Charpter 6 metabolism outline and biologic oxidation

一 Metabolism outline

（一） definition

新陈代谢

anabolism（同化作用）

catabolism（异化作用）

生物小分子合成为生物大分子

需要能量

释放能量

生物大分子分解为生物小分子

能量代谢

物质代谢

Common characteristics of metabolism reactions ：

1. 由酶催化，反应条件温和。2. 诸多反应有严格的顺序，彼此协调。3. 对周围环境高度适应。

（二） research methonds

1. 活体内 (in vivo) 与活体外实验 (in vitro)

2. 同位素示踪 isotopic tracing

3. 代谢途径阻断 blocking up

（三） thermodynamic law

Free energy ：生物体（或恒温恒压）用以作功的能量。在没有作功条件时，自由能转变为热能丧失。熵 entropy ：混乱度或无序性，是一种无用的能。

ΔG = ΔH - TΔS

对于 A +B ←→ C +D

ΔG°= -2.303RTlgK K=[C][D]/[A][B]

（四） 高能化合物 energy-rich compound

高能化合物

磷酸化合物

phosphate

非磷酸化合物

磷氧型

磷氮型

硫酯键化合物

甲硫键化合物

烯醇磷酸化合物

酰基磷酸化合物

焦磷酸化合物

二、高能化合物 energy-rich compound

磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起者重要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放出自由能。

一般将水解时能够释放 21 kJ /mol （ 5千卡 /mol) 以上自由能（ G’< -21 kJ / mol ）的化合物称为高能化合物。

1, 磷氧键型（— O~P)

C O

CH

O

CH2

OH

O P

O

O-

O-

P

OO-

O-

(1) 酰基 acyl 磷酸化合物

3- 磷酸甘油酸磷酸

CH3 C

O

O P

O

O-

O-

乙酰磷酸

10.1 千卡 / 摩尔

11.8 千卡 / 摩尔

H3N+ C

O

O P

O

O-

O-

氨甲酰磷酸

R C

O

O P

O

O

O-

A

酰基腺苷酸

RCH C

O

O P

O

O

O-

A

N+H3

氨酰基腺苷酸

（ 2 ）焦磷酸化合物 pyrophosphate

O-P

O

O-

N

N

N

N

NH2

O

H

H

OH

H

OH

H

OCH2O-P

O

O-

O-P

O

O-

ATP （三磷酸腺苷）

O-P

O

O-

O P

O

O-

O-

焦磷酸

7.3 千卡 / 摩尔

（ 3）烯醇式磷酸化合物

OP

O

OCOOH

C O

CH2

磷酸烯醇式丙酮酸PEP

14.8 千卡 / 摩尔

2, 氮磷键型 (N~P)

OP

O

O

NH

C NH

N CH3

CH2COOH

OP

O

O

NH

C NH

N CH3

CH2CH2CH2CHCOOH

NH2

磷酸肌酸 磷酸精氨酸10.3 千卡 / 摩尔 7.7 千卡 / 摩

尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。

3, 硫酯键型 (C~S)

R C

O

SCoA

酰基辅酶 A

4, 甲硫键型（ H3C~S ）

COO-

CH NH3+

CH2

CH2

S+H3C A

S- 腺苷甲硫氨酸

ATPATP 是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。

§2、 biologic reaction

一、 types

1 ．脱氢 dehydrogenization氧化反应 （ 1）直接脱氢

在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。

烷基脂肪酸 fatty acid 脱氢 琥珀酸 succinate 脱氢

+2H+ 2e-+

COOH

CH

CH

COOH

COOH

CH2

CH2

COOH

醇 alcohol 脱氢 乳酸脱氢酶 lactate dehydrogenase

CH3CHCOOH

OH

NAD+ NADH

CH3CCOOH

O

（ 2） water as reatant

酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。

+2H + 2e -+R C O H

O ø

R C O H

H

O H

H2OR C O

H

2 oxygen as reactant

加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化的生成水的反应。 (1), 加氧酶催化氧分子直接加入到有机分子中。 例如， 甲烷单加氧酶 CH4 + NADH + O2 CH3-OH + NAD+ + H2O (2), 氧化酶催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应

产物为水。各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。

3 ．生成二氧化碳的氧化反应

（ 1）直接脱羧作用 羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。

（ 2）氧化脱羧作用 有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧

直接脱羧

CH3CCOOH

O

CH3CHO + CO2

丙酮酸脱羧酶

（ α- 脱羧）

HOOCC H2C COOH α β丙酮酸羧化酶

CH3CCOOH + CO2

O O（ Β- 脱羧）

氧化脱羧 ：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）。

HOOCCH2CHOHCOOH CH3CCOOH + CO2

NADP+ NADPH + H+

O

二、 Characteristics of BO

1 ， inside living cell, mild environment 。

2 ， protons and electrons are carried and transported to oxygen to produce water

3 ， energy release step by step and are available 。

4， ATP are produced

§ 3 mitochondria and ATP generation

一、 respiratory chain

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所组成的传递体系的传递，最终与氧结合生成水。

由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成的这种代谢途径一般称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，称为呼吸链。

SH2

S

NAD+

NADH+ H

FMNH2

Fe S

FMNFe S

CoQ

CoQH2

£

Fe-S

Fe-S

2Cyt-Fe2+

2Cyt-Fe3+

O212

£

O2-

2H

2H

2H

2H+e-

2

2e-

H2O

CoQ

CoQH2

Cyt-Fe2+

Cyt-Fe3+

Cyt-Fe3+

Cyt-Fe2+ Cyt-Fe3+

Cyt-Fe2+ Cyt-Fe3+

Cyt-Fe2+ Cyt-Fe3+

Cyt-Fe2+

b c1 a a3c

H2OO2-

£ 1 O22

e-

2

e-

2

e-

2

e-

2

e-

2

e-

2

2H+

CH2CH2COOH

COOH FADFe*SCytb

2H

e-

2

¸´ºÏÎïI£¨NADH-·ºõ«»¹Ô ø£©

¸´ºÏÎïIII£¨·ºõ«£ ϸ°ûÉ«ËØc»¹Ô ø£©

¸´ºÏÎïIV£¨Ï¸°ûÉ«ËØcÑõ»¯Ã¸£©

¸´ºÏÎïII£¨çúçêËáÍÑÇâø£©

呼吸链（电子传递链 electron transport chain ） 根据接受氢的初受体不同，典型的呼吸链有两种： NADH呼吸链和 FADH2 呼吸链。

呼吸链中传递体的顺序

MH2 NADH

-0.32

FMN

-0.30

CoQ

+0.10

b

+0.07

c1

+0.22

c

+0.25

aa3

+0.29

O2

+0.816

FAD-0.18

鱼藤酮安密妥

抑制剂： 抗霉素 A氰化物， CO ，

叠氮化合物

FADH2

NADHQ reductase complex I

催化 NADH 的氧化脱氢以及 Q的还原。既是脱氢酶，又是还原酶。 含有辅基 FMN 和铁硫蛋白。

该酶的作用是先与 NADH 结合并将 NADH 上的 H 和电子转移给 FMN ，形成还原型 FMNH 。还原型 FMNH 进一步将电子转移给 Q。

Components of respiratory chain

Coenzyme Q 电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。又称泛醌，是脂溶性醌类 quinone

在呼吸链中作为电子和质子的传递体。

O

O

CH3O

CH3O

CH3

(CH2CH C CH2)nH

CH3

n=6-10

succinate-Q reductase complex II

催化琥珀酸的脱氢氧化和 Q的还原。琥珀酸将两个高能电子传递给 Q ，再通过 QH2-cyt.c 还原酶、 cyt.c 和 cyt.c氧化酶将电子传递到 O2。

活性部分含有辅基 FAD 和铁硫蛋白 iron-sulfur protein 。

cytochrome complex III

催化还原型 QH2的氧化和细胞色素 c （ cyt.c ）的还原。 QH2-cyt.c 还原酶 QH2 + 2 cyt.c (Fe3+) ==== Q + 2 cyt.c (Fe2+) + 2H+

主要包括细胞色素 b 和 c1，铁硫蛋白（ 2Fe-2S ）。

cytochrome

细胞色素是一类含有血红素辅基 (heme) 的电子传递蛋白质的总称 .

线粒体呼吸链中主要含有细胞色素 a, b, c 和 c1

还原型细胞色素具有明显的可见光谱吸收。 细胞色素主要是通过 Fe3+ Fe2+ 的互变起传递电子的作用的。

细胞色素 c（ cyt.c ）

电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，了解最透彻的细胞色素蛋白质。

在复合体Ⅲ（细胞色素还原酶）和复合体Ⅳ（细胞色素氧化酶）之间传递电子。

通过 Fe3+ Fe2+ 的互变起电子传递中间体作用。

cyt.c oxidase complex IV

位于线粒体呼吸链末端主要包括 cyt.a 和 a3。

cyt.a 和 a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。 cyt.aa3可以直接以 O2为电子受体。

通过电子传递将 cyt.c 所携带的电子传递给 O2。

二、 E0’ & G’

生物氧化中，氧化与还原偶联。 呼吸链中，推动电子从 NADH 传递到 O2的力，是由于 NAD+ / N

ADH + H+ 和 1/2 O2 / H2O 两个半反应之间存在很大的电势差。(1) ½ O2 + 2 H+ + 2 e- H2O E0’ = +0.82 V(2) NAD+ + H+ + 2 e- NADH E0’ = -0.322 V 将 (1) 减去 (2) ，即得 (3) 式：½ O2 + NADH + 2H+ H2O + NAD+ E0’ = +1.14 VG’ =-nF E0’ =-2 96500 1.14 = -220 kJ / mol

三、 electron transport & ATP generation

NADH或琥珀酸 (两条呼吸链）所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到 O2的过程中，释放出大量的能量。

高能电子传递过程的释能反应与 ADP 和磷酸合成 ATP 的需能反应相偶联，是 ATP 形成的基本机制。

1 、 ATP synthase complex

线粒体内膜的表面规则地排列着的球状颗粒，称为 ATP 酶复合体，是 ATP 合成的场所。

ATP 酶，含有 5种不同的亚基（按 3 、 3 、 1 、1 和 1 的比例结合）。是能量转换的通道。

与线粒体电子传递系统直接连接

2 、 oxidative phosphorylation 生物氧化的释能反应与 ADP 的磷酸化反应偶联合成 ATP 的

过程，称为氧化磷酸化。 根据氧化 -还原电势与自由能变化关系式，计算出在 NADH

氧化过程中（第一条呼吸链）， 有三个反应的 G’ 的绝对值大于 30.5 kJ/mol 。 FMNH2 Q G’ -55.6kJ/mol cyt.b cyt.c1 -34.7 kJ/mol cyt.aa3 O2 -102.1kJ/moL

这三个反应分别与 ADP 的磷酸化反应偶联，产生 3 个 ATP 。这些反应称为呼吸链的偶联部位。

从琥珀酸 O2只产生 2个 ATP （第二条呼吸链） .

types of ATP generation

ADP + Pi + 能量 → ATP

AMP + PPi + 能量 → ATP

（ 1 ）底物水平磷酸化 substrate level phosphorylation

ATP 的形成直接由一个代谢中间产物上的磷酸基团转移到 ADP 分子上的作用。

X~ + ADP → ATP + XP

推动以上反应进行的两种方式：

（ 2 ）氧化磷酸化 伴随电子从底物到氧的传递， ADP被磷酸化形成 ATP 的过程。

NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→a→a3→O2

PPP

3ADP 3ATP

P/O 比值：在氧化磷酸化中，在一定时间内所消耗的氧（以克原子计）与所产生的 ATP 数目的比值。

NADH 的 P/O=3 FADH2 的 P/O=2

FADH2

此外， ATP 的形成方式还有光合磷酸化，通过光激发导致电子传递与磷酸化相偶联合成 ATP 的过程

3 、 coupling mechanism

化学渗透假说 chemical osmosis theory 要点1 ）线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；

2 ） 在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的 H+迁移到膜外侧（膜对 H+是不通透的）。这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度 (pH) 和电位梯度（）；

3 ） 在膜内外势能差的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ ATP 酶），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动 ADP 和磷酸合成 ATP 。

Uncoupling and inhibition 有些物质使电子传递和 ATP 形成的这两个过程分离，失

去它们的紧密联系，叫解偶联剂（ uncouplers ）。解偶联剂只抑制 ATP 的形成过程，不抑制电子传递过程

如 2， 4－二硝基苯酚（ DNP ）、是常见的解偶联剂。 解偶联剂破坏质子跨膜梯度，使电子传递释放的能量

不再以 ATP 的形式贮存起来，而代之以热的形式释放出去。电子传递失去正常的控制，造成过分地利用氧和燃料底物

氧化磷酸化抑制剂如寡霉素抑制 ATP 的形成，也影响电子传递。

Oxidation of NADH generated in cytosol

Incomplete reduce of oxygen

氧由细胞色素氧化酶彻底还原需要 4个电子。如果氧发生不完全还原，就形成氧的自由基

一个电子使氧还原形成超氧阴离子 O2-.

两个电子使氧还原形成过氧化氢， H2O2

三个电子使氧还原形成羟自由基 OH.

不完全还原形式的氧反应性很强，对机体非常有害 机体的自我保护机制： 酶（超氧化物歧化酶 SOD, 过氧化氢酶，过氧化物酶） 抗氧化剂（维生素 E, 维生素 C， beta －胡萝卜素）