1、1第八章第八章 新陳代謝總論與生物氧化新陳代謝總論與生物氧化2代謝代謝(metabolism)又稱新陳代謝，又稱新陳代謝，是生物體內所有化學變化的總稱。是生物體內所有化學變化的總稱。新陳代謝是生命的基本特征。新陳代謝是生命的基本特征。 第一節第一節 新陳代謝概述新陳代謝概述 一、定義一、定義3合成代謝與分解代謝是相輔相成的，它合成代謝與分解代謝是相輔相成的，它們的平衡使生物體既保持自身的穩定，又能們的平衡使生物體既保持自身的穩定，又能不斷更新，以適應環境。不斷更新，以適應環境。代謝代謝合成代謝（同化作用）合成代謝（同化作用）分解代謝（異化作用）分解代謝（異化作用）機體從環境中攝取營養物機體從環

2、境中攝取營養物質，把它們轉化為自身物質質，把它們轉化為自身物質機體將自身物質轉化為機體將自身物質轉化為代謝產物，排出體外代謝產物，排出體外4代謝過程是通過一系列酶促反代謝過程是通過一系列酶促反應完成的。應完成的。完成完成某一代謝過程某一代謝過程的一組相互的一組相互銜接的酶促反應稱為銜接的酶促反應稱為代謝途徑代謝途徑。 二、代謝途徑二、代謝途徑5代謝途徑的特點代謝途徑的特點 沒有完全可逆的代謝途徑；沒有完全可逆的代謝途徑； 代謝途徑的形式是多樣的；代謝途徑的形式是多樣的； 代謝途徑有確定的細胞定位；代謝途徑有確定的細胞定位； 代謝途徑是相互溝通的；代謝途徑是相互溝通的； 代謝途徑之間有能量關聯；

3、代謝途徑之間有能量關聯； 代謝途徑的流量可調控。代謝途徑的流量可調控。6每個代謝途徑的流量，都受反應速度最每個代謝途徑的流量，都受反應速度最慢的步驟的限制，這個步驟稱為慢的步驟的限制，這個步驟稱為限速步驟限速步驟，或或關鍵步驟關鍵步驟，這個酶稱為，這個酶稱為限速酶限速酶或或關鍵酶關鍵酶。限速步驟一般是代謝途徑或分支的第一限速步驟一般是代謝途徑或分支的第一步，這樣可避免有害中間產物的積累。限速步，這樣可避免有害中間產物的積累。限速步驟一般是不可逆反應，其逆過程往往由另步驟一般是不可逆反應，其逆過程往往由另一種酶催化。一種酶催化。 7第二節第二節 合成代謝合成代謝 生物分子結構的多層次性決定了合成

4、代謝生物分子結構的多層次性決定了合成代謝的階段性。首先由簡單的無機分子的階段性。首先由簡單的無機分子(CO2、NH3、H2O等等)合成生物小分子（單糖、氨基合成生物小分子（單糖、氨基酸、核苷酸等），再用這些構件合成生物大酸、核苷酸等），再用這些構件合成生物大分子，進而組裝成各種生物結構。分子，進而組裝成各種生物結構。趨異性趨異性是指隨著合成代謝階段的上升，傾是指隨著合成代謝階段的上升，傾向于產生種類更多的產物。向于產生種類更多的產物。一、階段性和趨異性一、階段性和趨異性8人類不能從無到有合成所有的生物分人類不能從無到有合成所有的生物分子。那些不能自己合成，只能從食物中攝子。那些不能自己合成，只

5、能從食物中攝取的物質，稱為是取的物質，稱為是必需必需的。的。如氨基酸中有如氨基酸中有8種是必需氨基酸，種是必需氨基酸，維維生素生素和某些和某些高不飽和脂肪酸高不飽和脂肪酸也是必需的。也是必需的。嚴格說，糖是非必需的。嚴格說，糖是非必需的。 二、營養依賴性二、營養依賴性9合成代謝需要消耗能量。合成代謝需要消耗能量。合成生物小分合成生物小分子的能量直接來自子的能量直接來自ATP和和NADPH，合成生，合成生物大分子直接來自物大分子直接來自核苷三磷酸核苷三磷酸。合成代謝所需的能量主要用于合成代謝所需的能量主要用于活化前體活化前體或構件分子，以及用于還原步驟等。或構件分子，以及用于還原步驟等。三、需要

6、能量推動三、需要能量推動10生物大分子有兩種組裝模式：生物大分子有兩種組裝模式：四、信息來源四、信息來源1.模板指導組裝模板指導組裝 核酸和蛋白質的核酸和蛋白質的合成，都以先在的信息分子為模板。合成，都以先在的信息分子為模板。2.酶促組裝酶促組裝 有些構件序列簡單均一有些構件序列簡單均一的大分子通過酶促組裝聚合而成。的大分子通過酶促組裝聚合而成。11生物大分子的分解有三個階段：生物大分子的分解有三個階段：水解水解產生構件分子產生構件分子、氧化分解產生乙酰輔酶氧化分解產生乙酰輔酶A、氧化成二氧化碳和水。氧化成二氧化碳和水。在這個過程中，隨著結構層次的降低，在這個過程中，隨著結構層次的降低，傾向產

7、生少數共同的分解產物，即具有傾向產生少數共同的分解產物，即具有趨趨同性同性。第三節第三節 分解代謝分解代謝一、階段性和趨同性一、階段性和趨同性12分解代謝的各個階段都是分解代謝的各個階段都是釋放能量的過程釋放能量的過程。第一階段放能很少。第一階段放能很少。第二階段約占三分之一，可推動第二階段約占三分之一，可推動ATP和和NADPH的合成，它們可作為能量載體向體內的的合成，它們可作為能量載體向體內的耗能過程提供能量。耗能過程提供能量。第三階段通過第三階段通過三羧酸循環三羧酸循環和和氧化磷酸化氧化磷酸化釋放釋放其余的能量，主要用于其余的能量，主要用于ATP的合成。的合成。二、意義二、意義13第四節

8、第四節 代謝中的能量與調控代謝中的能量與調控 一、代謝與能量一、代謝與能量熱力學第一定律：能量守恒定律熱力學第一定律：能量守恒定律熱力學第二定律：熵定律熱力學第二定律：熵定律自由能：自由能：G=H-TS，2121千焦千焦/ /摩爾）的化合物稱為摩爾）的化合物稱為高能化合物高能化合物。1、高能化合物的類型、高能化合物的類型15在在pH=7pH=7環境中，環境中，ATPATP分子中的三個磷酸基團完全分子中的三個磷酸基團完全解離成帶解離成帶4 4個負電荷的離子形式（個負電荷的離子形式（ATPATP4-4-），具有較），具有較大勢能，加之水解產物穩定，因而水解自由能很大大勢能，加之水解產物穩定，因而水

9、解自由能很大（GG=-30.5=-30.5千焦千焦/ /摩爾）。摩爾）。腺嘌呤腺嘌呤核糖核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O- + + +Mg2+ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-12 2、ATPATP的特點及其特殊作用的特點及其特殊作用16代謝過程是一系列酶促反應，可通過代謝過程是一系列酶促反應，可通過酶活性酶活性和和數量數量進行調節。進行調節。此外，神經和激素的調節也起著重要此外，神經和激素的調節也起著重要作用。作用。代謝是動態的。生物體

10、內總是同時進代謝是動態的。生物體內總是同時進行著分解代謝與合成代謝。即使體重保持行著分解代謝與合成代謝。即使體重保持不變，代謝也在不斷地進行。不變，代謝也在不斷地進行。二、代謝調節二、代謝調節17第五節第五節 呼吸鏈呼吸鏈 一、呼吸鏈的概念呼吸鏈的概念二、二、呼吸鏈的組成呼吸鏈的組成三、三、機體內兩條主要的呼吸鏈機體內兩條主要的呼吸鏈四、四、電子傳遞抑制劑電子傳遞抑制劑18呼吸鏈呼吸鏈又稱又稱電子傳遞鏈電子傳遞鏈，是由一系列，是由一系列電子載體構成的，從電子載體構成的，從NADH或或FADH2向氧向氧傳遞電子的系統。傳遞電子的系統。 一、呼吸鏈的概念呼吸鏈的概念其中的氫以質子形式脫下，電子沿呼

11、其中的氫以質子形式脫下，電子沿呼吸鏈轉移到分子氧，形成離子型氧，再與吸鏈轉移到分子氧，形成離子型氧，再與質子結合生成水。放出的能量則使質子結合生成水。放出的能量則使ADP和和磷酸生成磷酸生成ATP。19原核細胞的呼吸鏈位于原核細胞的呼吸鏈位于質膜質膜上，真核上，真核細胞則位于細胞則位于線粒體內膜上線粒體內膜上。 20線粒體有兩層膜。外膜平滑稍有彈性，線粒體有兩層膜。外膜平滑稍有彈性，內膜有許多向內褶疊的嵴，嵴的存在實際上內膜有許多向內褶疊的嵴，嵴的存在實際上增加了內膜的面積。增加了內膜的面積。線粒體內膜具有許多生物活性蛋白質，線粒體內膜具有許多生物活性蛋白質，嵌在雙層磷脂系統中，不能自由移動，

12、這些嵌在雙層磷脂系統中，不能自由移動，這些蛋白質包括電子傳遞酶類以及與之蛋白質包括電子傳遞酶類以及與之有關的蛋有關的蛋白質和白質和ATP合成的酶類、各種脫氫酶類、各合成的酶類、各種脫氫酶類、各種代謝物運轉系統蛋白等。種代謝物運轉系統蛋白等。21呼吸鏈包含呼吸鏈包含15種以上組分，主要由種以上組分，主要由4種酶種酶復合體和復合體和2種可移動電子載體種可移動電子載體構成。構成。其中復合體其中復合體、輔酶輔酶Q(呼吸呼吸鏈中唯一的非蛋白氧化還原載體鏈中唯一的非蛋白氧化還原載體)和和細胞色素細胞色素C的的數量比為數量比為1：2：3：7：63：9。 22NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt

13、 bCyt cCyt aa3Fe-SFADH2Fe-S琥珀酸琥珀酸等等復合物復合物 II復合物復合物 IV復合物復合物 I復合物復合物 IIINADH脫氫酶脫氫酶細胞色素還原酶細胞色素還原酶細胞色素氧細胞色素氧化酶化酶琥珀酸琥珀酸-輔酶輔酶Q還原酶還原酶23即即NADH：輔酶：輔酶Q氧化還原酶復合體，氧化還原酶復合體，由由NADH脫氫酶脫氫酶（一種以（一種以FMN為輔基的為輔基的黃素蛋白）和一系列鐵硫蛋白組成。黃素蛋白）和一系列鐵硫蛋白組成。它從它從NADH得到兩個電子，經鐵硫蛋得到兩個電子，經鐵硫蛋白傳遞給輔酶白傳遞給輔酶Q。1.復合體復合體24 +e 傳遞電子機理傳遞電子機理：Fe3+ F

14、e2+ -e鐵硫蛋白含有非血紅素鐵硫蛋白含有非血紅素Fe和和對酸不穩定的對酸不穩定的S原子原子。Fe和和S常以等摩爾量存在（常以等摩爾量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，構成，構成Fe-S中心，中心，Fe與蛋白質分子中的與蛋白質分子中的4個個Cys殘基的巰基與蛋白質相連結。殘基的巰基與蛋白質相連結。1Fe0S2-4Cys4Fe4S2-4Cys2Fe2S2-4CysS Fe25由由琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶（一種以（一種以FAD為輔基為輔基的黃素蛋白）和鐵硫蛋白組成，將從琥珀的黃素蛋白）和鐵硫蛋白組成，將從琥珀酸得到的電子傳遞給輔酶酸得到的電子傳遞給輔酶Q。2.復合體復合體26CoQ是帶有聚異戊

15、二烯側鏈的苯醌，是帶有聚異戊二烯側鏈的苯醌，脂溶性，位于膜雙脂層中，能在膜脂中自脂溶性，位于膜雙脂層中，能在膜脂中自由泳動，是呼吸鏈中唯一的非蛋白氧化還由泳動，是呼吸鏈中唯一的非蛋白氧化還原載體。原載體。它在電子傳遞鏈中處于中心地位，可它在電子傳遞鏈中處于中心地位，可接受各種黃素酶類脫下的氫。接受各種黃素酶類脫下的氫。3.輔酶輔酶Q27CoQ+2H CoQH228細胞色素還原酶復合體，是細胞色素和細胞色素還原酶復合體，是細胞色素和鐵硫蛋白的復合體，把來自輔酶鐵硫蛋白的復合體，把來自輔酶Q的電子，的電子，依次傳遞給結合在線粒體內膜外表面的細胞依次傳遞給結合在線粒體內膜外表面的細胞色素色素c。4.

16、復合體復合體29特點：特點：以血紅素為輔基，血紅素的主要成份為以血紅素為輔基，血紅素的主要成份為鐵卟啉。鐵卟啉。 類別類別: 根據吸收光譜分成根據吸收光譜分成a、b、c三類，呼吸鏈三類，呼吸鏈中含中含5種（種（b、c、c1、a和和a3)，cyt b和和cytc1、cytc在呼吸鏈中的中為電子傳遞體，在呼吸鏈中的中為電子傳遞體，a和和a3以以復合物存在，稱復合物存在，稱細胞色素氧化酶細胞色素氧化酶，其分子中，其分子中除含除含Fe外還含有外還含有Cu ，可將電子傳遞給氧。，可將電子傳遞給氧。5.細胞色素類細胞色素類傳遞電子機理傳遞電子機理： +e +e Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+ -e

17、-e 30細胞色素氧化酶復合體。細胞色素氧化酶復合體。將電子傳遞給氧。將電子傳遞給氧。6.復合體復合體IV31H2O1/2O2O2-MH2FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+ 細胞色素細胞色素b- c- c1 -aa32H+MFeS三、機體內兩條主要的呼吸鏈三、機體內兩條主要的呼吸鏈NADHFMNFeSCoQCytbFeSCytc1CytcCytaa3O232FADH2呼吸鏈呼吸鏈FADFADH2琥珀酸琥珀酸2Fe2+2Fe3+ 細胞色素細胞色素b- c1 - c-aa3CoQH2CoQ1/2O2O2-2H+H2O延胡索酸延胡索酸FeSFADH2 FeSC

18、oQCytbFeSCytc1CytcCytaa3O233四、電子傳遞抑制劑四、電子傳遞抑制劑34第六節第六節 氧化磷酸化氧化磷酸化 NADH+H+3ADP+3Pi+1/2O2 NAD+4H2O+3ATP一、定義一、定義與生物氧化相偶聯的磷酸化作用稱為與生物氧化相偶聯的磷酸化作用稱為氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用。其作用是將生物氧化過程中釋放出的其作用是將生物氧化過程中釋放出的自由能轉移而使自由能轉移而使ADP形成高能的形成高能的ATP。氧化磷酸化作用是需氧細胞生命活動氧化磷酸化作用是需氧細胞生命活動的基礎，是主要的能量來源。的基礎，是主要的能量來源。35氧化磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化底物水平

19、磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化是指是指ATP的形成直接的形成直接與一個代謝中間物（例如磷酸烯醇式丙酮與一個代謝中間物（例如磷酸烯醇式丙酮酸）上的磷酸集團轉移相偶聯的作用。酸）上的磷酸集團轉移相偶聯的作用。36呼吸過程中無機磷酸（呼吸過程中無機磷酸（Pi）消耗量和分）消耗量和分子氧（子氧（O2）消耗量的比值稱為）消耗量的比值稱為磷氧比磷氧比。二、二、P/O比比NADH的的P/O比為比為2.5，ATP是在是在3個不個不連續的部位生成的連續的部位生成的;FADH2的的P/O比為比為1.5，ATP是在是在2個不個不連續的部位生成的連續的部位生成的37電子傳遞與電子傳遞與ATP形成在正常細胞內總是形

20、成在正常細胞內總是相偶聯的，二者缺一不可。相偶聯的，二者缺一不可。ATP的生成必須以電子傳遞為前提，而的生成必須以電子傳遞為前提，而呼吸鏈只有生成呼吸鏈只有生成ATP才能推動電子的傳遞。才能推動電子的傳遞。三、偶聯的調控三、偶聯的調控（一）呼吸控制（一）呼吸控制38根據化學因素對氧化磷酸化的影響根據化學因素對氧化磷酸化的影響方式，可分為三類：方式，可分為三類：n解偶聯劑解偶聯劑n氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑n離子載體抑制劑離子載體抑制劑（二）解偶聯和抑制（二）解偶聯和抑制39使電子傳遞和使電子傳遞和ATP形成分離，只抑制后形成分離，只抑制后者，不抑制前者者，不抑制前者。電子傳遞失去控制，產

21、生。電子傳遞失去控制，產生的自由能變成熱能，能量得不到儲存。解偶的自由能變成熱能，能量得不到儲存。解偶聯劑對底物水平磷酸化無影響。聯劑對底物水平磷酸化無影響。如如2，4-二硝基苯酚（二硝基苯酚（DNP）能拆散氧）能拆散氧化磷酸化的偶聯，成為解偶聯劑。化磷酸化的偶聯，成為解偶聯劑。1. 解偶聯劑解偶聯劑40感冒或患有某些傳染病時，體溫升感冒或患有某些傳染病時，體溫升高，可能是由于細菌或病毒產生一種解高，可能是由于細菌或病毒產生一種解偶聯劑，使呼吸作用釋放的能量較多地偶聯劑，使呼吸作用釋放的能量較多地轉變成熱能，而使體溫升高。轉變成熱能，而使體溫升高。抗生素如抗生素如短桿菌肽短桿菌肽和和寡霉素寡霉

22、素也是解也是解偶聯劑。偶聯劑。41作用特點是直接干擾了由電子傳作用特點是直接干擾了由電子傳遞的高能狀態形成遞的高能狀態形成ATP的過程，結果的過程，結果使電子傳遞也不能進行。使電子傳遞也不能進行。如如抗霉素抗霉素A是抑制細胞色素是抑制細胞色素b和和c1之間的電子傳遞。之間的電子傳遞。2. 氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑42如纈氨霉素（可運送如纈氨霉素（可運送K+）、短桿菌肽）、短桿菌肽（可運送（可運送K+、Na+）等。這些抗生素可與）等。這些抗生素可與K+、Na+形成脂溶性復合物，將形成脂溶性復合物，將K+從線粒從線粒體內轉移到胞漿體內轉移到胞漿，這種，這種離子的轉移消耗生離子的轉移消耗生物

23、氧化所釋放的能量物氧化所釋放的能量，使之不能用于，使之不能用于ATP的生成。的生成。3. 離子載體抑制劑離子載體抑制劑43目前有三種假說：目前有三種假說：化學偶聯假說化學偶聯假說、結構偶聯假說結構偶聯假說和和化學滲透假說化學滲透假說，都不，都不夠理想。夠理想。 四、偶聯機制（自學）四、偶聯機制（自學）44認為電子傳遞和認為電子傳遞和ATP生成的偶聯是生成的偶聯是通過一系列連續的化學反應，形成一個通過一系列連續的化學反應，形成一個高能共價中間物。這個中間物在電子傳高能共價中間物。這個中間物在電子傳遞中形成，又裂解將其能量供給遞中形成，又裂解將其能量供給ATP的的合成。合成。無證據支持。無證據支持。 1.化學偶聯假說化學偶聯假說45電子沿呼吸鏈傳遞使線粒體內膜蛋電子沿呼吸鏈傳遞使線粒體內膜蛋白質組分發生構象變化而形成一種高能白質組分發生構象變化而形成一種高能形式，然后將能量傳遞給形式，然后將能量傳遞給F0F1ATP酶分酶分子，酶復原時形成子，酶復原時形成ATP。2.構象偶聯假說構象偶聯假說46電子傳遞使質子從線粒體內膜基質泵電子傳遞使質子從線粒體內膜基質泵到膜外液體中，形成一個跨膜到膜外液體中，形成一個跨膜H