第二章人体的无氧代谢供能系统糖, 脂肪和蛋白质是人体的三大细胞燃料, 它们经过生物氧化将分子内储存的能量释放出来, 并转换成 ATP----- 人体生命活动的直接能源在缺氧状态下体内能源物质的代谢, 释放能量的过程, 称为无氧代谢, 包括磷酸原功能系统和糖酵解供能系统在氧充足的条件下,

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佶彬闵
5 years ago
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1 第二章人体的无氧代谢供能系统糖, 脂肪和蛋白质是人体的三大细胞燃料, 它们经过生物氧化将分子内储存的能量释放出来, 并转换成 ATP----- 人体生命活动的直接能源在缺氧状态下体内能源物质的代谢, 释放能量的过程, 称为无氧代谢, 包括磷酸原功能系统和糖酵解供能系统在氧充足的条件下, 糖脂肪和蛋白质的彻底氧化分解, 称为有氧代谢供能系统本章重点介绍磷酸原供能系统和糖酵解功能系统的供能第一节人体的能量代谢能量代谢指人体与外界环境之间的能量交换和人体内能量转移的过程生物氧化 : 物质在生物体内进行氧化称为生物氧化 (biological oxidation), 主要是糖脂肪蛋白质等在体内分解时逐步释放能量, 最终生成二氧化碳和水的过程其中有相当一部分能量可使 ADP 磷酸化生成 ATP, 供生命活动之需, 其余能量主要以热能形式释放, 可用于维持体温生物氧化中物质的氧化方式有加氧脱氢失电子, 遵循氧化还原反应的一般规律物质在体内外氧化时所消耗的氧量, 最终产物 (CO2,H2O) 和释放能量均相同但生物氧化是在细胞内温和的环境中 ( 体温,pH 接近中性 ), 在一系列酶的催化下逐步进行的, 因此物质中的能量得以逐步释放, 有利于机体捕获能量提高 ATP 生成的效率生物氧化过程中进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧, 并增加脱氢的机会 ; 生物氧化中生成的水是由脱下的氢与氧结合产生的,CO2 由有机酸脱羧产生体外氧化 ( 燃烧 ) 产生的 CO2,H2O 由物质中的碳和氢直接与氧结合生成, 能量是突然释放的代谢物脱下的成对氢原子 (2H) 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由于此过程与细胞呼吸有关, 所以将此传递链称为呼吸链 (respiratory chain) 它们按一定顺序排列在线粒体内膜上其中传递氢的酶或辅酶称之为递氢体, 传递电子的酶或辅酶称之为电子传递体不论递氢体还是电子传递体都起传递电子的作用 (2H2H++2e), 所以呼吸链又称电子传递链 (electron transfer chain) 呼吸链的组成 1. 复合体 Ⅰ NADH- 泛醌还原酶大部分代谢物脱下的 2H 由氧化型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸 (nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+) 接受形成还原型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸复合体 Ⅰ 将还原型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸中的 2H 传递给泛醌 (ubiquinone), 泛醌又称辅酶 Q(Coenzyme Q,CoQ,Q) 人复合体 Ⅰ 中含有以黄素单核苷酸 (flavin mononucleotide, FMN) 为辅基的黄素蛋白 (flavoprotein) 和以铁硫簇 (iron-sulfur cluster, Fe-S) 为辅基的铁硫蛋白 (iron-sulfur protein) 黄素蛋白和铁硫蛋白均具有催化功能 NAD+( 辅酶 Ⅰ,coenzyme I, Co I), 与 NADP+( 辅酶 Ⅱ,Coenzyme Ⅱ Co Ⅱ) 是烟酰胺脱氢酶类的辅酶, 其结构式如下 :

2 NAD+ 或 NADP+ 分子中烟酰胺的氮为五价, 能接受电子成为三价氮其对侧的碳原子也比较活泼, 能进行加氢反应上述反应是可逆的烟酰胺在加氢反应时只能接受一个氢原子和一个电子, 将另一个 H+ 游离出来, 因此将还原型的 NAD+ 和 NADP+ 分别写成 NADH + H+(NADH) 和 NADPH+H+(NADPH) FMN 中含有核黄素 ( 维生素 B2), 其发挥功能的结构是异咯嗪环氧化型或醌型的 FMN 可接受 1 个质子和 1 个电子形成不稳定的半醌型 FMNH, 再接受 1 个质子和 1 个电子转变为还原型或氢醌型 FMNH2 Fe-S 含有等量的铁原子和硫原子 (Fe2S2,Fe4S4), 通过其中的铁原子与铁硫蛋白中蛋白质部分半胱氨酸残基的硫相连接 ( 图 8-3) 铁硫蛋白中的铁原子可进行 Fe2+ Fe3++e 反应而传递电子, 在复合体 Ⅰ 中, 其功能是将 FMN 的电子传递给泛醌泛醌是一种脂溶性醌类化合物它有多个异戊二烯 (2- 甲基丁烯 ) 单位互相连接构成较长的侧链因侧链的疏水作用, 故它能在线粒体内膜中迅速扩散又因它极易从线粒体内膜中分离出来, 故不包含在上述复合体中人的 CoQ 侧链由 10 个异戊二烯单位组成, 用 CoQ10(Q10) 表示泛醌接受 1 个电子和 1 个质子还原成半醌, 再接受 1 个电子和 1 个质子还原成二氢泛醌, 后者也可脱去 2 个电子和 2 个质子被氧化为泛醌 2. 复合体 Ⅱ 琥珀酸 - 泛醌还原酶复合体 Ⅱ 将电子从琥珀酸传递给泛醌人复合体 Ⅱ 中含有以黄素腺嘌呤二核苷酸 (flavin adenine dinucleotide, FAD) 为辅基的黄素蛋白, 铁硫蛋白和细胞色素 (cytochrome, Cyt)b560 细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类, 均有特殊的吸收光谱而呈现颜色根据它们吸收光谱不同, 将细胞色素分为细胞色素 a b c(cyt a, Cyt b, Cyt c)3 类, 每一类中又因其最大吸收峰的微小差别再分为几种亚类各种细胞色素的主要差别在于铁卟啉辅基的侧链以及铁卟啉与蛋白质部分的连接方式细胞色素 b c 的铁卟啉都是铁原卟啉 Ⅸ, 与血红素相同, 但 Cyt b 中卟啉环上的乙烯侧链与蛋白质部分的半胱氨酸残基相连接 Cyt a 中与卟啉环相连的 1 个甲基被甲酰基取代,1 个乙烯基侧链连接一条聚异戊二烯长链 3. 复合体 Ⅲ 泛醌 - 细胞色素 C 还原酶复合体 Ⅲ 将电子从泛醌传递给细胞色素 C 人复合体 Ⅲ 中含有细胞色素 b (b562, b566), 细胞色素 C1 和铁硫蛋白 Cyt c 呈水溶性, 与线粒体内膜外表面结合不紧密, 极易与线粒体内膜分离, 故不包含在上述复合体中 4. 复合体 Ⅳ 细胞色素 C 氧化酶复合体 Ⅳ 将电子从细胞色素 C 传递给氧人复合体 Ⅳ 包含 13 条多肽链, 其中 1 条多肽链含有 Cu-Cu, 称之为 CuA; 另一条多肽链结合两个铁卟啉辅基, 由于其氧化还原电位不同分别称之为 Cyta 和 Cyta3, 此外还含有一个 Cu, 由于其氧化还原电位与 CuA 不同, 称之为 CuB

3 铜原子可进行 Cu+ Cu2++e 反应传递电子 Cyta 从 CuA 获得电子后依次将电子交给 Cyta3 和 CuB Cyta3 和 CuB 形成活性部位, 使 O2 还原成 H2O 呼吸链组分的排列顺序 : 根据以上实验结果得知, 体内存在两条氧化呼吸链 : 1.NADH 氧化呼吸链生物氧化中大多数脱氢酶如乳酸脱氢酶, 苹果酸脱氢酶都是以 NAD+ 为辅酶的 NAD+ 接受氢生成 NADH+H+, 然后通过 NADH 氧化呼吸链再被氧化成 NAD+ NADH+H+ 脱下的 2H 经复合体 I(FMN,Fe-S) 传给 CoQ, 再经复合体 Ⅲ (Cyt b, Fe-S,Cyt c1) 传至 Cyt c, 然后传至复合体 Ⅳ(Cyt a, Cyt a3) 最后将 2e 交给 O2 2. 琥珀酸氧化呼吸链 (FADH2 氧化呼吸链 ) 琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下脱下的 2H 经复合体 Ⅱ(FAD,Fe-S,b560) 使 CoQ 形成 CoQH2, 再往下的传递与 NADH 氧化呼吸链相同 α- 磷酸甘油脱氢酶及脂酰 CoA 脱氢酶催化代谢物脱下的氢也由 FAD 接受, 通过此呼吸链被氧化, 故归属于琥珀酸氧化呼吸链生物氧化中能量的生成有两种方式 : 底物水平磷酸化和生物氧化细胞内 ATP 形成的主要方式是氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation), 即是在呼吸链电子传递过程中偶联 ADP 磷酸化, 生成 ATP, 因此又称为偶联磷酸化底物水平磷酸化指的是细胞内直接将代谢物分子中的能量转移至 ADP( 或 GDP), 生成 ATP( 或 GTP) 的方式 ATP: 生物氧化过程中释放的能量大约有 40% 以化学能的形式储存于一些特殊的有机磷酸化合物中, 形成磷酸酯 ( 磷酸酐 ) 这些磷酸酯键水解时释放能量较多 ( 大于 21kJ/mol), 一般称之为高能磷酸键, 常用 ~ P 符号表示含有高能磷酸键的化合物称之为高能磷酸化合物实际上高能磷酸键水解时释放的能量是整个高能磷酸化合物分子释放的能量, 并不存在键能特别高的化学键因此, 高能磷酸键的名称不够确切但为了叙述方便, 目前仍被采用在体内所有高能磷酸化合物中, 以 ATP 末端的磷酸键最为重要此外体内还存在其他高能化合物为糖原磷脂蛋白质合成时提供能量的 UTP CTP GTP 一般不能从物质氧化过程中直接生成, 只能在核苷二磷酸激酶的催化下, 从 ATP 中获得 ~ P ATP + UDPADP + UTP ATP + CDPADP + CTP ATP + GDPADP + GTP 第二节磷酸原供能系统

4 ATP 和磷酸肌酸分子内均含有高能磷酸键, 在代谢中均能通过转移磷酸基团的过程释放能量, 所以将 ATP 和磷酸肌酸合称为磷酸原由 ATP 和磷酸肌酸分解反应组成的供能系统称为磷酸原供能系统骨骼肌不能直接利用磷酸肌酸分解释放的能量, 故不是骨骼肌的直接能源物质磷酸肌酸的主要功能 : 储存高能磷酸键, 组成肌酸磷酸肌酸能量穿梭系统磷酸肌酸与磷酸在线粒体膜上穿梭, 将能量带到胞浆中, 使胞浆中的 ATP 保持高浓度磷酸肌酸在运动过程中是维持短时间能量平衡的主要物质应用 : 通过食物增加肌酸, 可提高肌肉磷酸肌酸的储备, 有助于提高磷酸原供能系统的能量储备和功率输出, 这是力量和速度项目运动员补充肌酸的原因另外, 当体内 ATP 消耗过多 ( 例如肌肉剧烈收缩 ) 时,ADP 累积, 在腺苷酸激酶 (adenylatekinase) 催化下由 ADP 转变成 ATP 被利用此反应是可逆的, 当 ATP 需要量降低时,AMP 从 ATP 中获得 ~P 生成 ADP ADP + ADP ATP + AMP 除此,ATP 还可将 ~P 转移给肌酸生成磷酸肌酸 (creatine phosphate, CP), 作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式, 当机体消耗 ATP 过多而致 ADP 增多时, 磷酸肌酸将 ~P 转移给 ADP, 生成 ATP, 供生理活动之用生物体内能量的储存和利用都以 ATP 为中心在体外 ph7.0,25 条件下每摩尔 ATP 水解为 ADP 和 Pi 时释放能量为 30.5kJ(7.3kcal); 在生理条件下可释放能量约为 51.6kJ 人体内 ATP 含量虽然不多, 但每日经 ATP/ADP 相互转变的量相当可观第三节糖酵解供能系统人体组织均能对糖进行分解代谢, 主要的分解调节有三条 : 第一, 无氧酵解 ; 第二, 有氧氧化 ; 第三, 进入磷酸戊糖途径下面我们一个个的介绍一分子葡萄糖在胞液中可裂解为两分子丙酮酸, 是葡萄糖无氧氧化和有氧氧化的共同起始途径, 称为糖酵解 (glycolysis) 在不能利用氧或氧供应不足时, 人体将丙酮酸在胞液中还原生成乳酸, 称为乳酸发酵 ( lactic acid fermentation) 在某些植物和微生物中, 无氧情况下, 丙酮酸可转变为乙醇和二氧化碳, 称为乙醇发酵 (ethanol fermentation) 对于人体来说糖的无氧氧化就是包含了糖酵解和乳酸发酵两个阶段而无氧氧化反应的部位是胞液

5 葡萄糖经过糖酵解分解成两分子的丙酮酸, 从葡萄糖到丙酮酸一共有十个反应, 这个是糖酵解的过程,Glu 表示葡萄糖, 第一步就是进入到细胞的葡萄糖磷酸化成 6 磷酸葡萄糖而催化磷酸化的酶就是己糖激酶, 需要镁离子, 在哺乳类动物中, 己糖激酶有 4 种同工酶, 分别称为 Ⅰ 至 Ⅳ 型肝细胞中存在的是 Ⅳ 型, 称为葡萄糖激酶 (glucokinase) 它有哪些特点呢?1 对葡萄糖的亲和力很低 ; 葡萄糖是葡萄糖激酶的底物, 与底物亲和力低表示什么呢? 表示需要比较高浓度的底物才会发生催化作用, 在一定条件下用 Km 表示酶对底物的亲和力, 亲和力越低 Km 越大,2 受激素调控, 对葡糖 -6- 磷酸的反馈抑制并不敏感葡萄糖 6 磷酸是葡萄糖激酶的产物, 产物的反馈抑制不敏感说明比较不会因为产物的量增加而导致催化活性的降低, 它这些特性使在肝脏中, 只有当血糖显著升高时, 葡萄糖激酶才会很好的发挥它的催化活性, 肝才会加快对葡萄糖的利用, 起到缓冲血糖水平的调节作用, 对于肝维持血糖稳定很重要葡萄糖 6 磷酸在己糖异构酶的催化下空间构象发生改变生成果糖 6 磷酸, 这个是可逆反应果糖 6 磷酸可以在林算过糖激酶 1 作用下磷酸化, 这是第二次磷酸化, 生成果糖 16 二磷酸和第一次磷酸化一样也是不可逆反应果糖 16 二磷酸在醛缩酶的作用下发生裂解反应, 由六碳糖变成两个丙糖这两个丙糖是同分异构体, 可以在磷酸丙糖异构酶作用下相互转变, 由于三磷酸甘油醛会发生接下来的反应所以不断的减少, 所以反应虽然是可逆的, 但是却趋向于往这个方向进行到这里的五步为止是糖酵解的耗能过程, 两次磷酸化, 消耗两分子 ATP, 产生两分子 3 磷酸甘油醛, 接下来的会产生能量 3 磷酸甘油醛在脱氢酶的作用下发生磷酸化和脱氢氧化, 生成 13 二磷酸肝油酸, 脱下的氢传递给了辅酶 1, 接受到的磷酸基团, 这个化学键是高能磷酸键, 如果去磷酸化这个磷酸键是会释放出大量能量的接下来的产能就是靠这个高能磷酸键, 在磷酸甘油酸激酶的催化下脱去磷酸根, 生成 3 磷酸甘油酸, 断裂的是高能磷酸键,ADP 接受产生 ATP, 这是糖酵解的第一次产能, 在这里,13 二磷酸甘油酸脱氢去磷酸, 而 ADP 磷酸化是同时发生的也称为底物水平磷酸化 ADP 或其他核苷二磷酸的磷酸化作用与底物的脱氢作用直接相偶联的反应过程, 称为底物水平磷酸化 ATP 的产生除了底物水平磷酸化还有氧化磷酸化在磷酸甘油酸变位酶的催化下 3 磷酸甘油酸的磷酸基团位置从 3 移动到 2, 产生同分异构体 2 磷酸甘油酸 2 磷酸甘油

6 酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸, 这个反应最关键的就是由于分子结构的改变导致原来一般的磷酸键变成了高能磷酸键磷酸烯醇式丙酮酸在接下来的反应中就可以直接把高能磷酸键转移到 ADP 上产生 ATP, 这种磷酸化也是底物水平磷酸化,ADP 的磷酸化与底物的脱氢反应偶联在一起同时进行, 反应是不可逆的, 需要丙酮酸激酶的催化, 这后五步的糖酵解反应有两次底物水平磷酸化, 4 个 ATP 这是糖的无氧氧化的第一阶段, 糖酵解产生丙酮酸, 接下来是在乳酸发酵丙酮酸生成乳酸, 在乳酸脱氢酶的催化下, 乳酸脱氢酶有几种同工酶, 骨骼肌中主要含有 LDH 5, 它和丙酮酸亲和力较高, 有利于丙酮酸还原为乳酸,LDH 5 的辅酶是 NAD + 还原反应所需的 NADH+H + 是 3- 磷酸甘油醛脱氢时产生, 作为供氢体脱氢后成为 NAD +, 再作为 3- 磷酸甘油醛脱氢酶的辅酶因此,NAD + 来回穿梭, 起着递氢作用, 使无氧酵解过程持续进行在有氧的条件下,3- 磷酸甘油醛脱氢产生的 NADH+H + 从细胞质中通过穿梭系统进入线粒体经电子传递链传递生成水, 同时释放出能量在酶那一章介绍同工酶的时候就是以乳酸脱氢酶为例, 这是个加氢的反应, 氢原子是由辅酶 1 提供, 辅酶 1 的氢原子来自于哪里呢? 来自于糖酵解本身所产生的糖酵解的生理意义 : 那么糖无氧氧化的意义是什么呢? 是不利用氧快速产生能量, 对肌细胞特别重要, 因为在肌肉中 ATP 的含量是比较低的, 很快就会被消耗掉, 而有氧氧化虽然可以产生更多的能量, 但是时间长, 所以可以通过无氧氧化快速的合成 ATP, 这是对肌细胞而言, 它可以进行有氧也可以进行无氧, 但是需要快速提供 ATP 的时候就可以选择无氧氧化更快得到 ATP, 而对于某些细胞来说, 即使氧供应正常, 但由于细胞特点所以必须用无氧氧化合成 ATP, 比如没有线粒体的红细胞, 有氧氧化的进行位置不是在胞液中而是在线粒体中, 所以没有线粒体的细胞就没有办法进行有氧氧化必须进行无氧氧化, 另一类是代谢很活跃的细胞, 虽然可以进行有氧氧化, 但是因为耗氧快所以在进行有氧氧化的同时也会进行无氧氧化尽快的获得能量乳酸代谢 : 分为乳酸的生成和乳酸的消除两个部分首先, 乳酸的生成乳酸是糖酵解的必然产物机体在不同状态下乳酸的生成情况如下 : 首先, 安静时乳酸的生成情况, 安静时肌肉中糖酵解作用很弱, 仅生成少量乳酸人体除骨骼肌外, 一些耗能多的组织和细胞糖酵解作用也很活跃, 如视网膜肾髓质红细胞等, 所以血液中总有一定量的乳酸, 其浓度大约是 1mmol/L, 骨骼肌释放入血的乳酸约占乳酸的 35% 其次, 运动时乳酸的生成人体活动时骨给是产生乳酸

7 的主要场所, 乳酸生产量与运动强度持续时间及肌纤维类型等因素有关, 运动时肌乳酸和血乳酸水平有平行关系, 常用血乳酸来了解肌乳酸的变化准备活动时 : 乳酸阈为 4mmol/l 负荷强度进行 10 分钟的准备活动后静坐 5 分钟, 再用 80% 的 VO2max 强度持续运动 5 分钟, 说明准备活动对后来持续进行活动中血乳酸积累程度有减轻作用, 对疲劳出现有一定意义亚极量运动时乳酸的生成 : 长时间的亚极量强度运动时, 乳酸增加经常发生在运动开始阶段及加速时期因为糖酵解酶系活性增高, 使 NADH 丙酮酸堆积乳酸大量生成极量运动时乳酸的生成 : 可提高血乳酸最大浓度的效果, 能增大肌肉中乳酸浓度的高限, 故极量强度的训练可使糖酵解系统供能达到最高是水平所以提高耐受乳酸最大浓度的能力, 就可抗疲劳提高运动能力乳酸的消除 :1. 直接氧化成 CO2 和 H2O,2. 异生成葡萄糖或糖原,3. 经汗尿排出体外在乳酸消除的三条去路中, 乳酸直接氧化占主导地位下面是有机体经长时间运动后小时内, 乳酸清除的分布情况 :(1) 直接氧化 55%-70% (2) 生成肝糖原和肌糖原 <20% (3) 转变成蛋白质成分 5%-10%(4) 转变成葡萄糖和血乳酸 <2%(4) 其它 ( 氨基酸和三羧酸循环中间产物 )<10% 由此可见, 人体活动后乳酸的主要去路是氧化, 糖异生作用是次要的人体肝脏每分钟最多只能代谢乳酸 g, 仅占人体内乳酸廓清率的 4%-8%. 肌酸在人体活动后 0.5-1h 内, 已降到人体活动前水平, 故人体活动后利用乳酸来合成糖原, 对于恢复人体糖原储备并不重要异生成葡萄糖或糖原, 肌肉组织中的乳酸可以通过乳酸循环进行糖的异生糖异生是指那些非糖物质转变成葡萄糖或糖原的过程, 非糖物质主要的就是哪些物质呢? 比如说乳酸甘油氨基酸乳酸来自肌糖原分解这部分糖异生主要与运动强度有关肌收缩 ( 尤其是供氧不足时 ) 通过糖酵解生成乳酸肌内糖异生活性低, 所以乳酸通过细胞膜弥散进入血液后, 再入肝, 在肝内异生为葡萄糖葡萄糖释入血液后又可被肌摄取, 这就构成了一个循环, 此循环称为乳酸循环, 也称 Cori 循环乳酸循环的形成是由于肝和肌组织中酶的特点所致第三, 乳酸可以经汗尿排出体外在乳酸消除的三条途径中, 仅有少量的乳酸直接随汗液尿液排出体外, 约占乳酸消除总量的 5%

第六章生物氧化

第二篇物质代谢及其调节 The biochemistry and molecular biology department of MU 第一阶段又称消化第二阶段是生物化学主要研究的内容第三阶段是三大营养素的共同通路第六章生物氧化 The biochemistry and molecular biology department of MU 物质在生物体内进行氧化称为生物氧化, 主要是糖脂肪