第二篇 物质代谢及调控 代谢是生命的基本特征之一，借此实现生物体与外界环境的物质交换、自我更新及机体内环境的相对稳定 (图4- 代谢的特点：动态、有序、逐步进行、高度适应和灵敏调节。 新的物质合成 需要能量能 「释放能量谢 目的物质分解 图41代谢示意图 第4章生物氧化 学习要求 了解线粒体外其他氧化体系。 掌握生物氧化的概念，了解生物氧化与燃烧的主 讲义要点 要差异，了 生物氧化 理意义。 (一)生物氧化概述 掌握呼吸链的概念，两条呼吸链的组成成分和排 1,生物氧化的概念物质在生物体内进行的氧 列顺序。掌握氧化磷酸化的概念，熟悉偶联部位，P/0 化反应称为生物氧化，主要是指糖，脂肪、蛋白质等营 比值的概念。了解氧化磷酸化的偶联机制即化学渗 养物质在体内经分解代谢，最终生成C0,和H,0,同 透假说。熟悉影响氧化磷酸化的因素。掌握高能磷 时逐步释放能量，生成ATP供生命活动所需的过程， 酸键的概念熟悉常见的高能陵酸化合物。堂吊ATP 又称细胞氧化或细胞呼吸（表41）。 的生成方式、储存和利用过程 了解胞液中NADH氧 2.氧化反应的主要方式①加氧：②脱氢：③失 化的两种穿梭转运机制。 电子 表41生物氧化与体外氧化的异同 生物氧化 体外氧化 相同点①遵循氧化还原反应的一般规律：有加氧脱氢，失电子等。 ②氧化时的耗氧量，最终的产物，释放的能量均相同。 不同点①反应在有水、体温，近中性的细胞内进行。 ①反应在高温或高压，干燥条件下进行 ③能量逐步释放，部分以化学能方式储存、部分以热能 ③能最问大量经放转拖为光利执 ④产生的C0,和H,0是由物质中的C和H直接与 ④加水脱氢使物质间接获得氧，脱下的氢与氧结合生或水， 氧结合生成 C0,由有机酸脱发产生。 .38
３８ 第二篇 物质代谢及调控 代谢是生命的基本特征之一ꎬ借此实现生物体与外界环境的物质交换、自我更新及机体内环境的相对稳定 (图 ４￣１)ꎮ 代谢的特点:动态、有序、逐步进行、高度适应和灵敏调节ꎮ 图 ４￣１ 代谢示意图 第 ４ 章 生 物 氧 化 学 习 要 求 掌握生物氧化的概念ꎬ了解生物氧化与燃烧的主 要差异ꎬ了解生物氧化的生理意义ꎮ 掌握呼吸链的概念ꎬ两条呼吸链的组成成分和排 列顺序ꎮ 掌握氧化磷酸化的概念ꎬ熟悉偶联部位、Ｐ / Ｏ 比值的概念ꎮ 了解氧化磷酸化的偶联机制即化学渗 透假说ꎮ 熟悉影响氧化磷酸化的因素ꎮ 掌握高能磷 酸键的概念ꎬ熟悉常见的高能磷酸化合物ꎮ 掌握 ＡＴＰ 的生成方式、储存和利用过程ꎮ 了解胞液中 ＮＡＤＨ 氧 化的两种穿梭转运机制ꎮ 了解线粒体外其他氧化体系ꎮ 讲 义 要 点 (一) 生物氧化概述 １ 生物氧化的概念 物质在生物体内进行的氧 化反应称为生物氧化ꎬ 主要是指糖、脂肪、蛋白质等营 养物质在体内经分解代谢ꎬ最终生成 ＣＯ２ 和 Ｈ２Ｏꎬ同 时逐步释放能量ꎬ生成 ＡＴＰ 供生命活动所需的过程ꎬ 又称细胞氧化或细胞呼吸(表 ４￣１)ꎮ ２ 氧化反应的主要方式 ①加氧ꎻ②脱氢ꎻ③失 电子ꎮ 表 ４￣１ 生物氧化与体外氧化的异同 生物氧化 体外氧化 相同点 ①遵循氧化还原反应的一般规律:有加氧、脱氢、失电子等ꎮ ②氧化时的耗氧量、最终的产物、释放的能量均相同ꎮ 不同点 ①反应在有水、体温、ｐＨ 近中性的细胞内进行ꎮ ②在一系列酶的催化下进行ꎮ ③能量逐步释放ꎬ部分以化学能方式储存、部分以热能 释放ꎮ ④加水脱氢使物质间接获得氧ꎬ脱下的氢与氧结合生成水ꎬ ＣＯ２ 由有机酸脱羧产生ꎮ ①反应在高温或高压、干燥条件下进行ꎮ ②无须催化或无机催化剂ꎮ ③能量瞬间大量释放ꎬ转换为光和热ꎮ ④产生的 ＣＯ２ 和 Ｈ２Ｏ 是由物质中的 Ｃ 和 Ｈ 直接与 氧结合生成ꎮ
第4章生物氧化·39· (二)生成ATP的氧化体系（线粒体中） ·递氢休和电子传递体的主要功能是传递氢和电子 1.呼吸链 (2H=一2H*+2e). (1)概念：由多种酵和酶构成的递氢体和递电 ·营养物质代谢脱下的氢(NADH和FADH,),通过该 子体按一定顺序排列在线粒体内膜上形成一条使氢 体系的传递，最后与氧结合生成水，同时取动AT甲生成。 ·两条呼吸链：NADH呼吸链和FADH,呼吸继。 氧化成水并释放能量的继锁式反应体系。 (2)呼吸链的组成及排列顺序：见表42、表4.3。 表42线粒体呼吸链成分及主要功能 名称 特点 主要功能 烟酰胺脱氢酶类 以NAD*为铺酶 接受H,传递H(一个H.一个e) 黄素蛋白类 以FAD或FN为辅基 接受H,传递H(2个H) 铁硫蛋白 辅基为铁硫中心或你铁硫能(F。S) 传递单个电子 泛(CaQ) 脂溶性，能在内膜中白由扩散 传H和电子(2个,2个e) 细胞色素类 以血红素为辅基 传逆单个电子 表43线粒体呼吸链复合体 复合体 南名称 亚基 主要成分 知基 作用 复合体1 NADH-CQ还原前 39 黄素蛋白，铁硫蛋白 FMN.Fe-S 将电子从NADH+传递给泛 复合体Ⅱ玻珀酸C0不原酯 4 黄素蛋白、铁硫蛋白 FAD F-S 将中子从玻珀酸传递给衫醒 复合体Ⅲ CoQ-Crte还原酶 10Ct6、Ctcl和铁硫蛋 血红索，S 将电子从还原型泛传递给细胞色煮。 复合体VCtc氧化 13Cta利a3 血红素，C如将电子从细跑色素。传递给氧 以上组分在吸链上的被组装成四个随立的目 表44呼吸徒各传递体的排列顺序 有电子传递能力蛋白质酶复合体。 名称 排列顺序（电位由低到高顺序排列） 但泛醌和C1c均不包含在上述四种复合体中 它们是单独存在的。 NADH氧化呼吸链NADH一→复合体I CQ一复合体Ⅲ Gtc一复合体W一0 (3)呼吸链的电子传递顺序：两条呼吸链的排列 號珀酸氧化呼吸链FAD川，→复合体Ⅱ·CO→复合体Ⅲ 顺序参见表4.4和图4-2。 泛醌(CQ)是两条呼吸链的汇合点。 →Ctc→复合体W→O, 琥珀酸等 复合体I 复合体Ⅲ 复合体N NADH一FMNeS Cyt b -Fe -Cyt e-Cyt c- Cytaa-0 ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP 图4-2呼吸链组成示意图 2.氧化磷酸化 (2)氧化磷酸化的偶联部位：根据氧化还原电势 (1)氧化磷酸化概念：在生物氧化过程中，代谢 与自由能变化关系式，计算出氧化磷酸化的偶联部位 物脱下的氢和电子沿呼吸链传递过程中逐步释放能 存在于复合体I、Ⅲ、V中。因此，在NADH氧化呼吸 量，偶联驱动ADP磷酸化生成ATP。这种氧化与磷酸 链中，有三个部位可以生成AP,而在琥珀酸氧化呼 化紧密偶联的过程即称为氧化磷酸化 吸链中则只有一个部位可以生成ATP」 氧化磷酸化是体内生成ATP的主要方式 (3)P/0比值：P/0比值是指在氧化酶酸化过程
第 ４ 章 生 物 氧 化 ３９ (二) 生成 ＡＴＰ 的氧化体系(线粒体中) １ 呼吸链 (１) 概念:由多种酶和辅酶构成的递氢体和递电 子体按一定顺序排列在线粒体内膜上形成一条使氢 氧化成水并释放能量的链锁式反应体系ꎮ • 递氢体和电子传递体的主要功能是传递氢和电子 (２Ｈ ２Ｈ ＋ ＋２ｅ)ꎮ • 营养物质代谢脱下的氢(ＮＡＤＨ 和 ＦＡＤＨ２ )ꎬ通过该 体系的传递ꎬ最后与氧结合生成水ꎬ同时驱动 ＡＴＰ 生成ꎮ • 两条呼吸链:ＮＡＤＨ 呼吸链和 ＦＡＤＨ２ 呼吸链ꎮ (２) 呼吸链的组成及排列顺序:见表 ４￣２、表 ４￣３ꎮ 表 ４￣２ 线粒体呼吸链成分及主要功能 名称 特点 主要功能 烟酰胺脱氢酶类 以 ＮＡＤ ＋为辅酶 接受 Ｈꎬ传递 Ｈ(一个 Ｈꎬ一个 ｅ) 黄素蛋白类 以 ＦＡＤ 或 ＦＭＮ 为辅基 接受 Ｈꎬ传递 Ｈ(２ 个 Ｈ) 铁硫蛋白 辅基为铁硫中心或称铁硫簇(Ｆｅ￣Ｓ) 传递单个电子 泛醌(ＣｏＱ) 脂溶性ꎬ能在内膜中自由扩散 传递 Ｈ 和电子(２ 个 Ｈ ＋ ꎬ２ 个 ｅ) 细胞色素类 以血红素为辅基 传递单个电子 表 ４￣３ 线粒体呼吸链复合体 复合体 酶名称 亚基 主要成分 辅基 作用 复合体Ⅰ ＮＡＤＨ￣ＣｏＱ 还原酶 ３９ 黄素蛋白、铁硫蛋白 ＦＭＮꎬＦｅ￣Ｓ 将电子从 ＮＡＤＨ＋Ｈ ＋传递给泛醌 复合体Ⅱ 琥珀酸￣ＣｏＱ 还原酶 ４ 黄素蛋白、铁硫蛋白 ＦＡＤꎬＦｅ￣Ｓ 将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体Ⅲ ＣｏＱ￣Ｃｙｔ ｃ 还原酶 １０ Ｃｙｔ ｂ、 Ｃｙｔ ｃ１ 和铁硫蛋白 血红素ꎬＦｅ￣Ｓ 将电子从还原型泛醌传递给细胞色素 ｃ 复合体Ⅳ Ｃｙｔ ｃ 氧化酶 １３ Ｃｙｔ ａ 和 ａ３ 血红素ꎬＣｕ 将电子从细胞色素 ｃ 传递给氧 以上组分在呼吸链上的被组装成四个独立的具 有电子传递能力蛋白质￣酶复合体ꎮ 但泛醌 和 Ｃｙｔ ｃ 均不包含在上述四种复合体中ꎬ 它们是单独存在的ꎮ (３) 呼吸链的电子传递顺序:两条呼吸链的排列 顺序参见表 ４￣ ４ 和图 ４￣２ꎮ 泛醌(ＣｏＱ)是两条呼吸链的汇合点ꎮ 表 ４￣ ４ 呼吸链各传递体的排列顺序 名称 排列顺序(电位由低到高顺序排列) ＮＡＤＨ 氧化呼吸链 ＮＡＤＨ→复合体Ⅰ→ ＣｏＱ→复合体Ⅲ → Ｃｙｔ ｃ→复合体Ⅳ→Ｏ２ 琥珀酸氧化呼吸链 ＦＡＤＨ２→复合体 ＩＩ→ ＣｏＱ→复合体Ⅲ → Ｃｙｔ ｃ→复合体Ⅳ→Ｏ２ 图 ４￣２ 呼吸链组成示意图 ２ 氧化磷酸化 (１) 氧化磷酸化概念:在生物氧化过程中ꎬ代谢 物脱下的氢和电子沿呼吸链传递过程中逐步释放能 量ꎬ偶联驱动 ＡＤＰ 磷酸化生成 ＡＴＰꎮ 这种氧化与磷酸 化紧密偶联的过程即称为氧化磷酸化ꎮ 氧化磷酸化是体内生成 ＡＴＰ 的主要方式ꎮ (２) 氧化磷酸化的偶联部位:根据氧化￣还原电势 与自由能变化关系式ꎬ计算出氧化磷酸化的偶联部位 存在于复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ中ꎮ 因此ꎬ在 ＮＡＤＨ 氧化呼吸 链中ꎬ有三个部位可以生成 ＡＴＰꎬ而在琥珀酸氧化呼 吸链中则只有二个部位可以生成 ＡＴＰꎮ (３) Ｐ / Ｏ 比值:Ｐ / Ｏ 比值是指在氧化磷酸化过程
·40·生物化学与分子生物学学习纲要与同步练习 中，每消耗1ml氧原子所生成A的摩尔 为3类，详见表4-5和图4-3。 根据所消耗的 L磷酸摩尔数，可间接测出AT 表45氧化磷酸化抑制剂分类 生成量。P/0比值实质上指的是 一对电子通过氧化 类别 作用 常见物质 呼吸链传递给氧所生成ATP分子数 NADH平吸裤的P/0偵大约为25.即每消耗 呼吸链抑直接阻断氧化磷酸抑制复合体1：阿米妥 摩尔氧原子就可形成2.5摩尔ATP FADH、平吸链的 的电子传递 制 P/0值大约为15即消耗一摩尔氧原子可形成1. 合体Ⅱ：萎锈灵 摩尔ATP 抑制复合体Ⅲ：抗 经呼吸链氧化产生的A 抑制复合体N:CN~,C0C 化学反成式直接据 算得到的 解偶联剂跋坏电子传递建立外源性：2,4.二硝基苯盼 的路随质子由化 (DNP) P/0值约为2。但根我 学梯度使氧化内源性，解偶联蛋自 2.5.FADH 吸链的P 与磷酸化解得联 2057 同时抑制电 传递霉率 和ATP生 1706(1-2).111 (4)氧化磷酸化偶联机制： 化学渗透假说，电了 2)ADP的调节作用：ADP是调节人体氧化磷酸 经呼吸链传递时，将质子（）从线粒体内膜的基质 化速率的主要因素。 侧泵到胞浆侧，产生跨膜质子梯度和跨膜电位差，以 ADP T- +氧化磷酸化 此储存能量：当质子顺浓度梯度回流基质时那动AT AD →氧化磷酸化」 合酶催化ADP与无机磷酸生成ATP」 3)用状腺素的作用.调节机制.①诱导N妇K AP的合成是由一个存在于线粒体内膜上的酷 ATP酶的合成，使ATP分解成ADP+Pi,ADP增多促 复合体系完成的。这个复合体系称为ATP合，即复 氧化骑酸化进行：②诱号 解偶联蛋白基因表达，但 合体V。它由两 ~主要的部分构成。起质子通道作 物质氧化释能和产热量增加，基础代谢率提高 用的部分（疏水）称为Fo和催化ATP合成的都分（ 4)线粒体DNA突变可影响氧化磷酸化功能：线 水)称为F1。当质子通过o顺浓度梯度回流时，释放 粒体DNA(mDNA)可表达呼吸链复合体中的亚基及 的能量被F,用来合成ATP。 RNA。氧化威酸化过程中产生的自由基可造成tDNA (5)影响氧化磷酸化的因素 的室变讲而影响氧化酸化功能造成ATP生成少 )氧化磷酸化抑制剂：氧化磷酸化抑制剂可分 质子梯度 抗毒素A 一-→ 20 三氣丙雨 解偶剂 二硝 图43化学渗透假说示意图及各种氧化磷酸化抑制剂
４０ 生物化学与分子生物学学习纲要与同步练习 中ꎬ每消耗 １ｍｏｌ 氧原子所生成 ＡＴＰ 的摩尔数ꎮ 根据所消耗的无机磷酸摩尔数ꎬ可间接测出 ＡＴＰ 生成量ꎮ Ｐ / Ｏ 比值实质上指的是一对电子通过氧化 呼吸链传递给氧所生成 ＡＴＰ 分子数ꎮ ＮＡＤＨ 呼吸链的 Ｐ / Ｏ 值大约为 ２ ５ꎬ即每消耗一 摩尔氧原子就可形成 ２ ５ 摩尔 ＡＴＰꎬＦＡＤＨ２ 呼吸链的 Ｐ / Ｏ 值大约为 １ ５ꎬ即消耗一摩尔氧原子可形成 １ ５ 摩尔 ＡＴＰꎮ • ＮＡＤＨ 和 ＦＡＤＨ２ 经呼吸链氧化产生的 ＡＴＰ 数无法从 化学反应式直接推出ꎬ是用一定的方法测量、计算得到的ꎮ 根据以前的测定数值ꎬＮＡＤＨ 呼吸链的 Ｐ / Ｏ 值约为 ３ꎬＦＡＤＨ２ 呼吸链的 Ｐ / Ｏ 值约为 ２ꎮ 但根据 Ｈｉｎｋｌｅ ＰＣ 等的最新研究ꎬ ＮＡＤＨ 呼吸链的 Ｐ / Ｏ 值约为 ２ ５ꎬＦＡＤＨ２ 呼吸链的 Ｐ / Ｏ 值约 为 １ ５ꎮ 参考文献为:Ｈｉｎｋｌｅ ＰＣ Ｐ / Ｏ ｒａｔｉｏｓ ｏｆ ｍｉｔｏｃｈｏｎｄｒｉａｌ ｏｘｉｄａｔｉｖｅ ｐｈｏｓｐｈｏｒｙｌａｔｉｏｎ Ｂｉｏｃｈｉｍ Ｂｉｏｐｈｙｓ Ａｃｔａ ２００５ Ｊａｎ ７ꎻ １７０６(１￣２):１~ １１ꎮ (４) 氧化磷酸化偶联机制:化学渗透假说ꎬ电子 经呼吸链传递时ꎬ将质子(Ｈ ＋ ) 从线粒体内膜的基质 侧泵到胞浆侧ꎬ产生跨膜质子梯度和跨膜电位差ꎬ以 此储存能量ꎻ当质子顺浓度梯度回流基质时驱动 ＡＴＰ 合酶催化 ＡＤＰ 与无机磷酸生成 ＡＴＰꎮ ＡＴＰ 的合成是由一个存在于线粒体内膜上的酶 复合体系完成的ꎮ 这个复合体系称为 ＡＴＰ 合酶ꎬ即复 合体Ⅴꎮ 它由两个主要的部分构成ꎮ 起质子通道作 用的部分(疏水)称为 Ｆｏ 和催化 ＡＴＰ 合成的部分(亲 水)称为 Ｆ１ ꎮ 当质子通过 Ｆｏ 顺浓度梯度回流时ꎬ释放 的能量被 Ｆ１ 用来合成 ＡＴＰꎮ (５) 影响氧化磷酸化的因素 １) 氧化磷酸化抑制剂:氧化磷酸化抑制剂可分 为 ３ 类ꎬ详见表 ４￣５ 和图 ４￣３ꎮ 表 ４￣５ 氧化磷酸化抑制剂分类 类別 作用 常见物质 呼 吸 链 抑 制剂 直接阻断氧化磷酸 化 的 电 子 传 递 过程 抑制复合体Ⅰ:阿米妥ꎬ 鱼藤酮 抑制复合体Ⅱ:萎锈灵 抑制复合体Ⅲ:抗霉素 Ａ 抑制复合体Ⅳ:ＣＮ － ꎬ ＣＯ 解偶联剂 破坏电子传递建立 的跨膜质子电化 学梯度ꎬ使氧化 与磷酸化解偶联 外源性:２ꎬ４￣二硝基苯酚 (ＤＮＰ) 内源性:解偶联蛋白 ＡＴＰ 合成酶 抑制剂 同时抑制电子传递 和 ＡＴＰ 生成 寡霉素 ２) ＡＤＰ 的调节作用:ＡＤＰ 是调节人体氧化磷酸 化速率的主要因素ꎮ ＡＤＰ↑ → 氧化磷酸化↑ ＡＤＰ↓ → 氧化磷酸化↓ ３) 甲状腺素的作用:调节机制:①诱导 Ｎａ ＋ ￣Ｋ ＋ ￣ ＡＴＰ 酶的合成ꎬ使 ＡＴＰ 分解成 ＡＤＰ ＋ ＰｉꎬＡＤＰ 增多促 进氧化磷酸化进行ꎻ②诱导解偶联蛋白基因表达ꎬ使 物质氧化释能和产热量增加ꎬ基础代谢率提高ꎮ ４) 线粒体 ＤＮＡ 突变可影响氧化磷酸化功能:线 粒体 ＤＮＡ(ｍｔＤＮＡ)可表达呼吸链复合体中的亚基及 ＲＮＡꎮ 氧化磷酸化过程中产生的自由基可造成 ｍｔＤＮＡ 的突变进而影响氧化磷酸化功能ꎬ造成 ＡＴＰ 生成减少ꎮ 图 ４￣３ 化学渗透假说示意图及各种氧化磷酸化抑制剂
第4章生物氧化·41·9 3.ATP的转换储存和利用 B.底物水平磷酸化：在物质代谢过程中，代谢物 (1)高能化合物.在标准条件下(DH7.25℃ 分子因脱氢，脱水等作用而使能量在分子内部重新分 1mo/L)发生水解时，可释放出较大自由能（能量 布而形成高能磷酸键，然后直接转移给ADP生成 >20.92J/ml)的化合物，称为高能化合物。在高能 ATP。是体内生成ATP的次要方式。具体实例参见 化合物分子中，能释放出较多自由能的 代谢章节的糖辞解部分 为高 e ATP在能量的生成转移，储存和利用中起核心 机体内高能化合物的种类很多，其中最常见的是 作用：生物体内能量的生成，转移，储存和利用均以ATP 含高能磷酸键“-P“的化合物，称为高能磷酸化合物。 为中心，AP被哈为“能量的通用货币”，参见图4-6。 常见的高能磷酸化合物有：ATP,磷酸肌酸、乙酰CA,」 在体外DH7.0.25℃的条件下每摩尔ATP水解为 13.一硫酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸等，参见图 ADP和Pi时释放的能量为-30.5J/mol(-7.3keal 44。 mal):在生理条件下可释放能量-52.3/ml(-12.5 NH. 放能反应通过氧化磷酸化反应合成ATP 储存能量：需能反应，则通过ATP水解来提供。 OH OH UTP,CIPGTP可为糖原、磷脂、蛋白质合成提供横 量，但它们不能从物质氧化过程中直接生成，只能在核苷 H.O 二磷酸微剧的催化下，从AP中获得“-P”面生成。 CH. CDD TDCTDADD OOH UDP+ATP -UTP +ADP ATP 磷酸肌酸 CTP 磷酸肌酸作为高能键能量的储存形式，存在于需 能较多的骨酪肌、心肌和脑中。ATP充足时，通过转 CH,-( SCoA 移-P给肌酸，生成磷酸肌酸(CP)。当迅速消耗ATP 二磷酸甘油酸 酸烯醇式丙酮酸 时磷酸肌酸可将~P转移给ADP而生成AP以补 图44常见的高能醉酸化合物 充ATP的不足 (2)高能磷酸化合物ATP:生物体一切生理活动 H 所需的能量主要来自营养物质分解代谢，但这种能量 不能直接加以利用，必须转化为AP等右机高能威酸 -NH NH 化合物形式才能被利用。 HC-N +AP肌酸激影 H.C-N +ADP 休内 ATP的生成方式 CH. A氧化醉酸化：呼吸链氧化过程中释放的能到 和ADP磷酸化作用偶联形成ATP的过程，是体内生 肌酸 破酸肌酸 成ATP的主要方式（图4-5）。 图4-5高能磷酸键在ATP和磷酸肌酸之间的转移 氧化障酸化 机械能（肌收缩等 转运 成代谢 底物水平碎酸化 热能（维持体温 ADP 图4-6ATP的生成、储存与利用 4.胞液中NADH氧化磷酸化的方式线粒体内！体内膜，故线粒体外NADH所携带的氢必须通过特殊 生成的NADH可直接进入呼吸链参加氧化磷酸化过的转运机制才能进人线粒体，然后再经呼吸链进行氧 程但在胞液中生成的NADH由于不能自由诱过线粒 化酸化
第 ４ 章 生 物 氧 化 ４１ ３ ＡＴＰ 的转换储存和利用 (１) 高能化合物: 在标准条件下 ( ｐＨ７ꎬ ２５℃ ꎬ １ｍｏｌ / Ｌ) 发生水解时ꎬ可释放出较大自由能 ( 能量 >２０ ９２ｋＪ/ ｍｏｌ)的化合物ꎬ称为高能化合物ꎮ 在高能 化合物分子中ꎬ能释放出较多自由能的活泼共价键称 为高能键ꎬ用“ ~ ” 表示ꎮ 机体内高能化合物的种类很多ꎬ其中最常见的是 含高能磷酸键“ ~ Ｐ”的化合物ꎬ称为高能磷酸化合物ꎮ 常见的高能磷酸化合物有:ＡＴＰ、磷酸肌酸、乙酰 ＣｏＡ、 １ꎬ３￣二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸等ꎬ参见图 ４￣ ４ꎮ 图 ４￣ ４ 常见的高能磷酸化合物 (２) 高能磷酸化合物 ＡＴＰ:生物体一切生理活动 所需的能量主要来自营养物质分解代谢ꎬ但这种能量 不能直接加以利用ꎬ必须转化为 ＡＴＰ 等有机高能磷酸 化合物形式才能被利用ꎮ １) 体内 ＡＴＰ 的生成方式 Ａ 氧化磷酸化:呼吸链氧化过程中释放的能量 和 ＡＤＰ 磷酸化作用偶联形成 ＡＴＰ 的过程ꎬ是体内生 成 ＡＴＰ 的主要方式(图 ４￣５)ꎮ Ｂ 底物水平磷酸化:在物质代谢过程中ꎬ代谢物 分子因脱氢、脱水等作用而使能量在分子内部重新分 布而形成高能磷酸键ꎬ然后直接转移给 ＡＤＰ 生成 ＡＴＰꎮ 是体内生成 ＡＴＰ 的次要方式ꎮ 具体实例参见 糖代谢章节的糖酵解部分ꎮ ２) ＡＴＰ 在能量的生成、转移、储存和利用中起核心 作用:生物体内能量的生成、转移、储存和利用均以 ＡＴＰ 为中心ꎬＡＴＰ 被喻为“能量的通用货币”ꎬ参见图 ４￣ ６ꎮ 在体外 ｐＨ７ ０ꎬ２５℃ 的条件下每摩尔 ＡＴＰ 水解为 ＡＤＰ 和 Ｐｉ 时释放的能量为－ ３０ ５ｋＪ/ ｍｏｌ ( － ７ ３ｋｃａｌ / ｍｏｌ)ꎻ在生理条件下可释放能量－５２ ３ｋＪ/ ｍｏｌ( －１２ ５ ｋｃａｌ/ ｍｏｌ)ꎮ 放能反应通过氧化磷酸化反应合成 ＡＴＰꎬ 储存能量ꎻ需能反应ꎬ则通过 ＡＴＰ 水解来提供ꎮ ＵＴＰ、ＣＴＰ、ＧＴＰ 可为糖原、磷脂、蛋白质合成提供能 量ꎬ但它们不能从物质氧化过程中直接生成ꎬ只能在核苷 二磷酸激酶的催化下ꎬ从 ＡＴＰ 中获得“ ~Ｐ”而生成ꎮ ＧＤＰ ＋ ＡＴＰ → ＧＴＰ ＋ ＡＤＰ ＵＤＰ ＋ ＡＴＰ → ＵＴＰ ＋ ＡＤＰ ＣＤＰ ＋ ＡＴＰ → ＣＴＰ ＋ ＡＤＰ 磷酸肌酸作为高能键能量的储存形式ꎬ存在于需 能较多的骨骼肌、心肌和脑中ꎮ ＡＴＰ 充足时ꎬ通过转 移~ Ｐ 给肌酸ꎬ生成磷酸肌酸(ＣＰ)ꎮ 当迅速消耗 ＡＴＰ 时ꎬ磷酸肌酸可将 ~ Ｐ 转移给 ＡＤＰ 而生成 ＡＴＰꎬ以补 充 ＡＴＰ 的不足ꎮ 图 ４￣５ 高能磷酸键在 ＡＴＰ 和磷酸肌酸之间的转移 图 ４￣ ６ ＡＴＰ 的生成、储存与利用 ４ 胞液中 ＮＡＤＨ 氧化磷酸化的方式 线粒体内 生成的 ＮＡＤＨ 可直接进入呼吸链参加氧化磷酸化过 程ꎬ但在胞液中生成的 ＮＡＤＨ 由于不能自由透过线粒 体内膜ꎬ故线粒体外 ＮＡＤＨ 所携带的氢必须通过特殊 的转运机制才能进入线粒体ꎬ然后再经呼吸链进行氧 化磷酸化ꎮ
·42·生物化学与分子生物学学习纲要与同步练习 转运机制有两种，即α磷酸甘油穿梭和苹果酸 天冬氨酸穿梭，参见表46，图4-7和图48 表46两种穿梭的差异 名称 存在部位 进入的呼吸皓及ATP生成量 酶酸甘油穿 脑、神经、肌肉等组织 经FADH,进人FADH,吸链，生成1.5分子ATP。 苹果酸天冬氨酸穿梭 广肝等组组 经NADH进人NADH呼吸链，生成2.5分子ATP。 CH.OH 电子传递链 NADH+H CH0- FADH, NAD CH.OH CH.OH FAD CHOH CHOH CH,0-⑧ 胞浆 膜间隙 找 图47a磷酸甘油穿梭 胞液侧 基质侧 CHOHCOOH CHOHCOOH NAD NAD /CH.COOH 苹果酸 ③ COCOOH NADH+H CH.COOH (CH).COOH (CH.).COOH CH.COOH 丶NADH+F 草酰乙酸 、戊二酸 酮戊二酸 点能乙酸 ② CHNH COOH CHNH.COOH CHNH,COOH CHNHCOOH CH.)COOH CH.COOH CH.COOH (CH.)COOH 容氨酸 天冬氨酸 天冬氨酸 容氨酸 ①苹果酸脱氢酶②谷草转氨稀③α：刚戊二酸载体④酸性氨基酸载体 图48苹果酸天冬氨酸穿梭 （(三)其他不生成ATP的氧化体系 RH NADPH+H'+O. ROH NADP+H,O 除线粒体的氧化体系外，在微粒体、过氧化物酶 以上反应需要细胞色素P450(C1P 50)参与 体以及细胞其他部位还存在其他氧化体系，参与呼吸 此酶在肝和肾上腺的微粒体中含量最多，参与类 链以外的氧化过程，其特点是不伴磷酸化，不能生成 固醇激素、胆汁酸及胆色素等的生成，以及药物、毒物 ATP,主要参与体内代谢物、药物和毒物的生物转化。 的生物转化时程。 1.微粒体氧化体 主要含有细 胞色素 ·详细参见“肝的生物化学”章节的生物转化部分】 FP430 加氧酶系，该酶催化氧分子中的一个氧原子加到底物 2.过氧化物酶体中的氧化体系过氧化物酶体 分子上（使底物分子羟化）：另一个氧原子被氢（米自 中含有过氧化氢酶和过氧化物爵，催化如下反应 NADPH+Hr)还原生成水，故又称混合功能氧化南或 20，过氧化氢2H,0+0, 羟化酶。 R+H0,过氧化商RO+H.0
４２ 生物化学与分子生物学学习纲要与同步练习 转运机制有两种ꎬ即 α￣磷酸甘油穿梭和苹果酸￣ 天冬氨酸穿梭ꎬ参见表 ４￣ ６、图 ４￣７ 和图 ４￣ ８ꎮ 表 ４￣ ６ 两种穿梭的差异 名称 存在部位 进入的呼吸链及 ＡＴＰ 生成量 α￣磷酸甘油穿梭 脑、神经、肌肉等组织 经 ＦＡＤＨ２ 进入 ＦＡＤＨ２ 呼吸链ꎬ生成 １ ５ 分子 ＡＴＰꎮ 苹果酸￣天冬氨酸穿梭 心、肝等组织 经 ＮＡＤＨ 进入 ＮＡＤＨ 呼吸链ꎬ生成 ２ ５ 分子 ＡＴＰꎮ 图 ４￣７ α￣磷酸甘油穿梭 图 ４￣ ８ 苹果酸￣天冬氨酸穿梭 (三) 其他不生成 ＡＴＰ 的氧化体系 除线粒体的氧化体系外ꎬ在微粒体、过氧化物酶 体以及细胞其他部位还存在其他氧化体系ꎬ参与呼吸 链以外的氧化过程ꎬ其特点是不伴磷酸化ꎬ不能生成 ＡＴＰꎬ主要参与体内代谢物、药物和毒物的生物转化ꎮ １ 微粒体氧化体系 主要含有细胞色素 Ｐ４５０ 单 加氧酶系ꎬ该酶催化氧分子中的一个氧原子加到底物 分子上(使底物分子羟化)ꎻ另一个氧原子被氢(来自 ＮＡＤＰＨ＋Ｈ ＋ )还原生成水ꎬ故又称混合功能氧化酶或 羟化酶ꎮ ＲＨ ＋ ＮＡＤＰＨ ＋ Ｈ ＋ ＋ Ｏ２ → ＲＯＨ ＋ ＮＡＤＰ ＋ ＋ Ｈ２Ｏ 以上反应需要细胞色素 Ｐ４５０ (Ｃｙｔ Ｐ４５０)参与ꎮ 此酶在肝和肾上腺的微粒体中含量最多ꎬ参与类 固醇激素、胆汁酸及胆色素等的生成ꎬ以及药物、毒物 的生物转化过程ꎮ • 详细参见“肝的生物化学”章节的生物转化部分ꎮ ２ 过氧化物酶体中的氧化体系 过氧化物酶体 中含有过氧化氢酶和过氧化物酶ꎬ催化如下反应ꎮ ２Ｈ２Ｏ２ 过氧化氢酶 → ２Ｈ２Ｏ＋Ｏ２ Ｒ＋Ｈ２Ｏ２ 过氧化物酶 → ＲＯ＋Ｈ２Ｏ