生物能學和生物氧化第1頁，課件共59頁，創作于2023年2月主要內容新陳代謝生物能學生物氧化第2頁，課件共59頁，創作于2023年2月9.1新陳代謝新陳代謝是生物與外界環境進行物質交換與能量交換的全過程，是生物體內一切化學變化的總稱，是生物體表現其生命活動的重要特征之一。

第3頁，課件共59頁，創作于2023年2月%%新陳代謝的研究方法

體內研究法：生物體在正常生理條件下，在神經、體液等調節機制下研究代謝過程，為物質中間代謝過程的明確提供了重要的依據。例如，脂肪酸的β-氧化學說的提出。體外研究法：用離體器官、組織切片、組織勻漿或體外培養的細胞、細胞器及細胞抽提物來研究代謝的過程。例如，三羧酸循環、鳥氨酸循環等。同位素示蹤法。例如用14C標記葡萄糖的C1對磷酸戊糖途徑的發現起了非常重要的作用。代謝途徑阻斷法：在試驗過程中加入阻斷劑來阻斷中間某一代謝環節，分析所得結果，推測代謝歷程。例如Krebs等用丙二酸抑制琥珀酸脫氫酶，導致琥珀酸積累，為三羧酸循環的確認提供了重要依據。第4頁，課件共59頁，創作于2023年2月生物體內能量代謝的基本規律

生物體和周圍環境既有物質交換，又有能量交換，因此，它屬于熱力學開放體系。生物體內能量代謝服從熱力學定律。熱力學第一定律是能量守恒定律，即能量不能創造也不能消滅，只能從一種形式轉變成另一種形式。生物體內的能量可以相互轉變，但生物體與環境的總能量保持不變。熱力學第二定律的核心是宇宙總是趨向于越來越無序，即向熵增大的方向進行。生物體是開放的體系，為了維持自身的有序性，不斷將生命活動中產生的正熵釋放至環境中，使環境的熵值增加，而自身保持低熵。盡管生物體是高度有序的整體，但并沒有偏離熱力學第二定律。第5頁，課件共59頁，創作于2023年2月第6頁，課件共59頁，創作于2023年2月9.2高能磷酸化合物高能鍵及高能化合物在生物體中，水解每摩爾釋放出自由能大于21kJ者稱高能化合物，被水解的化學鍵稱為高能鍵（energy-richbond），常用符號“~”表示。在生物化學中所謂的“高能鍵”指的是自由能高，而不是鍵能特別高，即指隨著水解反應或基團轉移反應可放出大量自由能的鍵。第7頁，課件共59頁，創作于2023年2月具有高能鍵的化合物的類型

1．磷氧鍵型（-O~P）酰基磷酸化合物焦磷酸化合物烯醇式磷酸化合物第8頁，課件共59頁，創作于2023年2月2．氮磷鍵型（-N~P）3．硫酯鍵型4．甲硫鍵型第9頁，課件共59頁，創作于2023年2月上述高能化合物中含磷酸基團的占絕大多數，但并不是所有含磷酸基團的化合物都是高能磷酸化合物。第10頁，課件共59頁，創作于2023年2月

ATP和其它高能磷酸化合物ATP的分子結構：三個磷酸基團、兩個高能鍵。活性形式：MgATP2-

第11頁，課件共59頁，創作于2023年2月ATP的作用和儲存ATP為即時性的能量載體。ATP在細胞酶促磷酸基團轉移中起“中轉站”的作用。ATP不是能量的貯存物質，而是能量的攜帶者或傳遞者。它可將高能磷酸鍵轉移給肌酸（C）生成磷酸肌酸（creatinephoshate，C~P）。但磷酸肌酸所含的高能磷酸鍵不能直接應用，需用時磷酸肌酸把高能磷酸鍵轉移給ADP生成ATP。磷酸肌酸是ATP高能磷酸基團的貯存庫。在骨骼肌、平滑肌、神經細胞內都存在，在肝臟、腎及其它組織中的含量卻極少。

第12頁，課件共59頁，創作于2023年2月第13頁，課件共59頁，創作于2023年2月其它作為能量直接來源的三磷酸核苷酸UTP用于多糖合成。CTP用于磷脂合成。GTP用于蛋白質合成。第14頁，課件共59頁，創作于2023年2月能荷=———————————﹝ATP﹞+0.5﹝ADP﹞

﹝ATP﹞+﹝ADP﹞+﹝AMP﹞能荷：高能狀態的腺苷酸與總腺苷酸濃度之比。能荷是細胞中ATP-ADP-AMP系統中高能磷酸化狀態的一種量度。第15頁，課件共59頁，創作于2023年2月9.3生物氧化

CO2和H2O的生成（物質的代謝）物質代謝和能量生成的偶聯（電子傳遞鏈）能量生成和ATP生成（ATPase復合體）第16頁，課件共59頁，創作于2023年2月糖類、脂肪、蛋白質等有機物質在細胞中進行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化（biologicaloxidation），又叫細胞氧化或細胞呼吸。其實質是需氧細胞在呼吸代謝過程中所進行的一系列氧化還原反應過程。第17頁，課件共59頁，創作于2023年2月脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環電子傳遞（氧化）蛋白質脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中間產物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中間產物進入三羧酸循環,氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成基本結構單位

生物氧化的三個階段第18頁，課件共59頁，創作于2023年2月生物氧化的特點生物氧化的能量是逐步釋放的。生物氧化過程產生的能量儲存在高能化合物中主要是ATP。ATP中的能量可以通過水解而被釋放出來，供給生物體的需能反應。生物氧化具有嚴格的細胞內定位。

原核生物的生物氧化是在細胞膜上進行的，真核生物的生物氧化是在線粒體中進行的。第19頁，課件共59頁，創作于2023年2月生物氧化的方式

失電子氧化反應加氧氧化反應脫氫氧化反應（琥珀酸生成延胡索酸）加水脫氫氧化反應（延胡索酸生成蘋果酸）在生物氧化中，脫氫氧化和加水脫氫氧化反應是物質氧化的主要形式。第20頁，課件共59頁，創作于2023年2月CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白質等有機物轉變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。

類型：α-脫羧和β-脫羧氧化脫羧和單純脫羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脫氫酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2R第21頁，課件共59頁，創作于2023年2月H2O的生成

代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應的氫載體所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O。從底物直接脫水。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脫氫酶例：1\2O2NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO=2H+第22頁，課件共59頁，創作于2023年2月一、線粒體結構特點二、電子傳遞呼吸鏈的概念三、呼吸鏈的組成四、機體內兩條主要的呼吸鏈及其功能ATP的產生—電子傳遞體系（呼吸鏈）第23頁，課件共59頁，創作于2023年2月一、線粒體結構第24頁，課件共59頁，創作于2023年2月線粒體的功能特點外膜對大多數小分子物質和離子可通透，內膜須依賴膜上的特殊載體選擇性地運載物質進出。基質中含有全部與有機酸氧化分解有關的酶。內膜上存在著多種酶與輔酶組成的電子傳遞鏈，或稱呼吸鏈。內膜上的ATP合成酶利用電子傳遞過程釋放的能量合成ATP，完成線粒體的供能作用。第25頁，課件共59頁，創作于2023年2月二、線粒體呼吸鏈的概念呼吸鏈（respiratatorychain）由供氫體、傳遞體、受氫體以及相應的酶系統所組成的這種代謝途徑一般稱為生物氧化還原鏈。如果受氫體是氧，則稱為呼吸鏈。線粒體基質是呼吸底物氧化的場所，底物在這里氧化所產生的NADH和FADH2將質子和電子轉移到內膜的載體上，經過一系列氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給O2生成H2O。第26頁，課件共59頁，創作于2023年2月機體中兩條主要的呼吸鏈NADH氧化呼吸鏈琥珀酸（FADH2)氧化呼吸鏈第27頁，課件共59頁，創作于2023年2月NADH氧化呼吸鏈

是細胞內最主要的呼吸鏈，因為生物氧化過程中絕大多數脫氫酶都是以NAD+為輔酶，當這些酶催化代謝物脫氫后，脫下來的氫使NAD+轉變為NADH，后者通過這條呼吸鏈將氫最終傳給氧而生成水。NADH呼吸鏈各成員的排列見圖第28頁，課件共59頁，創作于2023年2月琥珀酸(FADH2）氧化呼吸鏈

這個呼吸鏈由琥珀酸脫氫酶復合體、CoQ和細胞色素組成。其中琥珀酸脫氫酶復合體包括FAD、鐵硫中心和另一種細胞色素b（稱為b558）。琥珀酸氧化呼吸鏈的電子傳遞途徑如圖：第29頁，課件共59頁，創作于2023年2月三、呼吸鏈的組成復合物Ⅰ：NADH-CoQ還原酶（NADH脫氫酶）復合物Ⅱ：琥珀酸-CoQ還原酶（琥珀酸脫氫酶）復合物Ⅲ：CoQ-細胞色素c還原酶復合物Ⅳ細胞色素氧化酶其中NADH呼吸鏈由復合物I、復合物Ⅲ、復合物Ⅳ、泛醌、細胞色素c組成；FADH2呼吸鏈是由復合物Ⅱ、復合物Ⅲ、復合物Ⅳ、泛醌、細胞色素c組成。第30頁，課件共59頁，創作于2023年2月電子傳遞鏈標準氧化還原自由能變化NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等復合物II復合物IV復合體I復合物IIINADH脫氫酶細胞色素C還原酶細胞色素C氧化酶琥珀酸-輔酶Q還原酶-0.2-0.400.20.40.60.8E0/V第31頁，課件共59頁，創作于2023年2月復合物ⅠNADHQ還原酶,即復合物I，它的作用是催化NADH的氧化脫氫以及Q的還原，在電子傳遞鏈中共有3個質子泵，該酶是第一個質子泵。黃素酶：輔基為FMN、FAD，均能脫氫和加氫，為遞氫體和電子傳遞體，能傳遞2個H+和2個e-。鐵硫蛋白是一種與電子傳遞有關的蛋白質，它與NADHQ還原酶的其它蛋白質組分結合成復合物形式存在，通過Fe3+Fe2+變化起傳遞電子的作用。泛醌是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為一種脂溶性醌類化合物。很容易接受電子和質子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出電子和質子，重新氧化成Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質子的傳遞體。第32頁，課件共59頁，創作于2023年2月復合物II琥珀酸-Q還原酶（復合物II）的作用是催化琥珀酸的脫氫氧化和Q的還原。第33頁，課件共59頁，創作于2023年2月復合物III簡寫為QH2-cyt.c還原酶,即復合物III,它是線粒體內膜上的一種跨膜蛋白復合物，其作用是催化還原型QH2的氧化和細胞色素c（cyt.c）的還原。

QH2-cyt.c還原酶由9個多肽亞基組成。活性部分主要包括細胞色素b和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。第34頁，課件共59頁，創作于2023年2月復合物IV

細胞色素屬于色蛋白類的結合蛋白質，輔基是鐵卟啉的衍生物，因其有顏色又普遍存在于細胞內，故稱為細胞色素。根據其結構與吸收光譜的不同可將細胞色素分為a、b和c三類。細胞色素屬于電子傳遞體。細胞色素c的結構示意圖第35頁，課件共59頁，創作于2023年2月ATP的生成與調節底物水平磷酸化電子傳遞氧化磷酸化線粒體外NADH的氧化磷酸化

第36頁，課件共59頁，創作于2023年2月底物水平磷酸化

底物水平磷酸化是指代謝物在氧化分解過程中，有少數反應步驟由于脫氫或脫水而引起分子內部能量重新分布，形成了某些高能磷酸鍵，它可轉移給ADP形成ATP的過程。第37頁，課件共59頁，創作于2023年2月氧化磷酸化

代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用于合成ATP（即ADP+Pi→ATP）,這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯的過程稱氧化磷酸化。ADP+PiATP+H2O生物氧化過程中釋放出的自由能第38頁，課件共59頁，創作于2023年2月第39頁，課件共59頁，創作于2023年2月磷氧比（P/O

）呼吸過程中無機磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值稱為磷氧比。P/O的數值相當于一對電子經呼吸鏈傳遞至分子氧所產生的ATP分子數。NADHFADH2O212H2OH2O例NADH呼吸鏈：P/O~3（2.5）ADP+PiATPFADH2呼吸鏈：P/O~2（1.5）O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP第40頁，課件共59頁，創作于2023年2月氧化磷酸化的偶聯部位注意：生物氧化的能量是通過氫離子轉換的

在NADH呼吸鏈，通過氧化磷酸化產生能量的有3個部位（見圖）。從NADH來的一對電子傳遞到氧上，經過這3個偶聯部位，生成3分子ATP（復合物1、2、3）。第41頁，課件共59頁，創作于2023年2月氧化磷酸化的偶聯機理

化學偶聯假說：在1953年提出的，認為在電子傳遞過程中生成高能中間物，再由高能中間物裂解釋放的能量驅動ATP的合成。構象偶聯假說：于1964年提出的，認為電子傳遞使線粒體內膜的蛋白質構象發生變化，推動了ATP的生成。化學滲透假說得到廣泛的實驗支持，榮獲了1978年的諾貝爾化學獎。但化學滲透假說未能解決H+被泵到膜間的機制和ATP合成的機制。第42頁，課件共59頁，創作于2023年2月內膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基質膜間隙電子傳遞鏈

電子傳遞的自由能驅動H+從線粒體基質跨過內膜進入到膜間隙，從而形成H+跨線粒體內膜的電化學梯度，這個梯度的電化學勢(ΔH+)驅動ATP的合成。化學滲透假說

(chemiosmotichypothasis)第43頁，課件共59頁，創作于2023年2月化學滲透假說原理示意圖4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高質子濃度H2O2e-+++++++++__________質子流線粒體內膜磷酸化

氧化

第44頁，課件共59頁，創作于2023年2月線粒體電子傳遞和H+排出的數目和途徑H2O2H+CytcCytcCytcQFMNFeSFeSCytc1CytbKCytbrCytaFeSCyta32e-2e-NADH+H+NAD+O2+2H+H2O4H+4H+2H+復合物III12第45頁，課件共59頁，創作于2023年2月以P/O值為依據計算氧化磷酸化產生的ATP分子數并不準確，而應考慮一對電子經過呼吸鏈到O2，有多少質子從線粒體基質泵出，因為ATP的生成與泵出的質子數有定量關系。每對電子通過復合物Ⅰ有4個質子從基質泵出，通過復合物Ⅲ有2個質子從基質泵出，通過復合物Ⅳ有4個質子從基質泵出。合成1分子ATP需要3個質子通過ATP合成酶返回基質來驅動，同時，生成的ATP從線粒體基質進入胞質還需要消耗1個質子來運送，所以，每產生1分子ATP需要4個質子。因此，一對電子從NADH到O2將產生2.5分子ATP，而一對電子從FADH2到O2將產生1.5分子ATP。第46頁，課件共59頁，創作于2023年2月合成ATP的酶系

鑲嵌在線粒體內膜上合成ATP的酶系是一個復合物，稱為ATP合成酶或稱F0－F1ATP酶。它由兩個主要部分F0和F1再加柄連接而構成。F1即偶聯因子，呈球形，通過一個柄（由蛋白質組成）接到包埋在線粒體內膜的柄底F0上，故又稱三聯體。第47頁，課件共59頁，創作于2023年2月線粒體ATP合酶第48頁，課件共59頁，創作于2023年2月氧化磷酸化的抑制劑一些化合物對氧化磷酸化有抑制作用，根據其作用機制不同，分為解偶聯劑、磷酸化抑制劑和電子傳遞抑制劑。第49頁，課件共59頁，創作于2023年2月解偶聯劑解偶聯劑是指使氧化磷酸化電子傳遞過程和ADP磷酸化為ATP過程不能發生偶聯反應的物質。對電子傳遞過程沒有抑制作用，但抑制ADP磷酸化生成ATP的作用，使產能過程和貯能過程相脫離，使電子傳遞產生的自由能都變為熱能。目前已發現了多種解偶聯劑，如2，4-二硝基苯酚（2,4-DNP）、雙香豆素等。第50頁，課件共59頁，創作于2023年2月氧化磷酸化抑制劑作用特點抑制氧的利用又抑制ATP的形成，但不直接抑制電子傳遞鏈上載體的作用。氧化磷酸化抑制劑的作用是直接干擾ATP的生成過程，結果使電子傳遞不能進行。寡霉素屬于這類抑制劑。實驗表明：當在線粒體懸浮液中，加入寡霉素后，再加入ADP，不見有刺激活性的作用發生，這時若加入DNP解偶聯試劑，則可看到呼吸作用立即加快，表明寡霉素對利用氧的抑制作用可被解偶聯試劑解除。第51頁，課件共59頁，創作于2023年2月電子傳遞抑制劑阻斷電子傳遞鏈上某一部位的電子傳遞的物質。由于電子傳遞阻斷使物質氧化過程中斷，磷酸化則無法進行，故電子傳遞抑制劑同樣也可抑制氧化磷酸化。魚藤酮、阿密妥、粉蝶霉素A等，該類抑制劑專一結合于NADH-CoQ還原酶中的鐵硫蛋白上，從而阻斷電子傳遞。抗霉素A具有阻斷電子從細胞色素b到細胞色素c1的傳遞作用。氰化物（CN－）、CO及N3－等，該類抑制劑可與氧化型的細胞色素氧化酶牢固地結合，阻斷電子傳至氧的作用。第52頁，課件共59頁，創作于2023年2月電子傳遞抑制劑

NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸復合物II復合物IV復合物I復合物III魚藤酮安密妥抗霉素A氰化物CO抗霉素A的抑制部位NADFPQbcaa3NADFPQbcaa3呼吸鏈的比擬圖解第53頁，課件共59頁，創作于2023年2月線粒體外NADH的氧化磷酸化作用蘋果酸—天冬氨酸穿梭系統異檸檬酸穿梭系統磷酸甘油穿梭系統

酵解（細胞質）氧化磷酸化（線粒體）第54頁，課件共59頁，創作于2023年2月磷酸甘油穿梭作用胞液中的NADH在α–磷酸甘油脫氫酶（輔酶為NAD+）催化下，將磷酸二羥丙酮還原生成α-磷酸甘油