第八章 代谢总论与生物氧化
第一节 新陈代谢的有关概念
第二节 代谢的发生过程
第三节 中间代谢的实验研究方法
第四节 生物氧化概述
第五节 ATP与其它高能化合物
第六节 三羧酸循环
第七节 呼吸链与氧化磷酸化
本本本 课课课 件件件 由由由 西西西 华华华 大大大 学学学 生生生 物物物 工工工 程程程 学学学 院院院 车车车 振振振 明明明 制制制 作作作
第一节 新陈代谢的有关概念
一、新陈代谢的概念,
新陈代谢是生物体最基本的特征，
是生命存在的前提。
1.狭义概念,是指细胞内所发生的酶
促反应过程,称为中间代谢 。 这是代
谢活动的主体，也是代谢研究的主要
内容。
2.广义概念,是生物与外界环境进行
物质与能量交换的全过程 。即：生物
体内所经历的一切化学变化。包括消
化、吸收、中间代谢及排泄等阶段。
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新陈代谢包括生物体内所发生的一切合成
和分解作用。一方面，生物体不断从周围
环境中摄取物质，通过一系列生化反应，
转变为自己的组成部分；另一方面，将原
有的组成成分经过一系列生化反应，分解
成不能在利用的物质排出体外，不断地进
行自我更新。生物体通过新陈代谢所产生
的生命现象是建立在合成代谢与分解代谢
矛盾对立和统一的基础上的，它们之间既
相互联系、相互依存，又相互制约。
合成代谢
分解代谢
物
质
代
谢
能
量
代
谢
新
陈
代
谢
新陈代谢图解
（同化作用）
（异化作用）
小分子 大分子
需要能量
释放能量
大分子 小分子
二、新陈代谢的内容
1.物质代谢和能量代谢
（ 1） 物质代谢,重点讨论各种生理活性物
质（如糖、蛋白质、脂类、核酸等）在细
胞内发生酶促反应的途径及调控机理，包
含旧分子的分解和新分子的合成；
（ 2） 能量代谢,重点讨论光能或化学能
在细胞内向生物能（ ATP） 转化的原理和
过程，以及生命活动对能量的利用。
能量代谢和物质代谢是同一过程的两个
方面，能量转化寓于物质转化过程之中，
物质转化必然伴有能量转化。
（ 1） 合成代谢 活细胞从外环境中取
得原料合成自身的结构物质、贮存物
质、生理活性物质及各种次生物质的
过程是合成代谢，也叫生物合成 。 是
需要供应能量的过程。
（ 2） 分解代谢 有机物质在细胞内发生
分解的作用过程。分解过程中的许多
中间产物可供作生物合成的原料。伴
随分解代谢释放出化学能并转化为细
胞能够利用的生物能（ ATP）。
合成代谢和分解代谢相辅相成，有
机地联系在一起，构成中间代谢的统
一整体。
2.合成代谢与分解代谢
3.代谢途径
无论物质代谢还是能量代谢，分
解代谢还是合成代谢，一般都是由多
种酶催化的连续反应过程。所谓代谢
途径就是细胞中由相关酶类组成的完
成特定代谢功能的连续反应体系。细
胞中具有某种代谢途径也就是指具有
其酶系。代谢途径的组成可简单示意
如下,
P S ? ?? 1E A ? ?? 2E B ? ?? 3E C ? ?? 4E D ? ?? 5E
式中 S代表代谢底物,P代表产物，
E代表酶。从 S到 P之间的一系列过渡产
物称为中间产物 。 底物、中间产物、
终产物统称为代谢物 。 不同代谢途径
所具有的相同的中间产物称为公共中
间产物。通过公共中间产物可实现途
径间的互相联系，调节代谢物质的流
向，维持细胞中各种物质的代谢平衡。
4.生物的营养类型
自然界中的生物根据其所利用的
碳源和能源，可分为不同的营养类型。
（ 1） 自养与异养,
碳源是为细胞生物合成提供碳素营养
的物质。有些生物利用无机物二氧化
碳作为碳源，这类生物称为 自养生物 。
有些生物需要现成的有机物作为碳源，
称之为 异养生物 。
（ 2） 光能与化能,
生物体能够利用的能源主要有光
能和化学能。根据不同生物对能源的
要求，可分为光能营养型和化能营养
型。
光能营养型 是直接利用光能，通
过光合磷酸化作用合成 ATP； 化能营
养 型是利用现成有机物或无机物，通
过氧化磷酸化反应合成 ATP。
生物营养类型
营养类型 碳源 能源 电子
供体
生物
举例
自
养
型
光能自养 CO2 光 H2O等 植物
化能自养 CO2 无机物
氧化
H2,S 氢细
菌
异
养
型
光能异养 有机
物
光 有机
物
藻类
化能异养 有机
物
有机物
氧化
有机
物
动物
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四种营养类型中,光能自养型和
化能异养型占绝大多数 。另两种营养
类型相对较少。还应指出，有些高等
生物的所有细胞并非都属于同一营养
类型。例如，高等植物叶子是光能自
养，而根部则为化能异养型。叶绿细
胞在日光中为光能自养型，在黑暗中
又为化能异养型。
（ 3） 需氧与厌氧,
不同生物对分子氧的依赖关系也
有很大区别，据此可分为需氧生物、
厌氧生物和兼性生物。
需氧生物 是在有氧条件下才能维
持代谢的生物。其代谢活动需要以分
子氧（ O2） 作为有机物氧化反应的
电子受体。
厌氧生物 是在无分子氧的环境中
生活的，以无机物或有机物为电子受
体，不能用 O2作为电子受体，而且
分子氧（ O2） 对绝对厌氧生物会有
毒害作用。
兼性生物 在有氧、无氧条件下都
能生存，有氧时利用氧，无氧时能利
用某些氧化型有机物作为电子受体。
第二节 代谢的发生过程
一、分解代谢的一般过程
几乎所有生物都具有分解利用有
机物的能力。总览有机营养物质（糖、
脂、蛋白质）分解代谢的发生过程，
可以分为四个阶段。
?生物大分子的降解阶段
?单体分子初步分解阶段
?乙酰基完全分解阶段
?氢的燃烧阶段
1.生物大分子的降解阶段。 外源生物
大分子通过消化作用降解，内源生物
大分子通过胞内酶催化降解，分解为
其单体分子，即多糖分解为己糖或戊
糖，蛋白质分解为氨基酸，脂肪分解
为甘油和脂肪酸等。这些降解反应途
径都很短，仅有几种酶催化，不产生
可利用的能量。
2.单体分子初步分解阶段。 细胞都具有
特定的分解代谢途径，分别将单糖、
氨基酸、脂肪酸等单体分子进行不完
全分解。如糖的 EMP途径、脂肪酸的
β -氧化，等等。各种单体分子不管其
结构和性质差别多大，经过第二阶段
的有关代谢途径都能巧妙地被降解成
少数几种中间产物，主要是乙酰 CoA。
因此，第二阶段起到了殊路同归、把
多形性的底物分子向一体化结构集中
的作用，为最后纳入同一代谢途径进
行完全分解创造了条件。
3.乙酰基完全分解阶段。 三羧酸循环
途径是各种营养物质分解所生成的乙
酰基集中燃烧的公共途径。经过三羧
酸循环，乙酰基完全分解，碳原子氧
化成二氧化碳，并有少量能量释放，
生成 ATP。 大量的化学能以氢原子对
2H（ 2H+ ＋ 2e） 的形式转入还原型
辅酶分子。还原型辅酶再将氢原子对
送入呼吸链进行氧化放能。
4.氢的燃烧阶段。 这是有机物氧化分
解的最后一个环节。主要包括电子传
递过程和氧化磷酸化作用。在线粒体
内膜上由多种色素蛋白组成的呼吸链
是使第二、三阶段生成的氢原子对
（ 2H + ＋ 2e） 完全氧化的组织体系，
也是细胞中有机物氧化分解释放能量
的主要部位。
二、合成代谢的一般过程
生物合成包括组建生物大分子所
需单体分子的合成、生物大分子的合
成、细胞结构的组建、生理活性物质
及次生物质的合成等。所有生物合成
都是需能酶促反应过程。需要由核苷
三磷酸，主要是用 ATP供能，所有生
物合成过程都需还原型辅酶 （ NADPH）
供应还原力。
除了营养贮存物质的合成之外，
一般正常生理状态下的生物合成都遵
守细胞经济学的原理，用多少，合成
多少。合成途径的启、闭、快、慢都
受细胞调节系统调节。
不同生物类群的生物合成能力有
所不同，所用的原材料和能量来源也
不尽相同。但是，一切活细胞都需要
自行合成本身所需要的种种生物大分
子。
合成代谢一般可以分成三个阶段：
原料准备、单体分子合成、生物大分
子合成。
生物合成所需的碳源、氮源、能
量和还原力（ NADPH） 主要通过分解
代谢供应。从这种意义上来讲，分解
代谢可以视为合成代谢的原料准备阶
段。
自养生物所需要的单糖、脂肪酸、
氨基酸、核苷酸等各种单体分子及其
他生理活性物质，生物自身都能合成。
高等动物和人体有几种氨基酸和脂肪
酸及维生素等生理活性物质，自身不
能合成，需要靠植物和微生物供给。
微生物的生物合成能力差别很大。凡
自身不能合成的单体分子则为其生长
限制因子，必须由外界供给。
对于异养生物而言，分解代谢是
生物合成的先决条件。只有充足的营
养源被分解，才能为生物合成供应必
需的原料和能量。
第三节 中间代谢的实验研究方法
中间代谢的研究内容很多，研
究目的不同，所用的生物材料和实
验方法也不相同。为探讨代谢途径
及其调节机理，动物、植物、微生
物材料都可以作为实验对象。
根据实验材料的水平，常将实验
分为活体内实验和活体外实验。
1.活体内实验（整体实验）
用整体生物材料或高等动物离体
器官或微生物细胞群体进行中间代谢
实验研究称为 活体内实验 。
（一）活体内实验和活体外实验
实验结果代表生物体在正常生理
条件下整体代谢情况, 比较接近生物
体的实际 。
典型例子,1904年, 德国化学家
Knoop提出的脂肪酸 β -氧化学说 。
2.活体外实验
用从生物体分离出来的组织切片，
组织匀浆或体外培养的细胞、细胞器
及细胞抽提物进行中间代谢实验研究
称为 活体外实验 表示。
典型例子：糖酵解、三羧酸循环、
氧化磷酸化等。
探讨物质代谢途径的常用方法
有：代谢平衡实验、代谢障碍实验、
代谢物质标记追踪实验、特征性酶
鉴定实验、核磁共振波实验等。其
中 最有效的是代谢物质标记追踪实
验和核磁共振实验。
（二）代谢途径的探讨方法
1.代谢平衡实验
通过活体内实验研究代谢物摄入和
产出排出的平衡关系，可以了解对代
谢物的利用能力及产物生成情况。
例如测定, 呼吸商, （ R.Q.） 可
以判断体内能量利用情况。
R.Q.=产 CO2量（升） /耗 O2量（升）
糖类物质 R.Q为 1,脂肪 R.Q为 0.7，
蛋白质 R.Q为 0.8。 人体正常代谢时, R.Q
介于 0.85-0.95之间, 说明三大营养物质
同时发生了氧化分解 。
饥饿状态下,R.Q？
糖尿病人,R.Q？
问题：若测得生物材料的 R.Q接近 1,则
表明能量主要来自于何类物质分解？
2.代谢障碍实验（代谢途径阻断实验）
正常生物体的中间代谢过程中，
中间产物不会过多积累，不容易进行
分析研究；若用适当方法造成代谢障
碍，阻断代谢途径，则使中间产物积
累，便于进行分析研究。
阻断代谢途径的方法有：造成微
生物营养缺陷性、使用抗代谢物、专
一性抑制剂等。
(1)微生物营养缺陷性（微生物基因突
变型）
采取诱变剂使微生物的基因发生
突变，从而造成某种酶缺损，代谢途
径中断，缺损酶前面的中间产物会大
量积累，致使细胞中该种物质含量增
高，便于进行分析研究。
应用实例：乳糖的代谢机理。
优点：容易突变；经济；简便等
（ 2）使用抗代谢物
抗代谢物，又叫代谢拮抗物，或
代谢物结构类似物。其分子结构与代
谢物的分子结构类似。
实质：竞争性抑制剂。
例子：丙二酸是琥珀酸的抗代谢
物，能对琥珀酸脱氢酶发生很强的竞
争性抑制作用，造成代谢中间产物
,琥珀酸, 积累，从而证明了 TCA循
环中有生成琥珀酸这一反应步骤。
（ 3）酶的专一性抑制剂
例子：碘乙酸是巯基酶的专一性
抑制剂，可抑制酵母的酒精发酵，造
成 3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮积累。
由此证明了酵解途径中 1,6-二磷酸果
糖是三三裂解生成了三碳糖。
（ 4） 利用药物造成异常动物实验
（ 病变动物法 ）
用人工方法使动物发生某一过程
的代谢障碍, 然后给以一定量受试物
质, 研究其中间代谢过程 。
例子 1：研究维生素缺乏症，可给以缺乏某
种维生素的饲料，若干天后观察其病变情
况，在加入该种维生素，观察其症状有否
好转，从而确定该种维生素的功能。
例子 2：, 人工糖尿病, 。例子 3：生糖氨
基酸；生酮氨基酸
3.代谢物标记追踪实验
将代谢底物分子适当, 标记,,
然后追踪, 标记, 在细胞中的去向，
就可以了解底物分子在中间代谢中经
过什么中间产物，生成了什么终产物。
这是探索代谢途径最有效的方法。
标记方法有：化学标记法、同位
素标记法。
（ 1）化学标记法
1904年，德国 F.Knoop首次用苯
环标记脂肪酸探讨中间代谢途径，提
出著名的脂肪酸 β -氧化学说。
缺点：化学标记法使天然代谢物
分子结构和理化性质发生了改变，这
可能给正常代谢途径造成某些影响。
（ 2）同位素标记法
1941年,Rudolf Schoenheimer首
次采用同位素标记法进行实验。
同位素种类,稳定同位素 和 放射
性同位素 。
二者区别：是否衰变、是否有射线。
常用的稳定同位素有：重氢（ 2H
或 D）,15N,13C,18O等。
用, 稳定性同位素, 标记的化合物
可用质谱仪定量测定，也可用超离心
法分离鉴定。
根据放射线同位素衰变时放出的射
线性质，可以用专门仪器或专用方法
测定。常用的放射性同位素有氘（ T或
3H）,14C,32P,34S,131I。
优点,
1）同位素标记法特异性强，灵敏度高，
测定方法简便。
2） 放射性同位素分析方法比稳定同位
素更方便, 灵敏, 应用更普遍 。
缺点,放射性同位素对人体有毒害,
某些同位素的半衰期长, 容易造成环
境污染, 所以需要在专门的同位素实
验时进行 。
4.测定特征性酶
每条代谢途径都有其特征性酶，
它的存在就表明该代谢途径存在。
例如：糖代谢途径中的特征酶,
EMP途径：醛缩酶
HMP途径,6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶
TCA途径：柠檬酸合成酶
5.核磁共振波谱法（ nuclear magnetic
resonance spectroscopy,简称 NMR）
核磁共振谱可反映分子中各个原
子所处的状态。由布洛赫和巴塞尔于
1948年建立，因此获得 1952年诺贝尔
奖。
应用最多的有 13C谱,19F谱,31P
谱和 15N谱。
特点：样品不受破坏，且能最真
实地反映机体内的化学反应情况。
第四节 生物氧化概述
一、生物氧化
1.定义：有机物在生物细胞内进行氧
化分解而生成 CO2和 H2O并释放能量
的过程。又称细胞氧化或细胞呼吸 。
2.本质：生物氧化是发生在生物体
内的氧化还原反应,因而具有氧化还
原反应的共同特征 。 并且物质被氧
化时总伴随能量的释放 。
3.特点：生物氧化是在活细胞内进行的,它
与体外的直接氧化相比又有许多不同的特
点,
?有机物在生物体内完全氧化与在体外燃
烧而被彻底氧化,在本质上是相同的,最终
的产物都是 CO2和 H2O,同时所释放能量的
总值也相等；
? 生物氧化在常温、常压、接近中性的
pH和多水环境中进行；是在一系列酶、
辅酶和中间传递体的作用下逐步进行的；
?氧化反应分阶段进行,能量逐步释放,既避
免了能量骤然释放对机体的损害,又使得生
物体能充分、有效地利用释放的能量；
?生物氧化过程中释放的化学能通常被偶
联的磷酸化反应所利用,贮存于高能磷酸化
合物 (如 ATP)中,当生命活动需要时再释放
出来。
4.类型：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
括如下几种氧化类型,
5.酶类：催化生物氧化的酶习惯上分
为不需氧脱氢酶、需氧脱氢酶、氧化
酶、过氧化氢酶和电子递体。
（ 1） 不需氧脱氢酶类,直接作用于底
物，使之脱氢氧化，但不以氧作为直
接受氢体的酶。是生物氧化反应中的
主要酶类。
还原型底物
SH2
氧化型底物
S
氧化型辅酶
还原型辅酶
还原型受体
氧化型受体
不需氧脱氢酶
（ 2） 需氧脱氢酶类,直接作用于底
物，使之脱氢氧化，并且需要以氧作
为直接受氢体的酶。反应生成过氧化
氢。
还原型底物
SH2
氧化型底物
S
氧化型辅酶
还原型辅酶
O22-
O2
需氧脱氢酶
H2O2
2e
2H+
（ 3） 氧化酶类,不能从底物上脱氢，
只能夺取底物上的电子对，并激活氧
分子生成水。
还原型底物
SH2
氧化型底物
S
2Cu2+
2Cu+
1/2O22-
1/2O2
氧化酶
H2O
2e
2H+
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（ 4） 电子递体, 专门负责传递不需
氧脱氢酶脱下来的电子（有的也传递
质子）的酶类（祥见呼吸链）。
H2O
1
2 O2
O2-
MH2
还原型代
谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b- c- c1 -aa3 Fe S
2H+
M
氧化型代
谢底物
2e
6,CO2的生成：糖、脂、蛋白质等有机物
转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催
化下脱羧而生成 CO2。
类型,α -脱羧和 β -脱羧
氧化脱羧和单纯脱羧
CH3COSCoA+CO2 CH3-C-COOH
O
丙酮酸脱氢酶系
NAD+ NADH+H+ CoASH
例,
+CO2 H2N-CH-COOH
R
氨基酸脱羧酶 CH
2-NH2
R
7.H2O的生成：代谢物在脱氢酶催化下
脱下的氢由相应的氢载体（ NAD+、
NADP+,FAD,FMN等）所接受，再
通过一系列递氢体或递电子体传递给氧
而生成 H2O 。
CH3CH2OH CH3CHO
NAD+ ADH+H+
乙醇脱氢酶
例,
NAD+
电子传递链
H2O
2e
O=
2H+
1\2 O2
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二、自由能和氧化还原电位
1.自由能
自由能 (G),指一个反应体系中能够做功的
那部分能量。
自由能的变化 (ΔG ),产物的自由能与反应
物的自由能之差，与反应转变过程无关。
标准自由能的变化 (ΔG 0),298K，
101.3KPa,反应物浓度为 1mol/L,pH=0。
生化反应中标准自由能的变化 (ΔG 0’)：
298K,101.3KPa,反应物浓度为 1mol/L，
pH=7。
?ΔG<0
?ΔG=0
?ΔG>0
反应达到 平衡
放能，反应 自发 进行
吸能，反应 不能自发 进行
在 A B中,
ΔG= Δ B－ ΔA
自由能的概念对于研究生物化学
过程具有很重要的意义，生物体用于
作功的能量正是体内化学反应释放的
自由能，生物氧化释放的能量也正是
为有机体利用的自由能。它不仅可以
用来判断机体内某一过程能否自发进
行，而且还可以利用自由能这个函数
来计算反应的其它有用参数。
在反应 A＋ B C+D中自由能
变化是标准自由能变化与平衡常数
的函数,
? ?? ?
? ?? ?BA
DC
RTGG ln'
0
????
2.自由能与平衡常数
当反应达到平衡时,ΔG=0,那么,
? ?? ?
? ?? ?
k e qRT
BA
DC
RTG lnln'0 ?????
3.自由能与氧化还原电位的关系
:'0E
pH＝ 7,101.3KPa,25℃, 反
应物浓度为 1mol/L,氧化态与还
原态物质与标准氢电极组成原电
池测定得到的氧化还原电位。
? E0’＝ E0’电子受体 － E0’电子供体
电子从 E0’较小的物质转移到 E0’较大的
物质是自由能降低的结果。其关系为,
? G0’＝－ nF ? E0’
n为转移电子数；
F为法拉第常数，等于 96.5kj / V.mol
第五节 ATP与其它高能化合物
（一）高能化合物的类型
1.高能键 （ high-energy bond）
高能键是 1941年提出的一个概念, 用
,~” 表示, 是指其结构不稳定, 性
质活泼, 自发水解或基团转移的趋势
很强, 当其发生水解或基团转移反应
时, 释放的自由能很多 。
高能键中的, 高能, 是指其自由能高,
并非键能高 。
,高能键, 与, 键能, （ energy
bond） 区别：化学中的, 键能, 是指
断裂一个化学键所需要的能量；, 高
能键, 是指水解或转移该键所释放的
能量。
细胞中重要的高能键：高能磷酸键和
高能硫脂键。
2.高能化合物：分子结构中含有高能
键的化合物称为高能化合物。
（二） ATP的结构特点及其重要意义
ATP（ 三磷酸腺苷，腺苷三磷酸，
adenosine triphosphate） 是一种很重要
的高能磷酸化合物。
生物体每天要消耗大量 ATP,安
静状态的成年人：每天消耗 40kgATP；
激烈运动时：每分钟就消耗 0.5kg。
ATP是一分子腺嘌呤、一分子核
糖和三个相连的磷酸基团构成的核苷
酸，其结构,
腺嘌呤核苷酸（ AMP）
二磷酸腺苷 ADP
三磷酸腺苷 ATP
22
意义,
（ 1） ATP是产能反应和需能反应之间
最主要的能量介质
放能反应通过氧化磷酸化反应合
成 ATP,贮存能量；需能反应，则通
过 ATP水解供应之。
a.当 ATP提供能量时，在 ATP远端的
γ -磷酸基团水解为无机磷酸分子，
ATP失掉一个磷酰基而变成腺苷二磷
酸。
ATP+H2O→ADP+Pi
（ 标准自由能变化 ΔG 0’= -30.514kJ/mol）
b.在某些情况下,ATP的 α 和 β 磷酸
基团之间的高能键被水解（即同时水
解 γ 和 β -磷酸基团），形成 AMP和
焦磷酸。
ATP+H2O→AMP+PPi
（ ΔG 0’= -32.19kJ/mol）
（ 2）作为磷酸基团供体参与磷酸化
反应
生化反应中，无论是分解代谢还
是合成代谢，常常需要先将反应底物
分子活化，其中，磷酸化是一种普遍
活化方式。 ATP具有很活泼的磷酸基
团，可作为磷酸基的供体参与细胞中
的磷酸化反应，此类反应由激酶催化。
反应生成的磷酸化葡萄糖分子具有较
高的自由能，易进一步参加反应。
（ 3） ATP参加高能磷酸基团转移反应
ATP在磷酸基团转移中起, 中间
传递体, 的作用，故称, 磷酸基团传
递者, 。
磷酸烯醇式丙酮酸和 1,3-二磷酸甘
油酸是葡萄糖的分解的中间产物，葡萄糖
分解为乳酸时所释放的大部分自由能，几
乎都保留在这两个化合物中。在细胞中这
两个化合物并不直接水解，而是通过特殊
激酶作用，以转移磷酸基团的形式，将捕
捉的自由能传递给 ADP从而形成 ATP。 而
ATP分子又倾向于将它的磷酸基团转移给
具有较低磷酸基团转移势能的化合物，例
如葡萄糖和甘油，从而生成 6-磷酸葡萄糖
和 3-磷酸甘油。
其中，磷酸烯醇式丙酮酸和 1,3-二磷
酸甘油酸叫做, 超高能化合物,
（ superhigh-energy compound）,它
们水解所释放的自由能比 ATP高；同
理,6-磷酸葡萄糖和 3-磷酸甘油叫做
,低能磷酸化合物, 。
GTP,UTP,CTP。
其中,GTP对 G蛋白的活化、蛋
白质生物合成、蛋白质的寻靶、蛋白
质的转运等作为推动力提供自由能；
UTP在糖原合成中起活化葡萄糖
分子的作用；
CTP在合成磷脂酰胆碱、磷脂酰
乙醇胺以及合成纤维素中起推动作用
等。
（三）其他供能核苷酸
ATP作为自由能的贮存分子，其
产生和利用处于动态平衡中。
一般情况下, ATP在形成后一分
钟内就会被利用, 故严格说来 ATP不
是能量的贮存形式, 而是传递能量的
物质 。 细胞能量状态的表示方法：能
荷 （ energy charge） 。
（四） ATP系统的动态平衡
? ? ? ?
? ? ? ? ? ?AM PAD PATP
AD PATP
??
? 5.0
能荷＝
第六节 三羧酸循环
又叫柠檬酸循环或 Krebs循环。 由
草酰乙酸和乙酰 CoA的乙酰基缩合生
成柠檬酸开始，经一系列反应又生成
草酰乙酸的循环过程。 三羧酸酶循环
一周进行两次脱羧反应和四次脱氢反
应，１分子的乙酰基被氧化生成２分
子 CO2,3分子的 NADH＋ H+, 1分子
的 FADH2 和 1分子的 GTP。
三羧酸循环是由德国科学家
Hans Krebs于 １９３７ 年提出，
生物化学领域的重大成就（当时还没
有同位素示踪法）。 Krebs于 １９
５３ 年获得诺贝尔奖。
一、反应历程
分为 3个阶段，共 8步反应,
a-酮戊二酸
草酰乙酸 柠檬酸
异柠檬酸
琥珀酸
辅酶 A 琥珀酸
延胡索酸
苹果酸
乙酰辅酶 A
1.柠檬酸合成酶 2.顺乌头酸酶
3.异柠檬酸脱氢酶
4.?－ 酮戊二酸脱氢酶
5.琥珀酸硫激酶
6.琥珀酸脱氢酶
7.延胡索酸酶
8.苹果酸脱氢酶
H2O
草酰乙酸
O
CH3-C-SCoA CoASH
H2O 柠檬酸合成酶
顺乌头
酸酶
1.柠檬酸生成阶段
顺乌头酸酶
第一步反应不可逆，柠檬酸合成
酶是三羧酸循环的第一个 限速酶 。
重要抑制剂：氟乙酸 （ 机理：柠
檬酸合成酶催化氟乙酰 CoA与草酰乙
酸发生缩合作用生成氟柠檬酸, 阻碍
TCA循环 ） 。
应用：有毒植物叶子中含有氟乙酸；
杀虫剂；灭鼠药 。
2.氧化脱羧阶段
CO2
NAD+ NADH+H+
异柠檬酸脱氢酶
NAD+ NADH+H+
CO2
?－ 酮戊二酸
脱氢酶
GDP＋ Pi
GTP
CoASH
琥珀酸
硫激酶
异柠檬酸脱氢酶 具有脱氢和脱羧两种
功能，脱羧反应需要 Mn2+； ADP是激活
剂； ATP和 NADH是抑制剂。是 TCA循环
的又一个限速酶，此步反应为一分界点，
之前为三羧酸转化，之后为二羧酸变化。
三羧酸循环中唯一一次底物水平磷
酸化。 GTP可直接利用，也可在二磷酸
核苷激酶催化下，将高能磷酸键转移给
ADP,从而生成 ATP。 α -酮戊二酸脱氢酶系特性,1）包含三种酶
（ α -酮戊二酸脱羧酶、硫辛酸琥珀酰转移
酶和二氢硫辛酸脱氢酶）和六种辅助因子
（ TPP,硫辛酸,CoASH,FAD,NAD+、
Mg2+）。 2） 限速酶：受 ATP,NADH和琥
珀酰辅酶 A的抑制。
3.草酰乙酸再生阶段
草酰乙酸
FAD FADH2
琥珀酸脱氢酶
H2O
延胡索酸酶
NAD+
NADH+H+
苹果酸
脱氢酶
可进入下一个循环
二、三羧循环的化学计量和能量计量
1.总反应式,
CH3COSCoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O?
2CO2+CoASH+3NADH+3H+ +FADH2+GTP
能量, 现金,, 1 GTP
能量, 支票,, 3
NADH
1 FADH2
兑换率 1,3
9ATP
兑换率 1,2 2ATP
1ATP
12ATP
2.三羧酸循环的能量计量
是有机体获得生命活动所需能量的
主要途径；
是糖, 脂, 蛋白质等物质代谢和转
化的中心枢纽；
形成多种重要的中间产物 。
三、三羧循环的生物学意义
第七节 呼吸链与氧化磷酸化
一、呼吸链
1.概念及位臵
呼吸链 又叫 电子传递体系 或 电子
传递链,它是代谢物上的氢原子被脱
氢酶激活脱落后，经过一系列的传递
体，最后传递给被激活的氧原子，而
生成水的全部体系。在真核生物细胞
内，它位于线粒体内膜上，原核生物
中，它位于细胞膜上。
线粒体
2.呼吸链的组成
NADH
辅 酶 Q
（ CoQ）
Fe-S
Cyt c1
O2
Cyt b
Cyt c
Cyt aa3
琥珀酸等
黄素蛋白
（ F AD）
黄素蛋白
（ FMN）
细胞色素类
铁硫蛋白
（ Fe-S）
铁硫蛋白
（ Fe-S）
? NADH
（还原型辅酶）
?黄素蛋白酶类
（ flavoproteins,FP）
?铁 -硫蛋白类
（ iron— sulfur proteins)
?辅酶Ｑ
（ ubiquinone,亦写作 CoQ）
?细胞色素类
（简写作 Cyt）
（ 1） 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。
（ 2）黄素蛋白酶类
以 FAD或 FMN为辅基，酶蛋白为
膜的组成蛋白,
递氢机理,
FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2
如 NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶
（ 3） 铁 -硫蛋白类
含铁硫络合物的蛋白，又称非
血红铁蛋白。通过铁的价态变化而
传递电子。
F e
S
S
S
F e
F e
F e
S
SC
S
S
C
C
F e
3 +
+ e
- e
F e
2 +
（ 4） 辅酶Ｑ
是电子传递链上唯一的非蛋白组分，
是脂溶性小分子化合物。位于膜双
脂层中，能在膜脂中自由泳动。
H
3
C O
H
3
C O
C H
3
R
O
O
C o Q
( 醌 型 或 氧 化 型 )
H
3
C O
H
3
C O
C H
3
R
O
O H
H H
H
3
C O
H
3
C O
C H
3
R
O H
O H
C o Q H
( 半 醌 型 )
C o Q H
2
( 氢 醌 型 或 还 原 型 )
（ 5） 细胞色素类
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,a3,b,c 和 c1等。
cyt b和 cytc1,cytc在呼吸链中的中为电
子传递体,a和 a3以复合物物存在，称
细胞色素氧化酶,其分子中除含 Fe外
还含有 Cu,可将电子传递给氧，因此
亦称其为末端氧化酶。 Cytc和 c1
细胞色素
氧化酶
传递电子机理,
+e +e
Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+
－ e － e
3.电子传递链的顺序及其抑制剂
H2O
1
2 O2
O2-
MH2
还原型代
谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b- c- c1 -aa3 Fe S
2H+
M
氧化型代
谢底物
FADH2呼吸链电子传递和水的生成
2e
H2O FAD
FADH2
琥珀酸
Fe S
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b- c1 - c-aa3
CoQH2
CoQ 1 2 O2
O2-
2H+
延胡索酸 2e
NADH呼吸链电子传递和水的生成
111
111
电子传递链的抑制剂
二、氧化磷酸化作用
1,氧化磷酸化 的概念
2.磷氧比（ P/O） 的概念
3.电子传递链中生成 ATP的部位
4.氧化磷酸化的偶联机理
5.氧化磷酸化的解偶联和抑制
1.氧化磷酸化
代谢物在生物氧化过程中释放出的自
由能用于合成 ATP,即
ADP+Pi→ATP ）
这种 氧化放能和 ATP生成（磷酸化）相
偶联的过程称氧化磷酸化 。类别有底物水
平磷酸化、电子传递水平磷酸化。
ADP + Pi ATP + H2O
生物氧化过程中
释放出的自由能
底物水平磷酸化 是在被氧化的底物上
发生磷酸化作用。即底物被氧化的过程中，
形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，
通过酶的作用可使 ADP生成 ATP。
电子传递体系磷酸化 是指当电子从
NADH或 FADH2经过电子传递体系 (呼吸
链 )传递给氧形成水时，同时伴有 ADP磷
酸化为 ATP的全过程。通常所说的氧化磷
酸化是指电子传递体系磷酸化。
A H
2
A
2 H
N A D H + H
+
( 或 F A D H
2
)
N A D
+
( 或 F A D )
电 子 传 递 链
H
2
O
1 / 2 O
2
释 放 能 量
A D P + P i
A T P 合 成 酶
A T P
氧 化 过 程
磷 酸 化 过 程
氧
化
磷
酸
化
电
子
传
递
体
系
磷
酸
化
2.磷氧比（ P/O）
呼吸过程中无机磷酸（ Pi） 消耗
量和分子氧（ O2） 消耗量的比值称为
磷氧比 。由于在氧化磷酸化过程中，
每传递一对电子消耗一个氧原子，而
每生成一分子 ATP消耗一分子 Pi,因
此 P/O的数值相当于一对电子经呼吸
链传递至分子氧所产生的 ATP分子数。
NADH
FADH2
O2 1 2
H2O
H2O
例 实测得 NADH呼吸链, P/O~ 3
ADP+Pi ATP
实测得 FADH2呼吸链, P/O~ 2
O2 1 2
2e-
2e-
ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP
3.电子传递链中生成 ATP的部位
（ 1）电子传递链的顺序
电子传递链中各组分的顺序由
还原电位。
决定电子传递方向,(还原电位 )
低 高
半反应 ΔE0’（ V）
2H++2e H2 -0.41
NAD++ 2H++2e NADH+H+ -0.32
FMN+ 2H++2e FMNH2 -0.30
FAD+ 2H++2e FADH2 -0.06
CoQ+ 2H++2e CoQH2 0.04(或 0.10)
Cytb(Fe3+)+e Cytb(Fe2+) 0.07
Cytc1(Fe3+)+e Cytc1(Fe2+) 0.23
Cytc(Fe3+)+e Cytc(Fe2+) 0.25
Cyta(Fe3+)+e Cyta(Fe2+) 0.29
Cyta3(Fe3+)+e Cyta3(Fe2+) 0.55
O2 +2H++2e H2O 0.82
电
子
传
递
链
各
组
分
的
标
准
氧
化
还
原
电
位
ΔG0’=-nFΔE0’
合成 ATP需自由能 51.6KJ/mol,经计
算可以得知,NADP呼吸链上有三个部位可
以满足这个条件,FADH2呼吸链上有两个
部位可以满足。
（ 2） ATP产生的部位
NADH CoQ,ΔG0’=-2× 96.5 × 0.33=-63.7KJ/mol
Coc Cytc1,ΔG0’= -2× 96.5 × 0.31=-59.8KJ/mol
Cyta3 O2,ΔG0’= -2× 96.5 × 0.58=-111.9KJ/mol
N A D H F M N C o Q C y t b C y t c 1 C y t c C y t a a 3 O 2
F A D H 2
~ P
A D P A T P
~ P
A D P A T P
~ P
A D P A T P
4.氧化磷酸化的偶联机理
（ 1）能量偶联假说
?1953年 Edward Slater 化学偶联假说
?1964年 Paul Boyer 构象偶联假说
?1961年 Peter Mitchell 化学渗透假说
1978年获诺贝尔化学奖
（ 2） ATP合成的机制
化学渗透假说
(chemiosmotic hypothasis)
电子传递的自由能
驱动 H+从线粒体基
质跨过内膜进入到膜
间隙，从而形成 H+
跨线粒体内膜的电化
学梯度，这个梯度的
电化学势 ( Δ ?H+ )驱
动 ATP的合成。
内膜
F0F1 ATP酶
e-
ADP+Pi
底物
H+
ATP
H+
H+
H+
基质 膜间隙
电子传递链
化学渗透假说原理示意图
4H+
2H+
2H+
4H+
NADH+H+
2H+
2H+
2H+
ADP+Pi ATP
高
质
子
浓
度
H2O
2e-
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _
质子流
线粒体内膜
磷酸化
氧化
+ + + + + + + + +
H2O
2H+
Cytc
Cytc
Cytc
Q FMN FeS FeS
Cytc
1
CytbK
Cytbr
Cyta FeS
Cyta3
2e- 2e-
NADH+H+
NAD+ O2 +2H+ H2O
4H+ 2H
+
复合物 III
1
2
线粒体电子传递和 H+排出的数目和途径
Boyer和 Walker的工作
美国科学家 Boyer为解释 ATP酶作用机理
,提出旋转催化假说，认为 ATP合成酶 β 亚
基有三种不同的构象，一种构象 (L)有利于
ADP和 Pi结合，一种构象 (T)可使结合的
ADP和 Pi合成 ATP,第三种构象 (O)使合成
的 ATP容易被释放出来。在 ATP合成过程
中，三个 β 亚基依次进行上述三种构象的
交替变化，所需能量由跨膜 H+提供。
英国科学家 Walker通过 x光衍射获得高分
辩率的牛心线粒体 ATP酶晶体的三维结构,
证明在 ATP酶合成 ATP的催化循环中三个
β 亚基的确有不同构象,从而有力地支
持了 Boyer的假说。
Boyer和 Walker共同获得 1997年诺贝尔化学奖。
ATPase的旋转催化模型
旋转催化理论认为
质子流通过 Fo引起亚
基 III 寡聚体和 ?及 ?亚
基一起转动,这种旋转
配臵 ? /?亚基之间的
不对称的相互作用,引
起催化位点性质的转
变,?亚基的中心 ? -螺
旋被认为是转子,亚基
I和 II与 ?亚基组合在一
起组成定子,它压住 ?
/?异质六聚体,
??
?
III
?
?
IV
II I
定子 转子
定子
旋转催化理论认为质子
流通过 Fo引起亚基 III 寡聚
体和 ?及 ?亚基一起转动,这种
旋转配置 ? /?亚基之间的不
对称的相互作用,引起催化位
点性质的转变,?亚基的中心
? -螺旋被认为是转子,亚基 I
和 II与 ?亚基组合在一起组成
定子,它压住 ? /?异质六聚体,
?
?
?
OSCP
?
F1
H+通道
?
?
? ?
FO
柄
DCCD结合蛋白
基质表面
外表面
?
ATP酶作用机理
ADP+Pi
Proten
Flux
H+
ATP
+H2O
ATP Proten Flux ADP+Pi
有于 ADP与 Pi
结合的构象
有于 ADP与 Pi
生成的构象 有利于 ATP
释放的构象
5.氧化磷酸化的解偶联和抑制
解偶联剂 （ uncoupler）,使氧化
与磷酸化偶联过程脱离。其结果是不
阻断电子传递，也不生成 ATP。 如二
硝基苯酚。
氧化磷酸化抑制剂：对电子传递
及 ADP 的磷酸化均有抑制作用（见呼
吸链抑制剂）。
NO2
NO2
O-
NO2
NO2
OH
NO2
NO2
O-
NO2
NO2
OH
H+
H+
线
粒
体
内
膜
内 外
2,4-二硝基苯酚（ DNP） 的解偶联作用
支持情况下 DNP是解离状态，不能透过线粒体内
膜，在酸性条件下，结合质子称为脂溶性物质，
过膜，并将质子带过，破坏了 H+的跨膜梯度。
复习重点,
?熟悉 ATP与其他高能化合物,ATP的生
成与利用方式；
?熟悉三羧酸循环的历程、酶及意义。
?掌握 氧化磷酸化的概念、电子传递链的
顺序、生成 ATP的部位； 熟悉 电子传递链
的组成。
第一节 新陈代谢的有关概念
第二节 代谢的发生过程
第三节 中间代谢的实验研究方法
第四节 生物氧化概述
第五节 ATP与其它高能化合物
第六节 三羧酸循环
第七节 呼吸链与氧化磷酸化
本本本 课课课 件件件 由由由 西西西 华华华 大大大 学学学 生生生 物物物 工工工 程程程 学学学 院院院 车车车 振振振 明明明 制制制 作作作
第一节 新陈代谢的有关概念
一、新陈代谢的概念,
新陈代谢是生物体最基本的特征，
是生命存在的前提。
1.狭义概念,是指细胞内所发生的酶
促反应过程,称为中间代谢 。 这是代
谢活动的主体，也是代谢研究的主要
内容。
2.广义概念,是生物与外界环境进行
物质与能量交换的全过程 。即：生物
体内所经历的一切化学变化。包括消
化、吸收、中间代谢及排泄等阶段。
本本本 课课课 件件件 由由由 西西西 华华华 大大大 学学学 生生生 物物物 工工工 程程程 学学学 院院院 车车车 振振振 明明明 制制制 作作作
新陈代谢包括生物体内所发生的一切合成
和分解作用。一方面，生物体不断从周围
环境中摄取物质，通过一系列生化反应，
转变为自己的组成部分；另一方面，将原
有的组成成分经过一系列生化反应，分解
成不能在利用的物质排出体外，不断地进
行自我更新。生物体通过新陈代谢所产生
的生命现象是建立在合成代谢与分解代谢
矛盾对立和统一的基础上的，它们之间既
相互联系、相互依存，又相互制约。
合成代谢
分解代谢
物
质
代
谢
能
量
代
谢
新
陈
代
谢
新陈代谢图解
（同化作用）
（异化作用）
小分子 大分子
需要能量
释放能量
大分子 小分子
二、新陈代谢的内容
1.物质代谢和能量代谢
（ 1） 物质代谢,重点讨论各种生理活性物
质（如糖、蛋白质、脂类、核酸等）在细
胞内发生酶促反应的途径及调控机理，包
含旧分子的分解和新分子的合成；
（ 2） 能量代谢,重点讨论光能或化学能
在细胞内向生物能（ ATP） 转化的原理和
过程，以及生命活动对能量的利用。
能量代谢和物质代谢是同一过程的两个
方面，能量转化寓于物质转化过程之中，
物质转化必然伴有能量转化。
（ 1） 合成代谢 活细胞从外环境中取
得原料合成自身的结构物质、贮存物
质、生理活性物质及各种次生物质的
过程是合成代谢，也叫生物合成 。 是
需要供应能量的过程。
（ 2） 分解代谢 有机物质在细胞内发生
分解的作用过程。分解过程中的许多
中间产物可供作生物合成的原料。伴
随分解代谢释放出化学能并转化为细
胞能够利用的生物能（ ATP）。
合成代谢和分解代谢相辅相成，有
机地联系在一起，构成中间代谢的统
一整体。
2.合成代谢与分解代谢
3.代谢途径
无论物质代谢还是能量代谢，分
解代谢还是合成代谢，一般都是由多
种酶催化的连续反应过程。所谓代谢
途径就是细胞中由相关酶类组成的完
成特定代谢功能的连续反应体系。细
胞中具有某种代谢途径也就是指具有
其酶系。代谢途径的组成可简单示意
如下,
P S ? ?? 1E A ? ?? 2E B ? ?? 3E C ? ?? 4E D ? ?? 5E
式中 S代表代谢底物,P代表产物，
E代表酶。从 S到 P之间的一系列过渡产
物称为中间产物 。 底物、中间产物、
终产物统称为代谢物 。 不同代谢途径
所具有的相同的中间产物称为公共中
间产物。通过公共中间产物可实现途
径间的互相联系，调节代谢物质的流
向，维持细胞中各种物质的代谢平衡。
4.生物的营养类型
自然界中的生物根据其所利用的
碳源和能源，可分为不同的营养类型。
（ 1） 自养与异养,
碳源是为细胞生物合成提供碳素营养
的物质。有些生物利用无机物二氧化
碳作为碳源，这类生物称为 自养生物 。
有些生物需要现成的有机物作为碳源，
称之为 异养生物 。
（ 2） 光能与化能,
生物体能够利用的能源主要有光
能和化学能。根据不同生物对能源的
要求，可分为光能营养型和化能营养
型。
光能营养型 是直接利用光能，通
过光合磷酸化作用合成 ATP； 化能营
养 型是利用现成有机物或无机物，通
过氧化磷酸化反应合成 ATP。
生物营养类型
营养类型 碳源 能源 电子
供体
生物
举例
自
养
型
光能自养 CO2 光 H2O等 植物
化能自养 CO2 无机物
氧化
H2,S 氢细
菌
异
养
型
光能异养 有机
物
光 有机
物
藻类
化能异养 有机
物
有机物
氧化
有机
物
动物
本本本 课课课 件件件 由由由 西西西 华华华 大大大 学学学 生生生 物物物 工工工 程程程 学学学 院院院 车车车 振振振 明明明 制制制 作作作
四种营养类型中,光能自养型和
化能异养型占绝大多数 。另两种营养
类型相对较少。还应指出，有些高等
生物的所有细胞并非都属于同一营养
类型。例如，高等植物叶子是光能自
养，而根部则为化能异养型。叶绿细
胞在日光中为光能自养型，在黑暗中
又为化能异养型。
（ 3） 需氧与厌氧,
不同生物对分子氧的依赖关系也
有很大区别，据此可分为需氧生物、
厌氧生物和兼性生物。
需氧生物 是在有氧条件下才能维
持代谢的生物。其代谢活动需要以分
子氧（ O2） 作为有机物氧化反应的
电子受体。
厌氧生物 是在无分子氧的环境中
生活的，以无机物或有机物为电子受
体，不能用 O2作为电子受体，而且
分子氧（ O2） 对绝对厌氧生物会有
毒害作用。
兼性生物 在有氧、无氧条件下都
能生存，有氧时利用氧，无氧时能利
用某些氧化型有机物作为电子受体。
第二节 代谢的发生过程
一、分解代谢的一般过程
几乎所有生物都具有分解利用有
机物的能力。总览有机营养物质（糖、
脂、蛋白质）分解代谢的发生过程，
可以分为四个阶段。
?生物大分子的降解阶段
?单体分子初步分解阶段
?乙酰基完全分解阶段
?氢的燃烧阶段
1.生物大分子的降解阶段。 外源生物
大分子通过消化作用降解，内源生物
大分子通过胞内酶催化降解，分解为
其单体分子，即多糖分解为己糖或戊
糖，蛋白质分解为氨基酸，脂肪分解
为甘油和脂肪酸等。这些降解反应途
径都很短，仅有几种酶催化，不产生
可利用的能量。
2.单体分子初步分解阶段。 细胞都具有
特定的分解代谢途径，分别将单糖、
氨基酸、脂肪酸等单体分子进行不完
全分解。如糖的 EMP途径、脂肪酸的
β -氧化，等等。各种单体分子不管其
结构和性质差别多大，经过第二阶段
的有关代谢途径都能巧妙地被降解成
少数几种中间产物，主要是乙酰 CoA。
因此，第二阶段起到了殊路同归、把
多形性的底物分子向一体化结构集中
的作用，为最后纳入同一代谢途径进
行完全分解创造了条件。
3.乙酰基完全分解阶段。 三羧酸循环
途径是各种营养物质分解所生成的乙
酰基集中燃烧的公共途径。经过三羧
酸循环，乙酰基完全分解，碳原子氧
化成二氧化碳，并有少量能量释放，
生成 ATP。 大量的化学能以氢原子对
2H（ 2H+ ＋ 2e） 的形式转入还原型
辅酶分子。还原型辅酶再将氢原子对
送入呼吸链进行氧化放能。
4.氢的燃烧阶段。 这是有机物氧化分
解的最后一个环节。主要包括电子传
递过程和氧化磷酸化作用。在线粒体
内膜上由多种色素蛋白组成的呼吸链
是使第二、三阶段生成的氢原子对
（ 2H + ＋ 2e） 完全氧化的组织体系，
也是细胞中有机物氧化分解释放能量
的主要部位。
二、合成代谢的一般过程
生物合成包括组建生物大分子所
需单体分子的合成、生物大分子的合
成、细胞结构的组建、生理活性物质
及次生物质的合成等。所有生物合成
都是需能酶促反应过程。需要由核苷
三磷酸，主要是用 ATP供能，所有生
物合成过程都需还原型辅酶 （ NADPH）
供应还原力。
除了营养贮存物质的合成之外，
一般正常生理状态下的生物合成都遵
守细胞经济学的原理，用多少，合成
多少。合成途径的启、闭、快、慢都
受细胞调节系统调节。
不同生物类群的生物合成能力有
所不同，所用的原材料和能量来源也
不尽相同。但是，一切活细胞都需要
自行合成本身所需要的种种生物大分
子。
合成代谢一般可以分成三个阶段：
原料准备、单体分子合成、生物大分
子合成。
生物合成所需的碳源、氮源、能
量和还原力（ NADPH） 主要通过分解
代谢供应。从这种意义上来讲，分解
代谢可以视为合成代谢的原料准备阶
段。
自养生物所需要的单糖、脂肪酸、
氨基酸、核苷酸等各种单体分子及其
他生理活性物质，生物自身都能合成。
高等动物和人体有几种氨基酸和脂肪
酸及维生素等生理活性物质，自身不
能合成，需要靠植物和微生物供给。
微生物的生物合成能力差别很大。凡
自身不能合成的单体分子则为其生长
限制因子，必须由外界供给。
对于异养生物而言，分解代谢是
生物合成的先决条件。只有充足的营
养源被分解，才能为生物合成供应必
需的原料和能量。
第三节 中间代谢的实验研究方法
中间代谢的研究内容很多，研
究目的不同，所用的生物材料和实
验方法也不相同。为探讨代谢途径
及其调节机理，动物、植物、微生
物材料都可以作为实验对象。
根据实验材料的水平，常将实验
分为活体内实验和活体外实验。
1.活体内实验（整体实验）
用整体生物材料或高等动物离体
器官或微生物细胞群体进行中间代谢
实验研究称为 活体内实验 。
（一）活体内实验和活体外实验
实验结果代表生物体在正常生理
条件下整体代谢情况, 比较接近生物
体的实际 。
典型例子,1904年, 德国化学家
Knoop提出的脂肪酸 β -氧化学说 。
2.活体外实验
用从生物体分离出来的组织切片，
组织匀浆或体外培养的细胞、细胞器
及细胞抽提物进行中间代谢实验研究
称为 活体外实验 表示。
典型例子：糖酵解、三羧酸循环、
氧化磷酸化等。
探讨物质代谢途径的常用方法
有：代谢平衡实验、代谢障碍实验、
代谢物质标记追踪实验、特征性酶
鉴定实验、核磁共振波实验等。其
中 最有效的是代谢物质标记追踪实
验和核磁共振实验。
（二）代谢途径的探讨方法
1.代谢平衡实验
通过活体内实验研究代谢物摄入和
产出排出的平衡关系，可以了解对代
谢物的利用能力及产物生成情况。
例如测定, 呼吸商, （ R.Q.） 可
以判断体内能量利用情况。
R.Q.=产 CO2量（升） /耗 O2量（升）
糖类物质 R.Q为 1,脂肪 R.Q为 0.7，
蛋白质 R.Q为 0.8。 人体正常代谢时, R.Q
介于 0.85-0.95之间, 说明三大营养物质
同时发生了氧化分解 。
饥饿状态下,R.Q？
糖尿病人,R.Q？
问题：若测得生物材料的 R.Q接近 1,则
表明能量主要来自于何类物质分解？
2.代谢障碍实验（代谢途径阻断实验）
正常生物体的中间代谢过程中，
中间产物不会过多积累，不容易进行
分析研究；若用适当方法造成代谢障
碍，阻断代谢途径，则使中间产物积
累，便于进行分析研究。
阻断代谢途径的方法有：造成微
生物营养缺陷性、使用抗代谢物、专
一性抑制剂等。
(1)微生物营养缺陷性（微生物基因突
变型）
采取诱变剂使微生物的基因发生
突变，从而造成某种酶缺损，代谢途
径中断，缺损酶前面的中间产物会大
量积累，致使细胞中该种物质含量增
高，便于进行分析研究。
应用实例：乳糖的代谢机理。
优点：容易突变；经济；简便等
（ 2）使用抗代谢物
抗代谢物，又叫代谢拮抗物，或
代谢物结构类似物。其分子结构与代
谢物的分子结构类似。
实质：竞争性抑制剂。
例子：丙二酸是琥珀酸的抗代谢
物，能对琥珀酸脱氢酶发生很强的竞
争性抑制作用，造成代谢中间产物
,琥珀酸, 积累，从而证明了 TCA循
环中有生成琥珀酸这一反应步骤。
（ 3）酶的专一性抑制剂
例子：碘乙酸是巯基酶的专一性
抑制剂，可抑制酵母的酒精发酵，造
成 3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮积累。
由此证明了酵解途径中 1,6-二磷酸果
糖是三三裂解生成了三碳糖。
（ 4） 利用药物造成异常动物实验
（ 病变动物法 ）
用人工方法使动物发生某一过程
的代谢障碍, 然后给以一定量受试物
质, 研究其中间代谢过程 。
例子 1：研究维生素缺乏症，可给以缺乏某
种维生素的饲料，若干天后观察其病变情
况，在加入该种维生素，观察其症状有否
好转，从而确定该种维生素的功能。
例子 2：, 人工糖尿病, 。例子 3：生糖氨
基酸；生酮氨基酸
3.代谢物标记追踪实验
将代谢底物分子适当, 标记,,
然后追踪, 标记, 在细胞中的去向，
就可以了解底物分子在中间代谢中经
过什么中间产物，生成了什么终产物。
这是探索代谢途径最有效的方法。
标记方法有：化学标记法、同位
素标记法。
（ 1）化学标记法
1904年，德国 F.Knoop首次用苯
环标记脂肪酸探讨中间代谢途径，提
出著名的脂肪酸 β -氧化学说。
缺点：化学标记法使天然代谢物
分子结构和理化性质发生了改变，这
可能给正常代谢途径造成某些影响。
（ 2）同位素标记法
1941年,Rudolf Schoenheimer首
次采用同位素标记法进行实验。
同位素种类,稳定同位素 和 放射
性同位素 。
二者区别：是否衰变、是否有射线。
常用的稳定同位素有：重氢（ 2H
或 D）,15N,13C,18O等。
用, 稳定性同位素, 标记的化合物
可用质谱仪定量测定，也可用超离心
法分离鉴定。
根据放射线同位素衰变时放出的射
线性质，可以用专门仪器或专用方法
测定。常用的放射性同位素有氘（ T或
3H）,14C,32P,34S,131I。
优点,
1）同位素标记法特异性强，灵敏度高，
测定方法简便。
2） 放射性同位素分析方法比稳定同位
素更方便, 灵敏, 应用更普遍 。
缺点,放射性同位素对人体有毒害,
某些同位素的半衰期长, 容易造成环
境污染, 所以需要在专门的同位素实
验时进行 。
4.测定特征性酶
每条代谢途径都有其特征性酶，
它的存在就表明该代谢途径存在。
例如：糖代谢途径中的特征酶,
EMP途径：醛缩酶
HMP途径,6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶
TCA途径：柠檬酸合成酶
5.核磁共振波谱法（ nuclear magnetic
resonance spectroscopy,简称 NMR）
核磁共振谱可反映分子中各个原
子所处的状态。由布洛赫和巴塞尔于
1948年建立，因此获得 1952年诺贝尔
奖。
应用最多的有 13C谱,19F谱,31P
谱和 15N谱。
特点：样品不受破坏，且能最真
实地反映机体内的化学反应情况。
第四节 生物氧化概述
一、生物氧化
1.定义：有机物在生物细胞内进行氧
化分解而生成 CO2和 H2O并释放能量
的过程。又称细胞氧化或细胞呼吸 。
2.本质：生物氧化是发生在生物体
内的氧化还原反应,因而具有氧化还
原反应的共同特征 。 并且物质被氧
化时总伴随能量的释放 。
3.特点：生物氧化是在活细胞内进行的,它
与体外的直接氧化相比又有许多不同的特
点,
?有机物在生物体内完全氧化与在体外燃
烧而被彻底氧化,在本质上是相同的,最终
的产物都是 CO2和 H2O,同时所释放能量的
总值也相等；
? 生物氧化在常温、常压、接近中性的
pH和多水环境中进行；是在一系列酶、
辅酶和中间传递体的作用下逐步进行的；
?氧化反应分阶段进行,能量逐步释放,既避
免了能量骤然释放对机体的损害,又使得生
物体能充分、有效地利用释放的能量；
?生物氧化过程中释放的化学能通常被偶
联的磷酸化反应所利用,贮存于高能磷酸化
合物 (如 ATP)中,当生命活动需要时再释放
出来。
4.类型：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
括如下几种氧化类型,
5.酶类：催化生物氧化的酶习惯上分
为不需氧脱氢酶、需氧脱氢酶、氧化
酶、过氧化氢酶和电子递体。
（ 1） 不需氧脱氢酶类,直接作用于底
物，使之脱氢氧化，但不以氧作为直
接受氢体的酶。是生物氧化反应中的
主要酶类。
还原型底物
SH2
氧化型底物
S
氧化型辅酶
还原型辅酶
还原型受体
氧化型受体
不需氧脱氢酶
（ 2） 需氧脱氢酶类,直接作用于底
物，使之脱氢氧化，并且需要以氧作
为直接受氢体的酶。反应生成过氧化
氢。
还原型底物
SH2
氧化型底物
S
氧化型辅酶
还原型辅酶
O22-
O2
需氧脱氢酶
H2O2
2e
2H+
（ 3） 氧化酶类,不能从底物上脱氢，
只能夺取底物上的电子对，并激活氧
分子生成水。
还原型底物
SH2
氧化型底物
S
2Cu2+
2Cu+
1/2O22-
1/2O2
氧化酶
H2O
2e
2H+
本本本 课课课 件件件 由由由 西西西 华华华 大大大 学学学 生生生 物物物 工工工 程程程 学学学 院院院 车车车 振振振 明明明 制制制 作作作
（ 4） 电子递体, 专门负责传递不需
氧脱氢酶脱下来的电子（有的也传递
质子）的酶类（祥见呼吸链）。
H2O
1
2 O2
O2-
MH2
还原型代
谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b- c- c1 -aa3 Fe S
2H+
M
氧化型代
谢底物
2e
6,CO2的生成：糖、脂、蛋白质等有机物
转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催
化下脱羧而生成 CO2。
类型,α -脱羧和 β -脱羧
氧化脱羧和单纯脱羧
CH3COSCoA+CO2 CH3-C-COOH
O
丙酮酸脱氢酶系
NAD+ NADH+H+ CoASH
例,
+CO2 H2N-CH-COOH
R
氨基酸脱羧酶 CH
2-NH2
R
7.H2O的生成：代谢物在脱氢酶催化下
脱下的氢由相应的氢载体（ NAD+、
NADP+,FAD,FMN等）所接受，再
通过一系列递氢体或递电子体传递给氧
而生成 H2O 。
CH3CH2OH CH3CHO
NAD+ ADH+H+
乙醇脱氢酶
例,
NAD+
电子传递链
H2O
2e
O=
2H+
1\2 O2
本本本 课课课 件件件 由由由 西西西 华华华 大大大 学学学 生生生 物物物 工工工 程程程 学学学 院院院 车车车 振振振 明明明 制制制 作作作
二、自由能和氧化还原电位
1.自由能
自由能 (G),指一个反应体系中能够做功的
那部分能量。
自由能的变化 (ΔG ),产物的自由能与反应
物的自由能之差，与反应转变过程无关。
标准自由能的变化 (ΔG 0),298K，
101.3KPa,反应物浓度为 1mol/L,pH=0。
生化反应中标准自由能的变化 (ΔG 0’)：
298K,101.3KPa,反应物浓度为 1mol/L，
pH=7。
?ΔG<0
?ΔG=0
?ΔG>0
反应达到 平衡
放能，反应 自发 进行
吸能，反应 不能自发 进行
在 A B中,
ΔG= Δ B－ ΔA
自由能的概念对于研究生物化学
过程具有很重要的意义，生物体用于
作功的能量正是体内化学反应释放的
自由能，生物氧化释放的能量也正是
为有机体利用的自由能。它不仅可以
用来判断机体内某一过程能否自发进
行，而且还可以利用自由能这个函数
来计算反应的其它有用参数。
在反应 A＋ B C+D中自由能
变化是标准自由能变化与平衡常数
的函数,
? ?? ?
? ?? ?BA
DC
RTGG ln'
0
????
2.自由能与平衡常数
当反应达到平衡时,ΔG=0,那么,
? ?? ?
? ?? ?
k e qRT
BA
DC
RTG lnln'0 ?????
3.自由能与氧化还原电位的关系
:'0E
pH＝ 7,101.3KPa,25℃, 反
应物浓度为 1mol/L,氧化态与还
原态物质与标准氢电极组成原电
池测定得到的氧化还原电位。
? E0’＝ E0’电子受体 － E0’电子供体
电子从 E0’较小的物质转移到 E0’较大的
物质是自由能降低的结果。其关系为,
? G0’＝－ nF ? E0’
n为转移电子数；
F为法拉第常数，等于 96.5kj / V.mol
第五节 ATP与其它高能化合物
（一）高能化合物的类型
1.高能键 （ high-energy bond）
高能键是 1941年提出的一个概念, 用
,~” 表示, 是指其结构不稳定, 性
质活泼, 自发水解或基团转移的趋势
很强, 当其发生水解或基团转移反应
时, 释放的自由能很多 。
高能键中的, 高能, 是指其自由能高,
并非键能高 。
,高能键, 与, 键能, （ energy
bond） 区别：化学中的, 键能, 是指
断裂一个化学键所需要的能量；, 高
能键, 是指水解或转移该键所释放的
能量。
细胞中重要的高能键：高能磷酸键和
高能硫脂键。
2.高能化合物：分子结构中含有高能
键的化合物称为高能化合物。
（二） ATP的结构特点及其重要意义
ATP（ 三磷酸腺苷，腺苷三磷酸，
adenosine triphosphate） 是一种很重要
的高能磷酸化合物。
生物体每天要消耗大量 ATP,安
静状态的成年人：每天消耗 40kgATP；
激烈运动时：每分钟就消耗 0.5kg。
ATP是一分子腺嘌呤、一分子核
糖和三个相连的磷酸基团构成的核苷
酸，其结构,
腺嘌呤核苷酸（ AMP）
二磷酸腺苷 ADP
三磷酸腺苷 ATP
22
意义,
（ 1） ATP是产能反应和需能反应之间
最主要的能量介质
放能反应通过氧化磷酸化反应合
成 ATP,贮存能量；需能反应，则通
过 ATP水解供应之。
a.当 ATP提供能量时，在 ATP远端的
γ -磷酸基团水解为无机磷酸分子，
ATP失掉一个磷酰基而变成腺苷二磷
酸。
ATP+H2O→ADP+Pi
（ 标准自由能变化 ΔG 0’= -30.514kJ/mol）
b.在某些情况下,ATP的 α 和 β 磷酸
基团之间的高能键被水解（即同时水
解 γ 和 β -磷酸基团），形成 AMP和
焦磷酸。
ATP+H2O→AMP+PPi
（ ΔG 0’= -32.19kJ/mol）
（ 2）作为磷酸基团供体参与磷酸化
反应
生化反应中，无论是分解代谢还
是合成代谢，常常需要先将反应底物
分子活化，其中，磷酸化是一种普遍
活化方式。 ATP具有很活泼的磷酸基
团，可作为磷酸基的供体参与细胞中
的磷酸化反应，此类反应由激酶催化。
反应生成的磷酸化葡萄糖分子具有较
高的自由能，易进一步参加反应。
（ 3） ATP参加高能磷酸基团转移反应
ATP在磷酸基团转移中起, 中间
传递体, 的作用，故称, 磷酸基团传
递者, 。
磷酸烯醇式丙酮酸和 1,3-二磷酸甘
油酸是葡萄糖的分解的中间产物，葡萄糖
分解为乳酸时所释放的大部分自由能，几
乎都保留在这两个化合物中。在细胞中这
两个化合物并不直接水解，而是通过特殊
激酶作用，以转移磷酸基团的形式，将捕
捉的自由能传递给 ADP从而形成 ATP。 而
ATP分子又倾向于将它的磷酸基团转移给
具有较低磷酸基团转移势能的化合物，例
如葡萄糖和甘油，从而生成 6-磷酸葡萄糖
和 3-磷酸甘油。
其中，磷酸烯醇式丙酮酸和 1,3-二磷
酸甘油酸叫做, 超高能化合物,
（ superhigh-energy compound）,它
们水解所释放的自由能比 ATP高；同
理,6-磷酸葡萄糖和 3-磷酸甘油叫做
,低能磷酸化合物, 。
GTP,UTP,CTP。
其中,GTP对 G蛋白的活化、蛋
白质生物合成、蛋白质的寻靶、蛋白
质的转运等作为推动力提供自由能；
UTP在糖原合成中起活化葡萄糖
分子的作用；
CTP在合成磷脂酰胆碱、磷脂酰
乙醇胺以及合成纤维素中起推动作用
等。
（三）其他供能核苷酸
ATP作为自由能的贮存分子，其
产生和利用处于动态平衡中。
一般情况下, ATP在形成后一分
钟内就会被利用, 故严格说来 ATP不
是能量的贮存形式, 而是传递能量的
物质 。 细胞能量状态的表示方法：能
荷 （ energy charge） 。
（四） ATP系统的动态平衡
? ? ? ?
? ? ? ? ? ?AM PAD PATP
AD PATP
??
? 5.0
能荷＝
第六节 三羧酸循环
又叫柠檬酸循环或 Krebs循环。 由
草酰乙酸和乙酰 CoA的乙酰基缩合生
成柠檬酸开始，经一系列反应又生成
草酰乙酸的循环过程。 三羧酸酶循环
一周进行两次脱羧反应和四次脱氢反
应，１分子的乙酰基被氧化生成２分
子 CO2,3分子的 NADH＋ H+, 1分子
的 FADH2 和 1分子的 GTP。
三羧酸循环是由德国科学家
Hans Krebs于 １９３７ 年提出，
生物化学领域的重大成就（当时还没
有同位素示踪法）。 Krebs于 １９
５３ 年获得诺贝尔奖。
一、反应历程
分为 3个阶段，共 8步反应,
a-酮戊二酸
草酰乙酸 柠檬酸
异柠檬酸
琥珀酸
辅酶 A 琥珀酸
延胡索酸
苹果酸
乙酰辅酶 A
1.柠檬酸合成酶 2.顺乌头酸酶
3.异柠檬酸脱氢酶
4.?－ 酮戊二酸脱氢酶
5.琥珀酸硫激酶
6.琥珀酸脱氢酶
7.延胡索酸酶
8.苹果酸脱氢酶
H2O
草酰乙酸
O
CH3-C-SCoA CoASH
H2O 柠檬酸合成酶
顺乌头
酸酶
1.柠檬酸生成阶段
顺乌头酸酶
第一步反应不可逆，柠檬酸合成
酶是三羧酸循环的第一个 限速酶 。
重要抑制剂：氟乙酸 （ 机理：柠
檬酸合成酶催化氟乙酰 CoA与草酰乙
酸发生缩合作用生成氟柠檬酸, 阻碍
TCA循环 ） 。
应用：有毒植物叶子中含有氟乙酸；
杀虫剂；灭鼠药 。
2.氧化脱羧阶段
CO2
NAD+ NADH+H+
异柠檬酸脱氢酶
NAD+ NADH+H+
CO2
?－ 酮戊二酸
脱氢酶
GDP＋ Pi
GTP
CoASH
琥珀酸
硫激酶
异柠檬酸脱氢酶 具有脱氢和脱羧两种
功能，脱羧反应需要 Mn2+； ADP是激活
剂； ATP和 NADH是抑制剂。是 TCA循环
的又一个限速酶，此步反应为一分界点，
之前为三羧酸转化，之后为二羧酸变化。
三羧酸循环中唯一一次底物水平磷
酸化。 GTP可直接利用，也可在二磷酸
核苷激酶催化下，将高能磷酸键转移给
ADP,从而生成 ATP。 α -酮戊二酸脱氢酶系特性,1）包含三种酶
（ α -酮戊二酸脱羧酶、硫辛酸琥珀酰转移
酶和二氢硫辛酸脱氢酶）和六种辅助因子
（ TPP,硫辛酸,CoASH,FAD,NAD+、
Mg2+）。 2） 限速酶：受 ATP,NADH和琥
珀酰辅酶 A的抑制。
3.草酰乙酸再生阶段
草酰乙酸
FAD FADH2
琥珀酸脱氢酶
H2O
延胡索酸酶
NAD+
NADH+H+
苹果酸
脱氢酶
可进入下一个循环
二、三羧循环的化学计量和能量计量
1.总反应式,
CH3COSCoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O?
2CO2+CoASH+3NADH+3H+ +FADH2+GTP
能量, 现金,, 1 GTP
能量, 支票,, 3
NADH
1 FADH2
兑换率 1,3
9ATP
兑换率 1,2 2ATP
1ATP
12ATP
2.三羧酸循环的能量计量
是有机体获得生命活动所需能量的
主要途径；
是糖, 脂, 蛋白质等物质代谢和转
化的中心枢纽；
形成多种重要的中间产物 。
三、三羧循环的生物学意义
第七节 呼吸链与氧化磷酸化
一、呼吸链
1.概念及位臵
呼吸链 又叫 电子传递体系 或 电子
传递链,它是代谢物上的氢原子被脱
氢酶激活脱落后，经过一系列的传递
体，最后传递给被激活的氧原子，而
生成水的全部体系。在真核生物细胞
内，它位于线粒体内膜上，原核生物
中，它位于细胞膜上。
线粒体
2.呼吸链的组成
NADH
辅 酶 Q
（ CoQ）
Fe-S
Cyt c1
O2
Cyt b
Cyt c
Cyt aa3
琥珀酸等
黄素蛋白
（ F AD）
黄素蛋白
（ FMN）
细胞色素类
铁硫蛋白
（ Fe-S）
铁硫蛋白
（ Fe-S）
? NADH
（还原型辅酶）
?黄素蛋白酶类
（ flavoproteins,FP）
?铁 -硫蛋白类
（ iron— sulfur proteins)
?辅酶Ｑ
（ ubiquinone,亦写作 CoQ）
?细胞色素类
（简写作 Cyt）
（ 1） 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。
（ 2）黄素蛋白酶类
以 FAD或 FMN为辅基，酶蛋白为
膜的组成蛋白,
递氢机理,
FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2
如 NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶
（ 3） 铁 -硫蛋白类
含铁硫络合物的蛋白，又称非
血红铁蛋白。通过铁的价态变化而
传递电子。
F e
S
S
S
F e
F e
F e
S
SC
S
S
C
C
F e
3 +
+ e
- e
F e
2 +
（ 4） 辅酶Ｑ
是电子传递链上唯一的非蛋白组分，
是脂溶性小分子化合物。位于膜双
脂层中，能在膜脂中自由泳动。
H
3
C O
H
3
C O
C H
3
R
O
O
C o Q
( 醌 型 或 氧 化 型 )
H
3
C O
H
3
C O
C H
3
R
O
O H
H H
H
3
C O
H
3
C O
C H
3
R
O H
O H
C o Q H
( 半 醌 型 )
C o Q H
2
( 氢 醌 型 或 还 原 型 )
（ 5） 细胞色素类
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,a3,b,c 和 c1等。
cyt b和 cytc1,cytc在呼吸链中的中为电
子传递体,a和 a3以复合物物存在，称
细胞色素氧化酶,其分子中除含 Fe外
还含有 Cu,可将电子传递给氧，因此
亦称其为末端氧化酶。 Cytc和 c1
细胞色素
氧化酶
传递电子机理,
+e +e
Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+
－ e － e
3.电子传递链的顺序及其抑制剂
H2O
1
2 O2
O2-
MH2
还原型代
谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b- c- c1 -aa3 Fe S
2H+
M
氧化型代
谢底物
FADH2呼吸链电子传递和水的生成
2e
H2O FAD
FADH2
琥珀酸
Fe S
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b- c1 - c-aa3
CoQH2
CoQ 1 2 O2
O2-
2H+
延胡索酸 2e
NADH呼吸链电子传递和水的生成
111
111
电子传递链的抑制剂
二、氧化磷酸化作用
1,氧化磷酸化 的概念
2.磷氧比（ P/O） 的概念
3.电子传递链中生成 ATP的部位
4.氧化磷酸化的偶联机理
5.氧化磷酸化的解偶联和抑制
1.氧化磷酸化
代谢物在生物氧化过程中释放出的自
由能用于合成 ATP,即
ADP+Pi→ATP ）
这种 氧化放能和 ATP生成（磷酸化）相
偶联的过程称氧化磷酸化 。类别有底物水
平磷酸化、电子传递水平磷酸化。
ADP + Pi ATP + H2O
生物氧化过程中
释放出的自由能
底物水平磷酸化 是在被氧化的底物上
发生磷酸化作用。即底物被氧化的过程中，
形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，
通过酶的作用可使 ADP生成 ATP。
电子传递体系磷酸化 是指当电子从
NADH或 FADH2经过电子传递体系 (呼吸
链 )传递给氧形成水时，同时伴有 ADP磷
酸化为 ATP的全过程。通常所说的氧化磷
酸化是指电子传递体系磷酸化。
A H
2
A
2 H
N A D H + H
+
( 或 F A D H
2
)
N A D
+
( 或 F A D )
电 子 传 递 链
H
2
O
1 / 2 O
2
释 放 能 量
A D P + P i
A T P 合 成 酶
A T P
氧 化 过 程
磷 酸 化 过 程
氧
化
磷
酸
化
电
子
传
递
体
系
磷
酸
化
2.磷氧比（ P/O）
呼吸过程中无机磷酸（ Pi） 消耗
量和分子氧（ O2） 消耗量的比值称为
磷氧比 。由于在氧化磷酸化过程中，
每传递一对电子消耗一个氧原子，而
每生成一分子 ATP消耗一分子 Pi,因
此 P/O的数值相当于一对电子经呼吸
链传递至分子氧所产生的 ATP分子数。
NADH
FADH2
O2 1 2
H2O
H2O
例 实测得 NADH呼吸链, P/O~ 3
ADP+Pi ATP
实测得 FADH2呼吸链, P/O~ 2
O2 1 2
2e-
2e-
ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP
3.电子传递链中生成 ATP的部位
（ 1）电子传递链的顺序
电子传递链中各组分的顺序由
还原电位。
决定电子传递方向,(还原电位 )
低 高
半反应 ΔE0’（ V）
2H++2e H2 -0.41
NAD++ 2H++2e NADH+H+ -0.32
FMN+ 2H++2e FMNH2 -0.30
FAD+ 2H++2e FADH2 -0.06
CoQ+ 2H++2e CoQH2 0.04(或 0.10)
Cytb(Fe3+)+e Cytb(Fe2+) 0.07
Cytc1(Fe3+)+e Cytc1(Fe2+) 0.23
Cytc(Fe3+)+e Cytc(Fe2+) 0.25
Cyta(Fe3+)+e Cyta(Fe2+) 0.29
Cyta3(Fe3+)+e Cyta3(Fe2+) 0.55
O2 +2H++2e H2O 0.82
电
子
传
递
链
各
组
分
的
标
准
氧
化
还
原
电
位
ΔG0’=-nFΔE0’
合成 ATP需自由能 51.6KJ/mol,经计
算可以得知,NADP呼吸链上有三个部位可
以满足这个条件,FADH2呼吸链上有两个
部位可以满足。
（ 2） ATP产生的部位
NADH CoQ,ΔG0’=-2× 96.5 × 0.33=-63.7KJ/mol
Coc Cytc1,ΔG0’= -2× 96.5 × 0.31=-59.8KJ/mol
Cyta3 O2,ΔG0’= -2× 96.5 × 0.58=-111.9KJ/mol
N A D H F M N C o Q C y t b C y t c 1 C y t c C y t a a 3 O 2
F A D H 2
~ P
A D P A T P
~ P
A D P A T P
~ P
A D P A T P
4.氧化磷酸化的偶联机理
（ 1）能量偶联假说
?1953年 Edward Slater 化学偶联假说
?1964年 Paul Boyer 构象偶联假说
?1961年 Peter Mitchell 化学渗透假说
1978年获诺贝尔化学奖
（ 2） ATP合成的机制
化学渗透假说
(chemiosmotic hypothasis)
电子传递的自由能
驱动 H+从线粒体基
质跨过内膜进入到膜
间隙，从而形成 H+
跨线粒体内膜的电化
学梯度，这个梯度的
电化学势 ( Δ ?H+ )驱
动 ATP的合成。
内膜
F0F1 ATP酶
e-
ADP+Pi
底物
H+
ATP
H+
H+
H+
基质 膜间隙
电子传递链
化学渗透假说原理示意图
4H+
2H+
2H+
4H+
NADH+H+
2H+
2H+
2H+
ADP+Pi ATP
高
质
子
浓
度
H2O
2e-
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _
质子流
线粒体内膜
磷酸化
氧化
+ + + + + + + + +
H2O
2H+
Cytc
Cytc
Cytc
Q FMN FeS FeS
Cytc
1
CytbK
Cytbr
Cyta FeS
Cyta3
2e- 2e-
NADH+H+
NAD+ O2 +2H+ H2O
4H+ 2H
+
复合物 III
1
2
线粒体电子传递和 H+排出的数目和途径
Boyer和 Walker的工作
美国科学家 Boyer为解释 ATP酶作用机理
,提出旋转催化假说，认为 ATP合成酶 β 亚
基有三种不同的构象，一种构象 (L)有利于
ADP和 Pi结合，一种构象 (T)可使结合的
ADP和 Pi合成 ATP,第三种构象 (O)使合成
的 ATP容易被释放出来。在 ATP合成过程
中，三个 β 亚基依次进行上述三种构象的
交替变化，所需能量由跨膜 H+提供。
英国科学家 Walker通过 x光衍射获得高分
辩率的牛心线粒体 ATP酶晶体的三维结构,
证明在 ATP酶合成 ATP的催化循环中三个
β 亚基的确有不同构象,从而有力地支
持了 Boyer的假说。
Boyer和 Walker共同获得 1997年诺贝尔化学奖。
ATPase的旋转催化模型
旋转催化理论认为
质子流通过 Fo引起亚
基 III 寡聚体和 ?及 ?亚
基一起转动,这种旋转
配臵 ? /?亚基之间的
不对称的相互作用,引
起催化位点性质的转
变,?亚基的中心 ? -螺
旋被认为是转子,亚基
I和 II与 ?亚基组合在一
起组成定子,它压住 ?
/?异质六聚体,
??
?
III
?
?
IV
II I
定子 转子
定子
旋转催化理论认为质子
流通过 Fo引起亚基 III 寡聚
体和 ?及 ?亚基一起转动,这种
旋转配置 ? /?亚基之间的不
对称的相互作用,引起催化位
点性质的转变,?亚基的中心
? -螺旋被认为是转子,亚基 I
和 II与 ?亚基组合在一起组成
定子,它压住 ? /?异质六聚体,
?
?
?
OSCP
?
F1
H+通道
?
?
? ?
FO
柄
DCCD结合蛋白
基质表面
外表面
?
ATP酶作用机理
ADP+Pi
Proten
Flux
H+
ATP
+H2O
ATP Proten Flux ADP+Pi
有于 ADP与 Pi
结合的构象
有于 ADP与 Pi
生成的构象 有利于 ATP
释放的构象
5.氧化磷酸化的解偶联和抑制
解偶联剂 （ uncoupler）,使氧化
与磷酸化偶联过程脱离。其结果是不
阻断电子传递，也不生成 ATP。 如二
硝基苯酚。
氧化磷酸化抑制剂：对电子传递
及 ADP 的磷酸化均有抑制作用（见呼
吸链抑制剂）。
NO2
NO2
O-
NO2
NO2
OH
NO2
NO2
O-
NO2
NO2
OH
H+
H+
线
粒
体
内
膜
内 外
2,4-二硝基苯酚（ DNP） 的解偶联作用
支持情况下 DNP是解离状态，不能透过线粒体内
膜，在酸性条件下，结合质子称为脂溶性物质，
过膜，并将质子带过，破坏了 H+的跨膜梯度。
复习重点,
?熟悉 ATP与其他高能化合物,ATP的生
成与利用方式；
?熟悉三羧酸循环的历程、酶及意义。
?掌握 氧化磷酸化的概念、电子传递链的
顺序、生成 ATP的部位； 熟悉 电子传递链
的组成。
