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本课件讲解代谢总论与生物氧化，先建立新陈代谢与代谢途径的概念，介绍中间代谢的实验研究方法，进而展开生物氧化、呼吸链组成与电子传递、三羧酸循环历程与能量计量，最后说明氧化磷酸化的偶联机理。
第八章代谢总论与生物氧化第一节新陈代谢的有关概念第二节代谢的发生过程第三节中间代谢的实验研究方法第四节
第一节新陈代谢的有关概念一、新陈代谢的概念：新陈代谢是生物体最基本的特征，是生命存在的前提。1.狭义概念：是指细胞内所发生的酶促反应过程，称为中间代谢。这是代谢活动的主体，也是代谢研究的主要内容。2.广义概念：是生物与外界环境进行物质与能量交换的全过程。即：生物体内所经历的一切化学变化。包括消化、吸收、中间代谢及排泄等阶段。新陈代谢包括生物体内所发生的一切合成和分解作用。一方面，生物体不断从周围
合成代谢分解代谢物质代谢能量代谢新陈代谢新陈代谢图解（同化作用）（异化作用）小分子大分子需要能量释放能量大分子小分子
二、新陈代谢的内容1.物质代谢和能量代谢（1）物质代谢：重点讨论各种生理活性物质（如糖、蛋白质、脂类、核酸等）在细
（1）合成代谢活细胞从外环境中取得原料合成自身的结构物质、贮存物质、生理活性物质及各种次生物质的
PSABCD式中S代表代谢底物，P代表产物，E代表酶。从S到P之间的一系列过渡产物称为中间产物。底物、中间产物、终产物统称为代谢物。不同代谢途径所具有的相同的中间产物称为公共中间产物。通过公共中间产物可实现途径间的互相联系，调节代谢物质的流向，维持细胞中各种物质的代谢平衡。
4.生物的营养类型自然界中的生物根据其所利用的碳源和能源，可分为不同的营养类型。（1）自养与异养：
（2）光能与化能：生物体能够利用的能源主要有光能和化学能。根据不同生物对能源的要求，可分为光能营养型和化能营养型。
生物营养类型营养类型碳源能源电子供体生物举例自养型光能自养CO2光H2O等植物化能自养CO2
（3）需氧与厌氧：不同生物对分子氧的依赖关系也有很大区别，据此可分为需氧生物、厌氧生物和兼性生物。需氧生物
第二节代谢的发生过程一、分解代谢的一般过程几乎所有生物都具有分解利用有机物的能力。总览有机营养物质（糖、
1.生物大分子的降解阶段。外源生物大分子通过消化作用降解，内源生物大分子通过胞内酶催化降解，分解为
2.单体分子初步分解阶段。细胞都具有特定的分解代谢途径，分别将单糖、氨基酸、脂肪酸等单体分子进行不完
3.乙酰基完全分解阶段。三羧酸循环途径是各种营养物质分解所生成的乙酰基集中燃烧的公共途径。经过三羧
4.氢的燃烧阶段。这是有机物氧化分解的最后一个环节。主要包括电子传
二、合成代谢的一般过程生物合成包括组建生物大分子所需单体分子的合成、生物大分子的合成、细胞结构的组建、生理活性物质
第三节中间代谢的实验研究方法中间代谢的研究内容很多，研究目的不同，所用的生物材料和实验方法也不相同。为探讨代谢途径
1.活体内实验（整体实验）用整体生物材料或高等动物离体器官或微生物细胞群体进行中间代谢实验研究称为活体内实验。（一）活体内实验和活体外实验实验结果代表生物体在正常生理条件下整体代谢情况，比较接近生物体的实际。典型例子：1904年，德国化学家Knoop提出的脂肪酸β-氧化学说。
2.活体外实验用从生物体分离出来的组织切片，组织匀浆或体外培养的细胞、细胞器及细胞抽提物进行中间代谢实验研究称为
探讨物质代谢途径的常用方法有：代谢平衡实验、代谢障碍实验、代谢物质标记追踪实验、特征性酶
1.代谢平衡实验通过活体内实验研究代谢物摄入和产出排出的平衡关系，可以了解对代
2.代谢障碍实验（代谢途径阻断实验）正常生物体的中间代谢过程中，中间产物不会过多积累，不容易进行
(1)微生物营养缺陷性（微生物基因突变型）采取诱变剂使微生物的基因发生突变，从而造成某种酶缺损，代谢途
（2）使用抗代谢物抗代谢物，又叫代谢拮抗物，或代谢物结构类似物。其分子结构与代谢物的分子结构类似。实质：竞争性抑制剂。
（3）酶的专一性抑制剂例子：碘乙酸是巯基酶的专一性抑制剂，可抑制酵母的酒精发酵，造成3-
3.代谢物标记追踪实验将代谢底物分子适当“标记”，然后追踪“标记”在细胞中的去向，就可以了解底物分子在中间代谢中经
（1）化学标记法1904年，德国F.Knoop首次用苯环标记脂肪酸探讨中间代谢途径，提出著名的脂肪酸β-氧化学说。
（2）同位素标记法1941年，Rudolf Schoenheimer首次采用同位素标记法进行实验。同位素种类：稳定同位素和放射性同位素。二者区别：是否衰变、是否有射线。常用的稳定同位素有：重氢（2H或D）、15N、13C、18O等。用“稳定性同位素”标记的化合物可用质谱仪定量测定，也可用超离心法分离鉴定。根据放射线同位素衰变时放出的射线性质，可以用专门仪器或专用方法测定。常用的放射性同位素有氘（T或3H）、14C、32P、34S、131I。
优点：1）同位素标记法特异性强，灵敏度高，测定方法简便。2）放射性同位素分析方法比稳定同位素更方便、灵敏，应用更普遍。缺点：放射性同位素对人体有毒害，某些同位素的半衰期长，容易造成环境污染，所以需要在专门的同位素实验时进行。
4.测定特征性酶每条代谢途径都有其特征性酶，它的存在就表明该代谢途径存在。例如：糖代谢途径中的特征酶：EMP途径：醛缩酶HMP途径：6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶TCA途径：柠檬酸合成酶
5.核磁共振波谱法（nuclear magnetic resonance spectroscopy，简称NMR）核磁共振谱可反映分子中各个原子所处的状态。由布洛赫和巴塞尔于1948年建立，因此获得1952年诺贝尔奖。应用最多的有13C谱、19F谱、31P谱和15N谱。特点：样品不受破坏，且能最真实地反映机体内的化学反应情况。
第四节生物氧化概述一、生物氧化1.定义：有机物在生物细胞内进行氧化分解而生成CO2和H2O并释放能量
3.特点：生物氧化是在活细胞内进行的,它与体外的直接氧化相比又有许多不同的特点:
5.酶类：催化生物氧化的酶习惯上分为不需氧脱氢酶、需氧脱氢酶、氧化酶、过氧化氢酶和电子递体。（1）
（2）需氧脱氢酶类：直接作用于底物，使之脱氢氧化，并且需要以氧作为直接受氢体的酶。反应生成过氧化氢。
（3）氧化酶类：不能从底物上脱氢，只能夺取底物上的电子对，并激活氧分子生成水。还原型底物SH2氧化型底物S2Cu2+2Cu+1/2O22-1/2O2氧化酶H2O2
（4）电子递体：专门负责传递不需氧脱氢酶脱下来的电子（有的也传递质子）的酶类（祥见呼吸链）。H2O12O2O2-MH2还原型代谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c-c1-aa3Fe S2H+M氧化型代谢底物2e
6.CO2的生成：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。类型：α-脱羧和β-脱羧
7.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+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再
二、自由能和氧化还原电位1.自由能自由能(G)：指一个反应体系中能够做功的那部分能量。自由能的变化(ΔG)：产物的自由能与反应
在反应A＋BC+D中自由能变化是标准自由能变化与平衡常数的函数：2.自由能与平衡常数当反应达到平衡时，ΔG=0，那么，
3.自由能与氧化还原电位的关系pH＝7，101.3KPa，25℃，反应物浓度为1mol/L，氧化态与还
第五节ATP与其它高能化合物（一）高能化合物的类型1.高能键（high-energybond）高能键是1941年提出的一个概念，用“~”表示，是指其结构不稳定，性质活泼，
2.高能化合物：分子结构中含有高能
（二）ATP的结构特点及其重要意义ATP（三磷酸腺苷，腺苷三磷酸，adenosine triphosphate）是一种很重要
意义：（1）ATP是产能反应和需能反应之间最主要的能量介质放能反应通过氧化磷酸化反应合成ATP，贮存能量；需能反应，则通过ATP
（2）作为磷酸基团供体参与磷酸化反应生化反应中，无论是分解代谢还是合成代谢，常常需要先将反应底物分子活化，其中，磷酸化是一种普遍活化方式。ATP具有很活泼的磷酸基团，可作为磷酸基的供体参与细胞中的磷酸化反应，此类反应由激酶催化。反应生成的磷酸化葡萄糖分子具有较高的自由能，易进一步参加反应。
（3）ATP参加高能磷酸基团转移反应ATP在磷酸基团转移中起“中间传递体”的作用，故称“磷酸基团传递者”。磷酸烯醇式丙酮酸和1，3-二磷酸甘油酸是葡萄糖的分解的中间产物，葡萄糖分解为乳酸时所释放的大部分自由能，几乎都保留在这两个化合物中。在细胞中这两个化合物并不直接水解，而是通过特殊激酶作用，以转移磷酸基团的形式，将捕捉的自由能传递给ADP从而形成ATP。
而ATP分子又倾向于将它的磷酸基团转移给具有较低磷酸基团转移势能的化合物，例如葡萄糖和甘油，从而生成6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油。其中，磷酸烯醇式丙酮酸和1，3-二磷酸甘油酸叫做“超高能化合物”（superhigh-energy compound），它们水解所释放的自由能比ATP高；同理，6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油叫做“低能磷酸化合物”。
GTP、UTP、CTP。其中，GTP对G蛋白的活化、蛋白质生物合成、蛋白质的寻靶、蛋白质的转运等作为推动力提供自由能；UTP在糖原合成中起活化葡萄糖分子的作用；CTP在合成磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺以及合成纤维素中起推动作用等。（三）其他供能核苷酸
ATP作为自由能的贮存分子，其产生和利用处于动态平衡中。一般情况下，ATP在形成后一分钟内就会被利用，故严格说来ATP不是能量的贮存形式，而是传递能量的物质。细胞能量状态的表示方法：能荷（energycharge）。（四）ATP系统的动态平衡
三羧酸循环又叫柠檬酸循环或 Krebs 循环，由草酰乙酸和乙酰 CoA 的乙酰基缩合生成柠檬酸开始，经一系列反应又生成草酰乙酸。反应历程分为 3 个阶段，共 8 步反应。
| 步骤 | 催化酶 |
|---|---|
| 1 | 柠檬酸合成酶 |
| 2 | 顺乌头酸酶 |
| 3 | 异柠檬酸脱氢酶 |
| 4 | α-酮戊二酸脱氢酶 |
| 5 | 琥珀酸硫激酶 |
| 6 | 琥珀酸脱氢酶 |
| 7 | 延胡索酸酶 |
| 8 | 苹果酸脱氢酶 |
H2O草酰乙酸OCH3-C-SCoACoASHH2O柠檬酸合成酶顺乌头酸酶1.柠檬酸生成阶段顺乌头酸酶第一步反应不可逆，柠檬酸合成酶是三羧酸循环的第一个限速酶。重要抑制剂：氟乙酸（机理：柠檬酸合成酶催化氟乙酰CoA与草酰乙酸发生缩合作用生成氟柠檬酸，阻碍TCA循环）。应用：有毒植物叶子中含有氟乙酸；杀虫剂；灭鼠药。
2.氧化脱羧阶段CO2NAD+NADH+H+异柠檬酸脱氢酶NAD+NADH+H+CO2－酮戊二酸脱氢酶GDP＋PiGTPCoASH琥珀酸硫激酶异柠檬酸脱氢酶具有脱氢和脱羧两种功能，脱羧反应需要Mn2+；ADP是激活剂；ATP和NADH是抑制剂。是TCA循环
3.草酰乙酸再生阶段草酰乙酸FAD FADH2琥珀酸脱氢酶H2O延胡索酸酶NAD+NADH+H+苹果酸脱氢酶可进入下一个循环
二、三羧循环的化学计量和能量计量1.总反应式:CH3COSCoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+CoASH+3NADH+3H++FADH2+GTP能量“现金”:1GTP能量“支票”:3NADH1FADH2兑换率1：39ATP兑换率1：22ATP1ATP12ATP2.三羧酸循环的能量计量
第七节
2.呼吸链的组成NADH辅酶Q（CoQ）Fe-SCyt c1O2Cyt 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）NADH（还原型辅酶）；黄素蛋白酶类（flavoproteins, FP）铁-硫蛋白类（iron—sulfur proteins)辅酶Ｑ（ubiquinone,亦写作CoQ）细胞色素类（简写作Cyt）
（1）NADH：还原型辅酶它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高
（2）黄素蛋白酶类以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为膜的组成蛋白，递氢机理：FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶
（3）铁-硫蛋白类含铁硫络合物的蛋白，又称非血红铁蛋白。通过铁的价态变化而传递电子。
（4）辅酶Ｑ是电子传递链上唯一的非蛋白组分，是脂溶性小分子化合物。位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。
（5）细胞色素类是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a, a3、b, c 和c1等。cyt b和cytc1、cytc在呼吸链中的中为电子传递体，a和a3以复合物物存在，称细胞色素氧化酶，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。Cytc和c1细胞色素氧化酶传递电子机理：+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+－e－e
3.电子传递链的顺序及其抑制剂H2O12O2O2-MH2还原型代谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c-c1-aa3Fe S2H+M氧化型代谢底物FADH2呼吸链电子传递和水的生成2eH2OFADFADH2琥珀酸Fe S2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1 -c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+延胡索酸2eNADH呼吸链电子传递和水的生成
111111电子传递链的抑制剂
二、氧化磷酸化作用1.氧化磷酸化的概念2.磷氧比（P/O）的概念3.电子传递链中生成ATP的部位4.氧化磷酸化的偶联机理5.
1.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。类别有底物水平磷酸化、电子传递水平磷酸化。ADP + PiATP + H2O生物氧化过程中释放出的自由能
2.磷氧比（P/O）呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。NADHFADH2O212H2OH2O例实测得NADH呼吸链：P/O~3ADP+PiATP实测得FADH2呼吸链：P/O~2O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP
3.电子传递链中生成ATP的部位（1）电子传递链的顺序电子传递链中各组分的顺序由还原电位。决定电子传递方向：(还原电位)低高
下表列出呼吸链中各电对的标准氧化还原电位 ΔE0′（V），据此可判断电子传递方向并计算各步自由能变化。
| 半反应 | ΔE0′（V） |
|---|---|
| 2H<sup>+</sup>＋2e ⇌ H<sub>2</sub> | -0.41 |
| NAD<sup>+</sup>＋2H<sup>+</sup>＋2e ⇌ NADH＋H<sup>+</sup> | -0.32 |
| FMN＋2H<sup>+</sup>＋2e ⇌ FMNH<sub>2</sub> | -0.30 |
| FAD＋2H<sup>+</sup>＋2e ⇌ FADH<sub>2</sub> | -0.06 |
| CoQ＋2H<sup>+</sup>＋2e ⇌ CoQH<sub>2</sub> | 0.04（或0.10） |
| Cyt b(Fe<sup>3+</sup>)＋e ⇌ Cyt b(Fe<sup>2+</sup>) | 0.07 |
| Cyt c<sub>1</sub>(Fe<sup>3+</sup>)＋e ⇌ Cyt c<sub>1</sub>(Fe<sup>2+</sup>) | 0.23 |
| Cyt c(Fe<sup>3+</sup>)＋e ⇌ Cyt c(Fe<sup>2+</sup>) | 0.25 |
| Cyt a(Fe<sup>3+</sup>)＋e ⇌ Cyt a(Fe<sup>2+</sup>) | 0.29 |
| Cyt a<sub>3</sub>(Fe<sup>3+</sup>)＋e ⇌ Cyt a<sub>3</sub>(Fe<sup>2+</sup>) | 0.55 |
注：源文件在该表末尾「O2＋2H+…」半反应处文字缺失，其 ΔE0′ 数值未能提取，表中未列入。
ΔG0’=-nFΔE0’合成ATP需自由能51.6KJ/mol，经计算可以得知，NADP呼吸链上有三个部位可以满足这个条件，FADH2呼吸链上有两个部位可以满足。（2）ATP产生的部位NADH CoQ：ΔG0’=-2×96.5 ×0.33=-63.7KJ/molCoc Cytc1：ΔG0’=-2×96.5 ×0.31=-59.8KJ/molCyta3O2：ΔG0’=-2×96.5 ×0.58=-111.9KJ/mol
化学渗透假说(chemiosmotic hypothasis)电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成H+跨线粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化学势( ΔH+)驱动ATP的合成。内膜F0F1 ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基质膜间隙电子传递链
化学渗透假说原理示意图4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-_ _ _ _ _ _ _ _ _ _质子流线粒体内膜磷酸化氧化+ + + + + + + + +
H2O2H+CytcCytcCytcQFMNFeSFeSCytc1CytbKCytbrCytaFeSCyta32e-2e-NADH+H+NAD+O2 +2H+ H2O4H+2H+2H+复合物III12线粒体电子传递和H+排出的数目和途径
Boyer和Walker的工作美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋转催化假说，认为ATP合成酶β亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个β亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜H+提供。英国科学家Walker通过x光衍射获得高分辩率的牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构，证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个β
ATPase
ATP酶作用机理ADP+PiProtenFluxH+ATP+H2OATPProtenFluxADP+Pi有于ADP与Pi结合的构象有于ADP与Pi生成的构象有利于ATP释放的构象
5.氧化磷酸化的解偶联和抑制解偶联剂（uncoupler）：使氧化与磷酸化偶联过程脱离。其结果是不阻断电子传递，也不生成ATP。
NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外2,4-二硝基苯酚（DNP）的解偶联作用支持情况下DNP是解离状态，不能透过线粒体内膜，在酸性条件下，结合质子称为脂溶性物质，过膜，并将质子带过，破坏了H+
不要忘了好好复习哟！
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