物分子中的高能键直接转移给底物水平磷酸化底物分子中的高能键直接转移给ADPADP生成生成ATPATP，称为底物水平磷酸化，在胞浆和线粒体中进行，包括：，称为底物水平磷酸化，在胞浆和线粒体中进行，包括：第七十五页，讲稿共九十八页哦l氧化磷酸化氧化磷酸化指呼吸链电子传递过程中偶联指呼吸链电子传递过程中偶联ATPATP生成。
42、生成。A.A.氧化磷酸化偶联部位的测定氧化磷酸化偶联部位的测定表征指标：表征指标：P/0P/0值值P/0P/0值指氧化磷酸化过程中消耗值指氧化磷酸化过程中消耗1mol1mol原子氧所消耗的无机磷的原子氧所消耗的无机磷的molmol数，数，或者说消耗或者说消耗1mol1mol氧所生成的氧所生成的ATPATP的的molmol数。数。P/0P/0值实质上指的是呼吸过程中磷酸化的效率。值实质上指的是呼吸过程中磷酸化的效率。第七十六页，讲稿共九十八页哦测定测定P/0P/0值及偶联部位的方法通常是：值及偶联部位的方法通常是：a.a.在一密闭的容器中加入待氧化的底物、在一密闭的容器中加入待氧化的底物、ADP
43、ADP、PiPi、氧饱和的缓冲液；氧饱和的缓冲液；最后加入线粒体制剂，就会发生有氧化磷酸化反最后加入线粒体制剂，就会发生有氧化磷酸化反应；反应终了时测定应；反应终了时测定O O2 2消耗量消耗量(可用氧电极法可用氧电极法)和和PiPi消消耗量耗量(或或ATPATP生成量生成量)；计算出计算出P/0P/0值。值。加入不同的底物，可测得各自的加入不同的底物，可测得各自的P/0P/0值，结合呼吸链值，结合呼吸链的传递顺序，可以分析出大致的偶联部位。的传递顺序，可以分析出大致的偶联部位。第七十七页，讲稿共九十八页哦离体线粒体的离体线粒体的P/0P/0比值比值底物底物呼吸链的组成呼吸链的组成P/0P/0
44、比比ATPATP数数-羟丁酸羟丁酸NAD+FMNCoQCytO22.4-2.83琥珀酸琥珀酸FANCoQCytcO21.72抗坏血酸抗坏血酸CytcCytaa3O20.881细胞色素细胞色素c cCytaa3O20.61-0.681第七十八页，讲稿共九十八页哦lb.b.根据氧化还原电位计算电子传递释放的能量根据氧化还原电位计算电子传递释放的能量l氧化还原反应中释放的自由能氧化还原反应中释放的自由能GGO O与反应底物和产与反应底物和产物标准氧化还原电位差值物标准氧化还原电位差值(E(EO O)之间存在下述关系：之间存在下述关系：GGO O=nFE=nFEO Ol式中式中n n为氧化还原反应中电
45、子转移数目，为氧化还原反应中电子转移数目，F F为法拉弟常数为法拉弟常数(23.062Kcal/molv(23.062Kcal/molv，或，或9650096500库仑库仑/mol)/mol)。第七十九页，讲稿共九十八页哦l 1molATP1molATP水解生成水解生成ADPADP与与PiPi所释放的能量为所释放的能量为7.3Kcal7.3Kcal，从理论上讲，凡氧化过程中释放的能，从理论上讲，凡氧化过程中释放的能量大于量大于7.3Kcal7.3Kcal者，均可能生成者，均可能生成1molATP1molATP。根据上。根据上式计算，当式计算，当n=2n=2时，时，EEO O=0.1583V=0
46、.1583V时可释放时可释放7.37.3千千卡能量，所以反应底物与生成物的标准氧化还原电卡能量，所以反应底物与生成物的标准氧化还原电位的变化大于位的变化大于0.1583V0.1583V的部位均可能存在着一个偶的部位均可能存在着一个偶联形成联形成ATPATP的机会。的机会。第八十页，讲稿共九十八页哦呼吸链中电子对传递时自由能的变化呼吸链中电子对传递时自由能的变化 第八十一页，讲稿共九十八页哦呼吸链磷酸化的全过程可用下述方程式表示呼吸链磷酸化的全过程可用下述方程式表示 NADH+HNADH+H+3ADP+3Pi+1/2O+3ADP+3Pi+1/2O2 2NADNAD+3ATP+4H+3ATP+4H
47、2 2O O FADHFADH2 2+2ADP+2Pi+1/2O+2ADP+2Pi+1/2O2 2FAD+2ATP+3HFAD+2ATP+3H2 2O O第八十二页，讲稿共九十八页哦偶联机制偶联机制n化学渗透学说化学渗透学说n化学渗透假说的要点是：化学渗透假说的要点是：na.a.线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；nb.b.在在电电子子传传递递链链中中，电电子子由由高高能能状状态态传传递递到到低低能能状状态态时时释释放放出出来来的的能能量量，用用于于驱驱动动膜膜内内侧侧的的H H+迁迁移移到到膜膜外外侧侧（膜膜对对H H+是是不不通通透透的的）。这这样样，在
48、在膜膜的的内内侧侧与与外外侧侧就就产产生生了了跨跨膜膜质质子子梯梯度度 (pH)pH)和电位梯度（和电位梯度（）；）；第八十三页，讲稿共九十八页哦第八十四页，讲稿共九十八页哦膜外侧膜外侧pHpH较膜基质较膜基质pHpH约低约低1.01.0单位，因此，底物氧化释放单位，因此，底物氧化释放的自由能就储存于的自由能就储存于和和pHpH中，若以中，若以P P表示总的质表示总的质子移动力，那么三者的关系为：子移动力，那么三者的关系为：P=-59pHP=-59pHc.c.在膜内外势能差（在膜内外势能差（pH pH 和和）的驱动下，膜外高能）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（质子沿着一个特殊通道（AT
49、PATP酶的组成部分），跨膜回到酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADPADP和磷和磷酸合成酸合成ATPATP。第八十五页，讲稿共九十八页哦第八十六页，讲稿共九十八页哦氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂(略）略）氧氧化磷酸化抑制剂可分为三类，即呼吸抑制剂、磷化磷酸化抑制剂可分为三类，即呼吸抑制剂、磷酸化抑制剂和解偶联剂。酸化抑制剂和解偶联剂。呼吸抑制剂抑制呼吸链的电子传递，即抑制呼吸抑制剂抑制呼吸链的电子传递，即抑制氧化。呼吸链某一特定部位被抑制后，其底物一氧化。呼吸链某一特定部位被抑制后，其底物一侧均为还原状态，其氧一侧
50、均为氧化态。侧均为还原状态，其氧一侧均为氧化态。第八十七页，讲稿共九十八页哦n重要的呼吸抑制剂有重要的呼吸抑制剂有n鱼藤酮鱼藤酮(rotenone)(rotenone)系从植物中分离到的呼吸抑制系从植物中分离到的呼吸抑制剂，专一抑制剂，专一抑制NADHCoQNADHCoQ的电子传递。的电子传递。n抗霉素抗霉素A(actinomycin A)A(actinomycin A)由霉菌中分离得到，专由霉菌中分离得到，专一抑制一抑制CoQCyt cCoQCyt c的电子传递。的电子传递。nCNCN、COCO、NaNNaN3 3和和H H2 2S S均抑制细胞色素氧化酶。均抑制细胞色素氧化酶。第八十八页，