第七章 代谢总论与生物氧化
第一节 代谢总论
?代谢 (metabolism)—— 活细胞中所有化学
变化的总称。每一变化均为酶催化
?物质代谢
能量代谢
?中间代谢（代谢中的一系列的酶促反应）
?代谢的研究方法 —— 中间代谢的研究方
法
同位素示踪法（常用放射性同位素）
第二节 生物能学
?化学反应自发进行的条件：
?在生物化学能量学中，标准状况的
pH值规定为 7.0。 ?G 0′
?G<0
一、生物能和 ATP
1,ATP是生物能存在的主要形式
ATP是能够被生物细胞直接利用的
能量形式。
2、磷酸肌酸（磷酸精氨酸 — 无脊
椎动物）是能量的储存形式。
3,生物化学反应的自由能变化
生物化学反应与普通的化学反应
一样,也服从热力学的规律。
磷酸肌酸（ creatine phosphate,CP)的产生：
为肌肉和脑组织能量的一种储存形式。
磷酸肌酸与 ATP的转换
二、高能磷酸化合物
?高能化合物
生物化学中把水解时释放 5000
卡 /mol（ 21KJ/mol）以上 自由
能 的化合物称为高能化合物
p144 表 7-3
?高能键, ~”
? 根据生物体内高能化合物键的特性可以
把它们分成以下几种类型。
1,磷氧键型（ — O～ P)
C O
C H
O
C H 2
O H
O P
O
O
-
O
-
P
O
O
-
O
-
(1)酰基磷酸化合物
3-磷酸甘油酸磷酸
C H 3 C
O
O P
O
O
-
O
-
乙酰磷酸
10.1千卡 /摩尔11.8千卡 /摩尔
酰基磷酸化合物
H 3 N + C
O
O P
O
O -
O -
氨甲酰磷酸
R C H C
O
O P
O
O
O
-
A
N
+
H 3
氨酰基腺苷酸
（ 2） 焦磷酸化合物
O
-
P
O
O
-
N
N
N
N
N H
2
O
H
H
O H
H
O H
H
O C H
2
O
-
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
OC O O H
C O
C H 2
磷酸烯醇式丙酮酸
14.8千卡 /摩尔
2,氮磷键型
OP
O
O
N H
C N H
N C H 3
C H 2 C O O H
OP
O
O
N H
C N H
N C H
3
C H
2
C H
2
C H
2
C H C O O H
N H
2
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
O S
O
O
-
O C H
2
O
H
H
O H
H
O H
H
N
N
N H
2
N
N
O P
O
O
-
腺苷 -5’-磷酸硫酸
R C
O
S C o A
酰基辅酶 A
4,甲硫键型
C O O
-
C H N H
3
+
C H
2
C H
2
S
+
H
3
C A
S-腺苷甲硫氨酸
第三节 生物氧化
定义,有机物质在生物体细胞内的氧
化作用, 称为生物氧化 。 生物氧化
通常需要消耗氧, 所以又称为呼吸
作用 。 在整个生物氧化过程中, 有
机物质最终被氧化成 CO2和水, 并释
放出能量 。
一, 生物氧化的方式
生物氧化是在一系列氧化 -还原酶
催化下分步进行的 。 每一步反应,
都由特定的酶催化 。 在生物氧化过
程中, 主要包括如下几种氧化方式 。
1．脱氢氧化反应
（ 1） 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。
eg.琥珀酸脱氢酶
+2 H + 2 e -+
C O O H
C H
C H
C O O H
C O O H
C H 2
C H 2
C O O H
eg,乳酸脱氢酶
C H 3 C H C O O H
O H
N A D
+
N A D H
C H 3 C C O O H
O
（ 2） 加水脱氢
催化的醛氧化成酸的反应即属于这
一类 。
+2H + 2 e -+R C O H
O
? ?
R C O H
H
O H
H 2 O
R C O
H
2．氧直接参加的氧化反应
?这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应
和氧化酶催化的生成水的反应 。
?加氧酶能够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
?氧化酶主要催化以氧分子为电子受
体的氧化反应, 反应产物为水 。 在
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
氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的
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
氧化代谢中产生的有机羧酸在氧化脱
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。
二、生物氧化的特点
1,生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化
过程, 反应条件温和 （ 水溶液, pH?7,常
温 ） 。
2,氧化进行过程中, 必然伴随生物还原反应
的发生 。
3,水是许多生物氧化反应的氧供体 。 通过加
水脱氢作用直接参予了氧化反应 。
4,在生物氧化中, 碳的氧化和氢的氧化是非
同步进行的 。 氧化过程中脱下来的氢质子和
电子, 通常由各种载体, 如 NADH等传递到氧
并生成水 。
5，生物氧化是一个分步进行的过程。
每一步都由特殊的酶催化，每一步反
应的产物都可以分离出来。这种逐步
进行的反应模式有利于在温和的条件
下释放能量，提高能量利用率。
6，生物氧化释放的能量，通过与 ATP合
成相偶联，转换成生物体能够直接利
用的生物能 ATP。
第三节、线粒体呼吸链和 ATP合成
?细胞内的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。
一、线粒体呼吸链的组成
线粒体的结构
? 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。
?代谢物脱下的成对氢原子通过多种
酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传
递，最终与氧结合生成水，此传递
链称为呼吸链，又称为电子传递链 。
（一）两条主要的氧化呼吸链
(1) NADH氧化呼吸链：
NADH＋ H+→FMN→Fe -S→Q→ b→Fe -S→
c1→c→ a → a 3→O 2
(2) 琥珀酸氧化呼吸链（ FADH2氧化呼吸
链）：
琥珀酸 → FAD→Q→ b→Fe -S→c 1→c→
a→a 3→O 2
S H
2
S
N A D
+
N A D H
+ H
FM N H
2
Fe S
FM N
Fe S
C o Q
C o Q H
2
－
F e - S
F e - S
2 C y t - F e
2+
2 C y t - F e
3+
O
2
1
2
－
O 2-
2H
2H
2H
2H +
e
-
2
2 e
-
H
2
O
C oQ
C oQ H
2
C y t - F e
2+
C y t - F e
3+
C y t - F e
3+
C y t - F e
2+
C y t - F e
3+
C y t - F e
2+
C y t - F e
3+
C y t - F e
2+
C y t - F e
3+
C y t - F e
2+
b
c
1
a
a
3
c
H
2
OO
2-
－
1
O
2
2
e
-
2
e
-
2
e
-
2
e
-
2
e
-
2
e
-
2
2H +
C H
2
C H
2
C O O H
C O O H
F A D
F e *S
C yt b
2H
e
-
2
复合物 I
（ N A D H - 泛醌还原酶）
复合物 III
（泛醌－细胞色素 c 还原酶）
复合物 IV
（细胞色素 c 氧化酶）
复合物 II
（琥珀酸脱氢酶）
传递体 作用
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 （ NAD+） 递氢体
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（ NADP+） 递氢体
黄素蛋白（辅基为 FAD和 FMN） 递氢体
铁硫蛋白（ Fe-S） 单电子传递体
辅酶 Q 递氢体
细胞色素类 单电子传递体
参与生物氧化的酶类
?脱氢酶 —— 以 FMN,FAD,NAD,NADP为
辅酶的脱氢酶
?氧化酶 —— 以氧为直接受氢体的氧化
还原酶类
eg.细胞色素酶、抗坏血酸氧化酶
?加氧酶 —— 催化加氧
?传递体 —— 递氢体（传递氢原子）
递电子体（传递电子）
? 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所携带的高能电子是线粒
体呼吸链主要电子供体之一。
?FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和
质子，形成还原型 FMNH2。还原型 FMNH2可
以进一步将电子转移给 Q。
基质
铁硫蛋白
铁硫蛋白 (简写为 Fe-S)是一种与电子传递有
关的蛋白质，它与 NADH?Q还原酶的其它蛋白
质组分结合成复合物形式存在。它主要以
(2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。 (2Fe-2S)
含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫
蛋白通过 Fe3+ ? Fe2+ 变化起传递电子的作
用。
－－－－－半胱－－－－－－半胱－－－－－
S S S
F e F e
S S S
－－－－－半胱－－－－－－半胱－－－－－
? NADH?泛醌还原酶
简写为 NADH?Q还原酶,即复合物 I，它的
作用是催化 NADH的氧化脱氢以及 Q的还
原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种
还原酶。
NADH?Q还原酶
NADH + Q + H+ NAD+ +
QH2
?NADH?Q还原酶是线粒体内膜上最大
的一个蛋白质复合物。最少含有 16
个多肽亚基。它的活性部分含有辅
基 FMN和铁硫蛋白。
泛醌
（ 简写为 Q） 或辅酶 -Q（ CoQ）,它是电子传
递链中唯一的非蛋白电子载体 。 为一种脂
溶性醌类化合物 。
O
O
C H 3 O
C H 3 O
C H 3
( C H 2 C H C C H 2 ) n H
C H 3
n =6- 10
复合物 Ⅰ,将来自 NADH的电子传递给 Q
③ 泛醌 ?细胞色素 c还原酶
?简写为 QH2-cyt.c还原酶,即复合物 III,
它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合
物, 其作用是催化还原型 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+
复合体 Ⅲ （泛醌 -细胞色素 c还原酶）,2Cytb
+2Cytc1 +（ Fe-S）
?QH2-cyt.c还原酶由 9个多肽亚基组
成 。 活性部分主要包括细胞色素 b
和 c1,以及铁硫蛋白 （ 2Fe-2S） 。
细胞色素
?（ 简写为 cyt,） 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,b,c 和 c1等, 组成它们的辅基分别为
血红素 A,B和 C。 细胞色素 a,b,c可以通过
它们的紫外 -可见吸收光谱来鉴别 。
? 细胞色素主要是通过 Fe3+ ? Fe2+ 的互变起
传递电子的作用的。
④ 细胞色素 c氧化酶
?简写为 cyt.c 氧化酶，即复合物 IV，它
是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，
由 12个多肽亚基组成。活性部分主要包
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.a a3可以直接以 O2为电子受体。
?在电子传递过程中，分子中的铜离子可
以发生 Cu+ ? Cu2+ 的互变，将 cyt.c所
携带的电子传递给 O2。
复合体 Ⅳ, Cyta + Cyta3
作用：
将电子由琥珀酸转移到 Q。
组成：
由四个亚基组成，两个大亚基构成
琥珀酸脱氢酶，辅基为 FAD,Fe-S；另
两个亚基为将琥珀酸脱氢酶结合到膜上
以及使电子转移到 Q所必需。
复合体 Ⅱ （琥珀酸－ Q还原酶）
复合体 Ⅱ （琥珀酸 -泛醌还原酶）：
?琥珀酸是生物代谢过程 （ 三羧酸循
环 ） 中产生的中间产物, 它在琥珀
酸 -Q还原酶 （ 复合物 II） 催化下,
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。
琥珀酸 延胡索酸
Complex Ⅱ
（二）电子传递的抑制剂
?电子传递抑制剂（呼吸链抑制剂 ）可阻断呼
吸链的电子传递。
⒈鱼藤酮（ rotenone）、杀粉蝶菌素
（ piericidine ）、异戊巴比妥（ amobar-
bital)。阻断电子由 NADH向 CoQ的传递。
⒉抗霉素 A（ antimycin A)、二巯基丙醇
（ dimercaptopropanol,BAL)。阻断电子由
CoQH2到 Ctyc1的传递
⒊ CO,CN-,N3-,H2S。抑制 Ctyc氧化酶。
二、氧化 -还原电势与自由能的变化
?在生物氧化反应中，氧化与还原总是相
互偶联的。一个化合物（还原剂）失去
电子，必然伴随另一个化合物 (氧化剂）
接受电子。
?在线粒体呼吸链中，推动电子从 NADH传
递到 O2的力，是由于 NAD+ / NADH + H+
和 1/2 O2 / H2O两个半反应之间存在很
大的电势差。
(a) 1/2 O2 + 2 H+ + 2 e- ? H2O
E0’ = +0.82 V
(b) NAD+ + H+ + 2 e- ? NADH
E0’ = -0.322 V
将 (a) 减去 (b),即得 (c) 式：
(c) 1/2O2 + NADH + H+ ? H2O + NAD+
Δ E0’ = +1.14 V
?G?’= - n F ?E0’ =-2 ? 96500? 1.14
= -220 kJ / mol
阿密妥
三、电子传递和 ATP的合成
NADH或琥珀酸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。这种高能电子
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酶复合体
? 线粒体内膜的表面有一层规则地间
格排列着的球状颗粒, 称为 ATP酶复
合体, 是 ATP合成的场所 。
?线粒体呼吸链的电子传递过程是在
内膜上进行的。
ATP合酶（ ATP synthase)：
FOF1-ATP酶
ATP合酶，由两个主要的单元构成，即 FO和 F1。
F1由 5种不同的亚基（按 3?,3?,1?,1? 和 1?
的比例结合）组成。含有合成 ATP的催化部
位。
FO和 F1之间有一个大约 5nm的柄相连。柄包含
有两种蛋白质，即 OSCP和 F6。
OSCP为寡霉素敏感性付与蛋白。
F6为偶合因子。
F0为一个疏水蛋白，含有质子通道，是与线粒
体电子传递系统连接的部位。
（ 2） ATP合成反应 -氧化磷酸化
?生物氧化的释能反应与 ADP的磷酰化
反应偶联合成 ATP的过程, 称为氧化
磷酸化 。
?氧化磷酸化：包含底物水平磷酸化
和电子传递体磷酸化 。
?底物水平磷酸化：底物的高能磷酸
基团直接转移给 ADP生成 ATP。
?X～ P + ADP ATP + X
?氧化磷酸化,当电子从 NADH＋ H＋ 或
FADH2经电子传递体系传递给氧形成
水的同时，伴随 ADP磷酸化为 ATP，
此过程称为氧化磷酸化（电子传递
体磷酸化或偶联磷酸化）。
（ 3） P/O比值
?P/O比值是指物质氧化时，每消耗 1
摩尔氧原子所消耗的无机磷（或 ADP）
的摩尔数，即生成的 ATP的摩尔数。
?P/O比：当一对电子通过呼吸链传至
氧所产生的 ATP分子数。
NADH氧化呼吸链 —— 3 (2.5)
琥珀酸氧化呼吸链 —— 2 (1.5)
?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, 有三个
反应的 ?G?’ < -30.5 kJ / mol。
? FMNH2 ? Q cyt.b ? cyt.c1 cyt.a a3 ? O2
?G?’-55.6kJ/mol -34.7 kJ/mol -102.1kJ/moL
?这三个反应分别与 ADP的磷酰化反应偶
联, 产生 3个 ATP(2.5个 )。 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(1.5个 ).
① NADH与 Q之间
② b与 c之间。③ a,a3与 O2之间 。
(4)胞液中 NADH及 NADPH穿梭机制
?胞液中的 3-磷酸甘油醛或乳酸 脱氢, 均
可产生 NADH。 这些 NADH可经穿梭系
统而进入线粒体氧化磷酸化, 产生 H2O
和 ATP。
?磷酸甘油穿梭系统 (2或 1.5个 ATP)
主要存在于脑和骨骼肌
?苹果酸穿梭系统 (3或 2.5个 ATP)
主要存在于肝和心肌
?-磷酸甘油穿梭系统
苹果酸穿梭系统
（ 5）偶联机制
化学渗透假说 （ 1961年由 Peter Mitchell
提出 ） 的要点是：
a.线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；
b.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 （ ??） ；
c.在膜内外势能差 （ ?pH 和 ??） 的
驱动下, 膜外高能质子沿着一个特
殊通道 （ ATP酶的组成部分 ）, 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。
四、氧化磷酸化的解偶联和抑制
1、解偶联剂（ uncoupler),
使电子传递与磷酸化偶联过程相脱离。
如,2,4-二硝基苯酚
（ dinitrophenol,DNP),脂溶性，
其质子化形式和共轭碱形式可穿过线粒
体内膜 → 进入基质侧释出 H+→ 破坏电化
学梯度。
2,氧化磷酸化抑制剂：
（ 1） 作用,抑制氧的利用和抑制 ATP的
合成，但不直接抑制电子传递链上载
体的作用。
（ 2）举例,寡霉素 （ oligomycin)：
→ 抑制 ATP合成。
→ 电化学梯度 ↑→ 抑制电子传递
与寡霉素敏感蛋白（ OSCP）结合 →
阻止质子由 Fo回流