第十章 能量代谢与生物能的利用

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1、第一节导言第一节导言维持生命活动的能量，主要有两个来源：维持生命活动的能量，主要有两个来源：光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。光合作用将光能转变成生物能。化学能：动物和大多数的微生物，通过生化学能：动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。能。有机物质在生物体内的氧化作用，称为生有机物质在生物体内的氧化作用，称为生物氧化。物氧化。由于由于生物氧化通常需要消耗氧，生物氧化通常需要消耗

2、氧，产生产生二氧化碳，故又称二氧化碳，故又称“细胞呼吸细胞呼吸”。在整个生物在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧化成氧化过程中，有机物质最终被氧化成COCO2 2和水，和水，并释放出能量。并释放出能量。 新陈代谢（新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征之一，）是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换的过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质的过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓同化，通过一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓同化作

3、用（作用（assimilation）；另一方面，将原有的组成成份经）；另一方面，将原有的组成成份经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，即所谓异化作用（外，即所谓异化作用（dissimilation ），通过上述过程不），通过上述过程不断地进行自我更新。断地进行自我更新。 特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行径逐步进行 小分子小分子 大分子大分子合成代谢（同化作用）合成代谢（同化作用） 需要能量需要能量 释放能量释放能量分解代谢（异化作用）分解代谢（异化作用） 大分子

4、大分子 小分子小分子物物质质代代谢谢能能量量代代谢谢新新陈陈代代谢谢信信息息交交换换太太 阳阳电子传递电子传递合成合成分解分解电子传递电子传递光光合合作作用用呼呼吸吸作作用用生生命命现现象象自自养养细细胞胞异异养养细细胞胞ATPADP(CH2O)+O2(CO2)+H2OATPADP（光（光 能）能）（电（电 能）能）（化（化 学学 能）能）（化（化 学学 能）能）（电（电 能）能）（化（化 学学 能）能）生物合成生物合成机机 械械 功功主动运输主动运输生物发光生物发光生物发电生物发电生物发热生物发热 分子水平分子水平 细胞水平细胞水平 整体水平整体水平 生物机体的新陈代谢是一个完整的整体，机体

5、代谢的协调生物机体的新陈代谢是一个完整的整体，机体代谢的协调配合，关键在于它存在有精密的调节机制。代谢的调节使生物配合，关键在于它存在有精密的调节机制。代谢的调节使生物机体能适应其内、外复杂的变化环境，从而得以生存。这种精机体能适应其内、外复杂的变化环境，从而得以生存。这种精密的调节机制是生物在长期演化中获得的。密的调节机制是生物在长期演化中获得的。 代谢调节可分为三个不同水平：代谢调节可分为三个不同水平：糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成进行氧化分解生成CO2和和H2O并释放出能量的并释放出能量的过程称为生物氧化（过程称为生物氧化（bio

6、logical oxidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行，其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。的一系列氧化还原反应过程。 方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧脱羧而生成而生成COCO2 2。 类型：类型：-脱羧和脱羧和-脱羧脱羧 氧化脱羧和单纯脱羧氧化脱羧和单纯脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系NAD+ NADH+H+CoASH例：例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶CH2

7、-NH2R二、生物氧化的方式与特点二、生物氧化的方式与特点（一）生物氧化的方式 1 1、 失电子失电子 2 2、脱氢脱氢( (最主要最主要) ) 3、加氧加氧Fe 2+ Fe 3+ +eCOOH C =O + 2H CH3 （2H+ +2e） COOH HOCH CH3Cu + O2 CuO1 2 生物氧化是在一系列氧化生物氧化是在一系列氧化- -还原酶催化下还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化。在生物氧化过程中，主要包括酶催化。在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。如下几种氧化方式。（1 1）脱氢）脱氢 在生物氧化中，脱氢反应占有重要地

8、位。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。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催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶脱氢酶。 琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢+2H+ 2e-+COOHCHCHCOOHCOOHCH2CH2COOH 乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶CH3CHCOOHOHNAD+ NADHCH3CCOOHO 酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。类。+2H+ 2e-+RCOHO 酶RCOHHOH H2ORCOH 这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧化这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化的生成水的反应。酶催化

9、的生成水的反应。 加氧酶加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如：例如： 【甲烷单加氧酶】【甲烷单加氧酶】 CHCH4 4 + NADH + O + NADH + O2 2 CH CH3 3-OH + NAD-OH + NAD+ + + H + H2 2O O 氧化酶氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反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氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。的。1 1、生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程

10、，、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，反应条件温和（水溶液，pHpH 7 7和常温）。和常温）。2 2、氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。、氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。3 3、水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢、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。作用直接参予了氧化反应。4 4、在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进、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，如由各种载体，如NADHNADH等传递到氧并

11、生成水。等传递到氧并生成水。5 5、生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由、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。的条件下释放能量，提高能量利用率。6 6、生物氧化释放的能量，通过与、生物氧化释放的能量，通过与ATPATP合成相偶联，合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能转换成生物体能够直接利用的生物能ATPATP。7 7、进行生物氧化反应的、进行生物氧化反应的部位（1 1）线粒体）线粒体 （